CN116481976B - 一种3d打印变开度裂隙岩体注浆试验系统及方法 - Google Patents

一种3d打印变开度裂隙岩体注浆试验系统及方法 Download PDF

Info

Publication number
CN116481976B
CN116481976B CN202310735847.3A CN202310735847A CN116481976B CN 116481976 B CN116481976 B CN 116481976B CN 202310735847 A CN202310735847 A CN 202310735847A CN 116481976 B CN116481976 B CN 116481976B
Authority
CN
China
Prior art keywords
slurry
grouting
crack
rock mass
printing
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
CN202310735847.3A
Other languages
English (en)
Other versions
CN116481976A (zh
Inventor
马国伟
邵亚建
杨振甲
孙亮
吴杨
陈昀
聂雯
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Hebei University of Technology
Sinohydro Foundation Engineering Co Ltd
Original Assignee
Hebei University of Technology
Sinohydro Foundation Engineering Co Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Hebei University of Technology, Sinohydro Foundation Engineering Co Ltd filed Critical Hebei University of Technology
Priority to CN202310735847.3A priority Critical patent/CN116481976B/zh
Publication of CN116481976A publication Critical patent/CN116481976A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN116481976B publication Critical patent/CN116481976B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N13/00—Investigating surface or boundary effects, e.g. wetting power; Investigating diffusion effects; Analysing materials by determining surface, boundary, or diffusion effects
    • G01N13/04—Investigating osmotic effects
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B28—WORKING CEMENT, CLAY, OR STONE
    • B28B—SHAPING CLAY OR OTHER CERAMIC COMPOSITIONS; SHAPING SLAG; SHAPING MIXTURES CONTAINING CEMENTITIOUS MATERIAL, e.g. PLASTER
    • B28B1/00—Producing shaped prefabricated articles from the material
    • B28B1/001—Rapid manufacturing of 3D objects by additive depositing, agglomerating or laminating of material
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B28—WORKING CEMENT, CLAY, OR STONE
    • B28B—SHAPING CLAY OR OTHER CERAMIC COMPOSITIONS; SHAPING SLAG; SHAPING MIXTURES CONTAINING CEMENTITIOUS MATERIAL, e.g. PLASTER
    • B28B13/00—Feeding the unshaped material to moulds or apparatus for producing shaped articles; Discharging shaped articles from such moulds or apparatus
    • B28B13/02—Feeding the unshaped material to moulds or apparatus for producing shaped articles
    • B28B13/0215—Feeding the moulding material in measured quantities from a container or silo
    • B28B13/023—Feeding the moulding material in measured quantities from a container or silo by using a feed box transferring the moulding material from a hopper to the moulding cavities
    • B28B13/0235—Feeding the moulding material in measured quantities from a container or silo by using a feed box transferring the moulding material from a hopper to the moulding cavities the feed box being provided with agitating means, e.g. stirring vanes to avoid premature setting of the moulding material
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B33—ADDITIVE MANUFACTURING TECHNOLOGY
    • B33Y—ADDITIVE MANUFACTURING, i.e. MANUFACTURING OF THREE-DIMENSIONAL [3-D] OBJECTS BY ADDITIVE DEPOSITION, ADDITIVE AGGLOMERATION OR ADDITIVE LAYERING, e.g. BY 3-D PRINTING, STEREOLITHOGRAPHY OR SELECTIVE LASER SINTERING
    • B33Y30/00—Apparatus for additive manufacturing; Details thereof or accessories therefor
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B33—ADDITIVE MANUFACTURING TECHNOLOGY
    • B33Y—ADDITIVE MANUFACTURING, i.e. MANUFACTURING OF THREE-DIMENSIONAL [3-D] OBJECTS BY ADDITIVE DEPOSITION, ADDITIVE AGGLOMERATION OR ADDITIVE LAYERING, e.g. BY 3-D PRINTING, STEREOLITHOGRAPHY OR SELECTIVE LASER SINTERING
    • B33Y40/00—Auxiliary operations or equipment, e.g. for material handling
    • B33Y40/10—Pre-treatment
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01M—TESTING STATIC OR DYNAMIC BALANCE OF MACHINES OR STRUCTURES; TESTING OF STRUCTURES OR APPARATUS, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01M10/00—Hydrodynamic testing; Arrangements in or on ship-testing tanks or water tunnels
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N1/00—Sampling; Preparing specimens for investigation
    • G01N1/28—Preparing specimens for investigation including physical details of (bio-)chemical methods covered elsewhere, e.g. G01N33/50, C12Q
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N1/00—Sampling; Preparing specimens for investigation
    • G01N1/28—Preparing specimens for investigation including physical details of (bio-)chemical methods covered elsewhere, e.g. G01N33/50, C12Q
    • G01N1/286—Preparing specimens for investigation including physical details of (bio-)chemical methods covered elsewhere, e.g. G01N33/50, C12Q involving mechanical work, e.g. chopping, disintegrating, compacting, homogenising
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N15/00—Investigating characteristics of particles; Investigating permeability, pore-volume, or surface-area of porous materials
    • G01N15/08—Investigating permeability, pore-volume, or surface area of porous materials
    • G01N15/082—Investigating permeability by forcing a fluid through a sample
    • G01N15/0826—Investigating permeability by forcing a fluid through a sample and measuring fluid flow rate, i.e. permeation rate or pressure change
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N15/00—Investigating characteristics of particles; Investigating permeability, pore-volume, or surface-area of porous materials
    • G01N15/08—Investigating permeability, pore-volume, or surface area of porous materials
    • G01N15/088—Investigating volume, surface area, size or distribution of pores; Porosimetry
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04N—PICTORIAL COMMUNICATION, e.g. TELEVISION
    • H04N23/00—Cameras or camera modules comprising electronic image sensors; Control thereof
    • H04N23/50—Constructional details
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04N—PICTORIAL COMMUNICATION, e.g. TELEVISION
    • H04N5/00—Details of television systems
    • H04N5/76—Television signal recording
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N1/00—Sampling; Preparing specimens for investigation
    • G01N1/28—Preparing specimens for investigation including physical details of (bio-)chemical methods covered elsewhere, e.g. G01N33/50, C12Q
    • G01N1/286—Preparing specimens for investigation including physical details of (bio-)chemical methods covered elsewhere, e.g. G01N33/50, C12Q involving mechanical work, e.g. chopping, disintegrating, compacting, homogenising
    • G01N2001/2873—Cutting or cleaving

Abstract

本发明为一种3D打印变开度裂隙岩体注浆试验系统及方法，包括可视化注浆平台、变角度支撑框架、恒压搅拌储浆装置和数据监测模组；试验方法中裂隙岩体3D打印与微型压力传感器布置协同进行，微型压力传感器内置岩体内部并与裂隙贯通，传感器壁面与裂隙壁面融合在一起，避免传统浆液压力监测破坏裂隙完整性并干扰流场，进而造成监测失真的难题，研究裂隙的扩散范围和浆液流动过程中的压力损失，避免体积的改变，不影响裂隙空间。

Description

一种3D打印变开度裂隙岩体注浆试验系统及方法
技术领域
本发明涉及3D打印和岩体工程技术领域，特别是涉及一种3D打印变开度裂隙岩体注浆试验系统及方法。
背景技术
工程岩体中赋存大量的层理、节理、裂纹、裂隙、层面以及断层等结构弱面，通常采用注浆加固方法将具有粘结性的浆液注入岩土裂隙来保证工程岩体的稳定性能。岩土体裂隙分布十分复杂，不同形态裂隙空间内的浆液扩散规律也异常多变，特别是交叉裂隙的浆液分配规律难以探究，为此，国内外学者基于室内模型试验对注浆扩散机理开展研究。传统裂隙岩体模型制备中，常采用预制薄片移除法或软弱薄片内置法制备，但其无法实现复杂的、变开度、大尺度岩体地质模型的制备。3D打印技术可以制作几何精确的地质体模型，如公开号为CN114311221A的一种双臂多材料混凝土3D打印增减材系统及成型方法，可用于制备复杂地质模型，但目前还没有与3D打印地质模型相匹配的注浆试验系统。
对于裂隙岩体注浆模拟研究，国内外学者已有大量研究成果，然而，现有的注浆试验系统及试验方法，岩体裂隙较为简单，如单一裂隙，交叉平直裂隙，对于复杂的、变开度、非直裂隙模型制样十分困难，即便能够制样，模型与试验设备的贴合密封也十分繁琐。为提高注浆模拟研究的可靠度，地层模型通常较大，模型运搬、批量精准制备与重复试验已存在诸多困难，例如：
《International Journal of Rock Mechanics and Mining Science》2021年141期介绍了一种裂隙岩体注浆扩散模拟试验方法，该方法利用立方体混凝土块堆叠码放形成交叉的裂隙网络空间，然而，此方法构建裂隙空间易受人为因素干扰，裂隙精度控制困难。
《Bulletin of Engineering Geology and the Environment》2021年第80期介绍了一种二维裂隙网络注浆模拟试验方法，该方法以亚克力板为基体，利用车铣工艺构建裂隙网络空间，然而，此方法利用的亚力克板材质地较软，在高压注浆模拟中易变形，影响试验可靠度。
《Measurement》2021年184期介绍了一种岩石粗糙裂隙面注浆特性试验系统及方法，通过树脂3D打印方法构建粗糙裂隙面，而后上覆玻璃板构建裂隙空间，该方法仅能研究料浆在单一裂隙面内流动特性，无法研究交叉裂隙浆液扩散特性问题。
专利号为ZL202221214224.9的中国专利公开一种模拟多类型单裂隙注浆渗流可视化试验系统，包括注水装置、恒压注气装置、可视化单裂隙渗流装置、旋转承载装置和计算机，可视化单裂隙渗流装置包括亚克力长方体块和若干块亚克力长条板，由亚克力板拼接形成裂隙且为单侧裂隙，不能用于二维裂隙注浆试验中。
发明内容
本发明的目的是，提供一种3D打印变开度裂隙岩体注浆试验系统及方法，以解决上述现有技术存在的问题。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
第一方面，本发明提供一种3D打印变开度裂隙岩体注浆试验系统，包括可视化注浆平台、变角度支撑框架、恒压搅拌储浆装置和数据监测模组；可视化注浆平台在变角度支撑框架上能调节与水平方向的夹角，所述可视化注浆平台包括变开度裂隙岩体模型、模型框架、上钢化玻璃板和下钢化玻璃板；
所述模型框架整体为空心长方体框架，在长方体框架的四个侧面上开设有若干数量的浆液注/排口，每个浆液注/排口上配有浆液注/排口接头或浆液注/排口堵头；所述模型框架的上下端面的四周边缘设置有若干数量的通孔，分别用于与下钢化玻璃板、上钢化玻璃板、以及变角度支撑框架的旋转支架固定；
模型框架的下部安装下钢化玻璃板，模型框架和下钢化玻璃板组合后围成的区域为注浆试验区域，同时为打印平台；在裂隙交叉点和裂隙出入口位置的下钢化玻璃板上分别布设微型压力传感器，在下钢化玻璃板和模型框架围成的区域内设置变开度裂隙岩体模型，所述变开度裂隙岩体模型通过3D打印工艺直接在打印平台打印获得；
在模型框架上表面加装上钢化玻璃板并固定，
在临近裂隙末端的模型框架上的浆液注/排口上安装浆液注/排口接头，模型框架上其余的浆液注/排口上安装浆液注/排口堵头；
安装浆液注/排口接头的浆液注/排口中至少一个为注料口，其余为排料口，在排料口设置出口比例阀，每个排料口分别通过溢流管连接有一个集料桶，在每个集料桶下方放置有一个用于监测裂隙末端溢出浆液流量的电子秤；
所述注料口与恒压搅拌储浆装置的出料口通过注浆管连通，在靠近注料口的注浆管上安装有进口阀门；同时在注料口位置安装有用于监测注料口压力的压力计；在可视化注浆平台的上方设置有用于监测浆液扩展范围的高速摄像机。
进一步地，所述系统配备多个可视化注浆平台。
进一步地，所述变角度支撑框架包括主体支撑、可沿着中轴线0~90°旋转的旋转支架、以及用于可视化注浆平台角度定位的角度尺和定位器。
进一步地，所述主体支撑整体为长方体支撑结构，长方体支撑结构的上表面转动安装有旋转支架，旋转支架的中轴线的两端通过转轴与长方体支撑结构的上表面转动连接，所述角度尺与转轴同轴，位于主体支撑和旋转支架之间；在旋转支架的两端对称安装有两个定位器，两个定位器均靠近旋转支架的边缘位置；所述定位器的上部设置有圆通孔，通过定位螺栓穿过圆通孔将定位器与旋转支架转动连接在一起；位于圆通孔下方的定位器上设置定位槽孔，固定螺栓能在定位槽孔内上下滑动，在滑动到位后进行固定，固定螺栓穿过定位槽孔将定位器与主体支撑相连。
进一步地，所述微型压力传感器呈“纽扣状”，利用打印浆材的流动性微型压力传感器直接内置到变开度裂隙中；裂隙切割深度为模型框架高度与微型压力传感器厚度之差，且裂隙下断面与微型压力传感器上表面平齐。
进一步地，所述3D打印工艺的过程中有增材打印和减材打印，增材打印岩体，剪材打印裂隙和打磨表面，打印裂隙时使用减材切割针，打磨表面时使用减材打磨头。
第二方面，本发明提供一种3D打印变开度裂隙岩体注浆试验方法，使用所述的3D打印变开度裂隙岩体注浆试验系统，所述试验方法包括以下步骤：
a）模型框架和下钢化玻璃组装构成打印平台，将微型压力传感器按照试验目的，分别布置在下钢化玻璃上表面的指定位置，所述指定位置包括：浆液进口位置、裂隙交叉位置、浆液出口位置；在试验目的确定的前提下裂隙的位置及空间形态确定，所述微型压力传感器位于垂直裂隙的正下方；
b）利用3D打印工艺将岩体直接打印在打印平台上，增材打印完成后，利用剪材切割针在模型内切割形成裂隙，切割深度为模型框架高度与微型压力传感器厚度之差，裂隙空间与微型压力传感器贯通，且裂隙下断面与微型压力传感器上表面平齐；裂隙岩体养护到终凝后，用圆柱打磨头将模型上表面铣平，而后再养护7~14天，对模型及裂隙精度进行检测，达标后获得含有二维变开度裂隙的变开度裂隙岩体模型，在变开度裂隙岩体模型上表面涂抹润滑脂或凡士林，密封加装上钢化玻璃板，并在上钢化玻璃板上安装吊环；与此同时，确定变开度裂隙岩体模型中裂隙末端位置，在临近裂隙末端的模型框架上的浆液注/排口上安装浆液注/排口接头，模型框架上其余的浆液注/排口上安装浆液注/排口堵头，此时安装好可视化注浆平台备用；
c）根据试验中可视化注浆平台的倾角要求调整变角度支撑框架的旋转支架的角度，将可视化注浆平台吊装到调整好角度的变角度支撑框架上，并用螺栓固定；
d）配制满足性能需求的注浆材料，将注浆材料装入恒压搅拌储浆装置的压力储料桶中，根据试验用压力要求，调节恒压搅拌储浆装置到指定压力值；
e）准备就绪，开始注浆模拟：开始阶段，浆液经注浆管缓慢流入裂隙空间，并在裂隙内流动；浆液流经裂隙交叉位置时，会自由地向分支裂隙流动，整个流动过程利用高速摄像机记录浆液在裂隙和裂隙交叉位置的流动距离，在已知裂隙开度和裂隙深度的情况下，计算浆液在裂隙未充满时，浆液流动速度和裂隙交叉位置的流动与分配规律；
f）待裂隙完全充满后，注浆试验继续进行，浆液经溢流管流入电子秤上的集料桶中，根据固定时间内集料桶内料浆质量，计算浆液在裂隙充满后，浆液流动速度和裂隙交叉位置的流动与分配规律；
g）同时，在裂隙岩体内部，浆液进口、出口、交叉位置的裂隙底部位置，微型压力传感器采集浆液流动过程的压力数据，监测整个注浆试验过程中的压力监测位置的浆液压力参数；
h）调节出口比例阀能调节浆液在出口处阻力，改变裂隙内的浆液压力，实现不同注浆压力状态下裂隙岩体注浆试验模拟，研究不同注浆压力状态下，浆液在裂隙及裂隙交叉位置的流动与分配规律；
i）完成试验，处理试验数据。
进一步地，所述变开度裂隙岩体模型进行3D打印的成型装置，包括机械臂、电驱供料机构，所述的机械臂的一端安装有裂隙切割-填充机构，裂隙切割-填充机构包括与机械臂第六轴关节连接的切割刀具，切割刀具下设有待切割-填充的变开度裂隙岩体模型，所述的切割刀具为异型切割刀具，所述的异型切割刀具安装有异型切割针，所述异型切割针具有螺线状段，在螺线状段下部侧壁设有排料槽孔，异型切割针内置有中空输料通道；所述异型切割针底部封口，所述排料槽孔位于切割行进方向相反一侧，切割针的切割锋面位于打印行进方向一侧；
所述电驱供料机构包括连通异型切割针中空输料通道的输料软管、用于存储填充材料的储料桶、活塞和伺服电缸。
进一步地，所述异型切割针底部封口，具有粗圆柱段和螺线状段，且内置有中空输料通道，并在螺线状段下部侧壁设有排料槽孔，排料槽孔沿高度方向的长度为15.0~20.0mm，螺线状段的长度为30.0~50.0mm；所述排料槽孔位于切割行进方向相反一侧，异型切割针的切割锋面位于打印行进方向一侧。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明试验系统包括可视化注浆平台、变角度支撑框架、恒压搅拌储浆装置和数据监测模组。可视化注浆平台包括3D打印的二维的变开度裂隙岩体模型、上下钢化玻璃板、开有浆液注/排口的模型框架，变开度裂隙岩体模型直接在可视化注浆平台上打印，可批量制备，简化模型制备与安装流程。变角度支撑框架上配有可沿着中轴线0~90°旋转的旋转支架，并安装有用于平台角度定位的角度尺和定位器，可实现不同倾角的注浆模拟研究。恒压搅拌储浆装置可为注浆试验提供恒压、均质、稳定的注浆浆液；数据监测模组由监测注料口压力的压力计，内置于岩体中的微型压力传感器，监测裂隙末端溢出浆液流量的电子秤，以及监测浆液扩展范围的高速摄像机组成。本发明的3D打印变开度裂隙岩体注浆试验系统可用于研究在不同开度、曲直、倾角的裂隙空间内，浆液扩散规律（特别是交叉裂隙浆液分配规律）与注浆参数的关联机制，该装置简单、使用方便、高度模块化，可广泛应用于各类复杂裂隙岩体注浆模拟。
本发明试验系统及方法尤其适用于岩体裂隙为二维变开度裂隙，即裂隙的宽度是变化的，多条裂隙构成裂隙网络，克服了现有技术中仅适用于平直岩体裂隙注浆模拟的不足。
本发明的可视化注浆平台中模型直接在注浆平台上打印，即所述的注浆平台兼顾打印平台功能，将模型与注浆平台有效贴合，密封性好，极大简化注浆平台的密封问题，克服了现有技术中岩体模型与平台贴合度不高，密封效果差的问题。
本发明整个系统采用模块化设计，可视化注浆平台可以是多个，变角度支撑框架、恒压搅拌储浆装置和数据监测模组一套即可，多个可视化平台可同时制备多个变开度裂隙岩体模型，能适用于多裂隙参数对比试验研究，成本较低。
本发明试验方法中裂隙岩体3D打印与微型压力传感器布置协同进行，微型压力传感器内置岩体内部并与裂隙贯通，传感器壁面与裂隙壁面融合在一起，避免传统浆液压力监测破坏裂隙完整性并干扰流场，进而造成监测失真的难题，研究裂隙的扩散范围和浆液流动过程中的压力损失，避免体积的改变，不影响裂隙空间，裂隙的所有深度为微型压力传感器上表面到模型框架上表面的距离，所有裂隙深度一致，边框厚度已知，则切割裂隙的深度=边框厚度-微型压力传感器厚度。
本发明试验方法可用于研究浆液流至交叉处浆液如何分配问题的同时，在排料口处设置了出口比例阀，可以控制裂隙末端开合，研究裂隙末端闭合或裂隙空间充满条件下，浆液在裂隙网络空间内的流动特性。
附图说明
为了更清楚的说明本发明实施例或现有的技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简要介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些试试例，对于本领域普通技术人员来说，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明一种3D打印变开度裂隙岩体注浆试验系统的整体结构示意图。
图2 为本发明中一种实施例的可视化注浆平台的结构示意图。
图3为本发明中一种实施例的变角度支撑框架的结构示意图。
图4 为本发明中一种实施例的微型压力传感器的布置示意图。
图5为本发明中一种实施例的异型切割刀具的整体结构示意图。
图6为图5中A-A剖面10:1放大的结构示意图。
图7为图5中I部分的放大结构示意图。
其中：1、可视化注浆平台；1-1、变开度裂隙岩体模型；1-2、模型框架；1-3、浆液注/排口；1-4、注/排口接头；1-5、注/排口堵头；1-6、上钢化玻璃板；1-7、吊环；1-8、下钢化玻璃板；2、变角度支撑框架；2-1、主体支撑；2-2、旋转支架；2-3、角度尺；2-4、定位器；2-5、转轴；2-6、固定孔；2-7、底板；2-8、定位螺栓；2-9、固定螺栓；2-10、定位槽孔；3-1、高压气源；3-2、调压阀；3-3、输气管；3-4、压力储料桶；3-5、变频搅拌机；3-6、搅拌叶片；3-7、出料口；3-8、注浆管；3-9、进口阀门；3-10、出口比例阀；3-11、溢流管；3-12集料桶；4-1、数据采集仪；4-2压力计；4-3电子秤；4-4高速摄像机；4-5微型压力传感器；
5、异型切割刀具；5-1、异型切割针；5-2、中空输料通道；5-3、排料槽孔；5-4、刀具连接架；5-5、中空螺纹接头；5-6、外六角螺纹接头；5-7、切割针截面轮廓。
具体实施方式
下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全都的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
为使发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
实施例1：参照图1，本发明提供了一种3D打印变开度裂隙岩体注浆试验系统，包括可视化注浆平台1、变角度支撑框架2、恒压搅拌储浆装置和数据监测模组：
可视化注浆平台1（参见图2）包括3D打印的变开度裂隙岩体模型1-1、模型框架1-2、浆液注/排口1-3、注/排口接头1-4、注/排口堵头1-5、上钢化玻璃板1-6、吊环1-7和下钢化玻璃板1-8；
所述模型框架1-2整体为空心长方体框架，在长方体框架的四个侧面上开设有若干数量的浆液注/排口1-3，每个浆液注/排口1-3上配有浆液注/排口接头1-4或浆液注/排口堵头1-5；所述模型框架1-2的上下端面的四周边缘设置有若干数量的通孔，这些通孔一部分用来与下钢化玻璃板1-8固定，一部分用来与上钢化玻璃板1-6固定，还有一部分用来与变角度支撑框架2的旋转支架固定，上下两块钢化玻璃板通过螺栓与模型框架固定时，螺栓的连接位置均匀分布，使得上下钢化玻璃板、旋转支架均能与模型框架实现良好固定；
模型框架1-2的下部安装下钢化玻璃板1-8，模型框架和下钢化玻璃板组合后围成的区域为注浆试验区域，同时为打印平台。在下钢化玻璃板和模型框架围成的区域内设置变开度裂隙岩体模型1-1，确定二维裂隙的裂隙位置，在裂隙交叉点和裂隙出入口位置的下钢化玻璃板上分别布设微型压力传感器4-5（参见图4），微型压力传感器4-5呈“纽扣状”，可实现浆液在裂隙流动过程中，沿流向的压力分布。利用打印浆材的流动性微型压力传感器4-5可直接内置到岩体模型中，有效保证微型压力传感器与岩体贴合密封。增材打印完成后，利用剪材切割针在模型内切割形成裂隙，切割深度为模型框架高度与微型压力传感器厚度之差，确保裂隙空间与微型压力传感器贯通，且裂隙下断面与微型压力传感器上表面平齐，以在监测浆液压力的同时，不会改变裂隙空间形态。
所述变开度裂隙岩体模型1-1通过3D打印工艺直接在打印平台打印获得，使得变开度裂隙岩体模型与模型框架实现紧密贴合，3D打印所使用材料的流动性好，具有可3D打印性，利用打印浆材的流动性，使得模型边缘与注浆平台边框完全贴合，能在变开度裂隙岩体模型与模型框架的连接处实现紧密贴合并密封。
所述3D打印工艺的过程中有增材打印和减材打印，增材打印岩体，剪材打印裂隙和打磨表面，打印裂隙时使用减材切割针，打磨表面时使用减材打磨头，3D打印后的模型养护4-6h后，利用减材打磨头，将模型上表面铣平，而后再养护7-14天，对模型及裂隙精度进行检测，达标后获得含有二维变开度裂隙的变开度裂隙岩体模型1-1，在变开度裂隙岩体模型1-1上表面涂抹润滑脂，并在模型框架上表面加装上钢化玻璃板。确定变开度裂隙岩体模型1-1中裂隙末端位置，在临近裂隙末端的模型框架上的浆液注/排口上安装浆液注/排口接头1-4，模型框架上其余的浆液注/排口上安装浆液注/排口堵头1-5。
安装浆液注/排口接头1-4的浆液注/排口1-3中至少一个为注料口（本实施例中设置一个注料口），有些为排料口。为研究不同注浆压力状态下，浆液在裂隙及裂隙交叉位置的流动与分配规律，在排料口设置出口比例阀3-10。调节出口比例阀3-10改变出口口径，即可调节浆液在出口处阻力，进而改变裂隙内的浆液压力，实现不同压力状态下裂隙岩体注浆试验模拟。
在打印平台上利用3D打印构筑变开度裂隙岩体模型，在变开度裂隙岩体模型构筑好后，再用螺栓通过模型框架上的相应通孔将模型框架上钢化玻璃板与模型框架固定在一起，此时变开度裂隙岩体模型位于两块钢化玻璃板之间，在上钢化玻璃板上安装吊环1-7，安装好后即可通过吊装将整个可视化注浆平台转移到变角度支撑框架2上，进行下一步试验操作。使用过程中可批量作业，提高试验效率。
本发明中一套系统可配备多个可视化注浆平台，便于一次制备多个岩体模型用于对比试验。
所述变角度支撑框架2（参见图3）上配有主体支撑2-1、底板2-7、可沿着中轴线0~90°旋转的旋转支架2-2、并安装有用于可视化注浆平台1角度定位的角度尺2-3和定位器2-4，所述主体支撑2-1整体为长方体支撑结构，长方体支撑结构的上表面转动安装有旋转支架2-2，旋转支架2-2上设置有若干数量的固定孔2-6，用于将可视化注浆平台固定在变角度支撑框架2上，旋转支架2-2的中轴线的两端通过转轴2-5与长方体支撑结构的上表面转动连接，所述角度尺2-3与转轴2-5同轴，位于主体支撑2-1和旋转支架之间；在旋转支架的两端对称安装有两个定位器2-4，两个定位器2-4均靠近旋转支架的边缘位置；所述定位器的上部设置有圆通孔，通过定位螺栓2-8穿过圆通孔将定位器2-4与旋转支架2-2转动连接在一起，旋转支架和定位器之间可转动。位于圆通孔下方的定位器2-4上设置定位槽孔2-10，固定螺栓2-9能在定位槽孔2-10内上下滑动，在滑动到位后进行固定，固定螺栓2-9穿过定位槽孔2-10将定位器与主体支撑2-1相连，角度尺2-3旋转至指定角度，旋紧固定螺栓2-9，将定位器2-4与主体支撑2-1固定。根据试验要求，角度尺2-3设置为需要的角度，本实施例中设置为30°，前后两个定位器2-4将旋转支架2-2固定在特定角度，固定角度后再调整其他辅助配件（如溢流管，使溢流管接入集料桶）备用。
本发明可用于不同裂隙空间不同倾斜角度注浆试验模拟，前后两个角度尺和定位器可保证可视化注浆平台倾角控制精准，且坚固稳定。
所述恒压搅拌储浆装置可为注浆试验提供恒压、均质、稳定的注浆浆液，包括高压气源3-1、调压阀3-2、输气管3-3、压力储料桶3-4、变频搅拌机3-5、搅拌叶片3-6、注浆管3-8、进口阀门3-9，出口比例阀3-10、溢流管3-11、集料桶3-12；高压气源3-1的出口经调压阀、输气管3-3与压力储料桶3-4连接，压力储料桶3-4的出料口3-7经注浆管3-8连接可视化注浆平台的注料口，在靠近注料口的注浆管上安装有进口阀门3-9，每个排料口分别通过溢流管3-11连接有一个集料桶3-12，在每个集料桶下方放置有一个电子秤4-3，用于监测裂隙末端溢出浆液流量，以监测裂隙内浆液流速；所述电子秤和集料桶均位于主体支撑2-1的内部，并以底板2-7为支撑。在压力储料桶上方设置有变频搅拌机3-5，变频搅拌机3-5的输出端伸入压力储料桶内部并能驱动压力储料桶内部的搅拌叶片3-6转动；同时在注料口位置安装有用于监测注料口压力的压力计4-2；在可视化注浆平台1的上方设置有用于监测浆液扩展范围的高速摄像机4-4；
高压气源3-1内的高压气体经调压阀3-2调节到指定压力后经过输气管3-3流入压力储料桶3-4，为储存的料浆提供驱动力；在高压气体的驱动下，料浆经注浆管3-8流入变开度裂隙岩体模型，而后，料浆经相应的排料口、溢流管3-11流入集料桶3-12。
恒压搅拌储浆装置配有高压气源和配有高速搅拌机的压力储料桶，高压气源为注浆提供稳定的驱动力，高速搅拌下维持水泥浆液悬浮，可为注浆试验提供恒压、均质、稳定的注浆浆液。
本发明图1中以注料口所在一侧为前。
所述监测注料口压力的压力计4-2、监测裂隙末端溢出浆液流量的电子秤4-3与数据采集仪电性连接，在压力计4-2、电子秤4-3安装在指定位置后，分别接入数据采集仪4-1，高速摄像机4-4可作为独立的图像数据采集单元。
上述的数据采集仪4-1、监测注料口压力的压力计4-2、监测裂隙末端溢出浆液流量的电子秤4-3、监测浆液扩展范围的高速摄像机4-4构成数据监测模组。
本发明3D打印变开度裂隙岩体注浆试验方法，使用上述的试验系统，包括以下步骤：
j）模型框架1-2和下钢化玻璃1-8组装构成打印平台，将微型压力传感器按照试验目的，分别布置在下钢化玻璃1-8上表面的指定位置（垂直裂隙的正下方），所述指定位置包括：浆液进口位置、裂隙交叉位置、浆液出口位置，在试验目的确定的前提下裂隙的位置及空间形态确定；
k）利用3D打印工艺将岩体直接打印在打印平台上，增材打印完成后，利用剪材切割针在模型内切割形成裂隙，切割深度为模型框架高度与微型压力传感器厚度之差，确保裂隙空间与微型压力传感器贯通，且裂隙下断面与微型压力传感器上表面平齐，微型压力传感器在监测浆液压力的同时，不会改变裂隙空间形态；裂隙岩体养护到终凝后，用圆柱打磨头将模型上表面铣平，而后再养护7-14天，对模型及裂隙精度进行检测，达标后获得含有二维变开度裂隙的变开度裂隙岩体模型1-1，在变开度裂隙岩体模型1-1上表面涂抹润滑脂或凡士林，在其上加装上钢化玻璃板1-6，利用螺栓将上钢化玻璃板与模型压紧密封，并安装吊环1-7。与此同时，确定变开度裂隙岩体模型1-1中裂隙末端位置，在临近裂隙末端的模型框架上的浆液注/排口上安装浆液注/排口接头1-4，模型框架上其余的浆液注/排口上安装浆液注/排口堵头1-5，此时安装好可视化注浆平台备用；
l）将变角度支撑框架2上的旋转支架2-2按照试验中对可视化注浆平台倾角的要求，利用角度尺2-3和定位器2-4将旋转支架2-2固定；将可视化注浆平台吊装到变角度支撑框架2的旋转支架2-2上，并用螺栓固定；
m）配制满足性能需求的注浆材料，将注浆材料装入压力储料桶3-4，利用输气管3-3将压力储料桶3-4与高压气源3-1连接，压力储料桶3-4上分别连接注浆管3-8和溢流管，而后根据试验用压力要求，调节调压阀3-2到指定压力值；
n）准备就绪，开始注浆模拟。开始阶段，浆液经注浆管3-8缓慢流入裂隙空间，并在裂隙内流动；浆液流经裂隙交叉位置时，会自由地向分支裂隙流动，整个流动过程利用高速摄像机4-4记录浆液在裂隙和裂隙交叉位置的流动距离，在已知裂隙开度和裂隙深度的情况下，计算浆液在裂隙未充满时，浆液流动速度和裂隙交叉位置的流动与分配规律；
o）待裂隙完全充满后，注浆试验继续进行，浆液经溢流管3-11流入电子秤4-3上的集料桶3-12中，根据固定时间内集料桶内料浆质量，计算浆液在裂隙充满后，浆液流动速度和裂隙交叉位置的流动与分配规律；
p）同时，在裂隙岩体内部，浆液进口、出口、交叉位置的裂隙底部位置，微型压力传感器4-5采集浆液流动过程的压力数据，并传送到数据采集仪4-1，即可监测整个注浆试验过程中的压力监测位置的浆液压力参数；
q）为研究不同注浆压力状态下，浆液在裂隙及裂隙交叉位置的流动与分配规律，在排料口设置出口比例阀3-10。调节出口比例阀3-10改变出口口径，即可调节浆液在出口处阻力，进而改变裂隙内的浆液压力，实现不同注浆压力状态下裂隙岩体注浆试验模拟；
r）完成试验，处理试验数据。
交叉裂隙浆液分配规律表征分为两个方面，第一，裂隙开始灌注阶段，此刻，浆液流至交叉处向各个分支裂隙流动，分支裂隙的开度、深度已知，因此，根据流动的距离即可推算浆液的分配规律；第二，待所有裂隙充满后，浆液会沿着与裂隙末端相连的溢流管流入集料桶，集料桶置于电子秤上，根据各个电子秤内流入浆体质量推算浆液在各个裂隙交叉位置的浆液分配规律。
本发明试验系统能够研究浆液分配规律，在低雷诺数下（低速流动）主要受到裂隙开度影响，开度越大，流入阻力越小，流量越大。在高雷诺数下（高速流动）受裂隙开度影响的同时，还受到裂隙夹角影响，浆液流至交叉处，在惯性力作用下会优先向与流动方向夹角小的方向流动；此外浆液分配规律还受到浆液黏性影响，本发明试验系统能够研究不同黏性浆液在变开度裂隙中的浆液分配规律。
实施例2：本实施例中变开度裂隙岩体模型进行3D打印的成型装置，包括机械臂，所述的机械臂的一端安装有裂隙切割-填充机构，裂隙切割-填充机构包括与机械臂第六轴关节连接的切割刀具，切割刀具下设有待切割-填充的变开度裂隙岩体模型，所述成型装置还包括电驱供料机构，所述的切割刀具为异型切割刀具，所述异型切割刀具通过刀具连接架5-4连接机械臂第六轴关节，所述的异型切割刀具安装有异型切割针，所述异型切割针具有螺线状段，在螺线状段下部侧壁设有排料槽孔，异型切割针内置有中空输料通道；所述异型切割针底部封口，所述排料槽孔位于切割行进方向相反一侧，切割针的切割锋面位于打印行进方向一侧；异型切割刀具的下部通过中空螺纹接头5-5、外六角螺纹接头5-6将异型切割刀具与异型切割针固连在一起；刀具连接架5-4配有中空螺纹接头5-5，异型切割针5-1配有外六角螺纹接头5-6，刀具连接架5-4与异型切割针5-1通过螺纹接头彼此相连；
所述电驱供料机构包括连通异型切割针中空输料通道的输料软管、用于存储填充材料的储料桶、活塞和伺服电缸。
所述异型切割针5-1底部封口，具有粗圆柱段和螺线状段（参见图5），且内置有中空输料通道5-2，并在螺线状段下部侧壁设有排料槽孔5-3，排料槽孔沿高度方向的长度为15.0~20.0mm，螺线状段的长度为30.0~50.0mm；所述排料槽孔位于切割行进方向相反一侧，异型切割针的切割锋面位于打印行进方向一侧，使得切割针既能完成切割裂隙作用，又能在切割后及时填入裂隙填充材料。所述排料槽孔不能太大，太大会使得填充材料不能流到底部，导致裂隙填充不密实；太小由于裂隙填充材料流动阻力较大也会导致其不能流出。螺线状段如果设置太深，容易导致针头变形，降低裂隙制备精度。
进一步优化方案，异型切割针5-1由不锈钢车制，切割针截面轮廓5-7呈“螺线”状（参见图6-图7），螺线的初始极径1.8mm，螺线的最长极径4.3mm，有效切割长50.0mm；异型切割针5-1内置中空输料通道5-2为椭圆形，长轴半径为4.0mm，短轴半径为1.6mm；异型切割针5-1侧壁的排料槽孔5-3宽为1.0mm，长为15.0mm。
岩体模型变开度裂隙3D打印切割路径规划方法，使用异型切割刀具5，所述异型切割刀具配有异型切割针5-1，所述异型切割针的切割针截面轮廓为对数螺线驱动的螺线型，异型切割针在机械臂第六轴关节Z轴转动控制作用下，实现变开度裂隙的制备；
获取变开度裂隙的几何形态，提取变开度裂隙的中轴曲线L，并将中轴曲线L进行离散化处理获得，n为离散化后曲线段的数量，产生n+1个离散点，离散点用/>表示，/>表示/>的下一个离散点，计算不同离散点处的裂隙轴线角/>和裂隙开度/>；
切割路径设置于裂隙的中轴曲线上，/>，，/>表示第i个离散点的切割信息；/>为异型切割针定位轴坐标；/>为异型切割针在3D打印岩体模型中的切入深度；/>为异型切割针运行速度；/>为机械臂第六轴关节Z轴转动角度；在已知/>点切割信息和/>点处裂隙轴线角/>和裂隙开度的情况下，通过递推公式/>获得/>点切割信息；
所述的递推公式为：
，
式中：i取值为0,…,n，为第i个离散点处的裂隙开度，/>为第i+1个离散点处的裂隙开度，/>为螺线初始极径，/>为螺线在第i个离散点时的切割极径，/>为螺线在第i+1个离散点时的切割极径，/>为最小裂隙开度处所对应的极角，/>为达到指定切割宽度/>所对应异型切割针Z轴旋转角度，/>为由/>到/>间裂隙轴线转角；
给定初始异型切割针定位轴坐标、异型切割针在3D打印岩体模型中的切入深度/>、异型切割针运行速度/>及械臂第六轴关节Z轴初始角度/>、由/>到/>间裂隙轴线转角/>，带入所述的递推公式，得到切割路径上第二个离散点处异型切割针运行的坐标、异型切割针在3D打印岩体模型中的切入深度/>、异型切割针运行速度/>、由/>到/>时机械臂第六轴关节Z轴转动角度/>，根据上一个离散点的切割信息获得下一个离散点的切割信息，以此类推，得到各个离散点切割信息/>，再组成切割信息集合，完成切割路径规划。
所述成型装置的使用方法包括以下步骤：
a. 建立3D打印岩体模型的数值模型，并获得岩体挤出式打印路径；
b. 根据所述的切割路径规划方法确定切割路径，得到异型切割针定位轴坐标，异型切割针在3D打印岩体模型中的切入深度/>，异型切割针运行速度/>，由/>到时机械臂第六轴关节Z轴转动角度/>；
c. 根据异型切割针在3D打印岩体模型中的切入深度、裂隙开度/>、以及异型切割针运行速度/>，按照/>换算填充材料的挤出速度/>，
在获得填充材料的挤出速度后，再根据活塞直径计算伺服电缸的推进速度，
其中，伺服电缸的推进速度的计算公式为：
，
式中：D为活塞直径；
最后，根据各时间节点伺服电缸的推进速度编制材料填充自动控制程序，并载入自动控制模块；
d. 按照性能需求配制填充材料，高速搅拌后装入储料桶，并排除多余空气；
e. 设定3D打印岩体模型的指定高度，将岩体模型制备按指定高度分成若干段，根据步骤a中的岩体挤出式打印路径进行增材打印，根据所述切割路径和材料填充自动控制程序，进行裂隙切割填充，挤出增材打印一段，切割减材一段，直至打印到指定高度为止，完成变开度裂隙岩体模型的打印；
所述指定高度为30.0~50.0mm。
本实施例的3D打印成型装置及切割路径规划方法可一次性制备变开度、填充型或非填充性岩体裂隙。
实施例3：本实施例的试验系统，进行3D打印时利用多机械臂进行打印，包括：混凝土增材打印头、一个裂隙切割针、一个减材打磨头，驱动部安装于外部工作平面；其中，所述驱动部设置三个，一个所述驱动部与增材打印头相连接，一个所述驱动部与裂隙切割针相连接，一个所述驱动部与减材打磨头相连接，所述驱动部、增材打印头和裂隙切割针、减材打磨头采用上位机集成控制。
实施例4：本实施例的试验系统，所述的数据检测模组与实施例3的上位机进行集成控制，高速摄像机4-4采集的裂缝注浆的图像数据、压力计4-2和电子秤4-3通过数据采集仪传输的数据可在上位机的显示部中进行显示，且试验方法过程中的相关试验数据及结果也可在上位机的显示部中显示。
本发明提供3D打印变开度裂隙岩体注浆试验系统及方法，试验系统中利用浆材挤出型3D打印构建岩体，由机械臂带动切割针和打磨头制备变开度裂隙，根据岩体凝结程度灵活设置切割打磨时间，在保证精度的同时，极大减小裂隙成型难度，全程自动控制，模型成型精度高。可视化注浆平台作为独立模块可生产多个，根据试验需求，一次制样作业可连续制备多个变开度裂隙岩体模型，批量化制备保证变开度裂隙岩体模型的一致性。将裂隙岩体3D打印工艺特点和注浆模拟试验需求相结合，变开度裂隙岩体模型与注浆平台充分贴合，降低密封作业量，极大简化模型制作、设备安装、注浆试验作业的流程，实现裂隙精准化、模型批量化、系统模块化、试验流程化，可更有效地探究在不同开度、曲直、夹角、倾角的裂隙空间内，交叉裂隙浆液分配规律与注浆参数的关联机制，探明变开度裂隙岩体注浆机理并指导复杂地层注浆工程应用。
本发明试验系统能够实现不同开度、曲直的裂隙制备。
本发明未述及之处适用于现有技术。

Claims (6)

1.一种3D打印变开度裂隙岩体注浆试验系统，包括可视化注浆平台、变角度支撑框架、恒压搅拌储浆装置和数据监测模组；可视化注浆平台在变角度支撑框架上能调节与水平方向的夹角，其特征在于：所述可视化注浆平台包括变开度裂隙岩体模型、模型框架、上钢化玻璃板和下钢化玻璃板；
所述模型框架整体为空心长方体框架，在长方体框架的四个侧面上开设有若干数量的浆液注/排口，每个浆液注/排口上配有浆液注/排口接头或浆液注/排口堵头；所述模型框架的上下端面的四周边缘设置有若干数量的通孔，分别用于与下钢化玻璃板、上钢化玻璃板、以及变角度支撑框架的旋转支架固定；
模型框架的下部安装下钢化玻璃板，模型框架和下钢化玻璃板组合后围成的区域为注浆试验区域，同时为打印平台；在裂隙交叉点和裂隙出入口位置的下钢化玻璃板上分别布设微型压力传感器，在下钢化玻璃板和模型框架围成的区域内设置变开度裂隙岩体模型，所述变开度裂隙岩体模型通过3D打印工艺直接在打印平台打印获得；
在模型框架上表面加装上钢化玻璃板并固定，
在临近裂隙末端的模型框架上的浆液注/排口上安装浆液注/排口接头，模型框架上其余的浆液注/排口上安装浆液注/排口堵头；
安装浆液注/排口接头的浆液注/排口中至少一个为注料口，其余为排料口，在排料口设置出口比例阀，每个排料口分别通过溢流管连接有一个集料桶，在每个集料桶下方放置有一个用于监测裂隙末端溢出浆液流量的电子秤；
所述注料口与恒压搅拌储浆装置的出料口通过注浆管连通，在靠近注料口的注浆管上安装有进口阀门；同时在注料口位置安装有用于监测注料口压力的压力计；在可视化注浆平台的上方设置有用于监测浆液扩展范围的高速摄像机；
所述微型压力传感器呈“纽扣状”，利用打印浆材的流动性微型压力传感器直接内置到变开度裂隙中；裂隙切割深度为模型框架高度与微型压力传感器厚度之差，且裂隙下断面与微型压力传感器上表面平齐；
所述3D打印工艺的过程中有增材打印和减材打印，增材打印岩体，减材打印裂隙和打磨表面，打印裂隙时使用减材切割针，打磨表面时使用减材打磨头；
减材切割针为异型切割针用于打印变开度裂隙岩体模型，所述异型切割针底部封口，具有粗圆柱段和螺线状段，且内置有中空输料通道，并在螺线状段下部侧壁设有排料槽孔，排料槽孔沿高度方向的长度为15.0～20.0mm，螺线状段的长度为30.0～50.0mm；所述排料槽孔位于切割行进方向相反一侧，异型切割针的切割锋面位于打印行进方向一侧。
2.根据权利要求1所述的3D打印变开度裂隙岩体注浆试验系统，其特征在于，所述系统配备多个可视化注浆平台。
3.根据权利要求1所述的3D打印变开度裂隙岩体注浆试验系统，其特征在于，所述变角度支撑框架包括主体支撑、可沿着中轴线0～90°旋转的旋转支架、以及用于可视化注浆平台角度定位的角度尺和定位器。
4.根据权利要求3所述的3D打印变开度裂隙岩体注浆试验系统，其特征在于，所述主体支撑整体为长方体支撑结构，长方体支撑结构的上表面转动安装有旋转支架，旋转支架的中轴线的两端通过转轴与长方体支撑结构的上表面转动连接，所述角度尺与转轴同轴，位于主体支撑和旋转支架之间；在旋转支架的两端对称安装有两个定位器，两个定位器均靠近旋转支架的边缘位置；所述定位器的上部设置有圆通孔，通过定位螺栓穿过圆通孔将定位器与旋转支架转动连接在一起；位于圆通孔下方的定位器上设置定位槽孔，固定螺栓能在定位槽孔内上下滑动，在滑动到位后进行固定，固定螺栓穿过定位槽孔将定位器与主体支撑相连。
5.一种3D打印变开度裂隙岩体注浆试验方法，其特征在于，使用权利要求1所述的3D打印变开度裂隙岩体注浆试验系统，所述试验方法包括以下步骤：
a)模型框架和下钢化玻璃组装构成打印平台，将微型压力传感器按照试验目的，分别布置在下钢化玻璃上表面的指定位置，所述指定位置包括：浆液进口位置、裂隙交叉位置、浆液出口位置；在试验目的确定的前提下裂隙的位置及空间形态确定，所述微型压力传感器位于垂直裂隙的正下方；
b)利用3D打印工艺将岩体直接打印在打印平台上，增材打印完成后，利用减材切割针在模型内切割形成裂隙，切割深度为模型框架高度与微型压力传感器厚度之差，裂隙空间与微型压力传感器贯通，且裂隙下断面与微型压力传感器上表面平齐；裂隙岩体养护到终凝后，用圆柱打磨头将模型上表面铣平，而后再养护7～14天，对模型及裂隙精度进行检测，达标后获得含有二维变开度裂隙的变开度裂隙岩体模型，在变开度裂隙岩体模型上表面涂抹润滑脂或凡士林，密封加装上钢化玻璃板，并在上钢化玻璃板上安装吊环；与此同时，确定变开度裂隙岩体模型中裂隙末端位置，在临近裂隙末端的模型框架上的浆液注/排口上安装浆液注/排口接头，模型框架上其余的浆液注/排口上安装浆液注/排口堵头，此时安装好可视化注浆平台备用；
c)根据试验中可视化注浆平台的倾角要求调整变角度支撑框架的旋转支架的角度，将可视化注浆平台吊装到调整好角度的变角度支撑框架上，并用螺栓固定；
d)配制满足性能需求的注浆材料，将注浆材料装入恒压搅拌储浆装置的压力储料桶中，根据试验用压力要求，调节恒压搅拌储浆装置到指定压力值；
e)准备就绪，开始注浆模拟：开始阶段，浆液经注浆管缓慢流入裂隙空间，并在裂隙内流动；浆液流经裂隙交叉位置时，会自由地向分支裂隙流动，整个流动过程利用高速摄像机记录浆液在裂隙和裂隙交叉位置的流动距离，在已知裂隙开度和裂隙深度的情况下，计算浆液在裂隙未充满时，浆液流动速度和裂隙交叉位置的流动与分配规律；
f)待裂隙完全充满后，注浆试验继续进行，浆液经溢流管流入电子秤上的集料桶中，根据固定时间内集料桶内料浆质量，计算浆液在裂隙充满后，浆液流动速度和裂隙交叉位置的流动与分配规律；
g)同时，在裂隙岩体内部，浆液进口、出口、交叉位置的裂隙底部位置，微型压力传感器采集浆液流动过程的压力数据，监测整个注浆试验过程中的压力监测位置的浆液压力参数；
h)调节出口比例阀能调节浆液在出口处阻力，改变裂隙内的浆液压力，实现不同注浆压力状态下裂隙岩体注浆试验模拟，研究不同注浆压力状态下，浆液在裂隙及裂隙交叉位置的流动与分配规律；
i)完成试验，处理试验数据。
6.根据权利要求5所述的3D打印变开度裂隙岩体注浆试验方法，其特征在于，所述变开度裂隙岩体模型进行3D打印的成型装置，包括机械臂、电驱供料机构，所述的机械臂的一端安装有裂隙切割-填充机构，裂隙切割-填充机构包括与机械臂第六轴关节连接的切割刀具，切割刀具下设有待切割-填充的变开度裂隙岩体模型，所述的切割刀具为异型切割刀具，所述的异型切割刀具安装有异型切割针，所述异型切割针具有螺线状段，在螺线状段下部侧壁设有排料槽孔，异型切割针内置有中空输料通道；所述异型切割针底部封口，所述排料槽孔位于切割行进方向相反一侧，切割针的切割锋面位于打印行进方向一侧；
所述电驱供料机构包括连通异型切割针中空输料通道的输料软管、用于存储填充材料的储料桶、活塞和伺服电缸。
CN202310735847.3A 2023-06-21 2023-06-21 一种3d打印变开度裂隙岩体注浆试验系统及方法 Active CN116481976B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202310735847.3A CN116481976B (zh) 2023-06-21 2023-06-21 一种3d打印变开度裂隙岩体注浆试验系统及方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202310735847.3A CN116481976B (zh) 2023-06-21 2023-06-21 一种3d打印变开度裂隙岩体注浆试验系统及方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN116481976A CN116481976A (zh) 2023-07-25
CN116481976B true CN116481976B (zh) 2023-09-26

Family

ID=87212230

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202310735847.3A Active CN116481976B (zh) 2023-06-21 2023-06-21 一种3d打印变开度裂隙岩体注浆试验系统及方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN116481976B (zh)

Citations (15)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101871876A (zh) * 2010-06-09 2010-10-27 中国矿业大学 可视化多功能裂隙渗流模拟实验台
CN103411751A (zh) * 2013-08-13 2013-11-27 中国科学院武汉岩土力学研究所 一种可视化交叉裂隙动水注浆试验装置及方法
CN104614296A (zh) * 2015-01-23 2015-05-13 山东大学 可视化二维裂隙网络岩体渗流动态实时监测系统及方法
CN107553688A (zh) * 2017-10-17 2018-01-09 河北工业大学 一种装配于水泥基材料3d打印系统的播粉制裂智能机器手
CN108169457A (zh) * 2017-12-26 2018-06-15 山东大学 一种可视化变开度裂隙注浆模型试验台及使用方法
CN207662773U (zh) * 2018-01-11 2018-07-27 四川大学 分形交叉裂隙渗流实验系统
CN109648693A (zh) * 2018-12-20 2019-04-19 昆明理工大学 一种基于3d打印技术的充填型裂隙网络岩石试件制备方法
CN111595551A (zh) * 2020-05-12 2020-08-28 中国矿业大学 承压裂隙含水层可视化注浆驱水实验装置及方法
CN111811995A (zh) * 2020-07-17 2020-10-23 中国地质大学（北京） 模拟粗糙单-交叉裂隙多相渗流的可视化试验方法及系统
CN111983197A (zh) * 2020-02-20 2020-11-24 中国人民解放军军事科学院国防工程研究院 一种考虑应力作用的裂隙岩体注浆模拟可视化试验系统及试验方法
CN112172139A (zh) * 2020-09-25 2021-01-05 河北工业大学 一种制备复杂地质模型的粉末粘结3d打印设备及方法
CN114800830A (zh) * 2022-05-31 2022-07-29 北京工业大学 一种水泥基3d打印岩体模型裂隙填充装置及方法
CN217304821U (zh) * 2022-05-20 2022-08-26 河南理工大学 一种模拟多类型单裂隙注浆渗流可视化试验系统
CN115372222A (zh) * 2022-07-13 2022-11-22 浙江大学 一种用于变开度网络裂隙岩体渗流实验的装置
CN115372221A (zh) * 2022-07-13 2022-11-22 浙江大学 一种用于渗流实验的3d打印可变开度裂隙模型及方法

Patent Citations (15)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101871876A (zh) * 2010-06-09 2010-10-27 中国矿业大学 可视化多功能裂隙渗流模拟实验台
CN103411751A (zh) * 2013-08-13 2013-11-27 中国科学院武汉岩土力学研究所 一种可视化交叉裂隙动水注浆试验装置及方法
CN104614296A (zh) * 2015-01-23 2015-05-13 山东大学 可视化二维裂隙网络岩体渗流动态实时监测系统及方法
CN107553688A (zh) * 2017-10-17 2018-01-09 河北工业大学 一种装配于水泥基材料3d打印系统的播粉制裂智能机器手
CN108169457A (zh) * 2017-12-26 2018-06-15 山东大学 一种可视化变开度裂隙注浆模型试验台及使用方法
CN207662773U (zh) * 2018-01-11 2018-07-27 四川大学 分形交叉裂隙渗流实验系统
CN109648693A (zh) * 2018-12-20 2019-04-19 昆明理工大学 一种基于3d打印技术的充填型裂隙网络岩石试件制备方法
CN111983197A (zh) * 2020-02-20 2020-11-24 中国人民解放军军事科学院国防工程研究院 一种考虑应力作用的裂隙岩体注浆模拟可视化试验系统及试验方法
CN111595551A (zh) * 2020-05-12 2020-08-28 中国矿业大学 承压裂隙含水层可视化注浆驱水实验装置及方法
CN111811995A (zh) * 2020-07-17 2020-10-23 中国地质大学（北京） 模拟粗糙单-交叉裂隙多相渗流的可视化试验方法及系统
CN112172139A (zh) * 2020-09-25 2021-01-05 河北工业大学 一种制备复杂地质模型的粉末粘结3d打印设备及方法
CN217304821U (zh) * 2022-05-20 2022-08-26 河南理工大学 一种模拟多类型单裂隙注浆渗流可视化试验系统
CN114800830A (zh) * 2022-05-31 2022-07-29 北京工业大学 一种水泥基3d打印岩体模型裂隙填充装置及方法
CN115372222A (zh) * 2022-07-13 2022-11-22 浙江大学 一种用于变开度网络裂隙岩体渗流实验的装置
CN115372221A (zh) * 2022-07-13 2022-11-22 浙江大学 一种用于渗流实验的3d打印可变开度裂隙模型及方法

Non-Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
Experimental investigation on chemical grounting in rough 2D fracture network with flowing water;Lichuang Jin;《Bulletin of Engineering Geology and the Environment》(第80期);8519-8533 *
Grounting characteristics in rock fractures with rough surfaces:Apparatus design and experimental study;Xiaochen Wang;《Measurement》(第184期);1-13 *
Influence of the dominant fracture and slurry viscosity on the slurry diffusion law in fractured aquifers;Ermeng Zhang;《International Journal of Rock Mechanics and Mining Science》(第141期);1-11 *
岩体裂隙动水注浆试验及浆液扩散模型研究;熊伟;《中国优秀硕士论文全文数据库 工程科技II辑》(第01期);全文 *

Also Published As

Publication number Publication date
CN116481976A (zh) 2023-07-25

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN106338419B (zh) 一种多孔多角度深度可调型劈裂注浆试样制备装置和方法
CN105041280B (zh) 一种实现二氧化碳混相驱室内实验的方法与装置
CN103437771B (zh) 可模拟泥水平衡盾构施工的室内模型试验装置及使用方法
CN106840968A (zh) 新拌混凝土流变参数在线全自动测试方法
CN108343445A (zh) 模拟隧道分部开挖的多功能智能掘进装置及方法
CN111827910B (zh) 一种探究水平井钻井中岩屑床形成的实验装置及实验方法
CN106596295A (zh) 一种变角度负温岩石直剪仪及试验操作方法
CN210104818U (zh) 一种水泥土搅拌桩智能施工模型试验装置
CN208502781U (zh) 模拟隧道分部开挖的多功能智能掘进装置
CN109030291A (zh) 岩体结构面三维网络灌浆测试系统
CN104975828B (zh) 可实现混相添加剂筛选和岩心混相驱的装置以及制作方法
CN214585417U (zh) 一种模拟并监测泥石流多物源全地形运动的实验装置
CN112986537A (zh) 一种模拟并监测泥石流多物源全地形运动的实验装置
CN116481976B (zh) 一种3d打印变开度裂隙岩体注浆试验系统及方法
SE2351091A1 (en) Visualized test method which is for single fracture grouting seepage and in which width and roughness are variable
CN207377495U (zh) 一种用于喷射钻井室内研究的多功能测试与实验平台
CN104848752A (zh) 一种高密度震源药柱自动化装药机及震源药柱装药方法
CN116733476A (zh) 基于勒洛三角形原理的模型试验用方形隧洞仿形掘进装置
CN115015251A (zh) 一种多作用力下的可视化三维裂隙注浆实验系统及方法
CN115754254A (zh) 一种渣土改良自动控制试验方法及装置
CN113790991B (zh) 全断面隧道掘进机中的高压水射流辅助破岩模拟试验方法
CN113671150B (zh) 可均匀增湿的组合式黄土地层盾构隧道施工全阶段试验装置
CN208056068U (zh) 循环式灌浆施工系统
CN110491269A (zh) 一种crd法模型试验装置
CN110618061B (zh) 一种携砂流变仪用转子、携砂流变仪及方法

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant