一种仿制天然岩样的人造实验样品制作方法与流程

1.本技术涉及工程力学实验的领域，尤其是涉及一种仿制天然岩样的人造实验样品制作方法。


背景技术：

2.天然岩体通常会经受复杂的地质运动，而在岩体内部往往含有大量的地质缺陷，例如孔洞、充填物、裂隙、节理等。岩体大多沿地质缺陷发生破坏，因此地质缺陷对岩体的变形性质和水力学特性有着重要的影响。在地面和地表开展的各类岩体工程，如隧道、边坡、洞室中，裂缝影响着各类工程的稳定性和安全性。
3.许多学者和工程师为了在施工前对地质的力学性质等进行检测和实验；同时为了检测隧道结构的力学性质，常采用力学性质和岩石相似的混凝土、水泥砂浆等材料浇筑成许多具有相同地质缺陷的边长在50毫米到300毫米之间的长方体形人造实验样品来进行实验。这样可以保证每次实验中的人造实验样品的材料性能接近实际的岩体性能，实验结果也更加真实可靠。这种浇筑人造实验样品的方法被广泛采用，促进了岩体性质的室内实验研究的发展，得出了许多宝贵的结论，但也存在一定的不足之处。
4.目前浇筑制备人造实验样品时，常采用在试块上人工开凿预制孔洞的方式实现实验样品中地质缺陷的制造，但是这种方法所预制的孔洞往往数量很有限，一般为1～2个，并且大多数是贯通的。但工程现场中的孔洞往往隐含在岩体内部，且数量庞大，这些大量的孔洞对岩体的宏观变形和强度特征会产生很大影响；并且在对于复杂结构的隧道模型，利用传统的制作方法很难制作，往往需通过等效的办法来进行简化处理，常采用在支护系统中，以一个锚杆和锚索代替原型中的多根锚杆和锚索等。因此，上述技术方案的岩体力学实验样品和实际的岩体的力学性质存在较大的差异。


技术实现要素：

5.为了优化岩体实验的准确性，本技术提供一种仿制天然岩样的人造实验样品制作方法。
6.本技术提供的一种仿制天然岩样的人造实验样品制作方法，采用如下的技术方案：一种仿制天然岩样的人造实验样品制作方法，包括以下步骤：现场取样：在需要施工现场取样岩体样品；样品扫描：采用ct扫描岩体样品，并建立岩体样品的三维模型，并确认孔洞、充填物、裂隙在三维模型中的位置；支护：使用支护装置成型隧道模型，并在支护装置上设置多个锚杆；孔洞、裂隙模具制作：制作用于形成孔洞、裂隙的岩体模型；3d打印：将三维模型传输至3d打印机，通过3d打印机采用混凝土或水泥砂浆打印岩体样品的实验样品，在3d打印实验样品至孔洞或裂隙对应高度和位置时，将岩体模型放
置于对应位置未凝固的混凝土或水泥砂浆后，继续进行3d打印，并成型；上述孔洞、裂隙模具制作包括：根据三维模型中孔洞、裂隙的三维结构，采用溶解性的固体材料制成与孔洞或裂隙一致的岩体模型，并且岩体模型为中空结构，在岩体模型的内部填充有用于溶解岩体模型的溶剂。
7.通过采用上述技术方案，ct扫描能够相对得到相对较为准确的岩体样品的内部结构，然后构建出和岩体样品结构相同的三维模型，并通过支护装置和岩体模型，在3d打印的过程中，形成相对较为准确的实验样品；并且在成型孔洞和裂隙的过程中，只需在3d打印机打印至孔洞或裂隙存在的位置，然后将填充有溶剂的岩体模型放置于未凝固的混凝土或水泥砂浆即可，从而在混凝土或水泥砂浆凝固的过程中，溶剂会将岩体模型的外壳溶解，减小岩体模型对实验样品的力学实验产生影响的可能性的同时，能够在实验样品内部形成孔洞或裂隙灯地质缺陷，以使得实验样品的结构更接近实际的岩体样品，从而能够有效的优化力学实验的准确性。
8.可选的，所述岩体模型的为采用pvc制成，且所述岩体模型内部填充的溶剂为可溶解pvc的有机溶剂。
9.通过采用上述技术方案，采用pvc能够在3d打印的过程中，有效的对混凝土或水泥砂浆做支撑，减小因混凝土或水泥砂浆的压力，导致岩体模型强度不够而塌陷的可能性；同时在3d打印和凝固的过程中，有机溶剂能够溶解岩体模型，以减小岩体模型对实验样品力学性能的影响。
10.可选的，所述岩体模型包括壳体和封堵块，所述壳体开设有连通内部的入料孔，所述封堵块卡设于入料孔内；所述3d打印：还包括在3d打印至实验样品至孔洞或裂隙对应高度和位置时，将溶剂充入至壳体内，并将封堵块卡设于入料孔内。
11.通过采用上述技术方案，在需要放置岩体模型时，只需通过入料孔将有机溶剂灌入至壳体内，然后通过封堵块封堵入料孔，减小在3d打印前或实验样品未凝固时，岩体模型的壳体变被溶解的可能性。
12.可选的，所述支护装置包括模板座和两个对称设置的模板机构，所述模板机构包括两个用于成型隧道结构的模板，两个所述模板机构的多个模板形成弧形的板状结构，两个所述模板相互铰接，其中一个所述模板铰接于模板座，所述模板机构还包括用于控制两个模板转动的控制组件。
13.通过采用上述技术方案，在实验样品固化之后，只需通过控制组件分别控制不同的模板相向转动收缩，即可在实验样品固化之后，完成脱模，从而达到优化实验样品的准确性的同时，优化实验样品制作的便捷性。
14.可选的，所述模板包括呈弧形板状结构的板体和多个相互铰接的支撑条，多个所述支撑条相互平行，多个所述支撑条可拆卸连接于板体朝向弧形的开口一侧，多个所述支撑条设置有至少一个用于使得多个支撑条转动锁止的支撑件。
15.通过采用上述技术方案，能够根据不同的隧道轮廓，转动支撑条使得多个支撑条形成适应隧道轮廓的形状，然后通过支撑件使得多个支撑条转动锁止，并对多个支撑条做支撑，然后通过板体成型隧道，从而达到适应多种隧道轮廓的效果。
16.可选的，所述支撑件设置有多个且多个支撑件沿支撑条的长度方向分布，所述支
撑件呈弧形的条状结构，所述板体固定连接有多个支撑管，所述支撑管插设于支撑条，所述支撑件穿设有多个分别一一对应螺纹连接于支撑管的支撑螺栓，所述模板的至少一个支撑件铰接同一模板机构上另一个模板的至少一个支撑件。
17.通过采用上述技术方案，支撑螺栓能够将板体、支撑条和支撑件可拆卸连接在一起，以便于拆换板体，适应不同轮廓的隧道。
18.可选的，所述支撑条长度方向的两侧边沿分别开设有多个沿长度方向分布的支撑口和固定连接有多个支撑块，所述支撑块插设于相邻支撑条上的支撑口内，同一所述支撑条上的多个支撑块穿设有支撑连接杆，所述连接杆穿设于所在支撑块插设的支撑口。
19.通过采用上述技术方案，通过连接杆插设于相邻两个支撑条上的多个支撑块和支撑口，使得相邻两个支撑条相互可拆卸连接的同时，转动连接，以使得在需要对面积相对更大的板体做支撑时，只需增加额外的支撑条，并通过连接杆将支撑条安装于已存在的支撑条即可。
20.可选的，所述支撑连接杆呈阶梯轴状结构，所述支撑连接杆的小端穿设于支撑块和支撑口，所述支撑连接杆的大端插设并螺纹连接于其中一个支撑块。
21.通过采用上述技术方案，使得连接杆的大端能够通过插设并螺纹连接于其中至少一个支撑块，并通过连接杆的小端使得多个支撑块转动连接于支撑口的侧壁，减小使用过程中，连接杆自行脱离的可能性。
22.可选的，所述控制组件包括伸缩件一和伸缩件二，所述伸缩件一的伸缩端和固定端分别铰接于同一模板机构的两个模板，所述伸缩件二的伸缩端和固定端分别铰接于模板和模板座。
23.通过采用上述技术方案，在需要控制模板转动时，只需使得伸缩件一或伸缩件二伸缩，即可驱动模板转动。
24.可选的，所述模板座设置有用于控制两个控制组件间距的底座组件，所述底座组件包括伸缩座一、滑移连接于伸缩座一的伸缩座二，两个所述控制组件的伸缩件二分别一一对应铰接于伸缩座一和伸缩座二，所述伸缩座一和伸缩座二设置有用于可拆卸连接模板座的连接件。
25.通过采用上述技术方案，在需要改变隧道的宽度时，只需使得伸缩座一相对伸缩座二滑移，然后通过连接件将伸缩座一和伸缩座二连接于模板座即可。
26.综上所述，本技术包括以下至少一种有益技术效果：在实验样品制作时，ct扫描能够相对得到相对较为准确的岩体样品的内部结构，然后构建出和岩体样品结构相同的三维模型，并通过支护装置和岩体模型，在3d打印的过程中，形成相对较为准确的实验样品；并且在成型孔洞和裂隙的过程中，只需在3d打印机打印至孔洞或裂隙存在的位置，然后将填充有溶剂的岩体模型放置于未凝固的混凝土或水泥砂浆即可，从而在混凝土或水泥砂浆凝固的过程中，溶剂会将岩体模型的外壳溶解，减小岩体模型对实验样品的力学实验产生影响的可能性的同时，能够在实验样品内部形成孔洞或裂隙灯地质缺陷，以使得实验样品的结构更接近实际的岩体样品，从而能够有效的优化力学实验的准确性。
附图说明
27.图1是本技术实施例的制作方法流程图。
28.图2是本技术实施例中实验样品和支护装置的剖视图。
29.图3是本技术实施例支护装置的结构示意图。
30.图4是图3中a部分的放大结构示意图。
31.图5是本技术实施例中板体的结构示意图。
32.图6是图2中b部分的放大结构示意图。
33.图7是本技术实施例中支撑条的结构示意图。
34.附图标记说明：1、锚杆；2、壳体；21、入料孔；3、封堵块；4、模板座；5、模板；51、板体；511、支撑管；512、固定杆；52、支撑条；521、支撑口；522、支撑块；53、支撑件；531、支撑螺栓；54、连接杆；6、控制组件；61、伸缩件一；611、连接座一；62、伸缩件二；621、连接座二；7、底座组件；71、伸缩座一；72、伸缩座二；721、滑移板；722、固定座；73、连接件。
具体实施方式
35.以下结合附图1
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7对本技术作进一步详细说明。
36.本技术实施例公开一种仿制天然岩样的人造实验样品制作方法。参照图1、图2和图3，仿制天然岩样的人造实验样品制作方法包括以下步骤：现场取样：在需要施工现场取样岩体样品；样品扫描：采用ct扫描岩体样品，并建立岩体样品的三维模型，并确认孔洞、充填物、裂隙在三维模型中的位置；支护：使用支护装置成型隧道模型结构，并在支护装置上设置多个锚杆1；孔洞、裂隙模具制作：制作用于形成孔洞、裂隙的岩体模型；根据三维模型中孔洞、裂隙的三维结构，采用溶解性的固体材料制成与孔洞或裂隙一致的岩体模型，并且岩体模型为中空结构，在岩体模型的内部填充有溶剂；上述的岩体模型包括壳体2和封堵块3，壳体2开设有用于灌注有溶剂的入料孔21，封堵块3卡设于入料孔21内。壳体2为根据三维模型中孔洞、裂隙的三维结构，采用有机材料通过3d打印成型：有机材料可选用pp、pvc、pe等，本技术实施例中壳体2和封堵块3为采用pvc制成，溶剂为有机溶剂，例如环己酮、丙酮和四氢呋喃，本技术实施例为四氢呋喃溶剂，壳体2的溶解时间为8
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24h。
37.3d打印：将三维模型传输至3d打印机，并在支护装置的外表面涂设石蜡层，以便于脱模；通过3d打印机采用混凝土或水泥砂浆打印岩体样品的实验样品，在3d打印实验样品至孔洞或裂隙对应高度和位置时，暂停打印；然后先通过入料孔21将有机溶剂灌注于壳体2内，通过封堵块3卡设于入料孔21内，以减小3d打印时混凝土进入到壳体2内的可能性；最后在壳体2内部填充有机溶剂形成岩体模型嵌设于对应位置未凝固的混凝土或水泥砂浆后，继续进行3d打印，并成型。其中，3d打印的混凝土为采用200目石英砂、石膏粉、c42.5水泥和水制成，其中，石膏粉配合水形成石膏，石膏：水泥的配比为：0.1:0.9/0.2:0.8/0.3:0.7；石英砂的占比为30
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45％，本技术中采用石膏：水泥=0.1:0.9，石英砂的占比为35％，采用上述混凝土制成岩体样品的单轴抗压强度为57.67mpa，间接抗拉强度为3.89mpa，弹性模量为6.31gpa。
38.在使用时，支护装置能够用于辅助形成精确尺寸的隧道结构，并能够通过支护装置在实验样品内预设多个锚杆1，更接近实际施工的情况；同时采用3d打印时，通过内部填充有溶剂的壳体2，能够在混凝土浇筑完成后，在固化的过程中，溶剂能够逐渐将壳体2溶解，以能够在实验样品的内部成型孔洞、裂隙等地址缺陷，并且溶解的壳体2和封堵块3，能够有效的减小对实验样品本身力学性质的影响，从而有效的使得实验样品接近施工现场的实验样品的力学性质，以优化岩体实验的准确性。
39.参照图3和图4，支护装置包括模板座4和两个对称设置的模板机构，模板座4用于3d打印时作为施工的场地，两个模板机构用于在3d打印时对成型隧道结构的混凝土或水泥砂浆做支撑。
40.模板机构包括两个用于对隧道模型结构内壁做支撑的模板5。两个模板5相互铰接，并且朝向模板座4一侧的模板5铰接于模板座4，模板机构还包括用于控制两个模板5转动的控制组件6，以用于根据隧道的具体结构，做适应性的角度和弧度调整。
41.参照图4和图5，模板5包括呈弧形板状结构的板体51和多个支撑条52，多个支撑条52相互平行，支撑条52平行于板体51，多个支撑条52沿板体51的弧形轮廓分布，并且相邻两个支撑条52相互铰接设置。其中，板体51远离弧形开口的外壁固定连接有多个固定杆512，固定杆512同轴插设与锚杆1，以便于安装锚杆1，多个支撑条52设置有支撑件53，用于使得多个支撑条52转动锁止。
42.参照图5和图6，支撑件53为采用弹性材料制成的条状结构，支撑件53的弧形与板体51同中心轴线设置。板体51固定连接有多个插设于支撑条52的支撑管511。支撑件53穿设有多个支撑螺栓531，多个支撑螺栓531一一对应插设并螺纹连接于支撑管511，以用于使得板体51、支撑条52和支撑件53可拆卸连接，同时通过支撑件53限制多个支撑条52之间的相对转动，以用于成型隧道。
43.参照图6和图7，支撑条52沿长度方向的一侧边沿开设有多个支撑口521，多个支撑口521沿支撑条52的长度方向分布；支撑条52远离支撑口521的另一侧边沿固定连接有多个支撑块522，多个支撑块522沿支撑条52的长度方向分布。
44.同一支撑条52上的多个支撑块522穿设有连接杆54，连接杆54呈阶梯轴状结构。连接杆54的小端穿设于多个支撑块522，连接杆54的大端插设并螺纹连接于其中一个支撑块522。
45.参照图3和图4，控制组件6包括伸缩件一61和伸缩件二62，伸缩件一61和伸缩件二62为液压缸、电推缸或气缸，本技术实施例中伸缩件一61和伸缩件二62均为液压缸。
46.伸缩件一61的伸缩杆铰接有连接座一611，伸缩件二62的缸体铰接有连接座二621，连接座一611固定连接于其中一个板体51上的多个支撑条52；连接座二621固定连接于同一模板机构中另一个板体51上的多个支撑条52，以使得伸缩件一61的伸缩端和固定端分别通过连接座一611和连接座二621铰接于同一模板机构的两个模板5。其中，本技术实施例中，连接座二621固定连接于朝向模板座4一侧的板体51上的多个支撑条52。
47.伸缩件二62的伸缩杆铰接于连接座二621，两个伸缩件二62的缸体设置有底座组件7。
48.参照图3和图4，底座组件7包括伸缩座一71和伸缩座二72，伸缩座一71呈槽钢状结构且其开口朝向模板座4，伸缩座二72包括卡设并滑移连接于伸缩座一71开口内的滑移板
721和固定座722。两个伸缩件二62的缸体分别一一对应铰接于伸缩座一71和固定座722。其中，伸缩件一61、伸缩件二62的转动平面平行于支撑条52相对相邻支撑条52转动时的转动平面。
49.伸缩座一71和固定座722均设置有用于使得两者可拆卸连接于模板座4的连接件73，连接件73可选用螺栓或永磁固定座，本技术实施例中，连接件73为永磁固定座且模板座4为磁性材料制成，例如铁。
50.在需要针对轮廓不同或形状不同的隧道做实验样品时，只需先通过连接件73使得伸缩座一71和伸缩座二72相对滑动，然后通过连接件73吸附于模板座4，使得伸缩座一71和伸缩座二72相对模板座4滑移锁止；此时，通过伸缩件一61和伸缩件二62的伸缩调整同一模板机构两个模板5之间的角度；并将支撑件53拆下，使得支撑件53和板体51塑性弯折为需要的轮廓形状，然后通过支撑螺栓531将支撑件53、板体51和多个支撑条52可拆卸连接，以适应不同规格的隧道结构。此外，在更换直径更大的板体51，导致支撑条52不足以对板体51做支撑时，只需增加额外的支撑条52，并使得支撑条52上的支撑块522插设于相邻支撑条52上的支撑口521，然后使得连接杆54的小端依次穿设于多个支撑块522后，使得连接杆54的大端插设并螺纹连接于位于支撑条52端部的支撑块522，即可达到根据隧道结构，相对较为便捷的做适应性调整，不需要额外更换支护装置的效果；同时还能够通过伸缩件一61和伸缩件二62的收缩，在实验样品固化后主动脱模，优化实验的简洁性。
51.以上均为本技术的较佳实施例，并非依此限制本技术的保护范围，故：凡依本技术的结构、形状、原理所做的等效变化，均应涵盖于本技术的保护范围之内。