一种由3D打印技术构建非连续体三维边坡室内模型试验的方法技术

发明专利技术提供一种由3D打印技术构建非连续体三维边坡室内模型试验的方法。该方法包括构件模型、准备粉末、打印岩块和粘接模型等步骤。采用上述方法进行边坡室内模型试验，边坡模型制作快速便捷，模型之间呈比例放大缩小，能真实反映具有大量节理面的非连续体岩质边坡的破坏过程，模型试验符合相似理论的要求，结果更加真实可靠，可重复性强。

A method of constructing non continuum 3D slope model test by 3D printing technology

The invention provides a method for constructing non continuum three-dimensional slope indoor model test by 3D printing technology. The method includes component model, preparation of powder, printing block and bonding model. The above method is used to make the slope model test. The slope model is fast and convenient. The model shows a proportional amplification and reduction. It can truly reflect the failure process of a non continuum rock slope with a large number of joints. The model test is in accordance with the requirements of the similar theory, and the results are more reliable and repeatable.

【技术实现步骤摘要】
一种由3D打印技术构建非连续体三维边坡室内模型试验的方法
本专利技术涉及岩土工程
，具体涉及一种由3D打印技术构建非连续体三维边坡室内模型试验的方法。
技术介绍
我国是一个地质灾害频发的国家，特别是滑坡及其他边坡失稳类的地质灾害往往会给人民群众的生产生活和人身财产安全造成重大损失。仅2008年汶川地震造成的群发性崩塌滑坡就酿成了3万人遇难或失踪的悲剧。与此同时，滑坡地质灾害还具有发生频度高，影响范围大，难以预测等特点。这使得对边坡失稳运动模式、可靠度分析方法和失稳机理的研究成为了一项亟待解决的重大科学问题，并直接影响着岩土工程实践中设计、施工、运营等环节，具有重大的工程实际价值。目前针对边坡失稳地质灾害的研究方法有现场原位试验、室内模型试验和数值模拟几种方法，其中室内模型试验是较为经济可靠的方法。室内边坡模型试验的理论基础是相似理论，但是传统试验方法无法保证不同尺寸的边坡模型中节理分布与缺陷构造的相似性，试验结果的相似性难以保证。特别是针对具有大量内部节理面的非连续体岩质边坡的模型试验，目前国内外的研究尚处于空白阶段，传统的室内模型试验无法保证构建出的边坡模型是非连续的，此类边坡的动力学相似理论也更无法展开。然而非连续面是导致边坡失稳的关键因素，岩质边坡中非连续面的延伸贯通是造成边坡失稳的决定性因素，对大量存在的非连续面的忽视造成了室内模型试验与工程中实际的滑坡灾害在失稳机理上就存在较大差异。考虑到非连续面在滑坡地质灾害分析中的关键作用，研发一种可以构建一系列不同尺寸形状的非连续体三维边坡室内模型试验的新方法具有重要的实际意义。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种由3D打印技术构建非连续体三维边坡室内模型试验的方法，以解决现有技术中存在的问题。为实现本专利技术目的而采用的技术方案是这样的，一种由3D打印技术构建非连续体三维边坡室内模型试验的方法，包括以下步骤：1)参照真实岩体边坡物理模型，利用计算机构建缩尺的完整三维边坡数字模型。参照真实岩体边坡物理模型，利用计算机构建缩尺的完整三维边坡数字模型。通过计算机辅助设计软件得到完整三维边坡数字模型被设计节理面分割后形成的多个独立岩块。将所述多个独立岩块分别导出为STL模型文件。2)制备岩体边坡相似材料粉末。其中，所述粉末的原料包括砂岩石粉、重晶石粉和石膏粉。3)搭建3D打印装置。其中，所述计算机通过数据线与3D打印装置相连。所述3D打印装置包括胶结剂供应缸、打印喷头、成型室、粉末输送室、送粉辊轴、移动系统和粉末供应缸。所述打印喷头设置于成型室的上方。所述打印喷头通过输送管与胶结剂供应缸连接。粉末供应缸内的粉末通过粉末输送室和送粉辊轴输送至成型室。所述打印喷头通过移动系统定位在预打印位置。4)打印岩块。将步骤1)中的多个STL模型文件通过三维切片软件切片分层，并输入至3D打印装置。所述3D打印装置将三维模型转化为三维坐标，根据三维坐标调整打印喷头的位置。成型室内的粉末堆积至设计层厚时，移动系统将打印喷头定位至预打印位置点进行胶结成型。打印完成后控制移动系统，将打印喷头定位至另一处预打印位置。重复上述步骤，将粉末胶结在一起形成岩块。重复以上步骤，直至全部岩块打印完成。5)使用砂浆和水泥浆将步骤4)打印的岩块按设计拼接，形成含有节理面的非连续体边坡模型。其中，砂浆和水泥浆构成节理面。砂浆、水泥浆和岩块粘连为一个整体，共同构成三维边坡模型。6)在室温条件下对三维边坡模型进行养护，使节理面强度达到预期要求。7)将三维边坡模型布置在小型振动台上或有机玻璃水槽中，进行地震动或水力模拟试验，并利用CCD连续照相机采集数据。其中，所述CCD连续照相机通过数据线与计算机相连。进一步，所述移动系统包括X方向移动轴、Y方向移动轴和Z方向移动轴三个方向轴。所述Z方向移动轴设置于3D打印装置的承台上。所述Z方向移动轴竖直布置，X方向移动轴和Y方向移动轴水平布置。所述Z方向移动轴与X方向移动轴垂向连接，所述X方向移动轴与Y方向移动轴垂向连接。所述打印喷头与Y方向移动轴通过滑动轮连接。所述Z方向移动轴与X方向移动轴之间通过滑动轮连接。所述X方向移动轴与Y方向移动轴之间通过滑动轮连接。进一步，步骤1)中，节理面的分布形式根据研究需要自行设计或在实际工程边坡中通过表面轮廓扫描技术获得。进一步，所述岩块为形状不规则的块体。进一步，砂浆强度不高于5MPa。进一步，步骤7)中地震动模拟试验具体包括以下步骤：a)将三维边坡模型利用夹具固定在振动台面板上。在三维边坡模型的正视面设置可观察整个模型的CCD连续照相机。b)将预先设定的震动频谱输入小型振动台，设定小型振动台的震动频谱，启动小型振动台。启动CCD连续照相机的连续拍摄功能，将连续拍照的间隔设置为0.2s，CCD连续照相机开始拍摄边坡模型的变形运动过程，并将数据传送回计算机。c)利用图像处理软件，可得到不同时刻之间边坡的变形、滑块的位移和滑块的速度等数据。进一步，步骤7)中水力模拟试验，将三维边坡模型布置在有机玻璃水槽中。所述有机玻璃水槽整体为无盖矩形箱体。所述有机玻璃水槽底部设置排水孔。从有机玻璃水槽上端敞口处注水，通过底部排水孔排水，模拟水位升降过程。本专利技术的技术效果是毋庸置疑的：A.通过拼接岩块的方式可以自然获得含有大量节理的边坡模型，真实还原了现实工程中的岩质节理边坡，符合相似理论的需要，增加了数据结果的可靠性；B.振动台和水槽可以模拟边坡模型在不同试验工况下的失稳过程，用来模拟实际工程中边坡在地震动或水力作用下的破坏模式和运动过程；C.利用CCD连续照相机采集数据做到了非接触式测量，可以获得关键块体位置、边坡变形以及滑坡体运动速度、运动距离和堆积面积等数据，直观精确。附图说明图1为3D打印装置结构示意图；图2为实施例1中三维边坡模型结构示意图；图3为实施例2中三维边坡模型结构示意图；图4为地震动模拟试验示意图；图5为有机玻璃水槽结构示意图；图6为试验流程图。图中：胶结剂供应缸1、输送管2、打印喷头3、三维边坡模4、岩块401、节理面402、成型室5、粉末供应室6、送粉辊轴7、X方向移动轴8、Y方向移动轴9、Z方向移动轴10、粉末供应缸11、粉末回收缸12、计算机13、CCD连续照相机14、小型振动台15、有机玻璃水槽16。具体实施方式下面结合实施例对本专利技术作进一步说明，但不应该理解为本专利技术上述主题范围仅限于下述实施例。在不脱离本专利技术上述技术思想的情况下，根据本领域普通技术知识和惯用手段，做出各种替换和变更，均应包括在本专利技术的保护范围内。实施例1：本实施例公开一种由3D打印技术构建非连续体三维边坡室内模型试验的方法，参见图6，包括以下步骤：1)参照真实岩体边坡物理模型，利用计算机14构建缩尺的完整三维边坡数字模型。数字边坡模型由节理面和若干个独立岩块构成，独立岩块的三维外形在计算机辅助设计软件中设定。通过计算机辅助设计软件得到完整三维边坡数字模型被设计节理面分割后形成的多个独立岩块。将所述多个独立岩块分别导出为后缀为“.STL”格式的模型文件。其中，所述设计节理面的分布形式根据研究需要自行设计。2)制备岩体边坡相似材料粉末。其中，所述粉末的原料包括砂岩石粉、重晶石粉和石膏粉。3)搭建3D打印装置。其中，所述计算机14通过数据线与本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种由3D打印技术构建非连续体三维边坡室内模型试验的方法，其特征在于，包括以下步骤：1)参照真实岩体边坡物理模型，利用计算机(14)构建缩尺的完整三维边坡数字模型；通过计算机辅助设计软件得到完整三维边坡数字模型被设计节理面分割后形成的多个独立岩块；将所述多个独立岩块分别导出为STL模型文件；2)制备岩体边坡相似材料粉末；其中，所述粉末的原料包括砂岩石粉、重晶石粉和石膏粉；3)搭建3D打印装置；其中，所述计算机(14)通过数据线与3D打印装置相连；所述3D打印装置包括胶结剂供应缸(1)、打印喷头(3)、成型室5、粉末输送室(6)、送粉辊轴(7)、移动系统和粉末供应缸(11)。所述打印喷头(3)设置于成型室(5)的上方；所述打印喷头(3)通过输送管(2)与胶结剂供应缸(1)连接；粉末供应缸(11)内的粉末通过粉末输送室(6)和送粉辊轴(7)输送至成型室(5)；所述打印喷头(3)通过移动系统定位在预打印位置；4)打印岩块(401)；将步骤1)中的多个STL模型文件通过三维切片软件切片分层，并输入至3D打印装置；所述3D打印装置将三维模型转化为三维坐标，根据三维坐标调整打印喷头(3)的位置；成型室(5)内的粉末堆积至设计层厚时，移动系统将打印喷头(3)定位至预打印位置点进行胶结成型；打印完成后控制移动系统，将打印喷头(3)定位至另一处预打印位置；重复上述步骤，将粉末胶结在一起形成岩块(401)；重复以上步骤，直至全部岩块(401)打印完成；5)使用砂浆和水泥浆将步骤4)打印的岩块(401)按设计拼接，形成含有节理面的非连续体边坡模型；其中，砂浆和水泥浆构成节理面(402)；砂浆、水泥浆和岩块(401)粘连为一个整体，共同构成三维边坡模型(4)；6)在室温条件下对三维边坡模型(4)进行养护，使节理面(402)强度达到预期要求；7)将三维边坡模型(4)布置在小型振动台(15)上或有机玻璃水槽(16)中，进行地震动或水力模拟试验，并利用CCD连续照相机(14)采集数据；其中，所述CCD连续照相机(14)通过数据线与计算机(13)相连。...

【技术特征摘要】
1.一种由3D打印技术构建非连续体三维边坡室内模型试验的方法，其特征在于，包括以下步骤：1)参照真实岩体边坡物理模型，利用计算机(14)构建缩尺的完整三维边坡数字模型；通过计算机辅助设计软件得到完整三维边坡数字模型被设计节理面分割后形成的多个独立岩块；将所述多个独立岩块分别导出为STL模型文件；2)制备岩体边坡相似材料粉末；其中，所述粉末的原料包括砂岩石粉、重晶石粉和石膏粉；3)搭建3D打印装置；其中，所述计算机(14)通过数据线与3D打印装置相连；所述3D打印装置包括胶结剂供应缸(1)、打印喷头(3)、成型室5、粉末输送室(6)、送粉辊轴(7)、移动系统和粉末供应缸(11)。所述打印喷头(3)设置于成型室(5)的上方；所述打印喷头(3)通过输送管(2)与胶结剂供应缸(1)连接；粉末供应缸(11)内的粉末通过粉末输送室(6)和送粉辊轴(7)输送至成型室(5)；所述打印喷头(3)通过移动系统定位在预打印位置；4)打印岩块(401)；将步骤1)中的多个STL模型文件通过三维切片软件切片分层，并输入至3D打印装置；所述3D打印装置将三维模型转化为三维坐标，根据三维坐标调整打印喷头(3)的位置；成型室(5)内的粉末堆积至设计层厚时，移动系统将打印喷头(3)定位至预打印位置点进行胶结成型；打印完成后控制移动系统，将打印喷头(3)定位至另一处预打印位置；重复上述步骤，将粉末胶结在一起形成岩块(401)；重复以上步骤，直至全部岩块(401)打印完成；5)使用砂浆和水泥浆将步骤4)打印的岩块(401)按设计拼接，形成含有节理面的非连续体边坡模型；其中，砂浆和水泥浆构成节理面(402)；砂浆、水泥浆和岩块(401)粘连为一个整体，共同构成三维边坡模型(4)；6)在室温条件下对三维边坡模型(4)进行养护，使节理面(402)强度达到预期要求；7)将三维边坡模型(4)布置在小型振动台(15)上或有机玻璃水槽(16)中，进行地震动或水力模拟试验，并利用CCD连续照相机(14)采集数据；其中，所述CCD连续照相机(14)通过数据线与计算机(13)相连。2.根据权利要求2所述的一种由3D打印技术构建非连续体三维边坡室内模型试验的方法，其特征在于：所述移动系统包...

【专利技术属性】
技术研发人员：仉文岗，马国伟，刘汉龙，王酉钰，高学成，
申请(专利权)人：重庆大学，
类型：发明
国别省市：重庆,50