[发明专利]一种基于3D打印技术的溶洞制备方法与装置

说明书

本发明公开了一种基于3D打印技术的溶洞制备方法与装置，根据试验要求，确定试样的大小，以溶洞三维扫描结果为依据，构建三维溶洞数字模型，利用合金进行3D打印，形成溶洞的初步试样；配比方案，按照配比方案岩块相似材料混合物；将混合物倒入试样模具内，在倒入过程中，根据溶洞存在的位置将溶洞模型预先埋入到混合材料中；将试样连同成型模具在室温下养护，直到岩石相似材料硬化，将成型模具拆除，将制成的含溶洞岩石试样进行恒温恒湿养护后进行烘烤，形成具有中空溶洞的岩石试样；向中空溶洞内填充不同的充填物，形成不同类型的溶洞试样。

技术领域

本发明涉及土木工程实验相关技术领域，具体涉及一种基于3D打印技术的溶洞制备方法与装置。

背景技术

随着国内外铁路公路建设的迫切需求，越来越多的铁路公路在我国西南地区修建。我国西南地区分布着广泛的岩溶，因此溶洞成为铁路公路工程修建过程中常见的地质灾害。岩体中溶洞的存在破坏了岩体自身的完整性和连续性，致使岩体的强度大大降低。同时，由于溶洞的几何形状、充填性质与空间展布规律的不同，导致了岩体的强度、应力分布、变形特性存在明显的差异性。因此，亟需开展、加强有关溶洞赋存岩体力学性质及其破坏机理的基础研究工作。目前国内外学者对于溶洞等地质灾害的数值模拟已经较为深入，但对于溶洞所做的实验研究还较少，这是由于溶洞作为一种特殊的结构，常常发育为不规则形状，有的内部还充填一定的物质，目前还没有比较完备的制作方法。

目前实验中制备的溶洞存在着对溶洞位置定位不精确、溶洞大小的精度控制不足、不能充分考虑溶洞的空间形状、溶洞是岩石试块形成后通过掏空处理得到，制备的溶洞与天然存在的溶洞相似性较差等问题。

在模型试验中对充填性质的溶洞还没有比较好的制作方法，因此迫切需要一种比较完备的制备含有溶洞岩体试样的方法。

发明内容

本发明为了解决上述问题，提出了一种基于3D打印技术的溶洞制备方法与装置。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种基于3D打印技术的溶洞制备方法，包括以下步骤:

(1)根据试验要求，确定试样的大小，以溶洞三维扫描结果为依据，构建三维溶洞数字模型，利用合金进行3D打印，形成溶洞的初步试样；

(2)根据岩块试样与模型的几何相似比、强度相似比以及弹性模量相似比，确定岩块模型的骨料、胶结材料的配比方案，按照配比方案岩块相似材料混合物；

(3)将混合物倒入试样模具内，在倒入过程中，根据溶洞存在的位置将溶洞模型预先埋入到混合材料中；

(4)将试样连同成型模具在室温下养护，直到岩石相似材料硬化，将成型模具拆除，将制成的含溶洞岩石试样进行恒温恒湿养护后进行烘烤，形成具有中空溶洞的岩石试样；

(5)向中空溶洞内填充不同的充填物，形成不同类型的溶洞试样。

所述步骤(1)中，利用低熔点金属合成合金，形成的低熔点合金一般熔点低于300℃。

所述步骤(3)中，对岩块相似材料的配合比进行称量并拌合均匀，将混合材料分层倒入试样模具内，在倒入过程中，根据溶洞存在的位置将溶洞模型预先埋入到混合材料中，并预留导流孔，模具内部涂抹脱离剂，振捣成型。

所述步骤(3)中，导流孔通过预先埋设好的与溶洞和外界联通的细小的低熔点合金条得到，合金条融化后，合金熔融物流出形成导流孔。

所述步骤(4)中，将试样连同成型模具在室温下养护一段时间直至岩石相似材料硬化，将成型模具拆除，将制成的含溶洞岩石试样放在恒温恒湿养护箱中养护设定时间。

所述步骤(4)中，养护温度为20-25℃，养护相对湿度94％以上。