[发明专利]一种三维裂隙岩石材料试件制备系统及其应用方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种实验系统及其应用方法，尤其是一种三维裂隙岩石材料试件制备系统及其应用方法。

背景技术

随着经济的快速发展，地铁、隧道、矿山开掘等地下工程的发展越来越迅速。然而，在地下工程所处岩层环境中普遍存在着裂隙、节理、断层等软弱结构面，对岩体力学性能造成不同程度的影响，给地下工程的稳定性控制带来了很大难度和不确定性。掌握裂隙岩体力学性能的变化规律，对地下工程稳定性控制具有很重要的指导意义。

研究岩体裂隙的发展破坏过程是掌握裂隙岩体力学性能变化规律的重要手段，岩体内部的原生裂纹对岩体的强度和稳定性产生十分重要的影响，国内外很多岩体失稳崩塌事故都是由于岩体内部的原生裂纹在外力作用下扩展生长最终贯通的结果。针对此问题，前人开展了大量的实验工作研究受压情况下岩体内部裂纹的扩展贯通情况，然而试件制作过程中如何加工预制裂隙是一个比较困难的问题。有关含裂隙岩体相关性质的研究大部分集中在石膏、水泥砂浆等与其他混合料根据一定配比制作的类岩石相似材料上，传统裂隙加工主要采用掺入裂纹片、预埋金属条或者聚合物薄条等方法。

裂隙岩体实验中往往需要在试件上制作不同角度和张开度的裂隙，岩石是脆性材料，传统的制作工艺技术瓶颈在于：

(1)一种传统方法，在标准岩石试件上制作贯通裂隙时很难保证裂隙角度和张开度的精度，而裂隙精度达不到要求将会直接影响试验结果，不能准确的反映岩石裂隙的扩展规律。

(2)另一种传统方法，使用模具预埋金属条或者聚合物薄条等注塑方法制作的裂隙仅限于简单的裂隙，无法制作复杂的裂隙，复杂程度远远低于真实现场岩石构造，故模拟相似程度低，不能真实反映岩石裂隙的扩展规律。

(3)传统方法制作的裂隙的形状受制作工艺限制，无法进行数字化设计。

由此可见，现有技术有待于进一步的改进和提高。

发明内容

本发明为避免上述现有技术存在的不足之处，将先进的快速成型技术应用于裂隙岩石试件制备实验当中，提出了一种基于快速成型技术的三维裂隙岩石材料试件制备系统及其应用方法。

本发明所采用的技术方案为：

一种基于快速成型技术的三维裂隙岩石材料试件制备系统，包括控制装置、配料装置、打印成型装置和实验装置，控制装置通过集成线分别与配料装置、打印成型装置和实验装置相连，控制装置包括计算机，计算机完成试件的三维数字模型的建立、模型截面的分割、二维层片信息的识别以及打印路径的规划，计算机根据建立的三维数字模型控制配料装置进行打印所需的混合材料的配给，打印成型装置包括打印喷头，配料装置通过给料管与打印喷头相连，计算机根据规划出的打印路径控制打印成型装置进行三维裂隙岩石材料试件的逐层打印，实验装置包括实验加载装置，计算机控制实验加载装置对打印出的三维裂隙岩石材料试件进行加载试验。

所述配料装置包括配料桶架、设置在配料桶架上的配料桶和伺服输料泵，配料桶内盛装有打印所需的混合材料，配料桶的出料口与给料管相连通，配料桶与伺服输料泵相连。

所述配料桶上设置有重量传感器，重量传感器与计算机相连；所述控制装置还包括控制台，计算机设置在控制台上。

所述混合材料为人工配治的水、细沙、石膏和石灰的混合膏体原料。

所述打印喷头安装在给料管的末端，打印成型装置还包括能够带动打印喷头沿X向运动的X向控制机构、沿Y向运动的Y向控制机构以及沿Z向运动的Z向控制机构，其中，X向为三维裂隙岩石材料试件的长度方向，Y向为三维裂隙岩石材料试件的宽度方向，Z向为三维裂隙岩石材料试件的高度方向。

所述X向控制机构包括X向伺服电机、与X向伺服电机的输出轴相连的X向滚珠丝杠、与X向滚珠丝杠相连的X向滑板以及设置在X向滚珠丝杠一侧且与X向滑板相适配的X向导轨，X向滚珠丝杠的长度方向与X向导轨的长度方向相互平行，X向滑板沿X向导轨滑动；

所述Z向控制机构包括Z向伺服电机、与Z向伺服电机的输出轴相连的Z向滚珠丝杠、与Z向滚珠丝杠相连的Z向滑板以及与Z向滚珠丝杠的长度方向相互平行且与Z向滑板相适配的Z向导轨，Z向滑板沿Z向导轨滑动，Z向伺服电机和Z向导轨均设置在X向滑板上；

所述Y向控制机构包括Y向伺服电机、与Y向伺服电机的输出轴相连的Y向滚珠丝杠、与Y向滚珠丝杠相连的Y向滑板以及设置在Y向滚珠丝杠一侧且与Y向滑板相适配的Y向导轨，Y向滑板与打印喷头紧固相连，Y向伺服电机和Y向导轨均与Z向滑板相连；