[发明专利]基于3D打印的多尺寸、多角度结构面试样拼接式模具的制作方法

说明书

一种基于3D打印的多尺寸、多角度结构面试样拼接式模具的制作方法，包括以下步骤：步骤1、模板的制作：首先将各基本尺寸模板进行三维建模并导入3D打印机打印；步骤2、模板的拼接：在模板拼接之前，首先确定需要用的模板尺寸，选出所有需要用到的模板；其次在模板的内表面、以及两面带纹理的中间模板的两面均匀涂抹凡士林；最后将各块模板拼接；步骤3、结构面模板的嵌入；步骤4、不同倾斜角度的改变：在计算机建立侧板三维模型之前，模拟结构面不同倾斜角度(0°‑30°)的变化对应平移的长度，根据结果在侧板的上表面标出不同角度变化对应的刻度条。本发明利用3D打印制作全套模具，高效便利，可实现结构面不同角度的改变。

技术领域

本发明属于岩体力学领域，涉及岩石表面力学研究时模型的制作，具体运用三维激光扫描并用3D打印岩石表面纹理的制作方法制作岩石模具。本发明实现了不同尺寸、不同倾角的模型制作，可用于力学剪切实验研究中。

背景技术

由于经历了漫长的成岩过程与多期构造历史，工程岩体内部通常存在着大量原生与构造节理、卸荷裂隙等结构面。因此，工程中开挖的对象基本都是由结构面和岩块构成的具有一定结构特征的岩体。显然岩体中岩石结构面的抗剪强度测试与结构面几何特征分析对工程开挖设计与稳定性预测都具有重要意义，因此，国内外学者通过室内直剪试验等手段对岩石结构面的剪切特性进行了大量研究。然而，结构面抗剪强度试验是破坏性试验，结构面一旦破坏了就不能修复，也不能重复利用，故一个原岩结构面只能进行一次破坏性试验，而且，现场取得的原岩结构面表面形态和起伏度各有差异，很难获取具有相同表面形态和起伏度的原岩结构面试样，难以满足结构面的多点法直剪试验和重复性要求。因此，为了全面分析岩石结构面抗剪强度的力学特性，需要制作大批岩石结构面模型试样。

常规制作的模具常常适用性低，不同结构面、不同尺寸试样的制作需要重新特制新的模具，这不仅造成资源的浪费更导致实验周期较长。如张菊连等利用自制钢模具制作了不同粗糙度系数的结构面试样，对不规则结构面的剪切特性进行了研究；罗战友等利用结构面上盘模具、下盘模具以及定位销构成的组合模具制作了10组具有不同表面起伏度和粗糙度的结构面试样，研究了岩石结构面峰值摩擦角的应力效应；黄曼等利用不同尺寸模具制作若干试样，研究了不同尺寸岩石模型结构面抗剪强的特征；沈明荣和张清照利用试验模具制作了4种不同角度的规则齿型结构面试样，并对其剪切特性进行了研究；刘博等利用模具制作3种壁岩强度、5种起伏度的结构面试样，研究了结构面在循环剪切荷载条件下的变形特性；Z.Y.Yang和D.Y.Chiang利用模具制作了若干锯齿状结构面试样，并对其剪切特性进行了研究。为解决上下盘试样分开制作的问题，罗战友等^[7]利用钢材模具制作了吻合模型结构面一体化制作模具，并且利用3D打印中间起伏隔板。

综上所述，以上现有技术针对不同尺寸的试样，均需重新制作试样盒子，且在设计中均未考虑实际结构面倾斜角度带来的影响。

发明内容

为了克服已有技术针对不同尺寸的试样均需重新制作试样盒、未考虑结构面倾斜角度带来的影响的不足，本发明结合最新发展的3D打印、表面三维激光扫描技术和传统岩石模型制作方法，提出了一种基于3D打印的多尺寸、多角度结构面试样拼接式模具的制作方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种基于3D打印的多尺寸、多角度结构面试样拼接式模具的制作方法，包括以下步骤：

步骤1、模板的制作：

首先将各基本尺寸模板进行三维建模并导入3D打印机打印；

步骤2、模板的拼接

在模板拼接之前，首先确定需要用的模板尺寸，选出所有需要用到的模板；其次在模板的内表面、以及两面带纹理的中间模板的两面均匀涂抹凡士林；最后将各块模板拼接；

步骤3、结构面模板的嵌入