一种内部含非贯通结构面相似材料模型的制作方法及装置与流程

本发明涉及岩土工程技术领域，具体涉及一种内部含非贯通结构面相似材料模型的制作方法及装置。

背景技术：

岩石的力学性质很大程度上受控于结构面性质，天然岩石大多数都是受到抗剪力然后被破坏，而岩石的抗剪强度和岩体结构面有着密切的关系。影响结构面抗剪强度的因素很多，连通率是一个非常关键的因素之一，岩体内部存在着大量的非贯通的结构面，如何评价这些内部含非贯通的结构面的岩体的力学性质，必须通过大量的室内试验确定。结构面直剪试验是研究结构面剪切破坏机制的重要手段，为了在实验室研究非贯通结构面对岩体抗剪强度的影响，必须制作出内部含非贯通结构面的混凝土相似模型。

一般为了保证室内试验的可靠性，按照试验规范要求，至少要进行5组以上的试验，每组试验要求3个以上的试样，共计15个试验样品，并且每个样品必须完全一致。而现有的非贯通结构面相似材料模型的制作都进行了一定程度简化，大致分为两种：一种是简化结构面表面形貌，通常将平直、齿状或者波状等规则的形貌代替天然的结构面三维形貌；另一方面是简化了结构面的非贯通方式，通常将试样模型的一侧或者两侧制作出结构面裂隙，这些结构面都是与外部接触的，而直接忽略了块体内部隐藏的结构面，因此这两种简化势必会对真实的非贯通结构面的力学性质造成一定的误差。

为了满足以上迫切的工程需求，必须寻求一种制作工艺，能够使试样模型内部精准地产生指定形貌的结构面。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明的提供了一种内部含非贯通结构面相似材料模型的制作方法及装置，主要解决了非贯通节理相似材料试样制作中，无法将特定形貌的结构面嵌入到特定位置的难题。

第一方面：

本发明的公开了一种液体加热抽取装置，包括一外壳、一浇筑模具和一吸取液储存瓶，所述浇筑模具用于混凝土相似模型的制作，浇筑模具内填满有混凝土相似材料，所述混凝土相似材料中心处设有一结构面模具，所述外壳内为空腔，且外壳设有一入口端和一出口端，所述外壳内设有加热抽取装置，加热抽取装置包括一旋涡气泵和一电热元件，所述旋涡气泵置于外壳内部，旋涡气泵一端连通设有一金属加热导管，所述金属加热导管一端穿过混凝土相似材料后与所述结构面模具的表面接触，另一端外设有所述电热元件，所述电热元件置于外壳入口端内且与所述金属加热导管可拆卸连接，用于对金属加热导管进行加热，并将热量传导至结构面模具，旋涡气泵另一端连通设有一导流管，所述导流管外的外壳出口端固设有一手柄，所述手柄上设有一开关，用于对旋涡气泵和电热元件的开通和关断，所述导流管端部穿过手柄并连通设有一耐高温导管，所述耐高温导管出口端位于所述吸取液储存瓶内。

进一步地，所述外壳通过支架安装固定。

进一步地，所述浇筑模具内壁粘贴有透明的刻度尺。

进一步地，所述浇筑模具内壁及刻度尺表面均匀涂抹有脱模剂。

进一步地，所述结构面模具采用3D打印制造的锡铅合金制成，其中锡含量的比例为63％，铅含量的比例为37％。

第二方面：

本发明还公开了使用第一方面所述的液体加热抽取装置的一种内部含非贯通结构面相似材料模型的制作方法，该方法包括以下步骤：

步骤一、结构面三维形貌制作，利用三维激光扫描仪获取高精度的结构面表面形貌的点云数据，并将点云数据导入Geomagic Studio逆向软件进行处理；

步骤二、结构面的3D打印，将处理好的结构面表面数据导入到3D打印机中，3D打印机满足打印金属材料的条件，采用锡铅合金粉末打印出结构面模具；

步骤三、配制材料及脱模处理，以42.5R早强复合型水泥为胶结材料，中粗度河沙为骨料，并使用早强剂、减水剂为添加剂进行混合制成混凝土相似材料，并在浇筑前，在浇筑模具内表面粘贴透明的刻度尺并均匀涂抹上脱模剂；

步骤四、试样上盘浇筑，将混凝土相似材料浇筑至模具一半高度处，捣实静置半小时后，将结构面模具按照浇筑模具上的刻度尺安置在下盘表面的正中心处，轻微振动浇筑模具以确保结构面模具与混凝土紧密接触；

步骤五、试样下盘浇筑，将金属加热导管垂直放置并且与结构面模具表面相接触，继续浇筑混凝土相似材料至填满浇筑模具；

步骤六、结构面模具的熔化及吸出，在混凝土相似材料初凝前并且具有了一定的强度，开启液体加热抽取装置上的开关，电热元件将结构面模具加温熔化成液体，并且通过旋涡气泵吸出合金液体至吸取液储存瓶内，吸取完成后拔出金属加热导管；

步骤七、模型养护，将其静置24小时后拆模，在标准条件下养护28天，得到内部含非贯通结构面的混凝土块体模型。

进一步地，所述锡铅合金中锡含量的比例为63％，铅含量的比例为37％。

进一步地，所述浇筑模具内壁粘贴有透明的刻度尺。

进一步地，所述浇筑模具内壁及刻度尺表面均匀涂抹有脱模剂。

进一步地，所述标准条件为温度20℃±2℃、相对湿度95％RH以上。

本发明提供的技术方案带来的有益效果是：

(1)通过三维激光扫描技术和3D打印技术重铸的结构面模具，可以高精度地还原出其真实的表面形态，解决了总是用平直、齿状或者波状等规则的形貌代替天然的结构面三维形貌的局限。

(2)采用金属粉末3D打印机制作出的片状结构面模具的厚度非常小且有一定的强度，可以支撑和保持住自身的结构形态而不变形；采用的锡铅合金粉末，具有性能稳定、熔点低、流动性好、收缩性小、晶粒幼细、韧性良好、软硬适宜和表面光滑等优点，这样性质非常合适运用于打印结构面模具与将其加温熔化后吸出。

(3)该方法制作的结构面可以完全包裹在块体模型内部，而不是仅仅局限于在试样的单侧或两侧且外部接触，同时试样模型顶部金属导管留下的小孔孔径较小，且垂直于剪切方向，对剪切强度影响微小。

附图说明

图1是本发明一种液体加热抽取装置中外壳及内部结构图；

图2是本发明一种液体加热抽取装置的结构示意图；

图3是本发明一种内部含非贯通结构面相似材料模型的制作方法的流程图。

图中：

1-金属加热导管，2-电热元件，3-旋涡气泵，4-外壳，5-手柄，6-开关，7-导流管，8-混凝土相似材料，9-浇筑模具，10-加热抽取装置，11-支架，12-耐高温导管，13-吸取液储存瓶，14-结构面模具。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地描述。

实施例一

请参考图1，本发明的实施例公开了一种液体加热抽取装置，它包括一外壳4、一浇筑模具9和一吸取液储存瓶13，所述浇筑模具9，用于混凝土相似模型的制作，本实施例中需要制作的结构面连通率为50％，实验室样品规格要求试样是10cm×10cm×10cm，所以选取制作出5cm×5cm的结构面形貌数据。所述浇筑模具内设有混凝土相似材料8，所述混凝土相似材料8在浇筑时分成试样上盘和试样下盘，所述试样上盘和试样下盘的规格均为10cm×10cm×5cm，所述混凝土相似材料中心处设有一结构面模具14，即结构面模具14位于试样上盘和试样下盘连接处，结构面模具14采用3D打印制造的锡铅合金制成，其中锡含量的比例为63％，铅含量的比例为37％，使得结构面模具14的厚度非常小且具有一定的强度，在本实施例中结构面模具14厚度为1mm，可以支撑和保持住自身的结构形态而变形；

请参考图2，所述外壳4内为空腔且设有一入口端和一出口端，入口端和出口端的角度最好为90°，也可以为其他任意角度，所述外壳内设有加热抽取装置10，加热抽取装置10包括一旋涡气泵3和一电热元件2，所述旋涡气泵3置于外壳4内部，旋涡气泵3一端连通设有一金属加热导管1，所述金属加热导管1一端穿过混凝土相似材料8后与所述结构面模具14的表面接触，另一端外设有所述电热元件2，所述电热元件2置于外壳4入口端内且与所述金属加热导管1可拆卸连接，用于对金属加热导管1进行加热，并将热量传导至结构面模具14，旋涡气泵3另一端连通设有一导流管7，所述导流管7外的外壳4出口端固设有一手柄5，所述手柄5上设有一开关6，用于对旋涡气泵3和电热元件2的开通和关断，所述导流管7出口端穿过手柄并连通设有一耐高温导管12，所述耐高温导管12出口端位于所述吸取液储存瓶13内，这样打开开关2，电热元件2加热后的热量通过金属加热导管1传递至结构面模具14，从而将结构面模具14熔化之后通过旋涡气泵3抽取至吸取液储存瓶13中。

进一步地，所述外壳4通过支架11安装固定。保证在液体加热抽取装置在工作时不用人工手持操作，有效避免了安全隐患。

进一步地，浇筑模具9内壁粘贴有透明的刻度尺。可以精准地对结构面模具14的摆放位置的精准放置。

进一步地，所述浇筑模具9内壁及刻度尺表面均匀涂抹有脱模剂。这样在模型静置成型之后，拆模很彻底也很方便。

在本实施例中，金属加热导管1的规格为这样在浇筑试样上盘时留下的孔径较小，有助于混凝土相似材料在初凝时快速将其填满，且金属加热导管1垂直于结构面模具14接触表面剪切方向，对剪切强度影响微小。

本液体加热抽取装置的使用过程如下：在浇筑模具9内壁粘贴透明的刻度尺，并在浇筑模具内壁均匀涂抹脱模剂，随后将混凝土相似材料8浇筑至浇筑模具9一半的高度，并通过透明刻度尺的标记，将结构面模具14放置在混凝土相似材料8形成的试样下盘中心处，随后通过支架11固定安装外壳4，使得金属加热导管1能够接触到结构面模具14表面并继续浇筑至浇筑模具9的顶部，在混凝土相似材料8初凝之前并且具有一定强度的时候，打开开关6，电热元件2开始工作加热，并通过金属加热导管1将热量传送至结构面模具14，使之熔化成液体，随后使用旋涡气泵3将液体抽出并通过耐高温导管输送至吸取液储存瓶中，吸取完成之后，拔出金属加热导管1，并关闭开关6。

请参考图3，一种内部含非贯通结构面相似材料模型的制作方法，采用本实施例中所述的液体加热抽取装置结构，该方法的操作步骤为：

步骤S1、结构面三维形貌制作，利用三维激光扫描仪获取高精度的结构面表面形貌的点云数据，并将点云数据导入Geomagic Studio逆向软件进行处理，结构面的形貌数据为5cm×5cm；

步骤S2、结构面的3D打印，将处理好的结构面表面数据导入到3D打印机中，3D打印机满足打印金属材料的条件，采用锡铅合金粉末打印出结构面模具，模具的厚度为1mm；

步骤S3、配制材料及脱模处理，以42.5R早强复合型水泥为胶结材料，中粗度河沙为骨料，并使用早强剂、减水剂为添加剂进行混合制成混凝土相似材料，并在浇筑前，在浇筑模具内表面粘贴透明的刻度尺并均匀涂抹上脱模剂；

步骤S4、试样上盘浇筑，将混凝土相似材料8浇筑至模具5cm高度处，捣实静置半小时后，将结构面模具14按照浇筑模具上的刻度尺安置在下盘表面的正中心处，轻微振动浇筑模具以确保结构面模具与混凝土紧密接触；

步骤S5、试样下盘浇筑，将可拆卸式金属加热导管垂直放置并且与结构面模具接触，继续浇筑混凝土至10cm高度处，并同时将液体加热抽取装置用支架固定；

步骤S6、结构面模具的熔化及吸出，在混凝土相似材料8初凝前并且具有了一定的强度，开启液体加热抽取装置上的开关6，电热元件2通电加热并将热量通过金属加热导管1传送至结构面模具14使之加温熔化成液体，并且通过旋涡气泵3的真空吸取功能吸出合金液体至吸取液储存瓶13内，吸取完成后拔出金属加热导管；

步骤S7、模型养护，将其静置24小时后拆模，在标准条件下养护28天，得到内部含非贯通结构面的混凝土块体模型。

进一步地，所述锡铅合金中锡含量的比例为63％，铅含量的比例为37％。

进一步地，所述浇筑模具内壁粘贴有透明的刻度尺。

进一步地，所述浇筑模具内壁及刻度尺表面均匀涂抹有脱模剂。

进一步地，所述标准条件为温度20℃±2℃、相对湿度95％RH以上。保证混凝土有适宜的硬化条件，使其强度不断增长，从而保证制成的混凝土相似材料模型有足够的强度，稳定性好。

本发明中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

在不冲突的情况下，本文中上述实施例及实施例中的特征可以相互结合。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。