一種三維裂隙巖石材料試件制備系統及其應用方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及一種實驗系統及其應用方法，尤其是一種三維裂隙巖石材料試件制備系統及其應用方法。
【背景技術】
[0002]隨著經濟的快速發(fā)展，地鐵、隧道、礦山開掘等地下工程的發(fā)展越來越迅速。然而，在地下工程所處巖層環(huán)境中普遍存在著裂隙、節(jié)理、斷層等軟弱結構面，對巖體力學性能造成不同程度的影響，給地下工程的穩(wěn)定性控制帶來了很大難度和不確定性。掌握裂隙巖體力學性能的變化規(guī)律，對地下工程穩(wěn)定性控制具有很重要的指導意義。
[0003]研究巖體裂隙的發(fā)展破壞過程是掌握裂隙巖體力學性能變化規(guī)律的重要手段，巖體內部的原生裂紋對巖體的強度和穩(wěn)定性產生十分重要的影響，國內外很多巖體失穩(wěn)崩塌事故都是由于巖體內部的原生裂紋在外力作用下擴展生長最終貫通的結果。針對此問題，前人開展了大量的實驗工作研究受壓情況下巖體內部裂紋的擴展貫通情況，然而試件制作過程中如何加工預制裂隙是一個比較困難的問題。有關含裂隙巖體相關性質的研究大部分集中在石膏、水泥砂漿等與其他混合料根據一定配比制作的類巖石相似材料上，傳統裂隙加工主要采用摻入裂紋片、預埋金屬條或者聚合物薄條等方法。
[0004]裂隙巖體實驗中往往需要在試件上制作不同角度和張開度的裂隙，巖石是脆性材料，傳統的制作工藝技術瓶頸在于:
[0005](1)—種傳統方法，在標準巖石試件上制作貫通裂隙時很難保證裂隙角度和張開度的精度，而裂隙精度達不到要求將會直接影響試驗結果，不能準確的反映巖石裂隙的擴展規(guī)律。
[0006](2)另一種傳統方法，使用模具預埋金屬條或者聚合物薄條等注塑方法制作的裂隙僅限于簡單的裂隙，無法制作復雜的裂隙，復雜程度遠遠低于真實現場巖石構造，故模擬相似程度低，不能真實反映巖石裂隙的擴展規(guī)律。
[0007](3)傳統方法制作的裂隙的形狀受制作工藝限制，無法進行數字化設計。
[0008]由此可見，現有技術有待于進一步的改進和提尚。

【發(fā)明內容】

[0009]本發(fā)明為避免上述現有技術存在的不足之處，將先進的快速成型技術應用于裂隙巖石試件制備實驗當中，提出了一種基于快速成型技術的三維裂隙巖石材料試件制備系統及其應用方法。
[0010]本發(fā)明所采用的技術方案為:
[0011]—種基于快速成型技術的三維裂隙巖石材料試件制備系統，包括控制裝置、配料裝置、打印成型裝置和實驗裝置，控制裝置通過集成線分別與配料裝置、打印成型裝置和實驗裝置相連，控制裝置包括計算機，計算機完成試件的三維數字模型的建立、模型截面的分害J、二維層片信息的識別以及打印路徑的規(guī)劃，計算機根據建立的三維數字模型控制配料裝置進行打印所需的混合材料的配給，打印成型裝置包括打印噴頭，配料裝置通過給料管與打印噴頭相連，計算機根據規(guī)劃出的打印路徑控制打印成型裝置進行三維裂隙巖石材料試件的逐層打印，實驗裝置包括實驗加載裝置，計算機控制實驗加載裝置對打印出的三維裂隙巖石材料試件進行加載試驗。
[0012]所述配料裝置包括配料桶架、設置在配料桶架上的配料桶和伺服輸料栗，配料桶內盛裝有打印所需的混合材料，配料桶的出料口與給料管相連通，配料桶與伺服輸料栗相連。
[0013]所述配料桶上設置有重量傳感器，重量傳感器與計算機相連;所述控制裝置還包括控制臺，計算機設置在控制臺上。
[0014]所述混合材料為人工配治的水、細沙、石膏和石灰的混合膏體原料。
[0015]所述打印噴頭安裝在給料管的末端，打印成型裝置還包括能夠帶動打印噴頭沿X向運動的X向控制機構、沿Y向運動的Y向控制機構以及沿Z向運動的Z向控制機構，其中，X向為三維裂隙巖石材料試件的長度方向，Y向為三維裂隙巖石材料試件的寬度方向，Ζ向為三維裂隙巖石材料試件的高度方向。
[0016]所述X向控制機構包括X向伺服電機、與X向伺服電機的輸出軸相連的X向滾珠絲杠、與X向滾珠絲杠相連的X向滑板以及設置在X向滾珠絲杠一側且與X向滑板相適配的X向導軌，X向滾珠絲杠的長度方向與X向導軌的長度方向相互平行，X向滑板沿X向導軌滑動；
[0017]所述Ζ向控制機構包括Ζ向伺服電機、與Ζ向伺服電機的輸出軸相連的Ζ向滾珠絲杠、與Ζ向滾珠絲杠相連的Ζ向滑板以及與Ζ向滾珠絲杠的長度方向相互平行且與Ζ向滑板相適配的Ζ向導軌，Ζ向滑板沿Ζ向導軌滑動，Ζ向伺服電機和Ζ向導軌均設置在X向滑板上；
[0018]所述Υ向控制機構包括Υ向伺服電機、與Υ向伺服電機的輸出軸相連的Υ向滾珠絲杠、與Υ向滾珠絲杠相連的Υ向滑板以及設置在Υ向滾珠絲杠一側且與Υ向滑板相適配的Υ向導軌，Υ向滑板與打印噴頭緊固相連，Υ向伺服電機和Υ向導軌均與ζ向滑板相連；
[0019]所述打印噴頭在X向控制機構、Υ向控制機構及Ζ向控制機構的配合下逐層進行三維立體打印，實現三維裂隙巖石材料試件的快速成型。
[0020]所述Ζ向導軌有兩條，其分別設置在Ζ向滾珠絲杠的兩側;所述打印成型裝置還包括X向滾珠絲杠支撐架和Ζ向滾珠絲杠支撐架，X向滾珠絲杠支撐架上設置有供X向滾珠絲杠穿過的X向導向環(huán)，Ζ向滾珠絲杠支撐架的兩端分別與兩條Ζ向導軌的頂端相連，Ζ向滾珠絲杠支撐架上設置有供Ζ向滾珠絲杠穿過的Ζ向導向環(huán);所述Υ向控制機構還包括Υ向伺服電機定位板，Υ向伺服電機定位板與Ζ向滑板緊固連接，Υ向伺服電機和Υ向導軌均設置在Υ向伺服電機定位板上;所述Ζ向滑板的頂部設置有供給料管穿過的限位環(huán)。
[0021]所述實驗裝置還包括實驗臺，實驗臺的頂端一側設置有試件打印支撐機構、另一側放置有用于盛裝試件的試件盒，實驗臺的下方設置有恒溫箱，恒溫箱內盛放有已打印完的試件;所述試件打印支撐機構包括若干層自下而上依次疊放的試件圍套，試件圍套位于打印噴頭的下方，各試件圍套設置有用于放置三維裂隙巖石材料試件打印過程中各二維層片的容置腔;各所述試件圍套均包括兩個U型框板，兩個U型框板對接配合成一個矩形框板，各U型框板的頂端均設置有U型凸楞，各U型框板的底端與U型凸楞位置相對的地方均開設有U型凹槽，U型框板的兩端分別固連有定位耳板，同屬一個試件圍套的兩個U型框板通過螺栓螺母組件緊固定位，相鄰兩層試件圍套通過相對的U型凸楞和U型凹槽連接定位;所述實驗臺上設置有試件底座，試件底座的頂端設置有口字型凸楞，口字型凸楞與位于最底層的試件圍套的兩個U型框板的U型凹槽連接定位。
[0022]所述實驗加載裝置包括定位底板和設置在定位底板上的X向加載機構、Y向加載機構和Z向加載機構，三維裂隙巖石材料試件打印完成后置入試件盒內，試件盒放置在定位底板的中央位置，試件盒的頂端、左端、右端、前端和后端均開設有加載孔，其中，開設在試件盒左端的加載孔的中軸線與開設在試件盒右端的加載孔的中軸線位于同一條直線上，開設在試件盒前端的加載孔的中軸線與開設在試件盒后端的加載孔的中軸線位于同一條直線上;X向加載機構包括X向加載油缸、X向加載油缸定位座、X向擋板及X向阻力臂，X向加載油缸設置在X向加載油缸定位座上，X向擋板位于X向加載油缸定位座的對側，X向加載油缸定位座通過多根X向支撐桿與X向擋板相連，X向阻力臂與X向擋板固連，X向加載油缸的液壓桿能夠穿過試件盒左端的加載孔對試件盒內的三維裂隙巖石材料試件施加X向加載力，x向阻力臂穿過試件盒右端的加載孔與試件盒內的三維裂隙巖石材料試件相接觸;Y向加載機構包括Y向加載油缸、Y向加載油缸定位座、Y向擋板及Y向阻力臂，Y向加載油缸設置在Y向加載油缸定位座上，Y向擋板位于Y向加載油缸定位座的對