本發(fā)明涉及一種3D打印滑坡物理模型的方法及滑坡模型相似材料，屬于地質(zhì)災(zāi)害模型試驗(yàn)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

滑坡是自然界中一種十分嚴(yán)重的地質(zhì)災(zāi)害，也是斜坡破壞型式中分布最廣、危害最嚴(yán)重的一種地質(zhì)災(zāi)害。隨著國民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，人類大量工程活動(dòng)破壞了自然坡體，使得斜坡條件惡化，與復(fù)雜環(huán)境和復(fù)雜地質(zhì)條件相關(guān)的自然邊坡、人為邊坡以及古滑坡的復(fù)活所引起的危害變得尤為突出?；聻?zāi)害呈逐年加重趨勢，滑坡災(zāi)害分布范圍也逐漸擴(kuò)大，給國民經(jīng)濟(jì)和人民生命財(cái)產(chǎn)帶來巨大的損失。由此可見，我們迫切需要對滑坡現(xiàn)象、滑坡作用過程以及滑坡防治等進(jìn)行全方面的認(rèn)識和研究。

滑坡物理模型試驗(yàn)具有良好的直觀性，能綜合考慮多種因素，模擬復(fù)雜邊界條件，能在室內(nèi)中短期時(shí)間內(nèi)重復(fù)模擬、再現(xiàn)野外難以觀測的滑坡演化全過程，是揭示滑坡破壞機(jī)理和演化過程的重要研究方法。滑坡物理模型的制作是滑坡模型試驗(yàn)的關(guān)鍵，選擇合理的滑坡模型相似材料和模型成型方法具有重要意義。現(xiàn)有的滑坡物理模型試驗(yàn)制作方法一般為人工分層壓實(shí)或者堆填法，滑坡模型內(nèi)部相似材料不均勻，基本物理力學(xué)性質(zhì)差異較大，難以模擬實(shí)際滑坡的三維空間形態(tài)和結(jié)構(gòu)。在滑坡模型試驗(yàn)制作過程中，選擇合理的模型相似材料及配比具有重要意義，滑坡模型試驗(yàn)相似材料需滿足高密度、低粘聚力、低彈性模量和低滲透等相似要求，只有當(dāng)滑坡模型相似材料滿足相似比要求時(shí)，模型試驗(yàn)才能模擬實(shí)際滑坡的相似現(xiàn)象。

21世紀(jì)以來，隨著3D打印技術(shù)的發(fā)展，研究者們在3D技術(shù)應(yīng)用于滑坡物理模型試驗(yàn)研究方面取得了一定的研究成果，2016年，出現(xiàn)了一種滑坡物理模型的制造方法及裝置，其優(yōu)點(diǎn)在于3D打印過程十分詳細(xì)，包括溫度控制、速度控制以及容器狀態(tài)控制等，但該方法存在一定程度上的局限或缺陷：

(1)滑坡模型相似材料是滑坡物理模型制作的關(guān)鍵，相似材料的基本物理力學(xué)參數(shù)需與實(shí)際滑坡的基本物理力學(xué)參數(shù)滿足1:n的相似比要求；n為幾何相似比，一般滑坡模型試驗(yàn)幾何相似比n為50～200。即滑坡模型材料需滿足高密度、低粘聚力、低彈性模量和低滲透等相似要求，而不是與實(shí)際滑坡的物理力學(xué)參數(shù)相同或者接近；

(2)滑坡模型中滑床、滑帶和滑體分為三個(gè)步驟打印，難以精確控制滑體、滑帶和滑床的分布和形態(tài)，無法準(zhǔn)確模擬實(shí)際滑坡復(fù)雜的三維空間形態(tài)和結(jié)構(gòu)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為了解決現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提供了一種3D打印滑坡物理模型的方法及滑坡模型相似材料，采用3D打印技術(shù)進(jìn)行滑坡物理模型的制備，可以精確控制滑坡的坡面形態(tài)、滑體、滑帶和滑床的分布和形態(tài)，能夠準(zhǔn)確模擬實(shí)際滑坡的三維空間形態(tài)和結(jié)構(gòu)，同時(shí)能夠?qū)崿F(xiàn)基本物理力學(xué)性質(zhì)到達(dá)相似要求，能夠模擬實(shí)際滑坡的相似現(xiàn)象，具有制備工藝簡單、制作效率高、精度高的優(yōu)點(diǎn)。

本發(fā)明為解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是：提供了一種3D打印滑坡物理模型的方法，包括以下步驟：

(1)建立滑坡三維數(shù)字模型并制作滑坡模型相似材料；所述滑坡模型相似材料包括滑體相似材料、滑帶相似材料和滑床相似材料，將三種滑坡模型相似材料分別研磨成粉末狀；所述滑體相似材料由質(zhì)量比為11～13:3～5:1～2:2的細(xì)砂、實(shí)際滑體土粉末、膨潤土粉末和液蠟組成；所述滑帶相似材料由質(zhì)量比為6～7:2～3:1的玻璃微珠、實(shí)際滑帶土粉末和液蠟組成；所述滑床相似材料由質(zhì)量比為7～9:1的滑床基巖粉末和液蠟組成；

(2)3D打?。簩⒉襟E(1)的三種滑坡模型相似材料分別置于3D打印機(jī)的不同噴頭內(nèi)，根據(jù)三維數(shù)字模型，同時(shí)打印滑坡物理模型的滑體、滑帶和滑床部分，得到初步滑坡物理模型；

(3)后期處理：對初步滑坡物理模型進(jìn)行后期處理以滿足試驗(yàn)要求，所述后期處理包括檢查和校正打印尺寸誤差以及模型養(yǎng)護(hù)，得到滑坡物理模型。

步驟(1)所述建立滑坡三維數(shù)字模型，具體通過ArcGIS系統(tǒng)和野外勘察資料得出滑坡的空間形態(tài)和結(jié)構(gòu)以及基本力學(xué)性質(zhì)，按照相似關(guān)系確定待制備的滑坡物理模型的幾何尺寸、空間形態(tài)、結(jié)構(gòu)以及力學(xué)參數(shù)數(shù)據(jù)，然后利用SolidWorks系統(tǒng)根據(jù)所述幾何尺寸、空間形態(tài)、結(jié)構(gòu)以及力學(xué)參數(shù)數(shù)據(jù)建立待制備的滑坡物理模型的三維數(shù)字模型。

步驟(1)所述玻璃微珠粒徑小于50um。

步驟(3)所述模型養(yǎng)護(hù)包括在初步滑坡物理模型表面涂上一層防潮樹脂。

本發(fā)明同時(shí)提供了一種基于上述制作方法的滑坡模型相似材料，包括滑體相似材料、滑帶相似材料和滑床相似材料，所述滑體相似材料由質(zhì)量比為11～13:3～5:1～2:2的細(xì)砂、實(shí)際滑體土粉末、膨潤土粉末和液蠟組成；所述滑帶相似材料由質(zhì)量比為6～7:2～3:1的玻璃微珠、實(shí)際滑帶土粉末和液蠟組成；所述滑床相似材料由質(zhì)量比為7～9:1的滑床基巖粉末和液蠟組成。

本發(fā)明基于其技術(shù)方案所具有的有益效果在于：

(1)本發(fā)明提供的3D打印滑坡物理模型的方法采用3D打印技術(shù)，與傳統(tǒng)的人工分層壓實(shí)或者堆填法相比，打印效果均勻，能夠準(zhǔn)確模擬實(shí)際滑坡結(jié)構(gòu)和物理力學(xué)性質(zhì)；

(2)本發(fā)明提供的3D打印滑坡物理模型的方法將三種滑坡模型相似材料分別裝入3D打印機(jī)的不同噴頭內(nèi)，同時(shí)打印，得到完整的滑坡物理模型，與分別打印模型不同部位再結(jié)合拼裝相比，能夠更加合理地模擬實(shí)際滑坡復(fù)雜的三維空間形態(tài)和結(jié)構(gòu)，大幅提升了滑坡模型與實(shí)際滑坡結(jié)構(gòu)的相似性；

(3)本發(fā)明提供的3D打印滑坡物理模型的方法中滑體相似材料采用質(zhì)量比為為11～13:3～5:1～2:2的細(xì)砂、實(shí)際滑體土粉末、膨潤土粉末和液蠟，該配比方案通過3D打印出的滑體模型的基本物理力學(xué)性質(zhì)基本滿足高密度、低黏聚力、低彈性模量和低滲透系數(shù)的相似要求，細(xì)砂作為滑體相似材料的主體材料，具有調(diào)節(jié)重度、粘聚力、內(nèi)摩擦角和滲透系數(shù)的作用；滑體土粉末作為滑體相似材料的主體材料，具有調(diào)節(jié)粘聚力和內(nèi)摩擦角的作用；膨潤土粉末作為滑體相似材料的添加劑，具有調(diào)節(jié)內(nèi)摩擦角和彈性模量的作用；液蠟作為滑體相似材料的粘結(jié)劑，具有調(diào)節(jié)粘聚力和模型成型作用；

(4)本發(fā)明提供的3D打印滑坡物理模型的方法中滑帶相似材料采用質(zhì)量比為6～7:2～3:1的玻璃微珠(粒徑小于50um)、實(shí)際滑帶土粉末和液蠟，該配比方案通過3D打印出的滑帶模型的基本物理力學(xué)性質(zhì)基本滿足低黏聚力、低內(nèi)摩擦角和低滲透系數(shù)的相似要求，可模擬滑帶軟弱夾層的性質(zhì)，形成滑坡模型潛在滑動(dòng)面，玻璃微珠作為滑帶相似材料的主體材料，具有調(diào)節(jié)重度、粘聚力、內(nèi)摩擦角的作用；滑帶土粉末作為滑帶相似材料的主體材料，具有調(diào)節(jié)粘聚力和內(nèi)摩擦角的作用；液蠟作為滑帶相似材料的粘結(jié)劑，具有調(diào)節(jié)粘聚力和模型成型的作用；

(5)本發(fā)明提供的3D打印滑坡物理模型的方法中滑床相似材料采用質(zhì)量比為7～9:1的滑床基巖粉末和液蠟，模型試驗(yàn)中滑床比較穩(wěn)定，該配比方案通過3D打印出的滑床模型基本滿足滑床堅(jiān)固穩(wěn)定及表面光滑的相似要求；

(6)本發(fā)明最后進(jìn)行后期處理時(shí)，會(huì)在打印成型的滑坡物理模型涂上一層防潮樹脂，避免滑坡物理模型吸收空氣中的水分后其基本物理力學(xué)性質(zhì)發(fā)生變化，進(jìn)一步確保了模型的可靠性；

(7)本發(fā)明提供的滑坡模型相似材料尤其適合上述方法，采用3D打印技術(shù)進(jìn)行滑坡物理模型的制備，可以精確控制滑坡的坡面形態(tài)、滑體、滑帶和滑床的分布和形態(tài)，能夠準(zhǔn)確模擬實(shí)際滑坡的三維空間形態(tài)和結(jié)構(gòu)，同時(shí)能夠?qū)崿F(xiàn)基本物理力學(xué)性質(zhì)到達(dá)相似要求，能夠模擬實(shí)際滑坡的相似現(xiàn)象，具有制備工藝簡單、制作效率高、精度高的優(yōu)點(diǎn)。

附圖說明

圖1是本發(fā)明的3D打印滑坡物理模型的方法的流程圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對本發(fā)明作進(jìn)一步說明。

本發(fā)明提供了一種3D打印滑坡物理模型的方法，參照圖1，包括以下步驟：

(1)建立滑坡三維數(shù)字模型并制作滑坡模型相似材料；所述滑坡模型相似材料包括滑體相似材料、滑帶相似材料和滑床相似材料，將三種滑坡模型相似材料分別研磨成粉末狀；所述滑體相似材料由質(zhì)量比為11～13:3～5:1～2:2的細(xì)砂、實(shí)際滑體土粉末、膨潤土粉末和液蠟組成；所述滑帶相似材料由質(zhì)量比為6～7:2～3:1的玻璃微珠、實(shí)際滑帶土粉末和液蠟組成；所述滑床相似材料由質(zhì)量比為7～9:1的滑床基巖粉末和液蠟組成；

(2)3D打?。簩⒉襟E(1)的三種滑坡模型相似材料分別置于3D打印機(jī)的不同噴頭內(nèi)，根據(jù)三維數(shù)字模型，同時(shí)打印滑坡物理模型的滑體、滑帶和滑床部分，得到初步滑坡物理模型；

(3)后期處理：對初步滑坡物理模型進(jìn)行后期處理以滿足試驗(yàn)要求，所述后期處理包括檢查和校正打印尺寸誤差以及模型養(yǎng)護(hù)，得到滑坡物理模型。

步驟(1)所述建立滑坡三維數(shù)字模型，具體通過ArcGIS系統(tǒng)和野外勘察資料得出滑坡的空間形態(tài)和結(jié)構(gòu)以及基本力學(xué)性質(zhì)，按照相似關(guān)系確定待制備的滑坡物理模型的幾何尺寸、空間形態(tài)、結(jié)構(gòu)以及力學(xué)參數(shù)數(shù)據(jù)，然后利用SolidWorks系統(tǒng)根據(jù)所述幾何尺寸、空間形態(tài)、結(jié)構(gòu)以及力學(xué)參數(shù)數(shù)據(jù)建立待制備的滑坡物理模型的三維數(shù)字模型。

步驟(1)所述玻璃微珠粒徑小于50um。

步驟(3)所述模型養(yǎng)護(hù)包括在初步滑坡物理模型表面涂上一層防潮樹脂。

本發(fā)明同時(shí)提供了一種基于上述制作方法的滑坡模型相似材料，包括滑體相似材料、滑帶相似材料和滑床相似材料，所述滑體相似材料由質(zhì)量比為11～13:3～5:1～2:2的細(xì)砂、實(shí)際滑體土粉末、膨潤土粉末和液蠟組成；所述滑帶相似材料由質(zhì)量比為6～7:2～3:1的玻璃微珠、實(shí)際滑帶土粉末和液蠟組成；所述滑床相似材料由質(zhì)量比為7～9:1的滑床基巖粉末和液蠟組成，該相似材料能夠滿足高密度、低粘聚力、低彈性模量和低滲透的相似要求。

本發(fā)明提供的一種3D打印滑坡物理模型的方法及滑坡模型相似材料，采用3D打印技術(shù)進(jìn)行滑坡物理模型的制備，可以精確控制滑坡的坡面形態(tài)、滑體、滑帶和滑床的分布和形態(tài)，能夠準(zhǔn)確模擬實(shí)際滑坡的三維空間形態(tài)和結(jié)構(gòu)，同時(shí)能夠?qū)崿F(xiàn)基本物理力學(xué)性質(zhì)到達(dá)相似要求，能夠模擬實(shí)際滑坡的相似現(xiàn)象，具有制備工藝簡單、制作效率高、精度高的優(yōu)點(diǎn)。