等效锚固岩体相似材料及相应的隧道模型和制作方法

本发明属于增材制造，具体涉及隧道物理模型的3d打印技术，特别是基于等效锚固岩体相似材料的隧道模型及其制作方法，以及相应的等效锚固岩体相似材料。

背景技术：

1、随着国民经济的快速发展，人类大量工程活动需要开挖隧洞。但是，隧洞的施工困难比较大，技术要求高，而且施工时期比较长，容易发生塌陷事故。隧洞坍塌是工程建设中一种十分严重的地质灾害，也是隧洞破坏形式中最为常见、危害最严重的一种地质灾害。近年来，由于隧洞的开挖破坏了自然岩体，使得岩体条件恶化，加之复杂环境和复杂地质条件的共同作用，隧洞坍塌灾害呈逐年加重趋势，给经济和人民生命财产带来巨大的损失。因此，业界迫切需要对隧洞坍塌现象、坍塌作用过程以及坍塌的防治等进行全方面的认识和研究。

2、隧道物理模型试验可以较为真实地反映地质构造以及工程结构状况，可以直观地观察试验结果及洞室的破坏状况，更容易从全局上把握岩体工程整体的力学特征、变形趋势和稳定性特点，因此隧道物理模型试验一直是研究地下隧道洞室结构岩体稳定的重要研究方法。

3、现有的隧道物理模型制作方法常采用人工分层堆填法，但是人工进行隧道物理模型的制作是一种耗时、费力的事情，同时难以保证模型内部材料均匀。需要指出的是，对于复杂结构的隧道物理模型，如含支护隧道或多洞室隧道物理模型，利用传统的制作方法很难完成。同时，在隧道物理模型制作过程中，选择合理的模型相似材料及配比也具有重要意义，只有当隧道物理模型相似材料满足相似比要求时，模型试验才能模拟实际隧道的真实情况。

4、21世纪以来，随着3d打印技术的发展，研究者们在3d打印技术应用于隧道物理模型试验研究方面取得了一定的研究成果。例如，授权公告号为cn113715132 b的中国发明专利提出一种“3d打印隧道模型制作辅助装置和模型制作方法”，其中的模型制作方法包括整体3d打印模型基体和利用辅助装置将锚杆插入到模型基体的锚孔。

5、但是，现有技术的方法均存在一定程度上的局限或缺陷：

6、(1)含锚杆的隧道物理模型难以制作。传统人工方法由于模型结构复杂而难以制作含锚杆的隧道物理模型。3d打印技术所需材料具有一定的流动性，但锚杆等刚性材料流动性太差，难以放入机器中进行打印，若采用预留孔洞形式，3d打印后隧洞2口较小而需要插入锚杆1的位置又较多，人手伸入隧洞2口内进行锚杆1的插放难以操作，且精确度不高。这导致含锚杆隧道物理模型难以用3d打印制作。

7、(2)无公认的锚杆等效力学相似材料。在模型试验研究中，选择合理的模型相似材料及配比具有重要意义。相似材料的基本物理力学参数需与实际隧道的物理力学参数满足1：n的相似比要求，n为几何相似比；一般隧道物理模型试验几何相似比n为25～200。特别的，对于锚杆等钢材的等效力学相似材料，目前尚没有哪种材料可以得到普遍认可。

技术实现思路

1、(一)要解决的技术问题

2、本发明所要解决的技术问题是传统杆隧道物理模型制作方法无法制作含锚杆隧道物理模型，或者模型物理力学性质不均匀，结果离散型大等问题，本发明还要解决的锚杆等刚性材料在物理模型试验中由于相似比原因没有相应力学相似材料的问题。

3、(二)技术方案

4、为解决上述技术问是，本发明一方面提出一种基于等效锚固岩体相似材料的隧道模型，用于模拟在隧洞的侧方和上方具有锚杆的隧道，所述隧道模型的侧部与上部由结构材料包围，该结构材料均可通过3d打印成型；所述结构材料包括依次覆盖于所述隧洞模型上方的原状岩体材料层和等效锚固岩体材料层；所述等效锚固岩体材料层为含纤维的混凝土材料。

5、根据本发明的优选实施方式，所述纤维的用量为0.1～0.7重量份。

6、根据本发明的优选实施方式，所述纤维为长度12～18mm的玄武岩纤维。

7、根据本发明的优选实施方式，所述等效锚固岩体材料层还包括0.01～5重量份的减水剂。

8、本发明的另一方面提出一种基于等效锚固岩体相似材料的隧道模型的制作方法，所述隧道模型用于模拟在隧洞的侧方和上方具有锚杆的隧道，所述方法包括：一体化3d打印成型原状岩体材料层和等效锚固岩体材料层，其中等效锚固岩体材料层由含纤维的混凝土材料打印成型，其中，所述原状岩体材料层和等效锚固岩体材料层依次覆盖于所述隧洞模型的侧方和上方。

9、根据本发明的优选实施方式，还包括制作所述等效锚固岩体相似材料的步骤：将纤维和混凝土成分混合搅拌，使纤维均匀分散于混凝土成分中；在所述混凝土成分中分两次加入水和减水剂，并持续搅拌，以使所述等效锚固岩体相似材料胶结均匀。

10、本发明第三方面还提出一种等效锚固岩体相似材料，用于在隧道模型中模拟锚固岩体单元，所述锚固岩体单元位于隧洞的侧方或上方且包括用于固定的锚杆，包含以下成分：水泥80～110重量份；粉煤灰30～50重量份；硅灰1～15重量份；河砂100～200重量份；减水剂0.01～5重量份；纤维0.1～0.7重量份；水30～40重量份。

11、根据本发明的优选实施方式，所述纤维为长度12～18mm的玄武岩纤维。

12、根据本发明的优选实施方式，：所述纤维为0.4～0.5重量份。

13、根据本发明的优选实施方式，所述减水剂为1～3重量份。

14、(三)有益效果

15、(1)本发明提供的基于等效锚固岩体相似材料的隧道模型克服了传统制样方法无法制作含锚杆隧道物理模型，模型物理力学性质不均匀，结果离散型大等问题，同时也解决了锚杆这种刚性材料在物理模型试验中由于相似比原因没有相应力学相似材料的问题。

16、(2)本发明提出的等效锚固岩体相似材料可通过3d打印出的隧道物理模型的基本物理力学参数满足高容重、低弹性模量和低渗透性的相似要求。

17、(3)本发明提供的用于3d打印的等效锚固岩体相似材料具有较高的早期强度，后期强度持续发展，具有良好的力学性能。同时该材料新拌浆体具有很好的塑性、粘附力和抗塑性变形性能，打印施工不会出现流淌、坍塌现象、打印构件侧向变形可控，打印层与层之间可形成良好衔接，该材料打印成型后，表面较为细腻，无明显砂粒感。

技术特征：

1.一种基于等效锚固岩体相似材料的隧道模型，用于模拟在隧洞(2)的侧方和上方具有锚杆的隧道，其特征在于：

2.如权利要求1所述的基于等效锚固岩体相似材料的隧道模型，其特征在于，所述纤维的用量为0.1～0.7重量份。

3.如权利要求2所述的基于等效锚固岩体相似材料的隧道模型，其特征在于，所述纤维为长度12～18mm的玄武岩纤维。

4.如权利要求3所述的基于等效锚固岩体相似材料的隧道模型，其特征在于，所述等效锚固岩体材料层(7)还包括0.01～5重量份的减水剂。

5.一种基于等效锚固岩体相似材料的隧道模型的制作方法，所述隧道模型用于模拟在隧洞(2)的侧方和上方具有锚杆的隧道，其特征在于，所述方法包括：

6.如权利要求5所述的基于等效锚固岩体相似材料的隧道模型的制作方法，其特征在于，还包括制作所述等效锚固岩体相似材料的步骤：

7.一种等效锚固岩体相似材料，用于在隧道模型中模拟锚固岩体单元，所述锚固岩体单元位于隧洞(2)的侧方或上方且包括用于固定的锚杆，其特征在于包含以下成分：

8.如权利要求7所述的等效锚固岩体相似材料，其特征在于：所述纤维为长度12～18mm的玄武岩纤维。

9.如权利要求7或8所述的等效锚固岩体相似材料，其特征在于：所述纤维为0.4～0.5重量份。

10.如权利要求7或8所述的等效锚固岩体相似材料，其特征在于：所述减水剂为1～3重量份。

技术总结本发明公开了一种基于等效锚固岩体相似材料的隧道模型和隧道模型制作方法，以及相应的等效锚固岩体相似材料配方。其中，隧道模型用于模拟在隧洞(2)的侧方和上方具有锚杆的隧道，隧道模型的侧部与上部由3D打印成型结构材料包围，结构材料包括原状岩体材料层(6)和等效锚固岩体材料层(7)，等效锚固岩体材料层(7)为含纤维的混凝土材料。本发明解决了传统方法难以制作含锚杆隧道物理模型或模型物理力学性质不均匀，结果离散型大等问题，同时也解决了锚杆等刚性材料由于相似比原因没有相应力学相似材料的问题。技术研发人员：聂雯,张家驰,马国伟,勇兆瑞,李之健,邵亚建受保护的技术使用者：河北工业大学技术研发日：技术公布日：2024/5/6