一种3d打印模型桩及砂雨法试验制作装置及其使用方法
【专利摘要】本发明公开了一种3D打印模型桩及砂雨法试验制作装置及其使用方法，包括承重台、模型槽、模型桩打印设备、砂土法填筑设备和控制设备，所述模型桩打印设备包括空间位移控制组件和模型桩材料供应组件，所述砂土法填筑设备包括撒砂操作组件和砂材供应组件。本发明中的试验制作装置及其使用方法，利用3D打印技术实现复杂桩基模型试验的精准施工、桩周土体的均匀精准填筑，可以浇筑复杂的变截面桩基形式，可以在小空间内精准布置群桩、倾斜桩以及地下连续墙等构建物；与真实现场浇筑桩基中的桩?土接触面情况更相近等技术优点。3D打印技术实现砂雨法的填砂操作，可以精确的控制桩周土体的相对密实度和均匀性，实现不同密实度的多层土的模拟。
【专利说明】
一种3D打印模型桩及砂雨法试验制作装置及其使用方法
技术领域
[0001]本发明涉及一种3D打印技术，主要适用于岩土工程模型试验等技术领域，尤其是涉及一种3D打印模型粧及砂雨法试验制作装置及其使用方法。
【背景技术】
[0002]粧基缩尺模型试验是研究粧基础承载特性，分析粧-土相互作用机理的最重要手段之一;能为相关粧基础设计、施工与计算提供参考依据。粧基缩尺模型试验技术手段也一直得到广大科技工作者的广泛使用，并取得了良好的效果;但是，常规缩尺模型试验中材料制作及布置上无法得到精准的控制(比如，粧周土体的均匀性布置、复杂粧型的模型粧制作工艺复杂且耗时长、粧-土接触面容易在制作过程中受到影响、复杂的布粧形式常规方法由于空间不够而无法制备等)，从而影响相关模型试验结果的精度和可参考价值。
[0003]本发明之前，专利号为ZL201510374179.1的中国发明专利“一种3D打印物理相似模拟模型实验台及应用方法”，公开了一种利用3D打印机构进行模型铺设、加压开挖机构进行物理相似模拟实验研究复杂地质构造下矿产采动情况模拟；申请号为201410744393.7的中国发明申请“应用3D打印技术的柱状节理岩体相似材料试样的制备方法”，公开了一种柱状节理岩体相似材料试样的制备方法;这两种技术方案中均利用3D打印技术针对模拟材料形成含节理的岩体相似材料。专利号为ZL201310697608.X的中国发明专利“一种建筑物梁构件的3D打印方法”，公开了一种结合水泥基材料的3D打印建筑物梁构件及其养护的技术方案;专利号为ZL201410009382.4的中国发明专利“一种塔式3D打印机及其打印方法”，公开了一种结合塔吊机、水泥基材料的3D打印建筑物的技术方案;这两种技术方案均结合水泥基材料施工建筑物及其构件。但是，已有的技术方案都是针对模拟岩体材料、水泥基材料等凝结材料，而尚未有针对散体材料的均匀性制配方面的技术方案，更没有结合散体材料和凝结材料同时制作的3D打印技术。
[0004]因此，针对目前常规粧基模型试验材料制作及粧、土布置方法中存在的不足与缺陷;结合3D打印技术，针对复杂粧基模型试验情况，开发一种快速、精准制作与布置，粧周土体精准均匀性布置的技术方案，显得尤为重要。
【发明内容】
[0005]发明目的:为了克服上述不足和缺陷，解决常规粧基缩尺模型试验中存在的粧周土体填筑不均匀，尤其是模型粧附近、复杂粧型的模型粧制作工艺复杂且耗时长、粧-土接触面容易在制作过程中受到影响、复杂的布粧形式常规方法由于空间不够而无法制备的问题，提出一种3D打印模型粧及砂雨法试验制作装置及其使用方法;通过3D打印技术进行复杂模型粧的浇筑与精准布置，并同时利用3D打印技术精准控制砂土相对密实度进行砂雨法填筑粧周土体。
[0006]技术方案:为了实现上述目的，本发明提供一种3D打印模型粧及砂雨法试验制作装置，包括:承重台、模型槽、模型粧打印设备、砂土法填筑设备和控制设备;所述模型槽设置在承重台上，为所述模型粧打印设备、砂土法填筑设备提供平台；所述模型粧打印设备包括空间位移控制组件和模型粧材料供应组件，所述空间位移控制组件包括:外环形滑轨及Zll滑轨、Z12滑轨、Xl滑轨和移动部件;所述外环形滑轨通过滑轨支架固定在承重台上；夕卜环形滑轨与Zll滑轨之间，Zll滑轨与Xl滑轨之间，Xl滑轨与Z12滑轨之间分别通过移动部件连接;所述模型粧打印设备的模型粧材料供应组件包括:用于盛放料浆的料池和料浆栗以及连通两者的输料管，所述料浆栗位于所述Z12滑轨的末端，其下方设置有出料口；所述移动部件、料浆栗分别与所述控制设备电连接;所述砂土法填筑设备包括撒砂操作组件和砂材供应组件;所述撒砂操作组件包括:内环形滑轨及Z21滑轨、Z22滑轨、X2滑轨及移动部件，所述内环形滑轨通过滑轨支架固定在承重台上；内环形滑轨与Z21滑轨之间，Z21滑轨与X2滑轨之间，X2滑轨与Z22滑轨之间分别通过移动部件连接;所述砂材供应组件包括:砂池和出砂口以及将两者连通的输砂管；出砂口位于所述Z22滑轨的末端。
[0007]其中，所述料浆栗内设置有加热装置，控制材料的温度范围为10?50°C。
[0008]其中，所述料池内设置有搅拌装置，其功率为100?300W，搅拌速度为360?720r/min0
[0009]其中，所述模型槽和承重台的材料为钢材、有机玻璃或钢化玻璃，所述内环形滑轨和外环形滑轨、滑轨支架的材料为钢材或铝合金。
[0010]进一步，本发明还提供一种3D打印模型粧及砂雨法试验制作装置的使用方法，包括以下步骤:
[0011](I)利用三维制图软件设计模型粧的形状、尺寸以及布置结构，以及模型粧的粧周土体分层与相对密实度；
[0012](2)将预先确定的粧材料置于所述隧道材料供应组件中的料池内，将预先确定的砂材置于所述砂材供应组件中的砂池内；
[0013](3)根据试验参数及绘制的三维立体模型，调整所述料池和砂池与模型槽的相对高度，调节出料和放砂速度，所述模型粧打印设备开始打印模型粧，所述砂土法填筑设备开始撒砂。
[0014]其中，步骤(3)的施工制作过程中还包括以下步骤:
[0015]打印期间根据试验要求，在模型槽中埋置测量元器件；
[0016]在打印过程中通过改变所述砂材供应组件中的出砂口距砂面的距离，以实现多层土。
[0017]其中，所述模型粧的横截面形状为圆形、X形、长方形、Y形、圆环形或者模型粧为楔形粧。
[0018]有益效果:与现有常规粧基模型试验制作技术相比，本发明的3D打印模型粧及砂雨法试验制作装置及其使用方法利用3D打印技术可以浇筑复杂的变截面粧基形式，可以在小空间内精准布置群粧、倾斜粧以及地下连续墙等构建物。施工过程中，作为胶结材料的模型粧体和作为散粒材料的粧周土体，在饶筑过程中存在一定的相互侵入现象，与真实现场浇筑粧基中的粧-土接触面情况更相近。利用3D打印技术计算机控制设备系统实现砂雨法的填砂操作，可以保证填土的均匀性，从而精确的控制粧周土体的相对密实度。同时还能根据高度及撒砂速度的变化，实现不同密实度的多层土的模拟。
【附图说明】
[0019]图1为本发明中3D打印模型粧及砂雨法试验制作装置的结构示意图；
[0020]图2为本发明中3D打印模型粧及砂雨法试验制作装置中倾斜粧的布置示意图；
[0021]图3为本发明中3D打印模型粧及砂雨法试验制作装置中异形粧的布置示意图；
[0022]图4为本发明中3D打印模型粧及砂雨法试验制作装置中群粧的布置示意图；
[0023]图5为本发明中3D打印模型粧及砂雨法试验制作装置中实现不同土层制作示意图；
[0024]图中:I为砂池，2为输砂管，3为阀门，4为模型槽，5为Xl滑轨，6为ZlI滑轨，7为Z12滑轨，8为Z22滑轨，9为X2滑轨，10为Z21滑轨，11为出砂口，12为料浆栗，13为出料口，14为内环形滑轨，15为外环形滑轨，16为滑轨支架，17为移动部件，18为料池，19为搅拌装置，20为控制设备，21为数据线，22为模型粧，23为承重台，24为输料管。
【具体实施方式】
[0025]以下结合附图详细叙述本发明专利的【具体实施方式】，本发明专利的保护范围并不仅仅局限于本实施方式的描述。
[0026]实施例1:
[0027]图1至图5中的3D打印模型粧及砂雨法试验制作装置，包括承重台23、模型槽4、模型粧打印设备、砂土法填筑设备和控制设备;模型槽4设置在承重台23上，模型粧打印设备包括空间位移控制组件和模型粧材料供应组件，砂土法填筑设备包括撒砂操作组件和砂材供应组件。
[0028]上述模型粧打印设备的空间位移控制组件包括:外环形滑轨15及Zll滑轨6、Z12滑轨7、X1滑轨5和移动部件17;外环形滑轨15为圆角矩形框，位于承重台23的外围，通过滑轨支架16固定在承重台23上；外环形滑轨15与Zll滑轨6之间，Zll滑轨6与Xl滑轨5之间，Xl滑轨5与Z12滑轨7之间分别通过移动部件17连接。上述模型粧材料供应组件包括:料池18和料浆栗12以及连通两者的输料管24;料池18用于盛放料浆，其内设置有搅拌装置19，搅拌装置19由搅拌杆、十字形搅拌头和电动转机组成;料浆栗12位于Zl 2滑轨7的末端，料浆栗12内设置有加热装置(图中未示出)，下方设置有出料口 13，用于输出加热后的料浆。
[0029]上述撒砂操作组件包括:内环形滑轨14及Z21滑轨10、Z22滑轨8、X2滑轨9及移动部件，内环形滑轨14为圆角矩形框，位于承重台23的外围，通过滑轨支架16固定在承重台23上；内环形滑轨14与Z21滑轨10之间，Z21滑轨10与X2滑轨9之间，X2滑轨9与Z22滑轨8之间分别通过移动部件17连接。上述砂材供应组件包括:砂池I和出砂口 11以及将两者连通的输砂管2;砂池I内盛放砂，其底部设置有阀门3，用于控制出砂速度；出砂口 11位于Z22滑轨8的末端。
[0030 ]上述移动部件17、搅拌装置19、料浆栗12及阀门3通过数据线21与控制设备20电连接。模型粧打印设备与砂土法填筑设备由控制设备20控制独立工作，提高打印的效率。
[0031]本实施例中承重台23的长为3m、宽为2.5m、高度为lm，模型槽4的长为2m，宽为1.5m，高度为2m，外环形滑轨15的长为2.5m、宽为2m、直径为3mm，内环形滑轨14的长、宽均比外环形滑轨15的长、宽小5cm，直径为3mm;相应尺寸不限于此，可根据试验设计要求，将模型槽4长制作为2?3m、宽为1.5?2m、高度为2?3m，称重台23的长为3?4m、宽为2.5?3m、高度为I?1.5m，外环形滑轨15的尺寸由模型槽4的尺寸确定，长为2.5?3.5m、宽为2?2.5m、直径为3?5mm，内环形滑轨14的直径为3?5mm，其长和宽尺寸小于外环形滑轨15相应尺寸5?15cm即可。本实施例中滑轨支架16的长度为10cm，其长度可根据外环形滑轨15、内环形滑轨14以及承重台23的长、宽进行设置，其直径为4?6_，材料可以为钢材或铝合金。
[0032]上述模型槽4和承重台23的材料可以为钢材或有机玻璃或钢化玻璃，内环形滑轨14和外环形滑轨15、滑轨支架16的材料可以为钢材或铝合金。
[0033]上述Xl滑轨5和X2滑轨9的尺寸根据模型槽的长度确定，形状为直线型，长度为2?5m、直径为3?5mm，材料为钢材或招合金。
[0034]上述料池18中盛放的料浆为胶结材料，其材料为混凝土、水泥砂浆、石灰或石膏；料池18内的搅拌装置19在制作期间不间断搅拌，保证胶结材料的流动性，其功率为100?300￥，搅拌速度为360?72(^/1^11;料池18的进料口端直径为0.3?0.5111，输料口端直径为4分?I寸，圆柱端高度为0.1?0.3m，圆台端高度为0.1?0.2m;料浆栗12中加热装置控制材料的温度范围为10?50°C。
[0035]本实例进料口端直径为0.3m，输砂口端直径为4分，圆柱端高度为0.1m，圆台端高度为0.1m;阀门3可控制砂的出砂速度，本实例的出砂速度为0.05m3/h;输砂管2的直径为4分；出砂口 11的形状为圆形，出砂口网眼孔径为Imm，出料或出砂速度为0.05m3/h，料池18与砂池I位置要高于模型槽0.5m。
[0036]相应的尺寸不限于此，只要满足:砂池I的进料口端直径为0.3?0.5m，输砂口端直径为4分?I寸，圆柱端高度为0.1?0.3m，圆台端高度为0.1?0.2m;利用阀门3的出砂速度为0.05?0.lm3/h均可行;输砂管2的直径可根据料池输料口端或输砂口端直径确定，尺寸为4分?I寸均可；以及出砂口 11的形状还可设置为扁形或圆形，出砂口网眼孔径为I?4_，可控制出料或出砂速度为0.05?0.1m3/h。料池18与砂池I位置高于模型槽0.1?Im即可。
[0037]砂池I中盛放的砂可以为福建标准砂、也可为地区天然河砂，砂的粒径可为细砂、中砂或粗砂，砂的级配可选择良好或不良。
[0038]实施例2:
[0039]利用实施例1中的3D打印模型粧及砂雨法试验制作装置进行试验模型的打印，包括以下步骤:
[0040](I)确定模型的结构，确定模型中各构件的材料:利用AutoCAD、3Dmax、ProE、UG或Solidworks三维制图软件，设计模型粧22形状与尺寸、粧周土体分层与相对密实度、以及模型粧22在粧周土体中的布置位置;模型粧22的横截面形状可以为图1、图2中所示的圆形，也可以为图3中所示的X形、长方形或楔形粧，以及Y形或者圆环形，可根据具体试验需要来进行设计。模型粧22的粧长可设计为300?950mm;横截面若为圆形则其直径可以设计为15?35mm;横截面若为长方形则其边长可以设计为15?35mm;横截面若为X形或Y形则其外包圆直径可以设计为15?35mm，开弧角度为90?120°，圆环形外径为1?35mm、壁厚为5?7mm;若为楔形粧则其上部直径可设计为15?35mm，下部直径为10?30mm。利用砂雨法控制相对密实度为30?80%，可以在不同位置设置不同相对密实度的砂土以模拟多层土情况。
[0041]模型粧22可以采用单个粧体，也可以是两个及以上，如图4所示的的群粧;粧体之间可以采用如图2所示的倾斜粧，也可以采用如图3所示的不同横截面。
[0042](2)备料:将料浆装入料池18，将砂装入砂池I，打开料池18的搅拌装置19，速度调为360r/min，打开料浆栗12的加热装置，温度控制为10°C;上述搅拌装置19的速度控制在360?720r/min，加热装置的温度只要控制在10?50°C均可；
[0043]选用水泥砂浆作为模型粧22的材料，选用福建标准砂并选用级配良好的细砂作为粧周土的砂土，利用砂雨法控制砂土的相对密度为50%，撒砂高度为0.5m，出砂速度为0.05m3/ho
[0044]上述模型粧22的材料也可以为混凝土、水泥砂浆、石灰或石膏;粧周土的砂土材料为福建标准砂或地区天然砂，粒径为细砂、中砂或粗砂，级配为良好或不良，砂雨法控制砂土的相对密实度30?80 %，计算出撒砂的高度为0.2?0.7m、出砂速度为0.05?0.lm3/h即可。
[0045](3)施工制作:根据试验参数及绘制的三维立体模型，调整料池18和砂池I与模型槽4的相对高度、通过阀门3调节至需要的速度，模型粧打印设备开始打印模型粧，砂土法填筑设备开始撒砂;保证模型粧22的打印高度略高于填埋砂的高度;打印期间可根据试验要求，在模型槽中埋置测量元器件，例如:土压力盒、沉降标，并且在打印过程中可变化出砂口距砂面的距离，以实现多层土，例如:开始为30cm，其后为50cm，第三层为70cmo
[0046](4)模型试验:模型布置完成后，开展相关的粧基静载荷、抗拔、水平向或多方向荷载组合承载力试验。
【主权项】
1.一种3D打印模型粧及砂雨法试验制作装置，其特征在于，该装置包括:承重台(23)、模型槽(4)、模型粧打印设备、砂土法填筑设备和控制设备(20);所述模型槽(4)设置在承重台(23)上，为所述模型粧打印设备、砂土法填筑设备提供平台； 所述模型粧打印设备包括空间位移控制组件和模型粧材料供应组件，所述空间位移控制组件包括:外环形滑轨(15)及Zll滑轨(6)、Z12滑轨(7)、X1滑轨(5)和移动部件(17);所述外环形滑轨(15)通过滑轨支架(16)固定在承重台(23)上;外环形滑轨(15)与Zll滑轨(6)之间，Zll滑轨(6)与Xl滑轨(5)之间，Xl滑轨(5)与Z12滑轨(7)之间分别通过移动部件(17)连接;所述模型粧打印设备的模型粧材料供应组件包括:用于盛放料浆的料池(18)和料浆栗(12)以及连通两者的输料管(24)，所述料浆栗(12)位于所述Z12滑轨(7)的末端，其下方设置有出料口( 13);所述移动部件(17)、料浆栗(12)分别与所述控制设备(20)电连接； 所述砂土法填筑设备包括撒砂操作组件和砂材供应组件;所述撒砂操作组件包括:内环形滑轨(14)及Z21滑轨(10)、Z22滑轨(8)、X2滑轨(9)及移动部件(17)，所述内环形滑轨(14)通过滑轨支架(16)固定在承重台(23)上；内环形滑轨(14)与Z21滑轨(10)之间，Z21滑轨(10)与X2滑轨(9)之间，X2滑轨(9)与Z22滑轨(8)之间分别通过移动部件连接;所述砂材供应组件包括:砂池(I)和出砂口( 11)以及将两者连通的输砂管(2);出砂口( 11)位于所述Z22滑轨(8)的末端。2.根据权利要求1所述的3D打印模型粧及砂雨法试验制作装置，其特征在于，所述料浆栗(12)内设置有加热装置，控制材料的温度范围为10-50 0C。3.根据权利要求1所述的3D打印模型粧及砂雨法试验制作装置，其特征在于，所述料池(18)内设置有搅拌装置(19)，其功率为100?300W，搅拌速度为360?720r/min。4.根据权利要求1所述的3D打印模型粧及砂雨法试验制作装置，其特征在于，所述模型槽(4)和承重台(23)的材料为钢材、有机玻璃或钢化玻璃，所述内环形滑轨(14)和外环形滑轨(15 )、滑轨支架(16)的材料为钢材或铝合金。5.—种权利要求1所述的3D打印模型粧及砂雨法试验制作装置的使用方法，包括以下步骤: (1)利用三维制图软件设计模型粧(22)的形状、尺寸以及布置结构，以及模型粧(22)的粧周土体分层与相对密实度； (2)将预先确定的粧材料置于所述隧道材料供应组件中的料池(18)内，将预先确定的砂材置于所述砂材供应组件中的砂池(I)内； (3)根据试验参数及绘制的三维立体模型，调整所述料池(18)和砂池(I)与模型槽(4)的相对高度，调节出料和放砂速度，所述模型粧打印设备开始打印模型粧，所述砂土法填筑设备开始撒砂。6.根据权利要求5所述的使用方法，其特征在于，步骤(3)的施工制作过程中还包括以下步骤: 打印期间根据试验要求，在模型槽(4)中埋置测量元器件； 在打印过程中通过改变所述砂材供应组件中的出砂口(13)距砂面的距离，以实现多层土。7.根据权利要求5或6所述的使用方法，其特征在于，所述模型粧(22)的横截面形状为圆形、X形、长方形、Y形、圆环形或者模型粧(22)为楔形粧。
【文档编号】E02D33/00GK105887944SQ201610289067
【公开日】2016年8月24日
【申请日】2016年5月4日
【发明人】彭怀风, 孔纲强, 孟珍珠, 李辉, 郝耀虎
【申请人】河海大学