3d打印隧道或采空区上方桩基模型试验装置及打印方法
【专利摘要】本发明公开了一种3D打印隧道或采空区上方桩基模型试验装置及打印方法，包括模型槽、滑轨、模型桩?隧道?采空区打印设备、砂雨法砂土填筑设备和控制设备；3D打印技术实现桩?隧道?采空区模型试验的精准施工，周围土体的精确填筑。与现有技术相比，3D打印技术可以浇筑复杂的变截面桩基形式、隧道及形式及采空区形状，可以在小空间内精准布置群桩、倾斜桩、地下连续墙，小角度交叉、交互的隧道等构建物以及采空区；同时，3D打印技术控制砂雨法填筑，可以精确的控制周围土体的相对密实度与均匀性，并实现不同密实度的多层土的模拟。
【专利说明】
3D打印隧道或采空区上方桩基模型试验装置及打印方法
技术领域
[0001]本发明涉及一种3D打印技术，尤其是涉及一种3D打印隧道或采空区上方粧基模型试验装置及打印方法，主要适用于岩土工程模型试验等技术领域。
【背景技术】
[0002]在地铁的建设过程中，及采矿的过程中常常出现隧道及采空区上方存在既有建筑，隧道的开挖过程及采矿的过程与上部建筑的相互影响一直是各科研单位、企业及高新的研究重点之一。缩尺模型试验是研究粧基础及隧道承载特性，分析粧(隧道)_ 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。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、构建物-土接触面容易在制作过程中受到影响、复杂的构建物布置形式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及隧道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，开发一种复杂模型粧和隧道快速、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:本发明的目的在于克服上述不足和缺陷，解决常规粧基及隧道缩尺模型试验中存在的粧周土体填筑不均匀、复杂粧型的模型粧制作工艺复杂且耗时长、粧(隧道)_ 土接触面容易在制作过程中受影响、以及复杂的构建物布置形式由于空间或形状限制而无法制作的问题，提出一种3D打印隧道或采空区上方粧基模型试验装置及打印方法;通过3D打印技术进行复杂模型粧及隧道的浇筑与精准布置，并同时利用3D打印技术精准控制进行砂雨法填筑粧、隧道及采空区周围土体。
[0006]技术方案:为了实现上述目的，本发明提供一种3D打印隧道或采空区上方粧基模型试验装置，包括:承重台、模型槽、模型粧-隧道-采空区打印设备、砂雨法砂土填筑设备和控制设备;所述模型槽设置在承重台上，用于放置砂体、隧道模型和/或采空区所形成的试验模型，所述模型粧-隧道-采空区打印设备包括空间位移控制组件和模型粧-隧道-采空区材料供应组件，所述砂雨法砂土填筑设备包括撒砂操作组件和砂材供应组件。
[0007]其中，所述模型粧-隧道-采空区打印设备的空间位移控制组件包括:外环滑轨及Zll滑轨、Z12滑轨、Xl滑轨和移动部件;所述外环滑轨通过滑轨支架固定在承重台上；外环滑轨与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，所述移动部件与所述控制设备电连接。。
[0008]其中，所述模型粧-隧道-采空区打印设备的模型粧-隧道-采空区材料供应组件包括:料池和料浆栗以及连通两者的输料管;所述料池用于盛放料浆，其内设置有搅拌装置；所述料浆栗位于所述Z12滑轨的末端，料浆栗内设置有加热装置，下方设置有出料口，用于输出加热后的料浆;所述搅拌装置、料浆栗分别与所述控制设备电连接。
[0009]进一步地，所述外环滑轨为圆角矩形，固定在所述承重台的外围。
[0010]其中，所述撒砂操作组件包括:内环滑轨及Z21滑轨、Z22滑轨、X2滑轨及移动部件，所述内环滑轨通过滑轨支架固定在承重台上；内环滑轨与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。
[0011 ]其中，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;砂池用于盛放砂材，其底部设置有与所述控制设备电连接的阀门，用于控制出砂速度；出砂口位于所述Z22滑轨的末端。
[0012]进一步地，所述内环滑轨为圆角矩形框，位于承重台的外围，且在所述外环滑轨的内侧。
[0013]另外，本发明还提供一种利用上述3D打印隧道或采空区上方粧基模型试验装置进行试验模型的打印方法，包括以下步骤:
[0014](I)确定试验模型的结构:利用三维制图软件设计隧道模型、采空区和模型粧的形状、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；
[0015](2)根据步骤(I)中确定的试验模型结构进行布置:利用预先确定的材料打印所述隧道模型、采空区，并放置于所述模型槽中；
[0016](3)备料: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；
[0017](4)施工制作: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-隧道-采空区打印设备开始打印模型粧，所述砂雨法砂土填筑设备开始撒砂。
[0018]进一步地，步骤(4)的施工制作过程中还包括以下步骤:
[0019]打印期间根据试验要求，在模型槽中埋置测量元器件；
[0020]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。
[0021]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打印隧道或采空区上方粧基模型试验装置及打印方法利用3D打印技术可以浇筑复杂的变截面粧基形式、隧道或采矿区等构建物，可以在小空间内精准布置群粧、倾斜粧、地下连续墙，以及不同形状的单根或多根隧道;施工过程中，作为胶结材料的模型粧体及隧道和作为散粒材料的粧和隧道周土体，在浇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-土及隧道-土接触面情况更相近;利用3D打印技术控制设备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】
[0022]图1为本发明的3D打印隧道或采空区上方粧基模型试验装置的结构示意图；
[0023]图2为本发明装置隧道模型与采空区的立体布置示意图；
[0024]图3为隧道模型的多种布置结构示意图；图3(a)为两个隧道在同一平面交互的布置结构；图3(b)为两个隧道在同一平面交互的另一种布置结构；图3(c)为三个隧道在不同平面交互的布置结构；
[0025]图4为隧道模型的不同横截面形状示意图；图4(a)为圆形截面，图4(b)为长方形截面，图4(c)为六边形截面，图4(d)为五边形截面，图4(e)为不规则图形截面，图4(f)为圆拱形截面，图4(g)为跑道型截面；
[0026]图5为本发明装置构件物多层土的布置示意图；
[0027]其中: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为内环滑轨，15为外环滑轨，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输料管，25为隧道，26为采空区，27为砂体。
【具体实施方式】
[0028]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。
[0029]实施例1:
[0030]图1和图2、图5中的3D打印隧道或采空区上方粧基模型试验装置，包括承重台23、模型槽4、模型粧-隧道-采空区打印设备、砂雨法砂土填筑设备和控制设备;模型槽4设置在承重台23上，用于放置砂体27、隧道模型25和/或采空区26所形成的试验模型，模型粧-隧道-采空区打印设备包括空间位移控制组件和模型粧-隧道-采空区材料供应组件，砂雨法砂土填筑设备包括撒砂操作组件和砂材供应组件。
[0031]上述模型粧-隧道-采空区打印设备的空间位移控制组件包括:外环滑轨15及Zll滑轨6、Z12滑轨7、X1滑轨5和移动部件17;外环滑轨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；外环滑轨15与Zl I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-隧道-采空区材料供应组件包括: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Z12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。
[0032]上述撒砂操作组件包括:内环滑轨14及Z21滑轨10、Z22滑轨8、X2滑轨9及移动部件，内环滑轨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。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。
[0033]上述移动部件、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-隧道-采空区打印设备与砂雨法砂土填筑设备由控制设备20控制独立工作，提高打印的效率。
[0034]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，外环滑轨15的长为2.5m、宽为2m、直径为3mm，内环滑轨14的长、宽均比外环滑轨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,内环滑轨14的直径为3?5mm，其长和宽尺寸小于外环滑轨15相应尺寸5?15cm即可。滑轨支架16的长度根据外环滑轨15、内环滑轨14以及承重台23的长、宽进行设置，其直径为4?6mm，材料为钢材或招合金(本实例长为1cm，直径为4?6mm，材料为钢材)。
[0035]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，内环滑轨14和外环滑轨15、滑轨支架16的材料可以为钢材或铝合金。
[0036]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，材料为钢材或铝合金;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?300W，搅拌速度为360?720r/min ；料池18的进料口端直径为
0.3?0.5m，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。
[0037]上述砂池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(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.lm，圆台端高度为0.lm)；阀门3可控制砂的出砂速度，出砂速度为0.05?
0.lm3/h(本实例为0.05m3/h);输砂管2的直径根据料池输料口端或输砂口端直径确定，为4分?I寸(本实例为4分)；以及出砂口 11，形状为扁形或圆形(本实例为圆形)，出砂口网眼孔径为I?4mm(本实例为Imm)，可控制出料或出砂速度为0.05?0.lm3/h(本实例为0.05m3/h)。料池18与砂池I位置要高于模型槽0.1?Im(本实例为0.5m)。
[0038]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。
[0039]实施例2:
[0040]利用实施例1中的3D打印隧道或采空区上方粧基模型试验装置进行试验模型的打印，包括以下步骤:
[0041 ] (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，设计隧道模型25、采空区26和模型粧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。
[0042]模型粧22的横截面形状可以为图1中所示的圆形，也可以为长方形、X形、Y形或者圆环形，还可为楔形粧，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10?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1?30mm。
[0043]隧道模型25根据实际隧道形状、布置结构进行设计，横截面可以为图2所示的圆形，也可以为图4所示的长方形、或者各种多边形，以及不规则图形、圆拱形或跑道型，隧道长可设计为300?4550mm;若横截面为圆形则其直径可设计为15?150mm;若横截面为长方形则其边长可设计为15?150mm;若为多边形则其边长可设计为15?150mm;隧道还可以为如图3所示的多条，例如:图3(a)、(b)所示的两到四条隧道在同一平面交互，角度为30°?90° ;又例如:图3(c)所示的两到四条隧道在不同平面交互，角度为0°?180°，隧道与隧道之间距离可以设计为5?150cm。
[0044]隧道模型25及模型粧22的材料可以为混凝土、水泥砂浆、石灰或石膏。
[0045]采空区26，利用打印装置打印一层厚度为I?2mm的硬壳层，其材料为石膏，其形状可为立方体、球形及不规则形状。
[0046]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。
[0047](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360?720r/min(本实例为360r/min)，打开料浆栗12的加热装置，温度控制为10?50°C(本实例为10°C);
[0048]模型粧22的材料，可以为混凝土、水泥砂浆、石灰或石膏(本实例为水泥砂浆);粧周土为砂土，材料为福建标准砂或地区天然砂(本实例为福建标准砂)，粒径为细砂、中砂或粗砂(本实例为细砂)，级配为良好或不良(本实例为良好)，砂雨法控制相对密实度30?80% (本实例为50% )，计算出撒砂的高度为0.2?0.7m(本实例为0.5m)、出砂速度为0.05?
0.1m3/h (本实例为 0.05m3/h)。
[0049](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-隧道-采空区打印设备开始打印模型粧，砂雨法砂土填筑设备开始撒砂;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(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(如开始为30cm，其后为50cm，第三层为70cm)ο
[0050](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打印隧道或采空区上方粧基模型试验装置，其特征在于，该装置包括:承重台(23)、模型槽(4)、模型粧-隧道-采空区打印设备、砂雨法砂土填筑设备和控制设备(20);所述模型槽(4)设置在承重台(23)上，用于放置砂体(27)、隧道模型(25)和/或采空区(26)所形成的试验模型，所述模型粧-隧道-采空区打印设备包括空间位移控制组件和模型粧-隧道-采空区材料供应组件，所述砂雨法砂土填筑设备包括撒砂操作组件和砂材供应组件。2.根据权利要求1所述的3D打印隧道或采空区上方粧基模型试验装置，其特征在于，所述模型粧-隧道-采空区打印设备的空间位移控制组件包括:外环滑轨(15)及Zll滑轨(6)、Z12滑轨(7)、X1滑轨(5)和移动部件(17);所述外环滑轨(15)通过滑轨支架(16)固定在承重台(23)上；外环滑轨(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，所述移动部件(17)与所述控制设备(20)电连接。3.根据权利要求2所述的3D打印隧道或采空区上方粧基模型试验装置，其特征在于，所述模型粧-隧道-采空区打印设备的模型粧-隧道-采空区材料供应组件包括:料池(18)和料浆栗(12)以及连通两者的输料管(24);所述料池(18)用于盛放料浆，其内设置有搅拌装置(19);所述料浆栗(12)位于所述Z12滑轨(7)的末端，料浆栗(12)内设置有加热装置，下方设置有出料口(13)，用于输出加热后的料浆;所述搅拌装置(19)、料浆栗(12)分别与所述控制设备(20)电连接。4.根据权利要求2所述的3D打印隧道或采空区上方粧基模型试验装置，其特征在于，所述外环滑轨(15)为圆角矩形，固定在所述承重台(23)的外围。5.根据权利要求1所述的3D打印隧道或采空区上方粧基模型试验装置，其特征在于，所述撒砂操作组件包括:内环滑轨(14)及Z21滑轨(10)、Z22滑轨(8)、X2滑轨(9)及移动部件，所述内环滑轨(14)通过滑轨支架(16)固定在承重台(23)上；内环滑轨(14)与Z21滑轨(10)之间，Z21滑轨(1 )与X2滑轨(9 )之间，X2滑轨(9 )与Z2 2滑轨(8 )之间分别通过移动部件连接。6.根据权利要求5所述的3D打印隧道或采空区上方粧基模型试验装置，其特征在于，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 );砂池(I)用于盛放砂材，其底部设置有与所述控制设备(20)电连接的阀门(3)，用于控制出砂速度；出砂口(11)位于所述Z22滑轨(8)的末端。7.根据权利要求5所述的3D打印隧道或采空区上方粧基模型试验装置，其特征在于，所述内环滑轨(14)为圆角矩形框，位于承重台(23)的外围，且在所述外环滑轨(15)的内侧。8.—种利用权利要求1所述的3D打印隧道或采空区上方粧基模型试验装置进行试验模型的打印方法，包括以下步骤: (1)确定试验模型的结构:利用三维制图软件设计隧道模型(25)和/或采空区(26)、以及模型粧(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)根据步骤(I)中确定的试验模型结构进行布置:利用预先确定的材料在所述模型槽(4)中打印所述隧道模型(25)和/或采空区(26); (3)备料: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； (4)施工制作: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-隧道-采空区打印设备开始打印模型粧，所述砂雨法砂土填筑设备开始撒砂。9.根据权利要求8所述的打印方法，其特征在于，步骤(4)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。
【文档编号】E02D33/00GK105946090SQ201610288843
【公开日】2016年9月21日
【申请日】2016年5月4日
【发明人】孔纲强, 彭怀风, 周杨, 郝耀虎, 李辉
【申请人】河海大学