一种基于3D打印透明土技术的模拟能量桩竖向加载的试验装置

本技术涉及3d打印透明土模型试验，尤其是涉及一种基于3d打印透明土技术的模拟能量桩竖向加载的试验装置。

背景技术：

1、近年来，随着国家对能源的需求持续增大，新能源的开发和利用已成为社会可持续发展的迫切要求。浅层地下热能作为优质新能源逐渐深受关注，进而研发出了利用地下桩基置换浅层地下热能的能量桩，以进行热量交换。然而，在能量桩承担上部竖向荷载的过程中，热量交换导致的温度附加应力使得桩与土的相互作用更加复杂，影响了能量桩的承载力和变形。

2、目前，关于能量桩竖向加载的传统模型试验仍然有缺陷，试验过程中无法直接观察到能量桩桩周土体的变形情况；此外，传统模型试验通常预埋传感器来获取数据，但由于预埋传感器属于嵌入式测量，导致所得数据普遍与实际情况有明显差异。

3、而随着数据精确性要求的提高和数字图像处理技术的发展，透明土技术应运而生。透明土技术以透明土代替传统土体进行模型试验，使得试验过程中各试验对象的变形情况皆呈现可视状态。并且相较于预埋传感器，数字图像处理技术作为非嵌入式测量，可以获得与实际情况相对准确的试验数据。近些年，透明土模型试验中加入了3d打印技术，通过制作出可控制形状的透明砂土颗粒，进一步提高了模型试验的精确度和可控性。

4、因此，基于透明土技术和3d打印可控形状的透明砂土颗粒，有必要研发一种用于测量模拟能量桩在竖向加载过程中桩周土体变形情况的试验装置。

技术实现思路

1、针对现有技术中的缺陷，本实用新型提供一种基于3d打印透明土技术的模拟能量桩竖向加载的试验装置，用于解决现有技术中没有基于透明土技术和3d打印可控形状的透明砂土颗粒，以此来测量模拟能量桩在竖向加载过程中桩周土体的变形情况。

2、为了实现上述目的，本实用新型提供的一种基于3d打印透明土技术的模拟能量桩竖向加载的试验装置，包括：

3、试验底座，

4、移动模型箱系统，所述移动模型箱系统滑动安装在试验底座上，所述移动模型箱系统用于输送透明土材料；

5、控温能量桩系统，所述控温能量桩系统包括能量桩结构和水循环控温结构，所述能量桩结构可拆装安装于移动模型箱系统的内部，所述能量桩结构与水循环控温结构可拆卸连接；

6、3d打印机，所述3d打印机用于打印透明砂土颗粒材料；

7、透明土搅拌系统，所述透明土搅拌系统固定安装在试验底座上，所述透明土搅拌系统用于搅拌透明砂土颗粒材料和液体材料；

8、真空饱和系统，所述真空饱和系统固定安装在试验底座上，所述真空饱和系统用于饱和透明土材料；

9、竖向加载系统，所述竖向加载系统固定安装在试验底座上，所述竖向加载系统用于施加竖向荷载；

10、操控分析台，所述操控分析台用于电信连接控温能量桩系统、移动模型箱系统、透明土搅拌系统、真空饱和系统和竖向加载系统。

11、这样设置，通过采用透明土材料替代传统砂土，在开展能量桩结构竖向加载试验过程中可以直观的观测桩周土体变形情况；同时，运用3d打印技术制作透明砂土颗粒，实现对透明砂土颗粒的形状和粒径的精确控制，使试验材料更加符合实际土体情况。

12、进一步，所述能量桩结构包括能量桩模型和双u型透明换热管，所述双u型透明换热管固定安装在能量桩模型的内部，所述双u型透明换热管的两侧管口处均固定连通有第一透明软管，两根所述第一透明软管的自由端均固定连通有第一连接阀。

13、进一步，所述水循环控温结构包括循环水泵和换温水箱，所述循环水泵和换温水箱均固定安装在试验底座的顶部一侧，所述循环水泵和换温水箱之间固定连通有连接水管，所述循环水泵和换温水箱的顶部均固定连通有第二透明软管，两根所述第二透明软管上均固定安装有控流阀，两根所述第二透明软管的自由端均固定连通有第二连接阀，两个所述第二连接阀均可与相应的第一连接阀相互封闭连接。

14、进一步，所述试验底座的顶部一端开设有第一模型箱凹槽，所述试验底座的顶部固定安装有第一轨道，所述移动模型箱系统滑动连接在第一轨道上。

15、进一步，所述移动模型箱系统包括第一移动结构和模型箱，所述能量桩模型可拆卸安装于模型箱内部，所述第一移动结构滑动连接在第一轨道上，所述第一移动结构的顶部固定安装有模型箱承台，所述模型箱承台的顶部开设有第二模型箱凹槽，所述模型箱、能量桩模型和双u型透明换热管均由透明石英玻璃制成。

16、进一步，所述第一移动结构包括两个支撑轴和四个滚轮，每个所述支撑轴均对称固定安装在模型箱承台的底部，每个所述支撑轴的两端均转动安装有滚轮，每个所述滚轮均与第一轨道滚动连接。

17、进一步，所述透明土搅拌系统包括液体材料箱和颗粒材料箱，所述3d打印机固定安装在颗粒材料箱的内部，所述试验底座的顶部一侧横向对称固定安装有第一立柱，两个所述第一立柱的顶部均固定安装有固定端头，两个所述固定端头的一侧均固定连接有第一横杆，所述液体材料箱与其中一个第一横杆的自由端固定连接，所述颗粒材料箱与另一个第一横杆的自由端固定连接，所述液体材料箱和颗粒材料箱之间固定连接，所述液体材料箱和颗粒材料箱的底部均固定连接有第一漏斗，两个所述第一漏斗上均固定安装有第一开关阀。

18、进一步，所述真空饱和系统包括密封盖板、闭合阀、气压仪表、真空抽气泵和真空阀，所述试验底座的顶部横向对称固定安装有第二立柱，两个所述第二立柱上均滑动套设有第二活动套筒，两个所述第二活动套筒之间固定连接有第三横杆，所述第三横杆上固定安装有竖杆，所述密封盖板固定安装在竖杆的自由端，所述闭合阀、气压仪表、真空抽气泵和真空阀均固定安装在密封盖板的顶部，所述真空抽气泵和真空阀之间通过软管连通。

19、进一步，所述竖向加载系统包括高速ccd相机和激光发射器，所述试验底座的顶部右侧两两对称安装有第三立柱，同侧两根所述第三立柱之间均固定安装有纵杆，两根所述纵杆上均滑动连接有第二移动件，两个所述第二移动件之间固定连接有横杆，所述横杆上滑动安装有竖向伺服加载器，所述试验底座的顶部一侧固定安装有第二伸缩直杆，且第二伸缩直杆位于第一轨道的侧边，所述第二伸缩直杆的顶部通过球铰活动安装有高速ccd相机，所述试验底座的顶部一侧固定安装有第三伸缩直杆，且第三伸缩直杆位于第一轨道的移动方向，所述第三伸缩直杆的上端通过球铰活动安装有激光发射器。

20、进一步，两个所述第一立柱上均滑动套设有第一活动套筒，两个所述第一活动套筒的一侧均固定连接有第二横杆，两个所述第二横杆的自由端之间固定安装有搅拌箱，所述搅拌箱的底部固定连接有第二漏斗，所述第二漏斗上固定安装有第二开关阀，所述搅拌箱内设有搅拌器，所述搅拌器包括固定球铰支座、第一伸缩直杆和搅拌叶片，所述固定球铰支座的一端固定安装在搅拌箱的内壁上，所述固定球铰支座的自由端与第一伸缩直杆相连，所述第一伸缩直杆上沿圆周等角度固定安装有搅拌叶片。

21、本实施例的有益效果如下：

22、1、本实施例采用了透明土材料替代传统砂土，在开展能量桩结构竖向加载试验过程中可以直观的观测桩周土体变形情况。同时，运用3d打印技术制作透明砂土颗粒，实现对透明砂土颗粒的形状和粒径的精确控制，使试验材料更加符合实际土体情况；

23、2、本实施例采用了双u型透明换热管对能量桩模型进行温度控制，实现了更快的温度传递速度和更高的传热效率。同时，通过循环水泵循环输送水来控制能量桩的温度，模拟能量桩换热过程中的温度变化过程，使试验过程更贴近实际能量桩工作情况；

24、3、本实施例采用了竖向伺服加载器对能源桩模型进行加载，以确保在试验过程中施加的荷载具有稳定性。此外，利用操控分析台对试验装置的运行进行精确控制，实现各设备间的配合更加精确和协调，从而提高试验的精确性和可靠性；

25、4、本实施例采用了高速ccd相机和激光发射器作为非嵌入式测量方法以进行试验数据的采集。这一创新方法摒弃了传感器等嵌入式测量方法，不仅有效避免了数据采集受到周围环境的干扰，而且不会由于设施本身与试验材料的属性差异而对试验数据造成影响；

26、5、本实施例采用了自动化轨道对模型箱进行移动，并将透明土材料制配和能量桩竖向加载试验一体化，从而提高了试验装置的使用效率和资源利用率，并有效减少了试验过程所需的时间。