3d打印隧道或采空區(qū)上方樁基模型試驗(yàn)裝置及打印方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種3D打印隧道或采空區(qū)上方樁基模型試驗(yàn)裝置及打印方法，包括模型槽、滑軌、模型樁?隧道?采空區(qū)打印設(shè)備、砂雨法砂土填筑設(shè)備和控制設(shè)備；3D打印技術(shù)實(shí)現(xiàn)樁?隧道?采空區(qū)模型試驗(yàn)的精準(zhǔn)施工，周圍土體的精確填筑。與現(xiàn)有技術(shù)相比，3D打印技術(shù)可以澆筑復(fù)雜的變截面樁基形式、隧道及形式及采空區(qū)形狀，可以在小空間內(nèi)精準(zhǔn)布置群樁、傾斜樁、地下連續(xù)墻，小角度交叉、交互的隧道等構(gòu)建物以及采空區(qū)；同時(shí)，3D打印技術(shù)控制砂雨法填筑，可以精確的控制周圍土體的相對(duì)密實(shí)度與均勻性，并實(shí)現(xiàn)不同密實(shí)度的多層土的模擬。
【專利說明】
3D打印隧道或采空區(qū)上方樁基模型試驗(yàn)裝置及打印方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明涉及一種3D打印技術(shù)，尤其是涉及一種3D打印隧道或采空區(qū)上方粧基模型試驗(yàn)裝置及打印方法，主要適用于巖土工程模型試驗(yàn)等技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]在地鐵的建設(shè)過程中，及采礦的過程中常常出現(xiàn)隧道及采空區(qū)上方存在既有建筑，隧道的開挖過程及采礦的過程與上部建筑的相互影響一直是各科研單位、企業(yè)及高新的研究重點(diǎn)之一?？s尺模型試驗(yàn)是研究粧基礎(chǔ)及隧道承載特性，分析粧(隧道)_ 土相互作用機(jī)理的最重要手段之一;能為相關(guān)粧基礎(chǔ)設(shè)計(jì)、施工與計(jì)算提供參考依據(jù)?？s尺模型試驗(yàn)技術(shù)手段也一直得到廣大科技工作者的廣泛使用，并取得了良好的效果;但是，常規(guī)縮尺模型試驗(yàn)中材料制作及布置上無法得到精準(zhǔn)的控制(比如，粧周土體的均勻性布置、復(fù)雜粧型的模型粧制作工藝復(fù)雜且耗時(shí)長(zhǎng)、構(gòu)建物-土接觸面容易在制作過程中受到影響、復(fù)雜的構(gòu)建物布置形式由于空間不夠而無法制備等)，從而影響相關(guān)模型試驗(yàn)結(jié)果的精度和可參考價(jià)值。
[0003]本發(fā)明之前，專利號(hào)為ZL201510374179.1的中國(guó)發(fā)明專利“一種3D打印物理相似模擬模型實(shí)驗(yàn)臺(tái)及應(yīng)用方法”，公開了一種利用3D打印機(jī)構(gòu)進(jìn)行模型鋪設(shè)、加壓開挖機(jī)構(gòu)進(jìn)行物理相似模擬實(shí)驗(yàn)研究復(fù)雜地質(zhì)構(gòu)造下礦產(chǎn)采動(dòng)情況模擬；申請(qǐng)?zhí)枮?01410744393.7的中國(guó)發(fā)明申請(qǐng)“應(yīng)用3D打印技術(shù)的柱狀節(jié)理巖體相似材料試樣的制備方法”，公開了一種柱狀節(jié)理巖體相似材料試樣的制備方法;這兩種技術(shù)方案中均利用3D打印技術(shù)針對(duì)模擬材料形成含節(jié)理的巖體相似材料。專利號(hào)為ZL201310697608.X的中國(guó)發(fā)明專利“一種建筑物梁構(gòu)件的3D打印方法”，公開了一種結(jié)合水泥基材料的3D打印建筑物梁構(gòu)件及其養(yǎng)護(hù)的技術(shù)方案;專利號(hào)為ZL201410009382.4的中國(guó)發(fā)明專利“一種塔式3D打印機(jī)及其打印方法”，公開了一種結(jié)合塔吊機(jī)、水泥基材料的3D打印建筑物的技術(shù)方案;這兩種技術(shù)方案均結(jié)合水泥基材料施工建筑物及其構(gòu)件。但是，已有的技術(shù)方案都是針對(duì)模擬巖體材料、水泥基材料等凝結(jié)材料，而尚未有針對(duì)散體材料的均勻性制配方面的技術(shù)方案，更沒有結(jié)合散體材料和凝結(jié)材料同時(shí)制作的3D打印技術(shù)。
[0004]因此，針對(duì)目前常規(guī)粧基模型及隧道模型試驗(yàn)材料制作及粧、土布置方法中存在的不足與缺陷；結(jié)合3D打印技術(shù)，開發(fā)一種復(fù)雜模型粧和隧道快速、精準(zhǔn)制作與布置，粧周土體精準(zhǔn)均勻性布置的技術(shù)方案，顯得尤為重要。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]發(fā)明目的:本發(fā)明的目的在于克服上述不足和缺陷，解決常規(guī)粧基及隧道縮尺模型試驗(yàn)中存在的粧周土體填筑不均勻、復(fù)雜粧型的模型粧制作工藝復(fù)雜且耗時(shí)長(zhǎng)、粧(隧道)_ 土接觸面容易在制作過程中受影響、以及復(fù)雜的構(gòu)建物布置形式由于空間或形狀限制而無法制作的問題，提出一種3D打印隧道或采空區(qū)上方粧基模型試驗(yàn)裝置及打印方法;通過3D打印技術(shù)進(jìn)行復(fù)雜模型粧及隧道的澆筑與精準(zhǔn)布置，并同時(shí)利用3D打印技術(shù)精準(zhǔn)控制進(jìn)行砂雨法填筑粧、隧道及采空區(qū)周圍土體。
[0006]技術(shù)方案:為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供一種3D打印隧道或采空區(qū)上方粧基模型試驗(yàn)裝置，包括:承重臺(tái)、模型槽、模型粧-隧道-采空區(qū)打印設(shè)備、砂雨法砂土填筑設(shè)備和控制設(shè)備;所述模型槽設(shè)置在承重臺(tái)上，用于放置砂體、隧道模型和/或采空區(qū)所形成的試驗(yàn)?zāi)Ｐ停瞿Ｐ突?隧道-采空區(qū)打印設(shè)備包括空間位移控制組件和模型粧-隧道-采空區(qū)材料供應(yīng)組件，所述砂雨法砂土填筑設(shè)備包括撒砂操作組件和砂材供應(yīng)組件。
[0007]其中，所述模型粧-隧道-采空區(qū)打印設(shè)備的空間位移控制組件包括:外環(huán)滑軌及Zll滑軌、Z12滑軌、Xl滑軌和移動(dòng)部件;所述外環(huán)滑軌通過滑軌支架固定在承重臺(tái)上；外環(huán)滑軌與Zll滑軌之間，Zll滑軌與Xl滑軌之間，Xl滑軌與Z12滑軌之間分別通過移動(dòng)部件連接，所述移動(dòng)部件與所述控制設(shè)備電連接。。
[0008]其中，所述模型粧-隧道-采空區(qū)打印設(shè)備的模型粧-隧道-采空區(qū)材料供應(yīng)組件包括:料池和料漿栗以及連通兩者的輸料管;所述料池用于盛放料漿，其內(nèi)設(shè)置有攪拌裝置；所述料漿栗位于所述Z12滑軌的末端，料漿栗內(nèi)設(shè)置有加熱裝置，下方設(shè)置有出料口，用于輸出加熱后的料漿;所述攪拌裝置、料漿栗分別與所述控制設(shè)備電連接。
[0009]進(jìn)一步地，所述外環(huán)滑軌為圓角矩形，固定在所述承重臺(tái)的外圍。
[0010]其中，所述撒砂操作組件包括:內(nèi)環(huán)滑軌及Z21滑軌、Z22滑軌、X2滑軌及移動(dòng)部件，所述內(nèi)環(huán)滑軌通過滑軌支架固定在承重臺(tái)上；內(nèi)環(huán)滑軌與Z21滑軌之間，Z21滑軌與X2滑軌之間，X2滑軌與Z22滑軌之間分別通過移動(dòng)部件連接。
[0011 ]其中，所述砂材供應(yīng)組件包括:砂池和出砂口以及將兩者連通的輸砂管;砂池用于盛放砂材，其底部設(shè)置有與所述控制設(shè)備電連接的閥門，用于控制出砂速度；出砂口位于所述Z22滑軌的末端。
[0012]進(jìn)一步地，所述內(nèi)環(huán)滑軌為圓角矩形框，位于承重臺(tái)的外圍，且在所述外環(huán)滑軌的內(nèi)側(cè)。
[0013]另外，本發(fā)明還提供一種利用上述3D打印隧道或采空區(qū)上方粧基模型試驗(yàn)裝置進(jìn)行試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷拇蛴》椒ǎㄒ韵虏襟E:
[0014](I)確定試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷慕Y(jié)構(gòu):利用三維制圖軟件設(shè)計(jì)隧道模型、采空區(qū)和模型粧的形狀、尺寸以及布置結(jié)構(gòu)，以及模型粧的粧周土體分層與相對(duì)密實(shí)度；
[0015](2)根據(jù)步驟(I)中確定的試驗(yàn)?zāi)Ｐ徒Y(jié)構(gòu)進(jìn)行布置:利用預(yù)先確定的材料打印所述隧道模型、采空區(qū)，并放置于所述模型槽中；
[0016](3)備料:將預(yù)先確定的粧材料置于所述隧道材料供應(yīng)組件中的料池內(nèi)，將預(yù)先確定的砂材置于所述砂材供應(yīng)組件中的砂池內(nèi)；
[0017](4)施工制作:根據(jù)試驗(yàn)參數(shù)及繪制的三維立體模型，調(diào)整所述料池和砂池與模型槽的相對(duì)高度，調(diào)節(jié)出料和放砂速度，所述模型粧-隧道-采空區(qū)打印設(shè)備開始打印模型粧，所述砂雨法砂土填筑設(shè)備開始撒砂。
[0018]進(jìn)一步地，步驟(4)的施工制作過程中還包括以下步驟:
[0019]打印期間根據(jù)試驗(yàn)要求，在模型槽中埋置測(cè)量元器件；
[0020]在打印過程中通過改變所述砂材供應(yīng)組件中的出砂口距砂面的距離，以實(shí)現(xiàn)多層土。
[0021]有益效果:與現(xiàn)有常規(guī)粧基模型試驗(yàn)制作技術(shù)相比，本發(fā)明的3D打印隧道或采空區(qū)上方粧基模型試驗(yàn)裝置及打印方法利用3D打印技術(shù)可以澆筑復(fù)雜的變截面粧基形式、隧道或采礦區(qū)等構(gòu)建物，可以在小空間內(nèi)精準(zhǔn)布置群粧、傾斜粧、地下連續(xù)墻，以及不同形狀的單根或多根隧道;施工過程中，作為膠結(jié)材料的模型粧體及隧道和作為散粒材料的粧和隧道周土體，在澆筑過程中存在一定的相互侵入現(xiàn)象，與真實(shí)現(xiàn)場(chǎng)澆筑粧基中的粧-土及隧道-土接觸面情況更相近;利用3D打印技術(shù)控制設(shè)備實(shí)現(xiàn)砂雨法的填砂操作，可以保證填土的均勻性，從而精確的控制粧周土體的相對(duì)密實(shí)度，同時(shí)還能根據(jù)高度及撒砂速度的變化，實(shí)現(xiàn)不同密實(shí)度的多層土的模擬。
【附圖說明】
[0022]圖1為本發(fā)明的3D打印隧道或采空區(qū)上方粧基模型試驗(yàn)裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0023]圖2為本發(fā)明裝置隧道模型與采空區(qū)的立體布置示意圖；
[0024]圖3為隧道模型的多種布置結(jié)構(gòu)示意圖；圖3(a)為兩個(gè)隧道在同一平面交互的布置結(jié)構(gòu)；圖3(b)為兩個(gè)隧道在同一平面交互的另一種布置結(jié)構(gòu)；圖3(c)為三個(gè)隧道在不同平面交互的布置結(jié)構(gòu)；
[0025]圖4為隧道模型的不同橫截面形狀示意圖；圖4(a)為圓形截面，圖4(b)為長(zhǎng)方形截面，圖4(c)為六邊形截面，圖4(d)為五邊形截面，圖4(e)為不規(guī)則圖形截面，圖4(f)為圓拱形截面，圖4(g)為跑道型截面；
[0026]圖5為本發(fā)明裝置構(gòu)件物多層土的布置示意圖；
[0027]其中:I為砂池，2為輸砂管，3為閥門，4為模型槽，5為Xl滑軌，6為ZlI滑軌，7為Z12滑軌，8為Z22滑軌，9為X2滑軌，10為Z21滑軌，11為出砂口，12為料漿栗，13為出料口，14為內(nèi)環(huán)滑軌，15為外環(huán)滑軌，16為滑軌支架，17為移動(dòng)部件，18為料池，19為攪拌裝置，20為控制設(shè)備，21為數(shù)據(jù)線，22為模型粧，23為承重臺(tái)，24輸料管，25為隧道，26為采空區(qū)，27為砂體。
【具體實(shí)施方式】
[0028]以下結(jié)合附圖詳細(xì)敘述本發(fā)明專利的【具體實(shí)施方式】，本發(fā)明專利的保護(hù)范圍并不僅僅局限于本實(shí)施方式的描述。
[0029]實(shí)施例1:
[0030]圖1和圖2、圖5中的3D打印隧道或采空區(qū)上方粧基模型試驗(yàn)裝置，包括承重臺(tái)23、模型槽4、模型粧-隧道-采空區(qū)打印設(shè)備、砂雨法砂土填筑設(shè)備和控制設(shè)備;模型槽4設(shè)置在承重臺(tái)23上，用于放置砂體27、隧道模型25和/或采空區(qū)26所形成的試驗(yàn)?zāi)Ｐ?，模型?隧道-采空區(qū)打印設(shè)備包括空間位移控制組件和模型粧-隧道-采空區(qū)材料供應(yīng)組件，砂雨法砂土填筑設(shè)備包括撒砂操作組件和砂材供應(yīng)組件。
[0031]上述模型粧-隧道-采空區(qū)打印設(shè)備的空間位移控制組件包括:外環(huán)滑軌15及Zll滑軌6、Z12滑軌7、X1滑軌5和移動(dòng)部件17;外環(huán)滑軌15為圓角矩形框，位于承重臺(tái)23的外圍，通過滑軌支架16固定在承重臺(tái)23上；外環(huán)滑軌15與Zl I滑軌6之間，Zll滑軌6與Xl滑軌5之間，Xl滑軌5與Z12滑軌7之間分別通過移動(dòng)部件17連接。上述模型粧-隧道-采空區(qū)材料供應(yīng)組件包括:料池18和料漿栗12以及連通兩者的輸料管24;料池18用于盛放料漿，其內(nèi)設(shè)置有攪拌裝置19，攪拌裝置19由攪拌桿、十字形攪拌頭和電動(dòng)轉(zhuǎn)機(jī)組成;料漿栗12位于Z12滑軌7的末端，料漿栗12內(nèi)設(shè)置有加熱裝置(圖中未示出)，下方設(shè)置有出料口 13，用于輸出加熱后的料漿。
[0032]上述撒砂操作組件包括:內(nèi)環(huán)滑軌14及Z21滑軌10、Z22滑軌8、X2滑軌9及移動(dòng)部件，內(nèi)環(huán)滑軌14為圓角矩形框，位于承重臺(tái)23的外圍，通過滑軌支架16固定在承重臺(tái)23上；內(nèi)環(huán)滑軌14與Z21滑軌10之間，Z21滑軌10與X2滑軌9之間，X2滑軌9與Z22滑軌8之間分別通過移動(dòng)部件連接。上述砂材供應(yīng)組件包括:砂池I和出砂口 11以及將兩者連通的輸砂管2;砂池I內(nèi)盛放砂，其底部設(shè)置有閥門3，用于控制出砂速度；出砂口 11位于Z22滑軌8的末端。
[0033]上述移動(dòng)部件、攪拌裝置19、料漿栗12及閥門3通過數(shù)據(jù)線21與控制設(shè)備20電連接。模型粧-隧道-采空區(qū)打印設(shè)備與砂雨法砂土填筑設(shè)備由控制設(shè)備20控制獨(dú)立工作，提高打印的效率。
[0034]本實(shí)施例中承重臺(tái)23的長(zhǎng)為3m、寬為2.5m、高度為lm，模型槽4的長(zhǎng)為2m，寬為1.5m，高度為2m，外環(huán)滑軌15的長(zhǎng)為2.5m、寬為2m、直徑為3mm，內(nèi)環(huán)滑軌14的長(zhǎng)、寬均比外環(huán)滑軌15的長(zhǎng)、寬小5cm，直徑為3mm;相應(yīng)尺寸不限于此，可根據(jù)試驗(yàn)設(shè)計(jì)要求，將模型槽4長(zhǎng)制作為2?3m、寬為1.5?2m、高度為2?3m，稱重臺(tái)23的長(zhǎng)為3?4m、寬為2.5?3m、高度為I?
1.5m，外環(huán)滑軌15的尺寸由模型槽4的尺寸確定，長(zhǎng)為2.5?3.5m、寬為2?2.5m、直徑為3?5mm,內(nèi)環(huán)滑軌14的直徑為3?5mm，其長(zhǎng)和寬尺寸小于外環(huán)滑軌15相應(yīng)尺寸5?15cm即可?；壷Ъ?6的長(zhǎng)度根據(jù)外環(huán)滑軌15、內(nèi)環(huán)滑軌14以及承重臺(tái)23的長(zhǎng)、寬進(jìn)行設(shè)置，其直徑為4?6mm，材料為鋼材或招合金(本實(shí)例長(zhǎng)為1cm，直徑為4?6mm，材料為鋼材)。
[0035]上述模型槽4和承重臺(tái)23的材料可以為鋼材或有機(jī)玻璃或鋼化玻璃，內(nèi)環(huán)滑軌14和外環(huán)滑軌15、滑軌支架16的材料可以為鋼材或鋁合金。
[0036]上述Xl滑軌5和X2滑軌9的尺寸根據(jù)模型槽的長(zhǎng)度確定，形狀為直線型，長(zhǎng)度為2?5m、直徑為3?5mm，材料為鋼材或鋁合金;上述料池18中盛放的料漿為膠結(jié)材料，其材料為混凝土、水泥砂漿、石灰或石膏;料池18內(nèi)的攪拌裝置19在制作期間不間斷攪拌，保證膠結(jié)材料的流動(dòng)性，其功率為100?300W，攪拌速度為360?720r/min ；料池18的進(jìn)料口端直徑為
0.3?0.5m，輸料口端直徑為4分?I寸，圓柱端高度為0.1?0.3m，圓臺(tái)端高度為0.1?0.2m;料漿栗12中加熱裝置控制材料的溫度范圍為10?50°C。
[0037]上述砂池I的進(jìn)料口端直徑為0.3?0.5m，輸砂口端直徑為4分?I寸，圓柱端高度為0.1?0.3m，圓臺(tái)端高度為0.1?0.2m(本實(shí)例進(jìn)料口端直徑為0.3m，輸砂口端直徑為4分，圓柱端高度為0.lm，圓臺(tái)端高度為0.lm)；閥門3可控制砂的出砂速度，出砂速度為0.05?
0.lm3/h(本實(shí)例為0.05m3/h);輸砂管2的直徑根據(jù)料池輸料口端或輸砂口端直徑確定，為4分?I寸(本實(shí)例為4分)；以及出砂口 11，形狀為扁形或圓形(本實(shí)例為圓形)，出砂口網(wǎng)眼孔徑為I?4mm(本實(shí)例為Imm)，可控制出料或出砂速度為0.05?0.lm3/h(本實(shí)例為0.05m3/h)。料池18與砂池I位置要高于模型槽0.1?Im(本實(shí)例為0.5m)。
[0038]砂池I中盛放的砂可以為福建標(biāo)準(zhǔn)砂、也可為地區(qū)天然河砂，砂的粒徑可為細(xì)砂、中砂或粗砂，砂的級(jí)配可選擇良好或不良。
[0039]實(shí)施例2:
[0040]利用實(shí)施例1中的3D打印隧道或采空區(qū)上方粧基模型試驗(yàn)裝置進(jìn)行試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷拇蛴?，包括以下步驟:
[0041 ] (I)確定模型的結(jié)構(gòu)，確定模型中各構(gòu)件的材料:利用AutoCAD、3Dmax、ProE、UG或Solidworks三維制圖軟件，設(shè)計(jì)隧道模型25、采空區(qū)26和模型粧22的形狀、尺寸以及布置結(jié)構(gòu)，以及模型粧22的粧周土體分層與相對(duì)密實(shí)度。
[0042]模型粧22的橫截面形狀可以為圖1中所示的圓形，也可以為長(zhǎng)方形、X形、Y形或者圓環(huán)形，還可為楔形粧，可根據(jù)具體試驗(yàn)需要來進(jìn)行設(shè)計(jì)。模型粧22的粧長(zhǎng)可設(shè)計(jì)為300?950mm;橫截面若為圓形則其直徑可以設(shè)計(jì)為15?35mm;橫截面若為長(zhǎng)方形則其邊長(zhǎng)可以設(shè)計(jì)為15?35mm;橫截面若為X形或Y形則其外包圓直徑可以設(shè)計(jì)為15?35mm，開弧角度為90?120°，圓環(huán)形外徑為10?35mm、壁厚為5?7mm;若為楔形粧則其上部直徑可設(shè)計(jì)為15?35mm，下部直徑為1?30mm。
[0043]隧道模型25根據(jù)實(shí)際隧道形狀、布置結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，橫截面可以為圖2所示的圓形，也可以為圖4所示的長(zhǎng)方形、或者各種多邊形，以及不規(guī)則圖形、圓拱形或跑道型，隧道長(zhǎng)可設(shè)計(jì)為300?4550mm;若橫截面為圓形則其直徑可設(shè)計(jì)為15?150mm;若橫截面為長(zhǎng)方形則其邊長(zhǎng)可設(shè)計(jì)為15?150mm;若為多邊形則其邊長(zhǎng)可設(shè)計(jì)為15?150mm;隧道還可以為如圖3所示的多條，例如:圖3(a)、(b)所示的兩到四條隧道在同一平面交互，角度為30°?90° ;又例如:圖3(c)所示的兩到四條隧道在不同平面交互，角度為0°?180°，隧道與隧道之間距離可以設(shè)計(jì)為5?150cm。
[0044]隧道模型25及模型粧22的材料可以為混凝土、水泥砂漿、石灰或石膏。
[0045]采空區(qū)26，利用打印裝置打印一層厚度為I?2mm的硬殼層，其材料為石膏，其形狀可為立方體、球形及不規(guī)則形狀。
[0046]利用砂雨法控制相對(duì)密實(shí)度為30?80%，可以在不同位置設(shè)置不同相對(duì)密實(shí)度的砂土以模擬多層土情況。
[0047](2)備料:將料漿裝入料池18，將砂裝入砂池I，打開料池18的攪拌裝置19，速度調(diào)為360?720r/min(本實(shí)例為360r/min)，打開料漿栗12的加熱裝置，溫度控制為10?50°C(本實(shí)例為10°C);
[0048]模型粧22的材料，可以為混凝土、水泥砂漿、石灰或石膏(本實(shí)例為水泥砂漿);粧周土為砂土，材料為福建標(biāo)準(zhǔn)砂或地區(qū)天然砂(本實(shí)例為福建標(biāo)準(zhǔn)砂)，粒徑為細(xì)砂、中砂或粗砂(本實(shí)例為細(xì)砂)，級(jí)配為良好或不良(本實(shí)例為良好)，砂雨法控制相對(duì)密實(shí)度30?80% (本實(shí)例為50% )，計(jì)算出撒砂的高度為0.2?0.7m(本實(shí)例為0.5m)、出砂速度為0.05?
0.1m3/h (本實(shí)例為 0.05m3/h)。
[0049](3)施工制作:根據(jù)試驗(yàn)參數(shù)及繪制的三維立體模型，調(diào)整料池18和砂池I與模型槽4的相對(duì)高度、通過閥門3調(diào)節(jié)至需要的速度，模型粧-隧道-采空區(qū)打印設(shè)備開始打印模型粧，砂雨法砂土填筑設(shè)備開始撒砂;保證模型粧22的打印高度略高于填埋砂的高度;打印期間可根據(jù)試驗(yàn)要求，在模型槽中埋置測(cè)量元器件(如土壓力盒、沉降標(biāo))，并且在打印過程中可變化出砂口距砂面的距離，以實(shí)現(xiàn)多層土(如開始為30cm，其后為50cm，第三層為70cm)ο
[0050](4)模型試驗(yàn):模型布置完成后，開展相關(guān)的粧基靜載荷、抗拔、水平向或多方向荷載組合承載力試驗(yàn)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種3D打印隧道或采空區(qū)上方粧基模型試驗(yàn)裝置，其特征在于，該裝置包括:承重臺(tái)(23)、模型槽(4)、模型粧-隧道-采空區(qū)打印設(shè)備、砂雨法砂土填筑設(shè)備和控制設(shè)備(20);所述模型槽(4)設(shè)置在承重臺(tái)(23)上，用于放置砂體(27)、隧道模型(25)和/或采空區(qū)(26)所形成的試驗(yàn)?zāi)Ｐ?，所述模型?隧道-采空區(qū)打印設(shè)備包括空間位移控制組件和模型粧-隧道-采空區(qū)材料供應(yīng)組件，所述砂雨法砂土填筑設(shè)備包括撒砂操作組件和砂材供應(yīng)組件。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的3D打印隧道或采空區(qū)上方粧基模型試驗(yàn)裝置，其特征在于，所述模型粧-隧道-采空區(qū)打印設(shè)備的空間位移控制組件包括:外環(huán)滑軌(15)及Zll滑軌(6)、Z12滑軌(7)、X1滑軌(5)和移動(dòng)部件(17);所述外環(huán)滑軌(15)通過滑軌支架(16)固定在承重臺(tái)(23)上；外環(huán)滑軌(15)與Zll滑軌(6)之間，Zll滑軌(6)與Xl滑軌(5)之間，Xl滑軌(5)與Z12滑軌(7)之間分別通過移動(dòng)部件(17)連接，所述移動(dòng)部件(17)與所述控制設(shè)備(20)電連接。3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的3D打印隧道或采空區(qū)上方粧基模型試驗(yàn)裝置，其特征在于，所述模型粧-隧道-采空區(qū)打印設(shè)備的模型粧-隧道-采空區(qū)材料供應(yīng)組件包括:料池(18)和料漿栗(12)以及連通兩者的輸料管(24);所述料池(18)用于盛放料漿，其內(nèi)設(shè)置有攪拌裝置(19);所述料漿栗(12)位于所述Z12滑軌(7)的末端，料漿栗(12)內(nèi)設(shè)置有加熱裝置，下方設(shè)置有出料口(13)，用于輸出加熱后的料漿;所述攪拌裝置(19)、料漿栗(12)分別與所述控制設(shè)備(20)電連接。4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的3D打印隧道或采空區(qū)上方粧基模型試驗(yàn)裝置，其特征在于，所述外環(huán)滑軌(15)為圓角矩形，固定在所述承重臺(tái)(23)的外圍。5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的3D打印隧道或采空區(qū)上方粧基模型試驗(yàn)裝置，其特征在于，所述撒砂操作組件包括:內(nèi)環(huán)滑軌(14)及Z21滑軌(10)、Z22滑軌(8)、X2滑軌(9)及移動(dòng)部件，所述內(nèi)環(huán)滑軌(14)通過滑軌支架(16)固定在承重臺(tái)(23)上；內(nèi)環(huán)滑軌(14)與Z21滑軌(10)之間，Z21滑軌(1 )與X2滑軌(9 )之間，X2滑軌(9 )與Z2 2滑軌(8 )之間分別通過移動(dòng)部件連接。6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的3D打印隧道或采空區(qū)上方粧基模型試驗(yàn)裝置，其特征在于，所述砂材供應(yīng)組件包括:砂池(I)和出砂口( 11)以及將兩者連通的輸砂管(2 );砂池(I)用于盛放砂材，其底部設(shè)置有與所述控制設(shè)備(20)電連接的閥門(3)，用于控制出砂速度；出砂口(11)位于所述Z22滑軌(8)的末端。7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的3D打印隧道或采空區(qū)上方粧基模型試驗(yàn)裝置，其特征在于，所述內(nèi)環(huán)滑軌(14)為圓角矩形框，位于承重臺(tái)(23)的外圍，且在所述外環(huán)滑軌(15)的內(nèi)側(cè)。8.—種利用權(quán)利要求1所述的3D打印隧道或采空區(qū)上方粧基模型試驗(yàn)裝置進(jìn)行試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷拇蛴》椒?，包括以下步驟: (1)確定試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷慕Y(jié)構(gòu):利用三維制圖軟件設(shè)計(jì)隧道模型(25)和/或采空區(qū)(26)、以及模型粧(22)的形狀、尺寸以及布置結(jié)構(gòu)，以及模型粧(22)的粧周土體分層與相對(duì)密實(shí)度； (2)根據(jù)步驟(I)中確定的試驗(yàn)?zāi)Ｐ徒Y(jié)構(gòu)進(jìn)行布置:利用預(yù)先確定的材料在所述模型槽(4)中打印所述隧道模型(25)和/或采空區(qū)(26); (3)備料:將預(yù)先確定的粧材料置于所述隧道材料供應(yīng)組件中的料池(18)內(nèi)，將預(yù)先確定的砂材置于所述砂材供應(yīng)組件中的砂池(I)內(nèi)； (4)施工制作:根據(jù)試驗(yàn)參數(shù)及繪制的三維立體模型，調(diào)整所述料池(18)和砂池(I)與模型槽(4)的相對(duì)高度，調(diào)節(jié)出料和放砂速度，所述模型粧-隧道-采空區(qū)打印設(shè)備開始打印模型粧，所述砂雨法砂土填筑設(shè)備開始撒砂。9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的打印方法，其特征在于，步驟(4)的施工制作過程中還包括以下步驟: 打印期間根據(jù)試驗(yàn)要求，在模型槽(4)中埋置測(cè)量元器件； 在打印過程中通過改變所述砂材供應(yīng)組件中的出砂口(13)距砂面的距離，以實(shí)現(xiàn)多層土。
【文檔編號(hào)】E02D33/00GK105946090SQ201610288843
【公開日】2016年9月21日
【申請(qǐng)日】2016年5月4日
【發(fā)明人】孔綱強(qiáng), 彭懷風(fēng), 周楊, 郝耀虎, 李輝
【申請(qǐng)人】河海大學(xué)