本發(fā)明屬于巖土工程測(cè)試領(lǐng)域，特別涉及一種應(yīng)用3D打印技術(shù)的高精度扁鏟側(cè)脹儀，屬于巖土工程領(lǐng)域中一種能夠運(yùn)用3D打印技術(shù)的可視化的高精度自動(dòng)化的原位測(cè)試裝置。

背景技術(shù)：

扁鏟側(cè)脹技術(shù)是上世紀(jì)70年代Marchetti教授提出的原位測(cè)試方法，是指利用靜力或錘擊動(dòng)力將一扁平鏟形探頭貫入試驗(yàn)土層后，利用氣壓使扁鏟探頭上的鋼膜片側(cè)向膨脹一定的距離，測(cè)取其氣壓值，根據(jù)測(cè)得的氣壓與變形關(guān)系，獲取地基土的參數(shù)，如土的超過結(jié)比OCR、土的不排水抗剪強(qiáng)度、土的固結(jié)系數(shù)等。國(guó)際上已廣泛應(yīng)用扁鏟側(cè)脹試驗(yàn)，并取得良好效果。我國(guó)引進(jìn)扁鏟側(cè)脹試驗(yàn)后也迅速推廣，但是，傳統(tǒng)的扁鏟側(cè)脹試驗(yàn)中手動(dòng)控制液壓氣缸系統(tǒng)來(lái)推動(dòng)鋼膜，鋼膜的位移是通過測(cè)量氣壓的體積變化來(lái)間接確定的，這將帶來(lái)一些潛在的誤差，再加上傳統(tǒng)的扁鏟側(cè)脹儀僅能測(cè)取三個(gè)讀數(shù)：鋼膜向外膨脹為0.05mm與1.1mm的時(shí)的膨脹壓力，以及最終卸壓鋼膜回縮到0.05mm時(shí)的膨脹壓力。只能提供有限的應(yīng)力應(yīng)變曲線對(duì)于給定深度，對(duì)低應(yīng)力時(shí)的數(shù)據(jù)點(diǎn)只能假定為線性應(yīng)力應(yīng)變路徑，很難獲得非線性壓力位移關(guān)系，然而已有大量研究成果證明，土體即使在低應(yīng)力應(yīng)變情況下，其特征也是非線性的，這樣測(cè)量誤差會(huì)更大，不能真實(shí)連續(xù)地反映土體的特性。

近幾年隨著科學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展，傳感器技術(shù)的加速發(fā)展，新的扁鏟側(cè)脹技術(shù)也出現(xiàn)，再加上3D打印技術(shù)的日趨成熟，應(yīng)用領(lǐng)域越來(lái)越廣泛，使得制造更加智能，實(shí)現(xiàn)了直接面向產(chǎn)品制造，軟件的集成化，3D打印技術(shù)是以數(shù)字模型文件為基礎(chǔ)，運(yùn)用粉末狀金屬或塑料等可黏合材料，通過連續(xù)的物理層疊加，逐層增加材料來(lái)生成三維實(shí)體的技術(shù)。雖然3D打印技術(shù)在許多領(lǐng)域已經(jīng)有許多突破性的應(yīng)用，但是在巖土試驗(yàn)領(lǐng)域中應(yīng)用很少。

本發(fā)明基于常規(guī)的扁鏟側(cè)脹試驗(yàn)，提出了一種具有原位、多功能、自動(dòng)化、智能化等特點(diǎn)的3D打印技術(shù)的高精度微型扁鏟側(cè)脹儀，使得測(cè)量效率高、結(jié)果準(zhǔn)確，為巖土工程勘測(cè)設(shè)計(jì)提供快捷有效的測(cè)試參數(shù)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

技術(shù)問題：本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是針對(duì)傳統(tǒng)扁鏟側(cè)脹試驗(yàn)其設(shè)備測(cè)量誤差大，耗時(shí)長(zhǎng)，智能程度低，功能單一等問題，提出一種具有原位、多功能、自動(dòng)化、智能化等特點(diǎn)的3D打印技術(shù)的高精度微型扁鏟側(cè)脹儀。利用該測(cè)試裝置能夠快速有效地測(cè)定地基土工程力學(xué)特性，并且測(cè)量效率高、測(cè)試結(jié)果準(zhǔn)確。

技術(shù)方案：一種高精度微型扁鏟側(cè)脹儀，包括扁鏟板、設(shè)置于扁鏟板上接近鏟尖端的第一腔室和遠(yuǎn)離鏟尖端的第二腔室，第一腔室和第二腔室之間的扁鏟板壁上設(shè)置有能夠穿過信號(hào)傳輸線和高壓空氣的過孔；所述第一腔室為自上而下的鏤空腔室，底部徑向延伸有凸臺(tái)；所述第二腔室為底部封閉的中空腔室，第二腔室底部設(shè)置有壓力傳感器，頂部通過帶螺栓的第一蓋板密封；

所述第一腔室內(nèi)設(shè)置有位移傳感器、活塞和波形彈簧，所述活塞由上方的大直徑環(huán)和下方的小直徑杯狀體一體化制造而成，所述上方的大直徑環(huán)上邊緣開設(shè)有連接過孔的通孔，能夠連通信號(hào)傳輸線和高壓空氣至活塞內(nèi)側(cè)，所述小直徑杯狀體內(nèi)側(cè)固定位移傳感器，小直徑杯狀體外側(cè)套設(shè)波形彈簧，所述波形彈簧一端與大直徑環(huán)接觸、一端放置于凸臺(tái)上；第一腔室頂部通過帶螺栓的第二蓋板密封，密封后，小直徑杯狀體的底面與第一腔室底部齊平；

所述位移傳感器的信號(hào)傳輸線穿過過孔與第一腔室內(nèi)壓力傳感器的信號(hào)傳輸線一起輸送至外部。

進(jìn)一步的，所述帶螺栓的第一蓋板和帶螺栓的第二蓋板中的螺栓均自蓋板上穿過，并穿透扁鏟板，至扁鏟板底部通過螺母固定。

進(jìn)一步的，所述帶螺栓的第一蓋板和帶螺栓的第二蓋板通過O型密封圈密封。

進(jìn)一步的，所述波形彈簧底部與凸臺(tái)之間設(shè)置有O型密封圈。

進(jìn)一步的，所述的扁鏟板，長(zhǎng)45-55mm，寬90-100mm，厚度為13-18mm。

進(jìn)一步的，所述第二腔室能夠用來(lái)配置安裝信號(hào)傳輸線，以及為組裝提供空間。

進(jìn)一步的，所述小直徑杯狀體內(nèi)側(cè)設(shè)置有凹槽，位移傳感器固定安裝凹槽內(nèi)。

進(jìn)一步的，所述帶螺栓的第一蓋板和帶螺栓的第二蓋板、扁鏟板以及活塞通過3D打印材料衣鋁粉粒制作而成。

進(jìn)一步的，3D打印材料衣鋁粉粒拉伸模量為3850MPa，密度為1380kg/m3，拉伸強(qiáng)度為52MPa，彎曲模量為3700MPa，彎曲強(qiáng)度為80kPa。

有益效果：本發(fā)明解決了傳統(tǒng)扁鏟側(cè)脹試驗(yàn)其設(shè)備測(cè)量誤差大，耗時(shí)長(zhǎng)，智能程度低，功能單一等問題，能夠快速有效地測(cè)定地基土工程力學(xué)特性，并且測(cè)量效率高、測(cè)試結(jié)果準(zhǔn)確，可重復(fù)性強(qiáng)。具有直接的位移測(cè)試系統(tǒng)以及一個(gè)較大位移范圍，不僅能夠評(píng)估連續(xù)壓力位移的土體非線性特性，同時(shí)推動(dòng)了3D打印技術(shù)在巖土工程試驗(yàn)設(shè)備的發(fā)展與應(yīng)用。

附圖說(shuō)明

圖1是本發(fā)明的元件組裝圖；

圖2為扁鏟板的俯視圖；

圖3為扁鏟板的仰視圖；

圖4為扁鏟板工作狀態(tài)仰視圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步的說(shuō)明。

本發(fā)明的基于3D打印技術(shù)的高精度微型扁鏟側(cè)脹儀：包括扁鏟板6、設(shè)置于扁鏟板上接近鏟尖端的第一腔室9和遠(yuǎn)離鏟尖端的第二腔室10，第一腔室9和第二腔室10之間的扁鏟板壁上設(shè)置有能夠穿過信號(hào)傳輸線和高壓空氣的過孔；所述第一腔室9為自上而下的鏤空腔室，底部徑向延伸有凸臺(tái)11；所述第二腔室10為底部封閉的中空腔室，第二腔室底部設(shè)置有壓力傳感器8，頂部通過帶螺栓的第一蓋板1.1密封；

所述第一腔室9內(nèi)設(shè)置有位移傳感器2、活塞4和波形彈簧5，所述活塞4由上方的大直徑環(huán)和下方的小直徑杯狀體一體化制造而成，所述上方的大直徑環(huán)上邊緣開設(shè)有連接過孔的通孔，能夠連通信號(hào)傳輸線和高壓空氣至活塞4內(nèi)側(cè)，所述小直徑杯狀體內(nèi)側(cè)固定位移傳感器2，小直徑杯狀體外側(cè)套設(shè)波形彈簧5，所述波形彈簧5一端與大直徑環(huán)接觸、一端放置于凸臺(tái)11上；第一腔室9頂部通過帶螺栓的第二蓋板1.2密封，密封后，小直徑杯狀體的底面與第一腔室9底部齊平；

所述位移傳感器2的信號(hào)傳輸線穿過過孔與第一腔室9內(nèi)壓力傳感器8的信號(hào)傳輸線一起輸送至外部。

微型扁鏟側(cè)脹儀的設(shè)計(jì)與制作分為微型扁鏟側(cè)脹試驗(yàn)扁鏟板的設(shè)計(jì)、3D打印扁鏟板，扁鏟側(cè)脹儀的整體系統(tǒng)三個(gè)部分，扁鏟板的3D模型各個(gè)部件設(shè)計(jì)及裝配圖通過CAD軟件繪制產(chǎn)生。主要涉及一個(gè)扁鏟側(cè)脹試驗(yàn)主體扁鏟體，活塞，兩個(gè)可拆卸的3D打印材料鋁粉粒和其他成分材料的蓋板。使用一個(gè)直徑為40mm的活塞，而不是常規(guī)的60mm的鋼膜，活塞比鋼膜更穩(wěn)定尤其在位移變得更大的時(shí)候。

第二腔室用來(lái)配置安裝電路以及為組裝元件提供空間。O型圈不同元件接觸密封(具體的，第一O型密封圈3.1用來(lái)密封第一蓋板1.1，第二O型密封圈3.2用來(lái)密封活塞4，第三O型密封圈3.3用來(lái)密封第二蓋板1.2)，最后用可拆卸的蓋板上的螺栓穿過扁鏟上的螺栓孔，在扁鏟另一面用螺母固定，通過這種方式，容易損壞的螺紋在3D打印材料中避免了其發(fā)生。

3D打印微型扁鏟側(cè)脹儀扁鏟板主要是通過激光燒結(jié)過程在3D打印技術(shù)中來(lái)制造衣鋁粉粒扁鏟，聚酰胺12粉填充鋁，整個(gè)過程中聚酰胺比鋁具有較低的熔點(diǎn)，燒結(jié)產(chǎn)生一個(gè)實(shí)心物體，這樣比直接金屬激光燒結(jié)更經(jīng)濟(jì)，因?yàn)樗枰叩墓β始す馄髋c金屬粉末一起工作。在3D打印中的非金屬材料中，衣鋁粉粒具體高強(qiáng)剛度的特點(diǎn)。3D打印不受從任何在過程中遇到的幾何限制這些傳統(tǒng)工藝,一旦扁鏟側(cè)脹3D模型扁鏟被發(fā)送到激光燒結(jié)打印機(jī)上，在一天的時(shí)間里可以獲取原型。3D打印材料衣鋁粉粒拉伸模量為3850MPa，密度為1380kg/m³，拉伸強(qiáng)度為52MPa，彎曲模量為3700MPa，彎曲強(qiáng)度為80kPa。

位移傳感器安裝在活塞的底部的凹槽內(nèi)來(lái)測(cè)試活塞的運(yùn)動(dòng)，波形彈簧位于活塞與扁鏟之間，在靜止?fàn)顟B(tài)下，有助于保持活塞與扁鏟表面線齊平。壓力傳感器安裝在扁鏟板的第二腔室內(nèi)，即壓力調(diào)節(jié)出口處，可以測(cè)試實(shí)時(shí)的氣壓力，由于兩個(gè)側(cè)室是貫通的，在氣壓作用下，氣壓通過活塞上方通孔進(jìn)入活塞內(nèi)，使活塞密封區(qū)域內(nèi)氣壓增大，活塞沿著波形彈簧方向向下運(yùn)動(dòng)，位移傳感器即可測(cè)出活塞的實(shí)時(shí)位移，整體的微型扁鏟側(cè)脹儀系統(tǒng)通過電腦控制，以及對(duì)于壓力控制的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，能夠自動(dòng)記錄測(cè)量值與電調(diào)節(jié)壓力。整個(gè)實(shí)驗(yàn)程序通過電腦控制，如加載卸載循環(huán)，以及不同的加卸載速率，即可繪制壓力—位移的實(shí)時(shí)曲線。

該測(cè)試裝置保留并改進(jìn)了常規(guī)扁鏟側(cè)脹試驗(yàn)的功能，解決了其設(shè)備測(cè)量誤差大，耗時(shí)長(zhǎng)，智能程度低，功能單一等問題，能夠快速有效地測(cè)定地基土工程力學(xué)特性，并且測(cè)量效率高、測(cè)試結(jié)果準(zhǔn)確，可重復(fù)性強(qiáng)。具有直接的位移測(cè)試系統(tǒng)以及一個(gè)較大位移范圍，不僅能夠評(píng)估連續(xù)壓力位移的土體非線性特性，而且推動(dòng)了3D打印技術(shù)在巖土工程試驗(yàn)設(shè)備的發(fā)展與應(yīng)用。

以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，應(yīng)當(dāng)指出，對(duì)于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以做出若干改進(jìn)和潤(rùn)飾，這些改進(jìn)和潤(rùn)飾也應(yīng)視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。