本发明专利技术公开了一种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。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及一种3D打印技术，尤其是涉及一种3D打印隧道或采空区上方桩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
技术介绍
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桩基础及隧道承载特性，分析桩(隧道)-土相互作用机理的最重要手段之一；能为相关桩基础设计、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，桩周土体的均匀性布置、复杂桩型的模型桩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。本专利技术之前，专利号为ZL201510374179.1的中国专利技术专利“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的中国专利技术申请“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的中国专利技术专利“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的中国专利技术专利“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。因此，针对目前常规桩基模型及隧道模型试验材料制作及桩、土布置方法中存在的不足与缺陷；结合3D打印技术，开发一种复杂模型桩和隧道快速、精准制作与布置，桩周土体精准均匀性布置的技术方案，显得尤为重要。
技术实现思路
专利技术目的：本专利技术的目的在于克服上述不足和缺陷，解决常规桩基及隧道缩尺模型试验中存在的桩周土体填筑不均匀、复杂桩型的模型桩制作工艺复杂且耗时长、桩(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桩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桩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桩、隧道及采空区周围土体。技术方案：为了实现上述目的，本专利技术提供一种3D打印隧道或采空区上方桩基模型试验装置，包括：承重台、模型槽、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；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，所述模型桩-隧道-采空区打印设备包括空间位移控制组件和模型桩-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。其中，所述模型桩-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Z11滑轨、Z12滑轨、X1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Z11滑轨之间，Z11滑轨与X1滑轨之间，X1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。。其中，所述模型桩-隧道-采空区打印设备的模型桩-隧道-采空区材料供应组件包括：料池和料浆泵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；所述料浆泵位于所述Z12滑轨的末端，料浆泵内设置有加热装置，下方设置有出料口，用于输出加热后的料浆；所述搅拌装置、料浆泵分别与所述控制设备电连接。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。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。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。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。另外，本专利技术还提供一种利用上述3D打印隧道或采空区上方桩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、采空区和模型桩的形状、尺寸以及布置结构，以及模型桩的桩周土体分层与相对密实度；(2)根据步骤(1)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；(3)备料：将预先确定的桩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；(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，所述模型桩-隧道-采空区打印设备开始打印模型桩，所述砂雨法砂土填筑设备开始撒砂。进一步地，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距砂面的距离，以实现多层土。有益效果：与现有常规桩基模型试验制作技术相比，本专利技术的3D打印隧道或采空区上方桩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桩基形式、隧道或采矿区等构建物，可以在小空间内精准布置群桩、倾斜桩、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桩体及隧道和作为散粒材料的桩和隧道周土体，在浇筑过程中存在一定的相互侵入现象，与真实现场浇筑桩基中的桩-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，从而精确的控制桩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。附图说明图1为本专利技术的3D打印隧道或采空区上方桩基模型试验装置的结构示意图；图2为本专利技术装置隧道模型与采空区的立体布置示意图；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；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；图5为本专利技术装置构件物多层土的布置示意图；其中：1为砂池，2为输砂管，3为阀门，4为模型槽，5为X1滑轨，6为Z11滑轨，7为Z12滑轨，8为Z22滑轨，9为X2滑轨，本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种3D打印隧道或采空区上方桩基模型试验装置，其特征在于，该装置包括：承重台（23）、模型槽（4）、模型桩‑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，所述模型桩‑隧道‑采空区打印设备包括空间位移控制组件和模型桩‑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。
【技术特征摘要】
1.一种3D打印隧道或采空区上方桩基模型试验装置，其特征在于，该装置包括：承重台（23）、模型槽（4）、模型桩-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，所述模型桩-隧道-采空区打印设备包括空间位移控制组件和模型桩-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桩基模型试验装置，其特征在于，所述模型桩-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Z11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Z11滑轨（6）之间，Z11滑轨（6）与X1滑轨（5）之间，X1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桩基模型试验装置，其特征在于，所述模型桩-隧道-采空区打印设备的模型桩-隧道-采空区材料供应组件包括：料池（18）和料浆泵（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）；所述料浆泵（12）位于所述Z12滑轨（7）的末端，料浆泵（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）、料浆泵（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桩基模型试验装置，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桩基模型试验装置，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）、...
【专利技术属性】
技术研发人员：孔纲强，彭怀风，周杨，郝耀虎，李辉，
申请(专利权)人：河海大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32
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