[发明专利]一种3D打印模型桩及砂雨法试验制作装置及其使用方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种3D打印技术，主要适用于岩土工程模型试验等技术领域，尤其是涉及一种3D打印模型桩及砂雨法试验制作装置及其使用方法。

背景技术

桩基缩尺模型试验是研究桩基础承载特性，分析桩-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。桩基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、桩-土接触面容易在制作过程中受到影响、复杂的布桩形式常规方法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。

因此，针对目前常规桩基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，针对复杂桩基模型试验情况，开发一种快速、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。

发明内容

发明目的：为了克服上述不足和缺陷，解决常规桩基缩尺模型试验中存在的桩周土体填筑不均匀，尤其是模型桩附近、复杂桩型的模型桩制作工艺复杂且耗时长、桩-土接触面容易在制作过程中受到影响、复杂的布桩形式常规方法由于空间不够而无法制备的问题，提出一种3D打印模型桩及砂雨法试验制作装置及其使用方法；通过3D打印技术进行复杂模型桩的浇筑与精准布置，并同时利用3D打印技术精准控制砂土相对密实度进行砂雨法填筑桩周土体。

技术方案：为了实现上述目的，本发明提供一种3D打印模型桩及砂雨法试验制作装置，包括：承重台、模型槽、模型桩打印设备、砂土法填筑设备和控制设备；所述模型槽设置在承重台上，为所述模型桩打印设备、砂土法填筑设备提供平台；所述模型桩打印设备包括空间位移控制组件和模型桩材料供应组件，所述空间位移控制组件包括：外环形滑轨及Z11滑轨、Z12滑轨、X1滑轨和移动部件；所述外环形滑轨通过滑轨支架固定在承重台上；外环形滑轨与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；所述模型桩打印设备的模型桩材料供应组件包括：用于盛放料浆的料池和料浆泵以及连通两者的输料管，所述料浆泵位于所述Z12滑轨的末端，其下方设置有出料口；所述移动部件、料浆泵分别与所述控制设备电连接；所述砂土法填筑设备包括撒砂操作组件和砂材供应组件；所述撒砂操作组件包括：内环形滑轨及Z21滑轨、Z22滑轨、X2滑轨及移动部件，所述内环形滑轨通过滑轨支架固定在承重台上；内环形滑轨与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；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；出砂口位于所述Z22滑轨的末端。

其中，所述料浆泵内设置有加热装置，控制材料的温度范围为10～50℃。

其中，所述料池内设置有搅拌装置，其功率为100～300W，搅拌速度为360～720r/min。

其中，所述模型槽和承重台的材料为钢材、有机玻璃或钢化玻璃，所述内环形滑轨和外环形滑轨、滑轨支架的材料为钢材或铝合金。

进一步，本发明还提供一种3D打印模型桩及砂雨法试验制作装置的使用方法，包括以下步骤：

(1)利用三维制图软件设计模型桩的形状、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；