[发明专利]3D打印隧道或采空区上方桩基模型试验装置及打印方法

权利要求书

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，所述撒砂操作组件包括：内环滑轨(14)及Z21滑轨(10)、Z22滑轨(8)、X2滑轨(9)及移动部件，所述内环滑轨(14)通过滑轨支架(16)固定在承重台(23)上；内环滑轨(14)与Z21滑轨(10)之间，Z21滑轨(10)与X2滑轨(9)之间，X2滑轨(9)与Z22滑轨(8)之间分别通过移动部件连接。

6.根据权利要求5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，所述砂材供应组件包括：砂池(1)和出砂口(11)以及将两者连通的输砂管(2)；砂池(1)用于盛放砂材，其底部设置有与所述控制设备(20)电连接的阀门(3)，用于控制出砂速度；出砂口(11)位于所述Z22滑轨(8)的末端。

7.根据权利要求5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，所述内环滑轨(14)为圆角矩形框，位于承重台(23)的外围，且在所述外环滑轨(15)的内侧。

8.一种利用权利要求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(25)和/或采空区(26)、以及模型桩(22)的形状、尺寸以及布置结构，以及模型桩(22)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在所述模型槽(4)中打印所述隧道模型(25)和/或采空区(26)；

(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(18)内，将预先确定的砂材置于所述砂材供应组件中的砂池(1)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(18)和砂池(1)与模型槽(4)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。

9.根据权利要求8所述的打印方法，其特征在于，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(4)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(11)距砂面的距离，以实现多层土。