[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

说明书

技术领域

本发明涉及一种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领域。

背景技术

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。

发明内容

发明目的：本发明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，本发明提供一种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。