[發明專利]一種制備可控空間變異性土樣的方法

有效

• 申請號: 201811230849.2
• 申請日: 2018-10-22
• 公開（公告）號: CN109238803B
• 公開（公告）日: 2021-11-02
• 發明（設計）人: 李錦輝;孫路偉;宋磊;蔡永敏
• 申請（專利權）人: 哈爾濱工業大學（深圳）
• 主分類號: G01N1/28
• 分類號: G01N1/28;G01N1/38;B33Y30/00
• 代理公司: 深圳市添源知識產權代理事務所(普通合伙) 44451
• 代理人: 黎健任

本發明屬于巖土工程技術領域，特別涉及一種制備可控空間變異性土樣的方法。該方法采用3D打印原理，用戶在軟件端輸入空間變異性土體參數，程序生成對應的空間變異性土樣三維模型，切片模塊對三維模型進行切片，并通過填充算法生成Gcode文件。將Gcode文件通過串口傳輸給STM32控制芯片，芯片根據文件信息控制硬件端的土樣進料、土樣攪拌、土樣出料和土樣打印功能，同時實時反饋模型打印的進度等信息。該方法實現自動制備空間變異性土樣，方便相關科研人員對土體性質研究，同時極大節省人力、物力和財力。

技術領域

本發明屬于巖土工程技術領域，特別涉及一種制備可控空間變異性土樣的方法。

背景技術

目前巖土工程中制備試驗土樣的方法為已經沿用100多年的手工制備。此方法不僅耗時，費力，而且最大缺點是只能制備均質土樣。而自然狀態的土體的性質多變，一個位置土體的強度與另外一個位置土體的強度并不一樣，這被稱作土體的空間變異性。自然狀態的空間變異性土體性質與目前實驗室制備的均質土體性質相差較大。而目前的實驗室土樣制備技術還不能制備與自然狀態土體更加一致的符合空間變異特性的土樣。

土體由三部分組成：土顆粒、水和空氣。土體性質隨這三種組成成分含量的變化而變化。因此在實驗室內制備土樣前，首先要確定這三種組成成分的比例。由于直接確定土顆粒、水和空氣的比例實用性不強，往往通過采用間接參數控制三者之間的比例，例如：含水量、壓實度等。當確定土樣的目標含水量和壓實度后，根據土樣的初始狀態的性質，比如初始含水量、干密度等，參照《土工試驗方法標準》GB/T50123-1999，計算制備目標含水量土體所需要的水量。首先將定量初始土樣放入拌土器中，然后將定量的水量逐漸加進土樣中，通過不斷的攪拌，使土樣與水充分混合均勻，直至將所需水分全部加入土樣中，使土樣達到目標含水量。然后通過指定的目標壓實度，將具有目標含水量的土樣，按照一定的質量逐層均勻的壓入土樣模具中，每一層土樣都需要通過擊實，才能達到目標壓實度，為增強土樣的整體性，每層土樣之間需要進行刮毛處理，完成所有土層的壓實。

現有技術的問題及缺陷:

1.傳統人工制備土樣方法制備的土樣為均質土樣，不能制備空間變異性土體，同時制備的土樣不能反映自然界中土體的空間變異性質。

2.傳統人工制備土樣方法采用的儀器為：拌土器、攪拌裝置、模型箱、擊實器，使得手工制備土樣過程繁瑣，耗時長，花費的人工費、材料費和儀器使用費過高。

3.依照傳統人工制樣方法制備的土樣質量極大地依賴于操作人的經驗和水平，土樣的質量和重復性沒有保障。

另外，例如CN105931559A公開了一種3D打印模型隧道及砂雨法模型試驗制作裝置及施工方法，包括模型槽、模型隧道打印設備、砂雨法砂土填筑設備和控制設備，利用3D打印技術實現隧道模型試驗的精準施工和試驗用土的精確控制填筑。但該方法不適合于可控空間變異性土樣的制備。

CN107035149A公開了一種無模3D打印澆筑混凝土工藝及應用，屬于建筑工程3D打印技術領域。工藝流程包括，S1)綁扎鋼筋籠；S2)配比并攪拌混凝土；S3)利用混凝土3D打印機進行鋼筋籠外側的主體外層打印，同時加入速凝外加劑；S4)對于打印混凝土體積直徑超過400mm的墻體或柱體，主體外層打印的同時，應同步進行主體內部空間的灌注，并于2分鐘內完成厚度100mm以上的灌注量；S5)在灌注于主體內部的混凝土初凝前完成振搗。但該方法不適合于可控空間變異性土樣的制備。

發明內容

本發明提出一種制備可控空間變異性土樣的方法，該方法采用3D打印原理，用戶在軟件端輸入空間變異性土體參數，程序生成對應的空間變異性土樣三維模型，切片模塊對三維模型進行切片，并通過填充算法生成Gcode文件。將Gcode文件通過串口傳輸給STM32控制芯片，芯片根據文件信息控制硬件端的土樣進料、土樣攪拌、土樣出料和土樣打印功能，同時實時反饋模型打印的進度等信息。該方法實現自動制備空間變異性土樣，方便相關科研人員對土體性質研究，同時極大節省人力、物力和財力。