[发明专利]一种制备可控空间变异性土样的方法

说明书

本发明属于岩土工程技术领域，特别涉及一种制备可控空间变异性土样的方法。该方法采用3D打印原理，用户在软件端输入空间变异性土体参数，程序生成对应的空间变异性土样三维模型，切片模块对三维模型进行切片，并通过填充算法生成Gcode文件。将Gcode文件通过串口传输给STM32控制芯片，芯片根据文件信息控制硬件端的土样进料、土样搅拌、土样出料和土样打印功能，同时实时反馈模型打印的进度等信息。该方法实现自动制备空间变异性土样，方便相关科研人员对土体性质研究，同时极大节省人力、物力和财力。

技术领域

本发明属于岩土工程技术领域，特别涉及一种制备可控空间变异性土样的方法。

背景技术

目前岩土工程中制备试验土样的方法为已经沿用100多年的手工制备。此方法不仅耗时，费力，而且最大缺点是只能制备均质土样。而自然状态的土体的性质多变，一个位置土体的强度与另外一个位置土体的强度并不一样，这被称作土体的空间变异性。自然状态的空间变异性土体性质与目前实验室制备的均质土体性质相差较大。而目前的实验室土样制备技术还不能制备与自然状态土体更加一致的符合空间变异特性的土样。

土体由三部分组成：土颗粒、水和空气。土体性质随这三种组成成分含量的变化而变化。因此在实验室内制备土样前，首先要确定这三种组成成分的比例。由于直接确定土颗粒、水和空气的比例实用性不强，往往通过采用间接参数控制三者之间的比例，例如：含水量、压实度等。当确定土样的目标含水量和压实度后，根据土样的初始状态的性质，比如初始含水量、干密度等，参照《土工试验方法标准》GB/T50123-1999，计算制备目标含水量土体所需要的水量。首先将定量初始土样放入拌土器中，然后将定量的水量逐渐加进土样中，通过不断的搅拌，使土样与水充分混合均匀，直至将所需水分全部加入土样中，使土样达到目标含水量。然后通过指定的目标压实度，将具有目标含水量的土样，按照一定的质量逐层均匀的压入土样模具中，每一层土样都需要通过击实，才能达到目标压实度，为增强土样的整体性，每层土样之间需要进行刮毛处理，完成所有土层的压实。

现有技术的问题及缺陷:

1.传统人工制备土样方法制备的土样为均质土样，不能制备空间变异性土体，同时制备的土样不能反映自然界中土体的空间变异性质。

2.传统人工制备土样方法采用的仪器为：拌土器、搅拌装置、模型箱、击实器，使得手工制备土样过程繁琐，耗时长，花费的人工费、材料费和仪器使用费过高。

3.依照传统人工制样方法制备的土样质量极大地依赖于操作人的经验和水平，土样的质量和重复性没有保障。

另外，例如CN105931559A公开了一种3D打印模型隧道及砂雨法模型试验制作装置及施工方法，包括模型槽、模型隧道打印设备、砂雨法砂土填筑设备和控制设备，利用3D打印技术实现隧道模型试验的精准施工和试验用土的精确控制填筑。但该方法不适合于可控空间变异性土样的制备。

CN107035149A公开了一种无模3D打印浇筑混凝土工艺及应用，属于建筑工程3D打印技术领域。工艺流程包括，S1)绑扎钢筋笼；S2)配比并搅拌混凝土；S3)利用混凝土3D打印机进行钢筋笼外侧的主体外层打印，同时加入速凝外加剂；S4)对于打印混凝土体积直径超过400mm的墙体或柱体，主体外层打印的同时，应同步进行主体内部空间的灌注，并于2分钟内完成厚度100mm以上的灌注量；S5)在灌注于主体内部的混凝土初凝前完成振捣。但该方法不适合于可控空间变异性土样的制备。

发明内容

本发明提出一种制备可控空间变异性土样的方法，该方法采用3D打印原理，用户在软件端输入空间变异性土体参数，程序生成对应的空间变异性土样三维模型，切片模块对三维模型进行切片，并通过填充算法生成Gcode文件。将Gcode文件通过串口传输给STM32控制芯片，芯片根据文件信息控制硬件端的土样进料、土样搅拌、土样出料和土样打印功能，同时实时反馈模型打印的进度等信息。该方法实现自动制备空间变异性土样，方便相关科研人员对土体性质研究，同时极大节省人力、物力和财力。