一种高精度微型扁铲侧胀仪.pdf

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摘要
申请专利号:

CN201611039037.0

申请日:

2016.11.21

公开号:

CN106702998A

公开日:

2017.05.24

当前法律状态:

实审

有效性:

审中

法律详情:

实质审查的生效IPC(主分类):E02D 1/02申请日:20161121|||公开

IPC分类号:

E02D1/02

主分类号:

E02D1/02

申请人:

东南大学

发明人:

段伟; 蔡国军; 刘松玉; 邹海峰

地址:

210000 江苏省南京市江宁区东南大学路2号

优先权:

专利代理机构:

南京瑞弘专利商标事务所(普通合伙) 32249

代理人:

张耀文

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内容摘要

本发明公布了一种高精度微型扁铲侧胀仪,该装置由两部分组成,分别为设置于扁铲板上接近铲尖端的第一腔室和远离铲尖端的第二腔室;第一腔室从上到下顺序为带螺栓的盖板,位移传感器,O型密封圈,活塞,波形弹簧,O型密封圈;第二腔室从上到下顺序为带螺栓的盖板,压力传感器,O型密封圈;扁铲板下面为螺母。该基于3D打印技术的高精度扁铲侧胀仪,具有原位、多功能,可视化,自动化,自能化等特点,使得测试方便、连续、快速、准确、经济,不仅能够评估土体的非线性特性,同时推动了3D打印技术在岩土工程试验设备的发展,为岩土工程设计提供快捷有效的测试参数。

权利要求书

1.一种高精度微型扁铲侧胀仪,其特征在于:包括扁铲板(6)、设置于扁铲板上接近铲
尖端的第一腔室(9)和远离铲尖端的第二腔室(10),第一腔室(9)和第二腔室(10)之间的扁
铲板壁上设置有能够穿过信号传输线和高压空气的过孔;所述第一腔室(9)为自上而下的
镂空腔室,底部径向延伸有凸台(11);所述第二腔室(10)为底部封闭的中空腔室,第二腔室
底部设置有压力传感器(8),顶部通过带螺栓的第一盖板(1.1)密封;
所述第一腔室(9)内设置有位移传感器(2)、活塞(4)和波形弹簧(5),所述活塞(4)由上
方的大直径环和下方的小直径杯状体一体化制造而成,所述上方的大直径环上边缘开设有
连接过孔的通孔,能够连通信号传输线和高压空气至活塞(4)内侧,所述小直径杯状体内侧
固定位移传感器(2),小直径杯状体外侧套设波形弹簧(5),所述波形弹簧(5)一端与大直径
环接触、一端放置于凸台(11)上;第一腔室(9)顶部通过带螺栓的第二盖板(1.2)密封,密封
后,小直径杯状体的底面与第一腔室(9)底部齐平;
所述位移传感器(2)的信号传输线穿过过孔与第一腔室(9)内压力传感器(8)的信号传
输线一起输送至外部。
2.根据权利要求1所述的一种高精度微型扁铲侧胀仪,其特征在于:所述带螺栓的第一
盖板(1.1)和带螺栓的第二盖板(1.2)中的螺栓均自盖板上穿过,并穿透扁铲板,至扁铲板
底部通过螺母固定。
3.根据权利要求1或2所述的一种高精度微型扁铲侧胀仪,其特征在于:所述带螺栓的
第一盖板(1.1)和带螺栓的第二盖板(1.2)通过O型密封圈密封。
4.根据权利要求1所述的一种高精度微型扁铲侧胀仪,其特征在于:所述波形弹簧(5)
底部与凸台(11)之间设置有O型密封圈。
5.根据权利要求1所述的一种高精度微型扁铲侧胀仪,其特征在于:所述的扁铲板(6),
长45-55mm,宽90-100mm,厚度为13-18mm。
6.根据权利要求1所述的一种高精度微型扁铲侧胀仪,其特征在于:所述第二腔室(10)
能够用来配置安装信号传输线,以及为组装提供空间。
7.根据权利要求1所述的一种高精度微型扁铲侧胀仪,其特征在于:所述小直径杯状体
内侧设置有凹槽,位移传感器固定安装凹槽内。
8.根据权利要求1所述的一种高精度微型扁铲侧胀仪,其特征在于:所述带螺栓的第一
盖板(1.1)和带螺栓的第二盖板(1.2)、扁铲板(6)以及活塞通过3D打印材料衣铝粉粒制作
而成。
9.根据权利要求8所述的一种高精度微型扁铲侧胀仪,其特征在于:3D打印材料衣铝粉
粒拉伸模量为3850MPa,密度为1380kg/m3,拉伸强度为52MPa,弯曲模量为3700MPa,弯曲强
度为80kPa。

说明书

一种高精度微型扁铲侧胀仪

技术领域

本发明属于岩土工程测试领域,特别涉及一种应用3D打印技术的高精度扁铲侧胀
仪,属于岩土工程领域中一种能够运用3D打印技术的可视化的高精度自动化的原位测试装
置。

背景技术

扁铲侧胀技术是上世纪70年代Marchetti教授提出的原位测试方法,是指利用静
力或锤击动力将一扁平铲形探头贯入试验土层后,利用气压使扁铲探头上的钢膜片侧向膨
胀一定的距离,测取其气压值,根据测得的气压与变形关系,获取地基土的参数,如土的超
过结比OCR、土的不排水抗剪强度、土的固结系数等。国际上已广泛应用扁铲侧胀试验,并取
得良好效果。我国引进扁铲侧胀试验后也迅速推广,但是,传统的扁铲侧胀试验中手动控制
液压气缸系统来推动钢膜,钢膜的位移是通过测量气压的体积变化来间接确定的,这将带
来一些潜在的误差,再加上传统的扁铲侧胀仪仅能测取三个读数:钢膜向外膨胀为0.05mm
与1.1mm的时的膨胀压力,以及最终卸压钢膜回缩到0.05mm时的膨胀压力。只能提供有限的
应力应变曲线对于给定深度,对低应力时的数据点只能假定为线性应力应变路径,很难获
得非线性压力位移关系,然而已有大量研究成果证明,土体即使在低应力应变情况下,其特
征也是非线性的,这样测量误差会更大,不能真实连续地反映土体的特性。

近几年随着科学技术的迅速发展,传感器技术的加速发展,新的扁铲侧胀技术也
出现,再加上3D打印技术的日趋成熟,应用领域越来越广泛,使得制造更加智能,实现了直
接面向产品制造,软件的集成化,3D打印技术是以数字模型文件为基础,运用粉末状金属或
塑料等可黏合材料,通过连续的物理层叠加,逐层增加材料来生成三维实体的技术。虽然3D
打印技术在许多领域已经有许多突破性的应用,但是在岩土试验领域中应用很少。

本发明基于常规的扁铲侧胀试验,提出了一种具有原位、多功能、自动化、智能化
等特点的3D打印技术的高精度微型扁铲侧胀仪,使得测量效率高、结果准确,为岩土工程勘
测设计提供快捷有效的测试参数。

发明内容

技术问题:本发明要解决的技术问题是针对传统扁铲侧胀试验其设备测量误差
大,耗时长,智能程度低,功能单一等问题,提出一种具有原位、多功能、自动化、智能化等特
点的3D打印技术的高精度微型扁铲侧胀仪。利用该测试装置能够快速有效地测定地基土工
程力学特性,并且测量效率高、测试结果准确。

技术方案:一种高精度微型扁铲侧胀仪,包括扁铲板、设置于扁铲板上接近铲尖端
的第一腔室和远离铲尖端的第二腔室,第一腔室和第二腔室之间的扁铲板壁上设置有能够
穿过信号传输线和高压空气的过孔;所述第一腔室为自上而下的镂空腔室,底部径向延伸
有凸台;所述第二腔室为底部封闭的中空腔室,第二腔室底部设置有压力传感器,顶部通过
带螺栓的第一盖板密封;

所述第一腔室内设置有位移传感器、活塞和波形弹簧,所述活塞由上方的大直径
环和下方的小直径杯状体一体化制造而成,所述上方的大直径环上边缘开设有连接过孔的
通孔,能够连通信号传输线和高压空气至活塞内侧,所述小直径杯状体内侧固定位移传感
器,小直径杯状体外侧套设波形弹簧,所述波形弹簧一端与大直径环接触、一端放置于凸台
上;第一腔室顶部通过带螺栓的第二盖板密封,密封后,小直径杯状体的底面与第一腔室底
部齐平;

所述位移传感器的信号传输线穿过过孔与第一腔室内压力传感器的信号传输线
一起输送至外部。

进一步的,所述带螺栓的第一盖板和带螺栓的第二盖板中的螺栓均自盖板上穿
过,并穿透扁铲板,至扁铲板底部通过螺母固定。

进一步的,所述带螺栓的第一盖板和带螺栓的第二盖板通过O型密封圈密封。

进一步的,所述波形弹簧底部与凸台之间设置有O型密封圈。

进一步的,所述的扁铲板,长45-55mm,宽90-100mm,厚度为13-18mm。

进一步的,所述第二腔室能够用来配置安装信号传输线,以及为组装提供空间。

进一步的,所述小直径杯状体内侧设置有凹槽,位移传感器固定安装凹槽内。

进一步的,所述带螺栓的第一盖板和带螺栓的第二盖板、扁铲板以及活塞通过3D
打印材料衣铝粉粒制作而成。

进一步的,3D打印材料衣铝粉粒拉伸模量为3850MPa,密度为1380kg/m3,拉伸强度
为52MPa,弯曲模量为3700MPa,弯曲强度为80kPa。

有益效果:本发明解决了传统扁铲侧胀试验其设备测量误差大,耗时长,智能程度
低,功能单一等问题,能够快速有效地测定地基土工程力学特性,并且测量效率高、测试结
果准确,可重复性强。具有直接的位移测试系统以及一个较大位移范围,不仅能够评估连续
压力位移的土体非线性特性,同时推动了3D打印技术在岩土工程试验设备的发展与应用。

附图说明

图1是本发明的元件组装图;

图2为扁铲板的俯视图;

图3为扁铲板的仰视图;

图4为扁铲板工作状态仰视图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的说明。

本发明的基于3D打印技术的高精度微型扁铲侧胀仪:包括扁铲板6、设置于扁铲板
上接近铲尖端的第一腔室9和远离铲尖端的第二腔室10,第一腔室9和第二腔室10之间的扁
铲板壁上设置有能够穿过信号传输线和高压空气的过孔;所述第一腔室9为自上而下的镂
空腔室,底部径向延伸有凸台11;所述第二腔室10为底部封闭的中空腔室,第二腔室底部设
置有压力传感器8,顶部通过带螺栓的第一盖板1.1密封;

所述第一腔室9内设置有位移传感器2、活塞4和波形弹簧5,所述活塞4由上方的大
直径环和下方的小直径杯状体一体化制造而成,所述上方的大直径环上边缘开设有连接过
孔的通孔,能够连通信号传输线和高压空气至活塞4内侧,所述小直径杯状体内侧固定位移
传感器2,小直径杯状体外侧套设波形弹簧5,所述波形弹簧5一端与大直径环接触、一端放
置于凸台11上;第一腔室9顶部通过带螺栓的第二盖板1.2密封,密封后,小直径杯状体的底
面与第一腔室9底部齐平;

所述位移传感器2的信号传输线穿过过孔与第一腔室9内压力传感器8的信号传输
线一起输送至外部。

微型扁铲侧胀仪的设计与制作分为微型扁铲侧胀试验扁铲板的设计、3D打印扁铲
板,扁铲侧胀仪的整体系统三个部分,扁铲板的3D模型各个部件设计及装配图通过CAD软件
绘制产生。主要涉及一个扁铲侧胀试验主体扁铲体,活塞,两个可拆卸的3D打印材料铝粉粒
和其他成分材料的盖板。使用一个直径为40mm的活塞,而不是常规的60mm的钢膜,活塞比钢
膜更稳定尤其在位移变得更大的时候。

第二腔室用来配置安装电路以及为组装元件提供空间。O型圈不同元件接触密封
(具体的,第一O型密封圈3.1用来密封第一盖板1.1,第二O型密封圈3.2用来密封活塞4,第
三O型密封圈3.3用来密封第二盖板1.2),最后用可拆卸的盖板上的螺栓穿过扁铲上的螺栓
孔,在扁铲另一面用螺母固定,通过这种方式,容易损坏的螺纹在3D打印材料中避免了其发
生。

3D打印微型扁铲侧胀仪扁铲板主要是通过激光烧结过程在3D打印技术中来制造
衣铝粉粒扁铲,聚酰胺12粉填充铝,整个过程中聚酰胺比铝具有较低的熔点,烧结产生一个
实心物体,这样比直接金属激光烧结更经济,因为它需要更高的功率激光器与金属粉末一
起工作。在3D打印中的非金属材料中,衣铝粉粒具体高强刚度的特点。3D打印不受从任何在
过程中遇到的几何限制这些传统工艺,一旦扁铲侧胀3D模型扁铲被发送到激光烧结打印机
上,在一天的时间里可以获取原型。3D打印材料衣铝粉粒拉伸模量为3850MPa,密度为
1380kg/m3,拉伸强度为52MPa,弯曲模量为3700MPa,弯曲强度为80kPa。

位移传感器安装在活塞的底部的凹槽内来测试活塞的运动,波形弹簧位于活塞与
扁铲之间,在静止状态下,有助于保持活塞与扁铲表面线齐平。压力传感器安装在扁铲板的
第二腔室内,即压力调节出口处,可以测试实时的气压力,由于两个侧室是贯通的,在气压
作用下,气压通过活塞上方通孔进入活塞内,使活塞密封区域内气压增大,活塞沿着波形弹
簧方向向下运动,位移传感器即可测出活塞的实时位移,整体的微型扁铲侧胀仪系统通过
电脑控制,以及对于压力控制的数据采集系统,能够自动记录测量值与电调节压力。整个实
验程序通过电脑控制,如加载卸载循环,以及不同的加卸载速率,即可绘制压力—位移的实
时曲线。

该测试装置保留并改进了常规扁铲侧胀试验的功能,解决了其设备测量误差大,
耗时长,智能程度低,功能单一等问题,能够快速有效地测定地基土工程力学特性,并且测
量效率高、测试结果准确,可重复性强。具有直接的位移测试系统以及一个较大位移范围,
不仅能够评估连续压力位移的土体非线性特性,而且推动了3D打印技术在岩土工程试验设
备的发展与应用。

以上所述仅是本发明的优选实施方式,应当指出,对于本技术领域的普通技术人
员来说,在不脱离本发明原理的前提下,还可以做出若干改进和润饰,这些改进和润饰也应
视为本发明的保护范围。

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本发明公布了一种高精度微型扁铲侧胀仪,该装置由两部分组成,分别为设置于扁铲板上接近铲尖端的第一腔室和远离铲尖端的第二腔室;第一腔室从上到下顺序为带螺栓的盖板,位移传感器,O型密封圈,活塞,波形弹簧,O型密封圈;第二腔室从上到下顺序为带螺栓的盖板,压力传感器,O型密封圈;扁铲板下面为螺母。该基于3D打印技术的高精度扁铲侧胀仪,具有原位、多功能,可视化,自动化,自能化等特点,使得测试方便、连续、快速、。

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