本發(fā)明屬于巖土工程測試領域，特別涉及一種應用3D打印技術的高精度扁鏟側脹儀，屬于巖土工程領域中一種能夠運用3D打印技術的可視化的高精度自動化的原位測試裝置。

背景技術：

扁鏟側脹技術是上世紀70年代Marchetti教授提出的原位測試方法，是指利用靜力或錘擊動力將一扁平鏟形探頭貫入試驗土層后，利用氣壓使扁鏟探頭上的鋼膜片側向膨脹一定的距離，測取其氣壓值，根據(jù)測得的氣壓與變形關系，獲取地基土的參數(shù)，如土的超過結比OCR、土的不排水抗剪強度、土的固結系數(shù)等。國際上已廣泛應用扁鏟側脹試驗，并取得良好效果。我國引進扁鏟側脹試驗后也迅速推廣，但是，傳統(tǒng)的扁鏟側脹試驗中手動控制液壓氣缸系統(tǒng)來推動鋼膜，鋼膜的位移是通過測量氣壓的體積變化來間接確定的，這將帶來一些潛在的誤差，再加上傳統(tǒng)的扁鏟側脹儀僅能測取三個讀數(shù)：鋼膜向外膨脹為0.05mm與1.1mm的時的膨脹壓力，以及最終卸壓鋼膜回縮到0.05mm時的膨脹壓力。只能提供有限的應力應變曲線對于給定深度，對低應力時的數(shù)據(jù)點只能假定為線性應力應變路徑，很難獲得非線性壓力位移關系，然而已有大量研究成果證明，土體即使在低應力應變情況下，其特征也是非線性的，這樣測量誤差會更大，不能真實連續(xù)地反映土體的特性。

近幾年隨著科學技術的迅速發(fā)展，傳感器技術的加速發(fā)展，新的扁鏟側脹技術也出現(xiàn)，再加上3D打印技術的日趨成熟，應用領域越來越廣泛，使得制造更加智能，實現(xiàn)了直接面向產(chǎn)品制造，軟件的集成化，3D打印技術是以數(shù)字模型文件為基礎，運用粉末狀金屬或塑料等可黏合材料，通過連續(xù)的物理層疊加，逐層增加材料來生成三維實體的技術。雖然3D打印技術在許多領域已經(jīng)有許多突破性的應用，但是在巖土試驗領域中應用很少。

本發(fā)明基于常規(guī)的扁鏟側脹試驗，提出了一種具有原位、多功能、自動化、智能化等特點的3D打印技術的高精度微型扁鏟側脹儀，使得測量效率高、結果準確，為巖土工程勘測設計提供快捷有效的測試參數(shù)。

技術實現(xiàn)要素：

技術問題：本發(fā)明要解決的技術問題是針對傳統(tǒng)扁鏟側脹試驗其設備測量誤差大，耗時長，智能程度低，功能單一等問題，提出一種具有原位、多功能、自動化、智能化等特點的3D打印技術的高精度微型扁鏟側脹儀。利用該測試裝置能夠快速有效地測定地基土工程力學特性，并且測量效率高、測試結果準確。

技術方案：一種高精度微型扁鏟側脹儀，包括扁鏟板、設置于扁鏟板上接近鏟尖端的第一腔室和遠離鏟尖端的第二腔室，第一腔室和第二腔室之間的扁鏟板壁上設置有能夠穿過信號傳輸線和高壓空氣的過孔；所述第一腔室為自上而下的鏤空腔室，底部徑向延伸有凸臺；所述第二腔室為底部封閉的中空腔室，第二腔室底部設置有壓力傳感器，頂部通過帶螺栓的第一蓋板密封；

所述第一腔室內設置有位移傳感器、活塞和波形彈簧，所述活塞由上方的大直徑環(huán)和下方的小直徑杯狀體一體化制造而成，所述上方的大直徑環(huán)上邊緣開設有連接過孔的通孔，能夠連通信號傳輸線和高壓空氣至活塞內側，所述小直徑杯狀體內側固定位移傳感器，小直徑杯狀體外側套設波形彈簧，所述波形彈簧一端與大直徑環(huán)接觸、一端放置于凸臺上；第一腔室頂部通過帶螺栓的第二蓋板密封，密封后，小直徑杯狀體的底面與第一腔室底部齊平；

所述位移傳感器的信號傳輸線穿過過孔與第一腔室內壓力傳感器的信號傳輸線一起輸送至外部。

進一步的，所述帶螺栓的第一蓋板和帶螺栓的第二蓋板中的螺栓均自蓋板上穿過，并穿透扁鏟板，至扁鏟板底部通過螺母固定。

進一步的，所述帶螺栓的第一蓋板和帶螺栓的第二蓋板通過O型密封圈密封。

進一步的，所述波形彈簧底部與凸臺之間設置有O型密封圈。

進一步的，所述的扁鏟板，長45-55mm，寬90-100mm，厚度為13-18mm。

進一步的，所述第二腔室能夠用來配置安裝信號傳輸線，以及為組裝提供空間。

進一步的，所述小直徑杯狀體內側設置有凹槽，位移傳感器固定安裝凹槽內。

進一步的，所述帶螺栓的第一蓋板和帶螺栓的第二蓋板、扁鏟板以及活塞通過3D打印材料衣鋁粉粒制作而成。

進一步的，3D打印材料衣鋁粉粒拉伸模量為3850MPa，密度為1380kg/m3，拉伸強度為52MPa，彎曲模量為3700MPa，彎曲強度為80kPa。

有益效果：本發(fā)明解決了傳統(tǒng)扁鏟側脹試驗其設備測量誤差大，耗時長，智能程度低，功能單一等問題，能夠快速有效地測定地基土工程力學特性，并且測量效率高、測試結果準確，可重復性強。具有直接的位移測試系統(tǒng)以及一個較大位移范圍，不僅能夠評估連續(xù)壓力位移的土體非線性特性，同時推動了3D打印技術在巖土工程試驗設備的發(fā)展與應用。

附圖說明

圖1是本發(fā)明的元件組裝圖；

圖2為扁鏟板的俯視圖；

圖3為扁鏟板的仰視圖；

圖4為扁鏟板工作狀態(tài)仰視圖。

具體實施方式

下面結合附圖對本發(fā)明做進一步的說明。

本發(fā)明的基于3D打印技術的高精度微型扁鏟側脹儀：包括扁鏟板6、設置于扁鏟板上接近鏟尖端的第一腔室9和遠離鏟尖端的第二腔室10，第一腔室9和第二腔室10之間的扁鏟板壁上設置有能夠穿過信號傳輸線和高壓空氣的過孔；所述第一腔室9為自上而下的鏤空腔室，底部徑向延伸有凸臺11；所述第二腔室10為底部封閉的中空腔室，第二腔室底部設置有壓力傳感器8，頂部通過帶螺栓的第一蓋板1.1密封；

所述第一腔室9內設置有位移傳感器2、活塞4和波形彈簧5，所述活塞4由上方的大直徑環(huán)和下方的小直徑杯狀體一體化制造而成，所述上方的大直徑環(huán)上邊緣開設有連接過孔的通孔，能夠連通信號傳輸線和高壓空氣至活塞4內側，所述小直徑杯狀體內側固定位移傳感器2，小直徑杯狀體外側套設波形彈簧5，所述波形彈簧5一端與大直徑環(huán)接觸、一端放置于凸臺11上；第一腔室9頂部通過帶螺栓的第二蓋板1.2密封，密封后，小直徑杯狀體的底面與第一腔室9底部齊平；

所述位移傳感器2的信號傳輸線穿過過孔與第一腔室9內壓力傳感器8的信號傳輸線一起輸送至外部。

微型扁鏟側脹儀的設計與制作分為微型扁鏟側脹試驗扁鏟板的設計、3D打印扁鏟板，扁鏟側脹儀的整體系統(tǒng)三個部分，扁鏟板的3D模型各個部件設計及裝配圖通過CAD軟件繪制產(chǎn)生。主要涉及一個扁鏟側脹試驗主體扁鏟體，活塞，兩個可拆卸的3D打印材料鋁粉粒和其他成分材料的蓋板。使用一個直徑為40mm的活塞，而不是常規(guī)的60mm的鋼膜，活塞比鋼膜更穩(wěn)定尤其在位移變得更大的時候。

第二腔室用來配置安裝電路以及為組裝元件提供空間。O型圈不同元件接觸密封(具體的，第一O型密封圈3.1用來密封第一蓋板1.1，第二O型密封圈3.2用來密封活塞4，第三O型密封圈3.3用來密封第二蓋板1.2)，最后用可拆卸的蓋板上的螺栓穿過扁鏟上的螺栓孔，在扁鏟另一面用螺母固定，通過這種方式，容易損壞的螺紋在3D打印材料中避免了其發(fā)生。

3D打印微型扁鏟側脹儀扁鏟板主要是通過激光燒結過程在3D打印技術中來制造衣鋁粉粒扁鏟，聚酰胺12粉填充鋁，整個過程中聚酰胺比鋁具有較低的熔點，燒結產(chǎn)生一個實心物體，這樣比直接金屬激光燒結更經(jīng)濟，因為它需要更高的功率激光器與金屬粉末一起工作。在3D打印中的非金屬材料中，衣鋁粉粒具體高強剛度的特點。3D打印不受從任何在過程中遇到的幾何限制這些傳統(tǒng)工藝,一旦扁鏟側脹3D模型扁鏟被發(fā)送到激光燒結打印機上，在一天的時間里可以獲取原型。3D打印材料衣鋁粉粒拉伸模量為3850MPa，密度為1380kg/m³，拉伸強度為52MPa，彎曲模量為3700MPa，彎曲強度為80kPa。

位移傳感器安裝在活塞的底部的凹槽內來測試活塞的運動，波形彈簧位于活塞與扁鏟之間，在靜止狀態(tài)下，有助于保持活塞與扁鏟表面線齊平。壓力傳感器安裝在扁鏟板的第二腔室內，即壓力調節(jié)出口處，可以測試實時的氣壓力，由于兩個側室是貫通的，在氣壓作用下，氣壓通過活塞上方通孔進入活塞內，使活塞密封區(qū)域內氣壓增大，活塞沿著波形彈簧方向向下運動，位移傳感器即可測出活塞的實時位移，整體的微型扁鏟側脹儀系統(tǒng)通過電腦控制，以及對于壓力控制的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，能夠自動記錄測量值與電調節(jié)壓力。整個實驗程序通過電腦控制，如加載卸載循環(huán)，以及不同的加卸載速率，即可繪制壓力—位移的實時曲線。

該測試裝置保留并改進了常規(guī)扁鏟側脹試驗的功能，解決了其設備測量誤差大，耗時長，智能程度低，功能單一等問題，能夠快速有效地測定地基土工程力學特性，并且測量效率高、測試結果準確，可重復性強。具有直接的位移測試系統(tǒng)以及一個較大位移范圍，不僅能夠評估連續(xù)壓力位移的土體非線性特性，而且推動了3D打印技術在巖土工程試驗設備的發(fā)展與應用。

以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實施方式，應當指出，對于本技術領域的普通技術人員來說，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以做出若干改進和潤飾，這些改進和潤飾也應視為本發(fā)明的保護范圍。