透明成层土模拟系统、及其配制方法、及其中的微型钢管桩后注浆试验装置及其使用方法与流程

本发明涉及一种透明成层土模拟系统、及其配制方法、及其中的微型钢管桩后注浆试验装置及其使用方法，尤其涉及一种可视化的微型钢管桩后注浆试验装置，属于岩土工程技术领域。

背景技术：

微型桩一般是指桩径小于300mm，长细比大于30，采用钻孔、强配筋和压力注浆施工工艺的灌注桩或静压施工、后注浆的钢管桩，通常用于软土地基加固、基础纠偏及二次加固。后注浆技术是指在桩基沉桩完成后，经由预埋的注浆管道或其他预留注浆通道用高压注浆设备在一定压力下将注浆材料压入桩端或桩侧土中，通过浆液对桩端沉渣和桩端持力层及桩周泥皮起到渗透、压密、填充、压密、劈裂、固结等作用来增强桩端土、桩侧土的强度以及桩、土接触面的强度，从而提高桩基极限承载力、减少群桩沉降量的一项技术措施。在相同桩基极限承载力下，后注浆桩能大大的节省工程造价，因而，一直以来受到工程技术人员的关注。在注浆过程中，浆液的流动形式及最终注浆体的分布的明确与否是保证后注浆质量好坏的关键，也是后注浆技术能否广泛推广应用的关键，因此开展后注浆过程可视化研究，具有重要意义。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是，提供一种透明成层土模拟系统，可真实模拟微型注浆钢管桩用于软土地基加固及软土地区的结构物纠偏，其透明特性便于实现土体内部变形的非嵌入式可视化观测，可直观评价注浆质量；

进一步地，本发明提供一种透明成层土模拟系统的配制方法，该法工艺简单、成本低，制备的透明成层土模拟系统与天然黏土特性差异小，并实现了透明可视化；

更进一步地，本发明提供一种透明成层土模拟系统中的微型钢管桩后注浆试验装置及其使用方法，它能更合理、可靠的分析与评估近海软黏土中沉桩、注浆对桩周土体位移场的影响，以及注浆浆液的扩散机理和对应注浆体的分布规律，从而从机理上更深一步理解后注浆技术，为后注浆技术的推广和工程应用打下理论基础。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：

透明成层土模拟系统，包括卡波树脂和分散在所述卡波树脂中的碳纳米示踪材料。

所述碳纳米示踪材料粒径为20～30nm，纯度98％以上。

所述碳纳米示踪材料包括碳纳米管、纳米碳化硅、纳米碳化硼、纳米碳化钛材料中的一种或几种。

透明成层土模拟系统的配制方法，包括以下步骤：

s01，配制透明黏土：选取干净的桶，倒入蒸馏水，蒸馏水中放置一个温度传感器以监测温度，采用加热器加热水温至50～70℃，并在保温箱内静置3～4h；按蒸馏水与卡波树脂质量比(380～410)：1称取卡波树脂原材料，并加入桶中，密封桶后静置6～7h；再采用搅拌器搅拌30～40min，再密封桶后静置6～7h；naoh与卡波树脂按质量比(2.4～2.5)：1称取naoh固体，加入盛有蒸馏水的烧杯中，将其搅拌、溶解后倒入桶内；采用搅拌器快速搅拌5～10min至其运动粘度到2×10^-3～8×10^-2m²/s后静置；

s02，配制透明成层土模拟系统：取s01的透明黏土样放置在透明模型槽内，添加碳纳米示踪材料作为散斑场材料后搅拌均匀，并利用真空泵抽真空去气泡后转移到待试验的透明模型槽内。

透明成层土模拟系统中的微型钢管桩后注浆试验装置，包括光学平台，所述光学平台上放置有透明模型槽，所述透明模型槽底部填充有透明砂土层，所述透明砂土层的上面填充有透明成层土模拟系统，所述透明成层土模拟系统上面放置有加载板，所述透明成层土模拟系统内部放置有单桩承台基础，激光器垂直于所述透明模型槽的正面摆放，ccd相机垂直置于所述透明模型槽的右侧并与所述激光器的投射方向垂直，所述ccd相机与图像采集计算机相连，微型钢管桩插入所述透明模型槽内，所述光学平台上还设置有沉桩仪，所述微型钢管桩与注浆设备相连，所述注浆设备与注浆控制计算机相连。

所述沉桩仪上设置有用于控制所述微型钢管桩的沉桩速度的步进电机和用于控制所述微型钢管桩沉桩时的倾斜角度的轴承。

所述单桩承台基础包括倾斜板，所述倾斜板与水平面的夹角为锐角α，所述锐角α为软土地基在长时间承受荷载的情况下发生不均匀沉降导致基础倾斜偏移的角度，所述微型钢管桩与垂直面的夹角为锐角β；所述锐角β为微型钢管桩沉桩倾斜角度，所述锐角β在0～30°之间取值。

透明成层土模拟系统中的微型钢管桩后注浆试验装置的使用方法，包括以下步骤：

s001，配制透明砂土：在22～24℃温度下，利用正十二烷和十五号白油，按1：4质量比混合而成的溶液，与熔融石英砂颗粒制配成饱和的透明砂土，然后将制配的饱和透明砂土置于透明模型槽底部，形成高度为30～80mm的透明砂土层以作为微型钢管桩的持力层；

s002，配制透明黏土：选取干净的桶，倒入蒸馏水，蒸馏水中放置一个温度传感器以监测温度，采用加热器加热水温至50～70℃，并在保温箱内静置3～4h；按蒸馏水与卡波树脂质量比(380～410)：1称取卡波树脂原材料，并加入桶中，密封桶后静置6～7h；再采用搅拌器搅拌30～40min，再密封桶后静置6～7h；naoh与卡波树脂按质量比(2.4～2.5)：1称取naoh固体，加入盛有蒸馏水的烧杯中，将其搅拌、溶解后倒入桶内；采用搅拌器快速搅拌5～10min至其运动粘度到2×10^-3～8×10^-2m²/s粘稠度后静置；

s003，配制透明成层土模拟系统：取s002的透明黏土样放置在另一相同尺寸的透明模型槽内，添加碳纳米示踪材料作为散斑场材料后搅拌均匀，并利用真空泵抽真空去气泡后转移到待试验的透明模型槽内，形成上部为黏土、下层为砂土的分层结构，再将制作好的单桩承台基础埋入透明成层土模拟系统；

s004，设备安设：确定透明模型槽位置并固定在光学平台上，根据透明模型槽的位置确定沉桩仪、注浆设备、激光器以及ccd相机的相对位置；

s005，调试：打开激光器，调节功率选择合适的激光强度，调整激光切面的角度，使得激光面垂直打入透明土中形成散斑场；微调整ccd相机位置使之与激光器垂直，且使得其能拍摄整个透明土激光切面，试拍几张照片确定拍摄效果良好后，将ccd相机设为自动连续拍摄模式并进行设备固定；

s006，静压沉桩：转动沉桩仪轴承，选择0～30°之间的沉桩倾斜角度并固定，打开步进电机沉桩至透明砂土层中5～50mm深度，并通过ccd相机采集数据照片记录沉桩过程土体的散斑场；

s007，注浆：分离沉桩仪与微型钢管桩，采用注浆管连接注浆设备与微型钢管桩，打开注浆设备，通过注浆控制计算机输入注浆控制参数，将0～8倍所述微型钢管桩的桩身体积的浆液注入透明成层土模拟系统中，并通过ccd相机记录散斑场照片；

s008，后处理：注浆完成后，通过计算机数字图像处理软件对获得的散斑场图像系列进行分析，得到沉桩及注浆过程中土体位移场的变化，并观察、分析注浆体的最终分布。

所述快速搅拌的转速最高达800r/min。

所述透明模型槽由厚度为8mm的树脂玻璃制作而成。

本发明与常规微型钢管桩后注浆研究方法相比，本发明有效解决了近海软黏土中微型钢管桩沉桩、注浆过程中桩周土体位移场可视化问题，且操作简单经济可行，试验效果明显。

本发明的有益效果在于：

(1)配制新型透明黏土操纵简单，经济可行，可广泛应用于近海软黏土注浆试验研究；

(2)能连续监测沉桩、注浆过程中土体位移场的变化和最终注浆体的分布；

(3)为后注浆技术的机理分析提供试验基础。

附图说明

图1为本发明中的透明成层土模拟系统中的微型钢管桩后注浆试验装置的结构示意图；

图2为本发明模拟基础纠偏的微型钢管桩布置示意图；

图中：1为透明砂土层，2为透明模型槽，3为透明成层土模拟系统，4为加载板，5为激光器，6为ccd相机，7为图像采集计算机，8为沉桩仪，9为注浆设备，10为微型钢管桩，11为注浆控制计算机，12为光学平台，13为单桩承台基础。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作更进一步的说明。

实施例1：软土地基加固

如图1所示，透明成层土模拟系统，包括卡波树脂和分散在所述卡波树脂中的碳纳米示踪材料。

所述碳纳米示踪材料粒径为20～30nm，纯度98％以上。

所述碳纳米示踪材料包括碳纳米管、纳米碳化硅、纳米碳化硼、纳米碳化钛材料中的一种或几种。

透明成层土模拟系统的配制方法，其特征在于：包括以下步骤：

s01，配制透明黏土：选取干净的桶，倒入蒸馏水，蒸馏水中放置一个温度传感器以监测温度，采用加热器加热水温至50～70℃，并在保温箱内静置3～4h；按蒸馏水与卡波树脂质量比(380～410)：1称取卡波树脂原材料，并加入桶中，密封桶后静置6～7h；再采用搅拌器搅拌30～40min，再密封桶后静置6～7h；naoh与卡波树脂按质量比(2.4～2.5)：1称取naoh固体，加入盛有蒸馏水的烧杯中，将其搅拌、溶解后倒入桶内；采用搅拌器快速搅拌5～10min至其运动粘度到2×10^-3～8×10^-2m²/s后静置；这里的运动粘度取值为一个比甘油粘度值高的即可；

s02，配制透明成层土模拟系统：取s01的透明黏土样放置在透明模型槽内，添加碳纳米示踪材料作为散斑场材料后搅拌均匀，并利用真空泵抽真空去气泡后转移到待试验的透明模型槽内。

透明成层土模拟系统中的微型钢管桩后注浆试验装置，其中透明砂土层1置于透明模型槽2的底部，透明成层土模拟系统3置于透明砂土层1上部形成透明成层土，碳纳米示踪材料添加在透明成层土模拟系统3中形成散斑场，透明成层土模拟系统3上覆荷加载板4，加载板4上可通过砝码增减以模拟实际某一深度地层的应力情况，激光器5垂直透明模型槽2的正面摆放，ccd相机6垂直置于透明模型槽2的右侧并与激光器5的投射方向垂直，ccd相机6与图像采集计算机7连接进行沉桩、注浆过程中的图像数据的采集，沉桩仪8可通过轴承旋转进行沉桩倾斜角度的调整，注浆设备9与微型钢管桩10连接，通过注浆控制计算机11对注浆参数进行控制和设定，整个装置置于光学平台12上。

透明成层土模拟系统中的微型钢管桩后注浆试验装置的使用方法，包括以下步骤：

首先将正十二烷和十五号白油在24℃温度下按1:4质量比混合而成的溶液与烘烤石英砂颗粒制配50mm高的透明砂土层1并置于透明模型槽2(由厚度为8mm树脂玻璃制作，形状为上部开口的长方体，长150mm，宽150mm，高400mm)的底部作为持力层；

再配制透明黏土(高200mm)，选用体积为30l的干净塑料桶，加入29.4l的蒸馏水，水中放置一温度传感器(为引线热电阻式，其测量范围-50～200℃，探头直径为4mm，长度为30mm，引线长度为1m，测量精度为0.3℃)监测温度，采用加热器(为悬浮加热器，俗称热得快，功率3000w)加热水温至60℃，并在保温箱(为大型可程式恒温恒湿试验机，内箱尺寸宽400mm，高500mm，深400mm，外箱尺寸为宽970mm，高1360mm，深度970mm，其可控温度为-20～150℃，湿度可保证在20％～98％，温控精度温度±0.2℃，湿度精度为±2.5％)放置4h；称取一定量卡波树脂原材料(75g)加入塑料桶中，密封后静置7h；采用小功率搅拌器(为实验室电动机械搅拌机，功率300w，转速范围为0～2000r/min，使用常规220v，50hz的交流电)搅拌30～40min，密封后静置6h；按naoh与卡波树脂质量比2.4：1称取naoh固体(固体粉末31.1g，纯度等级为分析纯(ar))，加入盛有蒸馏水的烧杯中搅拌溶解后倒入塑料桶中，采用大功率搅拌器(功率2000w，转速最高可达800r/min，有3个固定的转速档位，使用常规220v，50hz的交流电)快速搅拌5min至粘稠度很高，后静置得到透明黏土；

取透明黏土样添加碳纳米示踪材料(碳纳米管，粒径为20～30nm，纯度98％)后搅拌均匀并放入透明模型槽2内得透明成层土模拟系统3，再利用真空泵(功率320w，一级真空度-0.089mpa)去除气泡，形成下部为透明砂土层持力层、上部为黏土的透明成层土；

其次，在平整的场地安设好光学平台12(长2000mm，宽1500mm，高800mm，台面厚度300mm，桌腿截面200mm×200mm，光学平台上面有螺孔可用于固定试验仪器)，选择合适的位置摆放透明模型槽2并固定；如图1所示本实施例中ccd相机6(分辨率50～1000w，帧数15，帧曝光，曝光时间100μs～30s)摆放在透明模型槽2右侧并与图像采集计算机7连接，激光器5(半导体片光源，可提供0～3w之间任意稳定功率)垂直摆放在透明模型槽2正前方，微型钢管桩10(空心钢管，外直径为20mm，壁厚1mm，桩长250mm)与沉桩仪8连接好摆放在左侧并调整合适的距离，注浆设备9与注浆控制计算机11连接进行初步调试，至此，透明成层土模拟系统中微型钢管桩后注浆试验装置搭设、安装完成；

然后，微调激光器5至合适位置并调节激光器5功率至合适亮度，本实例中激光器5发射功率设定为1.5w，打开图像采集计算机7的图像采集系统，调整ccd相机6与透明模型槽2的距离使采集到的图像信息清晰、完整，并进行试拍摄，确认拍摄效果良好后将其设为连续自动拍摄模式；调整沉桩仪8位置使得激光切面中心线穿过模型管桩中心并固定，打开沉桩仪8完成静压沉桩过程(管桩进入透明砂土持力层10mm)，关闭、断开沉桩仪器并移走，安设加载板4(长140mm，宽140mm，后3mm轻质钢板)，再将钢管桩模型与注浆设备9连接，打开位移式注浆设备9，并通过注浆控制计算机11输入相应的注浆控制参数，本实例中为将4倍钢管桩模型体积的水通过钢管桩模型下端开设的注浆孔注入透明成层土中；注浆控制计算机11记录注浆过程注浆压力和注浆速率随时间的变化曲线，图像采集计算机7则记录下沉桩、注浆过程中激光切面的散斑场；

最后，实验结束后，通过piv软件对所得散斑场序列图像进行处理分析得到沉桩、后注浆过程中桩周土体位移场的变化，即沉桩、注浆过程的可视化，并结合注浆控制计算机11得到的注浆参数变化曲线，分析注浆机理其相应的影响因素。

实施例2：软土地基加固

本实施例与实施例1的区别仅在于：将正十二烷和十五号白油在22℃下按1:4质量比混合而成的溶液与烘烤石英砂颗粒制配30mm高的透明砂土层1并置于透明模型槽2。

再配制透明黏土(高200mm)，选用体积为10l的干净塑料桶，加入9.6l的蒸馏水，水中放置一温度传感器监测温度，采用加热器加热水温至50℃，并在保温箱放置3h；称取一定量卡波树脂原材料(24g)加入塑料桶中，密封后静置6h；采用小功率搅拌器搅拌30～40min，密封后静置7h；按naoh与卡波树脂质量比2.4：1称取naoh固体(10g)，加入盛有蒸馏水的烧杯中搅拌溶解后倒入塑料桶中，采用大功率搅拌器快速搅拌10min至粘稠度很高，后静置得到透明黏土。

实施例3：软土地基加固

本实施例与实施例1的区别仅在于：将正十二烷和十五号白油在23℃下按1:4质量比混合而成的溶液与烘烤石英砂颗粒制配80mm高的透明砂土层1并置于透明模型槽2。

再配制透明黏土(高200mm)，选用体积为50l的干净塑料桶，加入49.6l的蒸馏水，水中放置一温度传感器监测温度，采用加热器加热水温至70℃，并在保温箱放置3.5h；称取一定量卡波树脂原材料(124g)加入塑料桶中，密封后静置6.5h；采用小功率搅拌器搅拌30～40min，密封后静置6.5h；按naoh与卡波树脂质量比2.5：1称取naoh固体(49.6g)，加入盛有蒸馏水的烧杯中搅拌溶解后倒入塑料桶中，采用大功率搅拌器快速搅拌8min至粘稠度很高，后静置得到透明黏土。

实施例4：既有基础纠偏

如图1所示，首先，透明成层土模拟系统中的微型钢管桩后注浆试验装置，其中透明砂土层1置于透明模型槽2的底部，透明成层土模拟系统3置于透明砂土层1上部形成透明成层土，碳纳米示踪材料添加在透明黏土中形成散斑场。

如图2所示，将原有单桩承台基础(这里的原有单桩承台基础包括近海软黏土地基基础，即软土地基，该软土地基在长时间承受荷载的情况下发生不均匀沉降导致基础倾斜偏移α角度，这里的基础为软土地基上部的荷载，例如输电塔等建筑物，为此我们采用注浆微型钢管桩10进行纠偏加固，α较小时可以采用倾斜β角度的微型钢管桩10结合注浆措施直接纠偏，微型钢管桩10的沉桩倾斜角度(即β)可大可小，一般视现场具体情况而定；情况严重即α较大时，我们可以在偏向的那一侧沿单桩承台基础13打设一系列微型钢管桩10，微型钢管桩10可倾斜可垂直，利用微型钢管桩10的桩基承载力和千斤顶以及牛腿等工具将倾斜基础顶直进行强行纠偏)中的单桩承台基础13埋入透明成层土中，激光器5垂直透明模型槽2的正面摆放，ccd相机6垂直置于透明模型槽2的右侧，与激光器5的投射方向垂直，ccd相机6与图像采集计算机7连接进行沉桩、注浆过程中的图像数据的采集，沉桩仪8可通过轴承旋转进行沉桩倾斜角度的调整，注浆设备9与微型钢管桩10连接，通过注浆控制计算机11对注浆参数进行控制和设定，整个装置置于光学平台12上。

具体的实施步骤为：首先将正十二烷和十五号白油在24℃温度下按1:4质量比混合而成的溶液与烘烤石英砂颗粒制配50mm高的透明砂土1并至于透明模型槽2(由厚度为8mm树脂玻璃制作，形状为上部开口的长方体，长150mm，宽150mm，高400mm)的底部作为持力层；

再配制透明黏土(高200mm)，选用体积为30l的干净塑料桶，加入29.4l的蒸馏水，水中放置一温度传感器(为引线热电阻式，其测量范围-50～200℃，探头直径为4mm，长度为30mm，引线长度为1m，测量精度为0.3℃)监测温度，采用加热器(为悬浮加热器，俗称热得快，功率3000w)加热水温至60℃，并在保温箱(为大型可程式恒温恒湿试验机，内箱尺寸宽400mm，高500mm，深400mm，外箱尺寸为宽970mm，高1360mm，深度970mm，其可控温度为-20～150℃，湿度可保证在20～98％，温控精度温度±0.2℃，湿度精度为±2.5％)放置4h；称取一定量carbopolultrez10(即卡波树脂)原材料(75g)加入塑料桶中，密封后静置7h；采用小功率搅拌器(为实验室电动机械搅拌机，功率300w，转速范围为0～2000r/min，使用常规220v，50hz的交流电)搅拌30～40min，密封后静置6h；按naoh与carbopolultrez10聚合物质量比2.4：1称取naoh固体(固体粉末31.1g，纯度等级为分析纯(ar))，加入盛有蒸馏水的烧杯中搅拌溶解后倒入塑料桶中，采用大功率搅拌器(功率2000w，转速最高可达800r/min，有3个固定的转速档位，使用常规220v，50hz的交流电)快速搅拌5min至粘稠度很高，后静置得到新型透明黏土3；取样添加碳纳米示踪材料(碳纳米管，粒径为20～30nm，纯度98％)后搅拌均匀并放入透明模型槽2内，再利用真空泵(功率320w，一级真空度-0.089mpa)去除气泡，形成下部为砂土层持力层上部为黏土的透明成层土，再将原有单桩承台基础13埋入透明成层土中；

其次，在平整的场地安设好光学平台12(长2000mm，宽1500mm，高800mm，台面厚度300mm，桌腿截面200mm×200mm，光学平台12上面有螺孔可用于固定试验仪器)，选择合适的位置摆放透明模型槽2并固定；如图1所示本实施例中ccd相机6(分辨率50～1000w，帧数15，帧曝光，曝光时间100μs～30s)摆放在透明模型槽2右侧并与图像采集计算机7连接，激光器5(半导体片光源，可提供0～3w之间任意稳定功率)垂直摆放在透明模型槽2正前方，微型钢管桩10(空心钢管，外直径为20mm，壁厚1mm，桩长250mm)与沉桩仪8连接好摆放在有左侧并调整合适的距离，注浆设备9与注浆控制计算机11连接进行初步调试，至此，透明黏土中微型钢管桩后注浆试验装置搭设、安装完成；

然后，微调激光器5至合适位置并调节激光器5功率至合适亮度，本实例中激光器5发射功率设定为1.5w，打开图像采集计算机7的图像采集系统，调整ccd相机6与透明模型槽2的距离使采集到的图像信息清晰、完整，并进行试拍摄，确认拍摄效果良好后将其设为连续自动拍摄模式；调整沉桩倾斜角度为10°(这里取的沉桩倾斜角度为考虑经验值取得一个参考值)并调整沉桩仪8至合适位置，打开沉桩仪8开关完成静压沉桩过程(管桩进入透明砂土持力层10mm)，关闭、断开沉桩仪并移走，再将微型钢管桩10与注浆设备9连接，打开位移式注浆设备9，并通过注浆控制计算机11输入相应的注浆控制参数，本实例中为将6倍钢管桩模型体积的水通过微型钢管桩10下端开设的注浆孔注入透明成层土中；注浆控制计算机11记录注浆过程注浆压力和注浆速率随时间的变化曲线，计算机7则记录下注浆过程中激光切面的散斑场；

最后，实验结束后，通过piv软件对所得散斑场序列图像进行处理分析得到注浆过程中桩周土体位移场的变化，并结合注浆控制计算机11得到的注浆参数变化曲线，分析注浆机理其相应的影响因素，以及纠偏效果的好坏。

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。