本发明涉及土工离心模型试验领域，具体涉及一种大直径管桩离心试验模型制作设备。本发明还涉及这种模型制作设备的工作方法。
背景技术：
土工离心模型试验借助离心机的高速旋转为模型创造一个与原型应力水平相同的应力场，从而使原型的性状在模型中再现，使得可用一米高度以内的模型在高重力场下模拟几十米甚至数百米的原型工况。土工离心模型试验技术作为一种最有效的物理模型试验方法，几乎涉及土木工程所有领域，成为在以自重为主要荷载的岩土工程技术研究中最先进、最主要的研究手段之一。
土工离心模型试验的原型再现体现在二者满足相似原理的基础上。模型设计过程中的几何、材料、静动力等相似方法均有章可循，而如何合理制备缩尺后的模型以充分反映现场实际施工工况较难实现，且很难标准化和统一。《土工离心模型试验技术规程》dl/t5102-2013等相关文献均提供了模型设计及制作原则，但针对特定问题很少有具体的针对性解决方案。
以pcc桩为代表的大直径管桩的特点是桩内外均有地基土，能同时提供内、外摩阻力，此类大直径管桩可用作单桩基础、群桩基础以及复合地基基础。离心模型制作时，通常使用铝合金管按照抗压强度等效或抗弯强度等效替代大直径管桩，所以模型桩通常是一根细长的管，群桩基础缩尺后桩间距很小；此外，大直径管桩侧壁较铝合金等金属粗糙，土工离心试验中要将模型桩表面粗糙化以使桩土接触相似。原则上成桩过程应在离心机运转的高重力场环境下进行，但实现大直径管桩的群桩离心试验模型高重力场成桩造价十分昂贵，目前未见报道；现有大直径管桩离心模型的成桩操作在1g重力条件下人工完成。
然而，常重力场下离心模型的几何制作误差和操作方式会在高重力场中被放大若干数量级倍。大直径管桩离心试验模型制作的难点主要包括如何考虑桩孔制作、桩内填土以及桩土接触等方面的相似模拟。表面粗糙化的群桩模型在常重力场下直接插入模型土样会完全破坏地基模型，应用引孔式插桩方式完成布桩，如何在最大程度上减少常重力场条件下插桩过程中的地基扰动，并实现桩内填土及有效模拟桩土接触是大直径管桩离心试验模型制作的关键。
南京水利科学研究院具有先进的土工离心试验设备，在离心试验模型制作进行了大量探索。针对以上问题，本发明提出一种大直径管桩离心试验模型制作设备及其工作方法。
技术实现要素：
为解决大直径管桩土工离心试验模型制作过程的相似模拟技术问题，本发明提供了一种大直径管桩离心试验模型制作设备，本发明还将提供这种大直径管桩离心试验模型制作设备的工作方法。本发明可以避免手压式引孔对模型土样的过大扰动，并可减少薄壁引孔取土管拔出桩位时的底部真空阻力，避免桩位缩孔和引孔取样不充分。本发明避免了使用重塑土作为桩内填土，可以使模型制作过程统一化和标准化，并消除制模高程误差。本发明引孔取土装置与打土回填装置尺寸互相匹配，操作方式互相关联，可以在常重力场下以最小扰动地基土的情况下完成引孔取土、插桩和回填操作，并在预固结后完成桩土接触相似，尤其适用于饱和软黏土地基上的大直径管桩离心试验模型制作。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种大直径管桩离心试验模型制作设备，包括在模型箱中切削刮平模型土样的装置、引孔取土装置及压桩回填装置，其特征在于：所述引孔取土装置采用以下结构：设有薄壁引孔取土管，该薄壁引孔取土管由引孔限位环与引孔导向限定位置；该薄壁引孔取土管的上端通过转接头及真空吸嘴连接真空泵；所述引孔取土装置还设有能够插入薄壁引孔取土管内的通气细管，该通气细管的位置由细管限位环限定，该通气细管的下端垂直地固定有弧形削片；该通气细管的上端通过真空吸嘴连接真空泵。
换言之，本发明的薄壁引孔取土管顶端连接真空泵后可以在模型土样中自主下沉，以避免手压式引孔对模型土样扰动过大；薄壁引孔取土管下沉到位后，紧贴其内壁将底端带有弧形削片的通气细管使用真空泵下沉至取土末端，并转动通气细管使其切断引孔取土管底端土样，使其与底土分离；取出通气细管后，薄壁引孔取土管内部形成通气孔，拔出薄壁引孔取土管完成桩位成孔，然后使用压桩装置将模型桩压入孔位；使用真空泵连接打土管取出薄壁引孔取土管内的引土，并用推土棒填入模型桩内部；本发明的引孔取土装置及打土回填装置尺寸互相匹配，操作方式互相关联，可以实现在最小扰动地基土的情况下完成引孔取土、插桩和回填操作。
所述切削刮平模型土样的装置包括：刮平横梁、该刮平横梁上通过销钉固定有刮平进尺，该刮平进尺的工作端设有切土钢丝。
所述压桩回填装置包括：压桩横梁、定长压桩杆、打土管、推土棒、还包括所述的引孔导向及真空泵。
本发明有以下优化方案：
所述模型桩的替代材料、外径、壁厚、长度均依据相似原理及试验设计加速度确定，桩身内外侧进行粗糙处理，桩土摩擦系数与现场工况相同。
所述模型土样为饱和软黏土，可以采用离心力场固结法和固结仪预压法在模型箱中制样。
所述刮平横梁为对开式，长于所述模型箱宽度，通过销钉连接后将一对与刮平横梁正交的刮平进尺分别固定于两侧槽内，该刮平进尺长度为30~60cm，其相对于所述刮平横梁的工作深度可调整；所述刮平进尺截面为矩形，边长为1~3cm，两个刮平进尺外缘宽度比所述模型箱宽度小2~4mm；所述刮平进尺底端连接所述切土钢丝，该切土钢丝直径为0.4~0.8mm；将所述刮平横梁置于所述模型箱上横向平动，可以通过所述切土钢丝将所述模型土样切削刮平至设计深度。
所述薄壁引孔取土管为不锈钢材质，外径与所述模型桩相同，壁厚0.2~0.5mm，并长于引孔深度8~15cm；该薄壁引孔取土管入土端有刃口，其顶端通过转接头与所述真空泵连接后通过真空吸力自主下沉引孔取样；使用所述薄壁引孔取土管前在其内外壁涂抹润滑油以减小引孔时对所述模型土样的扰动；使用引孔导向使所述薄壁引孔取土管垂直下沉，使用引孔限位环控制引孔深度；所述引孔导向高度为5~8cm。
所述通气细管为不锈钢中空细管，长于所述薄壁引孔取土管4~6cm，其壁厚为0.2~0.3mm，其外径为1~3mm且不超过模型桩壁厚；该通气细管下端焊接所述弧形削片，该弧形削片为厚度0.4~0.8mm、高度3~5mm的高模量不锈钢，其弧长半径等于所述薄壁引孔取土管内径，且为1/4~2/5圆周；将所述弧形削片及所述通气细管底端紧贴下沉到位后的薄壁引孔取土管内壁，使用所述真空泵连接该通气细管顶部吸气下沉，通过细管限位环使所述弧形削片的下边缘沉至所述薄壁引孔取土管底端；转动所述通气细管上部，所述弧形削片切割底土，使大部分所述薄壁引孔取土管内底土与模型土样分离，复位所述弧形削片并拔出通气细管，所述薄壁引孔取土管内部形成通气孔，使所述薄壁引孔取土管拔出时形成的孔位内部气压平衡，减少引孔取土扰动。
所述模型桩通过所述压桩装置压入桩孔；所述压桩装置包括压桩横梁和定长压桩杆；所述压桩横梁有长于所述模型箱宽度的上下通槽，以供所述定长压桩杆主体穿过；所述定长压桩杆上端为圆台扩大头，配合所述压桩横梁可以将所有模型桩压至设计平面。
所述打土管为不锈钢材质，壁厚0.2~0.5mm，外径比所述薄壁引孔取土管的内径小0.5mm，且比所述模型桩的内径小0.5mm，该打土管长度恰好穿透所述薄壁引孔取土管；通过所述转接头连接所述真空泵后，可以取出所述薄壁引孔取土管中的土样；由于所述模型桩比所述薄壁引孔取土管厚，所述打土管取走所述薄壁引孔取土管内所述通气孔范围之外的原状土样用于回填至所述模型桩内。
所述推土棒为塑料材质，长于所述打土管20cm，外径小于所述打土管的内径1mm，用于将所述打土管内的土推入模型桩内。
完成本申请第二个发明任务的技术方案是，上述大直径管桩离心试验模型制作设备的工作方法，其特征在于，步骤如下：
(1).在模型箱中制作饱和黏土模型土样，并按照现场桩土摩擦系数及相似要求制作表面粗糙化的模型桩；
(2).按照模型土样表面设计深度及模型箱净宽调整刮平进尺在刮平横梁上的工作深度及宽度并用销钉夹紧固定，收紧刮平进尺工作端的切土钢丝；在模型土样两侧挖出刮平进尺的行进槽，在模型箱中放入切削刮平模型土样的装置后沿长边均匀缓慢移动，在模型土样中切出设计深度的面；
(3).将引孔导向固定在桩位处，根据引孔深度调整引孔限位环在薄壁引孔取土管上的位置，在薄壁引孔取土管的内外壁涂抹润滑油，将其顶端通过转接头连接真空泵；通过引孔导向将薄壁引孔取土管刃口垂直插入模型土样，开启真空泵，吸走薄壁引孔取土管内部空气，使其在真空吸力下缓慢垂直下沉至引孔限位环与引孔导向接触；
(4).调整细管限位环相对通气细管的位置使其与弧形削片底端之间的距离等于薄壁引孔取土管的长度；将通气细管涂抹润滑油，并将其顶端通过真空吸嘴连接真空泵，将弧形削片及通气细管底部紧贴薄壁引孔取土管内壁垂直插入模型土样表面，开启真空泵，使通气细管缓慢垂直下沉至细管限位环与薄壁引孔取土管顶端接触；
(5).正向旋转通气细管顶部至极限，使其底部的弧形削片切割薄壁引孔取土管底土，反向旋转通气细管使弧形削片复位后紧贴薄壁引孔取土管内壁；
(6).均匀缓慢地垂直拔出通气细管，在薄壁引孔取土管内壁处形成一个通气孔；均匀缓慢地垂直拔出薄壁引孔取土管，在模型土样桩位处形成桩孔；
(7).使用引孔导向及压桩装置，在桩孔处垂直插入模型桩，并将桩顶精确压至设计平面；
(8).将打土管顶端正向插入薄壁引孔取土管内的土中，并将打土管顶部通过转接头连接真空泵，利用真空吸力使打土管缓慢地穿透薄壁引孔取土管，将薄壁引孔取土管内的原状土转移至打土管内部；
(9).将打土管正向插入模型桩底部，将推土棒插入打土管上方不动，均匀缓慢地竖向拔出打土管，将管内土打入模型桩内部；
(10).清理各装置后重复(1)~(9)，完成下一根模型桩的布设；
(11).所有模型桩布置完毕后，将模型置于设定的超重力场下进行预固结以完成桩土接触的相似模拟，离心机运行时间相似于现场施工对应时间。
本发明与现有技术相比，具有的优点和有益效果包括：
采用薄壁引孔取土管连接真空泵后利用真空吸力在模型土样中自主下沉，可以避免手压式引孔对模型土样的过大扰动。使用底端带有弧形削片的通气细管在薄壁引孔取土管内部切削并形成通气孔，可以减少薄壁引孔取土管拔出桩位时的底部真空阻力，避免桩位缩孔和引孔取样不充分。使用打土管并利用真空抽吸法取出薄壁引孔取土管内的土样后打入模型桩内，避免了使用重塑土作为桩内填土。使用切削刮平装置将模型土样切削至设计深度，使用引孔导向和压桩装置将所有模型桩压至设计平面，可以使模型制作过程统一化和标准化，可以消除制模高程误差。本发明引孔取土装置与打土回填装置尺寸互相匹配，操作方式互相关联，可以在常重力场下以最小扰动地基土的情况下完成引孔取土、插桩和回填操作，并在预固结后完成桩土接触相似，尤其适用于饱和软黏土地基上的大直径管桩离心试验模型制作。
附图说明
图1是本发明一种大直径管桩离心试验模型制作的引孔取土装置；
图2是图1的a-a剖视图；
图3是本发明一种大直径管桩离心试验模型制作的引孔通气装置；
图4-1、图4-2分别是本发明一种大直径管桩离心试验模型切削刮平模型土样的装置；
图5是本发明一种大直径管桩离心试验模型制作的薄壁引孔取土管进土方法；
图6是本发明一种大直径管桩离心试验模型制作的通气细管进土方法；
图7是本发明一种大直径管桩离心试验模型制作的通气细管切削薄壁引孔取土管底端土方法；
图8是图7的切削工作方法横截面说明；
图9是本发明一种大直径管桩离心试验模型制作取出通气细管；
图10是本发明一种大直径管桩离心试验模型制作取出薄壁引孔取土管；
图11-1、图11-2分别是本发明一种大直径管桩离心试验模型制作的压桩装置及操作；
图12是本发明一种大直径管桩离心试验模型制作的打土管及其取土方法；
图13是本发明一种大直径管桩离心试验模型制作的模型桩内打土方法；
图14-1、图14-2分别是本发明所适用的一个实施例（侧视图、俯视图）。
其中，图5~图14是本发明一种大直径管桩离心试验模型制作设备工作方法步骤图。
图中：1、薄壁引孔取土管，2、引孔限位环，3、引孔导向，4、真空泵，5、真空吸嘴，6、转接头，7、通气细管，8、弧形削片，9、细管限位环，10、模型桩，11、模型土样，12、打土管，13、推土棒，14、刮平横梁，15、刮平进尺，16、切土钢丝，17、销钉，18、压桩横梁，19、定长压桩杆，20、模型箱，21、通气孔，22、路堤模型。
具体实施方式
实施例1，大直径管桩离心试验模型制作设备及其工作方法，如图1至图14-1、图14-2所示，本发明的大直径管桩离心试验模型制作设备主要包括切削刮平装置、引孔取土装置、压桩回填装置，使用底端带有切土钢丝16的刮平进尺15，并在模型箱20上均匀移动刮平横梁14，将模型土样11切削至设计深度；薄壁引孔取土管1连接真空泵4后可在真空吸力作用下自主下沉，同样使用吸气下沉法将底端带有弧形削片8的通气细管7紧贴薄壁引孔取土管1内壁插入土中，回旋切断底土并拔出通气细管7形成通气孔21，避免薄壁引孔取土管1拔出时底部真空阻力引起缩孔及不充分取土；同样使用真空泵4辅助打土管12取出薄壁引孔取土管1内的原状土样，并使用推土棒13填入模型桩10内；每根模型桩在填土前均使用引孔导向、压桩横梁18和定长压桩杆19压至设计平面。真空吸力辅助引孔取土并在成孔时辅助通气、同时向模型桩10内回填取出的原状土，大大减小了整个制模过程对模型土样11的扰动，使用刮平装置切削土样平面并使用压桩装置将所有模型桩压至设计平面，消除了制模高程误差，适用于饱和软黏土地基上多种以大直径管桩为基础的离心试验模型的制备。具体实施方式如下：
1）在模型箱20中制作饱和黏土模型土样，并按照现场桩土摩擦系数及相似要求制作表面粗糙化的模型桩10；
2）按照模型土样11的表面设计深度及模型箱20的净宽调整刮平进尺15在刮平横梁14上的工作深度及宽度并用销钉17夹紧固定，收紧刮平进尺15工作端的切土钢丝16；在模型土样11两侧挖出刮平进尺15的行进槽，在模型箱20中放入刮平装置后沿长边均匀缓慢移动，在模型土样11中切出设计深度的面；
3）将引孔导向3固定在桩位处，根据引孔深度调整引孔限位环2在薄壁引孔取土管1上的位置，在薄壁引孔取土管1的内外壁涂抹润滑油，将其顶端通过转接头6连接真空泵4；通过引孔导向将薄壁引孔取土管1的刃口垂直插入模型土样11，开启真空泵4，吸走薄壁引孔取土管1内部空气，使其在真空吸力下缓慢垂直下沉至引孔限位环2与引孔导向3接触；
4）调整细管限位环9相对通气细管7的位置使其与弧形削片8底端之间的距离等于薄壁引孔取土管1的长度；将通气细管7涂抹润滑油，并将其顶端通过真空吸嘴5连接真空泵4，将弧形削片8及通气细管7的底部紧贴薄壁引孔取土管1内壁垂直插入模型土样11的表面，开启真空泵4，使通气细管7缓慢垂直下沉至细管限位环9与薄壁引孔取土管1顶端接触；
5）正向旋转通气细管7的顶部至极限，使其底部的弧形削片8切割薄壁引孔取土管1的底土，反向旋转通气细管7使弧形削片8复位后紧贴薄壁引孔取土管1的内壁；
6）均匀缓慢地垂直拔出通气细管7，在薄壁引孔取土管1的内壁处形成一个通气孔21；均匀缓慢地垂直拔出薄壁引孔取土管1，在模型土样11的桩位处形成桩孔；
7）使用引孔导向3及压桩装置，在桩孔处垂直插入模型桩10，并将桩顶精确压至设计平面；
8）将打土管12顶端正向插入薄壁引孔取土管1内的土中，并将打土管12顶部通过转接头6连接真空泵4，利用真空吸力使打土管12缓慢地穿透薄壁引孔取土管1，将薄壁引孔取土管1内的原装土转移至打土管12内部；
9）将打土管12正向插入模型桩10底部，将推土棒13插入打土管12上方不动，均匀缓慢地竖向拔出打土管12，将管内土打入模型桩10的内部；
10）清理各装置后重复1）~9），完成下一根模型桩的布设；
11）所有模型桩布置完毕后，将模型箱20置于设定的重力场下进行预固结以完成桩土接触的相似模拟并布置传感器，离心机运行时间相似于现场施工对应时间；
12）如图14所示，桩土复合地基制模形成后，可以进行下一步路堤模型22的制作。
需要说明的是，本发明所述大直径管桩离心试验模型制作设备及其工作方法适用于单桩基础、多桩基础以及群桩基础，以上以路堤下大直径管桩复合地基离心试验模型制作为例说明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，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。