一种用于模型试验的桩基制作装置的制作方法

本发明涉及一种新型的用于土木工程模型试验领域模型桩加工及检测的多功能装置及方法，具体说来，是一种综合模型桩身应力测试原件安装与检测、桩周外壁涂层设置以及整桩率定的装置。

背景技术：
在土木工程建设领域，桩基础是一种被广泛使用的深基础。长久以来，虽然桩基的设计及施工经验不断地得到充实和完善，但是随着工程建设逐渐向高难度方向发展，桩基使用方面的问题层出不穷，需要相关科研人员不断地深入研究。在众多的研究方法中，试验研究始终是最值得信赖的方法之一。相对现场试验的高投入以及某些条件下无法进行等特点，室内试验可以用较小的代价且更具针对性的开展研究，成为研究、探索和解决相关问题的一种有效方法。模型桩作为模型试验中的关键部件，其制作工艺是决定模型试验准确与否的关键因素。根据模型试验的实际目的，模型桩的制作方式多样。目前，相当数量的桩基模型试验需要测定不同加载情况下的桩身受力，此类情况就需要在模型桩上布置应变测试的元件（应变片）。对于应变片布置于外壁的模型桩，其制备主要包含应变片的黏贴、导线的布置；应变片工作状态的检测；外壁涂层设置（用于防护应变片及导线）和整桩率定等基本工序。已有的试验中模型桩制备工作多分阶段实施且涉及多项装置。一般先在模型桩桩壁进行划线以确定应变片的黏贴位置，对于圆形截面的小直径模型桩，桩壁上划线定位较为繁琐，同时也较难实现应变片导线的规则布置；模型桩应变的检测多采用对模型桩施加轴向荷载的方式进行测定，对于桩壁较厚、刚度较大的模型桩，因需要施加更大的荷载，采用重物堆载的方式并不十分适合；由于桩外壁布置有应变片和导线，桩侧涂层在实际操作过程中很保证涂层壁厚的均匀。为改进上述模型桩制备过程中的不足，提高工作效率，本发明提出了一种用于模型试验的桩基制作装置及方法。

技术实现要素：
发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种用于模型试验的桩基制作装置。技术方案：为解决上述技术问题，本发明提供的一种用于模型试验的桩基制作装置，包括依次固定安装在底座上的锁定支撑臂、内支撑臂和反力支撑臂，所述锁定支撑臂上穿设有锁定段，所述反力支撑臂上穿设有反力段；所述锁定段的端部安装有压力传感器和垫盘，所述反力段的端部安装有加载器和限位盘；所述垫盘与限位盘之间用于夹设模型桩，所述锁定段、反力段、垫盘、限位盘和模型桩的轴心处于同一直线上；所述内支撑臂上安装有用于包络模型桩的套筒。具体地，所述锁定支撑臂是具有贯通圆孔的长条形竖直臂，所述圆孔的外侧设有角度刻画线，所述圆孔内壁具有环形凹槽，凹槽内部设有钢珠；所述锁定段与钢珠之间夹设有锁定段衬管；所述锁定段具有大径端和小径端，所述小径端安装于锁定段衬管内，所述大径端上设有螺孔，所述螺孔内安装有纵向锁定螺栓，所述纵向锁定螺栓将垫盘固定在锁定段上。具体地，所述圆孔的径向上穿设有水平向第一螺栓孔和竖向第一螺栓孔，所述水平向第一螺栓孔、竖向第一螺栓孔内分别安装有侧部锁定螺栓、顶部锁定螺栓，所述小径端沿圆周径向设有第二螺栓孔，当锁定段在圆孔中旋转到所需角度时，侧部锁定螺栓、顶部锁定螺栓与第二螺栓孔相适配。具体地，所述锁定段外侧设置有可拆卸摇臂，摇臂内侧设置有伸缩标尺。通过标尺配合锁定支撑臂的圆形孔洞外侧的角度刻画线，实现锁定段旋转角度的控制。具体地，所述垫盘向锁定段侧设有内护壁，所述内护壁带有沿径向的限位凸起，且在内护壁底部设置有用于压力传感器导线引出的圆形开孔，所述压力传感器为圆盘形，位于锁定段与垫盘之间且位于内护壁内。具体地，所述垫盘向反力支撑臂一侧设置有中心轴杆，中心轴杆的外侧套有外径略小于模型桩内径的衬管，衬管的外侧设置有模型桩，模型桩一端紧靠垫盘，另一端紧靠限位盘，限位盘通过内部螺纹将模型桩限位在中心轴杆上。具体地，所述反力支撑臂为长条形竖直臂，中心开有圆形孔洞，孔洞内部设置圆形凹槽，凹槽内部设置钢珠，反力支撑臂的开孔处设置有反力段衬管，反力段从锁定段衬管的内部穿出，反力段中空且中心轴杆从反力段中心穿出。具体地，所述反力段的外侧设置有反力撑，反力撑为方形直角状且一端部紧靠反力支撑臂，另一端部插入反力段，反力段与限位盘之间设置有轴向开孔的液压加载器，液压加载器嵌于反力段内且通过液压管外接液压泵加载。具体地，所述套筒沿轴向四分之一圆周开槽，套筒的内侧布置有塑料膜，套筒水平向开槽侧设置有工作架，工作架带有直角面与弧形面，通过控制工作架水平面与模型桩外壁的距离来控制模型桩涂层厚度。本发明同时提出一种用于模型试验的桩基制作方法，包括以下步骤：步骤1，分别将安装有钢珠和锁定段衬管的锁定支撑臂、安装有钢珠和反力段衬管的反力支撑臂、内支撑臂竖直固定于底座上，并将底座平稳安放至工作台，锁定段穿出锁定支撑臂内的锁定段衬管，套筒的内部布置塑料膜且通过固定板固定于内支撑臂上；步骤2，垫盘的中心轴杆外侧套衬管，并在衬管外侧套模型桩，垫盘的内护壁内安装压力传感器，压力传感器导线从内护壁的开孔处穿出，将模型桩放入套筒内且中心轴杆穿出反力支撑臂，并通过纵向锁定螺栓将垫盘与锁定段连接；步骤3，在模型桩远离垫盘一端安装限位盘，将液压加载器安装在反力段内，反力段穿过反力支撑臂的反力段衬管且反力段和液压加载器内部穿过中心轴杆，在反力段外侧安装反力撑；步骤4，在套筒开孔处安装工作架，将压力传感器导线、液压管分别连接至采集器和液压泵，在锁定段外侧安装模型桩转动所用的摇臂，通过在锁定支撑臂上插入顶部锁定螺栓和侧部锁定螺栓实现模型桩固定；步骤5，待上述安装完成后，去除顶部锁定螺栓和侧部锁定螺栓、卸载液压加载器，拉出标尺，将标尺定位于锁定支撑臂的角度刻画线的某一角度，插入顶部锁定螺栓和侧部锁定螺栓锁定模型桩；步骤6，借助工作架，在套筒开槽处进行模型桩应变片黏贴、布线，完成后加载液压加载器，根据采集器的数值，判断应变片是否工作正常，如果非正常则去除应变片并重新黏贴；步骤7，去除顶部锁定螺栓和侧部锁定螺栓，卸载液压加载器，使用摇臂及标尺将模型桩转至另一个角度，插入顶部锁定螺栓和侧部锁定螺栓锁定模型桩，重复步骤6，直至完成应变片黏贴及布线工作；步骤8，卸载液压加载器，去除顶部锁定螺栓和侧部锁定螺栓，拉回标尺，转动摇臂，在套筒开槽处进行模型桩的涂装工作，涂层厚度根据工作架与模型桩间距控制，待涂层基本凝固完成涂装工作，拆除模型桩，清理工作架并去除套筒内的塑料膜以完成清理工作；步骤9，待涂层完全硬化，插入顶部锁定螺栓和侧部锁定螺栓锁定模型桩，加载液压加载器，对模型桩施加分级轴向荷载，实现对模型桩应变片的最终率定工作。有益效果：与现有设计相比，本发明具有以下显著的进步：1.本发明用于模型桩的应变片黏贴、贴片质量检测、应变片导线布线、模型桩外壁涂装以及模型桩涂装完成后的整桩率定等工作，相比其他单一功能的装置，本发明综合了多项功能，涵盖了模型桩制阶段所涉及的多个关键工序，可以广泛用于模型桩的加工及检测领域。2.本发明中模型桩轴线与套筒内工作架顶面平行，套筒1/4的开槽设置限定了模型桩施工面，借助工作架顶面以及套筒的支撑，更便于在桩外壁上寻找平行于桩轴线的线条，进而实现模型桩外壁应变片与导线的精确定位。3.相比沿横截面圆周二等分或四等分形式的常规应变片布置方法，本装置借助锁定段外侧的摇臂以及摇臂上的标尺，可以将模型桩精确转动更多的角度，方便的实现沿横截面圆周布置多种等分形式的应变片。4.已有的方法较难实现模型桩外壁的均匀涂装，本发明利用控制工作架与模型桩间距，进而实现桩侧涂层厚度的严格控制，并且通过摇臂转动模型桩，能够便捷、高效的实现整桩的涂装工作，套筒内的塑料膜设置则更便捷的清理涂装后胶水的残余。5.相比已有的装置，本发明采用了压力传感器与液压加载器，可以实现模型桩的轴向加载，具备了应变片黏贴初期的校核以及模型桩涂层硬化后的整桩率定功能，且液压加载器可以实现较大的轴向荷载值，能适用于刚度较大的模型桩率定。除了上面所述的本发明解决的技术问题、构成技术方案的技术特征以及由这些技术方案的技术特征所带来的优点外，本发明的一种用于模型试验的桩基制作装置及方法所能解决的其他技术问题、技术方案中包含的其他技术特征以及这些技术特征带来的优点，将结合附图做出进一步详细的说明。附图说明图1是本发明实施例的剖立面图；图2是图1中A-A处的剖视图；图3是图1中B-B处的剖视图；图4是图1中C-C处的剖视图；图5是图1中D-D处的剖视图；图6是图1中E-E处的剖视图；图7是图1中①部的局部放大图；图8是图1中②部的局部放大图；图中有：1套筒、2模型桩、3中心轴杆、4底座、5锁定支撑臂、6内支撑臂、7套筒螺栓、8固定板、9反力支撑臂、10衬管、11采集器、12液压泵、101摇臂、102锁定段、103锁定段衬管、104钢珠、105压力传感器导线、106标尺、107顶部锁定螺栓、108纵向锁定螺栓、109外护壁、110内护壁、111压力传感器、112垫盘、113液压管、114限位盘、115液压加载器、116反力撑、117反力段、118反力段衬管、119侧部锁定螺栓、120塑料膜、121工作架。具体实施方式实施例：下面结合附图，对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。如图1-8所示，本实施例的一种用于模型试验的桩基制作装置及方法，包括：套筒1、模型桩2、中心轴杆3、底座4、锁定支撑臂5、内支撑臂6、套筒螺栓7、固定板8、反力支撑臂9、衬管10、采集器11、液压泵12、摇臂101、锁定段102、锁定段衬管103、钢珠104、压力传感器导线105、标尺106、顶部锁定螺栓107、纵向锁定螺栓108、外护壁109、内护壁110、压力传感器111、垫盘112、液压管113、限位盘114、液压加载器115、反力撑116、反力段117、反力段衬管118、侧部锁定螺栓119、塑料膜120、工作架121。所述底座4为方形具有一定的厚度和重量，底座4置于水平工作台上，锁定支撑臂5为长条形且竖直固定于底座4一端，锁定支撑臂5中心开有圆孔，锁定支撑臂5外侧面的圆孔四周设有角度刻画线，圆孔内部设置圆形凹槽并且设置有锁定段衬管103，凹槽与锁定段衬管103内部设置有钢珠104，锁定段衬管103从中段有开槽且在锁定支撑臂5外侧设有边缘突起以达到止滑的目的。所述锁定段102由大径端、小径端即两段直径不同的圆柱形构件组成，锁定段102小径端外径略小于锁定段衬管103内径且从锁定段衬管103中心穿过，锁定段102大径端四周开有孔径略大于纵向锁定螺栓108外径的螺栓孔，锁定段102大径端内侧端部设有外护壁109，外护壁109为圆筒形构件，锁定段102小径端外侧端部设有可装卸的摇臂101，摇臂101为L形条形杆，摇臂101的内侧设置有矩形可伸缩的标尺106。具体地，所述锁定支撑臂5圆孔的径向上穿设有水平向第一螺栓孔和竖向第一螺栓孔，所述水平向第一螺栓孔、竖向第一螺栓孔内分别安装有侧部锁定螺栓119、顶部锁定螺栓107，所述锁定段102小径端中部沿圆周径向设有第二螺栓孔，当锁定段102在圆孔中旋转到所需角度时，侧部锁定螺栓119、顶部锁定螺栓107与第二螺栓孔相适配。所述垫盘112为圆盘形构件，垫盘112向锁定段102一侧带有内护壁110，内护壁110为圆桶形且外壁带有沿径向的限位凸起，内护壁110的外径略小于外护壁109内径，内护壁110的内径略大于压力传感器111的外径，压力传感器111置于内护壁110内部，垫盘112向反力支撑臂9一侧设置有中心轴杆3，中心轴杆3的轴线与垫盘112的轴线共线，中心轴杆3为圆柱形杆且外侧套有衬管10，有衬管10外径略小于模型桩2内径且长度略小于模型桩2，模型桩2一端紧靠垫盘112另一端紧靠限位盘114，限位盘114通过内部螺纹将模型桩2限位在中心轴杆3上。所述反力支撑臂9为长条形且竖直固定于底座4一端，反力支撑臂9中心开有圆形孔洞，圆形孔洞内部设置圆形凹槽并且设置有反力段衬管118，凹槽与反力段衬管118内部设置有钢珠104，反力段衬管118为圆筒形且在反力支撑臂9外侧设有边缘突起以达到止滑的目的。所述反力段117为圆筒形构件且外侧面设有可安装反力撑116的开槽，反力段117外径略小于反力段衬管118内径且从反力段衬管118中心穿过，反力撑116为方形直角状且沿反力段117圆周均匀分布，反力撑116一端部紧靠反力支撑臂9，另一端部插入反力段117，反力段117与限位盘114之间设置有轴向开孔的液压加载器115，液压加载器115嵌于反力段117内且通过液压管113外接液压泵12加载，中心轴杆3从反力段117中心穿过。所述套筒1为圆筒形且沿轴向四分之一圆周开槽，套筒1通过底部的方形的固定板8与套筒螺栓7固定于内支撑臂6上，内支撑臂6共两根为长条形且竖直固定于底座4中段，套筒1内侧布置有塑料膜，套筒1水平向开槽侧设置有工作架121，工作架121为沿圆筒1通长布置且带有直角面与弧形面，通过控制工作架121水平面与模型桩2外壁的距离来控制模型桩2涂层厚度。本装置安装步骤如下：分别将安装有钢珠104和锁定段衬管103的锁定支撑臂5、安装有钢珠104和反力段衬管118的反力支撑臂9、内支撑臂6竖直固定于底座4上，并将底座4平稳安放至工作台，锁定段102穿出锁定支撑臂5内的锁定段衬管103，套筒1内部布置塑料膜120且通过固定板8固定于内支撑臂6上。垫盘112的中心轴杆3外侧套衬管10，并在衬管10外侧套模型桩2，垫盘112的内护壁110内安装压力传感器111，压力传感器导线105从内护壁110的开孔处穿出，将模型桩2放入套筒1内且中心轴杆3穿出反力支撑臂9，并通过纵向锁定螺栓108将垫盘112与锁定段102连接。在模型桩2远离垫盘112一端安装限位盘114，将液压加载器115安装在反力段117内，反力段117穿过反力支撑臂9的反力段衬管118且反力段117和液压加载器115内部穿过中心轴杆3，在反力段117外侧安装反力撑116。在套筒1开孔处安装工作架121，将压力传感器导线105、液压管113分别连接至采集器11和液压泵12，在锁定段102外侧安装模型桩2转动所用的摇臂101，通过在锁定支撑臂5上插入顶部锁定螺栓107和侧部锁定螺栓119实现模型桩2固定。本装置使用步骤如下：待上述安装完成后，去除顶部锁定螺栓107和侧部锁定螺栓119、卸载液压加载器115，拉出标尺106，将标尺106定位于锁定支撑臂5的角度刻画线的某一角度，插入顶部锁定螺栓107和侧部锁定螺栓119锁定模型桩2。借助工作架，在套筒1开槽处进行模型桩2应变片黏贴、布线，完成后加载液压加载器115，根据采集器11的数值，判断应变片是否工作正常，如果非正常则去除应变片并重新黏贴。去除顶部锁定螺栓107和侧部锁定螺栓119，卸载液压加载器115，使用摇臂101及标尺106将模型桩2转至另一个角度，插入顶部锁定螺栓107和侧部锁定螺栓119锁定模型桩2，重复加载、应变片检测工作，直至完成应变片黏贴及布线工作。卸载液压加载器115，去除顶部锁定螺栓107和侧部锁定螺栓119，拉回标尺106，转动摇臂101，在套筒1开槽处进行模型桩2的涂装工作，涂层厚度根据工作架121与模型桩2间距控制，待涂层基本凝固完成涂装工作，拆除模型桩2，清理工作架121并去除套筒1内的塑料膜120以完成清理工作。待涂层完全硬化，插入顶部锁定螺栓107和侧部锁定螺栓119锁定模型桩2，加载液压加载器115，对模型桩2施加分级轴向荷载，实现对模型桩2应变片的最终率定工作。以上结合附图对本发明的实施方式做出详细说明，但本发明不局限于所描述的实施方式。对本领域的普通技术人员而言，在本发明的原理和技术思想的范围内，对这些实施方式进行多种变化、修改、替换和变形仍落入本发明的保护范围内。