一种适用于补注浆提升桩基承载力的试验模型及试验方法与流程

本发明涉及一种用于研究桩基承载力提升的试验装置，具体涉及一种通过补注浆手段提升桩基承载力的试验模型，可以实现工程实际中的桩端补注浆、桩侧补注浆、桩端-桩侧联合补注浆的试验模拟。

背景技术：

桩基作为一种常见的基础形式，广泛应用于民建工程、高速铁路、高速公路、城市市政桥梁、港口码头、大型建筑物等工程中。随着经济的飞速发展，对交通基础设施的要求也愈来愈高，原先一些低等级公路和低通航标准河道上的桥梁桩基承载力已经不能满足经济发展的需要，依据新的公路等级和通航标准，需要对其进行升级扩建。但如采用加桩或补桩等方式，则基础工程的造价将大幅度提高，施工工期也将相应延长。因此，作为提升桩基承载力有效手段的注浆技术得到了广泛的应用。注浆属于隐蔽工程，目前通过注浆提升桩基承载力的工程应用中存在经验性和盲目性，缺乏理论指导与依据。试验模型作为模拟工程现场的有效研究手段，得到了人们的广泛关注，但目前尚无关于通过补注浆手段提升桩基承载力的试验模型专利报道。

技术实现要素：

本发明的目的是克服工程现场补注浆手段提升桩基承载力过程中的经验性和盲目性，为桩基的补注浆中桩基承载力与注浆量、注浆压力之间的量化关系研究提供一种操作方便、可模拟工程现场注浆提升桩基承载力试验研究的模型系统。

为实现上述目的，本发明采用下述技术方案：

一种补注浆提升桩基承载力试验模型，包括模型箱、桩基模型、注浆系统、反力系统和监测系统；所述的模型箱用于承载试验土样，在所述的土样内插装有一个桩基模型，所述模型箱外安装有一个反力系统，所述的反力系统包括一个反力架，在所述的反力架上设有对所述的桩基模型的顶部实施反向力的施力装置；所述的桩基模型的一侧设有对其周围进行注浆的注浆系统；所述的监测系统对桩基的承载力以及沉降量进行监测。

进一步的，所述的模型箱为内径1m，壁厚2cm，高度1.5m的圆柱形铁桶，试验过程中土样模拟工程现场土体分层夯实到模型箱中。

进一步的，所述的注浆系统由空压机、储液桶、注浆记录仪、注浆管以及输气管和注浆软管构成，所述的储液桶为上下焊接钢板密封的圆桶，储液桶上部设置输气口和进浆口，底部设有浆液搅拌装置；空压机与储液桶通过输气管连接注浆软管；所述的注浆软管与所述的注浆管相连，所述的注浆管插装在桩基模型的一侧；储液桶中储存一部分浆液，通过控制空压机输出恒定的空气压力，恒定的空气压力作用在浆液上进而保持恒定的注浆压力。

在注浆管前端的侧壁上开设有浆液喷射出口；所述的浆液喷射出口包括多个，多个浆液喷射出口位于同一条轴线上，该轴线与注浆管的轴线平行。

进一步的，所述的施力装置包括一个千斤顶，所述的千斤顶的动力输出端连接桩基模型，千斤顶与反力架相连。

进一步的，所述的监测系统包括用于监测桩基沉降量和承载力的位移计和荷载传感器，所述的荷载传感器安装在千斤顶与反力架之间，用于监测桩基的承载力。

进一步的，所述的反力架顶部安装有反力板，且通过螺母安装在反力架上。

本发明还提供了一种补注浆提升桩基承载力试验模型的试验方法，包括以下步骤：

(1)组装模型试验系统；将制备的土样分层夯实到模型箱中，夯土过程中预埋注浆管，根据实验需要可对称埋设2或4根注浆管，通过反力系统将桩基模型反压入土体中，连接位移计、荷载传感器；

(2)组装注浆系统，通过输气管连接空气压缩机和储液桶，通过注浆软管连接储液桶、注浆记录仪和自制注浆管；

(4)将一定量的浆液通过送浆阀门灌入储液桶中，打开空压机按一定压力输出空气压力到储液桶中；

(5)打开进浆阀门，开始注浆；

(6)注浆结束后，模型箱静置2d，测试桩基模型的沉降量和桩基承载力。

本发明中的空压机、千斤顶、位移计、荷载传感器、注浆记录仪为现有设备，在此不再赘述。

本发明研究了注浆提升桩基承载力的模型试验系统及其试验方法，根据相似性原理实现了提升中桩基承载力的注浆模拟。可以在试验进行注浆压力等注浆参数与桩基承载力之间的量化关系研究，本发明实现了提升软土地层桩基承载力的注浆模拟，具有以下优点：

1、能成功实现桩基承载力提升注浆模拟过程，简单方便。

2、自制注浆管为单排出浆口，可实现定域注浆。

2、使用反力系统测试桩基承载力，简单方便可行。

3、采用空气压力作为注浆动力，保证压力恒定。

4、通过模型试验可以研究注浆参数与桩基承载力提升之间的量化关系。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。

图1为模型试验系统整体结构示意图；

图2、图3、图4为模型箱三视图；

图5、图6、图7为自制注浆管三视图

图8、图9为反力板示意图；

图中：1——模型箱；2——桩基模型；3——空压机；4——输气线；5——储液桶；6——进浆口；7——搅拌装置；8——注浆记录仪；9——注浆软管；10——自制注浆管；11——反力架；12——反力板；13——螺母；14——千斤顶；15——荷载传感器；16——位移计。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

正如背景技术所介绍的，现有技术中目前尚无关于补注浆提升桩基承载力的试验模型专利；为了解决如上的技术问题，本申请提出了一种适用于补注浆提升桩基承载力的试验模型及试验方法。

本申请的一种典型的实施方式中，如图1所示，提供了一种适用于补注浆提升桩基承载力的试验模型，包括模型箱1、桩基模型2、注浆系统、反力系统和监测系统；所述的模型箱1用于承载试验土样，在所述的土样内插装有一个桩基模型2，所述模型箱1外安装有一个反力系统，所述的反力系统包括一个反力架，在所述的反力架11上设有对所述的桩基模型的顶部实施反向力的施力装置；所述的桩基模型2的一侧设有对其周围进行注浆的注浆系统；所述的监测系统对桩基的承载力以及沉降量进行监测。

如图2、图3、图4所示，模型箱1为内径1m，壁厚2cm，高度1.5m的圆柱形铁桶，试验过程中土样模拟工程现场土体分层夯实到模型箱中。

进一步的，注浆系统由空压机3、储液桶5、注浆记录仪8、自制注浆管10以及输气管4、注浆软管9构成，所述的储液桶5为上下焊接钢板密封的圆桶，储液桶5上部设置输气口和进浆口，底部设有浆液搅拌装置7；空压机3与储液桶通过输气管连接，储液桶与注浆记录仪通过输浆软管9连接；输浆软管9与注浆管相连，所述的注浆管10向桩基模型的一圈进行注浆，储液桶5中储存一部分浆液，通过控制空压机输出恒定的空气压力，恒定的空气压力作用在浆液上进而保持恒定的注浆压力。

如图5、6、7所示的注浆管的结构，在注浆管10的出浆口的侧壁上开设有浆液喷射出口。所述的浆液喷射出口包括多个，多个浆液喷射出口位于同一条轴线上，该轴线与注浆管的轴线平行。

进一步的，施力装置包括一个千斤顶14，所述的千斤顶14的动力输出端连接桩基模型，千斤顶与反力架相连。

进一步的，监测系统包括用于监测桩基位移的位移计和承载传感器，所述的承载传感器安装在千斤顶与反力架之间，用于监测桩基的承载力。

反力系统包括反力架11、反力板12、螺母13和千斤顶14，系统通过千斤顶和承压板提供反力；反力架11高度为2.4m通过焊接固定在模型箱1的两侧，试验土体根据工程现场的桩周土体水文地质条件，分层夯实到模型箱1中。如图8、图9所示，反力架11通过焊接固定在模型箱1两侧，反力板12为厚度为22mm的钢板，通过螺纹、螺母13固定在反力架11上，并且可延反力架11上下活动，活动范围为20cm。千斤顶14位于荷载传感器15和桩基模型2之间。

根据相似原理设计桩基模型2为直径2-5cm，长度40-80cm的有机玻璃棒，桩基模型2端部为3cm的尖端。桩基模型2通过反力系统提供的反力插入模型箱1中的土体。

监测系统包括荷载传感器15和位移计16两部分。荷载传感器位于反力板12和千斤顶14之间，用于测试桩基承载力；位移计15位于桩基模型2顶端侧部，为了防止震动对位移计测试精度的影响，位移计另一侧连在反力架7上。

利用上述补注浆提升桩基承载力的试验模型及试验方法，包括以下步骤：

step1.根据现场桩基水文地质信息，将桩周土体按照实际土体性质分层夯实至模型箱1中。夯完每层土之后要用铲子轻刮浮土，保证土体的均匀性，防止每层土体出现分层现象。

step2.在距离模型桩2中心位置30cm出钻孔安装注浆管10，钻孔深50cm，将注浆管10通过注浆软管9与注浆记录仪8、储液桶5依次连接，储液桶5与空压机3通过输气4依次连接，保证注浆系统的密闭性。

step3.组装反力系统，通过反力系统将桩基模型2压入模拟土体中。依次安装位移计16、千斤顶14、荷载传感器15。

step4.制备浆液，向桩周土体中注浆，注浆压力控制在0.2-0.7mpa，待达到设计终压后停止注浆，拆除注浆系统，模型静止2天，通过反力系统静荷加载测试桩基承载力。

本发明涉及一种补注浆提升桩基承载力的试验模型，包括注浆系统(空压机、储液桶、注浆记录仪、自制注浆管)、模型箱、桩基模型、反力系统(反力架、反力板、千斤顶)、监测系统(荷载传感器、位移计)。注浆系统通过自制注浆管与模型箱中的土体相连，桩基模型通过反力系统插入模型箱中的土体中，桩基模型顶端连有位移计、荷载传感器和反力系统。试验过程中，桩基模型通过反力系统反压插入模型箱土体中；自制注浆管预埋在桩周土体中的设计位置，通过注浆系统向桩周土体中注浆，浆液凝结后通过反力装置、荷载传感器、位移计测试桩基承载力和桩基沉降量。目前尚无关于桩基补注浆的模型装置，本试验模型针对桩基后注浆不合格以及服役期间桩基需要提升承载力的问题，通过相似性原理完全模拟工程现场进行室内注浆提升桩基承载力试验，并设计自制了单向出浆的注浆管以实现定域注浆，避免了以前注浆模型中浆液扩散不规律的问题，该装置简单方便，对实际工程具有指导意义。

从以上的描述中，可以看出，本申请上述的实施例实现了如下技术效果：

实现了注浆提升桩基承载力的试验模拟，克服了目前注浆提升桩基承载力工程领域的经验性和盲目性。本发明实现了提升软土地层桩基承载力的注浆模拟，具有以下优点：

1、能成功实现注浆提升桩基承载力的模拟过程。

2、自制注浆管为单排出浆口，可实现定域注浆。

2、使用反力系统测试桩基承载力，简单方便可行。

3、采用空气压力作为注浆动力，保证压力恒定。

4、通过模型试验可以研究注浆参数与桩基承载力提升之间的量化关系。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。