用于相似材料试验的模型桩制备装置及模型桩的制作方法

本发明属于岩土工程试验技术领域，具体涉及一种用于相似材料试验的模型桩制备装置及模型桩。

背景技术：

相似材料模型试验是研究桩的承载力、变形规律、桩‐土相互作用机理等的重要手段，可以为工程设计提供重要的参考。模型桩须按照相似理论制作，以保证模型试验现象与工程实际相符。

目前，利用模型试验的方式开展桩基础的研究较为普遍。在现有技术中，模型桩大多通过钢管、铜管、PVC管直接模拟，替代钢筋混凝土材料。还有一些模型桩虽然是采用模拟混凝土浇筑，但是制作模型桩的模具大多通过PVC管材对称开瓣制作，将PVC管切割为两个半圆形圆筒，再拼接成模具。因此，现有技术中还存在以下不足：

(1)钢管、铜管、PVC管直接模拟的模型桩，由于钢、铜、PVC材料为弹性材料，不能模拟随着荷载的增加，钢筋混凝土从弹性工作阶段、带裂缝工作阶段到破坏阶段变化的全过程，难以展现工程中桩的变形破坏机理。

(2)PVC模型桩模具，模具内径小于PVC管材标称直径，模型桩直径偏小，切割时由于管壁材料损失，再拼接所得的模具横截面并非圆形，拼接主要是用胶带、扎带捆绑，浇筑时容易造成漏浆，且拆模不方便。

(3)模型桩的尺寸受到PVC管材尺寸的限制，不能根据需要随意调整。

(4)模型桩材料没有严格按照相似理论进行配比，模型材料与原型材料性能不存在相似关系。

技术实现要素：

针对现有技术中存在的以上不足，本发明的目的在于提供一种用于相似材料试验的模型桩制备装置及模型桩，解决现有技术中模型桩模具尺寸受限、易损、拆模困难，解决模型桩材料性能与原型桩不存在相似关系的问题。

根据本公开的一个方面，提供一种用于相似材料试验的模型桩制备装置，包括管状的桩身，所述桩身包括：主管壁、与所述主管壁可拆卸连接的副管壁，所述模型桩制备装置还包括：设置于所述桩身顶端的顶端头、设置于所述桩身底端的底端头，所述顶端头与所述桩身的顶端可拆卸连接，所述底端头与所述桩身的底端可拆卸连接，所述顶端头上设置有注浆孔，所述注浆孔用于向所述桩身内注入混凝土浆料。

具体的，所述顶端头边缘外围设置第一螺栓孔，所述底端头的边缘外围设置第二螺栓孔；所述主管壁、副管壁均为弧形壁，所述主管壁、副管壁的侧边外围设置相对应的第五螺栓孔，所述主管壁、副管在壁沿着所述桩身的轴向可拆卸连接；所述主管壁、副管壁的两端外围分别设有与顶端头、底端头上的螺栓孔的位置相对应的第三螺栓孔和第四螺栓孔，所述顶端头、底端头与桩身用螺栓进行可拆卸连接。

进一步的，所述主管壁、所述副管壁采用的材料为可弯曲的钢板。

具体的，所述顶端头上设置有第一钢筋孔，所述底端头上设置有与所述第一钢筋孔相对应的第二钢筋孔，所述第一钢筋孔、与所述第一钢筋孔相对应的所述第二钢筋孔用于穿过同一根钢筋。

进一步的，所述模型桩制备装置还包括：与所述顶端头连接的用于固定钢筋的第一钢筋固定件和/或与所述底端头连接的用于固定钢筋的第二钢筋固定件。

具体的，所述第一钢筋固定件包括：第一连接件、第一钢筋固定环，所述第一钢筋固定环通过所述第一连接件与所述顶端头连接，所述第一钢筋固定环上设置有用于穿过钢筋的第三钢筋孔，所述第一钢筋固定环用于固定或卡住对于钢筋进行捆绑的第一捆绑件。

具体的，所述第二钢筋固定件包括：第二连接件、第二钢筋固定环，所述第二钢筋固定环通过所述第二连接件与所述底端头连接，所述第二钢筋固定环上设置有用于穿过钢筋的第四钢筋孔，所述第二钢筋固定环用于固定或卡住对于钢筋进行捆绑的第二捆绑件。

进一步的，所述第一钢筋固定环的内径大于所述顶端头的直径和/或所述第二钢筋固定环的内径大于所述底端头的直径。

进一步的，所述第一钢筋孔、所述第二钢筋孔、所述第三钢筋孔、所述第四钢筋孔的数目相同，具体数目是根据原型桩的数目确定的。

进一步的，所述模型桩制备装置还包括：与所述底端头的第二钢筋固定环连接的支撑架，所述支撑架用于支撑所述底端头，以便使模型桩制备装置放置更稳固。

本公开所述的用于相似材料试验的模型桩制备装置采用钢板弯制而成，形状大小可以根据需求自由调整，精确度高，且不易损坏，可以重复使用；设置钢筋孔，可以安放钢筋笼；采用螺栓连接方式，使模型桩制备装置安装和脱模更方便。

根据本公开的另一个方面，提供一种模型桩，包括混凝土、钢筋，按照相似理论计算模型桩弹性模量和配筋率，采用高强石膏、建筑石膏、水和铁丝制备钢筋混凝土相似材料，采用以上所述的模型桩制备装置制作模型桩，将钢筋设置于混凝土内。

所述钢筋包括纵筋和箍筋，纵筋穿过顶端头和底端头的第一钢筋孔和第二钢筋孔，两端分别固定在第一钢筋固定环和第二钢筋固定环，箍筋绑扎在纵筋上，纵筋和箍筋相互交错构成钢筋笼，。

纵筋和箍筋的数量、直径和间距根据原型桩的配筋率，按照相似理论计算得出。

所述钢筋笼所用的纵筋和箍筋可以采用铁丝模拟。

所述混凝土是采用高强石膏、建筑石膏和水按一定的配比制备而成的模拟混凝土，该配比采用正交试验法确定，使模型混凝土的材料性能与原型混凝土的材料性能符合相似理论。

通过本发明中的用于相似材料试验的模型桩制备装置制备出模型桩后，可以直接将主管壁、副管壁、顶端头、底端头拆卸开，模型桩脱模简单，模具无损，可以重复使用，且通过注浆孔注入浆料形成的模型桩与原型桩材料在性能上存在相似关系，有利于展现工程中桩的变形破坏过程。

附图说明

图1为本发明实施例1中用于相似材料试验的模型桩制备装置的结构示意图。

图2为本发明实施例1中的顶端头的结构示意图。

图3为本发明实施例1中的底端头的结构示意图。

图4为本发明实施例1中的主管壁的结构示意图。

图5为本发明实施例1中的副管壁的结构示意图。

图6为本发明实施例2中的钢筋笼绑扎结构示意图。

图7为本发明实施例2中的钢筋笼绑扎结构的局部放大图。

图8为本发明实施例2中的钢筋笼的结构示意图。

图9为本发明实施例2中的模型桩示意图。

图中：1‐顶端头；2‐底端头；3‐主管壁；4‐副管壁；5‐注浆孔；61‐第一钢筋孔；62‐第二钢筋孔；63‐第三钢筋孔；64‐第四钢筋孔；71‐第一钢筋固定件；711‐第一连接件；721‐第一钢筋固定环；72‐第二钢筋固定件；712‐第二连接件；722‐第二钢筋固定环；81‐第一螺栓孔；82‐第二螺栓孔；83‐第三螺栓孔；84‐第四螺栓孔；85‐第五螺栓孔；9‐支撑架；10‐纵筋；11‐箍筋；12‐钢筋笼；13‐模型桩；14第一捆绑件；15‐第二捆绑件。

具体实施方式

为了使本技术领域的技术人员能更好的理解本发明，下面将结合本发明的附图和具体实施例，对本发明作进一步清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例只是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。

由于现有技术中模型桩的制备装置存在尺寸受PVC管大小的限制，不能随意调整尺寸大小，且精确度低，易损坏，安装和脱模不方便等问题，因此本发明提供一种用于相似材料试验的模型桩制备装置，包括管状的桩身，

所述桩身包括：主管壁、与所述主管壁可拆卸连接的副管壁、设置于所述桩身顶端的顶端头、设置于所述桩身底端的底端头，所述顶端头与所述桩身的顶端可拆卸连接，所述底端头与所述桩身的底端可拆卸连接，所述顶端头上设置有注浆孔，所述注浆孔用于向所述桩身内注入混凝土浆料，所述顶端头上设置第一钢筋孔，所述底端头上设置与所述顶端头上第一钢筋孔相对应的第二钢筋孔；

相应的，本发明还提供一种模型桩，包括混凝土、钢筋，采用上述的制备装置制作，将钢筋设置于混凝土内。

实施例1

如图1～5所示，本实施例提供一种用于相似材料试验的模型桩制备装置，包括：管状的桩身，桩身包括：主管壁3、与主管壁3可拆卸连接的副管壁4，模型桩制备装置还包括：设置于桩身顶端的顶端头1、设置于桩身底端的底端头2，顶端头1与桩身的顶端可拆卸连接，底端头2与桩身的底端可拆卸连接，顶端头1上设置有注浆孔5，注浆孔5用于向桩身内注入混凝土浆料。

需要说明的是，本实施例中主管壁3、副管壁4均为弧形壁，主管壁3、副管壁4沿着桩身的轴向可拆卸连接。

需要说明的是，顶端头1上设置有第一钢筋孔61，底端头2上设置有与第一钢筋孔61相对应的第二钢筋孔62，第一钢筋孔61、与第一钢筋孔61相对应的第二钢筋孔62用于穿过同一根钢筋。

具体的，如图2所示，本实施例中在顶端头1的中心位置设置注浆孔5，注浆孔5的直径大小可以根据模型桩的直径大小进行调整，以便浇筑操作。桩身内设置钢筋，钢筋包括纵筋10和箍筋11，通过将纵筋10、箍筋11进行捆绑形成钢筋笼12，钢筋在桩身内沿着桩身轴向排布的为纵筋10，沿着桩身径向排布的为箍筋11。具体的，本实施例中纵筋穿过第一钢筋孔61、第二钢筋孔62。注浆孔5和顶端头1的边缘之间设置第一钢筋孔61，第一钢筋孔61的数量根据原型桩的纵筋数确定，第一钢筋孔61的直径要大于等于纵筋10的直径，为纵筋10的直径的1.5倍，这样便于放置钢筋笼12结构的纵筋10。

优选的是，用于相似材料试验的模型桩制备装置还包括：与所述顶端头1连接的用于固定钢筋的第一钢筋固定件71和/或与所述底端头2连接的用于固定钢筋的第二钢筋固定件72。

具体的，本实施例中用于相似材料试验的模型桩制备装置包括：与顶端头1连接用于固定钢筋的第一钢筋固定件71，第一钢筋固定件包括第一连接件711和第一钢筋固定环721，第一钢筋固定环721通过第一连接件711与顶端头1连接，第一钢筋固定环721上设置有用于穿过钢筋的第三钢筋孔63，第一钢筋固定环721用于固定或卡住对于纵筋10进行捆绑的第一捆绑件14。

优选的是，所述第一钢筋固定环721的内径大于所述顶端头1的直径和/或所述第二钢筋固定环722的内径大于所述底端头2的直径。

需要说明的是，本实施例中第一钢筋固定环721的内径大于顶端头1的直径，这样便于浇筑混凝土和固定纵筋10等操作，因为当原型桩的钢筋数量比较多，而模型桩13的直径较小时，第一钢筋固定环721上设置与第一钢筋孔61相对应的第三钢筋孔63，用于放置和固定钢筋笼12结构的纵筋10，便于纵筋10的固定。

顶端头1的边缘外围设置第一螺栓孔81，第一螺栓孔81的数量为四个，也可以根据模型桩13的直径大小进行调整，第一螺栓孔81均匀分布在顶端头1的边缘外围，顶端头1与桩身通过螺接的方式连接，便于模型桩制备装置的安装和脱模操作。

具体的，如图3所示，在底端头2设置与第一钢筋孔61相对应的第二钢筋孔62，第一钢筋孔61、第二钢筋孔62用于穿过同一根纵筋。底端头2的边缘外围设置第二螺栓孔82，数量为四个，均匀分布在底端头2的边缘外围，底端头2与桩身通过螺接的方式连接。

进一步的，本实施例中的用于相似材料试验的模型桩制备装置还包括：与底端头2连接用于固定钢筋的第二钢筋固定件72，第二钢筋固定件72包括：第二连接件712、第二钢筋固定环722，第二钢筋固定环722通过第二连接件712与底端头2连接，第二钢筋固定环722上设置有用于穿过钢筋的第四钢筋孔64，第二钢筋固定环722用于固定或卡住对于钢筋进行捆绑的第二捆绑件15，第一捆绑件14和第二捆绑件15采用刹车线紧固螺栓。

具体的，本实施例中第二钢筋固定环72的内径大于底端头2的直径，这样有利于增加将整个模型桩制备装置竖直放置时的稳定性。

需要说明的是，本实施例中底端头2上还设置了支撑架9，用于支撑底端头2，支撑架9连接在第二钢筋固定环722上，支撑架9为三脚的支撑架，以便获得更好的稳定性。

需要说明的是，本实施例中第一钢筋孔61、第二钢筋孔62、第三钢筋孔63、第四钢筋孔64的数目相同，孔径相同，孔径为纵筋直径的1.5倍。

具体的，如图4所示，主管壁3的两端外围分别设置与顶端头1和底端头2相对应的第三螺栓孔83，数量为三个，用于连接顶端头1和底端头2；主管壁3的侧边外围设置第五螺栓孔85，第五螺栓孔85的间距为20～30cm，这样有利于使主管壁3和副管壁4连接更紧密，防止漏浆。

进一步的，如图5所示，副管壁4的两端也分别设置与顶端头1和底端头2相对应的第四螺栓孔84，数量为一个，用于连接顶端头1和底端头2；副管壁4的侧边外围设置与主管壁3侧边外围的第五螺栓孔85位置相对应的第五螺栓孔85。

主管壁3和副管壁4的侧边通过第五螺栓孔85用螺栓连进行可拆卸连接，构成桩身，顶端头1、底端头2分别与桩身的两端通过对应的螺栓孔用螺栓进行可拆卸连接，构成模型桩制备装置。

需要说明的是，本实施例中主管壁3和副管壁4采用的材料为可弯曲的钢板，也可以采用其他与钢板性能类似的材料，这样就不易于损坏，可以重复使用。模型桩制备装置的尺寸大小根据原型桩按相似理论计算确定，尺寸大小可以根据需求进行任一调整，可以提高尺寸大小的精确度。

本实施例中的用于相似材料试验的模型桩制备装置，采用钢板弯制而成，形状大小可以根据需求自由调整，精确度高，且不易损坏，可以重复使用；设置钢筋孔，使钢筋可以均匀分布，避免浇筑的模型桩发生开裂或断桩现象；采用螺栓连接方式，使模型桩制备装置安装和脱模更简单方便。

实施例2

如图6～9所示，本实施例提供一种模型桩，按照相似理论计算模型桩弹性模量和配筋率，采用高强石膏、建筑石膏、水和铁丝制备钢筋混凝土相似材料，包括混凝土和钢筋，采用实施例1中的制备装置制作，将钢筋设置于混凝土内。

具体的，混凝土采用高强石膏和建筑石膏混合模拟混凝土，混凝土中的高强石膏、建筑石膏、水的配比，是根据相似理论计算相似材料试验中模拟混凝土的弹性模量、抗拉强度、抗压强度，再经过试验确定的；钢筋的直径是根据相似理论和工程原型桩计算确定的。

具体的，如图6、图7、图8所示，所述钢筋包括纵筋10和箍筋11，纵筋10和箍筋11相互交错构成钢筋笼12，将纵筋10依次穿过第一钢筋固定环721上的第三钢筋孔63、顶端头1上的第一钢筋孔61、底端头2的第二钢筋孔62和第二钢筋固定环722上的第四钢筋孔64，绷紧，纵筋10的两端用第一捆绑件14和第二捆绑件15分别固定在第一钢筋固定环721和第二钢筋固定环722上的，每隔一段距离，用箍筋11绑扎在纵筋10上，纵筋10和箍筋11采用铁丝等材料模拟钢筋。

本实施例2中模型桩的具体制作步骤如下：

(1)根据相似理论和工程原型桩，计算模型尺寸以及模型混凝土的弹性模量、抗拉强度、抗压强度和模型钢筋的直径；

(2)运用正交试验法，通过试验确定高强石膏、建筑石膏和水的比例，使模型混凝土的弹性模量、抗拉强度和抗压强度满足工序(1)的计算结果；

(3)根据模型尺寸制作模型桩制备装置，在顶端头1和底端头2上预留第一钢筋孔61和第二钢筋孔62用于放置和固定钢筋笼12上的纵筋10，第一钢筋孔61和第二钢筋孔62的数量与原型桩纵筋数量相同，孔洞直径为工序(1)计算得出的模型钢筋直径的1.5倍；

(4)将锂基脂与机油以1.5:1的比例均匀混合在一起制成脱模剂，均匀涂抹在顶端头1、底端头2、主管壁3和副管壁4的内表面；

(5)将顶端头1、底端头2用螺栓固定在主管壁3和副管壁构成的圆柱形桩身的两端。

(6)在纵筋10的一头安装刹车线紧固螺栓，将纵筋10的另一头从底端头2穿入，从顶端头1穿出，绷紧，安装刹车线紧固螺栓固定；

(7)绑扎模型箍筋11；

(8)将副管壁4用螺栓与顶端头1、底端头2和主管壁3用螺栓连接；

(9)在模板缝隙处涂抹快干型玻璃胶；

(10)待快干型玻璃胶干燥后，浇筑石膏浆，一边浇筑，一边用铁棍敲击模板振捣；

(11)待石膏干燥后，将模板平放，从顶端头1和底端头2处剪断模型钢筋，按照副管壁4、顶端头1和底端头2、主管壁3的顺序依次拆除模板，得到模型桩13；

(12)重复工序(4)～工序(11)完成剩余模型桩的制作，保证模型桩的数量满足相似材料模型试验要求。

本实施例中的模型桩，通过将钢筋设置于混凝土内构成钢筋笼结构，使得模型桩不易开裂和断桩，浇筑材料采用的是通过相似理论计算和试验确定的模拟混凝土，与原型桩材料在性能上存在相似关系，有利于展现工程中桩的变形破坏过程。

可以理解的是，以上所述仅为本发明的优选实施例而已，然而本发明并不局限于此。对于本领域的普通技术人员而言，在不脱离本发明的精神和实质的情况下，可以做出各种变型和改进，这些变形和改进也视为本发明的保护范围。