一种用于模拟随钻跟管桩桩侧注浆的实验装置的制作方法

本发明属于岩土工程桩基模型试验技术领域，具体涉及一种用于模拟随钻跟管桩桩侧注浆的实验装置。

背景技术：

桩基础作为高层建设的基础在城市化进程的飞速前进中发挥着不可替代的作用，经济环保的高强度混凝土管桩(phc管桩)克服了传统的钢桩存在成本较高、耐腐蚀性差，钻(冲)孔灌注桩存在成桩质量不易控制、容易塌孔、施工中会产生大量的泥浆容易造成环境污染等问题，但是目前phc管桩的沉桩方法主要采用静压法和锤击法，沉桩阻力较大且容易造成桩身损伤和噪音污染，这使得高强度phc管桩的应用范围受限(一般适用直径为300mm到600mm，一般适用于沉桩阻力较小的软弱土层)。

一种随钻跟管桩机及随钻跟管桩施工方法(zl201210022133.x)解决了上述问题，随钻跟管桩(drillingwithphcpipecasedpile，简称dpc桩)是一种边钻孔-边沉桩-边排土的非挤土大直径phc管桩基础(直径800mm-1400mm)，钻孔半径较管桩半径大10mm左右，管壁与桩周土不会直接接触，而是通过后续灌注水泥浆或水泥砂浆的方式进行填充以提高桩侧摩阻力，从而提高承载力，因此注浆效果是此类桩基础承载力和抗震性能的关键因素。注浆工艺的优化对注浆效果起到了决定性作用，最终影响dpc桩侧摩阻力的发挥，但现场开展大规模注浆试验优化注浆工艺是不现实的，所以开展dpc桩桩侧注浆工艺优化的物理模拟试验显得尤为重要。

技术实现要素：

为了克服现有技术的不足，本发明提供一种用于模拟随钻跟管桩桩侧注浆的实验装置，该实验装置可模拟真实地层环境，以测试不同注浆工艺参数对注浆效果的影响。

为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种用于模拟随钻跟管桩桩侧注浆的实验装置，包括模型箱系统、加载系统、供水系统、注浆系统；所述模型箱系统包括模型箱、止浆板、底端密封的模型桩；所述模型箱的侧壁上设置有若干箱进水口和箱出水口，所述供水系统的出水口与所述箱进水口连通；所述模型箱内填充有土体，所述土体内设置有模拟钻孔，所述模拟钻孔的直径大于所述模型桩的直径；所述模型桩同轴设置在所述模拟钻孔内，所述模型桩上设置有若干用于向所述间隙注浆的注浆孔，所述注浆系统的出浆口与所述注浆孔连通；所述止浆板上设置有与所述模型桩相适应的通孔，所述止浆板通过所述通孔套设在所述模型桩的上端以密封所述模型桩和所述土体之间的间隙；

所述加载系统包括用于向所述土体施加压力的围压分装置、用于向所述模型桩施加压力的轴压分装置、若干应变片；所述围压分装置设置在所述模型箱的顶端且位于所述模型桩两侧，所述轴压分装置设置在所述模型桩的顶端，所述应变片贴设在所述模型桩的外侧壁上。

与现有技术相比，本发明通过设置模型箱系统，以搭设随钻跟管桩桩侧注浆现场，通过设置加载系统模拟覆土压力，通过供水系统模拟地下流水，加载系统施于的不同压力和供水系统的提供的供水压可以较真实的模拟地层环境，调节注浆系统的注浆参数，即可获得不同注浆工艺参数下的注浆体，获取加载系统施加在模型桩上的压力与应变片采集的模型桩桩身应变关系曲线，即可计算出随钻跟管桩的承载力和摩阻力，从而评判注浆效果。

作为优选，所述注浆系统包括储浆池、用于将所述储浆池内的浆液注入到所述间隙内注浆机；还包括控制阀门，所述控制阀门设置在所述储浆池的出口与所述注浆孔连通的注浆管上。

作为优选，所述注浆系统还包括调压阀门和压力表，所述调压阀门设置在所述储浆池与所述控制阀门之间的所述注浆管上，所述压力表设置在所述调压阀门与所述控制阀门之间的所述注浆管上。

作为优选，所述加载系统还包括用于检测所述土体内压力值的第一压力检测器和用于检测加载在所述模型桩上的压力值的第二压力检测器，所述第一压力检测器设置在所述土体的上端和下端且正对所述围压分装置，所述第二压力检测器设置所述模型桩的顶端和底端正对所述轴压分装置。

作为优选，所述模型箱的底板上设置有传感孔，所述模型箱的底板下设置有感应垫，所述第二压力检测器设置在所述感应垫上且位于所述传感孔内。

作为优选，所述加载系统还包括反力架，所述围压分装置包括第一千斤顶，所述轴压分装置包括第二千斤顶，所述反力架设置在所述模型箱的顶端，所述第一千斤顶的两端分别抵接所述反力架和所述模型箱，所述第二千斤顶的两端分别抵接所述反力架和所述模型箱。

作为优选，所述模型桩包括若干个，每个所述模型桩上的所述注浆孔的数量不同或孔径不同或与所述模型桩顶端的距离不同。

作为优选，所述成孔桶包括若干个，每个所述成孔桶的直径不同。

作为优选，所述止浆板包括第一分板和第二分板，所述第一分板设置有第一半圆弧，所述第一分板上且位于所述第一半圆弧的两侧设置有第一螺纹孔，所述第二分板上对应所述第一半圆弧和所述第一螺纹孔分别设置有第二半圆弧和第二螺纹孔，所述第一分板和所述第二分板通过螺栓固定在所述模型桩上。

作为优选，所述模型箱的侧壁与所述土体之间均匀的铺设透水石层。

附图说明

现结合附图与具体实施例对本发明作进一步说明：

图1是本发明的结构示意图；

图2是本发明的模型箱的底板的结构示意图；

图3是本发明的模型箱的侧板的结构示意图；

图4是本发明的模型桩及注浆管的结构示意图；

图5是本发明的成孔桶的结构示意图；

图6是本发明的止浆板的结构示意图。

图中：

1、注浆机，2、储浆池，3、调压阀门，4、压力表，5、控制阀门，6、注浆管，7、第一千斤顶，8、上部压力传感器，9、反力架，10、第二千斤顶，11、上部土压力盒，12、止浆板，13、箱出水口，14、模型桩，15、间隙，16、浆液扩散轨迹，17、下部注浆孔，18、下部土压力盒，19、底板，20、泡沫垫，21、下部压力传感器，22、侧板，23、混凝土封层，24、中部注浆孔，25、注浆体，26、土体，27、鹅卵石层，28、应变片，29、箱进水口，30、传感孔，31、成孔桶，32、长螺丝，33、螺丝孔，34、半圆孔。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1～6所示，本实施例公开一种用于模拟随钻跟管桩桩侧注浆的实验装置，包括模型箱系统、加载系统、供水系统、注浆系统；所述模型箱系统包括模型箱、止浆板12、底端密封的模型桩14；所述模型箱的侧壁上设置有若干箱进水口29和箱出水口13，所述供水系统的出水口与所述箱进水口29连通；所述模型箱内填充有土体22，所述土体22内设置有模拟钻孔，所述模拟钻孔的直径大于所述模型桩14的直径；所述模型桩14同轴设置在所述模拟钻孔内，所述模型桩14上设置有若干用于向所述间隙15注浆的注浆孔；所述注浆系统的出浆口与所述注浆孔连通；所述止浆板12上设置有与所述模型桩14相适应的通孔，所述止浆板12通过所述通孔套设在所述模型桩14的上端以密封所述模型桩14和所述土体26之间的间隙15；所述加载系统包括用于向所述土体26施加压力的围压分装置、用于向所述模型桩14施加压力的轴压分装置、若干应变片28；所述围压分装置设置在所述模型箱的顶端且位于所述模型桩14两侧，所述轴压分装置设置在所述模型桩14的顶端，所述应变片28贴设在所述模型桩14的外侧壁上。

其中，所述注浆系统包括储浆池2、用于将所述储浆池2内的浆液注入到所述间隙15内注浆机1、控制阀门5、调压阀门3和压力表4；所述控制阀门5设置在所述储浆池2的出口与所述注浆孔连通的注浆管6上，所述调压阀门3设置在所述储浆池2与所述控制阀门5之间的所述注浆管6上，所述压力表4设置在所述调压阀门3与所述控制阀门5之间的所述注浆管6上；注浆机1优选为空气压缩机；

在本实施例中，还包括直径大于所述模型桩14的成孔桶31；所述模型箱内填充有土体26，所述模型箱内填土时所述成孔桶31设置在模型箱内以使所述成孔桶31抽离时所述土体26内形成所述模拟钻孔；

所述模型桩14包括若干个，每个所述模型桩14上的所述注浆孔的孔径不同或与所述模型桩14顶端的距离不同；所述成孔桶31包括若干个，每个所述成孔桶31的直径不同；

在本实施例在止浆板12和模型桩14之间设置有密封圈，密封圈上设置有若干个细小的针孔状微孔，针孔状微孔可在注浆时排出间隙里的空气，并对水泥浆进行憋压。

与现有技术相比，本发明通过设置模型箱系统，以搭设随钻跟管桩桩侧注浆现场，通过设置加载系统模拟覆土压力，通过供水系统模拟地下流水，加载系统施于的不同压力和供水系统的提供的供水压可以较真实的模拟地层环境；在本实施例通过调压阀门3、压力表4以及止浆板12调节注浆的压力；通过控制控制阀门5正常打开或以一定的频率通断，以模拟静压注浆或脉动注浆等；进而实现调节注浆系统的注浆参数，通过获得不同注浆工艺参数下的注浆体25，获取加载系统施加在模型桩14上的压力与应变片28采集的模型桩14桩身应变关系曲线，即可计算出随钻跟管桩的承载力和摩阻力，从而评判注浆效果。

在本实施例中，所述加载系统还包括用于检测所述土体26内压力值的第一压力检测器和用于检测加载在所述模型桩14上的压力值的第二压力检测器，所述第一压力检测器设置在所述土体26的上端和下端且正对所述围压分装置，所述第二压力检测器设置所述模型桩14的顶端和底端且正对所述轴压分装置。

在本实施例中，所述加载系统还包括反力架9，所述围压分装置包括第一千斤顶7，所述轴压分装置包括第二千斤顶10，所述反力架9设置在所述模型箱的顶端，所述第一千斤顶7的两端分别抵接所述反力架9和所述模型箱，所述第二千斤顶10的两端分别抵接所述反力架9和所述模型箱。其中，第一千斤顶7和第二千斤顶10都为高精度千斤顶。

在本实施例中，所述第一压力检测器为压力盒，所述第二压力检测器为压力传感器，压力盒分别设置在模型箱的上端土体26内和下端土体26内，且正对第一千斤顶7；模型箱的底板19上设置有传感孔30，所述模型箱的底板19下设置有感应垫，所述第二压力检测器设置在所述感应垫上且位于所述传感孔30内，所述第二压力检测器还设置在第二千斤顶10和模型桩14之间。感应垫优选为圆形泡沫垫20，第二压力检测器优选为圆形压力传感器。

在本实施例中，所述模型箱的侧壁与所述土体26之间均匀的铺设透水石层，进一步的，该透水石层为鹅卵石层27。

在本实施例中，所述止浆板12包括第一分板和第二分板，所述第一分板设置有第一半圆弧，所述第一分板上且位于所述第一半圆弧的两侧设置有第一螺纹孔，所述第二分板上对应所述第一半圆弧和所述第一螺纹孔分别设置有第二半圆弧和第二螺纹孔，所述第一分板和所述第二分板通过螺栓固定在所述模型桩14上。

在本实施例的模型箱为长方形，长宽高分别为1m、1m和1.2m，模型箱的底部是3cm厚的钢板，即底板19，底板19中心钻直径为22cm的传感孔30，以便放置圆形泡沫垫20和圆形压力传感器(即下部压力传感器21)；

模型箱的四周有4块3cm厚的钢板组成，即四块侧板22，每块侧板22上对称布置6个直径为3cm的箱出水口13/箱进水口29，模型箱内顺着四周的侧板22铺一层厚度为3-5cm、直径为1-2cm的鹅卵石层27，以均匀分散箱进水口29和箱出水口13的水压，通过调节箱进水口29处水压的大小，以模拟真实地层中的水流速度；

模型箱的顶部为十字反力架9，以便配合第一千斤顶7施加轴向反向载荷，通过控制反向载荷的大小，以模拟不同深度地层的覆土压力；

模型桩14是外径为18cm内径为16cm的聚氯乙烯管(即polyvinylchlorid管，简称pvc管)，管长为0.8m，在模型桩14桩侧不同位置钻圆孔(圆孔直径1-3cm)，以模拟注浆孔，从模型桩14桩芯分别下放与该注浆孔的孔径相同的硅胶管，并将硅胶管与注浆孔粘结，以模拟注浆管6，通过改变注浆孔的直径、数量和位置，以模拟真实注浆工艺中出浆口的数量、直径和位置；

在模型桩14距离下端0cm、10cm、20cm、30cm、40cm、50cm、60cm、70cm、80cm处贴应变片28(型号优选为120-1aa型应变片)，圆形泡沫和圆形压力传感器放置在模型箱的底部的22cm的圆孔内，在模型箱内进行分层压实填土，当填土厚度达到10cm后，在距离模型箱侧边各25cm和30cm处对称布置两个下部土压力盒18，以方便后期测量底部位置的土体26压力，随后将成孔桶31(直径18-20cm)放置在下部压力传感器21的正上方，继续填土，填土厚度达到80cm后，以同样的方式在距离模型箱侧边各25cm和30cm处对称布置两个下部土压力盒18，以方便后期测量土体26上部位置的土体26压力；

拔出成孔桶31，这样在土体26中形成了一个直径为18-20cm模拟钻孔，随后将模型桩14(直径18cm)放入模拟钻孔中，通过改变成孔桶31的直径，可以实现在孔内模型桩14和土体26之间的距离为0-10mm，通过这种方式可以模拟由于侧向土压力造成的缩孔现象；

将止浆板12连接在距离桩身顶端10cm处，然后继续填土，填土总厚度达到88cm后终止填土，止浆板12由两块长宽高分别为40cm、20cm和2cm钢板组成，每块钢板在边长为40cm的一边钻直径为18.2cm的半圆孔34，略大于模型桩14的直径(18cm)，该圆孔和模型桩14之间采用密封圈密封，密封圈上有若干细小的针孔状微孔，以便注浆时排出空气，并对水泥浆进行憋压，以模拟不同注浆压力作用；

填土工作完成后，通过顶部的十字反力架9和第一千斤顶7施加载荷，通过上部土压力盒11和下部土压力盒18的读数控制载荷大小，以模拟不同深度地层的覆土压力；通过所述模型箱侧壁上设置的若干箱进水口29和箱出水口13以及所述供水系统提供不同压力和流速的水流，以模拟地层中的水环境；

将注浆管6外接控制阀门5、压力表4、调压阀门3、储浆池2和空气压缩机，通过空气压缩机提供压力进行注浆，通过调压阀门3控制注浆压力的大小，以模拟静压注浆过程，通过调控控制阀门5开启和闭合的频率，以模拟注浆频率，实现模拟脉动注浆工艺；待浆液完全凝固后，在桩顶放置圆形的上部压力传感器8，通过第二千斤顶10施加轴向载荷，开展随钻跟管桩的静载试验，获得轴力-位移曲线，从而评价注浆效果。

本实施例可用来模拟地下水流速度、覆土压力、出浆口的位置数量直径、缩孔现象、静压注浆、脉动注浆等不同注浆工艺和参数对注浆效果的影响，可以较为真实的模拟地层环境，提高了本发明的实用性；本发明通过设置止浆板12等方式控制注浆压力，实现了高压注浆、定压注浆，为随钻跟管桩的注浆材料和注浆工艺的优化，提供了有力的支撑；本发明不仅适用于天然土体26注浆模拟，也可用于其他人工填土工程，解决了目前无法精细化模拟随钻跟管桩相关注浆工艺的难题。本发明的装置加工成本低、使用方便、加工技术简便、结构简单、安全性能好、较轻便易搬运。

本实施例的装置能实现底部和中部同时脉动注浆施工工艺模拟，具体步骤如下：

(1)、制作模型箱，将模型箱制作成长方形，模型箱的长宽高分别为1m、1m和1.2m，模型箱底板19为3cm厚的钢板，底板19中心钻直径为22cm的传感孔30，模型箱的四周有4块3cm厚的钢板22组成，即四块侧板22，每块侧板2222上对称布置6个直径为3cm的模出水口/模进水口，顺着侧板22的四周铺一层厚度为3-5cm、直径为1-2cm的鹅卵石层27，将模型箱的顶部的十字反力架9搁置一旁备用；

(2)选择模型桩14，选择外径为18cm、内径为16cm、长度为0.8m的聚氯乙烯管(即polyvinylchlorid管，简称pvc管)作为模型桩14，在桩底5cm、35cm处钻直径为1.5cm的注浆孔，以模拟模型桩14下部和中部同时注浆的下部注浆孔17和中部注浆孔24，将注浆孔与同直径的注浆管6(硅胶管)连接，注浆管6从桩芯内穿出，为了防止注浆液从模型桩14底部流进桩芯，从而导致浆液压力降低造成注浆失败，将模型桩14底部进行混凝土封底(即混凝土封层23)，待混凝土封层23凝固后，在模型桩14距离下端0cm、10cm、20cm、30cm、40cm、50cm、60cm、70cm、80cm处贴应变片28(型号优选为120-1aa型应变片)，并采用ab胶进行密封处理，将处理好的模型桩14放置一旁备用；模型桩14上的注浆孔使得水泥浆以渗透、挤密和劈裂等最好的组合方式充填周围土体26，以提高侧摩阻力；图中通过箭头表示浆液扩散轨迹16。

(3)填土，将圆形的下部压力传感器21放置在模型箱底板19中的圆孔内并垫在圆形泡沫垫20上，然后填土，填土厚度达到10cm后，在距离模型箱侧边为25cm和30cm处对称布置两个下部土压力盒18，随后将外径为20cm的成孔桶31放置在圆形的下部压力传感器21的正上方，继续填土，填土厚度达到80cm后(此时土层距离桩底高度为70cm)，以同样的方式在距离模型箱侧边为25cm和30cm处对称布置两个上部土压力盒11；

(4)拔出成孔桶31，此时在土体26中形成了一个直径为20cm模拟钻孔，模拟钻孔直径大于模型桩14的直径(18cm)，随后将模型桩14放入该圆孔中，经计算，模型桩14和周围土体26之间的间距为1cm，此时土体26距离模型桩14顶端的距离为10cm；

(5)放置止浆板12，止浆板12由两块长宽高分别为40cm、20cm和2cm的钢板以及长螺丝32、螺丝孔33、半圆孔34组成，每块钢板在边长为40cm的一边钻直径为18.2cm的半圆孔34，略大于模型桩14的直径(18cm)，将止浆板12与模型桩14连接，并通过密封圈密封，密封圈上布置细小的针孔状微孔，以便注浆时排出空气，并对水泥浆进行憋压，以模拟不同注浆压力作用，继续填土至模型桩14桩顶处；

(6)施加围压，通过第一千斤顶7向土体26压力，通过土压力盒的读数控制第一千斤顶7向土体26施加压力的大小，拟模拟地层60米深度的地层压力(约0.8mpa)；

(7)模拟地下水，将箱进水口29外接水源，待箱出水口13水流速度达到稳定后，可开展下一步工作；

(8)接注浆管6，将2根注浆管6分别接两个注浆机1，即将注浆管6依次连接控制阀门5、压力表4、调压阀门3、储浆池2和多功能水泥注浆机1，以同样的方式连接另外一根注浆管6；

(9)开展注浆试验，启动多功能水泥注浆机1，打开调压阀门3，待压力表4压力达到1mpa时，打开控制阀门5进行注浆，为了模拟脉动注浆过程，每隔20s开关一次控制阀门5，当注浆压力表4的压力不再下降后，注浆结束，将储浆池2中剩余的浆液制备成70*70*70的混凝土试块，备用；

(10)注浆体25养护，注浆结束后，注浆体25和上述70*70*70的混凝土试块均自然养护28天，然后开展混凝土试块强度测试，达到规定强度后，开展下一步试验，否则继续养护；

(11)随钻跟管桩的静载试验，待注浆体25达到一定强度后，开展随钻跟管桩的静载试验研究，通过轴向的第二千斤顶10施加轴向载荷，通过上部压力传感器8和下部压力传感器21采集模型桩14上部和下部的荷载，通过桩身应变片28采集桩身应变，获得随钻跟管桩的静载试验的荷载位移曲线(q-s曲线)，通过计算获得随钻跟管桩的承载力和侧摩阻力，从而评判注浆效果。

本发明可以实现多功能注浆的模型箱，并给出了具体的注浆方法，并且通过改变土层土体26的种类，可以实现模拟真实的地层环境，使得随钻跟管桩桩侧注浆工艺的优化成为了可能，节约了注浆成本，提高了注浆质量，从而通过室内试验指导现场注浆，促进了大直径钻跟管桩的推广。本发明步骤明确，简单易行，费用低，效率高。

本发明并不局限于上述实施方式，如果对本发明的各种改动或变型不脱离本发明的精神和范围，倘若这些改动和变型属于本发明的权利要求和等同技术范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变动。