碎石注浆桩浆固及承载力测试透明土模型试验系统及方法

本发明涉及碎石注浆桩测试，尤其涉及碎石注浆桩浆固及承载力测试透明土模型试验系统及方法。

背景技术：

1、地基处理技术的发展历经多年，其中，桩基技术因其在提高地基承载力、改善土体工程特性等方面的显著效果而成为岩土工程的重点研究技术，也因此桩基技术的应用越来越广泛。在众多桩基技术中，碎石桩由于施工简便、成本低廉、排水性好等特点，被广泛应用于软土地基处理中。然而，传统的碎石桩在遇到超软土层、高压缩土层等特殊地质条件时，其自身的承载能力和稳定性受到限制，难以满足工程要求。为了克服这一难题，碎石注浆桩技术应运而生。通过在碎石桩中注入固化剂，既提高了桩体自身的强度和稳定性，又改善了桩周土体的力学性质。这种技术使碎石桩可以在更为复杂多变的地质环境中发挥作用，大幅扩展了其应用范围。碎石注浆桩不仅强化了桩体，也间接加固了桩周土体，使得整个复合地基的整体性能得到提升。

2、尽管碎石注浆桩技术在理论与应用上都取得了显著进展，但对于其在实际地质环境中的行为机制和作用效果的深入理解仍存在一定的局限。现有技术中对碎石注浆桩性能的研究手段多聚焦于理论分析、数值模拟或是局部监测，其中理论分析和数值模拟均属于对碎石注浆桩进行理想化后的分析研究，其研究结果跟碎石注浆桩的实际性能相比误差较大；采用局部监测的手段研究碎石注浆桩周期长、成本高，且无法全面的对其进行研究。所以现有的研究碎石注浆桩桩体性能手段存在误差较大，研究成本高，且不能全面、细致、连续的进行实验观测。特别是在模拟桩体与土体相互作用、分析注浆过程对周围土体影响方面，传统方法往往无法提供充分的视觉信息和精确的数据支持。

3、因此，本发明提供一种能真实模拟碎石注浆桩及其周围土体环境的装置，以分析其注浆过程、承重过程中对周围土体影响和自身的性能变化。

技术实现思路

1、针对现有技术中存在的不足，本发明提供一种碎石注浆桩浆固及承载力测试透明土模型试验系统及方法，以解决现有技术中研究碎石注浆桩的周期长、成本高，以及研究结果误差大的问题。

2、第一方面，为达到上述发明目的，本发明采用的技术方案为：

3、一种碎石注浆桩浆固及承载力测试透明土模型试验系统，包括：碎石注浆桩注浆系统、碎石注浆桩钻孔系统、碎石注浆桩竖向承载力测试系统、连续物理场测量系统、模型箱和安装架，安装架底部设有模型箱；模型箱内部填充有透明土，碎石注浆桩钻孔系统对透明土进行钻孔；碎石注浆桩注浆系统对碎石注浆桩钻孔系统所钻取的孔进行注浆形成碎石注浆桩，碎石注浆桩竖向承载力测试系统对碎石注浆桩进行竖向承载力检测；连续物理场测量系统设于碎石注浆桩侧面以采集注浆过程以及竖向承载力检测过程中的图像信息。

4、在本方案中，在模型箱中填充透明土模拟实际地质土体，并通过碎石注浆桩钻孔系统和碎石注浆桩注浆系统在透明土中制备碎石注浆桩，再通过碎石注浆桩竖向承载力测试系统对碎石注浆桩进行竖向承载力检测；注浆过程和检测过程中碎石注浆桩的桩体变化均能通过透明土直观的观测，便于分析碎石注浆桩对周围土体的影响以及竖向承载力检测中桩体的结构变化；连续物理场测量系统记录注浆过程和检测过程中的图像信息，通过图像信息分析透明土土颗粒位移变形场，实现了竖向承载力检测过程中碎石注浆桩的实时监控及其周围土体物理场变化的记录，对碎石注浆桩的性能评估提供了直观、准确的图像支持。

5、进一步地，碎石注浆桩注浆系统包括自动升降器，自动升降器可拆卸连接于安装架顶部；自动升降器连接注浆管的注浆端，并带动注浆端上下升降；注浆管的另一端连接带有电动搅拌器的注浆罐；注浆罐设于安装架顶部；注浆管管路上设有电控阀门；

6、注浆罐通过气压管连接空压机，空压机与压力控制器电性连接；气压管管路上设有数显压力表；压力控制器、数显压力表和自动升降器均与控制系统连接。

7、在本方案中，控制系统控制自动升降器升降，确保注浆管在注浆过程中能够稳定、精确的沿垂直方向移动，使得整个注浆过程更加均匀，避免浆液飞溅；控制系统控制空压机提供注浆压力，并在注浆管上设置电控阀门，保证注浆压力持久稳定，提高了碎石注浆桩桩体质量。

8、进一步地，碎石注浆桩钻孔系统包括丝杠步进电机，丝杠步进电机可拆卸连接在安装架顶部，丝杠步进电机与控制系统连接；丝杠步进电机输出轴螺纹连接有薄壁套筒取土器，丝杠步进电机驱动薄壁套筒取土器对透明土进行钻孔；

9、碎石注浆桩竖向承载力测试系统包括测力计，测力计与丝杠步进电机输出轴螺纹连接；测力计底部连接有传力杆；传力杆底部设有螺纹孔，传力杆通过螺纹孔螺纹连接有竖向承载力测试加载板或预压固结加载板；

10、传力杆底部连接预压固结加载板，预压固结加载板对模型箱内透明土进行加压固结，预压固结加载板结构与模型箱的水平横截面相同，预压固结加载板上均匀分布有若干通孔；

11、传力杆底部连接竖向承载力测试加载板，竖向承载力测试加载板检测碎石注浆桩的竖向承载力。

12、在本方案中，丝杠步进电机控制预压固结加载板对透明土进行加压，使其固结，使透明土密实度与实际地质土体更加接近，使试验结果更加准确可靠；丝杠步进电机控制薄壁套筒取土器在透明土内取土，取土后形成碎石注浆桩桩孔，该方式钻取的碎石注浆桩桩孔内壁平整，所浇筑的碎石注浆桩形状规则，竖向承载力检测中碎石注浆桩桩体各方位受力均匀；丝杠步进电机控制竖向承载力测试加载板向下运动，以提供对碎石注浆桩的竖向承载力检测荷载。该设计预压固结加载板、薄壁套筒取土器和竖向承载力测试加载板均通过丝杠步进电机驱动，使得系统不仅能用于承载力测试，还能适用于预压固结透明土和取土钻孔，功能较多，实用性较强，适用范围较广。

13、进一步地，连续物理场测量系统包括镜面反射底座和工业相机，镜面反射底座设于模型箱底部；镜面反射底座上设有反光镜，反光镜反射激光仪发射的激光束，激光束从模型箱底部沿竖直方向射入模型箱内；工业相机通过相机固定支架设于安装架底部，且工业相机的相机镜头中心与碎石注浆桩桩体几何中心位于同一水平线；模型箱为透明有机玻璃材质。

14、在本方案中，设计反光镜使激光仪发射的激光束射入透明土中形成散斑场，并通过工业相机记录注浆过程和检测过程中的连续图像；实时监控和记录桩体及周围土体的物理场变化，通过连续图像即可分析透明土土体颗粒的位移变化。

15、进一步地，安装架包括上底板和下底板，上底板和下底板之间通过连接杆连接；上底板上开设有安装孔，自动升降器或丝杠步进电机均通过安装孔与上底板连接。

16、第二方面，本发明基于第一方面提供的一种碎石注浆桩浆固及承载力测试透明土模型试验系统，提供一种碎石注浆桩浆固及承载力测试透明土模型试验方法，包括以下步骤：

17、s1：制备透明土；

18、s2：在透明土内钻取碎石注浆桩桩孔，并向碎石注浆桩桩孔内填入碎石；

19、s3：对碎石注浆桩桩孔进行注浆，形成碎石注浆桩；并记录注浆过程；

20、s4：对碎石注浆桩进行竖向承载力测试，并记录测试过程。

21、在本方案中，使用透明土模拟实际土体，便于对注浆过程和检测过程进行观测；在透明土中注浆形成碎石注浆桩并检测碎石注浆桩的竖向承载力，记录注浆过程和测试过程，便于分析透明土土颗粒位移物理场。

22、进一步地，s1包括：

23、s101：孔隙液体制备；在方形透明箱中加入15号白油和正十二烷并混合，得到孔隙液体；

24、s102：测试孔隙液体的折射率；通过阿贝折光仪测试孔隙液体的折射率，测得孔隙液体折射率与气相二氧化硅折射率相同即表示孔隙液体折射率合格；

25、s103：透明土制备；在孔隙液体中加入气相二氧化硅得到透明土，孔隙液体和气相二氧化硅的质量比为12∶1～14∶1；在透明土中加入占体积比0.1％～0.3％的空心玻璃珠粉作为示踪粒子；

26、s104：真空除气；将透明土装进模型箱，并将模型箱放入真空室6小时以上，去除透明土内部空气；

27、s105：加压固结；在模型箱内的透明土表面铺垫一层滤纸，并将模型箱放置于安装架内部；在传力杆底部安装预压固结加载板；在控制系统设置逐级加载压力和预设固结压力；丝杠步进电机驱动预压固结加载板逐级下压对透明土进行压实固结，直至固结压力达到预设固结压力，停止加压。

28、在本方案中，先制备孔隙液体，并通过阿贝折光仪测试其折射率，保证其折射率和气相二氧化硅折射率相同，保证了所制得的透明土透明度最佳；并添加空心玻璃珠粉作为示踪粒子，并于追踪土体颗粒的位移走向，以及承载力检测中土体颗粒分布变化情况。

29、进一步地，s2包括：

30、s201：钻取碎石注浆桩桩孔；在丝杠步进电机下方安装薄壁套筒取土器，并使薄壁套筒取土器中心位于模型箱几何中心正上方；丝杠步进电机驱动薄壁套筒取土器向下插入透明土，再向上提升完成取土，取土后形成碎石注浆桩桩孔；

31、s202：设置注浆管进行注浆：在安装架顶部安装自动升降器，并将注浆管设于自动升降器上；自动升降器驱动注浆管的注浆端伸入碎石注浆桩桩孔；

32、s203：在碎石注浆桩桩孔内填充碎石；

33、s204：注浆前调试；

34、调试反光镜和激光仪，使激光仪发射的激光束经过反光镜反射后沿竖直方向从模型箱底部射入模型箱内，并覆盖碎石注浆桩周围全部透明土；

35、调试工业相机，将工业相机通过螺栓固定于相机固定支架，并使工业相机的相机中心与模型箱的几何中心齐平；调试工业相机的激光曝光参数，并设定好拍摄速率以及存储路径；

36、设置注浆压力和注浆管提升速度；通过控制系统设置空压机的注浆压力和自动升降器的升降速度，自动升降器的升降速度即注浆管提升速度。

37、在本方案中，通过自动升降器将注浆管伸入碎石注浆桩桩孔底部，再投入碎石，最后一边注浆一边向上提升注浆管，保证浆液能够均匀的分散至碎石的各个间隙角落，保证制得的碎石注浆桩内部密实，质地均匀。

38、进一步地，s3包括：

39、s301：制备浆液；将环氧树脂胶a组分和b组分混合得到浆液，并将浆液倒入注浆罐，启动电动搅拌器对浆液进行搅拌；

40、s302：进行注浆；开启空压机，控制系统根据注浆压力控制空压机提供压力；数显压力表检测气压管压力并发送至控制系统，控制系统判断气压管压力达到注浆压力后控制电控阀门开启，开始注浆；

41、控制系统根据注浆管提升速度控制自动升降器向上提升；

42、s303：拍摄记录；注浆中控制系统控制工业相机拍摄图像信息；待注浆浆液面从碎石注浆桩桩孔表面溢出后关闭空压机和工业相机，停止注浆和拍摄。

43、在本方案中，控制系统根据注浆压力控制空压机进行注浆，注浆过程连续稳定；使用工业相机连续拍摄注浆过程中透明土土体颗粒的图像信息，根据该图像信息可分析注浆中碎石注浆桩周围土体的变化；实现了注浆过程的可视化，为碎石注浆桩的注浆研究提供了有力支持。

44、进一步地，s4包括：

45、s401：碎石注浆桩桩体固化；待碎石注浆桩桩体静置养护24小时以上，直至桩体内所有注浆液完全固化；碎石注浆桩制作完成；

46、s402：准备竖向承载力检测；在传力杆底部安装竖向承载力测试加载板，并使竖向承载力测试加载板几何中心位于碎石注浆桩几何中心正上方；开启激光仪和工业相机；

47、s403：开始检测；丝杠步进电机驱动竖向承载力测试加载板向下运动对碎石注浆桩施加竖向承载力检测的荷载压力；

48、检测中控制系统通过丝杠步进电机控制竖向承载力测试加载板逐级对碎石注浆桩施加荷载压力；测力计采集荷载压力并发送至控制系统；控制系统判断每级荷载压力达到稳定后控制竖向承载力测试加载板施加下一级荷载压力；

49、检测中控制系统控制工业相机进行拍摄；

50、s404：检测结束；待碎石注浆桩桩体沉降发生突变或累计沉降超过碎石注浆桩桩径的十分之一，即认为碎石注浆桩桩体被破坏；停止拍摄。

51、在本方案中，待碎石注浆桩固化后对其进行竖向承载力检测，检测中控制系统通过丝杠步进电机控制竖向承载力测试加载板对碎石注浆桩逐级施加荷载压力，使得碎石注浆桩竖向承载力的测试更加精确和可控；丝杠步进电机分级提供荷载压力，并通过测力计实时反馈给控制系统荷载压力数值，保证施加每一级荷载压力后桩体稳定后再施加下一级荷载压力，保证了竖向承载力测试的准确性和可靠性。

52、本发明的有益效果是：

53、本发明提供的碎石注浆桩浆固及承载力测试透明土模型试验系统中设置碎石注浆桩钻孔系统和碎石注浆桩注浆系统，能在透明土修建碎石注浆桩；还设置碎石注浆桩竖向承载力测试系统，能检测碎石注浆桩的竖向承载力；且检测过程和注浆过程均在透明土中进行，实现了碎石注浆桩研究的可视化，可以直观观察桩体在地质中的行为变化；并通过连续物理场测量系统记录注浆过程和检测过程中的图像信息，为碎石注浆桩的研究提供了可靠的视觉信息和精确的数据支持。该透明土模型试验系统提供了一种新型的碎石注浆桩研究手段，打破了传统的通过理论分析研究碎石注浆桩方式的限制，填补了现有技术中碎石注浆桩模型试验的空白，且为桩基加固技术的优化与创新提供了新的研究途径和工具。

54、本发明提供的碎石注浆桩浆固及承载力测试透明土模型试验方法中通过工业相机记录注浆过程和检测的过程的图像信息，通过该图像信息可以分析注浆压力、注浆量、浆液初始黏度等因素对碎石注浆桩承载力和稳定性的影响，从而为基桩处理提供更为科学、合理的设计依据和施工指导；该方法中通过控制系统智能化控制自动升降器、空压机和丝杠步进电机等设备，实现碎石注浆桩的自动化注浆和检测，同时还能使检测过程更加精确和可控。