一种自膨胀桩支护结构的模型装置的制作方法

[0001]
本实用新型涉及一种自膨胀桩支护结构的模型装置，用来模拟真实开挖过程中，桩的受力变形以及周边土体变形等情况。


背景技术：

[0002]
由于河水流速缓慢，河床上淤积大量淤泥和泥沙，河道淤积影响防洪、排涝、灌溉、通航等多项功能的正常发挥，为恢复河道正常功能，促进经济社会快速持续发展，需要进行河道清淤疏浚。钻孔灌注桩是淤泥层中常用的支护技术，施工时需要大型机械和较大场地，淤泥场地承载力低，无法承受大型机械的荷载。而且大型机械需要较大范围的施工场地，但河道周边房屋密集，施工空间狭小，无法满足大型机械所需较大范围的施工场地。另外其造孔需要泥浆固壁，弃渣困难，施工工序复杂。常规的钻孔灌注桩形式不合适，因此采用自膨胀桩进行支护，采用小型或中型工程机械进行施工，避免大型履带吊车等大型机械对地基土体承载力的过高要求，便于施工操作；但是该种膨胀桩在实际开挖过程中其受力变形以及周围土体变形等情况尚不明确，也没有模型装置进行模拟给出试验数据。


技术实现要素：

[0003]
本实用新型提供了一种自膨胀桩支护结构的模型装置，克服了背景技术存在的不足。本实用新型解决其技术问题的所采用的技术方案是：
[0004]
一种自膨胀桩支护结构的模型装置，它包括：
[0005]
支架；
[0006]
位于支架内的试验箱体，其至少具有一透明的侧面，试验箱体内放置有土样，且试验箱体设有进水孔；
[0007]
用于模拟河道两侧房屋荷载的加载系统，其安装在支架且能对箱体内土样顶端施加荷载；
[0008]
用于模拟河道周边承压水的承压水系统，其与进水孔相接通以对土样输入水流；
[0009]
用于模拟自膨胀桩的支护系统，其设置在土样内；
[0010]
用于拍摄并分析试验过程中基底土样变形的量测系统，其放置在试验箱体的透明侧面前方。
[0011]
一较佳实施例之中：所述支护系统包括支护壁，所述支护壁包括若干个并排间隔布置的灌浆管、连接件，灌浆管侧壁开设有灌浆孔，每一灌浆管外周密封固定有用于装膏状水泥浆的柱状土工袋，灌浆管插入至土样内，连接件将若干个灌浆管连接在一起。
[0012]
一较佳实施例之中：所述支护系统包括两道左右间隔布置的支护壁。
[0013]
一较佳实施例之中：所述加载系统包括千斤顶、加压板和压力传感器，加压板放置在土样顶端，千斤顶安装在支架上并能对加压板施压，压力传感器安装在千斤顶上并能测量千斤顶施加的压力。
[0014]
一较佳实施例之中：所述承压水系统包括高压平流泵和水箱，高压平流泵与水箱
之间通过第一导管相连，水箱与进水孔之间通过第二导管相连。
[0015]
一较佳实施例之中：所述量测系统采用粒子图像测速系统。
[0016]
一较佳实施例之中：所述土样包括位于底层的砂砾和堆置在砂砾上的淤泥。
[0017]
一较佳实施例之中：所述砂砾的厚度为0.1-0.3米，所述淤泥的厚度为1.1-1.5米。
[0018]
本技术方案与背景技术相比，它具有如下优点：
[0019]
1.由于该模型装置安装在室内，通过加载系统、承压水系统、支护系统和量测系统可以真实还原实际的河道清淤中自膨胀桩支护结构所起的作用，能够提前对自膨胀桩在实际河道清淤中所起的作用进行预测、评估。
[0020]
2.灌浆管插入至土样内，通过对灌浆管进行灌浆，水泥浆从灌浆孔进入柱状土工袋内，连接件再将若干个灌浆管连接在一起，以形成支护壁，该支护壁有利于进一步揭示支护系统对周围软土层起到的挤密压实和排水硬化效果，操作方法简便快捷，模拟实际支护效果明显。
[0021]
3.加载系统通过使用千斤顶施加竖向荷载于加压板，加压板再传递至土样上，来模拟河道两侧楼层变化产生的房屋荷载，进而能全面准确地反映周边房屋荷载对清淤开挖的影响，以便在之后真实的清淤开挖过程中改进支护技术，降低清淤开挖给周边房屋带来的不良影响。
[0022]
4.通过高压平流泵实现精确流量输送，可通过控制端来提供不同压力大小的承压水，从而实现试验箱体内承压水连续动态变化的模拟，能更好的反映在不同承压水条件下对清淤开挖的影响。该模型装置可开展多组不同的承压水模拟试验，减少对模拟装置的改装，工作原理简单，操作方便，节约了试验成本和模型制作的时间，具有很大的实用性。
[0023]
5.量测系统采用粒子图像测速系统，能测得土样每一时刻的运动状态，实现同一瞬时记录大量砂砾和淤泥的速度分布信息，同时可提供丰富的流场空间结构和流动特性，进而得到开挖清淤过程中土样的移动状态。通过观测由于河道开挖造成的基底回弹，以及上部荷载造成的基底变形，有利于进一步揭示清淤开挖引起的基坑土体变形规律。
附图说明
[0024]
下面结合附图和实施例对本实用新型作进一步说明。
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图1绘示了该模型装置的整体示意图。
[0026]
图2绘示了支护系统的剖视示意图。
具体实施方式
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请查阅图1至图2，一种自膨胀桩支护结构的模型装置的一较佳实施例，所述的一种自膨胀桩支护结构的模型装置，它包括支架、试验箱体20、加载系统、承压水系统、支护系统、量测系统。
[0028]
如图1所示，支架包括底板11、顶板12和竖杆13，竖杆13连接底板11和顶板12以形成支架。竖杆13长度为2000毫米。
[0029]
试验箱体20放置于支架内，其至少具有一透明的侧面，试验箱体20内放置有土样，且试验箱体20右侧面设有多个上下间隔布置的进水孔21。本实施例中，该试验箱体20采用长宽高分别为2000*1000*1500毫米、壁厚为20毫米的长方体。该试验箱体20正面采用透明
的钢化玻璃，其左侧面、右侧面、后侧面和底面均采用不锈钢板制成，其顶面为开口。本实施例中，在靠近进水孔21处设置有纵向延伸的滤网22，该滤网与试验箱体20之右侧面相平行，且该滤网22厚度为20毫米，滤网22网孔孔径为0.5毫米，网孔之间的间隙为5毫米。
[0030]
本实施例中，所述土样包括位于底层的砂砾层31和堆置在砂砾31上的淤泥层32。
[0031]
本实施例中，所述砂砾层31的厚度为0.1-0.3米，所述淤泥层32的厚度为1.1-1.5米。最好，砂砾层31厚度为0.2米，淤泥层32厚度为1.3米。
[0032]
加载系统用于模拟河道两侧房屋荷载，其安装在支架且能对箱体20内土样顶端施加荷载。
[0033]
本实施例中，所述加载系统包括千斤顶41、加压板42和压力传感器(图中未示出)，加压板42放置在土样顶端，千斤顶41安装在支架上并能对加压板42施压，压力传感器安装在千斤顶41上并能测量千斤顶41施加的压力。本实施例中，千斤顶41、加压板42和压力传感器均设有两个且左右对称布置。加压板42采用长宽为400*400毫米、厚度为4毫米的钢板。左侧的加压板42距离箱体20左侧边的距离为200毫米、距离顶板为300毫米。加载点为加压板42的重心处。用千斤顶41模拟房屋荷载时，可从无房屋荷载连续变化至六层住宅的房屋荷载，也即，能对土样施加0-30kn之间变化的竖向荷载；加载速率可以为0.2kn/s-0.4kn/s。
[0034]
承压水系统用于模拟河道周边承压水，其通过导管与进水孔21相接通以对土样输入水流。
[0035]
本实施例中，所述承压水系统包括高压平流泵52和水箱53，高压平流泵52与水箱53之间通过第一导管51相连，水箱53与进水孔21之间通过第二导管54相连。通过调节高压平流泵52的输入参数实现输送0-15kpa的水流，该水流经过第一导管51泵入水箱53内，再通过第二导管54和进水孔21再流经滤网22后进入土样的砂砾层31和淤泥层32，由于砂砾层31具有透水性，水流进入砂砾层31后可模拟承压水。
[0036]
支护系统用于模拟自膨胀桩，其设置在土样内。
[0037]
本实施例中，所述支护系统包括支护壁，所述支护壁包括若干个并排间隔布置的灌浆管61、连接件62，灌浆管61侧壁开设有灌浆孔64，每一灌浆管61外周密封固定有用于装膏状水泥浆的柱状土工袋63，灌浆管61插入至土样内，连接件62将若干个灌浆管61连接在一起。
[0038]
本实施例中，所述支护系统包括两道左右间隔布置的支护壁。每一支护壁需要九个灌浆管61。
[0039]
先通过将钢筋插入淤泥后先后形成九个插孔进行灌浆管61的位置的定位，插孔的孔径为200毫米，插孔的中心轴线与左侧边或右侧边的距离为800毫米，插孔表面距离顶板的距离为75毫米，相邻的两个插孔圆心之间距离为150毫米。钢筋可以取出，也可以保留在土样内，当其保留在土样内时，钢筋可以起到灌浆通道以及导向、支撑的作用。本实施例中，钢筋保留在土样内。灌浆管61采用直径为30毫米、壁厚为5毫米、长度为1000毫米的无缝钢管，该灌浆管61竖向穿过钢筋并伸入淤泥层32底端地基处。柱状土工袋63通过在灌浆管61首尾两端通过钢绞线扎好以进行密封固定。柱状土工袋63采用防渗土工布材质制成，直径为200毫米。通过对灌浆管61内灌入膏状水泥浆，水泥浆通过灌浆孔进入柱状土工袋63内，直到柱状土工袋63充分膨胀到一定强度后停止灌浆。注浆速度应控制在20-40l/min，以确保柱状土工袋63有充足的滤排水时间。
[0040]
本实施例中，所述连接件62采用角钢，其边长与厚度为70毫米*4毫米的等边角钢。当九个灌浆管61注浆完成后，通过角钢连接在九个灌浆管61顶端，以形成完整的支护壁，增加支护壁的整体性。此时，完成了其中一侧的支护壁的安装，同理，可根据相同的步骤完成另一侧的支护壁的安装。
[0041]
量测系统用于拍摄并分析试验过程中基底土样变形，其放置在试验箱体20的透明侧面前方。
[0042]
本实施例中，所述量测系统采用粒子图像测速系统。该粒子图像测速系统采用现有的技术。先制作控制点：用白色电工胶带制作直径为3毫米的白色实心圆点粘贴于试验箱体的钢化玻璃的侧面，该白色实心圆点即为控制点，控制点均匀分布于钢化玻璃内侧面，且相邻控制点之间的间距为50毫米；接着，设置暗室于试验箱体前方，设置led灯板于试验箱体的钢化玻璃的两侧；选用最低分辨率为4608*2592的佳能eos 5d mark iv单反套机，单次自动对焦可达7张/秒，以具有高速连拍以及采集频率快的特点，将该相机放置在钢化玻璃的正前方。通过相机拍摄试验过程中在有承压水的状态下开挖时土样的变形的照片，并采用geo离子图像测速法程序对拍摄的照片进行分析，得到任意时刻土样变形的情况。
[0043]
所述的河道清淤中自膨胀桩支护结构的模型装置的使用方法，包括：
[0044]
步骤10，将制备好的土样填装至试验箱体20内：先填装底层的砂砾层31，厚度为0.2米；接着，在砂砾上填装淤泥层32，淤泥层32厚度为1.3米；
[0045]
步骤20，安装好加载系统、承压水系统和量测系统：
[0046]
加载系统的安装：先将两个加压板42放置在土样顶端面，左侧加压板42距离箱体20左侧边的距离为200毫米、距离顶板12为300毫米的位置，右侧加压板42距离箱体20右侧边的距离为200毫米、距离顶板12为300毫米的位置，并用记号笔在加压板42的重心处在记号以作为加载点；再将两个千斤顶41安装在顶板12上并与两块加压板42的加载点一一对应，压力传感器安装在千斤顶41上以用于测量千斤顶41施加的压力；
[0047]
承压水系统的安装：将高压平流泵52放置在试验箱体20外的水池内，第一导管51一端与高压平流泵52相连，另一端与水箱53相连通，水箱53通过第二导管54与进水孔21相连通；
[0048]
量测系统的安装：先制作控制点：用白色电工胶带制作直径为3毫米的白色实心圆点粘贴于试验箱体的钢化玻璃的侧面，该白色实心圆点即为控制点，控制点均匀分布于钢化玻璃内侧面，且相邻控制点之间的间距为50毫米；接着，设置暗室于试验箱体前方，设置led灯板于试验箱体的钢化玻璃两侧；将相机放置在钢化玻璃的正前方；
[0049]
步骤30，试验开始，启动加载系统对土样施加合适的压力以模拟房屋荷载，启动承压水系统对土样输入合适压力的水流以模拟承压水；具体的，通过千斤顶41对加压板42施加0-30kn变化的竖向荷载，加载速率在0.2kn/s-0.4kn/s范围内；
[0050]
步骤40，在土样内安装支护系统；具体地为：整理土样，确定灌浆管61的位置，先将钢筋插入土样内以形成插孔；然后将固定有柱状土工袋的灌浆管61竖向穿过插孔以固定在土样内，此时钢筋位于灌浆管61内；先对奇数排列位置的灌浆管61进行注浆，注浆速度控制在20-40l/min，待奇数排列位置的柱状土工袋63充分膨胀并达到一定强度后，再对偶数排列位置的灌浆管61进行注浆；最后将所有的灌浆管61通过角钢连接件62连接在一起，以形成完整的支护壁；左右两侧的支护壁采用相同的方式进行安装；通过奇数列和偶数列交叉
注浆，可以保证每一柱状土工袋的位置保持在准确位置，同时也能使相邻两个柱状土工袋能紧密靠置在一起，使得支护壁更加牢固、结实。避免了同时对所有的灌浆管注浆而导致其中的柱状土工袋注浆强度不够且能避免柱状土工袋偏移预设位置。
[0051]
步骤50，启动量测系统，以拍摄并分析试验过程中基底土样变形；具体地为：启动相机进行自动拍摄，并通过geo粒子图像测速法程序对拍摄的照片进行分析，以得到任意时刻土样变形的情况。
[0052]
由于该模型装置安装在室内，通过加装系统、承压水系统、支护系统和量测系统可以真实还原实际的河道清淤中自膨胀桩支护结构所起的作用，能够提前对自膨胀桩在实际河道清淤中所起的作用进行预测、评估。
[0053]
以上所述，仅为本实用新型较佳实施例而已，故不能依此限定本实用新型实施的范围，即依本实用新型专利范围及说明书内容所作的等效变化与修饰，皆应仍属本实用新型涵盖的范围内。