CN110344451A - 一种模拟桩周注浆加固对桩基水平承载特性影响研究的试验装置和试验方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种模拟桩周注浆加固对桩基水平承载特性影响研究的试验装置和试验方法。所述试验装置包括模型箱、加载电机、圆形模具、空气压缩机和储浆罐。模型箱由钢板焊接而成，模型箱内部填筑有砂土，砂土内部埋设土压力传感器；圆形模具由铝合金板制成，将圆形模具放在设计位置；储浆罐内装有搅拌均匀的液态水泥土，注浆管伸入到模型箱内圆形模具与模型桩之间的空间内，储浆罐通过注浆管将液态水泥土注入到该空间；水泥土养护到设计龄期后通过加载电机对模型箱中的模型桩进行加载。本发明结构合理，操作简单，可用于研究不同应力水平下静钻根植桩桩端扩大头的承载性能，为静钻根植桩桩端扩大头承载性能的研究提供了一种有效手段。

Description

一种模拟桩周注浆加固对桩基水平承载特性影响研究的试验 装置和试验方法

技术领域

本发明涉及岩土工程领域中桩基础水平承载性能研究的试验装置，特别是涉及一种模拟桩周注浆加固对桩基水平承载性能影响研究的试验装置和试验方法，可用于研究水泥土浆液强度不同、注浆压力不同、桩周水泥土直径及高度不同时的桩基水平承载特性。

背景技术

桩基础被广泛应用于高层建筑、高速铁路、高速公路和大跨度桥梁等工程中。在高速公路、铁路和桥梁工程中，桩基础除了受竖向荷载作用外，还需承担水平荷载。我国东南沿海地区分布有深厚软粘土层，土体工程性质较差，限制了桩基水平承载性能的发挥。近年来，一些学者和工程技术人员提出可以通过提高桩基周围浅层土体的强度来提高桩基的水平承载特性。目前关于桩周注浆加固对桩基水平承载特性的研究还较少，未见***的关于桩周注浆加固对桩基水平承载特性影响的试验模型和试验研究。一些现场试验结果表明，通过在桩基周围施工水泥土搅拌桩可以提高桩基的水平承载特性，然而没有关于桩周注浆体强度以及桩周注浆范围和深度等因素对桩基水平承载特性影响的***研究。因此，通过模型试验对桩周注浆体的强度、注浆加固范围以及注浆加固深度等因素对桩基水平承载的影响具有十分重要的意义，研究成果可以为实际工程中水平受荷桩基础的桩周注浆加固提供理论依据。

发明内容

本发明提供了一种模拟桩周注浆加固对桩基水平承载性能影响研究的试验装置和试验方法，该装置可用于模拟不同水泥土浆液强度、不同注浆压力、不同桩周水泥土直径以及不同桩周水泥土高度的桩基水平承载特性影响，该装置可以较好的模拟桩周注浆过程。本发明的试验结果可以为实际工程中水平受荷桩基础的桩周注浆加固的设计、施工提供理论依据。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种模拟桩周注浆加固对桩基水平承载特性影响研究的试验装置，包括模型箱、加载电机、圆形模具、空气压缩机和储浆罐；

所述方形模型箱由钢板焊接而成，模型箱底部焊接钢支座，侧面焊接工字钢以增加模型箱刚度；所述模型箱内部填筑有砂土层；所述模型箱中心处设有模型桩；所述圆形模具为顶部封闭的中空的圆柱体，且其顶部开有两个圆孔，其中一个圆孔位于顶部中心，且其直径与模型桩直径相同，所述的模型桩穿过该圆孔，且模型桩的顶部高于圆形模具的顶部，对模型桩与圆孔之间的缝隙进行密封处理；所述砂土层内预埋有测斜管，距离砂土层顶部小于1.0m的砂土浅层中预埋有若干竖直的刚性管，所述的刚性管上固定有若干土压力传感器以测量水平土压力；

所述加载电机底部垂直固定在模型箱侧壁上，所述的加载电机的最低点高于圆形模具的顶部；

所述储浆罐上设有泄压阀、调压开关和注浆管；所述的注浆管穿过圆形模具顶部的另一个圆孔，所述的注浆管的直径与该圆孔直径相同，对注浆管与圆孔之间的缝隙进行密封处理；储浆罐内装有搅拌均匀的液态水泥土，所述注浆管上设有注浆阀门；注浆管的端部位于圆形模具与模型桩之间的空间内，用于将液态水泥土注入到该空间内，形成桩周水泥土；

所述空气压缩机上设有输气管，所述的输气管与储浆罐连接，用于使储浆罐内达到设计注浆压力值，所述的输气管上设有压力表和调压开关。

上述技术方案中，进一步地，所述的模型箱的底面边长与圆形模具的直径之比不小于10。

进一步地，所述的模型桩底部到模型箱底部的距离与模型桩直径之比不小于 10。

进一步地，所述的圆形模具的直径需大于模型桩直径。

进一步地，所述的加载电机可以采用单向加载和循环加载两种加载方式。

进一步地，所述的加载电机的极限加载值为100kN，行程为100mm。

进一步地，所述的储浆罐采用透明有机玻璃制成，其侧壁上标有容积刻度。

进一步地，所述储浆罐中的液态水泥土的含水率均超过液限含水量。

本发明还提供一种模拟桩周注浆加固对桩基水平承载特性影响研究的试验装置的试验方法，包括如下步骤：

在模型箱内填筑砂土，当桩端以下砂土层填筑完成后，将模型桩预埋在模型箱中心处；继续填筑砂土层，并在此过程中预埋测斜管和若干竖直的刚性管，并在刚性管上固定若干土压力传感器；将圆形模具预埋在模型箱中心处并使其顶部低于电机的最下端，使模型桩穿过圆形模具的顶部的中心圆孔；安装好空气压缩机和储浆罐，在储浆罐中装入搅拌均匀的水泥土试样，将注浆管通过圆形模具上部所开的另一个圆孔伸入到圆形模具与模型桩的空间内，调节空气压缩机使储浆罐内达到设计注浆压力值，维持设计注浆压力开始注浆，在注浆的同时慢慢地将圆形模具从砂土中取出；注浆过程完成后模型桩周围充满桩周水泥土；注浆完成 28-90天后通过加载电机对模型桩进行加载。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1、本发明中在砂土填筑过程中采用圆形模具预留桩顶周围注浆空间，砂土层填筑完成后将搅拌均匀的水泥土浆液注入到桩周预留空间中，能够较好的模拟实际工程中桩周注浆过程。

2、本发明中砂土层中桩基被动端预埋的测斜管可以测得试验过程中土体的水平位移，预埋的土压力传感器可以测得试验过程中被动端土体的水平土压力以及水平土压力消散规律。

3、本发明中的预埋的圆形模具直径和高度可进行调整，从而改变桩周水泥土直径和高度，可以对桩周土体处理范围和处理深度对桩基水平承载性能的影响进行研究。

4、本发明中的加载电机可以进行单向加载和循环加载，可满足不同水泥土浆液强度、不同注浆压力、不同桩周水泥土直径以及不同桩周水泥土高度的桩周注浆加固桩基水平承载特性研究的试验要求。

附图说明

图1为注浆阶段试验装置示意图；

图2为注浆完成后试验装置示意图；

图3为圆形模具侧视图；

图4为圆形模具俯视图；

图中：模型箱1、钢支座1-1、工字钢1-2、砂土层1-3、测斜管1-4、土压力传感器1-5、刚性管1-6、模型桩1-7、桩周水泥土1-8、加载电机2、钢支架2-1、圆形模具3、空气压缩机4、输气管4-1、压力表4-2、调压开关4-3、储浆罐5、泄压阀5-1、调压开关5-2、注浆管5-3、注浆阀门5-4。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

如图1、图2所示，本发明为可模拟不同水泥土浆液强度、不同注浆压力、不同桩周水泥土直径以及不同桩周水泥土高度的测试桩周注浆加固对桩基水平承载特性影响的试验装置，包括模型箱1、加载电机2、圆形模具3、空气压缩机4和储浆罐5共五个部分。

所述模型箱1为方形模型箱，由钢板焊接而成，模型箱底部焊接钢支座1-1，侧面顶部焊接工字钢1-2以增加模型箱刚度，模型箱1边长为4m，高3m；模型箱1内部填筑一定密实度的砂土层1-3，砂土层1-3根据设计密实度要求采用不同方法进行填筑；所述砂土层填筑方法为砂雨法(设计密实度较小时)和分层夯实法(设计密实度较大时)；所述砂土层1-3填筑过程中在被动区砂土中预埋测斜管1-4以测量被动区土体水平位移；所述砂土层1-3填筑过程中在被动区砂土中预埋土压力传感器1-5以测量水平土压力；所述土压力传感器1-5固定在竖直刚性管1-6上；所述刚性管1-6直径为10mm，在砂土填筑过程中固定在模型箱侧壁上，刚性管需保持竖直；所述模型箱1中心处放置模型桩1-7；所述圆形模具3预埋在模型箱1中心处，且模型桩1-7位于圆形模具3中心处；所述圆形模具3直径可根据试验要求进行调整，可设为模型桩1-7直径的1.5倍、2.0倍、2.5倍和3.0倍，圆形模具高度也可根据试验要求进行调整，可设为0.2m、0.4m、 0.6m、0.8m和1.0m；所述加载电机2通过钢支架2-1固定在模型箱侧壁上；所述空气压缩机4通过输气管4-1将气压输入到储浆罐5中，输气管上设置有压力表4-2和调压开关4-3；所述储浆罐5内部为搅拌均匀的液态水泥土，储浆罐 5上设置了泄压阀5-1和调压开关5-2，通过注浆管5-3与模型箱连接；所述注浆管5-3上设置有注浆阀门5-4，且注浆管端部需埋入到圆形模具3与模型桩1-7 之间的空间内，将液态水泥土注入到该空间内，形成桩周水泥土1-8。

本发明的工作过程如下：首先需要在模型箱1内填筑一定密实度的砂土层 1-3，当设计要求砂土层密实度较小时，采用砂雨法制备砂土层1-3，通过控制落砂装置底部与试验土体表面的落距得到设计要求的土体密实度，当设计要求砂土层密实度较大时，采用分层夯实法填筑砂土层，通过控制砂土干密度和体积的方法得到设计要求的土体密实度；当桩端以下砂土层填筑完成后，将模型桩1-7预埋在模型箱1中心处；砂土填筑过程中在被动区砂土中预埋测斜管1-4以测量被动区土体水平位移，并预埋土压力传感器1-5以测量水平土压力；当砂土层填筑到一定高度时，将圆形模具3预埋在模型箱1中心处，且模型桩1-7处于圆形模具3的中心处，为水泥土浆液的注入预留空间；将注浆管5-3伸入到圆形模具3 与模型桩1-7的空间内，安装好空气压缩机4和储浆罐5，在储浆罐4中装入试验用搅拌均匀的水泥土试样，调节空气压缩机4使储浆罐5内达到设计注浆压力值，维持设计注浆压力开始注浆，在注浆的同时慢慢地将圆形模具3从砂土中取出，注浆过程中圆形模具3顶部需封闭；注浆过程完成后模型桩1-7周围充满水泥土1-8；注浆完成28天后通过加载电机2对模型桩进行加载，加载电机所施加荷载及位移可自动读取和储存，试验过程中模型桩被动端土体的水平位移以及土体的侧向土压力都可以在试验中测得。

Claims (9)

1.一种模拟桩周注浆加固对桩基水平承载特性影响研究的试验装置，其特征在于：包括模型箱(1)、加载电机(2)、圆形模具(3)、空气压缩机(4)和储浆罐(5)；

所述模型箱(1)由钢板焊接而成，模型箱底部焊接钢支座(1-1)，侧面焊接工字钢(1-2)以增加模型箱刚度；所述模型箱(1)内部填筑有砂土层(1-3)；所述模型箱(1)中心处设有模型桩(1-7)；所述圆形模具(3)为顶部封闭的中空的圆柱体，其顶部开有两个圆孔，其中一个圆孔位于顶部中心，且其直径与模型桩(1-7)的直径相同，所述的模型桩(1-7)穿过该圆孔，且模型桩(1-7)的顶部高于圆形模具(3)的顶部，所述模型桩(1-7)与圆孔之间进行密封处理；所述砂土层(1-3)内预埋有测斜管(1-4)，砂土浅层中预埋有若干竖直的刚性管(1-6)，所述的刚性管(1-6)上固定有若干土压力传感器(1-5)以测量水平土压力，所述的砂土浅层与砂土层顶部的距离小于1m；

所述加载电机(2)底部垂直固定在模型箱侧壁上，所述的加载电机(2)的最低点高于圆形模具(3)的顶部；

所述储浆罐(5)上设有泄压阀(5-1)、调压开关(5-2)和注浆管(5-3)；所述的注浆管(5-3)穿过圆形模具(3)顶部的另一个圆孔，且注浆管(5-3)的直径与该圆孔直径相同，注浆管(5-3)与圆孔之间进行密封处理；储浆罐(5)内装有搅拌均匀的液态水泥土，所述注浆管(5-3)上设有注浆阀门(5-4)；注浆管(5-3)的端部位于圆形模具(3)与模型桩(1-7)之间的空间内，用于将液态水泥土注入到该空间，形成桩周水泥土(1-8)；

所述空气压缩机(4)上设有输气管(4-1)，所述的输气管(4-1)与储浆罐(5)连接，用于使储浆罐(5)内达到设计注浆压力值，所述的输气管(4-1)上设有压力表(4-2)和调压开关(4-3)。

2.根据权利要求1所述的模拟桩周注浆加固对桩基水平承载特性影响研究的试验装置，其特征在于，所述的模型箱(1)的底面边长与圆形模具(3)的直径之比不小于10。

3.根据权利要求1所述的模拟桩周注浆加固对桩基水平承载特性影响研究的试验装置，其特征在于，所述的模型桩(1-7)底部到模型箱(1)底部的距离与模型桩(1-7)直径之比不小于10。

4.根据权利要求1所述的模拟桩周注浆加固对桩基水平承载特性影响研究的试验装置，其特征在于，所述的圆形模具(3)的直径需大于模型桩(1-7)直径。

5.根据权利要求1所述的模拟桩周注浆加固对桩基水平承载特性影响研究的试验装置，其特征在于，所述的加载电机(2)可以采用单向加载和循环加载两种加载方式。

6.根据权利要求1所述的模拟桩周注浆加固对桩基水平承载特性影响研究的试验装置，其特征在于，所述的加载电机的极限加载值为100kN，行程为100mm。

7.根据权利要求1所述的模拟桩周注浆加固对桩基水平承载特性影响研究的试验装置，其特征在于，所述的储浆罐(5)采用透明有机玻璃制成，其侧壁上标有容积刻度。

8.根据权利要求1所述的模拟桩周注浆加固对桩基水平承载特性影响研究的试验装置，其特征在于，所述储浆罐(5)中的液态水泥土的含水率均超过液限含水量。

9.一种如权利要求1-8任一项所述的模拟桩周注浆加固对桩基水平承载特性影响研究的试验装置的试验方法，其特征在于，包括如下步骤：

在模型箱(1)内填筑砂土，并将模型桩(1-7)预埋在模型箱(1)中心处；继续填筑砂土层，并在此过程中预埋测斜管(1-4)和若干竖直的刚性管(1-6)，并在刚性管(1-6)上固定若干土压力传感器(1-5)；将圆形模具(3)预埋在模型箱(1)中心处并使其顶部低于电机(2)的最下端，使模型桩(1-7)穿过圆形模具(3)的顶部的中心圆孔；安装好空气压缩机(4)和储浆罐(5)，在储浆罐(4)中装入搅拌均匀的水泥土试样，将注浆管(5-3)通过圆形模具(3)顶部的另一个圆孔伸入到圆形模具(3)与模型桩(1-7)的空间内，调节空气压缩机(4)使储浆罐(5)内达到设计注浆压力值，维持设计注浆压力开始注浆，在注浆的同时将圆形模具(3)从砂土中取出；注浆过程完成后模型桩(1-7)周围充满桩周水泥土(1-8)；注浆完成28-90天后通过加载电机(2)对模型桩(1-7)进行加载。