CN111521533A - 用于研究随钻跟管桩桩侧注浆液流动规律的装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及桩基工程试验技术领域，具体公开一种用于研究随钻跟管桩桩侧注浆液流动规律的装置及方法，装置包括模型箱***、注浆***；模型箱***包括模型箱、模型桩、止浆板、注浆管；模型箱内填充有土体，土体内设置有模拟钻孔，模拟钻孔的直径大于模型桩的直径，模型桩同轴设置在模拟钻孔内；注浆管设置在模型桩内，模型桩上设置有注浆孔，注浆孔与模型桩和土体之间的间隙连通，注浆管与注浆孔连通；止浆板上设置有与模型桩相适应的通孔，止浆板通过通孔套设在模型桩的上端以盖合间隙；注浆***的出浆口与注浆管连通。本发明的装置，可以更真实的再现注浆液流动的环境，使得对注浆液在桩侧缝隙内的流动规律进行研究和分析时，结果更贴近真实。

Description

用于研究随钻跟管桩桩侧注浆液流动规律的装置及方法

技术领域

本发明涉及桩基工程试验技术领域，特别涉及一种用于研究随钻跟管桩桩侧注浆液流动规律的装置及方法。

背景技术

随钻跟管桩是一种钻孔、沉桩、排土同步进行的无泥浆排放的环保型大直径(800～1400mm)非挤土管桩，该桩型的研制成功，解决了管桩因桩径较大或土层较硬而造成的沉桩难题，超强的地层适应能力使得大直径管桩能够穿透中微风化岩层，实现了管桩桩端全嵌岩，承载力高(同等直径的单桩极限承载力提高了20.97％-64.24％)；避免了锤击法和静压法对管桩桩身的损害；施工过程不用泥浆护壁，比较环保，噪音小；将管桩的直径扩大到了800-1400mm

该桩型独特的施工工艺造成大直径管桩和桩周土体之间具有10mm左右的间隙，需要在该间隙灌注水泥浆或水泥砂浆进行充填以提高桩侧摩阻力，最终提高桩基承载力。工程实践表明，浆液在注浆间隙中的流动特征极大的影响着随钻跟管桩的极限摩阻力及极限承载力，因此，针对注浆液在桩侧缝隙内的流动扩散规律的研究，对提升随钻跟管桩的极限摩阻力及极限承载力具有重要意义，然而目前用于研究桩侧注浆液流动规律的试验装置及方法存在手段不规范、不严密等问题，使实验结果与实际存在较大的误差。

因此，亟需一种新的试验装置及试验方法来对注浆液流动规律进行研究。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明提供一种用于研究随钻跟管桩桩侧注浆液流动规律的装置，该装置更真实地还原地层环境，使研究得到注浆液在桩侧缝隙内的流动规律更接近实际。

为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种用于研究随钻跟管桩桩侧注浆液流动规律的装置，包括模型箱***、注浆***；所述模型箱***包括模型箱、模型桩、止浆板、注浆管；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；所述注浆管设置在所述模型桩内，所述模型桩上设置有注浆孔，所述注浆孔与所述模型桩和所述土体之间的间隙连通，所述注浆管与所述注浆孔连通；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盖合所述间隙；所述注浆***的出浆口与所述注浆管连通。

作为优选，所述模型箱内设置有一支撑台，所述支撑台上设置有若干限位件，所述模型桩设置在所述支撑台上且位于所述限位件围成的空间内，所述模型桩抵接所述限位件。

作为优选，还包括套筒，在所述模型箱内填土时所述套筒设置在所述模型箱内以使所述套筒抽离时所述土体内形成所述模拟钻孔。

作为优选，所述套筒的内侧面抵接所述限位件。

作为优选，所述止浆板与所述模型桩之间设置有透气层。

作为优选，所述模型桩的底端桩壁上设置有第一切口，所述第一切口即所述注浆孔，所述注浆管的底端管壁上对应所述第一切口设置有第二切口，所述第一切口与所述第二切口连通。

作为优选，所述模型桩内设置有用于密封所述模型桩的底端的封底件，所述第一切口、第二切口埋设在所述封底件内。

作为优选，所述模型箱包括第一半圆柱体和第二半圆柱体，所述第一半圆柱体和第二半圆柱体通过固定件可拆卸连接固定。

作为优选，所述注浆***包括搅拌池、用于将所述搅拌池内的浆液注入到所述注浆管内的注浆机，还包括用于连通所述搅拌池与所述注浆机以及所述注浆机与所述注浆管的输浆管。

本发明另一方面还公开一种研究随钻跟管桩桩侧注浆液流动规律的方法，包括如下步骤：

搭建如上所述的装置，并在所述装置搭建完成后启动所述注浆***以向所述缝隙内注浆；

取出凝固有所述浆液的所述模型桩，采用三维扫描技术获取凝固有所述浆液的所述模型桩的立体图，所述立体图包括三维点云坐标数据和空间点位信息；

采用全景展平图像技术展平所述立体图，获得凝固的所述浆液的三维空间分布形态、几何尺寸、覆盖所述模型桩的面积；

调整注浆参数并重复上述步骤，以获取不同注浆参数下，凝固的所述浆液的三维空间分布形态、几何尺寸、覆盖所述模型桩的面积；

比对不同注浆参数下，凝固的所述浆液的三维空间分布形态、几何尺寸、覆盖所述模型桩的面积的变化，以获取随钻跟管桩桩侧注浆液的流动规律。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明的用于研究随钻跟管桩桩侧注浆液流动规律的装置及方法，可以更真实的再现注浆液在随钻跟管桩桩侧内流动的环境，使得对注浆液在桩侧缝隙内的流动规律进行研究和分析时，结果更贴近真实。本发明的用于研究随钻跟管桩桩侧注浆液流动规律的装置的结构简单，加工技术不复杂，加工成本低，质量轻巧，运输方便，操作流程简单，易学易用，安全性好；本发明的用于研究随钻跟管桩桩侧注浆液流动规律的方法能精确表征随钻跟管桩桩侧注浆液的流动规律，适用范围广，可适用多种土体和多种土层，操作流程简单，安全易行。

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是本发明的装置结构示意图；

图2是本发明的模型桩的结构示意图；

图3是本发明的注浆管的结构示意图；

图4是本发明的止浆板的结构示意图；

图5是本发明的方法的流程图。

图中：

1、搅拌池，2、倒浆口，3、抽浆阀门，4、第一压力表，5、抽浆管，6、注浆机，7、第二压力表，8、出浆阀门，9、出浆管，10、注浆管，11、模型桩，12、套筒，13、模型箱，14、止浆板，141、长螺丝，142、螺纹孔，143、半圆弧，15、限位件，16、封底件，17、第二切口，18、支撑台，19、土体，20、间隙，21、固定件，22、第一切口。

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。

实施例一

如图1所示，本实施例公开一种用于研究随钻跟管桩桩侧注浆液流动规律的装置，包括模型箱13***、注浆***；所述模型箱13***包括模型箱13、模型桩11、止浆板14、注浆管10；所述模型箱13内填充有土体19，所述土体19内设置有模拟钻孔，所述模拟钻孔的直径大于所述模型桩11的直径，所述模型桩11同轴设置在所述模拟钻孔内；所述注浆管10设置在所述模型桩11内，所述模型桩11上设置有注浆孔，所述注浆孔与所述模型桩11和所述土体19之间的间隙20连通，所述注浆管10与所述注浆孔连通；所述止浆板14上设置有与所述模型桩11相适应的通孔，所述止浆板14通过所述通孔套设在所述模型桩11的上端以盖合所述间隙20；所述注浆***的出浆口与所述注浆管10连通。

与现有技术相比，本发明的用于研究随钻跟管桩桩侧注浆液流动规律的装置及方法，可以更真实的再现注浆液在随钻跟管桩桩侧内流动的环境，使得对注浆液在桩侧缝隙内的流动规律进行研究和分析时，结果更贴近真实。本发明的用于研究随钻跟管桩桩侧注浆液流动规律的装置的结构简单，加工技术不复杂，加工成本低，质量轻巧，运输方便，操作流程简单，易学易用，安全性好。

如图2～3所示，本实施例中，所述模型桩11的底端桩壁上设置有第一切口22，所述第一切口22即所述注浆孔，所述注浆管10的底端管壁上对应所述第一切口22设置有第二切口17，所述第一切口22与所述第二切口17连通；所述模型桩11内设置有用于密封所述模型桩11的底端的封底件16，所述第一切口22、第二切口17埋设在所述封底件16内。其中，封底件16为混凝土凝固件，封底件16的高度不宜过高，封底目的防止地下水或者浆液从模型桩11内腔流出，造成试验失败，优选的，封底件16的高度控制在10-15厘米；

本实施例中，所述模型箱13内设置有一支撑台18，所述支撑台18上设置有若干限位件15，所述模型桩11设置在所述支撑台18上且位于所述限位件15围成的空间内，所述模型桩11抵接所述限位件15；进一步的，所述模型箱13的箱底设置有若干螺母，所述限位件15为固定在所述螺母上的螺栓，所述支撑台18位于模型箱13的中心，且所述支撑台18为圆形的填土层，所述支撑台18以所述螺栓围成的外切圆为边界。

本实施例中，还包括套筒12，在所述模型箱13内填土时所述套筒12设置在所述模型箱13内以使所述套筒12抽离时所述土体19内形成所述模拟钻孔；所述套筒12的内侧面抵接所述限位件15。

本实施例中，本实施例的套筒12包括若干个，每个套筒12的外径不同，进而使得缝隙的大小也不尽相同，所述模型箱13的箱底的螺母位置可调，使得所述螺栓围成的外切圆的大小可调。本实施例中，螺栓的直径应根据注浆间隙20以及圆柱形套筒12的厚度来选取，其长度、直径以及数量最终应能保证圆柱形套筒12以及模型桩11能被固定且难以晃动。

本实施例中，所述模型箱13呈圆柱形，具体的，所述模型箱13包括第一半圆柱体和第二半圆柱体，所述第一半圆柱体和第二半圆柱体通过固定件21可拆卸连接固定，本实施例中，所述固定件21为卡扣开关。

本实施例中，所述止浆板14与所述模型桩11之间设置有透气层，所述透气层优选为棉花层。如图4所示，所述止浆板14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长螺丝141或螺栓固定在所述模型桩11上。换言之，第一分板和第二分板上分别设置有向对应的半圆弧143，第一分板和第二分板上以及半圆弧143的两侧设置有螺纹孔142，第一分板和第二分板通过长螺丝141或螺栓固定在所述模型桩11上

本实施例中，所述注浆***包括搅拌池1、用于将所述搅拌池1内的浆液注入到所述注浆管10内的注浆机6、以及连通所述搅拌池1与所述注浆机6、所述注浆机6与所述注浆管10的输浆管；所述输浆管包括抽浆管5和出浆管9，抽浆管5用于连通搅拌池1和注浆机6，出浆管9用于连通注浆机6和注浆管10；抽浆管5上设置有抽浆阀门3和第一压力表4，出浆管9上设置有出浆阀门8和第二压力表7，搅拌池1的顶端上设置有倒浆口2。

本实施例中，模型桩11的桩径可以根据工程实际选取，可选范围100mm-1500mm之间，模型桩11的材质不局限于是亚克力管、预应力管桩、高强度的PPR管；套筒12为圆柱形，圆柱形套筒12的直径可以根据模型桩11的直径以及注浆间隙20的大小选取，最终的效果要保证形成的桩土间隙20即注浆间隙20的范围为0-5cm，圆柱形套筒12的材质不局限于是亚克力管、预应力管桩、高强度的PPR管；模型箱13的直径应大于圆柱形套筒12的直径，二者直径差应在500mm以上，以保证浆液具有足有的渗透和压密的空间。

本实施例中，所述注浆机6的注浆压力/注浆速率可调，可调范围为0-5MPa，以满足工程实际需求；抽浆阀门3、第一压力表4、抽浆管5、第二压力表7、出浆阀门8、出浆管9、注浆管10等均具有耐高压的能力，额定耐压值不低于6MPa；

本实施例中，试验所用土体19不局限于粉土、砂土、黏性土、回填土、沙土、淤泥质土等，也可以是多种土体19的混合体。

实施例二

如图5所示，本实施例公开一种研究随钻跟管桩桩侧注浆液流动规律的方法，包括如下步骤：

S1：搭建如实施例一所述的装置，并在所述装置搭建完成后启动所述注浆***以向所述缝隙内注浆；

S2：取出凝固有所述浆液的所述模型桩11，采用三维扫描技术获取凝固有所述浆液的所述模型桩11的立体图，所述立体图包括三维点云坐标数据和空间点位信息；

S3：采用全景展平图像技术展平所述立体图，获得凝固的所述浆液的三维空间分布形态、几何尺寸、覆盖所述模型桩11的面积；

S4：调整注浆参数并重复上述步骤，以获取不同注浆参数下，凝固的所述浆液的三维空间分布形态、几何尺寸、覆盖所述模型桩11的面积；

S5：比对不同注浆参数下，凝固的所述浆液的三维空间分布形态、几何尺寸、覆盖所述模型桩11的面积的变化，以获取随钻跟管桩桩侧注浆液的流动规律。

与现有技术相比本发明的用于研究随钻跟管桩桩侧注浆液流动规律的方法能精确表征随钻跟管桩桩侧注浆液的流动规律，适用范围广，可适用多种土体19和多种土层，操作流程简单，安全易行。

更为具体：

(1)如图3所示，选择“三胶两线”高压橡胶软管作为注浆管10，该注浆管10内径19mm，外径25mm，工作压力高达2MPa，***压力高达5MPa，远大于注浆机6的最大额定注浆压力1.2MPa，选定注浆管10后，在注浆管10的底部割出一个“T”字型切口，即第二切口17，第二切口17作为注浆管10的出浆口，第二切口17的深度为注浆管10的直径的1/4、高度为5cm；

(2)如图2所示，选择外径为500mm厚度为10mm的亚克力有机玻璃管作为模型桩11，模型桩11的底部切一个长宽分别为、6cm、1.5cm的长方形切口，即第一切口22，第一切口22贯穿模型桩11的桩壁；紧接着，将注浆管10从模型桩11的内腔***，***到模型桩11的底部后，用高粘结强度、速干的502胶水，将注浆管10上的第二切口17朝着模型桩11的桩壁方向与模型桩11的底部的第一切口22相贴合并粘结，以形成桩侧注浆通道；

(3)待502胶水达到一定强度后，将模型桩11连同注浆管10竖立并放置在平整的场地上，从模型桩11的内腔中灌注水、灰、砂配比分别为0.5、1、2的水泥砂浆，灌注高度达到距离模型桩11底部10cm后停止灌浆，待浆液凝固后，完成模型桩11的封底工作，此时的灌浆成为封底件16，凝固的封底件16可以固定注浆管10，可以在502胶水的基础上进一步固定第一切口22和第二切口17的连接，此外封底件16还可以防止从第二切口17流出的浆液经模型桩11的内腔流出，导致注浆失败，保证了浆液只能从第二切口17流出后进入注浆间隙20中；此外，为了防止进行水泥浆封底时，桩底发生漏浆从而堵塞第二切口17，采取如下措施：将模型桩11竖立并放置在平整的场地上之前，场地上事先铺一层厚度为1cm的塑料泡沫板，在模型桩11的自重的作用下，模型桩11的底部可以和泡沫板无缝对接，同时用柔软的棉花塞住第二切口17，待封底件16凝固时候取出棉花；

(4)随后根据实验方案选定好试验所用土体19(不局限黏土、砂土、回填土、混合土等)，并测定土体19的密度、颗粒级配、比重等物理力学参数，随后将限位件15(即螺栓)和模型箱13底上的螺母连接并拧紧，限位件15的直径为7cm；沿着限位件15的外切圆边界铺一层厚度为10cm的土层，并压实形成一个支撑台18，将完成水泥浆封底的带有注浆管10的模型桩11竖直放在支撑台18上，模型桩11刚好被限位件15的内侧卡住，起到固定模型桩11的作用；

(5)选择外径为520mm厚度为6mm的亚克力有机玻璃管作为圆柱形套筒12，将圆柱形套筒12从模型桩11顶部放入，套住模型桩11，此时圆柱形套筒12刚好被限位件15的外侧卡住，起到固定套筒12的作用；

(6)圆柱形模型箱13有两个半圆形的圆柱体组成，并通过卡扣开关进行来接，圆柱形模型箱13的直径为1.5m；打开卡扣开关，将移动两个半圆形的圆柱体，直至圆柱形套筒12和模型桩11到达模型箱13的中心位置，此时关闭卡扣开关；

(7)此时圆柱形套筒12和模型箱13之间将形成一个填土间隙20，从模型箱13的底部开始，逐层向间隙20中填土并进行饱水和压实处理，每5-10cm为一层，压实后测量土样的密实度，密实度满足试验需求后进行下一层填土，直至填土至模型箱13的顶部，此时间隙20充满了密实的土体19，土体19沿水平方向的厚度为490mm；

(8)填土结束后，拔出套筒12，由于模型桩11的外径是500，套筒12的外径为520mm，所以此时模型桩11和周围土体19之间的间隙20为10mm，即注浆间隙20的宽度为10mm；

(9)完成上述步骤后，按照图1方式连接各部件，关闭出浆阀门8，通过第二压力表7的读数判断注浆***的气密性，注浆***的气密性没有问题后可以开展随钻跟管桩的桩侧注浆试验，具体为：按照试验设计方案配置注浆液，并放在搅拌池1中搅拌，搅拌均匀后浆液通过抽浆管5被抽进注浆机6中，注浆机6通过出浆管9将浆液注入注浆管10中，注浆管10的浆液在压力作用下第二切口17流入注浆间隙20中，浆液在注浆间隙20中发生流动；

(10)为了防止压力过大造成的喷浆以及形成一个憋压效果从而达到需要的注浆压力，需要在间隙20的顶端设置止浆板1414，如图5所示，止浆板14的主体部分为钢材，即主要由设置有两个半圆孔的钢板组成，还包括长螺丝141、设置在钢板上的螺丝孔、半圆弧143，其中半圆弧143的直径比模型桩11的直径大2mm，用两个半圆弧143将模型桩11套住，模型桩11和半圆弧143之间的1mm的间隙20用透气性较好的棉花密封，这样可以做到漏气不漏注浆液，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，为了防止压力过大，止浆板14靠自重形成的憋压效果不好，可以在止浆板14的上部堆放钢板、沙袋、石头等重物，以保证憋压成功；

(11)注浆结束后，清洗搅拌池1、抽浆管5、注浆机6、出浆管9等，同时养护模型桩11桩侧的注浆液7天以上，待浆液凝固并达到一定强度后，开挖土体19，具体为打开卡扣开关，将两个半圆柱形的模型箱13挪开，土体19在自重作用下散落后，清除剩余土体19，挖出模型桩11，此时模型桩11的表面依次为注浆液的凝固体、残余土体19，用清水和软毛刷清除模型桩11表面的残余土体19后，将模型桩11防止一旁自然风干，大约需要2小时；

(12)模型桩11的表面处理完成后，采用三维扫描技术，获得凝固有所述浆液的所述模型桩11的立体图，其中，该立体图包括浆液与土体19的接触界面的三维点云坐标和空间点位信息；结合全景展平图像处理技术，展平所述立体图，定量表征凝固的所述浆液的三维几三维空间分布形态、几何尺寸、覆盖所述模型桩11的面积；调整注浆参数(如注浆压力、浆液配比、浆液种类、注浆频率等)，获得不同注浆参数下，定量表征的凝固的所述浆液的三维几三维空间分布形态、几何尺寸、覆盖所述模型桩11的面积；分析注浆参数对凝固的所述浆液的扩散范围(或覆盖模型桩11的面积)、浆脉三维空间分布形态及几何尺寸的影响，从而揭示随钻跟管桩桩周注浆液的流动扩散机制；

(13)试验完成后，用保鲜膜密封模型桩11，并在保鲜膜外侧贴标签入库保存，以便后期调用。

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。

Claims (10)

1.一种用于研究随钻跟管桩桩侧注浆液流动规律的装置，其特征在于，包括模型箱***、注浆***；

所述模型箱***包括模型箱、模型桩、止浆板、注浆管；

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注浆孔，所述注浆孔与所述模型桩和所述土体之间的间隙连通，所述注浆管设置在所述模型桩内，所述注浆管与所述注浆孔连通；

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盖合所述间隙；

所述注浆***的出浆口与所述注浆管连通。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述模型箱内设置有一支撑台，所述支撑台上设置有若干限位件，所述模型桩设置在所述支撑台上且位于所述限位件围成的空间内，所述模型桩抵接所述限位件。

3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，还包括套筒，在所述模型箱内填土时所述套筒设置在所述模型箱内以使所述套筒抽离时所述土体内形成所述模拟钻孔。

4.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，所述套筒的内侧面抵接所述限位件。

5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述止浆板与所述模型桩之间设置有透气层。

6.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述模型桩的底端桩壁上设置有第一切口，所述第一切口即所述注浆孔，所述注浆管的底端管壁上对应所述第一切口设置有第二切口，所述第一切口与所述第二切口连通。

7.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述模型桩内设置有用于密封所述模型桩的底端的封底件，所述第一切口、第二切口埋设在所述封底件内。

8.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述模型箱包括第一半圆柱体和第二半圆柱体，所述第一半圆柱体和第二半圆柱体通过固定件可拆卸连接固定。

9.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述注浆***包括搅拌池、用于将所述搅拌池内的浆液注入到所述注浆管内的注浆机，还包括用于连通所述搅拌池与所述注浆机以及所述注浆机与所述注浆管的输浆管。

10.一种研究随钻跟管桩桩侧注浆液流动规律的方法，其特征在于，包括如下步骤：

搭建如权利要求1～9任一项所述的装置，并在所述装置搭建完成后启动所述注浆***以向所述缝隙注浆；

取出凝固有所述浆液的所述模型桩，采用三维扫描技术获取凝固有所述浆液的所述模型桩的立体图，所述立体图包括三维点云坐标数据和空间点位信息；

采用全景展平图像技术展平所述立体图，获得凝固的所述浆液的三维空间分布形态、几何尺寸、覆盖所述模型桩的面积；

调整注浆参数并重复上述步骤，以获取不同注浆参数下，凝固的所述浆液的三维空间分布形态、几何尺寸、覆盖所述模型桩的面积；

比对不同注浆参数下，凝固的所述浆液的三维空间分布形态、几何尺寸、覆盖所述模型桩的面积的变化，以获取随钻跟管桩桩侧注浆液的流动规律。

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