大直径管桩离心试验模型制作设备及其工作方法技术

大直径管桩离心试验模型制作设备及其工作方法，设备包括在模型箱中切削刮平模型土样的装置、引孔取土装置及压桩回填装置，特征是：引孔取土装置采用以下结构：设有薄壁引孔取土管，薄壁引孔取土管由引孔限位环与引孔导向限定位置；薄壁引孔取土管的上端通过转接头及真空吸嘴连接真空泵；引孔取土装置还设有能够插入薄壁引孔取土管内的通气细管，通气细管的位置由细管限位环限定，通气细管的下端垂直地固定有弧形削片；通气细管的上端通过真空吸嘴连接真空泵。本发明专利技术可在常重力场下以最小扰动地基土的情况下完成土样刮平、引孔取土、插桩和回填操作，并在高重力场预固结后完成桩土接触相似模拟，尤其适用于饱和软黏土地基大直径管桩离心试验。

【技术实现步骤摘要】
大直径管桩离心试验模型制作设备及其工作方法
本专利技术涉及土工离心模型试验领域，具体涉及一种大直径管桩离心试验模型制作设备。本专利技术还涉及这种模型制作设备的工作方法。
技术介绍
土工离心模型试验借助离心机的高速旋转为模型创造一个与原型应力水平相同的应力场，从而使原型的性状在模型中再现，使得可用一米高度以内的模型在高重力场下模拟几十米甚至数百米的原型工况。土工离心模型试验技术作为一种最有效的物理模型试验方法，几乎涉及土木工程所有领域，成为在以自重为主要荷载的岩土工程技术研究中最先进、最主要的研究手段之一。土工离心模型试验的原型再现体现在二者满足相似原理的基础上。模型设计过程中的几何、材料、静动力等相似方法均有章可循，而如何合理制备缩尺后的模型以充分反映现场实际施工工况较难实现，且很难标准化和统一。《土工离心模型试验技术规程》DL/T5102-2013等相关文献均提供了模型设计及制作原则，但针对特定问题很少有具体的针对性解决方案。以PCC桩为代表的大直径管桩的特点是桩内外均有地基土，能同时提供内、外摩阻力，此类大直径管桩可用作单桩基础、群桩基础以及复合地基基础。离心模型制作时，通常使用铝合金管按照抗压强度等效或抗弯强度等效替代大直径管桩，所以模型桩通常是一根细长的管，群桩基础缩尺后桩间距很小；此外，大直径管桩侧壁较铝合金等金属粗糙，土工离心试验中要将模型桩表面粗糙化以使桩土接触相似。原则上成桩过程应在离心机运转的高重力场环境下进行，但实现大直径管桩的群桩离心试验模型高重力场成桩造价十分昂贵，目前未见报道；现有大直径管桩离心模型的成桩操作在1g重力条件下人工完成。然而，常重力场下离心模型的几何制作误差和操作方式会在高重力场中被放大若干数量级倍。大直径管桩离心试验模型制作的难点主要包括如何考虑桩孔制作、桩内填土以及桩土接触等方面的相似模拟。表面粗糙化的群桩模型在常重力场下直接插入模型土样会完全破坏地基模型，应用引孔式插桩方式完成布桩，如何在最大程度上减少常重力场条件下插桩过程中的地基扰动，并实现桩内填土及有效模拟桩土接触是大直径管桩离心试验模型制作的关键。南京水利科学研究院具有先进的土工离心试验设备，在离心试验模型制作进行了大量探索。针对以上问题，本专利技术提出一种大直径管桩离心试验模型制作设备及其工作方法。
技术实现思路
为解决大直径管桩土工离心试验模型制作过程的相似模拟技术问题，本专利技术提供了一种大直径管桩离心试验模型制作设备，本专利技术还将提供这种大直径管桩离心试验模型制作设备的工作方法。本专利技术可以避免手压式引孔对模型土样的过大扰动，并可减少薄壁引孔取土管拔出桩位时的底部真空阻力，避免桩位缩孔和引孔取样不充分。本专利技术避免了使用重塑土作为桩内填土，可以使模型制作过程统一化和标准化，并消除制模高程误差。本专利技术引孔取土装置与打土回填装置尺寸互相匹配，操作方式互相关联，可以在常重力场下以最小扰动地基土的情况下完成引孔取土、插桩和回填操作，并在预固结后完成桩土接触相似，尤其适用于饱和软黏土地基上的大直径管桩离心试验模型制作。为实现上述目的，本专利技术采用以下技术方案：一种大直径管桩离心试验模型制作设备，包括在模型箱中切削刮平模型土样的装置、引孔取土装置及压桩回填装置，其特征在于：所述引孔取土装置采用以下结构：设有薄壁引孔取土管，该薄壁引孔取土管由引孔限位环与引孔导向限定位置；该薄壁引孔取土管的上端通过转接头及真空吸嘴连接真空泵；所述引孔取土装置还设有能够插入薄壁引孔取土管内的通气细管，该通气细管的位置由细管限位环限定，该通气细管的下端垂直地固定有弧形削片；该通气细管的上端通过真空吸嘴连接真空泵。换言之，本专利技术的薄壁引孔取土管顶端连接真空泵后可以在模型土样中自主下沉，以避免手压式引孔对模型土样扰动过大；薄壁引孔取土管下沉到位后，紧贴其内壁将底端带有弧形削片的通气细管使用真空泵下沉至取土末端，并转动通气细管使其切断引孔取土管底端土样，使其与底土分离；取出通气细管后，薄壁引孔取土管内部形成通气孔，拔出薄壁引孔取土管完成桩位成孔，然后使用压桩装置将模型桩压入孔位；使用真空泵连接打土管取出薄壁引孔取土管内的引土，并用推土棒填入模型桩内部；本专利技术的引孔取土装置及打土回填装置尺寸互相匹配，操作方式互相关联，可以实现在最小扰动地基土的情况下完成引孔取土、插桩和回填操作。所述切削刮平模型土样的装置包括：刮平横梁、该刮平横梁上通过销钉固定有刮平进尺，该刮平进尺的工作端设有切土钢丝。所述压桩回填装置包括：压桩横梁、定长压桩杆、打土管、推土棒、还包括所述的引孔导向及真空泵。本专利技术有以下优化方案：所述模型桩的替代材料、外径、壁厚、长度均依据相似原理及试验设计加速度确定，桩身内外侧进行粗糙处理，桩土摩擦系数与现场工况相同。所述模型土样为饱和软黏土，可以采用离心力场固结法和固结仪预压法在模型箱中制样。所述刮平横梁为对开式，长于所述模型箱宽度，通过销钉连接后将一对与刮平横梁正交的刮平进尺分别固定于两侧槽内，该刮平进尺长度为30~60cm，其相对于所述刮平横梁的工作深度可调整；所述刮平进尺截面为矩形，边长为1~3cm，两个刮平进尺外缘宽度比所述模型箱宽度小2~4mm；所述刮平进尺底端连接所述切土钢丝，该切土钢丝直径为0.4~0.8mm；将所述刮平横梁置于所述模型箱上横向平动，可以通过所述切土钢丝将所述模型土样切削刮平至设计深度。所述薄壁引孔取土管为不锈钢材质，外径与所述模型桩相同，壁厚0.2~0.5mm，并长于引孔深度8~15cm；该薄壁引孔取土管入土端有刃口，其顶端通过转接头与所述真空泵连接后通过真空吸力自主下沉引孔取样；使用所述薄壁引孔取土管前在其内外壁涂抹润滑油以减小引孔时对所述模型土样的扰动；使用引孔导向使所述薄壁引孔取土管垂直下沉，使用引孔限位环控制引孔深度；所述引孔导向高度为5~8cm。所述通气细管为不锈钢中空细管，长于所述薄壁引孔取土管4~6cm，其壁厚为0.2~0.3mm，其外径为1~3mm且不超过模型桩壁厚；该通气细管下端焊接所述弧形削片，该弧形削片为厚度0.4~0.8mm、高度3~5mm的高模量不锈钢，其弧长半径等于所述薄壁引孔取土管内径，且为1/4~2/5圆周；将所述弧形削片及所述通气细管底端紧贴下沉到位后的薄壁引孔取土管内壁，使用所述真空泵连接该通气细管顶部吸气下沉，通过细管限位环使所述弧形削片的下边缘沉至所述薄壁引孔取土管底端；转动所述通气细管上部，所述弧形削片切割底土，使大部分所述薄壁引孔取土管内底土与模型土样分离，复位所述弧形削片并拔出通气细管，所述薄壁引孔取土管内部形成通气孔，使所述薄壁引孔取土管拔出时形成的孔位内部气压平衡，减少引孔取土扰动。所述模型桩通过所述压桩装置压入桩孔；所述压桩装置包括压桩横梁和定长压桩杆；所述压桩横梁有长于所述模型箱宽度的上下通槽，以供所述定长压桩杆主体穿过；所述定长压桩杆上端为圆台扩大头，配合所述压桩横梁可以将所有模型桩压至设计平面。所述打土管为不锈钢材质，壁厚0.2~0.5mm，外径比所述薄壁引孔取土管的内径小0.5mm，且比所述模型桩的内径小0.5mm，该打土管长度恰好穿透所述薄壁引孔取土管；通过所述转接头连接所述真空泵后，可以取出所述薄壁引孔取土管中的土样；由于所述模型桩比所述薄壁引孔取土本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种大直径管桩离心试验模型制作设备，包括在模型箱中切削刮平模型土样的装置、引孔取土装置及压桩回填装置，其特征在于：所述引孔取土装置采用以下结构：设有薄壁引孔取土管，该薄壁引孔取土管由引孔限位环与引孔导向限定位置；该薄壁引孔取土管的上端通过转接头及真空吸嘴连接真空泵；所述引孔取土装置还设有能够插入薄壁引孔取土管内的通气细管，该通气细管的位置由细管限位环限定，该通气细管的下端垂直地固定有弧形削片；该通气细管的上端通过真空吸嘴连接真空泵。

【技术特征摘要】
1.一种大直径管桩离心试验模型制作设备，包括在模型箱中切削刮平模型土样的装置、引孔取土装置及压桩回填装置，其特征在于：所述引孔取土装置采用以下结构：设有薄壁引孔取土管，该薄壁引孔取土管由引孔限位环与引孔导向限定位置；该薄壁引孔取土管的上端通过转接头及真空吸嘴连接真空泵；所述引孔取土装置还设有能够插入薄壁引孔取土管内的通气细管，该通气细管的位置由细管限位环限定，该通气细管的下端垂直地固定有弧形削片；该通气细管的上端通过真空吸嘴连接真空泵。2.根据权利要求1所述的大直径管桩离心试验模型制作设备，其特征在于：所述薄壁引孔取土管为不锈钢材质，外径与所述模型桩相同，壁厚0.2~0.5mm，并长于引孔深度8~15cm；所述薄壁引孔取土管入土端有刃口，其顶端通过转接头与所述真空泵连接后通过真空吸力自主下沉引孔取样；使用引孔导向使所述薄壁引孔取土管垂直下沉，使用引孔限位环控制引孔深度；所述引孔导向高度为5~8cm。3.根据权利要求1所述的大直径管桩离心试验模型制作设备，其特征在于：所述通气细管为不锈钢中空细管，长于所述薄壁引孔取土管4~6cm，其壁厚为0.2~0.3mm，其外径为1~3mm且不超过所述模型桩壁厚；该通气细管下端连接所述弧形削片，该弧形削片为厚度0.4~0.8mm、高度3~5mm的高模量不锈钢，其弧长半径等于所述薄壁引孔取土管内径，且为1/4~2/5圆周；使用所述真空泵连接该通气细管顶部吸气下沉至所述薄壁引孔取土管底端，转动所述通气细管、复位后取出，完成底土切割并在所述薄壁引孔取土管内部的取土中形成通气孔。4.根据权利要求1所述的大直径管桩离心试验模型制作设备，其特征在于：所述切削刮平模型土样的装置包括刮平横梁、该刮平横梁上通过销钉固定有刮平进尺，该刮平进尺的工作端设有切土钢丝；所述刮平横梁为对开式，长于所述模型箱宽度，通过销钉连接后将一对与刮平横梁正交的刮平进尺分别固定于两侧槽内；所述刮平进尺长度为30~60cm，其相对于所述刮平横梁的工作深度可调整；所述刮平进尺底端连接所述切土钢丝，该切土钢丝直径为0.4~0.8mm。5.根据权利要求1所述的大直径管桩离心试验模型制作设备，其特征在于：所述压桩回填装置包括压桩横梁、定长压桩杆、打土管、推土棒、还包括所述的引孔导向及真空泵；所述定长压桩杆上端有扩大头平台，可沿所述压桩横梁的通槽左右移动；所述打土管为不锈钢材质，壁厚0.2~0.5mm，外径比所述薄壁引孔取土管的内径小0.5mm，且比所...

【专利技术属性】
技术研发人员：姜彦彬，何宁，李文轩，陈皓，梅聚福，张贤，黄宙晟，徐光明，任国峰，顾行文，周彦章，李登华，汪璋淳，何斌，张桂荣，钱亚俊，王国利，张中流，许滨华，梅世昂，闫志坤，姚明帅，张家胜，吴璐璐，张兴刚，蔡忍，王青青，其他发明人请求不公开姓名，
申请(专利权)人：水利部交通运输部国家能源局南京水利科学研究院，
类型：发明
国别省市：江苏,32