[发明专利]大直径管桩离心试验模型制作设备及其工作方法

权利要求书

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；

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0.2~0.5 mm，并长于引孔深度8~15 cm；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；所述引孔深度为5~8 cm；

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4~6 cm，其壁厚为0.2~0.3mm，其外径为1~3 mm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0.4~0.8 mm、高度3~5 mm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，且该弧形削片的弧长为薄壁引孔取土管内径圆周的1/4~2/5；使用所述真空泵连接该通气细管顶部，抽真空使通气细管底端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土样中形成通气孔；

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；所述刮平横梁的结构是：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30~60 cm，其相对于所述刮平横梁的工作深度可调整；所述切土钢丝直径为0.4~0.8 mm。

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0.2~0.5 mm，外径比所述薄壁引孔取土管的内径小0.5 mm，且比所述模型桩的内径小0.5 mm，所述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取出所述薄壁引孔取土管中的原状土样，并借助所述推土棒将其回填入所述模型桩内。

3.根据权利要求1或2所述的大直径管桩离心试验模型制作设备，其特征在于：所述模型桩内外侧的桩土摩擦系数与现场工况相同。

4.一种如权利要求1所述的大直径管桩离心试验模型制作设备的工作方法，其特征在于，步骤如下：

在模型箱中制作饱和黏土模型土样，并按照现场桩土摩擦系数及相似要求制作表面粗糙化的模型桩；

按照模型土样表面设计深度及模型箱净宽调整刮平进尺在刮平横梁上的工作深度及宽度并用销钉固定刮平横梁，收紧刮平进尺工作端的切土钢丝；在模型土样两侧挖出刮平进尺的行进槽，在模型箱中放入切削刮平模型土样的装置后，沿长边均匀缓慢移动切削刮平模型土样的装置，在模型土样中切出设计深度的面；

将引孔导向固定在桩位处，根据引孔深度调整引孔限位环在薄壁引孔取土管上的位置，在薄壁引孔取土管的内外壁涂抹润滑油，将其顶端通过转接头连接真空泵；通过引孔导向将薄壁引孔取土管刃口垂直插入模型土样，开启真空泵，吸走薄壁引孔取土管内部空气，使其在真空吸力下缓慢垂直下沉至引孔限位环与引孔导向接触；

调整细管限位环相对通气细管的位置使其与弧形削片底端之间的距离等于薄壁引孔取土管的长度；将通气细管涂抹润滑油，并将其顶端通过真空吸嘴连接真空泵，将弧形削片及通气细管底部紧贴薄壁引孔取土管内壁垂直插入模型土样表面，开启真空泵，使通气细管缓慢垂直下沉至细管限位环与薄壁引孔取土管顶端接触；

正向旋转通气细管顶部至极限，使其底部的弧形削片切割薄壁引孔取土管底土，反向旋转通气细管使弧形削片复位后紧贴薄壁引孔取土管内壁；

均匀缓慢地垂直拔出通气细管，在薄壁引孔取土管内壁处形成一个通气孔；均匀缓慢地垂直拔出薄壁引孔取土管，在模型土样桩位处形成桩孔；

使用引孔导向及压桩回填装置，在桩孔处垂直插入模型桩，并将桩顶精确压至设计平面；

将打土管顶端正向插入薄壁引孔取土管内的土中，并将打土管顶部通过转接头连接真空泵，利用真空吸力使打土管缓慢地穿透薄壁引孔取土管，将薄壁引孔取土管内的原状土转移至打土管；

将打土管正向插入模型桩内部直至到达底部，将推土棒抵住打土管上方的土不动，均匀缓慢地竖向拔出打土管，将管内土打入模型桩内部；

清理各装置后重复(1)~(9)，完成下一根模型桩的布设；

所有模型桩布置完毕后，将模型置于设定的超重力场下进行预固结以完成桩土接触的相似模拟，离心机运行时间相似于现场施工对应时间。