[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

说明书

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。

技术领域

本发明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。本发明还涉及这种模型制作设备的工作方法。

背景技术

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1 g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，本发明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。

发明内容

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，本发明提供了一种大直径管桩离心试验模型制作设备，本发明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。本发明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。本发明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。本发明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，本发明采用以下技术方案：