用于混凝土螺纹桩复合地基模型试验的后成桩组件及方法与流程

本发明属于土木工程，具体涉及一种用于混凝土螺纹桩复合地基模型试验的后成桩组件及方法。

背景技术：

1、混凝土螺纹桩的成桩方法较为特殊，通过中空的螺纹钻杆钻旋转钻入地基，然后反向旋转出土，边提升边灌入混凝土，形成孔内的螺纹桩结构。为了研究螺纹桩复合地基的工作性状，部分学者设计了螺纹桩复合地基模型试验，以便研究螺纹桩复合地基的承载和变形特性。但现有的螺纹桩复合地基模型试验多采用预先制造的螺纹桩，然后在模型箱内填土形成复合地基，预先制造的螺纹桩多采用钢棒、四氟乙烯、pvc等材料代替混凝土螺纹桩，这样形成的螺纹桩复合地基不能真实反映混凝土螺杆桩的特性，同时桩与桩间土接触面部位的填土性状不容易控制，造成桩-土接触面刚度获取不准确。

2、另一方面，在桩身应力应变获取方面，现有螺纹桩复合地基模型试验，通过在预先制造的螺纹桩表面粘贴应变片获取桩身轴力和侧摩阻力，预先制造的螺纹桩多采用钢棒、四氟乙烯、pvc等材料，填土过程中，粘贴的应变片极易粘贴失效、脱落。

3、综上，传统的螺纹桩复合地基模型试验中存在大量问题，不能真实反映混凝土螺纹桩复合地基的承载和变形特性。

技术实现思路

1、有鉴于此，本发明的目的在于提供一种用于混凝土螺纹桩复合地基模型试验的后成桩组件及方法。本发明旨在解决传统螺纹桩复合地基模型试验存在大量问题，无法真实反映承载和变形特性的问题。

2、为达到上述目的，本发明提供了一种用于混凝土螺纹桩复合地基模型试验的后成桩组件，包括模型箱、预成孔单元和后成桩单元；

3、所述模型箱用于填筑试验土样；

4、所述预成孔单元用于在模型箱填筑的试验土样中，开设圆形的预成孔洞；

5、所述后成桩单元用于在试验土样开设的预成孔洞内，形成螺纹桩的螺纹。

6、进一步，所述模型箱包括四块面板，四块所述面板外侧均固定连接三块加强肋板，四块所述面板能够围合成一个正方形箱体，所述正方形箱体上相邻的两块面板通过螺栓固定连接，所述正方形箱体底部设置有土工膜。

7、进一步，所述螺栓设置在加强肋板两端，相邻所述面板通过对应加强肋板上的螺栓固定连接。

8、进一步，所述预成孔单元包括成孔棒和若干个定位器，所述成孔棒表面设有刻度标尺，所述定位器用于对成孔棒进行辅助定位，使成孔棒在试验土样中开设出一个竖直的预成孔洞。

9、进一步，所述定位器包括限位环，所述限位环的圆周侧固定连接有四根均匀分布的外套管，所述外套管远离限位环的一端均滑动连接有内套管，所述外套管和内套管上开设有多个锁止孔，所述外套管上设有与锁止孔相配合的限位插销，所述限位插销用于限制内套管沿外套管滑动，所述内套管远离外套管的一端螺纹连接有调节杆，所述调节杆上螺纹连接有调节螺丝，所述调节杆远离内套管的一端固定连接有l型顶托，四个所述l型顶托分别正对围合成模型箱的四块面板的内侧壁，所述限位环上设有固定插销，所述固定插销用于固定伸入限位环的成孔棒。

10、进一步，所述刻度标尺的刻度单元以10cm为一节，沿着成孔棒的端部布置至桩顶。

11、进一步，所述后成桩单元包括螺纹杆，所述螺纹杆上端固定连接有连接杆，所述连接杆上端固定连接有力矩扳手。

12、进一步，所述螺纹杆和连接杆通过内部空心螺丝内套连接，采用锁紧插销锁止。

13、进一步，所述力矩扳手通过锁紧插销与连接杆固定连接。

14、本发明还提供了一种用于混凝土螺纹桩复合地基模型试验的后成桩方法，包括以下步骤：

15、s1.按照缩尺模型比例，加工模型箱、预成孔单元和后成桩单元的部件；

16、s2.在试验场地组装模型箱，并用水平尺和铅锤进行调整校正，使模型箱的面板垂直于水平面；

17、s3.在模型箱的面板内侧粘贴pvc材料；

18、s4.在模型箱的面板内侧标记竖向中线；

19、s5.开展填土试验，根据填土的密实度确定模型箱内填土的虚土厚度和夯实次数之间的关系，确定分层填土工艺参数，从而控制模型箱内的填土密实度；

20、s6.按照缩尺模型试验设计的桩底土层厚度，在模型箱内分层填筑试验土样；

21、s7.在模型箱内安装预成孔单元；

22、选择预成孔单元的安装位置，使调节杆端部的l型顶托正对面板的竖向中线，然后采用铅锤测量成孔棒的垂直度，确保成孔棒竖向垂直于水平面，之后调节内套管和调节杆的相对位置，使调节杆端部的l型顶托顶于模型箱面板的竖向中线；

23、s8.以刻度标尺为标准，逐层填筑试验土样；

24、其中，试验土样的填筑高度达到定位器后，卸去对应位置定位器的内套管和调节杆，并将限位环提升至成孔棒的顶部；

25、s9.土样填筑完毕后，平整修整土样，然后采用管钳慢速旋转成孔棒，成孔棒达到能够手动旋转时，边旋转边向上抽拔成孔棒，最终拔出成孔棒，在试验土样中形成圆形的预成孔洞；

26、s10.在预成孔洞内形成螺纹桩的螺纹；

27、使后成桩单元下部的螺纹杆正对预成孔洞，然后顺时针旋转力矩扳手，使螺纹杆慢速钻进预成孔洞，螺纹杆钻至预成孔洞底部后，逆时针旋转扭矩扳手，慢速旋出螺纹杆，最终在预成孔洞内形成螺纹桩的螺纹；

28、s11.检测预成孔洞是否合格；

29、采用高清内窥镜检查预成孔洞的螺纹状态，并测量预成孔洞的深度是否满足桩长的要求，当预成孔洞孔内螺纹无损伤且孔深与桩长的误差小于2％时，预成孔洞合格；

30、s12.制备传感器单元，并将传感器单元插入预成孔洞；

31、所述传感器单元包括与桩长相等长度、1/2桩径宽度的pvc片，所述pvc片表面粘贴有应变片或光纤光栅传感器；

32、s13.将传感器单元与数码读数设备连接，传感器单元能够正常读数后，在预成孔洞内慢速灌注自流平砂浆；

33、s14.采用防水布包裹模型箱，闷制7天后开始加载试验。

34、有益效果：

35、本发明提供了一种用于混凝土螺纹桩复合地基模型试验的后成桩组件及方法，与现有技术相比，本发明可以实现螺纹桩的后成桩工艺，解决了现有试验用螺纹桩不能真实反映混凝土螺杆桩特性、桩-土接触面刚度获取不准确等问题。同时本发明将传感器直接安装于桩体内部，避免了传统方法表面粘贴造成传感器易脱落，影响监测数据准确性的问题。

36、本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究，对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。

技术特征：

1.一种用于混凝土螺纹桩复合地基模型试验的后成桩组件，其特征在于：包括模型箱、预成孔单元和后成桩单元；

2.根据权利要求1所述的一种用于混凝土螺纹桩复合地基模型试验的后成桩组件，其特征在于：所述模型箱包括四块面板(1)，四块所述面板(1)外侧均固定连接三块加强肋板(11)，四块所述面板(1)能够围合成一个正方形箱体，所述正方形箱体上相邻的两块面板(1)通过螺栓固定连接，所述正方形箱体底部设置有土工膜。

3.根据权利要求2所述的一种用于混凝土螺纹桩复合地基模型试验的后成桩组件，其特征在于：所述螺栓设置在加强肋板(11)两端，相邻所述面板(1)通过对应加强肋板(11)上的螺栓固定连接。

4.根据权利要求1所述的一种用于混凝土螺纹桩复合地基模型试验的后成桩组件，其特征在于：所述预成孔单元包括成孔棒(2)和若干个定位器(3)，所述成孔棒(2)表面设有刻度标尺(4)，所述定位器(3)用于对成孔棒(2)进行辅助定位，使成孔棒(2)在试验土样中开设出一个竖直的预成孔洞。

5.根据权利要求4所述的一种用于混凝土螺纹桩复合地基模型试验的后成桩组件，其特征在于：所述定位器(3)包括限位环(37)，所述限位环(37)的圆周侧固定连接有四根均匀分布的外套管(36)，所述外套管(36)远离限位环(37)的一端均滑动连接有内套管(33)，所述外套管(36)和内套管(33)上开设有多个锁止孔(35)，所述外套管(36)上设有与锁止孔(35)相配合的限位插销(34)，所述限位插销(34)用于限制内套管(33)沿外套管(36)滑动，所述内套管(33)远离外套管(36)的一端螺纹连接有调节杆(31)，所述调节杆(31)上螺纹连接有调节螺丝(32)，所述调节杆(31)远离内套管(33)的一端固定连接有l型顶托，四个所述l型顶托分别正对围合成模型箱的四块面板(1)的内侧壁，所述限位环(37)上设有固定插销(5)，所述固定插销(5)用于固定伸入限位环(37)的成孔棒(2)。

6.根据权利要求4所述的一种用于混凝土螺纹桩复合地基模型试验的后成桩组件，其特征在于：所述刻度标尺(4)的刻度单元以10cm为一节，沿着成孔棒的端部布置至桩顶。

7.根据权利要求1所述的一种用于混凝土螺纹桩复合地基模型试验的后成桩组件，其特征在于：所述后成桩单元包括螺纹杆(8)，所述螺纹杆(8)上端固定连接有连接杆(7)，所述连接杆(7)上端固定连接有力矩扳手(6)。

8.根据权利要求1所述的一种用于混凝土螺纹桩复合地基模型试验的后成桩组件，其特征在于：所述螺纹杆(8)和连接杆(7)通过内部空心螺丝内套连接，采用锁紧插销(9)锁止。

9.根据权利要求1所述的一种用于混凝土螺纹桩复合地基模型试验的后成桩组件，其特征在于：所述力矩扳手(6)通过锁紧插销(9)与连接杆(7)固定连接。

10.一种如权利要求1～9任一项所述后成桩组件的成桩方法，其特征在于，包括以下步骤：

技术总结
本发明提供了一种用于混凝土螺纹桩复合地基模型试验的后成桩组件及方法，涉及土木工程技术领域。一种用于混凝土螺纹桩复合地基模型试验的后成桩组件，包括模型箱、预成孔单元和后成桩单元，模型箱用于填筑试验土样；预成孔单元用于在模型箱填筑的试验土样中，开设圆形的预成孔洞；后成桩单元用于在试验土样开设的预成孔洞内，形成螺纹桩的螺纹。本发明可以实现螺纹桩的后成桩工艺，解决了现有试验用螺纹桩不能真实反映混凝土螺杆桩特性、桩‑土接触面刚度获取不准确等问题。同时本发明将传感器直接安装于桩体内部，避免了传统方法表面粘贴造成传感器易脱落，影响监测数据准确性的问题。

技术研发人员：杲斐,王文芳,洪涛,吕擎峰,赵彦旭,薄志军,吴建国,张璞,黄炬银,李军昌,蔡晨曦,李世琴,程选生,陈向军,陈晨,欧涛
受保护的技术使用者：中铁二十一局集团第五工程有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/6/13