一种可视化桩周黄土湿陷性测定及加固试验装置及方法

1.本发明属于地基加固技术领域，具体涉及一种可视化桩周黄土湿陷性测定及加固试验装置，还涉及可视化桩周黄土湿陷性测定及加固试验方法。


背景技术：

2.原状黄土本身具有显著的多孔性和垂直节理，天然状态下，黄土地基承载力较强，但遇土中含水量或上覆压力变化时，极易发生湿陷变形，产生的湿陷变形量会对路基、建筑物、隧道等产生严重的影响。工程中常用的湿陷性黄土地基处理方法有换填法、强夯法、垫层法、预浸水法、桩基加固方法等。采用换填法加固地基时需要替换掉全部湿陷性土层，工作量大、工期长；而强夯法则需要较大的冲击能，不仅会对周围建筑物地基产生影响，且处理深度有限；预浸水法则需要大量的水资源且加固周期较长，影响范围较广，由此可见，无论采用哪种常规的黄土地基湿陷性处理方法都存在一定的局限性。桩基加固作为湿陷性黄土地区地基加固的主要方法之一，具有加固区域明确，且可减少对周边建筑物地基的影响等优点。微生物加固方式具有对土体扰动小、无污染、施工效率高、施工周期短等优势，在岩土工程领域得到了越来越多关注，许多学者研究这种绿色加固方法并在逐步探究其实际工程应用。
3.但仍然存在以下问题：如现有桩基试验装置在进行黄土湿陷系数测定时，无法准确估测湿陷量，且在发生湿陷变形时，不具有失踪和测量功能，不能直接观测出黄土浸水时的湿陷量，从而影响加固范围和强度的估算。在采用人工挖孔桩或钻孔灌注桩进行桩基加固时，容易对桩周土产生扰动，目前采用桩基加固湿陷性黄土地基对桩周土承载特性的影响以及桩土协同作用尚有待考虑，由于桩周土承载特性减小而使得桩体倾斜或承载力不足的现象屡见不鲜。


技术实现要素：

4.本发明的目的是提供一种可视化桩周黄土湿陷性测定及加固试验装置，可对桩周扰动区土体进行加固，从而联合桩基提高黄土地基承载性能。
5.本发明的另一目的是提供可视化桩周黄土湿陷性测定及加固试验装方法。
6.本发明所采用的技术方案是，一种可视化桩周黄土湿陷性测定及加固试验装置，包括顶部开口的箱体，箱体内部还竖直设置有多个注浆管，注浆管沿长度方向设置有多个注浆孔；箱体的一个侧面设置有磁性刻度板；箱体内部还设置有桩基模型，桩基模型放置于磁性刻度板一侧，还包括呈矩形排列的四根可伸缩立柱，箱体位于四根可伸缩立柱围成的矩形中心处，可伸缩立柱包括第一钢管和第二钢管，第一钢管插入第二钢管中，四个第一钢管顶部通过顶板连接；顶板上设置有菌液箱和胶结液箱，菌液箱上设置有第一出液管，胶结液箱上设置有第二出液管，第一出液管、第二出液管均与进液管连接，进液管与注浆管连接。
7.本发明的特点还在于，
8.第一钢管和第二钢管沿长度方向均匀设置有多个螺栓孔，第一钢管与第二钢管通过螺栓固定。
9.四个所述第二钢管下部依次通过四根支柱首尾连接；四个第二钢管的底部均设置有万向轮。
10.第一出液管、第二出液管上均设置有出液阀门，进液管上设置有进液阀门。
11.箱体为立方体结构，且由透明有机玻璃板材制备而成。
12.本发明所采用的另一技术方案是，一种可视化桩周黄土湿陷性测定及加固试验方法，具体按照以下步骤实施：
13.步骤1，在箱体内部填筑相应的地基土至指定高度，放入桩基模型，继续填土至地基表面，在桩基模型两侧插入注浆管；
14.步骤2，将强亮蓝溶剂与胶结液混合放入胶结液箱中，将菌液置于菌液箱中，同时打开出液阀门、进液阀门，使得菌液、胶结液同时流入进液管中，经由进液管进入地基内部注浆管中，通过注浆孔注到桩周土体中，根据亮蓝指示液的运移规律，观测桩周黄土的湿陷过程，包括湿陷量和湿陷范围；
15.步骤3，达到注射体积后，先关闭出液阀门，再关闭进液阀门，后将注浆管缓慢提拉。
16.本发明的有益效果是，本发明的可视化桩周黄土湿陷性测定及加固试验装置，可广泛应用于湿陷性黄土湿陷量测定试验，成本较小、操作简单。注浆管插入桩基四周，沿注浆管周围设置多个注浆孔，可解决菌液扩散半径太小从而导致加固深度有限的问题，注浆管还可根据桩体长度进行接高，增大注浆面积和深度，可有效提高菌液和胶结液的利用率，达到提高桩周扰动土体强度的目的。
附图说明
17.图1为本发明一种可视化桩周黄土湿陷性测定及加固试验装置的结构示意图；
18.图2为本发明一种可视化桩周黄土湿陷性测定及加固试验装置中注浆管的结构示意图。
19.图中，1.箱体，2.桩基模型，3.磁性刻度板，4.注浆管，5.可伸缩立柱，6.螺栓孔，7.第一出液管，8.菌液箱，9.胶结液箱，10.阀门，11.第二出液管，12.注浆孔，13.进液管，5-1.第一钢管，5-2.第二钢管，5-3.顶板，5-4.支柱。
具体实施方式
20.下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
21.本发明一种可视化桩周黄土湿陷性测定及加固试验装置，如图1所示，包括顶部开口的箱体1，箱体1为立方体结构，且由透明有机玻璃板材制备而成，箱体1由5块厚度为d，长宽为l
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b的透明有机玻璃板组成，5块透明有机玻璃板通过试验用胶粘贴形成顶部无盖的立方体，用以作为模型地基土盛放装置。
22.箱体1内部还竖直设置有多个注浆管4，如图2所示，注浆管4沿长度方向设置有多个注浆孔12；
23.箱体1的一个侧面设置有磁性刻度板3；磁性刻度板3包括带有刻度标识的透明塑
料板和4个条形磁铁，透明塑料板为正方形，沿四条边外侧绘制精度为1mm，单元长度为1cm的刻度，将xy方向主要刻度线进行连接，形成大小为1cm
×
1cm的若干方格。其中2个条形磁铁贴于透明塑料板的上下两侧，使用时在箱体内部对应位置粘贴另外2条磁铁，使得磁性刻度板吸附于透明箱体的一面。实验中可通过主要刻度线和次要刻度点进行黄土湿陷量和湿陷范围的读取。
24.箱体1内部还设置有桩基模型2，桩基模型2为半模型桩，放置于磁性刻度板一侧，方便实现桩周土湿陷量的可视化操作。
25.还包括呈矩形排列的四根可伸缩立柱5，可伸缩立柱5的高度高于箱体1，箱体1位于四根可伸缩立柱5围成的矩形中心处，可伸缩立柱5包括第一钢管5-1和第二钢管5-2，第一钢管5-1和第二钢管5-2沿长度方向均匀设置有多个螺栓孔6，第一钢管5-1插入第二钢管5-2中，并通过螺栓固定，通过改变连接螺栓位置实现不同顶板高度。
26.四个第一钢管5-1顶部通过顶板5-3连接；四个第二钢管5-2下部依次通过四根支柱5-4首尾连接；四个第二钢管5-2的底部均设置有万向轮，方便可伸缩立柱的移动。
27.顶板上设置有菌液箱8和胶结液箱9，菌液箱8上设置有第一出液管7，胶结液箱9上设置有第二出液管11，第一出液管7、第二出液管11均与进液管13连接，第一出液管7、第二出液管11上均设置有出液阀门，进液管13上设置有进液阀门10，进液管13与注浆管4连接；
28.本发明一种可视化桩周黄土湿陷性测定及加固试验方法，具体按照以下步骤实施：
29.步骤1，在箱体1内部填筑相应的地基土至指定高度，放入桩基模型2，继续填土至地基表面，在桩基模型2两侧插入注浆管4；
30.步骤2，将强亮蓝溶剂与胶结液混合放入胶结液箱9中，将菌液置于菌液箱8中，同时打开出液阀门、进液阀门，使得菌液、胶结液同时流入进液管中，经由进液管进入地基内部注浆管4中，通过注浆孔12关注到桩周土体中。可根据亮蓝指示液的运移规律，观测桩周黄土的湿陷过程，包括湿陷量和湿陷范围。根据土体孔隙比估算注射体积，随着湿陷过程的进行，菌液-胶结液混合液与土体中的尿素进行反应，生成碳酸钙晶体，从而达到边解决湿陷问题，边加固桩周土强度的目的；
31.步骤3，达到注射体积后，先关闭出液阀门，再关闭进液阀门10，后将注浆管4缓慢提拉。注浆完成后清洗注浆设备。可根据加固需求和菌液浓度进行多次加固，以便得到更好的土体加固效果。可根据所需注浆压力调整可伸缩立柱高度，从而实现不同注浆压力。
32.本发明一种可视化桩周黄土湿陷性测定及加固试验装置，其具体工作原理是：
33.通过在透明有机玻璃材质无盖箱体内部填筑黄土模拟天然地基，在模型箱一侧壁填埋半模型桩基，方便桩周黄土湿陷性规律的可视化。设置高度可调整的可伸缩立柱，实现立柱高度可调节以适应不同的注浆压力，胶结液内部混合有不与之发生反应的示踪剂溶剂(亮蓝)，根据地基内部注浆管的注浆孔渗出的浆液一方面减小黄土的湿陷性，另一方面可根据示踪剂运移路径观测黄土地基湿陷规律。通过模型箱侧壁的磁性刻度板上的刻度读取湿陷量及湿陷影响范围。注浆管的长度可根据桩长和加固范围进行接高。
34.本发明较传统扩底桩制模模型相比具有以下优点：(1)根据示踪剂在黄土中的运移规律，揭示黄土的湿陷机理，包括湿陷量、湿陷路径及湿陷范围等。(2)通过在箱体侧壁设置磁性刻度板，结合半模桩试验，模拟桩周黄土遇水湿陷从而造成的桩周土体损伤，从而揭
示桩周黄土湿陷损伤规律。(3)微生物注浆加固桩周黄土相对传统方法更为绿色、无损，且加固范围和深度可依据需求进行调整，从而全面提高湿陷性黄土地区桩基承载性能。
35.以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对本发明做其它形式的限制，任何本领域技术人员可以利用上述公开的技术内容加以变更或改型为等同变化的等效实施例。但是，凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与改型，仍属于本发明技术方案的保护范围。