CN103790161A - 离心试验中三维可移动的挤密砂桩成桩系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种离心试验中三维可移动的挤密砂桩成桩系统。由打桩所需的套筒和活塞、滑轮组件以及手摇式打桩重锤组成。套筒是空心圆柱体，活塞为圆柱形杆，位于套筒两侧的四个滑轮保证了夹在中间的套筒的垂直度。滑槽可通过两端的螺栓与试验所用模型箱相连，固定在模型箱的上方。手摇式打桩重锤由上部手摇结构和下部导轨组成。上部手摇结构可通过摇动其把手使重锤做上下往复运动而向下击打活塞顶部，使活塞对砂进行挤密，同时转动其顶部的轮子使重锤及其连动结构上下运动从而调整位置。下部导轨包含两组在水平面上相互垂直的导轨，上部手摇结构可沿两个导轨的方向自由滑动。本发明可在离心模型试验中较为真实的模拟挤密砂桩的成桩过程，在方便、高效的同时也保证了砂桩的垂直度、连续性、密实度等，可以很好的为相关科研工作服务。

Description

离心试验中三维可移动的挤密砂桩成桩系统

技术领域

本发明属于海上挤密砂桩（SCP）复合地基研究领域，具体涉及一种可应用在离心模型试验中的三维可移动的挤密砂桩成桩系统。

背景技术

随着全球经济与集装箱运输业的高速发展，海港码头向离岸、开敞、深水海域发展已经成为必然的发展趋势。伴随着外海筑港，例如人工岛等工程的建设也逐渐向较深水域推进，地基加固已成为外海筑港等交通建设中必不可少的施工技术。为处理水下的软弱地基，必须大量使用各类地基处理技术。由于挤密砂桩（SCP）复合地基与传统地基处理方法相比对地基的加固效果更明显，效率更高，可以较快速的提高地基承载力，从而在施工过程中可以快速推进施工进程，缩短工期，能更有效的为软弱地基上建造重力式结构创造有利条件。目前该项技术已经在国内多项深水港项目中得到关注，如三亚榆林深水防波堤项目、上海洋山深水港项目以及港珠澳大桥项目等。随着我国港口建设的发展，可以预见，水下挤密砂桩技术因为其非常明显的技术优势和经济优势还将以其独特的优势获得更广泛的应用。然而目前国内工程界对挤密砂桩复合地基的设计计算理论、施工工艺与参数、施工质量控制及检测方法等诸多环节认识和掌握的不够透彻，挤密砂桩复合地基的应用受到了极大的制约。尽管国内外许多学者都对其进行了研究，但在应用时仍主要是半理论半经验的方式。为了加快外海深水筑港技术进步，开发外海工程地基加固施工新技术，开展挤密砂桩技术复合地基的研究具有十分重要的意义。离心模型试验作为一种先进的物理模拟手段，能够真实再现现场的土体应力水平，非常适用于探索复合地基机理研究。为了能够顺利实现通过离心模型试验对挤密砂桩（SCP）复合地基的研究，有必要开发一套模拟实际工程中挤密砂桩的成桩过程并能应用于离心模型试验中且方便可行的挤密砂桩成桩系统。

发明内容

本发明的目的在于提出一种应用在离心模型试验中的三维可移动的挤密砂桩成桩系统。

本发明提出的离心试验中三维可移动挤密砂桩成桩系统，由打桩所需的套筒和活塞、一组滑轮组件和手摇式打桩重锤组成：其中：

套筒为空心圆柱体结构，长度比目标砂桩长100~150mm，外径比目标砂桩的直径略小；活塞为圆柱形结构，其最下端的10mm处直径扩大到比套筒的内径略小，用来向下击打砂，最上端的5mm处直径扩大到30mm，用来接受打桩重锤向下的击打力；活塞插入套筒内； 

所述滑轮组件包括滑轮和滑槽，滑轮为4个，左右各两个，分别位于套筒两侧，每侧的两个滑轮和滑轮的附属结构固定连接，构成一整体，可沿滑槽来回滑动，并可在滑槽的任意位置固定，且能保证固定后两个滑轮的中心连线在竖直方向；每侧的两个滑轮都是竖直方向，以使夹在中间的套筒也是竖直方向，且可沿竖直方向自由运动；滑槽通过位于其两端的螺栓孔与试验所用模型箱通过螺栓相连，固定于试验所用模型箱上方；

手摇式打桩重锤由上部手摇结构和下部导轨通过螺栓连接而成，上部手摇结构上设有把手和调整重锤高度的轮子，打桩重锤固定于上部手摇结构上，打桩重锤的底部位于活塞上方；下部导轨安装在试验所用模型箱一侧，它包含两组相互垂直的导轨，上部手摇结构可以沿两个相互垂直的导轨方便滑动，从而保证上部手摇结构在水平面上两个相互垂直方向可自由运动。

本发明的工作过程如下：先确定要打的目标桩的位置，然后通过滑槽两端的螺栓把滑槽固定在试验所用模型箱上，使桩的中心在滑槽的中心线上，并把滑轮及滑轮的附属结构移动到桩位的两侧并固定。把手摇式打桩重锤的下部导轨安装在试验所用模型箱的指定一侧，并把上部手摇结构与导轨连接好。把套筒沿滑轮之间慢慢向下插入到试验所用模型箱里的土中，到指定位置停止，取3~5ml的砂用专用漏斗倒入套筒内，把活塞向下插入套筒内直到其下端碰到砂。移动手摇式打桩重锤，使打桩重锤中心点与套筒中心点的连线在竖直方向，调整重锤的高度，使其比活塞的顶部略高。摇动手摇式打桩重锤上的把手，使重锤上下往复运动击打活塞的顶部并在此过程中用手向上缓慢提套筒，这样前面倒入套筒内的砂被活塞击打下去并挤密。接着把重锤从桩位移开，拔出活塞，再取3~5ml砂用专用漏斗倒入套筒内，把活塞插入直到其下端碰到砂。把重锤重新移动到桩位使重锤中心点与套筒中心点的连线垂直于水平面，重新调整重锤的高度，使其略高与活塞的顶部。摇动手摇式打桩重锤上的把手，使重锤上下往复运动击打活塞顶部并在此过程中用手向上缓慢提套筒。重复这个过程若干次，直到套筒完全拔出土的表面且砂桩形成。这根桩至此完成。确定下一根目标桩的位置，并按上述程序完成其成桩过程。

本发明的有益效果：

本发明可提供应用在离心模型试验中的三维可移动的挤密砂桩成桩系统。这种系统：（1）可较为真实的模拟实际工程中的成桩过程；（2）可保证砂桩的成桩质量，包括桩的垂直度、连续性、密实度等，挤密效果和成桩直径可达到预期要求；（3）可在三个方向移动，保证能够在模型箱的任何一个位置打桩，且操作简单方便，打桩速度快、效率高；（4）各设备加工、生产方便，且便于拆卸，可以广泛投入到相关的科研之中。

附图说明

图1为：打桩所需的套筒结构图示。

图2为：打桩所需的活塞结构图示。

图3~图5为：一组位于套筒左右两侧保证砂桩垂直的滑轮以及可供滑轮在模型箱上方移动的滑槽。图3为正视图，图4为俯视图，图5为侧视图。

图6~图8为：手摇式打桩重锤中的下部导轨。图6为正视图，图7为俯视图，图8为侧视图。

图9~图12为：手摇式打桩重锤中的上部手摇结构。图9和图10分别为正反两个方向的正视图，图11为俯视图，图12为侧视图。

图13~图14为：组装好的手摇式打桩重锤。图13为正视图。图14为侧视图。

图15为：本发明的结构图示。

图中标号：1为套筒，2为活塞，3为滑轮的附属结构，4为固定滑轮及其附属结构的螺栓，5为将滑槽固定在模型箱上的螺栓孔，6为滑轮，7为连接上部手摇结构和下部导轨的螺栓孔，8为打桩重锤，9为调整重锤高度的轮子，10为上部手摇结构的把手，11为试验所用模型箱，12为滑槽，13为下部导轨，14为上部手摇结构。

具体实施方式

下面通过实施例结合附图进一步说明本发明。

实施例1：

所述装置由打桩所需的套筒1和活塞2、一组位于套筒左右两侧保证砂桩垂直的滑轮6以及可供滑轮在模型箱上方移动的滑槽12、手摇式打桩重锤组成。

套筒1是一个铝制空心圆柱体，壁厚2mm，长度和外径需根据目标砂桩的长度和直径来确定，长度比目标砂桩长100~150mm，外径比目标砂桩的直径略小。活塞2为一个直径8mm的圆柱形铁制长杆，杆最下端的10mm其直径扩大到比套筒的内径略小，用来向下击打砂，最上端的5mm其直径扩大到30mm，用来接受打桩重锤向下的击打力。 

位于套筒1两侧保证砂桩垂直的滑轮组件包括四个滑轮4，左右各两个，每侧的两个滑轮6及其滑轮的附属结构3是一个整体，可沿滑槽12滑动，并可以在滑槽12的任意位置固定且能保证固定后两个滑轮6的中心连线在竖直方向。这样，每侧的两个滑轮都是竖直方向，因此保证了夹在中间的套筒也是竖直方向且可沿竖直方向自由运动。滑槽12可通过两端的螺栓与离心模型试验所用模型箱11相连，固定在试验所用模型箱11的上方。滑轮6、滑槽12的整体保证了可在试验所用模型箱11的任何位置在土中垂直插入套筒以及成桩过程中套筒1垂直向上拔出。

手摇式打桩重锤由上部手摇结构14和下部导轨13组成。上部手摇结构14可通过用手摇动把手来使重锤做上下往复运动，从而达到用打桩重锤来向下击打活塞上部，使活塞2对砂进行挤密的效果，同时在该结构的顶部，有一个可以用手转动的轮子9，转动该轮子9可以使打桩重锤8及其连动结构上下运动，从而调整打桩重锤8在竖直方向的位置。下部导轨13可以用螺栓安装在离心模型试验所用模型箱11的一侧，它包含两组相互垂直的导轨，可以保证当上部手摇结构安装在该导轨上时，上部手摇结构14可以沿导轨方便滑动，从而达到上部手摇结构在水平面上两个相互垂直方向自由运动的效果。上部手摇结构和下部导轨通过四个螺栓连接。上部手摇结构14和下部导轨13一起保证了该套系统的三维可移动性。

本发明的使用方法如下：

1、在模型箱11的土表面确定桩位，并用点标记。

2、将图4所示的一组位于套筒左右两侧保证砂桩垂直的滑轮以及可供滑轮在模型箱上方移动的滑槽通过滑槽两端的各两个螺栓孔5固定在试验所用模型箱11上，使第一个要打的桩位点在滑槽的中心线上。并将图8所示的导轨通过四个螺栓孔安装在模型箱11的指定一侧，将图9所示的上部手摇结构通过四个螺栓孔7安装在导轨上。

3、将滑轮及其附属结构3在图4所示的滑槽中滑动来调整位置，使套筒1可以正好夹在四个滑轮6之间且套筒1竖直方向的中心线与第一个要打的桩位点在一条直线上。调整好之后把螺栓4拧紧，这样滑轮6就固定在该位置了。

4、从套筒1的最底端向上量取与目标桩长度相同的一段，用点标记。将套筒1由两组滑轮6之间竖直向下插入土中，插入之前套筒1的最底端用专用纸把口封住，这样可避免土通过套筒1底端的口进入套筒1中。当套筒1上的标记点到达土表面时停止。

5、取3~5ml的砂，并用专用漏斗缓慢倒入套筒1内，把活塞2向下插入套筒1内直到其下端碰到砂。

6、把图9所示的上部手摇结构在图8所示的导轨上滑动，使上部手摇结构上的打桩重锤8移动到活塞2上方且打桩重锤8中心点与套筒1中心点的连线垂直于水平面，并通过图9所示的上部手摇结构上的轮子9调整重锤8的高度，使其略高与活塞2的顶部。

7、摇动图9所示的上部手摇结构上的把手10，使打桩重锤8上下往复运动击打活塞2顶部并在此过程中用手向上缓慢提套筒1。当活塞2有明显的向下位移时停止。

8、把图9所示的上部手摇结构在图8所示的导轨上滑动，使打桩重锤8离开活塞2的上方。从套筒1内拔出活塞2，取3~5ml的砂，用专用漏斗缓慢倒入套筒1内，把活塞2重新插入套筒1内直到其下端碰到砂。

9、把图9所示的上部手摇结构在图8所示的导轨上滑动，使手摇结构上的打桩重锤8重新回到活塞2上方且打桩重锤8中心点与套筒1中心点的连线垂直于水平面，并调整打桩重锤8的高度，使其略高与活塞2的顶部。

10、摇动图9所示的上部手摇结构上的把手10，使打桩重锤8上下往复运动击打活塞2顶部并在此过程中用手向上缓慢提套筒1。当活塞2有明显的向下位移时停止。

11、重复步骤8~10若干次，直到套筒1底端完全拔出土的表面。此时砂桩形成。把图9所示的上部手摇结构在图8所示的导轨上滑动，使重锤8离开活塞2的上方。把套筒1和活塞2一起经过滑轮6向上拔出。至此，第一根桩的成桩过程全部完成。

12、将滑轮及滑轮的附属结构3在图4所示的滑槽中滑动来调整位置，调整到下一个要打的桩位点。使套筒1可以正好夹在四个滑轮6之间且套筒1竖直方向的中心线与下一个要打的桩位点在一条直线上。调整好之后把滑轮6固定。重复步骤4~11，第二根桩形成。依此类推，可完成以后每一根桩的成桩过程。

以上实施例是对此类系统的一般性描述，也是为了便于该技术领域的普通技术人员能理解和应用本发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对本系统做出各种修改或调整。因此，本发明不限于这里所介绍的系统，本领域技术人员根据本发明的揭示，对于本发明做出的修改都应在本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种离心试验中三维可移动挤密砂桩成桩系统，由打桩所需的套筒和活塞、一组滑轮组件和手摇式打桩重锤组成：其特征在于：

套筒为空心圆柱体结构，长度比目标砂桩长100~150mm，外径比目标砂桩的直径略小；活塞为圆柱形结构，其最下端的10mm处直径扩大到比套筒的内径略小，用来向下击打砂，最上端的5mm其直径扩大到30mm，用来接受打桩重锤向下的击打力；活塞插入套筒内； 

所述滑轮组件包括滑轮和滑槽，滑轮为4个，左右各两个，分别位于套筒两侧，每侧的两个滑轮和滑轮的附属结构固定连接，构成一整体，可沿滑槽来回滑动，并可在滑槽的任意位置固定，且能保证固定后两个滑轮的中心连线在竖直方向；每侧的两个滑轮都是竖直方向，以使夹在中间的套筒也是竖直方向，且可沿竖直方向自由运动；滑槽通过位于其两端的螺栓孔与试验所用模型箱通过螺栓相连，固定于试验所用模型箱上方；

手摇式打桩重锤由上部手摇结构和下部导轨通过螺栓连接而成，上部手摇结构上设有把手和调整重锤高度的轮子，打桩重锤固定于上部手摇结构上，打桩重锤的底部位于活塞上方；下部导轨安装在试验所用模型箱一侧，它包含两组相互垂直的导轨，上部手摇结构可以沿两个相互垂直的导轨方便滑动，从而保证上部手摇结构在水平面上两个相互垂直方向可自由运动。

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