CN106592651B - 一种可变径的水泥土搅拌桩模型试验装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种可变径的水泥土搅拌桩模型试验装置，包括数控平台模块，所述数控平台模块分别信号连接至注浆喷粉模块、温控模块、试验箱模块和水泥土搅拌机模块，所述水泥土搅拌机模块的一侧通过注浆管连接至所述注浆喷粉模块，底部连接至所述试验箱模块，所述试验箱模块连接至所述温控模块。本发明所述的可变径的水泥土搅拌桩模型试验装置，模拟实际工况下的水泥土搅拌桩施工，通过数控平台模块控制搅拌机的升降速率、搅拌速率及注浆喷粉模块的注浆喷粉速率，同时能够给试验箱本体中的软土加热和制冷，来模拟不同季节不同温度条件下的成桩效果；为工程实践提供依据，操作方便，节约了人力物力，节省资源，降低了生产成本。

Description

一种可变径的水泥土搅拌桩模型试验装置

技术领域

本发明属于建筑用试验设备技术领域，尤其是涉及一种可变径的水泥土搅拌桩模型试验装置。

背景技术

水泥土搅拌桩是地基处理的一种方式，它利用水泥作为固化剂，通过特殊的搅拌机械，在地基深处通过喷浆的方式把固化剂与周围土体相掺和，然后产生物理化学反应，使软土硬结成具有整体性、水稳定性和一定强度的优良质地基。水泥土搅拌桩最早在瑞典研制成功，国内1977年由冶金部建筑研究总院和交通部水运规划设计院进行了室内试验和机械研制工作。1980年在软土地基加固工程中首次获得成功应用，此后在全国土地基加固工程中，特别是在道路工程中推广开来。

我国沿海地区广泛发育着软土，低强度、高压缩性是软土已知的工程特性，在这里水泥土搅拌桩地基处理方式得到了广泛应用，相应对水泥土搅拌桩研究也得到科学人士的青睐，特别是对水泥土搅拌桩的变形、承载力、成桩效果及桩与土相互作用等相关方面的研究。现在很多关于水泥土搅拌桩研究都停留在有限元或者现场试验阶段，在有限元研究中，参数选择时与现场差异较大不能准确表示实际情况，使有限元得到结果与实际工况相差甚远；在现场试验中人力物力需求较大，试验费用较高，现场环境改变对试验结果影响较大，故发展室内模型试验势在必行。

发明内容

有鉴于此，本发明旨在提出一种可变径的水泥土搅拌桩模型试验装置，以提供一种既能模拟实际工况下的水泥土搅拌桩施工，形成不同直径水泥土搅拌桩桩体，又能通过控制土体温度和含水量模拟不同气候条件的实际成桩效果，同时能够监测成桩质量，为工程实践提供依据的可变径的水泥土搅拌桩模型试验装置。

为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：

一种可变径的水泥土搅拌桩模型试验装置，包括水泥土搅拌机模块、试验箱模块、温控模块、注浆喷粉模块和数控平台模块，所述水泥土搅拌机模块包括成桩结构和搅拌机，所述试验箱模块包括试验箱本体和真空预压单元，所述数控平台模块分别信号连接至所述注浆喷粉模块、所述温控模块、所述试验箱本体、所述真空预压单元和所述搅拌机，所述搅拌机的一侧通过注浆管连接至所述注浆喷粉模块，外部与所述成桩结构连接，所述成桩结构底部与所述试验箱本体活动连接，所述试验箱本体分别连接至所述真空预压单元和所述温控模块；所述成桩结构包括横梁、若干反力杆、底板和十字板滑动板，所述十字板滑动板上方设置两条平行的轨道，两条所述轨道与所述底板活动连接，所述底板为中间设有圆孔的钢板，所述底板上方对立安装两个所述反力杆，所述反力杆上方固定连接所述横梁，所述横梁顶部中间设有空心圆柱结构的凸起，所述凸起内部设置环形挡片，所述横梁中间设有小孔，所述小孔内径小于所述凸起内径，所述十字板滑动板上设有若干螺栓孔；

所述搅拌机包括螺杆、一号齿轮组、升降步进电机、钻进步进电机、二号齿轮组、动力杆、钻杆、钻头和盒体，所述一号齿轮组与所述升降步进电机相连，所述升降步进电机安装在所述横梁顶部一侧，所述螺杆依次穿过所述环形挡片、所述一号齿轮组、所述小孔连接至所述盒体，所述盒体内部安装所述二号齿轮组，所述二号齿轮组的一侧连接所述钻进步进电机，内部固定连接中空的所述动力杆，所述动力杆顶部通过注浆管连接至注浆喷粉模块，底部固定连接所述钻杆，所述钻杆为中空结构，其下方固定连接所述钻头，所述钻头位于所述圆孔正上方。

进一步的，所述一号齿轮组包括一号连杆、一号竖直伞形齿轮、一号水平伞形齿轮和若干一号钢珠，所述二号齿轮组包括二号连杆、二号竖直伞形齿轮、二号水平伞形齿轮和若干二号钢珠，所述钻杆包括钻杆本体、扇叶和搅拌棒，所述一号水平伞形齿轮和所述一号竖直伞形齿轮均为坡脚为45°的伞形齿轮，且外表面活动连接，所述一号竖直伞形齿轮中心处固定连接所述一号连杆，所述一号连杆穿过轴承连接至所述升降步进电机，所述一号水平伞形齿轮的上下两侧分别与环形挡片、所述横梁的上表面接触连接，且上下两侧均设有若干所述一号钢珠，所述一号水平伞形齿轮中心设置通孔，所述通孔与所述螺杆互相咬合，所述螺杆下方固定连接所述盒体，所述盒体内部的所述二号水平伞形齿轮和所述二号竖直伞形齿轮均为坡脚为45°的伞形齿轮，且外表面活动连接，所述二号竖直伞形齿轮中心固定连接所述二号连杆，所述二号连杆连接至所述盒体外部安装的所述钻进步进电机，所述二号水平伞形齿轮的上下表面均布若干所述二号钢珠，所述二号水平伞形齿轮中间固定连接所述动力杆，所述动力杆底部通过卡扣和螺母安装不同直径的所述钻杆本体，所述钻杆本体与所述动力杆的连接处设置橡胶垫片，所述钻杆本体外部自上而下呈螺旋状安装若干所述扇叶，每个所述扇叶根部的一侧设有钻杆孔，上下相邻的两个所述扇叶之间安装若干与所述扇叶等长的所述搅拌棒。

进一步的，所述注浆管包括注浆管本体、若干钢珠和中空挡板，所述注浆管本体的注浆口管路为开口向下的喇叭状结构，所述注浆口管路的外部为圆柱形壳体结构，所述注浆口管路下方与所述动力杆内壁设置的环形凸台连接，所述注浆口管路与所述动力杆的内壁之间设置若干所述钢珠，所述钢珠的上方设有所述中空挡板，所述中空挡板安装在所述动力杆顶部，所述中空挡板的中间可通过扣件固定，并能够自由开关。

进一步的，所述试验箱本体包括排水滤管、土工布、砂石反滤层、若干感温线、塑料膜、一号真空表和固定轨道，所述试验箱本体的内壁上铺设第一土工布，底部铺设一层所述排水滤管，所述排水滤管上设有若干排水通孔，所述排水滤管外部缠绕第四土工布，且上方铺设所述砂石反滤层，所述砂石反滤层的厚度为20cm；所述砂石反滤层的上方铺设第二土工布，所述第二土工布上方放置软土，所述软土内放置若干感温线，所述感温线的一端延伸至所述试验箱本体外部，所述软土上方铺设所述第三土工布后并用所述塑料膜密封，一号真空表依次穿过所述塑料膜和所述第三土工布后插入所述软土中，所述试验箱本体顶部设置所述固定轨道，所述固定轨道上方与所述十字板滑动板活动连接，所述试验箱本体是材质为金属的矩形箱体结构。

进一步的，所述真空预压单元包括储水箱、真空泵、压力管、一号排水管、二号排水管、压力调节阀和二号真空表，所述储水箱兼做储压箱，所述储水箱顶部安装所述二号真空表，所述储水箱通过所述一号排水管连接至所述试验箱本体，通过所述二号排水管将水排出，通过所述压力管连接至所述真空泵，所述压力管上安装所述压力调节阀。

进一步的，所述温控模块包括升温单元和制冷单元，所述升温单元包括恒温水箱、抽水机、恒温导管和若干锥形管，所述恒温水箱通过所述恒温导管接通所述抽水机，所述恒温导管串联若干所述锥形管，所述锥形管包括空心金属管和锥形探头，所述锥形探头的上方固定连接所述空心金属管，所述空心金属管的顶部为密封结构，上方设置两个用于所述恒温导管进出的导管孔，所述锥形管的内径为50mm；所述制冷单元包括压缩机、蒸发器、干燥过滤器、冷凝管、蒸发器箱体、蒸汽管道和聚苯乙烯泡沫板，所述冷凝管缠绕在所述试验箱本体中所述砂石反滤层的上部，且外部缠绕所述聚苯乙烯泡沫板，所述冷凝管的一端连接至所述压缩机，另一端连接至所述干燥过滤器，所述干燥过滤器经所述蒸汽管道连接至所述蒸发器，所述蒸发器与所述压缩机相连，所述蒸发器安装在所述蒸发器箱体内。

进一步的，所述注浆喷粉模块包括储浆桶、高压气泵、压力表、电机、搅拌扇叶、橡胶导管、导管和流速传感器，所述储浆桶顶部设置注浆口和密封盖，并在一侧安装所述压力表，内部下方安装所述电机和所述搅拌扇叶，所述搅拌扇叶与所述电机连接，所述储浆桶内壁上设置所述橡胶导管，所述橡胶导管上安装所述流速传感器，所述储浆桶通过所述导管连接至所述高压气泵。

进一步的，所述数控平台模块包括控制器、显示器、键盘、一号变频器、二号变频器、三号变频器、数据采集单元和存储器，所述控制器分别与所述显示器、所述键盘、所述一号变频器、所述二号变频器、所述三号变频器、所述数据采集单元、所述存储器、所述恒温水箱和所述压缩机信号连接，所述控制器为PLC或CPU；所述一号变频器用来连接所述电机，所述二号变频器用来连接所述钻进步进电机，所述三号变频器用来连接所述升降步进电机，所述数据采集单元分别采集所述感温线、所述恒温水箱和所述压力表的数据。

相对于现有技术，本发明所述的可变径的水泥土搅拌桩模型试验装置具有以下优势：

(1)本发明所述的可变径的水泥土搅拌桩模型试验装置，模拟实际工况下的水泥土搅拌桩施工，通过数控平台模块控制搅拌机的升降速率、搅拌速率及注浆喷粉模块的注浆喷粉速率，同时能够给试验箱本体中的软土加热和制冷，来模拟不同季节不同温度条件下的成桩效果；为工程实践提供依据，操作方便，节约了人力物力，节省资源，降低了生产成本。

(2)本发明所述的可变径的水泥土搅拌桩模型试验装置，通过在动力杆下方更换不同直径的钻杆和钻头，便可实现不同直径桩体的成孔，完成不同直径的水泥土搅拌桩试验，功能多样化、集成化，节约了生产成本，适用范围广泛。

附图说明

构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1为本发明实施例所述的可变径的水泥土搅拌桩模型试验装置的结构示意图；

图2为本发明实施例所述的搅拌机提升部分的结构示意图；

图3为本发明实施例所述的一号齿轮组的结构示意图；

图4为本发明实施例所述的注浆管和动力杆的连接示意图；

图5为本发明实施例所述的二号齿轮组、钻杆和动力杆的连接示意图；

图6为本发明实施例所述的十字板滑动板和试验箱本体的连接主视图的示意图；

图7为本发明实施例所述的字板滑动板和试验箱本体的连接前视图的示意图；

图8为本发明实施例所述的字板滑动板和试验箱本体的连接左视图的示意图；

图9为本发明实施例所述的试验箱的结构示意图；

图10为本发明实施例所述的试验箱本体的结构示意图；

图11为本发明实施例所述的排水滤管在试验箱本体底部布置图的示意图；

图12为本发明实施例所述的感温线在试验箱本体中分布图的示意图；

图13为本发明实施例所述的十字板剪切位置的示意图；

图14为本发明实施例所述的试验箱本体中取土样点的示意图；

图15为本发明实施例所述的升温单元的剖视图；

图16为本发明实施例所述的锥形管的剖视图；

图17为本发明实施例所述的制冷单元的剖视图；

图18为本发明实施例所述的注浆喷粉模块的结构示意图。

附图标记说明：

1-水泥土搅拌机模块；11-螺杆；12-一号齿轮组；121-一号连杆；122-一号竖直伞形齿轮；123-一号水平伞形齿轮；1231-通孔；124-一号钢珠；13-升降步进电机；14-横梁；141-小孔；142-凸起；143-环形挡片；15-反力杆；16-钻进步进电机；17-二号齿轮组；171-二号连杆；172-二号竖直伞形齿轮；173-二号水平伞形齿轮；174-二号钢珠；18-动力杆；19-钻杆；191-钻杆本体；192-扇叶；193-搅拌棒；194-钻杆孔；110-钻头；111-底板；112-十字板滑动板；1121-轨道；113-盒体；

2-试验箱模块；21-试验箱本体；211-排水滤管；2111-排水通孔；212-第一土工布；213-砂石反滤层；214-感温线；215-塑料膜；216-一号真空表；217-固定轨道；22-真空预压单元；221-储水箱；222-真空泵；223-压力管；224-一号排水管；225-二号排水管；226-压力调节阀；227-二号真空表；

3-升温模块；31-升温单元；311-恒温水箱；312-抽水机；313-恒温导管；314-锥形管；3141-空心金属管；3142-锥形探头；32-制冷装置；321-压缩机；322-蒸发器；323-干燥过滤器；324-冷凝管；325-蒸发器箱体；326-蒸汽管道；327-聚苯乙烯泡沫板；

4-注浆喷粉模块；41-储浆桶；411-注浆口；412-密封盖；42-高压气泵；43-压力表；44-电机；45-搅拌扇叶；46-橡胶导管；47-导管；48流速传感器；

6-注浆管；61-注浆管本体；611-注浆口管路；62-钢珠；63-中空挡板。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”等的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以通过具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

一种可变径的水泥土搅拌桩模型试验装置，如图1至图18所示，包括水泥土搅拌机模块1、试验箱模块2、温控模块3、注浆喷粉模块4和数控平台模块，

所述水泥土搅拌机模块1包括成桩结构和搅拌机，所述试验箱模块2包括试验箱本体21和真空预压单元22，所述数控平台模块分别信号连接至所述注浆喷粉模块4、所述温控模块3、所述试验箱本体21、所述真空预压单元22和所述搅拌机，所述搅拌机的一侧通过注浆管6连接至所述注浆喷粉模块4，外部与所述成桩结构连接，所述成桩结构底部与所述试验箱本体21活动连接，所述试验箱本体21分别连接至所述真空预压单元22和所述温控模块3。

所述成桩结构包括横梁14、若干反力杆15、底板111和十字板滑动板112，所述十字板滑动板112上方设置两条平行的轨道1121，两条所述轨道1121与所述底板111活动连接，所述底板111为中间设有圆孔1112的钢板，所述底板111上方对立安装两个所述反力杆15，所述反力杆15上方固定连接所述横梁14，所述横梁14顶部中间设有空心圆柱结构的凸起142，所述凸起142内部设置环形挡片143，所述横梁14中间设有小孔141，所述小孔141内径小于所述凸起142内径，所述十字板滑动板112上设有若干螺栓孔，用于螺栓固定所述十字板滑动板112。

所述搅拌机包括螺杆11、一号齿轮组12、升降步进电机13、钻进步进电机16、二号齿轮组17、动力杆18、钻杆19、钻头110和盒体113，所述一号齿轮组12与所述升降步进电机13相连，所述升降步进电机13为所述搅拌机提供升降动力；所述升降步进电机13安装在所述横梁14顶部一侧，所述螺杆11依次穿过所述环形挡片143、所述一号齿轮组12、所述小孔141连接至所述盒体113，所述盒体113内部安装所述二号齿轮组17，所述二号齿轮组17的一侧连接所述钻进步进电机16，所述钻进步进电机16为所述搅拌机提供钻进动力；内部固定连接中空的所述动力杆18，所述动力杆18顶部通过注浆管6连接至注浆喷粉模块4，底部固定连接所述钻杆19，所述钻杆19为中空结构，其下方固定连接所述钻头110，所述钻头110位于所述圆孔1112正上方。

所述一号齿轮组包括一号连杆121、一号竖直伞形齿轮122、一号水平伞形齿轮123和若干一号钢珠124，所述二号齿轮组17包括二号连杆171、二号竖直伞形齿轮172、二号水平伞形齿轮173和若干二号钢珠174，所述钻杆19包括钻杆本体191、扇叶192和搅拌棒193，所述一号水平伞形齿轮123和所述一号竖直伞形齿轮122均为坡脚为45°的伞形齿轮，且外表面活动连接，所述一号竖直伞形齿轮122中心处固定连接所述一号连杆121，所述一号连杆121穿过轴承连接至所述升降步进电机13，所述一号水平伞形齿轮123的上下两侧分别与所述环形挡片143、所述横梁14的上表面接触连接，且上下两侧均设有若干所述一号钢珠124，减小转动摩擦阻力；所述一号水平伞形齿轮123中心设置通孔1231，所述通孔1231与所述螺杆11互相咬合，所述螺杆11下方固定连接所述盒体113，所述盒体113内部的所述二号水平伞形齿轮173和所述二号竖直伞形齿轮172均为坡脚为45°的伞形齿轮，且外表面活动连接，所述二号竖直伞形齿轮172中心固定连接所述二号连杆171，所述二号连杆171连接至所述盒体113外部安装的所述钻进步进电机16，所述二号水平伞形齿轮173的上下表面均布若干所述二号钢珠174，转动摩擦阻力；所述二号水平伞形齿轮173中间固定连接所述动力杆18，所述动力杆18底部通过卡扣和螺母安装不同直径的所述钻杆本体191，所述钻杆本体191与所述动力杆18的连接处设置橡胶垫片，防止浆液外漏；所述钻杆本体191外部自上而下呈螺旋状安装若干所述扇叶192，每个所述扇叶192根部的一侧设有钻杆孔194，用来喷浆；上下相邻的两个所述扇叶192之间安装若干与所述扇叶192等长的所述搅拌棒193，用来打散土体。

所述注浆管6包括注浆管本体61、若干钢珠62和中空挡板63，所述注浆管本体61的注浆口管路611为开口向下的喇叭状结构，所述注浆口管路611的外部为圆柱形壳体结构，所述注浆口管路611下方与所述动力杆18内壁设置的环形凸台连接，方便浆液进入钻杆中，并能减少浆液逆流；所述注浆口管路611与所述动力杆18的内壁之间设置若干所述钢珠62，减小所述动力杆18的转动摩擦；所述钢珠62的上方设有所述中空挡板63，所述中空挡板63安装在所述动力杆18顶部，所述中空挡板63的中间可通过扣件固定，并能够自由开关。

所述试验箱本体21包括排水滤管211、第一土工布212、砂石反滤层213、若干感温线214、塑料膜215、一号真空表216和固定轨道217，所述试验箱本体21的内壁上铺设所述第一土工布212，底部铺设一层所述排水滤管211，所述排水滤管211上设有若干内径为5mm排水通孔2111，方便排水，所述排水滤管211外部缠绕第四土工布，防止土中细小颗粒随水排处，且上方铺设所述砂石反滤层213，所述砂石反滤层213的厚度为20cm，用来增强排水效果，并防止土中细小颗粒随水排出；所述砂石反滤层213的上方铺设第二土工布，所述第二土工布上方放置软土，所述软土内放置若干所述感温线214，所述感温线214的一端延伸至所述试验箱本体21外部，方便试验人员观测记录，所述软土上方铺设第三土工布后并用所述塑料膜215密封，所述一号真空表216依次穿过所述塑料膜215和所述第三土工布后插入所述软土中，实时监测土体真空度；所述试验箱本体21顶部设置所述固定轨道217，所述固定轨道217上方与所述十字板滑动板112活动连接，使所述十字板滑动板112可以沿固定轨道217自由移动，所述试验箱本体21是材质为金属的矩形箱体结构。

所述真空预压单元22包括储水箱221、真空泵222、压力管223、一号排水管224、二号排水管225、压力调节阀226和二号真空表227，所述储水箱221兼做储压箱，所述储水箱221顶部安装所述二号真空表227，测量所述储水箱221中的真空压力，所述储水箱221通过所述一号排水管224连接至所述试验箱本体21，储存由试验箱本体21中排出的水，通过所述二号排水管225将水排出，便于称取排出水的质量，通过所述压力管223连接至所述真空泵222，储存真空泵222产生的负压，所述压力管223上安装所述压力调节阀226，用来调节真空泵222输出的压力。

所述温控模块3包括升温单元31和制冷单元32，所述升温单元31包括恒温水箱311、抽水机312、恒温导管313和若干锥形管314，所述恒温水箱311通过所述恒温导管313接通所述抽水机312，所述恒温导管313串联若干所述锥形管314，通过把锥形管22按一定排布形式插入土体能便可以给土体加热；所述锥形管314包括空心金属管3141和锥形探头3142，所述锥形探头3142的上方固定连接所述空心金属管3141，所述空心金属管3141的顶部为密封结构，上方设置两个用于所述恒温导管313进出的导管孔，所述锥形管314的内径为50mm；

所述制冷单元32包括压缩机321、蒸发器322、干燥过滤器323、冷凝管324、蒸发器箱体325、蒸汽管道326和聚苯乙烯泡沫板327，所述冷凝管324缠绕在所述试验箱本体21中所述砂石反滤层213的上部，且外部缠绕所述聚苯乙烯泡沫板327，将冷凝管包裹住，所述冷凝管324的一端连接至所述压缩机321，另一端连接至所述干燥过滤器323，所述干燥过滤器323经所述蒸汽管道326连接至所述蒸发器322，所述蒸发器322与所述压缩机321相连，所述蒸发器322安装在所述蒸发器箱体325内，使整个制冷单元形成一个闭合回路。

所述注浆喷粉模块4包括储浆桶41、高压气泵42、压力表43、电机44、搅拌扇叶45、橡胶导管46、导管47和流速传感器48，所述储浆桶41顶部设置注浆口411和密封盖412，并在一侧安装所述压力表43，数据采集单元57实时采集压力表43的值并传递控制器51，时刻记录储浆桶41内的压力，防止压力过大造成储浆桶41损坏；内部下方安装所述电机44和所述搅拌扇叶45，进行搅拌防止浆液凝固，所述搅拌扇叶45与所述电机44连接，所述储浆桶41内壁上设置所述橡胶导管46，所述橡胶导管46上安装所述流速传感器48，测定出浆速率，所述储浆桶41通过所述导管47连接至所述高压气泵42，所述储浆桶41具有注浆和喷粉两个功能，且这两种功能转化非常方便，

待需要注浆时，通过高压气泵42向储浆桶41中加压，通过压力差使浆料从出浆口喷出，浆液先通过橡胶导管46，然后通过注浆管6、动力杆18流入钻杆19内；需要喷粉时，同样采用储浆桶41，只是在施工时要加大电机44转速，然后开通高压气泵42，即可进行喷粉。

所述数控平台模块包括控制器、显示器、键盘、一号变频器、二号变频器、三号变频器、数据采集单元和存储器，

所述控制器分别与所述显示器、所述键盘、所述一号变频器、所述二号变频器、所述三号变频器、所述数据采集单元、所述存储器信号连接，所述控制器为PLC或者CPU；所述一号变频器用来连接电机44，使控制器通过电机44控制注浆喷粉模块4注浆喷粉速率；所述二号变频器用来连接钻进步进电机16，使控制器可以通过钻进步进电机16控制搅拌机的搅拌速率和搅拌周期；所述三号变频器用来连接所述升降步进电机13，使控制器通过升降步进电机13控制搅拌机的升降速率；所述数据采集单元用于分别采集所述感温线214、所述恒温水箱311和所述压力表43的信号并实时传递给所述控制器，所述控制器信号连接至所述恒温水箱311和所述压缩机321，用来控制试验箱本体21中软土的温度，所述控制器将数据通过显示器显示，并实时上传至所述存储器进行存储，方便工作人员后期参考和使用。

一种可变径的水泥土搅拌桩模型试验装置的工作过程为：

第一步：试验箱模块2准备，首先在试验箱本体21底部先铺设排水滤管211，在排水滤管211上钻取直径5mm的排水通孔2111，以便水排出；在排水滤管211上缠绕土工布212，防止土中细小颗粒随水排除，其上装入由碎石组成的砂石反滤层213，其厚度为20cm，用来增强排水效果，并防止土中细小颗粒随水排除，在砂石反滤层213上方和试验箱本体21四周均铺垫了土工布212，然后加水直至砂石反滤层213饱和，最后将实验用土喷水搅拌均匀装入试验箱本体21中，装土时要分层夯实，确保每一层土的夯实程度基本一致，同时布置好感温线214，布置感温线214的时候要精确定位感温线214的位置，防止由于操作失误导致实验失败，感温线214外面一侧的长度要能达到试验箱本体21外侧以便实验人员观测记录，在实验用软土顶部铺盖土工布212并用塑料膜215密封，在塑料膜215中部设置一号真空表216以实时监测土体真空度。

第二步：固结排水，试验箱本体21准备好之后开始排水固结，储水箱15兼做储压箱，与真空泵18通过压力管17连接，储存真空泵18产生的负压，在储水箱221顶部安装二号真空表227测量储水箱221中的真空压力；同时，储水箱221与一号排水管224相连，储存由试验箱本体21中排出的水，待排出一定水之后，称量排出水的质量用以计算实验用土中的含水量，在整个土层制备过程中，每天间歇预压8小时。为尽量减小土工布212所导致的边界效应保证土层的均匀性，在真空预压的初始阶段，通过调节压力调节阀226，在土层内保持较小的负压，使土中水缓缓排除，待排水基本稳定后，逐渐增加负压，以加快固结。在真空预压的过程中，通过测量土层表面的沉降以及预压土层排除水的质量，实时监测预压土层的含水量，预压结束后，在土层的5个不同位置处取土，取土位置如图14所示，测量预压后土层的含水量，通过十字板剪切试验测定预压后土层的强度，考虑到试验箱本体21箱壁附近的土层与原来箱壁的土层有所差异，在八个不同位置处做十字板剪切试验，并且每隔10cm测一次强度，由此测得沿深度的加权平均剪切强度，孔位如图13所示。

第三步：升温，为了将实验土体温度控制在实验要求的范围内，将锥形管314插入实验区域与感温线214之间的位置，为了节省升温时间可插入多排多根锥形管314，而锥形管314的布置应以感温线214与实验区域之间的中线对称布置，因为当锥形管314处于中间位置的时候热量向两端传递的速度一致，而此时所布置的感温线214才能最大程度的代表试验区域的温度，在设置好锥形管314之后打开恒温水箱311和抽水机312使恒温水箱311中的水进行环流，同时控制水流的速度，并监测感温线214的温度变化，当达到实验温度后关闭抽水机312与恒温水箱311，取出锥形管314。制冷方面，把冷凝管324布置在试验箱本体21四周砂石反滤层213以上成桩区域内，把压缩机321、蒸发器322、干燥过滤器323设置在箱体一侧，为了防止周围环境影响，在冷凝管324周围铺设一层聚丙乙烯泡沫板327。

第四步，打桩前的准备工作，按设计确定的配合比拌制水泥浆倒入储浆桶41中使用；储浆桶41为一个密封的圆柱形的桶，储浆桶41上部设有注浆口411供浆料倒入到箱体中，待浆液注入完成后，盖上注浆口411上设有的密封盖412，打开储浆桶411底部电机44带动箱内搅拌扇叶45进行搅拌防止浆液凝固，在箱壁两侧设有橡胶导管46和导管47，橡胶导管46接通注浆管6和导管47进气口，注浆管6连接至搅拌机，进气口一侧与高压气泵42相连，待需要注浆时，通过高压气泵42向储浆桶41中加压，通过压力差使浆料从注浆口411喷出；如果喷粉，只需要把储浆桶41清理干净然后倒入粉末，此时提高底部电机44的转速，其他操作与注浆方式一样。

第五步：打桩，首先移动底板111和十字滑动板112，使钻头110移动到预定成桩位置，然后旋转螺栓固定底板111及十字滑动板112；打开升降进步电机13和钻进步进电机16使钻杆19随螺杆11旋转下降，下降速度由升降步进电机13控制，搅拌机下沉到设计深度后，开启高压气泵42将水泥浆压入地基中，并且边喷浆边反向旋转，同时严格按照设计确定的提升速度提升钻杆19，使水泥浆和土体充分拌和至桩顶标高，搅拌机喷浆提升至设计桩顶标高时，为使软土和水泥浆搅拌均匀，再次将搅拌机边旋转边喷浆沉入土中，达到设计加固深度后再将深层搅拌机提升处地面。为保证水泥搅拌桩桩端、桩顶及桩身的质量，第一次提钻喷浆时应在底部停留30秒进行磨桩端，余浆上提过程中全部喷入桩体，且在桩顶部进行磨桩头，停留时间为30秒。每根桩开钻后应连续作业，不得终端喷浆。严禁在尚未喷浆的情况下进行钻杆19提升作业。随着扇叶192的转动和削切，浆液通过钻杆孔194均匀地散布在桩体中的软土中。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种可变径的水泥土搅拌桩模型试验装置，其特征在于：包括水泥土搅拌机模块(1)、试验箱模块(2)、温控模块(3)、注浆喷粉模块(4)和数控平台模块，

所述水泥土搅拌机模块(1)包括成桩结构和搅拌机，所述试验箱模块(2)包括试验箱本体(21)和真空预压单元(22)，

所述数控平台模块分别信号连接至所述注浆喷粉模块(4)、所述温控模块(3)、所述试验箱本体(21)、所述真空预压单元(22)和所述搅拌机，所述搅拌机的一侧通过注浆管(6)连接至所述注浆喷粉模块(4)，所述搅拌机的外部与所述成桩结构连接，所述成桩结构底部与所述试验箱本体(21)活动连接，所述试验箱本体(21)连接所述真空预压单元(22)和所述温控模块(3),

所述成桩结构包括横梁(14)、若干反力杆(15)、底板(111)和十字板滑动板(112)，所述十字板滑动板(112)上方与所述底板(111)活动连接，所述底板(111)为中间设有圆孔(1112)的钢板，所述底板(111)上方对立安装两个所述反力杆(15)，所述反力杆(15)上方固定连接所述横梁(14)；

所述搅拌机包括螺杆(11)、一号齿轮组(12)、升降步进电机(13)、钻进步进电机(16)、二号齿轮组(17)、动力杆(18)、钻杆(19)、钻头(110)和盒体(113)，所述一号齿轮组(12)与所述升降步进电机(13)相连，所述升降步进电机(13)安装在所述横梁(14)顶部一侧，所述螺杆(11)穿过所述横梁(14)连接至所述盒体(113)，所述盒体(113)内部安装所述二号齿轮组(17)，所述二号齿轮组(17)的一侧连接所述钻进步进电机(16)，内部固定连接中空的所述动力杆(18)，所述动力杆(18)顶部通过注浆管(6)连接至注浆喷粉模块(4)，底部固定连接所述钻杆(19)，所述钻杆(19)为中空结构，其下方固定连接所述钻头(110)。

2.根据权利要求1所述的一种可变径的水泥土搅拌桩模型试验装置，其特征在于：所述一号齿轮组(12)包括一号连杆(121)、一号竖直伞形齿轮(122)、一号水平伞形齿轮(123)和若干一号钢珠(124)，所述二号齿轮组(17)包括二号连杆(171)、二号竖直伞形齿轮(172)、二号水平伞形齿轮(173)和若干二号钢珠(174)，所述钻杆(19)包括钻杆本体(191)、扇叶(192)和搅拌棒(193)，

所述一号水平伞形齿轮(123)和所述一号竖直伞形齿轮(122)均为坡脚为45°的伞形齿轮，且外表面啮合，所述一号竖直伞形齿轮(122)中心处固定连接所述一号连杆(121)，所述一号连杆(121)穿过轴承连接至所述升降步进电机(13)，所述一号水平伞形齿轮(123)的上下两侧分别与环形挡片(143)、所述横梁(14)的上表面接触连接，且上下两侧均设有若干所述一号钢珠(124)，所述一号水平伞形齿轮(123)中心设置通孔(1231)，所述通孔(1231)与所述螺杆(11)互相咬合，所述螺杆(11)下方固定连接所述盒体(113)，所述盒体(113)内部的所述二号水平伞形齿轮(173)和所述二号竖直伞形齿轮(172)均为坡脚为45°的伞形齿轮，且外表面啮合，所述二号竖直伞形齿轮(172)中心固定连接所述二号连杆(171)，所述二号连杆(171)连接至所述盒体(113)外部安装的所述钻进步进电机(16)，所述二号水平伞形齿轮(173)的上下表面均布若干所述二号钢珠(174)，所述二号水平伞形齿轮(173)中间固定连接所述动力杆(18)，所述动力杆(18)底部安装所述钻杆本体(191)，所述钻杆本体(191)外部自上而下呈螺旋状安装若干所述扇叶(192)，每个所述扇叶(192)根部的一侧设有钻杆孔(194)，上下相邻的两个所述扇叶(192)之间安装若干所述搅拌棒(193)。

3.根据权利要求1所述的一种可变径的水泥土搅拌桩模型试验装置，其特征在于：所述注浆管(6)包括注浆管本体(61)、若干钢珠(62)和中空挡板(63)，

所述注浆管本体(61)的注浆口管路(611)为开口向下的喇叭状结构，所述注浆口管路(611)的外部为圆柱形壳体结构，所述注浆口管路(611)下方与所述动力杆(18)内壁设置的环形凸台连接，所述注浆口管路(611)与所述动力杆(18)的内壁之间设置若干所述钢珠(62)，所述钢珠(62)的上方设有所述中空挡板(63)，所述中空挡板(63)安装在所述动力杆(18)顶部，所述中空挡板(63)的中间通过扣件固定，并能够自由开关。

4.根据权利要求1所述的一种可变径的水泥土搅拌桩模型试验装置，其特征在于：所述试验箱本体(21)是材质为金属的矩形箱体结构，所述试验箱本体(21)顶部与所述成桩结构活动连接，

所述试验箱本体(21)的内壁上铺设第一土工布(212)，底部自下而上依次铺设一层排水滤管(211)、砂石反滤层(213)、第二土工布、软土层、第三土工布和密封塑料膜(215)，所述排水滤管(211)上设有若干排水通孔(2111)，所述排水滤管(211)外部缠绕第四土工布，所述软土层内放置若干感温线(214)，所述感温线(214)的一端延伸至所述试验箱本体(21)外部，一号真空表(216)依次穿过所述密封塑料膜(215)和软土层上方的第三土工布后插入所述软土层中。

5.根据权利要求1所述的一种可变径的水泥土搅拌桩模型试验装置，其特征在于：所述真空预压单元(22)包括储水箱(221)、真空泵(222)、压力管(223)、一号排水管(224)、二号排水管(225)、压力调节阀(226)和二号真空表(227)，

所述储水箱(221)兼做储压箱，所述储水箱(221)顶部安装所述二号真空表(227)，所述储水箱(221)通过所述一号排水管(224)连接至所述试验箱本体(21)，通过所述二号排水管(225)将水排出，通过所述压力管(223)连接至所述真空泵(222)，所述压力管(223)上安装所述压力调节阀(226)。

6.根据权利要求4所述的一种可变径的水泥土搅拌桩模型试验装置，其特征在于：所述温控模块(3)包括升温单元(31)和制冷单元(32)，所述升温单元(31)包括恒温水箱(311)、抽水机(312)、恒温导管(313)和若干锥形管(314)，

所述恒温水箱(311)通过所述恒温导管(313)接通所述抽水机(312)，所述恒温导管(313)串联若干所述锥形管(314)，所述锥形管(314)包括空心金属管(3141)和锥形探头(3142)，所述锥形探头(3142)的上方固定连接所述空心金属管(3141)，所述空心金属管(3141)的顶部为密封结构，上方设置两个用于所述恒温导管(313)进出的导管孔；

所述制冷单元(32)包括压缩机(321)、蒸发器(322)、干燥过滤器(323)、冷凝管(324)、蒸发器箱体(325)、蒸汽管道(326)和聚苯乙烯泡沫板(327)，

所述冷凝管(324)缠绕在所述试验箱本体(21)中所述砂石反滤层(213)的上部，且外部缠绕所述聚苯乙烯泡沫板(327)，所述冷凝管(324)的一端连接至所述压缩机(321)，另一端连接至所述干燥过滤器(323)，所述干燥过滤器(323)经所述蒸汽管道(326)连接至所述蒸发器(322)，所述蒸发器(322)与所述压缩机(321)相连，所述蒸发器(322)安装在所述蒸发器箱体(325)内。

7.根据权利要求1所述的一种可变径的水泥土搅拌桩模型试验装置，其特征在于：所述注浆喷粉模块(4)包括储浆桶(41)、高压气泵(42)、压力表(43)、电机(44)、搅拌扇叶(45)、橡胶导管(46)、导管(47)和流速传感器(48)，

所述储浆桶(41)顶部设置注浆口(411)和密封盖(412)，并在一侧安装所述压力表(43)，内部下方安装所述电机(44)和所述搅拌扇叶(45)，所述搅拌扇叶(45)与所述电机(44)连接，所述储浆桶(41)内壁上设置所述橡胶导管(46)，所述橡胶导管(46)上安装所述流速传感器(48)，所述储浆桶(41)通过所述导管(47)连接至所述高压气泵(42)。

8.根据权利要求1所述的一种可变径的水泥土搅拌桩模型试验装置，其特征在于：所述数控平台模块包括控制器、显示器、键盘、一号变频器、二号变频器、三号变频器、数据采集单元和存储器，

所述控制器分别与所述显示器、所述键盘、所述一号变频器、所述二号变频器、所述三号变频器、所述数据采集单元、所述存储器、所述温控模块(3)信号连接，所述控制器为PLC或CPU。