CN114351771A - 用于湿陷性黄土地基加固的挤土扩底桩模型及其使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了用于湿陷性黄土地基的挤土扩底桩模型，包括直桩、扩大桩和加载板，直桩顶部固定有加载板，直桩底部设置有扩大桩；直桩包括外桩和内桩，内桩嵌入在外桩内部，且外桩和内桩顶部均与加载板通过卡扣固定；内、外桩表面沿竖直方向设置有上、中、下三组外挤土孔，外桩为均布等直径挤土孔，内桩沿圆周方向每隔120°交错设置大小不一的内挤土孔。通过将直桩部分分为内桩和外桩两部分，并按照桩体上设置的挤土孔进行旋转调整，从而模拟不同挤土量和挤土区域；通过在模型桩直桩部分设置螺纹接缝，可实现直桩桩长的接高。

Description

用于湿陷性黄土地基加固的挤土扩底桩模型及其使用方法

技术领域

本发明属于桩基工程设备技术领域，具体涉及用于湿陷性黄土地基加固的挤土扩底桩模型，还涉及该挤土扩底桩模型的使用方法。

背景技术

我国西部地区基础建设中遇到较多的特殊土之一黄土具有典型的湿陷性和水敏性，在进行黄土地区地基加固设计中必须要考虑黄土的湿陷变形对地基承载力的影响。桩基工程是黄土地基加固的主要方法之一，通常进行桩基设计时多采用原位试验方法或经验方法，但由于试验可操作性不强加之成本较高很难得出较为精细的结论以推动桩基理论发展，尤其是适用于湿陷性黄土桩基工程的规律。由于模型试验具有可操性强、对场地限制较小、可重复性高等优点，目前，已有研究开展了黄土地区挤土桩的模型试验，但对于成层土的地基加固，尤其是针对上覆土层具有严重湿陷性，下覆持力层承载力又较高的地层情况的模型桩制作理念和方法尚有待研究。实际黄土工程中，一般多采用灰土挤密桩进行湿陷性黄土地基加固，但传统的挤密桩无法确保桩体的抗拔性能，加之对应不同地层，加固范围及加固强度也应有所调整。基于此，本发明提出一种用于湿陷性黄土地基加固的挤土扩底桩模型并对其使用方法进行详细描述。

发明内容

本发明的目的是提供用于湿陷性黄土地基加固的挤土扩底桩模型，在充分发挥桩底持力层的承载性能提高桩基承载力的同时，能有效减小桩侧负摩阻力对桩基承载力的影响。

本发明所采用的技术方案是，用于湿陷性黄土地基的挤土扩底桩模型，包括直桩、扩大桩和加载板，直桩顶部固定有加载板，直桩底部设置有扩大桩；直桩包括外桩和内桩，内桩嵌入在外桩内部，且外桩和内桩顶部均与加载板通过卡扣固定。

本发明的特点还在于，

外桩表面沿竖直方向设置有三组外挤土孔，第一组外挤土孔沿外桩外侧表面角度为0-40°处均匀布置；第二组外挤土孔沿外桩外侧表面角度为120-160°处均匀布置；第三组外挤土孔沿外桩外侧表面角度为240-280°处均匀布置。

每组外挤土孔包括沿竖直方向均匀分布的多排挤土孔，上下每两排挤土孔之间的间距是50mm，每一排挤土孔包括三个外桩挤土孔，每个外桩挤土孔的直径为6mm。

内桩上沿圆周方向每隔120°设置一组内挤土孔；第一组内挤土孔沿内桩圆周方向角度为0-120°处均匀分布；第二组内挤土孔沿内桩圆周方向角度为120-240°处均匀分布；第三组内挤土孔沿内桩圆周方向角度为240-360°处均匀分布。

每组内挤土孔包括沿竖直方向均匀分布的多排内桩挤土孔，上下每两排内桩挤土孔之间的间距是50mm，每一排内桩挤土孔包括依次排列的三个大孔、三个中孔和三个小孔，大孔的直径为6mm，中孔的直径为4mm，小孔的直径为2mm。

每组内挤土孔包括位于内桩上部、中部和下部的三组挤土内孔；每两组挤土内孔相隔角度为40°；每组挤土内孔包括沿竖直方向设置的多排内孔，上下每两排内孔之间的间距是50mm，每排内孔包括三个通孔，三个通孔的直径分别为6mm、4mm和2mm。

扩大桩包括第一竖直桩，第一竖直桩外壁设置有外螺纹，内桩的内部底端设置有内螺纹段；第一竖直桩通过外螺纹以及内螺纹段与内桩螺纹连接，第一竖直桩端部连接圆台桩，圆台桩的底部固定有第二竖直桩。

本发明的有益效果是，

采用该挤土扩底桩模型可进行湿陷性黄土地区挤密扩底桩模型试验，解决了进行湿陷性黄土地区桩基加固试验时，无法考虑不同地层加固分区的问题，确保了在进行模型试验中可以更改不同的控制变量，比如挤土量、挤土位置以及桩长，从而实现成层地基不同加固强度和加固区域的桩基承载力试验研究。通过将直桩部分分为内桩和外桩两部分，并在桩体上按照一定规律设置挤土孔，从而模拟不同挤土量和挤土位置；通过在模型桩直桩部分设置螺纹接缝，可实现直桩部分桩长的接高。

附图说明

图1是本发明用于湿陷性黄土地基的挤土扩底桩模型的结构示意图；

图2是本发明用于湿陷性黄土地基的挤土扩底桩模型中外桩的结构示意图；

图2-1是本发明用于湿陷性黄土地基挤土扩底桩中外挤土孔布置平面示意图；

图3是本发明用于湿陷性黄土地基的挤土扩底桩模型中内桩的结构示意图；

图3-1是本发明用于湿陷性黄土地基挤土扩底桩中内挤土孔的布置平面示意图(一)；

图3-2是本发明用于湿陷性黄土地基挤土扩底桩中内挤土孔的布置平面示意图(二)；

图4是本发明用于湿陷性黄土地基的挤土扩底桩模型在扩大桩示意图。

图中，1.直桩，2.扩大桩，2-1.第一竖直桩，2-2.圆台桩，2-3.第二竖直桩，3.加载板，4.卡扣，5.外桩，6.外桩挤土孔，7.内桩，8.内桩挤土孔，9.内螺纹段，10.外螺纹，11.外挤土孔，12.内孔，13.内挤土孔，14.大孔，15.中孔，16.小孔。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

本发明用于湿陷性黄土地基的挤土扩底桩模型，如图1所示，包括直桩1、扩大桩2和加载板3，直桩1顶部固定有加载板3，用于承担荷载；直桩1底部设置有扩大桩2；

如图2及图3所示，直桩1包括外桩5和内桩7，内桩7嵌入在外桩5内部，外桩5内径与内桩7外径相切，且外桩5和内桩7顶部均与加载板3通过卡扣4固定；试验时将内桩7置于外桩5之内用于控制不同挤土量。

该挤土扩底桩模型的外部整体尺寸为200mm×60mm×50mm，模型桩长度200mm，外桩5外径为40mm，内桩7内径为34mm，内外直桩壁厚约3mm，用于固定内外桩的卡扣4向外延约10mm。

如图2-1的平面展开图所示，外桩5表面沿竖直方向设置有三组外挤土孔11，第一组外挤土孔沿外桩5圆周方向角度为0-40°处均匀布置；第二组外挤土孔沿外桩5圆周方向角度为120-160°处均匀布置；第三组外挤土孔沿外桩5圆周方向角度为240-280°处均匀布置。

每组外挤土孔11包括沿竖直方向均匀分布的多排挤土孔，上下每两排挤土孔之间的间距是50mm，每一排挤土孔包括三个外桩挤土孔6，每个外桩挤土孔6的直径为6mm；

内桩7上沿竖直方向均匀分布三组土孔，沿模型桩圆周方向每隔120°设置一组内挤土孔13；每组内挤土孔13与每组外挤土孔11的高度统一；

第一组内挤土孔沿内桩7圆周方向角度为0-120°处均匀分布；第二组内挤土孔沿内桩7圆周方向角度为120-240°处均匀分布；第三组内挤土孔沿内桩7圆周方向角度为240-360°处均匀分布；

每组内挤土孔有两种排布分式，第一种排布方式为：如图3-1所示，每组内挤土孔包括沿竖直方向均匀分布的多排内桩挤土孔8，上下每两排内桩挤土孔8之间的间距是50mm，每一排内桩挤土孔包括依次排列的三个大孔14、三个中孔15和三个小孔16，大孔14的直径为6mm，中孔15的直径为4mm，小孔16的直径为2mm；

如图3-2所示，第二种排布方式为：每组内挤土孔包括位于内桩7上部、中部和下部的三组挤土内孔；每两组挤土内孔交错相隔角度为40°；每组挤土内孔包括沿竖直方向设置的多排内孔12，上下每两排内孔之间的间距是50mm，每排内孔包括三个通孔，三个通孔的直径分别为6mm、4mm和2mm；

即位于上部的挤土内孔沿内桩7外侧表面角度为0-40°处均匀分布，位于中部的挤土内孔沿内桩7外侧表面角度为40-80°处均匀分布，位于下部的挤土内孔沿内桩7外侧表面角度为80-120°处均匀分布；

内桩7的内部底端设置有内螺纹段9；

如图4所示，扩大桩2包括第一竖直桩2-1，第一竖直桩2-1外壁设置有外螺纹10，第一竖直桩2-1通过外螺纹10以及内螺纹段9与内桩7螺纹连接，第一竖直桩2-1端部连接圆台桩2-2，圆台桩2-2的顶部外径与第一竖直桩2-1端部外径相同，圆台桩2-2的顶部外径小于底部外径；圆台桩2-2的底部固定有第二竖直桩2-3；第二竖直桩2-3的外径大于第一竖直桩2-1的外径；

针对现有技术存在的问题，本发明的挤土扩底桩模型，该模型桩由有机玻璃或PVC管制成，通过在直桩底部外接扩大桩体实现扩底桩的模拟，扩底桩侧面的斜率根据规范而定，由于桩体为预制，因此扩底桩底面设置为平面，不考虑矢高，在直桩部分桩身设置有挤土孔实现挤土效果。以实际工程中的800mm的大直径桩体缩尺20倍为例确定模型桩直径，模型桩的直径选取40mm，为模拟不同挤土量和挤土范围，该模型桩由双层桩体嵌套而成，外层桩体为均布间隔打孔，桩体沿直桩高度每间隔50mm打孔，打孔直径为6mm，内层桩表面设置多个与外侧桩高度统一的不同直径的挤土孔，挤土孔直径分别为2mm，4mm，6mm。通过螺纹进行可拆卸式连接。

本发明用于湿陷性黄土地基的挤土扩底桩模型的使用方法，具体按照以下步骤：

步骤1，将内桩7与外桩5进行嵌入，选择一个直径为6mm的内桩挤土孔与外桩挤土孔对准，将内桩7与外桩5通过卡扣4固定；

步骤2，将扩大桩2与直桩1通过螺纹进行连接，将挤土扩底桩模型放置于模型箱内，待地基填筑平整之后，在挤土扩底桩模型内部空心处填塞试验土，并进行夯实或振入，实现挤土效应，并根据需要挤密的程度确定夯实次数和强度或者振入击数，在达到需要的挤土强度停止；

步骤3，将加载板3与外桩5和内桩7顶部通过卡扣4进行连接，形成加载面，通过加载板3进行桩基承载力模型试验，记录试验过程中的荷载与位移变化规律；

进一步的，为进行不同挤土量的模拟，将挤土扩底桩模型拆卸，与第一种内桩模型连接，保证直径为6mm的内桩7挤土孔与外桩5挤土孔位置一致，将内桩7顺时针旋转40°，直径为4mm的内桩7挤土孔与外桩5挤土孔对齐；将内桩7顺时针旋转至80°，直径为2mm的内桩7挤土孔与外桩5挤土孔对齐，重复上述步骤即可实现不同挤土量的模拟；

进一步的，为实现不同挤土位置的模拟，将挤土扩底桩模型拆卸，与第二种内装模型连接，上部第一组挤土内孔与外桩的外挤土孔位置对齐，仅内桩7上部挤土内孔与外挤土孔重叠；将内桩7顺时针分别旋转至40°，仅内桩7中部挤土内孔与外挤土孔重叠；将内桩7顺时针分别旋转至80°，仅内桩7底部挤土内孔与外挤土孔重叠，重复上述步骤即可实现不同挤土位置的模拟。

本发明较传统桩基试验模型具有以下优点：

(1)扩底桩模型能够针对上层湿陷性黄土地基承载力不足的问题，充分发挥桩底持力层承载性能以提高桩基承载力，同时还能有效减小负摩阻力对桩基承载力的影响。

(2)挤土扩底桩模型结合湿陷性黄土地区桩基加固方法，在直桩部分设置了挤土孔以实现挤土效应，可有效减小土体孔隙比，增大土体密实度，从而提高土体承载性能。

(3)挤土扩底模型桩桩身设置有不同的挤土孔和挤土区域，可模拟不同挤土量和挤土位置的工况，且直桩部分可根据实际情况接高，扩大端可变尺寸，是一种多功能可重复使用的试验模型桩。

本发明是一种适用于进行湿陷性黄土地区模型试验的挤土扩底模型桩。采用该模型可进行湿陷性黄土地区的挤密扩底桩模型试验，解决了进行黄土地基加固模型试验时的多功能模型桩问题，实现了在进行模型试验中可根据需求更改不同的控制变量，比如桩身长度、扩底端大小、桩体挤土量和挤土位置等，从而进行不同控制参数下的桩基承载力试验研究。通过在直桩部分设置螺纹接缝，可实现直桩部分桩长的接高；通过直桩与扩底端螺纹接缝的连接，可实现不同扩底端大小的改变；通过将直桩部分分为内桩和外桩两部分，并在桩体上按照一定规律设置挤土孔，从而模拟不同挤土量和挤土位置。

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。

Claims (7)

1.用于湿陷性黄土地基的挤土扩底桩模型，其特征在于，包括直桩(1)、扩大桩(2)和加载板(3)，所述直桩(1)顶部固定有加载板(3)，所述直桩(1)底部设置有扩大桩(2)；所述直桩(1)包括外桩(5)和内桩(7)，所述内桩(7)嵌入在外桩(5)内部，且所述外桩(5)和内桩(7)顶部均与加载板(3)通过卡扣(4)固定。

2.根据权利要求1所述的用于湿陷性黄土地基的挤土扩底桩模型，其特征在于，所述外桩(5)表面沿竖直方向设置有三组外挤土孔(11)，第一组外挤土孔沿外桩(5)外侧表面角度为0-40°处均匀布置；第二组外挤土孔沿外桩(5)外侧表面角度为120-160°处均匀布置；第三组外挤土孔沿外桩(5)外侧表面角度为240-280°处均匀布置。

3.根据权利要求2所述的用于湿陷性黄土地基的挤土扩底桩模型，其特征在于，每组所述外挤土孔(11)包括沿竖直方向均匀分布的多排挤土孔，上下每两排挤土孔之间的间距是50mm，每一排挤土孔包括三个外桩挤土孔(6)，每个外桩挤土孔(6)的直径为6mm。

4.根据权利要求1所述的用于湿陷性黄土地基的挤土扩底桩模型，其特征在于，所述内桩(7)上沿圆周方向每隔120°设置一组内挤土孔(13)；第一组内挤土孔沿内桩(7)圆周方向角度为0-120°处均匀分布；第二组内挤土孔沿内桩(7)圆周方向角度为120-240°处均匀分布；第三组内挤土孔沿内桩(7)圆周方向角度为240-360°处均匀分布。

5.根据权利要求4所述的用于湿陷性黄土地基的挤土扩底桩模型，其特征在于，每组内挤土孔包括沿竖直方向均匀分布的多排内桩挤土孔(8)，上下每两排内桩挤土孔(8)之间的间距是50mm，每一排内桩挤土孔包括依次排列的三个大孔(14)、三个中孔(15)和三个小孔(16)，大孔(14)的直径为6mm，中孔(15)的直径为4mm，小孔(16)的直径为2mm。

6.根据权利要求4所述的用于湿陷性黄土地基的挤土扩底桩模型，其特征在于，每组内挤土孔包括位于内桩(7)上部、中部和下部的三组挤土内孔；每两组挤土内孔相隔角度为40°；每组挤土内孔包括沿竖直方向设置的多排内孔(12)，上下每两排内孔之间的间距是50mm，每排内孔包括三个通孔，三个通孔的直径分别为6mm、4mm和2mm。

7.根据权利要求1所述的用于湿陷性黄土地基的挤土扩底桩模型，其特征在于，所述扩大桩(2)包括第一竖直桩(2-1)，所述第一竖直桩(2-1)外壁设置有外螺纹(10)，所述内桩(7)的内部底端设置有内螺纹段(9)；所述第一竖直桩(2-1)通过外螺纹(10)以及内螺纹段(9)与内桩(7)螺纹连接，所述第一竖直桩(2-1)端部连接圆台桩(2-2)，所述圆台桩(2-2)的底部固定有第二竖直桩(2-3)。

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