CN114646755B - 一种模拟水泥土搅拌桩现场成桩施工的试验装置 - Google Patents

Abstract

一种模拟水泥土搅拌桩现场成桩施工的试验装置，包括：成桩模型箱；搅拌系统，包括动力头、钻杆和多个钻头，动力头与钻杆的顶端连接，用于驱动钻杆旋转，钻杆为中空结构，多个钻头可选择的被可拆卸连接于钻杆底端，各钻头上可拆卸安装有若干倾角可调的搅拌叶片；行走系统，与动力头连接，用于带动动力头在空间上移动；注浆系统，通过第一输浆管与钻杆连接；数据采集系统，用于对搅拌系统、注浆系统和行走系统的试验数据进行采集；控制系统，分别与搅拌系统、行走系统、注浆系统和数据采集系统连接。本发明实现对水泥土搅拌桩现场成桩施工过程的模拟，解决了室内水泥土配合比试验与实际施工工艺存在严重偏离、室内试验结果指导性不强的难题。

Description

一种模拟水泥土搅拌桩现场成桩施工的试验装置

技术领域

本发明属于试验设备技术领域，尤其涉及一种模拟水泥土搅拌桩现场成桩施工的试验装置。

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。水泥土搅拌桩在正式施工之前需要进行室内配合比试验及现场工艺试验，以确定搅拌桩满足设计强度要求的施工配合比。由于现有室内配合比试验是在水泥浆液与土体充分搅拌情况下进行的强度配合比试验，其搅拌均匀性往往与现场实际搅拌状况存在较大差异，导致水泥土室内配合比与现场施工不符，还需大量的现场工艺试验来进一步确定搅拌桩现场施工配合比及施工工艺参数，从而使得水泥土室内试验结论对现场施工的指导意义不大，同时也会造成大量人力、物力的浪费。

发明内容

本发明的目的在于提供一种模拟水泥土搅拌桩现场成桩施工的试验装置，实现对水泥土搅拌桩现场成桩施工过程的模拟，解决了室内水泥土配合比试验与实际施工工艺存在严重偏离、室内试验结果指导性不强的难题。

本发明是通过以下技术方案实现的：

一种模拟水泥土搅拌桩现场成桩施工的试验装置，包括：

成桩模型箱；

搅拌系统，包括动力头、钻杆和多个钻头，动力头与钻杆的顶端连接，用于驱动钻杆旋转，钻杆为中空结构，多个钻头可选择的被可拆卸连接于钻杆底端，各钻头上可拆卸安装有若干倾角可调的搅拌叶片；

行走系统，与动力头连接，用于带动动力头在空间上移动；

注浆系统，通过第一输浆管与钻杆连接；

数据采集系统，用于对搅拌系统、注浆系统和行走系统的试验数据进行采集；

控制系统，分别与搅拌系统、行走系统、注浆系统和数据采集系统连接。

进一步地，钻头上开设有与搅拌叶片数量相同的安装槽，安装槽内设有一对螺纹孔，搅拌叶片上设有基座，基座上对称分布在搅拌叶片两侧的弧形长条孔，弧形长条孔与螺纹孔相对应，基座通过螺栓穿过弧形长条孔后与相应的螺纹孔螺接而安装于安装槽内。

进一步地，基座在弧形长条孔外侧的位置上沿弧形长条孔周向开设有一圈弧形槽，弧形槽的开口朝向搅拌叶片。

进一步地，基座朝向搅拌叶片的一面为圆弧曲面。

进一步地，注浆系统包括储水容器、储浆容器和水泵，水泵的进水口分别通过第二输浆管与储水容器和储浆容器连接，其出水口与第一输浆管连接，第二输浆管上设有阀门，控制系统与水泵和阀门连接。

进一步地，行走系统包括两条间隔设置的纵向导轨、两条分别滑动设置在两条纵向导轨上的竖向导轨、两端分别滑动设置在两条竖向导轨上的横向导轨和用于驱动横向导轨沿竖向导轨上下移动的驱动机构，驱动机构与控制系统连接，动力头滑动设置在横向导轨上。

进一步地，数据采集系统包括流量计、电流表和激光测距仪，流量计设置在水泵上，用于测量喷浆量，电流表与动力头连接，用于测量动力头的电流值，激光测距仪设置在任一竖向导轨的顶端，用于测量其与横向导轨之间的距离。

进一步地，喷浆口上设有用于开合喷浆口的活门。

进一步地，成桩模型箱的外侧壁上间隔套设有若干钢条。

相比于现有技术，本发明的有益效果为：(1)通过搅拌系统在成桩模型箱中原位搅拌成桩，能模拟水泥土搅拌桩现场成桩施工过程，符合水泥土搅拌桩施工工艺，并且能最大程序模拟现场成桩的搅拌均匀性，解决了室内水泥土配合比试验与实际施工工艺存在严重偏离、室内试验结果指导性不强的难题，可操作性强，能够更好的指导现场水泥土搅拌桩成桩质量控制，为确定满足设计要求的水泥土搅拌桩现场施工工艺参数提供重要依据；

(2)可记录各施工工艺参数，可对影响水泥土搅拌桩成桩质量的钻头形式、喷浆量、每米搅拌切土次数等施工参数进行监测与智能控制，提高了试验效率，且便于试验人员选取、调整试验参数，控制试验过程，可用于分析不同施工工艺参数在不同土层中对水泥土搅拌桩成桩质量的影响，找出主要的影响因素，以便更好的优化现场不同土层的施工工艺参数；

(3)通过在钻杆上更换不同的钻头以及在钻头上调整搅拌叶片的倾角，完成模拟不同搅拌叶片布置形式及不同搅拌叶片倾角对土体搅拌均匀性的影响，功能多样化、集成化，能够分析各因素对成桩质量的影响程度，以指导现场工艺性试桩，减小现场试桩组数，节省工期及造价，适用范围广泛。

附图说明

图1为本发明模拟水泥土搅拌桩现场成桩施工的试验装置的结构示意图；

图2为本发明模拟水泥土搅拌桩现场成桩施工的试验装置中搅拌系统的结构示意图；

图3为本发明模拟水泥土搅拌桩现场成桩施工的试验装置中钻头上搅拌叶片的布置示意图；

图4为本发明模拟水泥土搅拌桩现场成桩施工的试验装置中钻头的结构示意图；

图5为本发明模拟水泥土搅拌桩现场成桩施工的试验装置中搅拌叶片的结构示意图。

图中，1-成桩模型箱，2-搅拌系统，21-动力头，22-钻杆，23-钻头，231-喷浆口，232-安装槽，233-螺纹孔，24-搅拌叶片，241-基座，2411-弧形长条孔，2412-弧形槽，3-行走系统，31-纵向导轨，32-竖向导轨，33-横向导轨，4-注浆系统，41-第一输浆管，42-储水容器，43-储浆容器，44-水泵，45-第二输浆管，5-数据采集系统，51-流量计，52-电流表，53-激光测距仪，6-控制系统，7-试验土样，8-水泥土搅拌桩。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。同时，在本发明的描述中，术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“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，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，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。

请参阅图1至图5，图1为本发明模拟水泥土搅拌桩现场成桩施工的试验装置的结构示意图，图2为本发明模拟水泥土搅拌桩现场成桩施工的试验装置中搅拌系统的结构示意图，图3为本发明模拟水泥土搅拌桩现场成桩施工的试验装置中钻头上搅拌叶片的布置示意图，图4为本发明模拟水泥土搅拌桩现场成桩施工的试验装置中钻头的结构示意图，图5为本发明模拟水泥土搅拌桩现场成桩施工的试验装置中搅拌叶片的结构示意图。一种模拟水泥土搅拌桩现场成桩施工的试验装置，包括成桩模型箱1、搅拌系统2、行走系统3、注浆系统4、数据采集系统5和控制系统6，搅拌系统2包括动力头21、钻杆22和多个钻头23，动力头21与钻杆22的顶端连接，用于驱动钻杆22旋转，钻杆22为中空结构，多个钻头23可选择的被可拆卸连接于钻杆22底端，各钻头23上可拆卸安装有若干倾角可调的搅拌叶片24；行走系统3与动力头21连接，用于带动动力头21在空间上移动；注浆系统4通过第一输浆管41与钻杆22连接；数据采集系统5用于对搅拌系统2、注浆系统4和行走系统3的试验数据进行采集；控制系统6分别与搅拌系统2、行走系统3、注浆系统4和数据采集系统5连接。

本发明模拟水泥土搅拌桩现场成桩施工的试验装置在实际使用时，可根据实际试验需求，更换不同的钻头23，各钻头23上的搅拌叶片24的数量并不相同，具体为钻头23上具有不同层数的搅拌叶片24，或者是搅拌叶片24层数相同时，每层搅拌叶片24的数量不同。例如钻头23上搅拌叶片24的层数可以为一层或多层，一般设置多层，每一层搅拌叶片24的数量可布置2片、3片或4片等，如图3所示。从而可通过本发明模拟水泥土搅拌桩8现场成桩施工的试验装置研究钻头23的搅拌叶片24的布置形式对成桩质量的影响。

在一实施例中，为便于在钻头23上调整搅拌叶片24的倾角，钻头23上开设有与搅拌叶片24数量相同的安装槽232，安装槽232内设有一对螺纹孔233，搅拌叶片24上设有基座241，基座241上对称分布在搅拌叶片24两侧的弧形长条孔2411，弧形长条孔2411与螺纹孔233相对应，基座241通过螺栓穿过弧形长条孔2411后与相应的螺纹孔233螺接而安装于安装槽232内。在需要调整搅拌叶片24倾角时，将螺栓拧松，通过弧形长条孔2411与螺栓配合，此时可在安装槽232内转动基座241，从而调整搅拌叶片24在钻头23上的倾角。搅拌叶片24的倾角调整完毕后，只需要将螺栓再次拧紧，使得螺栓的头部与基座241抵接即可将基座241安装安装槽232内，实现在钻头23上调整搅拌叶片24倾角的功能。在一实施例中，基座241在弧形长条孔2411外侧的位置上沿弧形长条孔2411周向开设有一圈弧形槽2412，弧形槽2412的开口朝向搅拌叶片24。弧形槽2412与弧形长条孔2411之间形成阶梯状，螺栓的头部可容纳在弧形槽2412内，避免多余的土体切绕。在一实施例中，基座241朝向搅拌叶片24的一面为圆弧曲面。圆弧曲面与钻头23同径，进一步避免多余的土体切绕，从而避免影响试验结果。

在一实施例中，注浆系统4包括储水容器42、储浆容器43和水泵44，水泵44的进水口分别通过第二输浆管45与储水容器42和储浆容器43连接，其出水口与第一输浆管41连接，第二输浆管45上设有阀门，控制系统6与水泵44和阀门连接。注浆系统4能够模拟钻头23下贯切割土体时喷水以及成桩时喷泥浆，储水容器42和储浆容器43分别采用塑料箱或玻璃向作为存储容器，储水容器42内储存水，储浆容器43内储存泥浆，利用水泵44将储水容器42内的水或者将储浆容器43内的泥浆泵出，通过第一输浆管41泵送到钻杆22，并经过钻杆22内部的中空容腔泵送至钻头23处的喷浆口231。在需要水泵44泵送水时，将与储水容器42连接的第二输浆管45上的阀门打开，将与储浆容器43连接的第二输浆管45上的阀门关闭；而需要水泵44泵送泥浆时，将与储水容器42连接的第二输浆管45上的阀门关闭，将与储浆容器43连接的第二输浆管45上的阀门打开即可。

在一实施例中，行走系统3包括两条间隔设置的纵向导轨31、两条分别滑动设置在两条纵向导轨31上的竖向导轨32、两端分别滑动设置在两条竖向导轨32上的横向导轨33和用于驱动横向导轨33沿竖向导轨32上下移动的驱动机构，驱动机构与控制系统6连接，动力头21滑动设置在横向导轨33上。行走系统3用于实现动力头21在空间上移动，也即用于带动动力头21在竖直方向和水平方向的移动，以模拟水泥土搅拌桩8施工时钻头23在同一桩位的竖向下贯及提升、不同桩位的水平移位。控制系统6通过驱动机构控制横向导轨33沿竖向导轨32上下移动的速度，以得到钻头23下贯或提升的速度，驱动机构可以采用现有的丝杆传动机构，竖向导轨32在纵向导轨31上移动以及动力头21在横向导轨33上移动可采用现有的丝杆传动机构或人工驱动。

在一实施例中，数据采集系统5包括流量计51、电流表52和激光测距仪53，流量计51设置在水泵44上，用于测量喷浆量，电流表52与动力头21连接，用于测量动力头21的电流值，激光测距仪53设置在任一竖向导轨32的顶端，用于测量其与横向导轨33之间的距离。流量计51安装在水泵44上，其量程与水泵44的功率配套，可用于计量水泵44泵出泥浆量和水量。电流表52与动力头21连接，用于表征动力头21运行时的电流值，进一步地，动力头21内设有电机，电流表52安装在电机上，用于测量电机工作时的电流值。根据激光测距仪53测量的其与横向导轨33之间的距离，可换算得到钻头23下贯或提升的距离，从而得到搅拌深度及成桩长度。在一实施例中，激光测距仪53上设有横板，横板设置在任一竖向导轨32的顶端。该设置使得激光测距仪53位于横向导轨33的上方，便于激光测距仪53测量其与横向导轨33之间的距离。

在一实施例中，喷浆口231上设有用于开合喷浆口231的活门。在喷浆口231上设置活门，能够防止钻头23下贯或提升时土体进入喷浆口231。当需要喷浆或喷水时，当喷浆或喷水的压力达到一定值时，能够把活门向外冲开，从而打开喷浆口231，使得泥浆或水能够从喷浆口231喷出，当停止喷浆或喷水时，由于土阻力的作用使得活门闭合，关闭喷浆口231，以阻止土体进入喷浆口231。

在一实施例中，成桩模型箱1的外侧壁上间隔套设有若干钢条。该设置能够增强成桩模型箱1的侧向稳定性。在一实施例中，钢条的数量为三条，三条钢条分别套设在成桩模型箱1的上部、中部和下部。

在一实施例中，成桩模型箱1的底端设有移动机构和升降支撑机构，移动机构用于带动成桩模型箱1向任意方向行走，升降支撑机构升降从而使升降支撑机构与地面接触且移动机构脱离地面，或使得升降支撑机构脱离地面且移动机构与地面接触。在成桩模型箱1需要移动时，通过升降支撑机构上升，使升降支撑机构脱离与地面接触且移动机构与地面接触，此时可通过移动机构带动成桩模型箱1移动，移动机构可以为多个滑轮，升降支撑机构可以为多个油缸。在成桩施工过程中需要保持成桩模型箱1保持稳定不动时，通过升降支撑机构下降，使得升降支撑机构与地面接触且移动机构与地面脱离，由升降支撑机构支撑成桩模型箱1，从而在成桩施工过程中需要保持成桩模型箱1保持稳定不动。

以下简单说明采用本发明模拟水泥土搅拌桩现场成桩施工的试验装置进行试验的步骤：

S1、根据试验目的及拟加固土层情况，确定拟加固的试验土样7、拟采用的多组施工工艺参数、成桩模型箱1大小、试验方法及试验组数等，并形成模型试验方案，其中施工工艺参数包括钻杆22下贯速度、钻杆22提升速度、钻杆22转速、注浆系统4的喷水流速及流量、注浆系统4的喷浆流速及流量和钻头23上的搅拌叶片24层数、每层搅拌叶片24的数量以及搅拌叶片24的倾角；

S2、成桩模型箱的数量与多组施工工艺参数的数量相同且一一对应，根据模型试验方案，在每个成桩模型箱1内填入单层或多层土体后，将成桩模型箱1内的土体压实到符合要求，从而在成桩模型箱1内形成试验土样7；

S3、对于每组施工工艺参数，确定搅拌系统2中钻头23与搅拌叶片24组合形式，并对进行钻头23的组装，然后控制行走系统3移动动力头21，通过动力头21、钻杆22带动钻头23移动，使得钻头23对准对应的成桩模型箱1中桩位，然后控制行走系统3提升钻头23至一定高度以满足试验深度要求；

S4、通过控制系统6控制搅拌系统2的钻头23在下贯过程中的速度及转速、注浆系统4的喷水流速及流量；在下贯过程尽量保持钻头23的转速一致，在松软土中下贯速度可适当加快，含水率过高时可以少喷水或不喷水，在底部相对硬土层中可降低下贯速度并加大喷水量；

S5、通过控制系统6控制搅拌系统2的钻头23在提升过程中的速度及转速、注浆系统4的喷浆流速及流量；在提升过程中，可适当降低提升速度及改变钻杆22旋转的方向；

S6、通过数据采集系统5采集下贯过程、提升过程中实际施工工艺参数值，并在控制系统6的显示器上进行显示施工工艺参数；

S7、单根桩提升喷浆完成后，注浆系统4停止喷浆，并将注浆系统4切换至喷水模式，用水冲洗管道及钻头23；

S8、重复步骤S3至步骤S7完成下一根桩的成桩施工，直至完成本组试验的全部施工工艺参数的试验桩；

S9、提升钻头23，移开成桩模型箱1，并清洗试验装置；每个成桩进行28天养护龄期的无侧限抗压强度试验，得到桩身强度，采用求极差、方差等数学分析方法进行处理，分析各施工工艺参数的影响权重及大小顺序等信息，从而找出影响成桩质量的主要影响因素，获得室内试验所需的最佳方案，即最优的搅拌钻头23形式及施工工艺参数，为现场工艺性试桩选择适宜搅拌钻头23形式及合理施工工艺参数提供指导，减少现场试验的工程量，节省工期及造价。

相比于现有技术，本发明的有益效果为：(1)通过搅拌系统2在成桩模型箱1中原位搅拌成桩，能模拟水泥土搅拌桩8现场成桩施工过程，符合水泥土搅拌桩8施工工艺，并且能最大程序模拟现场成桩的搅拌均匀性，解决了室内水泥土配合比试验与实际施工工艺存在严重偏离、室内试验结果指导性不强的难题，可操作性强，能够更好的指导现场水泥土搅拌桩8成桩质量控制，为确定满足设计要求的水泥土搅拌桩8现场施工工艺参数提供重要依据；

(2)可记录各施工工艺参数，可对影响水泥土搅拌桩8成桩质量的钻头23形式、喷浆量、每米搅拌切土次数等施工参数进行监测与智能控制，提高了试验效率，且便于试验人员选取、调整试验参数，控制试验过程，可用于分析不同施工工艺参数在不同土层中对水泥土搅拌桩8成桩质量的影响，找出主要的影响因素，以便更好的优化现场不同土层的施工工艺参数；

(3)通过在钻杆22上更换不同的钻头23以及在钻头23上调整搅拌叶片24的倾角，完成模拟不同搅拌叶片24布置形式及不同搅拌叶片24倾角对土体搅拌均匀性的影响，功能多样化、集成化，能够分析各因素对成桩质量的影响程度，以指导现场工艺性试桩，减小现场试桩组数，节省工期及造价，适用范围广泛。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明做任何形式上的限制，故凡未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (5)

1.一种模拟水泥土搅拌桩现场成桩施工的试验装置，其特征在于，包括：

成桩模型箱；

搅拌系统，包括动力头、钻杆和多个钻头，所述动力头与钻杆的顶端连接，用于驱动所述钻杆旋转，所述钻杆为中空结构，多个所述钻头可选择的被可拆卸连接于钻杆底端，各所述钻头上可拆卸安装有若干倾角可调的搅拌叶片，所述钻头上设有喷浆口；所述钻头上开设有与搅拌叶片数量相同的安装槽，所述安装槽内设有一对螺纹孔，所述搅拌叶片上设有基座，所述基座上对称分布在搅拌叶片两侧的弧形长条孔，所述弧形长条孔与螺纹孔相对应，所述基座通过螺栓穿过弧形长条孔后与相应的螺纹孔螺接而安装于安装槽内；

行走系统，与所述动力头连接，用于带动所述动力头在空间上移动；所述行走系统包括两条间隔设置的纵向导轨、两条分别滑动设置在两条纵向导轨上的竖向导轨、两端分别滑动设置在两条竖向导轨上的横向导轨和用于驱动横向导轨沿竖向导轨上下移动的驱动机构，所述驱动机构与控制系统连接，所述动力头滑动设置在横向导轨上；

注浆系统，通过第一输浆管与所述钻杆连接；所述注浆系统包括储水容器、储浆容器和水泵，所述水泵的进水口分别通过第二输浆管与储水容器和储浆容器连接，所述水泵的出水口与所述第一输浆管连接，所述第二输浆管上设有阀门，所述控制系统与水泵和阀门连接；

数据采集系统，用于对所述搅拌系统、注浆系统和行走系统的试验数据进行采集；所述数据采集系统包括流量计、电流表和激光测距仪，所述流量计设置在水泵上，用于测量喷浆量，所述电流表与动力头连接，用于测量所述动力头的电流值，所述激光测距仪设置在任一竖向导轨的顶端，用于测量所述激光测距仪与所述横向导轨之间的距离；

控制系统，分别与所述搅拌系统、行走系统、注浆系统和数据采集系统连接。

2.根据权利要求1所述的模拟水泥土搅拌桩现场成桩施工的试验装置，其特征在于，所述基座在弧形长条孔外侧的位置上沿弧形长条孔周向开设有一圈弧形槽，所述弧形槽的开口朝向搅拌叶片。

3.根据权利要求1所述的模拟水泥土搅拌桩现场成桩施工的试验装置，其特征在于，所述基座朝向搅拌叶片的一面为圆弧曲面。

4.根据权利要求1所述的模拟水泥土搅拌桩现场成桩施工的试验装置，其特征在于，所述喷浆口上设有用于开合喷浆口的活门。

5.根据权利要求1所述的模拟水泥土搅拌桩现场成桩施工的试验装置，其特征在于，所述成桩模型箱的外侧壁上间隔套设有若干钢条。

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