CN114778806B - 一种注浆式螺旋桩的模型试验装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种注浆式螺旋桩的模型试验装置，涉及成桩模型试验技术领域，包括水泥净浆制备机构、水泥净浆运输机构、模型桩安装机构以及用于输入控制参数的操作平台，水泥净浆制备机构的输出端与水泥净浆运输机构相连接，水泥净浆运输机构的输出端与模型桩安装机构相连接，水泥净浆制备机构、水泥净浆运输机构、模型桩安装机构的工作均有由操作平台电性控制；本发明设备占地空间小，设备轻盈，灵活性高，能够满足不同试验的要求；浆液运输设备与荷载传递设备共同构成一个整体，从而能够实现注浆与压桩的同步进行，控制台能够通过显示屏对参数进行实时监控，操作便捷，能够实时控制参数，确保试验的顺利进行。
Description
技术领域
本发明涉及成桩模型试验技术领域，具体为一种注浆式螺旋桩的模型试验装置。
背景技术
海相软土广泛分布于沿海地区，具有含水量高、液限高、强度低、压缩性高等特点，导致其土层的压缩沉降量大、固结排水慢、地基稳定性差，腐蚀性高，对沿海地区的基础工程建设带来了巨大挑战。注浆式螺旋桩基础因为具有承载性能高、对环境友好、经济高效、耐久性强等优点，被广泛应用于地质条件较差的软土地区。在注浆式螺旋桩的研发过程中，由于基础工程的现场试验成本过高且环境变量不易控制，而缩尺模型试验较为经济，并且能够减少不可控因素对试验结果的影响，因此开展室内模型试验具有重要意义。
注浆式螺旋桩的室内模型试验研究需要满足以下要求：(1)试验设备精准控制旋转速度、旋转扭矩、安装速度、和下压动力；(2)试验设备对模型桩同步实施旋转下压和压力注浆；(3)试验设备精准控制注浆压力和注浆流量。
传统的伺服加载系统由于其量程过大，无法实现参数的精确控制(下压动力、旋转扭矩等)，同时试验仪器过大也会导致桩基在安装过程中发生偏心，影响试验的准确性，更甚将直接导致后续试验的失败；如若采用手工或较为简单的器具对模型桩进行安装，则无法控制压力注浆与下压旋桩过程的同步进行，导致水泥土无法成型，致使试验结果出现严重偏差。
为满足注浆式螺旋桩的室内模型试验对试验设备的要求，解决所述传统的伺服加载系统存在的问题，需要发明一种专门的注浆式螺旋桩的模型试验装置来实现理想的试验结果。
发明内容
本发明的目的在于提供一种注浆式螺旋桩的模型试验装置，以解决上述背景技术中提出问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种注浆式螺旋桩的模型试验装置，包括水泥净浆制备机构、水泥净浆运输机构、模型桩安装机构以及用于输入控制参数的操作平台，所述水泥净浆制备机构的输出端与所述水泥净浆运输机构相连接，所述水泥净浆运输机构的输出端与所述模型桩安装机构相连接，所述水泥净浆制备机构、水泥净浆运输机构、模型桩安装机构的工作均有由所述操作平台电性控制；
所述水泥净浆制备机构包括支架、水泥净浆搅拌桶和第一动力组件，所述水泥净浆搅拌桶搭接在所述支架上，所述水泥净浆搅拌桶的上端口通过电机架固定有所述第一动力组件；
所述水泥净浆运输机构包括一级输浆管、二级输浆管、过滤桶及提供注浆压力的第二动力组件，所述一级输浆管连接于所述水泥净浆搅拌桶和所述过滤桶之间，所述二级输浆管连接于所述第二动力组件与所述模型桩安装机构之间，所述过滤桶的出料端与所述第二动力组件相连接；
所述模型桩安装机构包括桁架、滑动平台和模型桩，所述桁架的底部通过钢片、螺栓与底座相连接，所述底座与埋入地面的混凝土基础通过膨胀螺丝进行固定，所述桁架的侧壁通过牵引绳与重物块进行连接；所述桁架的顶部外伸形成搭接平台，所述搭接平台顶部固定安装有第一机械动力传递组件，所述搭接平台底部固定安装有第二机械动力传递组件，所述搭接平台前后两侧各有两根导轨与所述滑动平台滑动连接，所述滑动平台上固定有第三动力组件，所述第三动力组件内部设有第三伺服电机和空心钢管，所述伺服电机、空心钢管与滑动平台三者通过螺栓固定为一个整体，所述空心钢管借助所述伺服电机进行旋转并生成旋转扭矩，所述空心钢管下部设有内置的螺纹与导管上部进行连接，所述导管下部与模型桩通过螺纹进行连接，所述导管将所述空心钢管产生的旋转扭矩传递至所述模型桩。
作为上述方案的进一步优化，所述重物块由位置调节组件安装于所述底座上端，所述位置调节组件包括螺杆、轴承架、进退电机和减速器，所述螺杆贯穿所述重物块内部并与其螺纹连接，所述螺杆转动安装于一对所述轴承架之间，所述螺杆通过减速器与所述进退电机相连接。
作为上述方案的进一步优化，所述底座上开设有一对滑槽，所述重物块的底端固定有两排滚轮，且所述滚轮均滚动安装于所述滑槽内部。
作为上述方案的进一步优化，所述牵引绳与所述重物块的连接处之间设置有应变式拉力传感器。
作为上述方案的进一步优化，所述第一机械动力传递组件包括四个齿轮、两个轴承与两根链条，所述第二机械动力传递组件包括四个齿轮、一个轴承、一个涡轮涡杆组合件与两根链条，所述涡轮涡杆组合件由动力电机驱动。
作为上述方案的进一步优化，所述滑动平台的上下牵引通过链条与卡扣的连接传递动能，所述卡扣在所述述滑动平台的上面与下面各设置两组。
作为上述方案的进一步优化，所述第一动力组件包括第一伺服电机、搅拌轴和搅拌叶，所述第一伺服电机的输出端连接有所述搅拌轴，所述搅拌叶固定于所述搅拌轴外壁。
作为上述方案的进一步优化，所述第二动力组件包括第二伺服电机、增压泵和机罩，所述第二伺服电机、增压泵均设置于所述机罩内部。
作为上述方案的进一步优化，所述模型桩的外壁开设有用于水泥净浆通过的注浆孔。
作为上述方案的进一步优化，所述操作平台的上表面设置有显示屏和若干个控制按钮。
本发明的有益效果是：
1、本发明的模型桩安装设备采用钢架进行搭接，底座使用膨胀螺丝连接地基，能够随时进行组装和拆卸，实现不同位置与角度的安装，其余设备占地空间小，设备轻盈，灵活性高，能够满足不同试验的要求；浆液运输设备与荷载传递设备共同构成一个整体，从而能够实现注浆与压桩的同步进行，同时设有水泥净浆过滤系统，保证了水泥土的成型质量；控制台能够通过显示屏对参数进行实时监控，操作便捷，能够实时控制参数，确保试验的顺利进行。
2、本发明中，重物块由位置调节组件安装于底座上端，位置调节组件包括螺杆、轴承架、进退电机和减速器，可控制进退电机带动螺杆顺时针或者逆时针转动，进而能带动重物块在底座上端向左或者向右移动一段距离，由于桁架与重物块之间通过牵引绳进行连接，进而可调整牵引绳的承受拉力，实际使用更加灵活，且操作简单。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明不含控制平台情况下的主视图；
图2为本发明中模型桩安装机构的立体结构示意图；
图3为本发明中水泥净浆制备机构、水泥净浆运输机构的结构示意图；
图4为本发明中水泥净浆制备机构、水泥净浆运输机构及控制平台的结构示意图；
图5为本发明中底座的俯视图；
图6为本发明中导管与注浆设备的连接处左视图；
图7为本发明中第一动力组件的立体结构示意图；
图8为本发明中第二动力组件的立体结构示意图；
图9为本发明实施例二中底座、重物块及位置调节组件的结构示意图；
图10为本发明图9的另一个角度示意图。
附图中，各标号所代表的部件列表如下：
1-支架、2-水泥净浆搅拌桶、3-第一动力组件、301-第一伺服电机、302- 搅拌轴、303-搅拌叶、4-电机架、5-一级输浆管、6-二级输浆管、7-过滤桶、 8-第二动力组件、801-第二伺服电机、802-增压泵、803-机罩、9-桁架、10- 滑动平台、11-模型桩、12-钢片、13-螺栓、14-底座、141-滑槽、15-牵引绳、16-重物块、161-滚轮、17-搭接平台、18-第一机械动力传递组件、19- 第二机械动力传递组件、191-齿轮、192-轴承、193-涡轮涡杆组合件、194- 链条、195-卡扣、20-导轨、21-第三动力组件、211-第三伺服电机、212- 空心钢管、213-导管、22-注浆孔、23-位置调节组件、231-螺杆、232-轴承架、233-进退电机、234-减速器、24-显示屏、25-控制按钮。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本申请方案，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本申请保护的范围。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图1～10，并结合实施例来详细说明本申请。
实施例一
一种注浆式螺旋桩的模型试验装置，参考图1-4，包括水泥净浆制备机构、水泥净浆运输机构、模型桩安装机构以及用于输入控制参数的操作平台，水泥净浆制备机构的输出端与水泥净浆运输机构相连接，水泥净浆运输机构的输出端与模型桩安装机构相连接，水泥净浆制备机构、水泥净浆运输机构、模型桩安装机构的工作均有由操作平台电性控制；
参考图1、图3和图7，水泥净浆制备机构包括支架1、水泥净浆搅拌桶 2和第一动力组件3，水泥净浆搅拌桶2搭接在支架1上，水泥净浆搅拌桶2 的上端口通过电机架4固定有第一动力组件3；第一动力组件3包括第一伺服电机301、搅拌轴302和搅拌叶303，第一伺服电机301的输出端连接有搅拌轴302，搅拌叶303固定于搅拌轴302外壁，采用第一伺服电机301，能够调节马达间的转速，实现对旋转速度、旋转扭矩、安装速度、下压动力、注浆压力、和注浆流量等参数的精确控制。
参考图1、图3和图8，水泥净浆运输机构包括一级输浆管5、二级输浆管6、过滤桶7及提供注浆压力的第二动力组件8，一级输浆管5连接于水泥净浆搅拌桶2和过滤桶7之间，二级输浆管6连接于第二动力组件8与模型桩安装机构之间，过滤桶7的出料端与第二动力组件8相连接，过滤桶7的设置能减少水泥浆中的杂质，过滤后水泥净浆通过输浆口进行传输，提升了注浆质量；第二动力组件8包括第二伺服电机801、增压泵802和机罩803，第二伺服电机801、增压泵802均设置于机罩803内部。
参考图1、图2、图5和图6，模型桩安装机构包括桁架9、滑动平台10 和模型桩11，桁架9的底部通过钢片12、螺栓13与底座14相连接，底座14与埋入地面的混凝土基础通过膨胀螺丝进行固定，一方面能够保证桁架9 的稳固，同时使桁架9在安装和拆卸过程更加方便，提高了设备的使用效率；桁架9的侧壁通过牵引绳15与重物块16进行连接，牵引绳15与重物块16 的连接处之间设置有应变式拉力传感器；桁架9的顶部外伸形成搭接平台17，搭接平台17顶部固定安装有第一机械动力传递组件18，搭接平台17底部固定安装有第二机械动力传递组件19，搭接平台17前后两侧各有两根导轨20 与滑动平台10滑动连接，使得滑动平台10能够保持水平，增加稳定性提高设备的可靠性；滑动平台10上固定有第三动力组件21，第三动力组件21内部设有第三伺服电机211和空心钢管212，伺服电机211、空心钢管212与滑动平台10三者通过螺栓13固定为一个整体，空心钢管212借助伺服电机 211进行旋转并生成旋转扭矩，空心钢管212下部设有内置的螺纹与导管213 上部进行连接，导管213下部与模型桩11通过螺纹进行连接，导管213将空心钢管212产生的旋转扭矩传递至模型桩11，模型桩11的外壁开设有用于水泥净浆通过的注浆孔22；其中第一机械动力传递组件18包括四个齿轮 191、两个轴承192与两根链条194，第二机械动力传递组件19包括四个齿轮191、一个轴承192、一个涡轮涡杆组合件193与两根链条194，涡轮涡杆组合件193由动力电机196驱动；滑动平台10的上下牵引通过链条194 与卡扣195的连接传递动能，卡扣195在述滑动平台10的上面与下面各设置两组，卡扣195的设置使滑动平台10与链条194间的连接更为稳定，减少设备误差。
参考图4，操作平台的上表面设置有显示屏24和若干个控制按钮25，操作平台通过数据传输线与水泥净浆制备机构、水泥净浆运输机构、模型桩安装机构内部的电力器件进行连接，通过控制按钮25对水泥净浆搅拌速度、注浆速度、注浆压力、旋转扭矩、安装下压动力等参数进行实时控制进行实时控制，将结果输出至显示屏24。
实施例一的工作流程为：
步骤一：通过操作平台启动水泥净浆制备机构，在水泥净浆搅拌桶2内加入水泥与水，通过第一伺服电机301驱动搅拌叶303制备水泥浆，将搅拌均匀的水泥浆通过一级输浆管5进入过滤桶7获得水泥净浆，利用第二伺服电机801、增压泵802驱动，通过二级输浆管6将水泥净浆进行输出至模型桩11，模型桩11通过注浆孔22将水泥净浆输出至土层；
步骤二：通过操作平台控制动力电机196，通过向涡轮涡杆组合件193 输出动能，带动齿轮191、链条194、滑动平台10、导管213实现机械运动，使与导管213连接的模型桩11产生下压动力；
步骤三：通过操作平台控制第三伺服电机211，使空心钢管212旋转产生旋转扭矩，通过导管213将旋转扭矩传递至模型桩11；
步骤四：模型桩11通过旋转扭矩与下压动力旋入至土层，在旋入过程中通过螺旋叶片将土体与水泥净浆进行拌和从而在模型桩周围形成水泥土柱，水泥土柱包裹住模型桩构成一个整体；
步骤五：操作平台可以实时调整各个伺服电机的转速，控制注旋转速度、旋转扭矩、安装速度、下压动力、注浆压力、和注浆流量等参数；
步骤六：模型桩11旋入至设计深度，将导管21与模型桩11分离，滑动平台10归位，关闭试验仪器。
实施例一的模型桩安装设备采用钢架进行搭接，底座使用膨胀螺丝连接地基，能够随时进行组装和拆卸，实现不同位置与角度的安装，其余设备占地空间小，设备轻盈，灵活性高，能够满足不同试验的要求；浆液运输设备与荷载传递设备共同构成一个整体，从而能够实现注浆与压桩的同步进行，同时设有水泥净浆过滤系统，保证了水泥土的成型质量；控制台能够通过显示屏对参数进行实时监控，操作便捷，能够实时控制参数，确保试验的顺利进行。
实施例二
实施例二在实施例一的基础上，参考附图9及附图10，重物块16由位置调节组件23安装于底座14上端，位置调节组件23包括螺杆231、轴承架232、进退电机233和减速器234，螺杆231贯穿重物块16内部并与其螺纹连接，螺杆231转动安装于一对轴承架232之间，螺杆231通过减速器 234与进退电机233相连接；底座14上开设有一对滑槽141，重物块16的底端固定有两排滚轮161，且滚轮161均滚动安装于滑槽141内部。
实施例二在使用前，可控制进退电机233带动螺杆231顺时针或者逆时针转动，进而能带动重物块16在底座14上端向左或者向右移动一段距离，由于桁架9与重物块16之间通过牵引绳15进行连接，进而可调整牵引绳15 的承受拉力，实际使用更加灵活，且操作简单。
综上所述，本发明一种注浆式螺旋桩的模型试验装置适用于室内模型试验，能够对旋转速度、旋转扭矩、安装速度、下压动力、注浆压力、和注浆流量等参数进行参数化控制，同时实现旋转下压和压力注浆同步进行的安装要求；试验设备安装方便，结构稳定且易于拆卸，操作简洁，保证了试验的可靠性，提高了设备的使用效率。
在本说明书的描述中，参考术语″一个实施例″、″示例″、″具体示例″等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
以上公开的本发明优选实施例只是用于帮助阐述本发明。优选实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为的具体实施方式。显然，根据本说明书的内容，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地理解和利用本发明。本发明仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。
Claims (3)
1.一种注浆式螺旋桩的模型试验装置，包括水泥净浆制备机构、水泥净浆运输机构、模型桩安装机构以及用于输入控制参数的操作平台，其特征在于：所述水泥净浆制备机构的输出端与所述水泥净浆运输机构相连接，所述水泥净浆运输机构的输出端与所述模型桩安装机构相连接，所述水泥净浆制备机构、水泥净浆运输机构、模型桩安装机构的工作均有由所述操作平台电性控制；
所述的模型桩安装机构包括桁架（9）、滑动平台（10）和模型桩（11），桁架（9）的底部通过钢片（12）、螺栓（13）与底座（14）相连接，底座（14）与埋入地面的混凝土基础通过膨胀螺丝进行固定；桁架（9）的侧壁通过牵引绳（15）与重物块（16）进行连接，牵引绳（15）与重物块（16）的连接处之间设置有应变式拉力传感器；桁架（9）的顶部外伸形成搭接平台（17），搭接平台（17）顶部固定安装有第一机械动力传递组件（18），搭接平台（17）底部固定安装有第二机械动力传递组件（19），搭接平台（17）前后两侧各有两根导轨（20）与滑动平台（10）滑动连接；滑动平台（10）上固定有第三动力组件（21），第三动力组件（21）内部设有第三伺服电机（211）和空心钢管（212），第三伺服电机（211）、空心钢管（212）与滑动平台（10）三者通过螺栓（13）固定为一个整体，空心钢管（212）借助第三伺服电机（211）进行旋转并生成旋转扭矩，空心钢管（212）下部设有内置的螺纹与导管（213）上部进行连接，导管（213）下部与模型桩（11）通过螺纹进行连接，导管（213）将空心钢管（212）产生的旋转扭矩传递至模型桩（11），模型桩（11）的外壁开设有用于水泥净浆通过的注浆孔（22）；其中第一机械动力传递组件（18）包括四个齿轮（191）、两个轴承（192）与两根链条（194），第二机械动力传递组件（19）包括四个齿轮（191）、一个轴承（192）、一个涡轮涡杆组合件（193）与两根链条（194），涡轮涡杆组合件（193）由动力电机（196）驱动；滑动平台（10）的上下牵引通过链条（194）与卡扣（195）的连接传递动能，卡扣（195）在滑动平台（10）的上面与下面各设置两组；
所述的重物块（16）由位置调节组件（23）安装于底座（14）上端，位置调节组件（23）包括螺杆（231）、轴承架（232）、进退电机（233）和减速器（234），螺杆（231）贯穿重物块（16）内部并与其螺纹连接，螺杆（231）转动安装于一对轴承架（232）之间，螺杆（231）通过减速器（234）与进退电机（233）相连接；底座（14）上开设有一对滑槽（141），重物块（16）的底端固定有两排滚轮（161），且滚轮（161）均滚动安装于滑槽（141）内部。
2.根据权利要求1所述的一种注浆式螺旋桩的模型试验装置，其特征在于：所述水泥净浆制备机构包括支架(1)、水泥净浆搅拌桶(2)和第一动力组件(3)，所述水泥净浆搅拌桶(2)搭接在所述支架(1)上，所述水泥净浆搅拌桶(2)的上端口通过电机架(4)固定有所述第一动力组件(3)。
3.根据权利要求2所述的一种注浆式螺旋桩的模型试验装置，其特征在于：所述水泥净浆运输机构包括一级输浆管(5)、二级输浆管(6)、过滤桶(7)及提供注浆压力的第二动力组件(8)，所述一级输浆管(5)连接于所述水泥净浆搅拌桶(2)和所述过滤桶(7)之间，所述二级输浆管(6)连接于所述第二动力组件(8)与所述模型桩安装机构之间，所述过滤桶(7)的出料端与所述第二动力组件(8)相连接。
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