CN114875980A - 一种水泥土搅拌桩土层识别物理模型试验装置 - Google Patents

Abstract

一种水泥土搅拌桩土层识别物理模型试验装置，包括：成桩模型箱；切割搅拌系统，包括钻杆、用于驱动钻杆旋转的动力头、设在钻杆底端的钻头以及用于测量钻杆旋转时的扭矩的扭矩传感器，钻杆内设有水导通管，钻头上设有与导通管连通喷水口；行走系统，与动力头连接，用于带动动力头在空间上移动；注水系统，通过第一输水管与水导通管连通；数据采集系统，用于实时采集动力头的电流值、注水系统的注水量和行走系统在竖直方向上的位移值；控制系统，分别与动力头、扭矩传感器、行走系统、注水系统和数据采集系统连接。本发明实现对水泥土搅拌桩的下贯切土搅拌土体的施工过程模拟，用于指导和验证现场基于电流及扭矩进行土层识别的合理性及可行性。

Description

一种水泥土搅拌桩土层识别物理模型试验装置

技术领域

本发明属于搅拌桩施工技术领域，尤其涉及一种水泥土搅拌桩土层识别物理模型试验装置。

背景技术

水泥土搅拌桩的实际工程应用中，其地基处理的一般步骤是先进行地质钻孔确定加固土层类型、厚度及土层工程性质，然后根据地质情况进行搅拌桩的设计及现场工艺性试桩，以确定现场施工工艺参数。施工过程中在钻孔周边区域水泥土搅拌桩往往采用同一施工工艺参数，但由于施工现场地质勘察资料有限，在远离钻孔区域，其土层类型及层面复杂多变，采用同一施工工艺参数对远离钻孔区域进行处理时往往造成地基处理不合格或处理过于保守，从而造成施工质量问题或工程造价偏高。而要实现对加固土层施工工艺参数的动态调整，必须对每个处理位置的土层进行实时识别，以确定其土层类型及层厚。由于钻头在下贯切割搅拌不同土层时钻杆扭矩及电机电流两表征参数大小不同，尤其是在不同土的层面处会发生突变，利用钻杆扭矩及电机电流两表征参数的变化，可对加固土层进行识别，由于施工现场地质勘察资料有限、土层类型复杂多变及层面不易确定，导致利用有限数量的现场足尺试验难以全面且定量地分析水泥土搅拌桩下贯过程土层识别的可行性及有效性。

发明内容

本发明的目的在于提供一种水泥土搅拌桩土层识别物理模型试验装置，实现对水泥土搅拌桩的下贯切割搅拌土体的施工过程模拟，可指导和验证现场基于电流及扭矩进行土层识别的合理性及可行性。

本发明是通过以下技术方案实现的：

一种水泥土搅拌桩土层识别物理模型试验装置，包括：

成桩模型箱；

切割搅拌系统，包括钻杆、与钻杆顶端连接用于驱动钻杆旋转的动力头、设置在钻杆底端的钻头以及设置在钻杆上用于测量钻杆旋转时的扭矩的扭矩传感器，钻杆内设有水导通管，钻头上设有与水导通管连通的喷水口；

行走系统，与动力头连接，用于带动动力头在空间上移动；

注水系统，通过第一输水管与水导通管连通；

数据采集系统，分别与动力头、注水系统和行走系统连接，用于实时采集动力头的电流值、注水系统的注水量和行走系统在竖直方向上的位移值；

控制系统，分别与动力头、扭矩传感器、行走系统、注水系统和数据采集系统连接。

进一步地，还包括扭矩监测采集系统，扭矩监测采集系统包括电滑环、外壳和扭矩监测采集电路板，电滑环的定子与动力头连接，并与控制系统电连接，电滑环的转子与钻杆连接，外壳设置在钻杆上，扭力监测采集电路板设置在外壳内，并分别与电滑环的转子和扭矩传感器电连接，用于将扭矩传感器采集的扭矩信号转换为数字信号。

进一步地，扭矩监测采集电路板包括主控模块、采集模块、电路变换模块和通讯模块，电路变换模块分别与主控模块、采集模块和通讯模块连接，主控模块分别与采集模块和通讯模块连接。

进一步地，注水系统包括储水容器和水泵，水泵的进水口通过第二输水管与储水容器连接，其出水口与第一输水管连接，控制系统与水泵连接。

进一步地，行走系统包括两条间隔设置在的竖向导轨、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，用于测量注水量，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，喷水口上设有用于开合喷水口的活门。

进一步地，成桩模型箱的外侧壁上间隔套设有若干钢条。

进一步地，钻头的外侧壁上设有若干搅拌叶片，钻头的底端设有切割刀片。

相比于现有技术，本发明的有益效果为：

(1)通过切割搅拌系统在成桩模型箱中原位切割搅拌土体，能模拟水泥土搅拌桩现场成桩的下贯搅拌切割土体的施工过程，同时数据采集系统及控制系统可记录下贯施工过程中各施工工艺参数，可对下贯施工时的钻杆下贯速度、钻杆转速、喷水流速三个施工工艺参数进行监测与精确控制；

(2)能对水泥土搅拌桩的下贯施工过程中的动力头电流、钻杆扭矩两个土阻力表征参数进行精确测量，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，可研究基于钻杆扭矩及动力头电流作为土阻力表征参数的土层识别规律，进而通过钻杆扭矩及动力头电流两个表征参数值以其变化情况对下贯过程中遇到的土层进行识别；并通过室内土层识别的物理模型试验，可获得典型土层基于电流及扭矩的室内土层识别技术，以指导和验证现场基于电流及扭矩的土层识别技术的合理性及可行性。

附图说明

图1为本发明水泥土搅拌桩土层识别物理模型试验装置的结构示意图；

图2为本发明水泥土搅拌桩土层识别物理模型试验装置中切割搅拌装置的结构示意图；

图3为本发明水泥土搅拌桩土层识别物理模型试验装置中扭矩监测采集系统的结构示意图；

图4为本发明水泥土搅拌桩土层识别物理模型试验装置中扭矩监测采集电路板的框架图。

图中，1-成桩模型箱，2-切割搅拌系统，21-钻杆，211-水导通管，22-动力头，23-钻头，231-喷水口，232-搅拌叶片，233-切割刀片，24-扭矩传感器，3-行走系统，31-竖向导轨，32-横向导轨，4-注水系统，41-第一输水管，42-储水容器，43-水泵，44-第二输水管，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-扭矩监测采集系统，71-电滑环，72-外壳，73-扭矩监测采集电路板，731-主控模块，732-采集模块，733-电路变换模块，734-通讯模块。

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和图2，图1为本发明水泥土搅拌桩土层识别物理模型试验装置的结构示意图，图2为本发明水泥土搅拌桩土层识别物理模型试验装置中切割搅拌装置的结构示意图。一种水泥土搅拌桩土层识别物理模型试验装置，包括成桩模型箱1、切割搅拌系统2、行走系统3、注水系统4和控制系统6，切割搅拌系统2包括钻杆21、与钻杆21顶端连接用于驱动钻杆21旋转的动力头22、设置在钻杆21底端的钻头23以及设置在钻杆21上用于测量钻杆21旋转时的扭矩的扭矩传感器24，钻杆21内设有水导通管211，钻头23上设有与水导通管211连通的喷水口231，行走系统3与动力头22连接，用于带动动力头22在空间上移动，注水系统4通过第一输水管41与水导通管211连通，数据采集系统5分别与动力头22、注水系统4和行走系统3连接，用于实时采集动力头22的电流值、注水系统4的注水量和行走系统3在竖直方向上的位移值，控制系统6分别与动力头22、扭矩传感器24、行走系统3、注水系统4和数据采集系统5连接。

本发明在实际使用时，成桩模型箱1可用于放置试验土样，切割搅拌系统2用于模拟对成桩部位土体进行旋转切割及搅拌的施工过程，切割搅拌系统2可按照一定相似比对钻杆21长度及管径、钻头23长度及直径等进行设计，同时满足在钻头23和钻杆21中连接相关管道及设备预留足够空间的要求，行走系统3用于实现动力头22在空间上移动，也即用于带动动力头22在竖直方向和水平方向的移动，以模拟水泥土搅拌桩施工时钻头23在同一桩位的竖向下贯及提升、不同桩位的水平移位，注水系统4能够模拟钻头23下贯切割土体时喷水的过程，控制系统6用于控制各系统的工作，以控制钻头23转速、下贯或提升速度、喷水流量、成桩长度或深度等。

请结合参阅图3，图3为本发明水泥土搅拌桩土层识别物理模型试验装置中扭矩监测采集系统的结构示意图。在一实施例中，扭矩传感器24采集的扭矩信号为模拟信号，因此直接传递扭矩信号存在受现场电机、变频器等干扰或失真等潜在问题，并且通过电滑环71传输扭矩信号，也存在动态接触阻抗抖动的因素。为解决直接传输扭矩信号失真或被干扰的问题，本发明水泥土搅拌桩土层识别物理模型试验装置还包括扭矩监测采集系统7，扭矩监测采集系统7包括电滑环71、外壳72和扭矩监测采集电路板73，电滑环71的定子与动力头22连接，并与控制系统6电连接，电滑环71的转子与钻杆21连接，外壳72设置在钻杆21上，扭力监测采集电路板设置在外壳72内，并分别与电滑环71的转子和扭矩传感器24电连接，用于将扭矩传感器24采集的扭矩信号转换为数字信号。在实际使用时，电滑环71的定子固定在动力头22上，电滑环71的转子与钻杆21连接，跟随钻杆21旋转，外壳72设置在钻杆21上，随着钻杆21和电滑环71的转子同步旋转。扭矩传感器24测得的扭矩信息输送至扭矩监测采集电路板73，扭矩监测采集电路板73将接收到的扭矩信息转化为扭矩数值，从而得到数字信号，然后再经过电滑环71以数字通讯方式传输至控制系统6，这样电滑环71在这里只是提供了供电和进行数字通讯的连接作用，也就不存在电滑环71直接输送扭矩传感器24测得的扭矩信号而产生的失真或被现场电机、变频器等干扰等问题。并且电滑环71的定子通过数字通讯线路的连接线与控制系统6连接，控制系统6通过数字通讯协议读取扭矩数值，可提高稳定性，可以保证扭矩监测数据的原位性和真实性，解决动力头22输出到钻头23上的扭矩监测，实现对不同时刻扭矩值的监测。在一实施例中，扭矩传感器24一端安装在转杆的内侧壁上，另一端通过橡胶垫圈与睡到通过连接。扭矩传感器24的一端与转杆的内侧壁贴合，在钻杆21下贯切割搅拌土体时，会使得钻头23和钻杆21产生扭矩变形，产生扭矩，从而扭矩传感器24测的钻杆21的扭矩。

请结合参阅图4，图4为本发明水泥土搅拌桩土层识别物理模型试验装置中扭矩监测采集电路板的框架图。在一实施例中，扭矩监测采集电路板73包括主控模块731、采集模块732、电路变换模块733和通讯模块734，电路变换模块733分别与主控模块731、采集模块732和通讯模块734连接，主控模块731分别与采集模块732和通讯模块734连接。采集模块732用于采集扭矩传感器24输出的扭矩信号并输送至主控模块731，主控模块731将接收到的扭矩信号转化为数字信号，并通过通讯模块734将数字信号传输至电滑环71，通过电滑环71将数字信号传输至控制系统6，电路变换模块733用于为主控模块731、采集模块732和通讯模块734供电。

在一实施例中，注水系统4包括储水容器42和水泵43，水泵43的进水口通过第二输水管44与储水容器42连接，其出水口与第一输水管41连接，控制系统6与水泵43连接。注水系统4能够模拟钻头23下贯切割土体时喷水的过程，储水容器42采用塑料箱或玻璃向作为存储容器，储水容器42内储存水，利用水泵43将储水容器42内的水泵43出，通过第一输水管41泵送到钻杆21，并经过钻杆21内部的中空容腔泵送至钻头23处的喷水口231。在需要水泵43泵送水时，通过控制系统6控制水泵43工作即可。

在一实施例中，行走系统3包括两条间隔设置在的竖向导轨31、两端分别滑动设置在两条竖向导轨31上的横向导轨32和用于驱动横向导轨32沿竖向导轨31上下移动的驱动机构，驱动机构与控制系统6连接，动力头22滑动设置在横向导轨32上。行走系统3用于实现动力头22在空间上移动，也即用于带动动力头22在竖直方向和水平方向的移动，以模拟水泥土搅拌桩施工时钻头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32沿竖向导轨31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，动力头22在横向导轨32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43上，用于测量注水量，电流表52与动力头22连接，用于测量动力头22的电流值，激光测距仪53设置在任一竖向导轨31的顶端，用于测量其与横向导轨32之间的距离。流量计51安装在水泵43上，其量程与水泵43的功率配套，可用于计量水泵43泵出的水量。电流表52与动力头22连接，用于表征动力头22运行时的电流值，进一步地，动力头22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32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31的顶端。该设置使得激光测距仪53位于横向导轨32的上方，便于激光测距仪53测量其与横向导轨32之间的距离。

在一实施例中，喷水口231上设有用于开合喷水口231的活门。在喷水口231上设置活门，能够防止钻头23下贯或提升时土体进入喷水口231。当需要喷水或喷水时，当喷水或喷水的压力达到一定值时，能够把活门向外冲开，从而打开喷水口231，使得泥水或水能够从喷水口231喷出，当停止喷水或喷水时，由于土阻力的作用使得活门闭合，关闭喷水口231，以阻止土体进入喷水口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11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11的上部、中部和下部。

在一实施例中，钻头23的外侧壁上设有若干搅拌叶片232，钻头23的底端设有切割刀片233。切割刀片233用于下贯过程中对土体进行切割，搅拌叶片232用于搅拌加固土体。

在一实施例中，成桩模型箱11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11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11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11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11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11，从而在成桩施工过程中需要保持成桩模型箱11保持稳定不动。

以下简单说明采用本发明水泥土搅拌桩土层识别物理模型试验装置进行土层识别试验的应用方法：

试验土层选择：选择多个典型土层，如选择淤泥、淤泥质土、黏土和砂土，将典型土层的一个或两个组合一起形成多组试验土层。

试验方案设计：由于水泥土搅拌桩下贯过程中切割搅拌土体产生的钻杆21扭矩值及动力头22电流值不仅与土性相关，与下贯过程中施工工艺参数也有较大关系，下贯工艺参数包括钻杆21转速、下贯速度和喷水量等3个因素，为获得下贯工艺参数对土层类型识别表征参数的影响，对下贯工艺参数的钻杆21转速、下贯速度和喷水量分别取3个水平，生成正交试验表，因此正交试验表包括9组下贯工艺参数，即为3因素3水平正交试验。

试验步骤：(1)每组试验土层共需进行9组试验，因此对于每组试验土层均需要准备9份，并将每份试验土层分别填入成桩模型箱1内；

(2)对于每组9份相同的试验土层，分别采用正交试验表中的9组下贯工艺参数进行下贯切割，测试在不同钻杆21转速、不同下贯速度、不同喷水量下动力头22电流及钻杆21扭矩值；

(3)一组试验土层的试验完成后，按照步骤(1)和步骤(2)进行下一组试验土层下贯施工，直至完成所有试验土层的下贯施工；

(4)根据正交试验结果，采用求极差、方差等数学分析方法进行处理，分析各影响因素的影响权重及大小顺序等信息，从而找出影响电流及扭矩的主要影响因素。

基于钻杆21扭矩及动力头22电流的土层识别方法：(1)根据试验的实测钻杆21扭矩值及动力头22电流值，建立考虑施工工艺影响、典型土层与钻杆21扭矩及动力头22电流的对应关系；

(2)根据建立的对应关系，进行室内已知土层的土层识别模型试验，验证并完善其对应关系的准确性；

(3)基于完善后的对应关系，可根据获取的测试土层的钻杆21扭矩及动力头22电流，然后通过上述正交试验找出影响扭矩或电流值的施工工艺参数，分析各自影响权重，然后采用修正系数的方法对考虑施工工艺影响的土层识别的扭矩及电流值进行修正，然后通过修正后的扭矩及电流值对室内模型试验的未知土层进行识别。

相比于现有技术，本发明的有益效果为：

(1)通过切割搅拌系统2在成桩模型箱1中原位切割搅拌土体，能模拟水泥土搅拌桩现场成桩的下贯搅拌切割土体的施工过程，同时数据采集系统5及控制系统6可记录下贯施工过程中各施工工艺参数，可对下贯施工时的钻杆下贯速度、钻杆转速、喷水流速三个施工工艺参数进行监测与精确控制；

(2)能对水泥土搅拌桩的下贯施工过程中的动力头电流、钻杆扭矩两个土阻力表征参数进行精确测量，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，可研究基于钻杆扭矩及动力头电流作为土阻力表征参数的土层识别规律，进而通过钻杆扭矩及动力头电流两个表征参数值以其变化情况对下贯过程中遇到的土层进行识别；并通过室内土层识别的物理模型试验，可获得典型土层基于电流及扭矩的室内土层识别技术，以指导和验证现场基于电流及扭矩的土层识别技术的合理性及可行性。

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 (9)

1.一种水泥土搅拌桩土层识别物理模型试验装置，其特征在于，包括：

成桩模型箱；

切割搅拌系统，包括钻杆、与钻杆顶端连接用于驱动钻杆旋转的动力头、设置在钻杆底端的钻头以及设置在钻杆上用于测量钻杆旋转时的扭矩的扭矩传感器，所述钻杆内设有水导通管，所述钻头上设有与水导通管连通的喷水口；

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；

注水系统，通过第一输水管与所述水导通管连通；

数据采集系统，分别与所述动力头、注水系统和行走系统连接，用于实时采集所述动力头的电流值、注水系统的注水量和行走系统在竖直方向上的位移值；

控制系统，分别与所述动力头、扭矩传感器、行走系统、注水系统和数据采集系统连接。

2.根据权利要求1所述的水泥土搅拌桩土层识别物理模型试验装置，其特征在于，还包括扭矩监测采集系统，所述扭矩监测采集系统包括电滑环、外壳和扭矩监测采集电路板，所述电滑环的定子与动力头连接，并与所述控制系统电连接，所述电滑环的转子与钻杆连接，所述外壳设置在钻杆上，所述扭力监测采集电路板设置在外壳内，并分别与所述电滑环的转子和扭矩传感器电连接，用于将所述扭矩传感器采集的扭矩信号转换为数字信号。

3.根据权利要求2所述的水泥土搅拌桩土层识别物理模型试验装置，其特征在于，所述扭矩监测采集电路板包括主控模块、采集模块、电路变换模块和通讯模块，所述电路变换模块分别与主控模块、采集模块和通讯模块连接，所述主控模块分别与采集模块和通讯模块连接。

4.根据权利要求1所述的水泥土搅拌桩土层识别物理模型试验装置，其特征在于，所述注水系统包括储水容器和水泵，所述水泵的进水口通过第二输水管与储水容器连接，其出水口与所述第一输水管连接，所述控制系统与水泵连接。

5.根据权利要求4所述的水泥土搅拌桩土层识别物理模型试验装置，其特征在于，所述行走系统包括两条间隔设置的竖向导轨、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。

6.根据权利要求5所述的水泥土搅拌桩土层识别物理模型试验装置，其特征在于，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，用于测量注水量，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，用于测量其与所述横向导轨之间的距离。

7.根据权利要求1所述的水泥土搅拌桩土层识别物理模型试验装置，其特征在于，所述喷水口上设有用于开合喷水口的活门。

8.根据权利要求1所述的水泥土搅拌桩土层识别物理模型试验装置，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。

9.根据权利要求1所述的水泥土搅拌桩土层识别物理模型试验装置，其特征在于，所述钻头的外侧壁上设有若干搅拌叶片，所述钻头的底端设有切割刀片。

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