CN116519486A - 随钻跟管桩钻进负超孔隙水压力模型试验装置及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了随钻跟管桩钻进负超孔隙水压力模型试验装置及其方法，其包括土样、间隙侧限模型桩、模型箱、围压加卸载设备、注排水设备、真空泵和应力加载设备；通过注排水设备和围压加卸载设备分别向模型箱内注水和施加压力，水压透过透水孔作用在橡胶膜上，使得桩侧橡胶膜对土样施加侧向压力，并通过应力加载设备实现对土样施加与围压相等的轴向压力，模拟深层桩周土体的初始受力状态；模型桩与土样之间设置允许土样变形的间隙，在土样初始固结后卸除模型箱内的压力，模拟深层土体在间隙刚性约束条件下的钻孔卸荷变形；同时通过土样下方设置连接真空泵的环形凹槽泄压，模拟桩端排土使桩周土体产生负超孔压的情况。

Description

随钻跟管桩钻进负超孔隙水压力模型试验装置及其方法

技术领域

本发明属于土工试验设备技术领域，具体涉及一种随钻跟管桩钻进负超孔隙水压力模型试验装置及试验方法。

背景技术

随钻跟管桩是钻进成孔、同步沉桩和后注浆的非挤土PHC管桩。作为新桩型，它借助专用桩机设备及施工技术，通过钻孔孔径大于桩径约10mm，有效解决了大直径(800mm～1400mm)PHC管桩因挤土效应难以沉桩的技术难题，具有承载力高、地层适应性强和绿色环保等优点，尤其适用于城市建筑、管线密集地区，应用前景广泛。因管桩与土体之间的初始间隙较小，钻孔沉桩使周围土体产生的卸荷变形及桩侧土压力恢复，对后续桩侧注浆扩散及注浆加固会产生显著影响，进而影响桩侧摩阻力发挥。前期初步研究表明，在钻孔卸荷变形条件下，桩周土体会产生负超孔隙水压力及孔隙水压力恢复，使桩周土体卸荷变形表现为时效效应，对后续桩侧注浆和桩侧摩阻力发挥产生时效影响。因此，掌握桩周土体卸荷变形的时效特性是研究桩侧注浆加固和侧摩阻力发挥的前提条件。

目前，反映土体卸荷变形的试验主要有三轴伸长试验。国内外研制了多种固结流变三轴仪及试验方法，如：测试土体流变特性的试验方法及三轴流变仪(专利号：ZL2005100952744)、用于土体的三轴流变试验装置(专利号：ZL 2017200998939)、一种应力控制式三轴仪(专利号：ZL 2022202760095)、重力液压恒载蓄能装置及真三轴蠕变实验系统(专利号：ZL200810247353)、真三轴流变试验系统(申请号：2011203937126)和土工试验方法标准(GB/T 50123-2019)等。随钻跟管桩钻孔卸荷时效变形，是在管桩护壁的情况下进行，桩周土体在卸荷条件下，随着土体固结流变变形，桩侧土压力会持续增加，进而会反向影响后续的固结流变变形，与上述各种试验装置及试验方法的变形明显不同。因此，通过上述试验获得的土体时效变形参数，计算间隙侧向刚性约束条件下桩周土体卸荷时效变形可能存在较大偏差。

发明内容

本发明为了模拟管桩护壁条件下桩周土体钻孔卸荷变形产生负超孔隙水压力及孔隙水压力恢复，探明间隙侧向刚性约束条件下孔壁土体卸荷时效变形特性，提出了一种随钻跟管桩钻进负超孔隙水压力模型试验装置及其试验方法，其能够测试间隙侧向刚性约束条件下桩周土体卸荷产生的负超孔压及孔压恢复。

为了解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：

随钻跟管桩钻进负超孔隙水压力模型试验装置，其包括土样、间隙侧限模型桩、模型箱、围压加卸载设备、注排水设备、真空泵和应力加载设备；所述模型箱包括模型箱底座、模型箱外筒和模型箱顶盖，所述模型箱外筒的下端与所述模型箱底座连接密封，所述模型箱外筒的上端与所述模型箱顶盖连接密封；所述间隙侧限模型桩设置于所述模型箱内，且所述间隙侧限模型桩的底部与所述模型箱底座连接，所述土样填充于所述间隙侧限模型桩与所述模型箱外筒之间，所述应力加载设备设置在所述模型箱顶盖的上方且能对土样施加向下覆土压力；所述间隙侧限模型桩的上端与所述模型箱的顶部预留空腔连通，所述间隙侧限模型桩的桩侧设有间隙凹槽，所述间隙凹槽与所述土样之间形成有允许土样卸荷变形的间隙；所述间隙侧限模型桩在所述间隙凹槽对应的桩壁外侧套设有橡胶膜，所述间隙侧限模型桩的桩壁上设有呈矩阵分布的透水孔，所述透水孔与所述橡胶膜的内侧连通；所述间隙侧限模型桩的空腔通过导管外接所述注排水设备；所述模型箱的顶部预留空腔通过导管外接所述围压加卸载设备，所述围压加卸载设备通过控制所述模型箱内的压力，水压透过所述透水孔作用在所述橡胶膜上，使得所述橡胶膜对土样施加侧向压力或者卸除侧向压力；所述模型箱底座的顶部设有外接所述真空泵的环形凹槽，所述环形凹槽位于所述土样的下方；所述模型箱外筒的侧壁自上而下布置有多个用于记录土样孔隙水压力变化的孔压计。

作为本发明的优选方案，所述土样的下方设有第一透水构件，所述土样的上方设有第二透水构件；所述第一透水构件和所述第二透水构件均包括滤纸和透水石，所述滤纸设置于靠近所述土样的一侧。

作为本发明的优选方案，所述应力加载设备包括加载活塞帽、加载活塞杆和加载动力单元，所述加载活塞帽盖设在所述第二透水构件的上方，所述加载动力单元的动力输出端朝下且与所述加载活塞杆连接，所述加载活塞杆穿过所述模型箱顶盖且与所述加载活塞帽相抵；所述加载活塞帽的外侧与所述模型箱外筒的内侧之间、所述加载活塞帽的内侧与所述间隙侧限模型桩的上端外侧之间以及所述加载活塞杆与所述模型箱顶盖之间均设有动密封结构。

作为本发明的优选方案，所述应力加载设备设有多个且沿所述加载活塞帽的圆周方向均匀布置；所述加载活塞帽的顶部设置有连接所述加载活塞杆的活塞杆固定槽；所述加载活塞帽的顶部外侧设有倒角。

作为本发明的优选方案，所述的随钻跟管桩钻进负超孔隙水压力模型试验装置，还包括用于检测土样上端孔隙水压力的水压管，所述水压管设置于所述模型箱的外部，所述模型箱外筒的侧壁预埋有第一导管接头，所述加载活塞帽预埋有第二导管接头，所述第一导管接头的一端通过导管外接所述水压管连通，所述第一导管接头的另一端通过导管与所述第二导管接头的一端连通，所述第二导管接头的另一端与所述第二透水构件连通。

作为本发明的优选方案，所述间隙侧限模型桩的下端设有固定脚，所述模型箱底座的顶部中心设有与所述间隙侧限模型桩的内径配合的中心凸台，所述中心凸台的外周环设有与所述固定脚配合的固定槽，所述固定槽设置于所述环形凹槽内且与所述中心凸台相靠，所述固定槽与所述固定脚之间设有密封圈；所述模型箱底座预埋有第三导管接头，所述第三导管接头的一端与所述环形凹槽连通，所述第三导管接头的另一端通过导管外接所述真空泵。

作为本发明的优选方案，所述模型箱外筒的下端固设有法兰，所述法兰在所述模型箱外筒的内侧形成有用于支承所述第一透水构件外侧的第一环形台阶，所述间隙侧限模型桩的下端外周设有用于支承所述第一透水构件内侧的第二环形台阶。

作为本发明的优选方案，所述中心凸台预埋设有第四导管接头，所述第四导管接头的一端与所述间隙侧限模型桩的内腔连通，所述第四导管接头的另一端通过导管外接所述注排水设备。

作为本发明的优选方案，所述模型箱顶盖预埋有第五导管接头，所述第五导管接头的一端与所述模型箱的顶部预留空腔连通，所述第五导管接头的另一端通过导管外接所述围压加卸载设备。

另外，本发明的另一个技术方案还提供了随钻跟管桩钻进负超孔隙水压力模型试验方法，其包括如下步骤：

S1，制备土样；首先，将模型箱外筒安装在模型箱底座上，并在环形凹槽上方安装第一透水构件；其次，采用完全侧限模型桩插入模型箱底座的固定槽进行固定；然后，在完全侧限模型桩与模型箱外筒之间逐层填入土样，并逐层等功率击实，直至设计土样高度；

S2，安装间隙侧限模型桩；首先，通过拆除完全侧限模型桩，并在土样的上方安装第二透水构件；然后，将间隙侧限模型桩插入模型箱底座的固定槽进行固定，且间隙侧限模型桩上的间隙凹槽使其桩侧与土样之间形成间隙；最后，将加载活塞冒安装在第二透水构件的上方；此外，安装间隙侧限模型桩之前，间隙侧限模型桩在其间隙凹槽对应的桩壁外侧套设橡胶膜，并在其桩侧开设透水孔连通橡胶膜的内侧；

S3，安装模型箱顶盖；将模型箱顶盖盖设在模型箱外筒的顶部并通过固定螺栓连接，完成模型箱密封和固定；

S4，土样初始固结；首先，打开注排水设备，向模型箱的内腔进行注水，待模型箱的内腔充满水后关闭注排水设备；然后，打开围压加卸载设备，通过控制模型箱内的压力，水压透过透水孔作用在橡胶膜上，使得橡胶膜对土样施加侧向压力，并使模型箱内的压力维持在设定围压的水平；最后，通过应力加载设备向土样施加与围压相等的轴向压力，直至土样初始固结完成；

S5，土样卸荷变形；在保持土样的轴向压力不变条件下，通过围压加卸载设备将模型箱内的压力卸除，使土样向模型桩靠近而发生间隙侧向刚性约束条件下的卸荷变形，直至土样的卸荷变形稳定和孔隙水压力基本不变；

S6，模拟桩端排土产生的负超孔隙水压力；通过真空泵使环形凹槽的压力下降，并形成一定真空，模拟桩端排土压力下降而使桩周土体产生的负超孔隙水压力；

S7，记录土样孔隙水压力变化；通过孔压计实时记录初始固结、卸荷变形和模拟负超孔隙水压力产生过程中土样孔隙水压力的变化。

实施本发明提供的一种随钻跟管桩钻进负超孔隙水压力模型试验装置及其试验方法，与现有技术相比，其有益效果在于：

(1)本发明通过在土样内固定间隙侧限模型桩，利用间隙侧限模型桩与土样之间的间隙以及间隙侧限模型桩对土样的侧向约束，能够实现随钻跟管桩钻孔卸荷的间隙侧向刚性约束条件下桩周土体卸荷固结流变变形测试；

(2)本发明通过在间隙侧限模型桩上设置透水孔和橡胶膜，并且模型箱为密封箱，通过向模型箱内注水和施加压力，水压透过透水孔作用在橡胶膜上，使得所述橡胶膜对土样施加侧向压力，使模型箱内的压力维持在设定围压的水平，并通过应力加载设备实现对土样施加与围压相等的轴向压力，模拟深层桩周土体的初始受力状态；模型桩与土样之间设置允许土样变形的间隙，在土样初始固结完成后，通过围压加卸载设备卸除模型箱内的压力，模拟深层桩周土体在间隙刚性约束条件下的钻孔卸荷变形；

(3)本发明的间隙侧限模型桩能够通过设计不同厚度的间隙凹槽，实现不同变形间隙条件下桩周土体卸荷时效变形测试；

(4)本发明通过在土样下方设置连接真空泵的环形凹槽，在土样前期时效变形完成后，通过真空泵降低环形凹槽压力，能够模拟桩端排土使桩周土体产生负超孔压的情况；

(5)本发明通过在模型箱外筒侧部自上而下布置多个孔压计，能够测试土样在卸荷和桩端产生负超孔压条件下土样孔隙水压力的变化情况，更加真实地掌握土体卸荷时效变形特性；并且结合应力加载设备的应力控制，能够更好地获得土体时效变形参数，较为准确地计算随钻跟管桩钻孔沉桩土体卸荷收缩变形工况；

(6)本发明的随钻跟管桩钻进负超孔隙水压力模型试验装置结构简单，技术原理明确，可操作性强。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例的附图作简单地介绍。

图1是本发明实施例提供的随钻跟管桩钻进负超孔隙水压力模型试验装置的结构示意图；

图2是于图1所示结构中a-a向的剖视图；

图3是间隙侧限模型桩的垂直剖面图；

图4是完全侧限模型桩的垂直剖面图；

图5是模型箱外筒的垂直剖面图；

图6是模型箱底座的垂直剖面图；

图7是模型箱顶盖的俯视图；

图8是第二透水构件的垂直剖面图；

图9是加载活塞冒的垂直剖面图；

图10是土样制备时的示意图，图中示出完全侧限模型桩的安装状态；

图11是安装间隙侧限模型桩时的示意图；

图中标记：

1、土样；101、第一透水构件；102、第二透水构件；103、滤纸；104、透水石；

2、间隙侧限模型桩；201、间隙凹槽；202、橡胶膜；203、透水孔；204、固定脚；205、橡胶膜固定环；206、管片固定环；207、第二环形台阶；

3、模型箱；301、模型箱底座；302、模型箱外筒；303、模型箱顶盖；301a、环形凹槽；301b、中心凸台；301c、固定槽；301d、密封圈；301e、第三导管接头；301f、第四导管接头；302a、法兰；302b、第一环形台阶；302c、安装孔；303a、第五导管接头；

4、围压加卸载设备；

5、注排水设备；

6、真空泵；

7、应力加载设备；701、加载活塞帽；702、加载活塞杆；701a、活塞杆固定槽；701b、倒角；

8、孔压计；801、孔压读数仪；

9、水压管；901、第一导管接头；902、第二导管接头；

10、完全侧限模型桩。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要理解的是，涉及到方位描述，例如上、下、前、后、左、右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。

在本发明的描述中，若干的含义是一个或者多个，多个的含义是两个以上，大于、小于、超过等理解为不包括本数，以上、以下、以内等理解为包括本数。如果有描述到第一、第二只是用于区分技术特征为目的，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或者隐含指明所指示的技术特征的先后关系。

本发明的描述中，除非另有明确的限定，设置、安装、连接等词语应做广义理解，所属技术领域技术人员可以结合技术方案的具体内容合理确定上述词语在本发明中的具体含义。

如图1至图9所示，本发明实施例的随钻跟管桩钻进负超孔隙水压力模型试验装置，其包括土样1、间隙侧限模型桩2、模型箱3、围压加卸载设备4、注排水设备5、真空泵6和应力加载设备7。

如图1所示，所述模型箱3包括模型箱底座301、模型箱外筒302和模型箱顶盖303，所述模型箱外筒302的下端与所述模型箱底座301连接密封，所述模型箱外筒302的上端与所述模型箱顶盖303连接密封；具体的，所述模型箱外筒302的底部通过螺栓固定在所述模型箱底座301上，且模型箱外筒302与模型箱底座301之间设有密封圈，以实现模型箱外筒302与模型箱底座301之间的固定及密封；所述模型箱顶盖303通过螺栓固定在所述模型箱外筒302的顶部，模型箱外筒302与模型箱底座301之间设有密封圈，以实现模型箱外筒302与模型箱顶盖303之间的固定及密封。

如图1和图3所示，所述间隙侧限模型桩2设置于所述模型箱3内，且所述间隙侧限模型桩2的底部与所述模型箱底座301连接，所述土样1填充于所述间隙侧限模型桩2与所述模型箱外筒302之间，所述应力加载设备7设置在所述模型箱顶盖303的上方且能对土样1施加向下覆土压力(即轴向压力)，模拟深层桩周土体的初始受力状态；所述间隙侧限模型桩2的上端与所述模型箱3的顶部预留空腔连通，所述间隙侧限模型桩2的桩侧设有间隙凹槽201，所述间隙凹槽201与所述土样1之间形成有允许土样1卸荷变形的间隙；所述间隙侧限模型桩2在所述间隙凹槽201对应的桩壁外侧套设有橡胶膜202，所述间隙侧限模型桩2的桩壁上设有呈矩阵分布的透水孔203，所述透水孔203与所述橡胶膜202的内侧连通；所述间隙侧限模型桩2的空腔通过导管外接所述注排水设备5；所述模型箱3的顶部预留空腔通过导管外接所述围压加卸载设备4，所述围压加卸载设备4通过控制所述模型箱3内的压力，水压透过所述透水孔203作用在所述橡胶膜202上，使得所述橡胶膜202对土样1施加侧向压力或者卸除侧向压力，模拟深层桩周土体在初始应力状态条件下和间隙侧向刚性约束条件下的钻孔卸荷变形。

由此，根据本发明提供的一种随钻跟管桩钻进负超孔隙水压力模型试验装置，其通过在土样1内固定间隙侧限模型桩2，利用间隙侧限模型桩2与土样1之间的间隙以及间隙侧限模型桩2对土样1的侧向约束，能够实现随钻跟管桩钻孔卸荷的间隙侧向刚性约束条件下桩周土体卸荷固结流变变形测试；其次，通过在间隙侧限模型桩2上设置透水孔203和橡胶膜202，并且模型箱3为密封箱，通过向模型箱3内注水和施加压力，水压透过透水孔203作用在橡胶膜202上，使得所述橡胶膜202对土样1施加侧向压力，使模型箱3内的压力维持在设定围压的水平，并通过应力加载设备7实现对土样1施加与围压相等的轴向压力，模拟深层桩周土体的初始受力状态；模型桩与土样1之间设置允许土样1变形的间隙，在土样1初始固结完成后，通过围压加卸载设备4卸除模型箱3内的压力，模拟深层桩周土体在间隙刚性约束条件下的钻孔卸荷变形；再有，本发明的间隙侧限模型桩2能够通过设计不同厚度的间隙凹槽201，实现不同变形间隙条件下桩周土体卸荷时效变形测试。

并且，如图1和图6所示，所述模型箱底座301的顶部设有外接所述真空泵4的环形凹槽301a，所述环形凹槽301a位于所述土样的下方；所述土样1的下方设有外接所述真空泵6的环形凹槽301a；在土样1前期时效变形完成后，通过真空泵6降低环形凹槽301a压力，能够模拟桩端排土使桩周土体产生负超孔压的情况。进一步地，所述模型箱外筒302的侧壁自上而下布置有多个用于记录土样1孔隙水压力变化的孔压计8，能够实时记录初始固结、卸荷变形和模拟桩端产生负超孔隙水压力过程中土样1孔隙水压力的变化情况，更加真实地掌握土体卸荷时效变形特性；并且结合应力加载设备7的应力控制，能够更好地获得土体时效变形参数，较为准确地计算随钻跟管桩钻孔沉桩土体卸荷收缩变形工况。

示例性的，如图1和图5所示，所述孔压计8通过导线外接孔压读数仪801，以方便读数及记录。相应地，所述模型箱外筒302的侧壁设有用于安装所述孔压计8的安装孔302c。

示例性的，如图1和图8所示，为确保土样1上下两端的排水，土颗粒不会流失，所述土样1的下方设有第一透水构件101，所述土样1的上方设有第二透水构件102；所述第一透水构件101和所述第二透水构件102均包括滤纸103和透水石104，所述滤纸103设置于靠近所述土样1的一侧。

示例性的，如图1和图2所示，所述应力加载设备7包括加载活塞帽701、加载活塞杆702和加载动力单元(图中未指示)，所述加载动力单元安装在反力架上，所述加载活塞帽701盖设在所述第二透水构件102的上方，所述加载动力单元的动力输出端朝下且与所述加载活塞杆702连接，所述加载活塞杆702穿过所述模型箱顶盖303且与所述加载活塞帽701相抵。优选的，为使应力加载设备7作用力均匀地传递至土样1中，所述应力加载设备7设有多个且沿所述加载活塞帽701的圆周方向均匀布置；进一步地，所述加载活塞帽701的外侧与所述模型箱外筒302的内侧之间以及所述加载活塞帽701的内侧与所述间隙侧限模型桩2的上端外侧之间均设有动密封结构，以密封土样1上方，隔断模型箱3内腔的水与土样1相互串通；更进一步地，所述加载活塞帽701的顶部设置有活塞杆固定槽701a，以方便连接加载活塞杆702；所述加载活塞杆702与所述模型箱顶盖303之间设有动密封结构，以防止模型箱3内腔的水泄漏；所述加载活塞帽701的顶部外侧设有倒角701b，以减少加载活塞帽701与模型箱外筒302之间的接触面积，减少摩擦力，进而提高土样1轴向压力的测量精度。

示例性的，如图1所示，所述的随钻跟管桩钻进负超孔隙水压力模型试验装置还包括用于检测土样1上端孔隙水压力的水压管9。具体实施时，为方便水压管9连接，所述水压管9设置于所述模型箱3的外部，所述模型箱外筒302的侧壁预埋有第一导管接头901，所述加载活塞帽701预埋有第二导管接头902，所述第一导管接头901的一端通过导管外接所述水压管9连通，所述第一导管接头901的另一端通过导管与所述第二导管接头902的一端连通，所述第二导管接头902的另一端与所述第二透水构件102连通。

示例性的，如图3和图6所示，为方便间隙侧限模型桩2装配，所述间隙侧限模型桩2的下端设有固定脚204，所述模型箱底座301的顶部中心设有与所述间隙侧限模型桩2的内径配合的中心凸台301b，所述中心凸台301b的外周环设有与所述固定脚204配合的固定槽301c，所述固定槽301c设置于所述环形凹槽301a内且与所述中心凸台301b相靠，所述固定槽301c与所述固定脚204之间设有密封圈301d。此外，所述橡胶膜202的上下两端分别通过橡胶膜固定环205固定在所述间隙侧限模型桩2上，且由于橡胶膜202的弹性特点可在其与间隙侧限模型桩2的接触界面形成密封，以防止模型桩内的水与土样1相互串通。

需要说明的是，如图1、图3和图5所示，由于土样1是由第一透水构件101承载的，故为了使第一透水构件101形成稳固支撑，所述模型箱外筒302的下端固设有法兰302a，所述法兰302a在所述模型箱外筒302的内侧形成有用于支承所述第一透水构件101外侧的第一环形台阶302b，所述间隙侧限模型桩2的下端外周设有用于支承所述第一透水构件101内侧的第二环形台阶207。

示例性的，如图1和图6所示，为方便真空泵6连接，如图1、图3和图5所示，所述模型箱底座301预埋有第三导管接头301e，所述第三导管接头301e的一端与所述环形凹槽301a连通，所述第三导管接头301e的另一端通过导管外接所述真空泵6。

示例性的，如图1和图6所示，为方便注排水设备5连接，所述中心凸台301b预埋设有第四导管接头301f，所述第四导管接头301f的一端与所述间隙侧限模型桩2的内腔连通，所述第四导管接头301f的另一端通过导管外接所述注排水设备5。

示例性的，如图1和图7所示，为方便围压加卸载设备4连接，所述模型箱顶盖303预埋有第五导管接头303a，所述第五导管接头303a的一端与所述模型箱3的顶部预留空腔连通，所述第五导管接头303a的另一端通过导管外接所述围压加卸载设备4。

示例性的，如图3所示，所述间隙侧限模型桩2由两个沿其轴线切面分离的半圆柱状刚性管片构成，两个所述半圆柱状刚性管片之间通过管片固定环206连接固定。

另外，如图1至图11所示，基于上面各项内容的随钻跟管桩钻进负超孔隙水压力模型试验装置，本发明还提供了一种随钻跟管桩钻进负超孔隙水压力模型试验方法，其包括如下步骤：

S1，如图10所示，制备土样1；首先，将模型箱外筒302安装在模型箱底座301上，并在环形凹槽301a上方安装第一透水构件101；其次，采用完全侧限模型桩(即相较于间隙侧限模型桩2，完全侧限模型桩没有透水孔203、橡胶膜202、间隙凹槽201等设置，如图4所示)插入模型箱底座301的固定槽301c进行固定；然后，在完全侧限模型桩与模型箱外筒302之间逐层填入土样1，并逐层等功率击实，直至设计土样1高度。

S2，如图11所示，安装间隙侧限模型桩2；如图首先，通过拆除完全侧限模型桩，并在土样1的上方安装第二透水构件102；然后，将间隙侧限模型桩2插入模型箱底座301的固定槽301c进行固定，且间隙侧限模型桩2上的间隙凹槽201使其桩侧与土样1之间形成间隙；最后，将加载活塞冒安装在第二透水构件102的上方；此外，安装间隙侧限模型桩2之前，间隙侧限模型桩2在其间隙凹槽201对应的桩壁外侧套设橡胶膜202，并在其桩侧开设透水孔203连通橡胶膜202的内侧；需要说明的是，为方便拆装模型桩，防止桩周土样1倒塌，间隙侧限模型桩2和完全侧限模型桩均由沿其轴线切面分离的两个圆弧管片构成，两个圆弧管片的上端通过管片固定环连接固定，两个圆弧管片的下端通过固定脚204插接在固定槽301c上。

S3，安装模型箱顶盖303；将模型箱顶盖303盖设在模型箱外筒302的顶部并通过固定螺栓连接，完成模型箱3密封和固定。

S4，土样1初始固结；首先，打开注排水设备5，向模型箱3的内腔进行注水，待模型箱3的内腔充满水后关闭注排水设备5；然后，打开围压加卸载设备4，通过控制模型箱3内的压力，水压透过透水孔203作用在橡胶膜202上，使得橡胶膜202对土样1施加侧向压力，并使模型箱3内的压力维持在设定围压的水平；最后，通过应力加载设备7向土样1施加与围压相等的轴向压力，直至土样1初始固结完成；需要说明的是，为了提高土样1固结的效率，可以通过真空泵6对土样1进行排水，以加速土样1初始固结。

S5，土样1卸荷变形；在保持土样1的轴向压力不变条件下，通过围压加卸载设备4将模型箱3内的压力卸除，使土样1向模型桩靠近而发生间隙侧向刚性约束条件下的卸荷变形，直至土样1的卸荷变形稳定和孔隙水压力基本不变。

S6，模拟桩端排土产生的负超孔隙水压力；通过真空泵6使环形凹槽301a的压力下降，并形成一定真空，模拟桩端排土压力下降而使桩周土体产生的负超孔隙水压力。

S7，记录土样1孔隙水压力变化；通过孔压计8实时记录初始固结、卸荷变形和模拟负超孔隙水压力产生过程中土样1孔隙水压力的变化。

由于该施工方法采用了上文各项内容所述的随钻跟管桩钻进负超孔隙水压力模型试验装置进行施工，故具有所述随钻跟管桩钻进负超孔隙水压力模型试验装置所有的技术效果，在此不再赘述。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和替换，这些改进和替换也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种随钻跟管桩钻进负超孔隙水压力模型试验装置，其特征在于，包括土样、间隙侧限模型桩、模型箱、围压加卸载设备、注排水设备、真空泵和应力加载设备；所述模型箱包括模型箱底座、模型箱外筒和模型箱顶盖，所述模型箱外筒的下端与所述模型箱底座连接密封，所述模型箱外筒的上端与所述模型箱顶盖连接密封；所述间隙侧限模型桩设置于所述模型箱内，且所述间隙侧限模型桩的底部与所述模型箱底座连接，所述土样填充于所述间隙侧限模型桩与所述模型箱外筒之间；所述应力加载设备设置在所述模型箱顶盖的上方且能对土样施加向下覆土压力；所述间隙侧限模型桩的上端与所述模型箱的顶部预留空腔连通，所述间隙侧限模型桩的桩侧设有间隙凹槽，所述间隙凹槽与所述土样之间形成有允许土样卸荷变形的间隙；所述间隙侧限模型桩在所述间隙凹槽对应的桩壁外侧套设有橡胶膜，所述间隙侧限模型桩的桩壁上设有呈矩阵分布的透水孔，所述透水孔与所述橡胶膜的内侧连通；所述间隙侧限模型桩的空腔通过导管外接所述注排水设备；所述模型箱的顶部预留空腔通过导管外接所述围压加卸载设备，所述围压加卸载设备通过控制所述模型箱内的压力，水压透过所述透水孔作用在所述橡胶膜上，使得所述橡胶膜对土样施加侧向压力或者卸除侧向压力；所述模型箱底座的顶部设有外接所述真空泵的环形凹槽，所述环形凹槽位于所述土样的下方；所述模型箱外筒的侧壁自上而下布置有多个用于记录土样孔隙水压力变化的孔压计。

2.根据权利要求1所述的一种随钻跟管桩钻进负超孔隙水压力模型试验装置，其特征在于，所述土样的下方设有第一透水构件，所述土样的上方设有第二透水构件；所述第一透水构件和所述第二透水构件均包括滤纸和透水石，所述滤纸设置于靠近所述土样的一侧。

3.根据权利要求2所述的一种随钻跟管桩钻进负超孔隙水压力模型试验装置，其特征在于，所述应力加载设备包括加载活塞帽、加载活塞杆和加载动力单元，所述加载活塞帽盖设在所述第二透水构件的上方，所述加载动力单元的动力输出端朝下且与所述加载活塞杆连接，所述加载活塞杆穿过所述模型箱顶盖且与所述加载活塞帽相抵；所述加载活塞帽的外侧与所述模型箱外筒的内侧之间、所述加载活塞帽的内侧与所述间隙侧限模型桩的上端外侧之间以及所述加载活塞杆与所述模型箱顶盖之间均设有动密封结构。

4.根据权利要求3所述的一种随钻跟管桩钻进负超孔隙水压力模型试验装置，其特征在于，所述应力加载设备设有多个且沿所述加载活塞帽的圆周方向均匀布置；所述加载活塞帽的顶部设置有连接所述加载活塞杆的活塞杆固定槽；所述加载活塞帽的顶部外侧设有倒角。

5.根据权利要求3所述的一种随钻跟管桩钻进负超孔隙水压力模型试验装置，其特征在于，还包括用于检测土样上端孔隙水压力的水压管，所述水压管设置于所述模型箱的外部，所述模型箱外筒的侧壁预埋有第一导管接头，所述加载活塞帽预埋有第二导管接头，所述第一导管接头的一端通过导管外接所述水压管连通，所述第一导管接头的另一端通过导管与所述第二导管接头的一端连通，所述第二导管接头的另一端与所述第二透水构件连通。

6.根据权利要求2所述的一种随钻跟管桩钻进负超孔隙水压力模型试验装置，其特征在于，所述间隙侧限模型桩的下端设有固定脚，所述模型箱底座的顶部中心设有与所述间隙侧限模型桩的内径配合的中心凸台，所述中心凸台的外周环设有与所述固定脚配合的固定槽，所述固定槽设置于所述环形凹槽内且与所述中心凸台相靠，所述固定槽与所述固定脚之间设有密封圈；所述模型箱底座预埋有第三导管接头，所述第三导管接头的一端与所述环形凹槽连通，所述第三导管接头的另一端通过导管外接所述真空泵。

7.根据权利要求6所述的一种随钻跟管桩钻进负超孔隙水压力模型试验装置，其特征在于，所述模型箱外筒的下端固设有法兰，所述法兰在所述模型箱外筒的内侧形成有用于支承所述第一透水构件外侧的第一环形台阶，所述间隙侧限模型桩的下端外周设有用于支承所述第一透水构件内侧的第二环形台阶。

8.根据权利要求7所述的一种随钻跟管桩钻进负超孔隙水压力模型试验装置，其特征在于，所述中心凸台预埋设有第四导管接头，所述第四导管接头的一端与所述间隙侧限模型桩的内腔连通，所述第四导管接头的另一端通过导管外接所述注排水设备。

9.根据权利要求1所述的一种随钻跟管桩钻进负超孔隙水压力模型试验装置，其特征在于，所述模型箱顶盖预埋有第五导管接头，所述第五导管接头的一端与所述模型箱的顶部预留空腔连通，所述第五导管接头的另一端通过导管外接所述围压加卸载设备。

10.一种随钻跟管桩桩侧注浆剪切模型试验方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1，制备土样；首先，将模型箱外筒安装在模型箱底座上，并在环形凹槽上方安装第一透水构件；其次，采用完全侧限模型桩插入模型箱底座的固定槽进行固定；然后，在完全侧限模型桩与模型箱外筒之间逐层填入土样，并逐层等功率击实，直至设计土样高度；

S2，安装间隙侧限模型桩；首先，通过拆除完全侧限模型桩，并在土样的上方安装第二透水构件；然后，将间隙侧限模型桩插入模型箱底座的固定槽进行固定，且间隙侧限模型桩上的间隙凹槽使其桩侧与土样之间形成间隙；最后，将加载活塞冒安装在第二透水构件的上方；此外，安装间隙侧限模型桩之前，间隙侧限模型桩在其间隙凹槽对应的桩壁外侧套设橡胶膜，并在其桩侧开设透水孔连通橡胶膜的内侧；

S3，安装模型箱顶盖；将模型箱顶盖盖设在模型箱外筒的顶部并通过固定螺栓连接，完成模型箱密封和固定；

S4，土样初始固结；首先，打开注排水设备，向模型箱的内腔进行注水，待模型箱的内腔充满水后关闭注排水设备；然后，打开围压加卸载设备，通过控制模型箱内的压力，水压透过透水孔作用在橡胶膜上，使得橡胶膜对土样施加侧向压力，并使模型箱内的压力维持在设定围压的水平；最后，通过应力加载设备向土样施加与围压相等的轴向压力，直至土样初始固结完成；

S5，土样卸荷变形；在保持土样的轴向压力不变条件下，通过围压加卸载设备将模型箱内的压力卸除，使土样向模型桩靠近而发生间隙侧向刚性约束条件下的卸荷变形，直至土样的卸荷变形稳定和孔隙水压力基本不变；

S6，模拟桩端排土产生的负超孔隙水压力；通过真空泵使环形凹槽的压力下降，并形成一定真空，模拟桩端排土压力下降而使桩周土体产生的负超孔隙水压力；

S7，记录土样孔隙水压力变化；通过孔压计实时记录初始固结、卸荷变形和模拟负超孔隙水压力产生过程中土样孔隙水压力的变化。