CN116735378B - 一种随钻跟管桩桩侧注浆剪切模型试验装置及试验方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种随钻跟管桩桩侧注浆剪切模型试验装置及试验方法，其通过在模型桩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，并通过第一应力加载设备实现对土样施加与围压相等的轴向应力，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，通过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；同时通过设置第二应力加载设备，能够向模型桩逐级施加剪切位移荷载，使模型桩、注浆体与土样发生界面剪切变形，获得桩‑土界面剪切力学特性曲线。

Description

一种随钻跟管桩桩侧注浆剪切模型试验装置及试验方法

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桩侧注浆剪切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，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。它主要技术特点为：桩机钻进成孔的同时，大直径PHC管桩逐步沉入孔内，土岩渣通过长螺旋钻杆从管桩内腔排出，沉桩终了在桩端灌注封底混凝土或内腔通长灌注混凝土，并在管桩与周围土体之间注入水泥浆增强桩-土粘结，充分发挥大直径PHC管桩的承载性能。实践表明，随钻跟管桩钻孔、沉桩同步进行，管桩起了护壁作用，无需排放泥浆，在深厚淤泥、含砂层不会因孔壁坍塌造成桩身质量问题，成桩质量有保证；通过桩端混凝土封底和桩侧注浆，直径1.0m壁厚130mm单桩极限承载力可达23000kN，具有广泛的应用前景，尤其适用于城市建筑、管线密集地区。然而，随钻跟管桩的钻孔沉桩会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，进而关键性地影响桩侧摩阻力发挥。因此，研究钻孔卸荷和后注浆条件下桩-土界面剪切力学特性，对掌握这种非挤土PHC管桩的承载特性至关重要。

针对桩-土界面剪切，前人研制了多种试验装置及试验方法，如一种敞口混凝土管桩桩土界面剪切模拟试验方法(专利号：2015103634836)、用于模拟桩-岩界面剪切试验装置、试样模具及试验方法(2019104083006)、温度与应力独立控制的桩-土界面剪切试验装置与方法(2021112824375)、一种可实现桩侧注浆的界面剪切试验系统(2019222728546)和用于研究随钻跟管桩桩侧注浆液流动规律的装置及方法(2020100628853)等。然而，随钻跟管桩采用管桩护壁，桩周土体在钻孔卸荷和管桩护壁条件下产生卸荷变形，随着土体固结流变变形，桩侧土压力会持续增加，会反向影响后续的桩周土体的时效变形，又将进一步影响桩侧注浆加固效果及后注浆桩-土界面剪切特性，上述各种试验装置及试验方法均不能较好地模拟钻孔卸荷条件下的桩侧后注浆工况及后注浆桩-土界面剪切特性。

发明内容

本发明为了研究管桩护壁条件下桩周土体钻孔卸荷变形对桩侧注浆加固和后注浆桩-土界面剪切特性，提出了一种随钻跟管桩桩侧注浆剪切模型试验装置及试验方法，既能测试带间隙的侧向刚性约束条件下桩周土体卸荷变形，又能测试桩周土体卸荷变形条件下桩-土界面剪切特性。

为了解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：

一种随钻跟管桩桩侧注浆剪切模型试验装置，其包括土样、桩侧注浆模型桩、模型箱、固定架、围压加卸载设备、第一应力加载设备、第二应力加载设备和注浆设备；所述模型箱包括模型箱外筒和盖设于所述模型箱外筒顶部的模型箱密封盖，所述固定架自上而下依次设有第一反力梁、基座和第二反力梁；所述第一应力加载设备设置在所述第一反力梁上，且能在土样上方施加覆土压力；所述第二应力加载设备设置在所述第二反力梁上，且能对所述桩侧注浆模型桩施加顶升力；所述模型箱固定在所述基座上，所述桩侧注浆模型桩设置于所述模型箱内，且所述桩侧注浆模型桩的底部与所述基座连接，所述土样填充于所述桩侧注浆模型桩与所述模型箱外筒之间，所述桩侧注浆模型桩的上端与所述模型箱的顶部预留空腔连通，所述桩侧注浆模型桩的桩侧与所述土样之间预留有间隙，所述桩侧注浆模型桩的底部侧面设有与所述注浆设备连接的注浆口，所述注浆口与所述间隙连通，所述桩侧注浆模型桩与所述间隙对应的桩壁外侧套设有橡胶膜，所述橡胶膜位于所述注浆口的上方，所述桩侧注浆模型桩的桩壁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，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。

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自内而外设置的滤纸和透水石。

作为本发明的优选方案，所述第一应力加载设备设有加载活塞帽、第一加载活塞杆和第一加载动力单元，所述加载活塞帽盖设在所述第二透水构件的上方，所述第一加载动力单元安装在所述第一反力梁上，所述第一加载动力单元的动力输出端朝下且与所述第一加载活塞杆连接，所述第一加载活塞杆穿过所述模型箱密封盖且与所述加载活塞帽相抵；所述第一加载活塞杆与所述模型箱的顶盖之间设有动密封结构；所述第一应力加载设备还设有用于测量土样轴向位移的第一位移计和用于测量土样轴向压力的第一压力计。

作为本发明的优选方案，所述模型箱外筒外接有真空泵，所述加载活塞帽上预埋有连通至所述第二透水构件上的排水管，所述真空泵通过导管与所述排水管连接。

作为本发明的优选方案，所述第二应力加载设备设有加载板、第二加载活塞杆和第二加载动力单元，所述加载板固定在所述桩侧注浆模型桩内，所述第二加载动力单元安装在所述第二反力梁上，所述第二加载动力单元的动力输出端朝上且与所述第二加载活塞杆连接，所述第二加载活塞杆穿过所述基座且与所述加载板相抵；所述第二加载活塞杆与所述基座之间设有动密封结构；所述第二应力加载设备还设有用于测量桩-土剪切位移的第二位移计和用于测量桩-土剪切应力的第二压力计。

作为本发明的优选方案，所述桩侧注浆模型桩的底部设有进水腔，所述进水腔形成于所述加载板的下方且与其上方的所述桩侧注浆模型桩的空腔连通，所述基座上预埋有与所述进水腔连通的进水管，所述进水管通过导管外接有水泵。

作为本发明的优选方案，所述桩侧注浆模型桩包括桩侧带间隙凹槽的刚性圆筒和设置于所述刚性圆筒底部的脚环，所述脚环的上端设有第一固定槽，所述刚性圆筒的下端设有与所述第一固定槽配合的第一固定脚，所述第一固定槽与所述第一固定脚之间设有第一密封圈；所述基座的中心设有与所述第二加载活塞杆配合的通孔；所述通孔的外周环设有第二固定槽，所述脚环的下端设有第二固定脚，所述第二固定槽与所述第二固定脚之间设有第二密封圈；所述注浆口设置所述脚环的侧部，所述脚环的空腔内设有与所述注浆口连接的注浆管接头，所述注浆管接头通过导管外接所述注浆设备。

作为本发明的优选方案，所述基座的顶部设有水槽，所述水槽环设在所述第二固定槽的外周，所述第一透水构件盖设在所述水槽的上方，所述水槽通过导管外接有压力表；所述脚环的外周设有用于支承所述第一透水构件内侧的第一支撑脚，所述水槽在远离所述第二固定槽的一侧设有用于支承所述第一透水构件外侧的第二支撑脚。

作为本发明的优选方案，所述土样内靠近所述桩侧注浆模型桩一侧自上而下均布设有多个孔压计，所述孔压计通过导线外接有孔压读数仪。

另外，基于上面各项内容的随钻跟管桩桩侧注浆剪切模型试验装置，本发明还提供了一种随钻跟管桩桩侧注浆剪切模型试验方法，其包括如下步骤：

S1，制备土样；首先，在基座的水槽上方安装第一透水构件；其次，采用完全侧限模型桩插入基座的第二固定槽进行固定；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；此外，填筑土样过程中需预埋测量土样孔压变化的孔压计；

S2，换装桩侧注浆模型桩；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，将桩侧注浆模型桩插入基座的第二固定槽进行固定，且桩侧注浆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，换装桩侧注浆模型桩之前，桩侧注浆模型桩在其间隙凹槽对应的桩壁外侧套设橡胶膜，并在其桩侧设置透水孔连通橡胶膜的内侧；

S3，安装模型箱密封盖；将模型箱密封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，打开水泵，向模型箱的内腔进行注水，待模型箱的内腔充满水后关闭水泵；然后，打开围压加卸载设备，通过控制模型箱内的压力，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，通过第一应力加载设备向土样施加与围压相等的轴向应力，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，使土样向桩侧注浆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，桩侧注浆；按设计水灰比调制注浆液，然后通过注浆设备在轴向覆土压力和侧向卸荷变形条件下进行桩侧注浆，使注浆液在桩侧注浆模型桩与土样之间自由扩散，直至注浆液达到土样的顶部；

S7，桩-土界面剪切；待注浆液达到龄期形成注浆体，通过第二应力加载设备向桩侧注浆模型桩逐级施加剪切位移荷载，使桩侧注浆模型桩、注浆体与土样发生界面剪切变形；其次，通过第二应力加载设备上的位移计和压力计实时记录各剪切位移条件下的剪切力，由此获得桩-土界面剪切位移曲线。

实施本发明提供的一种随钻跟管桩桩侧注浆剪切模型试验装置及试验方法，与现有技术相比，其有益效果在于：

(1)本发明通过在桩侧注浆模型桩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，并通过第一应力加载设备实现对土样施加与围压相等的轴向应力，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；

(2)本发明通过在桩侧注浆模型桩的底部侧面设置注浆口，模拟随钻跟管桩在钻孔卸荷条件下的桩侧注浆扩散；

(3)本发明通过设置第二应力加载设备，能够向桩侧注浆模型桩逐级施加剪切位移荷载，使桩侧注浆模型桩、注浆体与土样发生界面剪切变形，从而能够获得随钻跟管桩钻孔卸荷条件下桩侧后注浆的桩-土界面剪切力学特性曲线；

(4)本发明通过自上而下均布在土样中靠近桩侧注浆模型桩一侧的多个孔压计，能够测试土样在初始固结、卸荷变形和桩侧注浆过程中土样不同位置的孔压变化，也能反映桩侧注浆扩散过程中相应位置的注浆压力，进一步了解随钻跟管桩的钻孔卸荷和后注浆效应；

(5)本发明的随钻跟管桩桩侧注浆剪切模型试验装置的结构简单，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桩侧注浆剪切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是桩侧注浆模型桩的结构示意图；

图4是脚环的结构示意图；

图5是完全侧限模型桩的刚性圆筒的结构示意图；

图6是基座的结构示意图；

图7是第二透水构件的结构示意图；

图8是加载活塞冒的结构示意图；

图9是土样制备时的示意图；

图10是安装桩侧注浆模型桩时的示意图；

图11是桩侧注浆时的示意图。

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；

21、桩侧注浆模型桩；22、完全侧限模型桩；201、刚性圆筒；202、脚环；203、橡胶膜；201a、间隙凹槽；201b、第一固定脚；201c、透水孔；201d、进水腔；201e、圆筒固定环；202a、第一固定槽；202b、第一密封圈；202c、第二固定脚；202d、注浆口；202e、注浆管接头；202f、第一支撑脚；203a、橡胶膜固定环；

3、模型箱；301、模型箱外筒；302、模型箱密封盖；

4、固定架；401、第一反力梁；402、基座；403、第二反力梁；402a、通孔；402b、第二固定槽；402c、第二密封圈；402d、进水管；402e、水槽；402f、第二支撑脚；

5、围压加卸载设备；

6、第一应力加载设备；601、加载活塞帽；602、第一加载活塞杆；603、第一加载动力单元；604、第一位移计；605、第一压力计；601a、活塞杆固定槽；601b、倒角；601c、排水管；

7、第二应力加载设备；701、加载板；702、第二加载活塞杆；703、第二加载动力单元；704、第二位移计；705、第二压力计；

8、注浆设备；

9、水泵；

10、真空泵；

11、压力表；

12、孔压计；

13、孔压读数仪；

14、注浆体。

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8所示，本发明实施例的随钻跟管桩桩侧注浆剪切模型试验装置，其包括土样1、桩侧注浆模型桩21、模型箱3、固定架4、围压加卸载设备5、第一应力加载设备6、第二应力加载设备7和注浆设备8。

所述模型箱3包括模型箱外筒301和盖设于所述模型箱外筒301顶部的模型箱密封盖302，所述固定架4自上而下依次固设有第一反力梁401、基座402和第二反力梁403；具体的，所述模型箱外筒301的底部通过螺丝固定在所述基座402上，且模型箱外筒301与基座402之间设有密封圈，以实现模型箱外筒301与基座402之间的固定及密封；所述模型箱密封盖302通过螺丝固定在所述模型箱外筒301的顶部，模型箱外筒301与基座402之间设有密封圈，以实现模型箱外筒301与模型箱密封盖302之间的固定及密封。

如图1和图3所示，所述桩侧注浆模型桩21设置于所述模型箱3内，且所述桩侧注浆模型桩21的底部与所述基座402连接，所述土样1填充于所述桩侧注浆模型桩21与所述模型箱外筒301之间，所述桩侧注浆模型桩21的上端与所述模型箱3的顶部预留空腔连通，所述桩侧注浆模型桩21的桩侧与所述土样1之间预留有间隙(该间隙由间隙凹槽201a形成)，所述桩侧注浆模型桩21的底部侧面设有与所述注浆设备8连接的注浆口202d，所述注浆口202d与所述间隙连通，模拟随钻跟管桩在钻孔卸荷条件下的桩侧注浆加固；所述桩侧注浆模型桩21与所述间隙对应的桩壁外侧套设有橡胶膜203，所述橡胶膜203位于所述注浆口202d的上方，所述桩侧注浆模型桩21的桩壁设有呈矩阵分布的透水孔201c，所述透水孔201c与所述橡胶膜203的内侧连通；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5，所述围压加卸载设备5通过控制所述模型箱3内的压力，透过所述透水孔201c作用在所述橡胶膜203上，使得所述橡胶膜203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。

需要说明的是，如图3、图4和图6所示，为方便桩侧注浆模型桩21装配，所述桩侧注浆模型桩21包括桩侧带间隙凹槽201a的刚性圆筒201和设置于所述刚性圆筒201底部的脚环202，所述脚环202的上端设有第一固定槽202a，所述刚性圆筒201的下端设有与所述第一固定槽202a配合的第一固定脚201b，所述第一固定槽202a与所述第一固定脚201b之间设有第一密封圈202b；所述基座402的中心设有与所述第二应力加载设备7的第二加载活塞杆配合的通孔402a；所述通孔402a的外周环设有第二固定槽402b，所述脚环202的下端设有第二固定脚202c，所述第二固定槽402b与所述第二固定脚202c之间设有第二密封圈402c；所述注浆口202d设置所述脚环202的侧部，所述脚环202的空腔内设有与所述注浆口202d连接的注浆管接头202e，所述注浆管接头202e通过导管外接所述注浆设备8。进一步地，所述注浆口202d设有两个或两个以上且沿桩侧注浆模型桩21的圆周方向均匀布置，使注浆液在桩侧与土样1之间均匀且自由地扩散。此外，所述橡胶膜203的上下两端分别通过橡胶膜固定环203a固定在所述桩侧注浆模型桩21上，且由于橡胶膜203的弹性特点可在其与桩侧注浆模型桩21的接触界面形成密封，防止模型箱3内腔的水与土样1相互串通。

如图1所示，所述第一应力加载设备6设置在所述第一反力梁401上，且能在土样1上方施加覆土压力；具体的，所述第一应力加载设备6设有加载活塞帽601、第一加载活塞杆602和第一加载动力单元603，所述加载活塞帽601盖设在所述土样1的上方，所述第一加载动力单元603安装在所述第一反力梁401上，所述第一加载动力单元603的动力输出端朝下且与所述第一加载活塞杆602连接，所述第一加载活塞杆602穿过所述模型箱密封盖302且与所述加载活塞帽601相抵；由此，通过第一应力加载设备6实现对土样1施加轴向应力，模拟深层桩周土体的初始受力状态。

需要说明的是，如图2和图8所示，为使第一应力加载设备6作用力均匀地传递至土样1中，所述第一应力加载设备6设有多个且沿所述加载活塞帽601的圆周方向均匀布置；进一步地，所述加载活塞帽601的外侧与所述模型箱外筒301的内腔壁匹配，所述加载活塞帽601的中心位置设有与所述桩侧注浆模型桩21的上端外径匹配的中心孔，所述加载活塞帽601分别与模型箱外筒301、桩侧注浆模型桩21之间设有动密封结构，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601的顶部设置有活塞杆固定槽601a，以方便连接第一加载活塞杆602；所述第一加载活塞杆602与所述模型箱3的顶盖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601的顶部外侧设有倒角601b，以减少加载活塞帽601与模型箱外筒301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。此外，所述第一应力加载设备6还设有用于测量土样1轴向位移的第一位移计604和用于测量土样1轴向压力的第一压力计605。

如图1所示，所述第二应力加载设备7设置在所述第二反力梁403上，且能对所述桩侧注浆模型桩21施加顶升力；具体的，所述第二应力加载设备7设有加载板701、第二加载活塞杆702和第二加载动力单元703，所述加载板701固定在所述桩侧注浆模型桩21内，所述第二加载动力单元703安装在所述第二反力梁403上，所述第二加载动力单元703的动力输出端朝上且与所述第二加载活塞杆702连接，所述第二加载活塞杆702穿过所述基座402且与所述加载板701相抵；由此，通过第二应力加载设备7实现对桩侧注浆模型桩21施加剪切位移，能够测试随钻跟管桩在钻孔卸荷条件下进行后注浆加固的桩-土界面剪切力学特性。

需要说明的是，如图1所示，所述第二加载活塞杆702与所述基座402之间设有动密封结构，以防止模型箱3内腔的水泄漏；所述第二应力加载设备7还设有用于测量桩-土剪切位移的第二位移计704和用于测量桩-土剪切应力的第二压力计705。

由此，根据本发明提供的一种随钻跟管桩桩侧注浆剪切模型试验装置，其通过在桩侧注浆模型桩设置透水孔201c和橡胶膜203，并且模型箱3为密封箱，通过水泵9和围压加卸载设备5分别向模型箱3内注水和施加压力，水压透过透水孔201c作用在橡胶膜203上，使得所述橡胶膜203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，并通过第一应力加载设备6实现对土样1施加与围压相等的轴向应力，模拟深层桩周土体的初始受力状态；桩侧注浆模型桩21与土样1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；其次，通过在桩侧注浆模型桩21的底部侧面设置注浆口202d，模拟随钻跟管桩在钻孔卸荷条件下的桩侧注浆扩散；再有，通过设置第二应力加载设备7，能够向桩侧注浆模型桩逐级施加剪切位移荷载，使桩侧注浆模型桩21、注浆体14与土样1发生界面剪切变形，从而能够获得随钻跟管桩钻孔卸荷条件下桩侧后注浆的桩-土界面剪切力学特性曲线。此外，本试验装置的结构简单，技术原理明确，可操作性强。

示例性的，如图1和图7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均包括自内而外设置的滤纸103和透水石104。

进一步地，如图1所示，所述加载活塞帽601盖设在所述第二透水构件102的上方，以隔断模型箱3内腔的水与土样1相互串通；同时，所述模型箱外筒301外接有真空泵10，所述加载活塞帽601上预埋有连通至所述第二透水构件102上的排水管601c，所述真空泵10通过导管与所述排水管601c连接，从而通过真空泵10对土样1进行排水，加速土样1初始固结，有效提升试验效率。

示例性的，如图2和图6所示，为方便实现向模型箱3内注水，使橡胶膜203处于初始膨胀状态，所述桩侧注浆模型桩21的底部设有进水腔201d，所述进水腔201d形成于所述加载板701的下方且与其上方的所述桩侧注浆模型桩21的空腔连通，所述基座402上预埋有与所述进水腔201d连通的进水管402d，所述进水管402d通过导管外接有水泵9。优选地，所述水泵9为双向水泵，以实现进水及排水之间切换。

示例性的，如图1和图6所示，所述基座402的顶部设有水槽402e，所述水槽402e环设在所述第二固定槽402b的外周，所述第一透水构件101盖设在所述水槽402e的上方，所述水槽402e通过导管外接有压力表11，用于检测土样1下端的孔隙水压力。

需要说明的是，如图1、图4和图6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，所述脚环202的外周设有用于支承所述第一透水构件101内侧的第一支撑脚202f；所述水槽402e在远离所述第二固定槽402b的一侧设有用于支承所述第一透水构件101外侧的第二支撑脚402f。

示例性的，如图1所示，所述土样1内靠近所述桩侧注浆模型桩一侧自上而下均布设有多个孔压计12，所述孔压计12通过导线外接有用于记录土样1加卸载过程中的孔隙水压变化的孔压读数仪13，从而能够测试土样1在初始固结、卸荷变形和桩侧注浆过程中土样1不同位置的孔隙水压变化，也能反映桩侧注浆扩散过程中相应位置的注浆压力，进一步了解随钻跟管桩的钻孔卸荷和后注浆效应。

另外，如图1至图11所示，基于上面各项内容的随钻跟管桩桩侧注浆剪切模型试验装置，本发明还提供了一种随钻跟管桩桩侧注浆剪切模型试验方法，其包括如下步骤：

S1，制备土样1；如图9所示，首先，在基座402的水槽402e上方安装第一透水构件101；其次，采用完全侧限模型桩22(即相较于桩侧注浆模型桩21的刚性圆筒，完全侧限模型桩22的刚性圆筒没有透水孔、橡胶模、间隙凹槽等设置，如图5所示)插入基座402的第二固定槽402b进行固定；然后，在完全侧限模型桩22与模型箱外筒301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；此外，填筑土样1过程中需预埋测量土样1孔压变化的孔压计12；需要说明的是，为了真实模拟深层土样1状态，土样1中含有一定量水分，制备土样1过程中，土样1中的水会通过第一透水构件101流入第一将基座402上的水槽402e内并将其充满；

S2，换装桩侧注浆模型桩21；如图10所示，首先，通过拆除完全侧限模型桩22，并在土样1的上方安装第二透水构件102；然后，将桩侧注浆模型桩21插入基座402的第二固定槽402b进行固定，且桩侧注浆模型桩21上的间隙凹槽201a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，换装桩侧注浆模型桩21之前，桩侧注浆模型桩21在其间隙凹槽201a对应的桩壁外侧套设橡胶膜203，并在其桩侧设置透水孔201c连通橡胶膜203的内侧；需要说明的是，为方便拆装模型桩，桩侧注浆模型桩21的刚性圆筒201和完全侧限模型桩22的刚性圆筒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圆筒固定环201e连接固定，两个圆弧管片的下端通过脚环202连接固定；换装时，将完全侧限模型桩22的脚环留置在基座上，以方便桩侧注浆模型桩21对接。

S3，安装模型箱密封盖302；将模型箱密封盖302盖设在模型箱外筒301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，打开水泵9，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水泵9；然后，打开围压加卸载设备5，通过控制模型箱3内的压力，透过透水孔201c作用在橡胶膜203上，使得橡胶膜203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，通过第一应力加载设备6向土样1施加与围压相等的轴向应力，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10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5将模型箱3内的压力卸除，使土样1向桩侧注浆模型桩21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，桩侧注浆；如图11所示，按设计水灰比调制注浆液，然后通过注浆设备8在轴向覆土压力和侧向卸荷变形条件下进行桩侧注浆，使注浆液在桩侧注浆模型桩21与土样1之间自由扩散，直至注浆液达到土样1的顶部；

S7，桩-土界面剪切；待注浆液达到龄期形成注浆体14，通过第二应力加载设备7向桩侧注浆模型桩21逐级施加剪切位移荷载，使桩侧注浆模型桩21、注浆体14与土样1发生界面剪切变形；其次，通过第二应力加载设备7上的第二位移计704和第二压力计705实时记录各剪切位移条件下的剪切力，由此获得桩-土界面剪切位移曲线。

由于该施工方法采用了上文各项内容所述的随钻跟管桩桩侧注浆剪切模型试验装置进行施工，故具有所述随钻跟管桩桩侧注浆剪切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 (9)

1.一种随钻跟管桩桩侧注浆剪切模型试验装置，其特征在于，包括土样、桩侧注浆模型桩、模型箱、固定架、围压加卸载设备、第一应力加载设备、第二应力加载设备和注浆设备；所述模型箱包括模型箱外筒和盖设于所述模型箱外筒顶部的模型箱密封盖，所述固定架自上而下依次设有第一反力梁、基座和第二反力梁；所述第一应力加载设备设置在所述第一反力梁上，且能在土样上方施加覆土压力；所述第二应力加载设备设置在所述第二反力梁上，且能对所述桩侧注浆模型桩施加顶升力；所述模型箱固定在所述基座上，所述桩侧注浆模型桩设置于所述模型箱内，且所述桩侧注浆模型桩的底部与所述基座连接，所述土样填充于所述桩侧注浆模型桩与所述模型箱外筒之间，所述桩侧注浆模型桩的上端与所述模型箱的顶部预留空腔连通，所述桩侧注浆模型桩的桩侧与所述土样之间预留有间隙，所述桩侧注浆模型桩的底部侧面设有与所述注浆设备连接的注浆口，所述注浆口与所述间隙连通，所述桩侧注浆模型桩与所述间隙对应的桩壁外侧套设有橡胶膜，所述橡胶膜位于所述注浆口的上方，所述桩侧注浆模型桩的桩壁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，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；所述第二应力加载设备设有加载板，所述加载板固定在所述桩侧注浆模型桩内；所述桩侧注浆模型桩的底部设有进水腔，所述进水腔形成于所述加载板的下方且与其上方的所述桩侧注浆模型桩的空腔连通，所述基座上预埋有与所述进水腔连通的进水管，所述进水管通过导管外接有水泵。

2.根据权利要求1所述的一种随钻跟管桩桩侧注浆剪切模型试验装置，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自内而外设置的滤纸和透水石。

3.根据权利要求2所述的一种随钻跟管桩桩侧注浆剪切模型试验装置，其特征在于，所述第一应力加载设备设有加载活塞帽、第一加载活塞杆和第一加载动力单元，所述加载活塞帽盖设在所述第二透水构件的上方，所述第一加载动力单元安装在所述第一反力梁上，所述第一加载动力单元的动力输出端朝下且与所述第一加载活塞杆连接，所述第一加载活塞杆穿过所述模型箱密封盖且与所述加载活塞帽相抵；所述第一加载活塞杆与所述模型箱的顶盖之间设有动密封结构；所述第一应力加载设备还设有用于测量土样轴向位移的第一位移计和用于测量土样轴向压力的第一压力计。

4.根据权利要求3所述的一种随钻跟管桩桩侧注浆剪切模型试验装置，其特征在于，所述模型箱外筒外接有真空泵，所述加载活塞帽上预埋有连通至所述第二透水构件上的排水管，所述真空泵通过导管与所述排水管连接。

5.根据权利要求2所述的一种随钻跟管桩桩侧注浆剪切模型试验装置，其特征在于，所述第二应力加载设备还设有第二加载活塞杆和第二加载动力单元，所述第二加载动力单元安装在所述第二反力梁上，所述第二加载动力单元的动力输出端朝上且与所述第二加载活塞杆连接，所述第二加载活塞杆穿过所述基座且与所述加载板相抵；所述第二加载活塞杆与所述基座之间设有动密封结构；所述第二应力加载设备还设有用于测量桩-土剪切位移的第二位移计和用于测量桩-土剪切应力的第二压力计。

6.根据权利要求5所述的一种随钻跟管桩桩侧注浆剪切模型试验装置，其特征在于，所述桩侧注浆模型桩包括桩侧带间隙凹槽的刚性圆筒和设置于所述刚性圆筒底部的脚环，所述脚环的上端设有第一固定槽，所述刚性圆筒的下端设有与所述第一固定槽配合的第一固定脚，所述第一固定槽与所述第一固定脚之间设有第一密封圈；所述基座的中心设有与所述第二加载活塞杆配合的通孔；所述通孔的外周环设有第二固定槽，所述脚环的下端设有第二固定脚，所述第二固定槽与所述第二固定脚之间设有第二密封圈；所述注浆口设置所述脚环的侧部，所述脚环的空腔内设有与所述注浆口连接的注浆管接头，所述注浆管接头通过导管外接所述注浆设备。

7.根据权利要求6所述的一种随钻跟管桩桩侧注浆剪切模型试验装置，其特征在于，所述基座的顶部设有水槽，所述水槽环设在所述第二固定槽的外周，所述第一透水构件盖设在所述水槽的上方，所述水槽通过导管外接有压力表；所述脚环的外周设有用于支承所述第一透水构件内侧的第一支撑脚，所述水槽在远离所述第二固定槽的一侧设有用于支承所述第一透水构件外侧的第二支撑脚。

8.根据权利要求1至7任一项所述的一种随钻跟管桩桩侧注浆剪切模型试验装置，其特征在于，所述土样内靠近所述桩侧注浆模型桩一侧自上而下均布设有多个孔压计，所述孔压计通过导线外接有孔压读数仪。

9.一种随钻跟管桩桩侧注浆剪切模型试验方法，其特征在于，采用如权利要求1至8任一项所述的随钻跟管桩桩侧注浆剪切模型试验装置，包括如下步骤：

S1，制备土样；首先，在基座的水槽上方安装第一透水构件；其次，采用完全侧限模型桩插入基座的第二固定槽进行固定；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；此外，填筑土样过程中需预埋测量土样孔压变化的孔压计；

S2，换装桩侧注浆模型桩；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，将桩侧注浆模型桩插入基座的第二固定槽进行固定，且桩侧注浆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，换装桩侧注浆模型桩之前，桩侧注浆模型桩在其间隙凹槽对应的桩壁外侧套设橡胶膜，并在其桩侧设置透水孔连通橡胶膜的内侧；

S3，安装模型箱密封盖；将模型箱密封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，打开水泵，向模型箱的内腔进行注水，待模型箱的内腔充满水后关闭水泵；然后，打开围压加卸载设备，通过控制模型箱内的压力，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，通过第一应力加载设备向土样施加与围压相等的轴向应力，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，使土样向桩侧注浆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，桩侧注浆；按设计水灰比调制注浆液，然后通过注浆设备在轴向覆土压力和侧向卸荷变形条件下进行桩侧注浆，使注浆液在桩侧注浆模型桩与土样之间自由扩散，直至注浆液达到土样的顶部；

S7，桩-土界面剪切；待注浆液达到龄期形成注浆体，通过第二应力加载设备向桩侧注浆模型桩逐级施加剪切位移荷载，使桩侧注浆模型桩、注浆体与土样发生界面剪切变形；其次，通过第二应力加载设备上的位移计和压力计实时记录各剪切位移条件下的剪切力，由此获得桩-土界面剪切位移曲线。