CN210104818U - 一种水泥土搅拌桩智能施工模型试验装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种水泥土搅拌桩智能施工模型试验装置，包括：制桩模块、注浆模块和自动监测模块；其中制桩模块架立在试验箱正上方，注浆模块通过注浆管与制桩模块相连接，自动监测模块对制桩模块和注浆模块的试验数据进行监测。本实用新型中，试验模型制作方法完全模拟水泥土搅拌桩现场施工过程，符合其成桩原理，试验结果可信度更高，实际应用意义更强；该装置自动化、智能化程度高，可提高试验效率，且便于试验人员选取试验参数、控制试验过程。

Description

一种水泥土搅拌桩智能施工模型试验装置

技术领域

本发明涉及土木工程试验设备技术领域，尤其是一种水泥土搅拌桩智能施工模型试验装置。

背景技术

水泥土搅拌桩大量用于软土地基处理，目前一般通过现场试验或数值模拟的方法对其施工进行相关研究。现场试验较为直接可靠，但现场试验周期长、费用高，且一次试验只能分析验证特定地基条件下的试验结果，不能实现不同土层条件下的试验分析；数值模拟方法可以研究水泥土搅拌桩复合地基承载力与沉降变形，但数值模拟是在假设条件进行，与实际情况存在差异，因此研究人员探索通过模型试验的方法对水泥土搅拌桩进行研究。

模型试验一般是在模型箱内布置一定深度土层，在此土层内制作小尺寸的模型桩及土压力计、孔隙水压力计、位移计等监测仪器，经养护后施加荷载对模型桩进行研究。相比于现场试验，模型试验具有土层分布及边界条件易控制，试验周期块，费用低等优点；相比于数值模拟，模型试验更贴近现场实际，试验结果更具说服力。目前模型试验所用小尺寸搅拌桩模型主要通过先人工拌制成桩后埋桩的方法制作，与水泥土搅拌桩成桩机理不符。根据已有水泥土搅拌桩施工经验，喷浆量、桩长、桩机工作电流等施工参数对成桩质量及施工控制有较大影响，而目前尚缺少可对此进行模拟的模型试验装备。综上所述，为改进水泥土搅拌桩模型制作方法，重点研究喷浆量、桩长、桩机工作电流等施工参数对施工及成桩质量的影响，实现智能化施工，亟需开发可对水泥土搅拌桩实际施工进行动态模拟的模型试验装备。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于，提供一种水泥土搅拌桩智能施工模型试验装置，试验模型制作方法完全模拟水泥土搅拌桩现场施工过程，符合其成桩原理，试验结果可信度更高，实际应用意义更强；该装置自动化、智能化程度高，可提高试验效率，且便于试验人员选取试验参数、控制试验过程。

为解决上述技术问题，本发明提供一种水泥土搅拌桩智能施工模型试验装置，包括：制桩模块、注浆模块和自动监测模块；其中制桩模块架立在试验箱正上方，注浆模块通过注浆管与制桩模块相连接，自动监测模块对制桩模块和注浆模块的试验数据进行监测。

优选的，制桩模块包括中空钻杆、钻头、一号电机、二号电机、电机支架、固定支架和升降架；钻头连接于钻杆下端，所述钻杆下端设置喷浆口，并于喷浆口上方设置两组垂直交叉的搅拌叶片，一号电机的中空轴下端与钻杆固定连接，上端设置注浆口，浆液通过注浆管进入注浆口，并从喷浆口喷出；电机支架与一号电机固定连接为一整体，电机支架通过滑轮与固定支架和升降架连接，二号电机的轴与升降架内的传动装置连接，一号电机控制钻杆的转动，二号电机控制电机支架的升降，带动一号电机和钻杆升降。

优选的，注浆模块包括储浆桶和注浆泵；储浆桶与注浆泵连接，所述注浆泵通过导管与电磁流量计连接，注浆泵将水泥浆液从储浆桶内泵出，通过电磁流量计后进入注浆管。

优选的，自动监测模块包括激光测距仪、电磁流量计、电流计和监控计算机；激光测距仪设置在电机支架上，测量电机支架与地面之间距离的改变量以得到桩长，电磁流量计连接于注浆管前端，测量通过的水泥浆液流量，电流计固定在升降架下端，测量一号电机的工作电流，各传感器的数据通过数据线传输到监控计算机上。

本发明的有益效果为：(1)本发明所述的一种水泥土搅拌桩智能施工模型试验装置，在试验箱中原位搅拌成桩，符合水泥土搅拌桩施工工艺，试验结果更具可信度，对实际施工更具指导意义；(2)本发明所述的一种水泥土搅拌桩智能施工模型试验装置可对影响水泥土搅拌桩成桩质量的喷浆量、桩长、桩机工作电流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。

附图说明

图1为本发明的装置结构示意图。

图2为本发明的激光测距仪的布置示意图。

图3为本发明的电磁流量计、电流计、监控计算机的布置示意图。

1、钻杆；2、钻头；3、一号电机；4、二号电机；5、电机支架；6、固定支架；7、升降架；8、喷浆口；9、搅拌叶片；10、注浆口；11、储浆筒；12、注浆泵；13、激光测距仪；14、电磁流量计；15、电流计；16、监控计算机；17、试验箱；18、注浆管。

具体实施方式

如图1所示，一种水泥土搅拌桩智能施工模型试验装置，包括：制桩模块、注浆模块、自动监测模块，其中制桩模块架立在试验箱17正上方，注浆模块通过注浆管18与制桩模块相连接，自动监测模块布置于水泥土搅拌桩桩机模块和注浆模块上。

所述的制桩模块包括中空钻杆1、钻头2、一号电机3、二号电机4、电机支架5、固定支架6、升降架7，所述注浆模块包括储浆桶11、注浆泵12；所述自动监测模块包括激光测距仪13、电磁流量计14、电流计15、监控计算机16。

所述钻头2连接于钻杆1下端，所述钻杆1下端设置喷浆口8，并于喷浆口8上方设置两组垂直交叉的搅拌叶片9，一号电机3的中空轴下端与钻杆1固定连接，上端设置注浆口10，浆液通过注浆管18进入注浆口10，并从喷浆口8喷出。

所述的电机支架5与一号电机3固定连接为一整体，电机支架5通过滑轮与固定支架6和升降架7连接，二号电机4的轴与升降架7内的传动装置连接，一号电机3控制钻杆1的转动，二号电机4控制电机支架5的升降，带动一号电机3和钻杆1升降。

所述储浆桶11与注浆泵12连接，所述注浆泵12通过导管与电磁流量计14连接，注浆泵12将水泥浆液从储浆桶11内泵出，通过电磁流量计14后进入注浆管18。

试验装置工作时，打开二号电机4，使钻头2降到试验箱17中土体上方，打开注浆泵12并调整压力，打开一号电机3使钻杆1开始顺时针方向旋转，并控制二号电机4使钻杆1下降，搅拌叶片9开始切割土体搅拌成桩。钻杆1提起时控制一号电机3使钻杆1逆时针旋转，继续切割土体。通过调整二号电机4转动方向和注浆泵12的开关，可以模拟施工中的“两搅一喷”、“四搅二喷”等工艺。

所述激光测距仪13设置在电机支架5上，测量电机支架5与地面之间距离的改变量以得到桩长，电磁流量计14连接于注浆管18前端，测量通过的水泥浆液流量，电流计15固定在升降架7下端，测量一号电机3的工作电流。各传感器的数据通过数据线传输到监控计算机16上。

所述监控计算机16安装开发的监测软件与电机控制软件，监控计算机16通过数据线与激光测距仪13、电磁流量计14、电流计15连接，试验时监控计算机16实时采集、存储传感器数据，并以图形化的方式显示在屏幕上，试验结束后软件自动生成pdf格式的试验表格和曲线，可以导出和打印。

本发明的工作原理：

通过开发的电机控制软件，控制一号电机3、二号电机4的启停和转速，分别控制与一号电机3连接的钻杆1的转动和与二号电机4连接的升降架5内部的传动装置升降，来模拟实际工况下水泥土搅拌桩钻杆的转动和升降。

通过设定注浆泵12的压力，使储浆桶11中的水泥浆液通过电磁流量计14后进入注浆管18，进而使水泥浆液从注浆口10通过一号电机3的中空轴，进入中空钻杆1并从喷浆口8喷出。

试验开始前，打开监控计算机16并将传感器的数据线与监控计算机16正确连接，确认开发的监测软件中可以正常读取传感器读数。将钻杆1拆卸并清洗内腔。在试验箱17中根据试验要求和具体情况填入单层或多层土体后，使用振动击实仪将土体击实到试验需要的压实度。在储浆桶11中配制试验要求水灰比的足量水泥浆液。安装钻杆1和注浆管18，打开注浆泵12，确认浆液从喷浆口8中正常喷出。

点击监控计算机16屏幕上监测软件的“开始记录”按钮，开始试验。打开一号电机3和二号电机4，控制钻杆1转动和升降。试验过程中通过调整注浆泵12以及二号电机4的工作情况，可以模拟实际施工过程中“两搅一喷”、“四搅二喷”等多种不同的水泥土搅拌桩施工工艺。

如图2所示，激光测距仪13固定在电机支架5上，测量聚光测距仪13与地面之间的距离。试验开始前对激光测距仪13的读数调零，试验时通过这一距离的改变量得出钻杆1的下降量，也就是所制水泥土搅拌桩的桩长。

如图3所示，电磁流量计14的测量导管一侧与注浆模块的注浆泵12连接，一侧与注浆管18连接，记录喷浆量。

如图3所示，电流计15固定在升降架7下端的外壳上，使一号电机3的电线通过电流计15的电流传感器，电流计15读取一号电机3的电流大小。

监控计算机16通过数据线获取激光测距仪13、电磁流量计14、电流计15的读数，并输入到监测软件中，监测软件实时记录数据并以图形化的形式显示在屏幕上，并存储在系统中。试验结束后监测软件输出试验记录表、试验曲线，可以导出为pdf文件供试验人员参考和后续数据处理。

实施例1：

一种水泥土搅拌桩智能施工模型试验装置，如图1所示，包括制桩模块、注浆模块、自动监测模块，开始试验前先检查各传感器工作是否正常、送浆通道是否堵塞，将取回的试验区土样按照试验要求的压实度填入试验箱17中，安装钻杆1和注浆管18，打开注浆泵12，确认水泥浆液可以从喷浆口8正常喷出，即可开始试验。

打开监控计算机16中的电机控制软件和智能监测软件，通过控制一号电机3、二号电机4转动实现钻杆1的升降和搅拌功能。本例模拟现场施工的“四搅二喷”工艺。先控制钻杆1下沉切土，达到预定深度后打开注浆泵12，喷浆并提升钻杆1；提升到标高后关闭注浆泵12，钻杆1下沉复搅，再次达到预定深度后打开注浆泵12，提升钻杆1，重复喷浆搅拌。

试验结束后清洗注浆管18和钻杆1，导出试验数据，关闭监控计算机16。成桩7天后将试验箱17取出，可直接观察成桩情况和桩身均匀程度，并取芯做无侧限抗压强度试验，得到桩身强度，并结合智能监测系统的评估功能进行研究分析。

实施例2：

一种水泥土搅拌桩智能施工模型试验装置，可以在室内快速模拟现场制桩。本例中使用试验区土样，改变水泥掺量以得到不同的桩身强度，研究其变化规律。试验区场地的问题土层为粉质黏土，压缩模量Es为4.39MPa，承载力允许值[f]为90kPa。结合现场设计要求，试验共设计五种水泥掺量，在试验箱17中按照现场控制的压实度填入试验区土样，在储浆桶11中配制试验设计的水泥浆液。打开注浆泵12，点击监控计算机16屏幕上监测软件的“开始记录”按钮自动记录实验数据。通过控制一号电机3、二号电机4转动实现钻杆1的升降和搅拌功能，模拟现场施工的“四搅二喷”工艺进行模型试验。实验结束后分别取芯检测无侧限抗压强度。同时结合智能监测系统的评估功能，分析并选择合适的试验参数。最终确定水泥掺量为65kg·m^-1，满足设计要求。

本发明的目的是提供一种水泥土搅拌桩智能施工模型试验装置，试验模型制作方法完全模拟水泥土搅拌桩现场施工过程，符合其成桩原理，试验结果可信度更高，实际应用意义更强。该装置自动化程度高，可提高试验效率，且便于试验人员选取试验参数、控制试验过程。

本发明的意义在于，该水泥土搅拌桩智能施工模型试验装置在试验箱中原位搅拌成桩，符合水泥土搅拌桩施工工艺，试验结果更具可信度，对实际施工更具指导意义。可对影响水泥土搅拌桩成桩质量的喷浆量、桩长、桩机工作电流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。

Claims (4)

1.一种水泥土搅拌桩智能施工模型试验装置，其特征在于，包括：制桩模块、注浆模块和自动监测模块；其中制桩模块架立在试验箱正上方，注浆模块通过注浆管与制桩模块相连接，自动监测模块对制桩模块和注浆模块的试验数据进行监测。

2.如权利要求1所述的水泥土搅拌桩智能施工模型试验装置，其特征在于，制桩模块包括中空钻杆、钻头、一号电机、二号电机、电机支架、固定支架和升降架；钻头连接于钻杆下端，所述钻杆下端设置喷浆口，并于喷浆口上方设置两组垂直交叉的搅拌叶片，一号电机的中空轴下端与钻杆固定连接，上端设置注浆口，浆液通过注浆管进入注浆口，并从喷浆口喷出；电机支架与一号电机固定连接为一整体，电机支架通过滑轮与固定支架和升降架连接，二号电机的轴与升降架内的传动装置连接，一号电机控制钻杆的转动，二号电机控制电机支架的升降，带动一号电机和钻杆升降。

3.如权利要求1所述的水泥土搅拌桩智能施工模型试验装置，其特征在于，注浆模块包括储浆桶和注浆泵；储浆桶与注浆泵连接，所述注浆泵通过导管与电磁流量计连接，注浆泵将水泥浆液从储浆桶内泵出，通过电磁流量计后进入注浆管。

4.如权利要求1所述的水泥土搅拌桩智能施工模型试验装置，其特征在于，自动监测模块包括激光测距仪、电磁流量计、电流计和监控计算机；激光测距仪设置在电机支架上，测量电机支架与地面之间距离的改变量以得到桩长，电磁流量计连接于注浆管前端，测量通过的水泥浆液流量，电流计固定在升降架下端，测量一号电机的工作电流，各传感器的数据通过数据线传输到监控计算机上。

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