CN217998215U - 一种室内模拟地下水流的搅拌桩试验装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种室内模拟地下水流的搅拌桩试验装置，包括搅拌装置、地下环境模拟装置、进水装置和出水装置；地下环境模拟装置包括搅拌成型装置和玻璃箱，搅拌成型装置竖直安装在玻璃箱内，搅拌成型装置和玻璃箱从下至上依次充填第一土层和第二土层，所述玻璃箱的长宽高上分别设有刻度尺；搅拌装置包括可控速自动搅拌机和自动升降搅拌杆，所述自动升降搅拌杆的下端设有搅拌头，自动升降搅拌杆上设有注浆管，所述搅拌头位于搅拌成型装置的上方；进水装置与出水装置分别设置在玻璃箱的两侧，本实用新型可定量观察搅拌桩注浆扩散情况及浆液凝结情况，效率高、试验直观、操作方便、数据可靠。

Description

一种室内模拟地下水流的搅拌桩试验装置

技术领域

本实用新型涉及岩土工程软土地基处理领域，尤其涉及一种室内模拟地下水流的搅拌桩试验装置及其使用方法。

背景技术

水泥搅拌桩是用于加固软土地基的一种有效方法，是一种将水泥作为固化剂的主剂，利用搅拌桩机将水泥喷入土体并充分搅拌，使水泥与土发生一系列物理化学反应，使软土硬结而提高地基强度。20世纪70年代，开始用水泥搅拌桩加固软土地基，已有40多年的历史。它是通过特制的深层搅拌机，将软土和水泥(固化剂)强制搅拌，并利用水泥和软土之间所产生的一系列物理、化学反应，使土体固结，形成具有整体性、水稳定性和一定强度的水泥土桩。

目前，研究水泥搅拌桩的主要方法有现场试验、数值模拟和室内模型试验三种。现场试验是研究水泥搅拌桩承载力和变形特性的最直接、最可靠的方法，而且是验证室内模型试验和数值分析的最佳手段，但由于试验周期较长，需要大量资金投入，而且地层条件复杂，施工过程不容易控制，只能得到桩基在小范围地区特点，不易得到规律性结论。数值分析是研究水泥搅拌桩受力变形特性的一种简便而且价格低廉的方法，但其精度主要依赖于相关材料参数、所选取的理论模型、各部分之间的相互作用等与真实情况的吻合程度，所以其受人为因素影响较大。而室内模型试验可以较精确的设定和控制边界条件、桩土材料特性，在研究桩-土相互作用时具有较强的针对性和目的性，模型试验还可以对分析问题进行简化，抓住主要矛盾，舍弃次要矛盾，与现场试验相比，能得到更多规律性东西。模型试验也可以验证数值模拟分析。因此，如何找到一种室内模拟水泥土搅拌桩的模型试验方法是目前亟待解决的关键问题。

此外，沿海城市地下水较多，一般地下动水的形成有两种途径：一种是地下水由于区域存在水头差导致水的流动而形成动水；另外一种是由于防水帷幕或防水构筑物存在缺陷和破坏而导致地下水的渗漏而形成动水。因此，解决施工过程中地下水流动条件下搅拌桩扩散问题成为了提高软土地基承载力的关键。

目前大多数室内搅拌桩试验装置不考虑地下动水条件，动水条件下搅拌桩扩散规律与静水条件下有着很大的不同，因此需要对地下水流动条件下搅拌桩成型室内试验进行深入研究。

实用新型内容

为了克服上述现有技术的缺陷，本实用新型提供了一种提供一种室内模拟地下水流的搅拌桩试验装置及其使用方法，全自动模拟不同地下水流速、不同土质情况下的搅拌桩成型过程，寻找动水条件下的浆液扩散规律，为软土地基搅拌桩施工提供更加充分的依据。

为了解决上述技术问题，本实用新型采用的技术方案是：

一种室内模拟地下水流的搅拌桩试验装置，其特征在于：包括搅拌装置、地下环境模拟装置、进水装置和出水装置；

所述地下环境模拟装置包括搅拌成型装置和有机玻璃箱，所述搅拌成型装置竖直安装在有机玻璃箱内，搅拌成型装置和有机玻璃箱从下至上依次充填第一土层和第二土层，所述有机玻璃箱的长宽高上分别设有刻度尺；

所述搅拌装置包括可控速自动搅拌机和自动升降搅拌杆，所述自动升降搅拌杆与可控速自动搅拌机连接，所述自动升降搅拌杆的下端设有搅拌头，自动升降搅拌杆上设有注浆管，所述搅拌头位于搅拌成型装置的上方；

所述进水装置与出水装置分别设置在有机玻璃箱的两侧，进水装置与出水装置分别与有机玻璃箱的内部连通。

优选搅拌成型装置为玻璃筒。搅拌成型装置的侧壁开设有若干直径小于10mm的通孔，开孔率不小于50％。

优选搅拌头采用三组钢制刀片，两两夹角60°。搅拌头(1.3)的长度小于搅拌成型装置(2.3)的直径。搅拌头(1.3)的三组钢制刀片大小为：刀片一直径为d1，d1的长度为10-20cm，刀片二直径为d2，d2的长度为8-16cm，刀片三直径为d3，d3的长主为4-8cm，且d1＞d2＞d3。

进水装置包括进水管和流速计，进水管通入有机玻璃箱，流速计设置在进水管上。

一种室内模拟地下水流的搅拌桩试验装置的使用方法，其特征在于包括如下步骤：

(1)水泥基固化剂准备：以偏高岭土、水玻璃、石膏、三乙醇胺或碳酸钠的一种或几种混合为助剂，将助剂掺入水泥中，掺量为水泥的5％-20％，形成水泥基固化剂；助剂掺入水泥中，掺量为水泥的优选10％；

(2)动水模拟作业：将进水管开关打开，过多水流通过出水管流出，此时调节水流速度为v1，在该流速下模拟搅拌桩施工过程；

(3)搅拌作业：调节可控速自动搅拌机的速度与自动升降搅拌杆的高度，将搅拌头与注浆管刚好置于搅拌桩成型装置内土层表面，模拟施工现场两喷四搅的过程，在搅拌头提升的时候喷出水泥基固化剂，水泥基固化剂与土层混合形成浆液；

(4)记录：观察浆液流动的过程，记录浆液流动的刻度值和时间，绘制流动轨迹图，根据结果筛选扩散慢、凝结快的浆液配比，为工程施工提供有效、充分的数据。

本实用新型具有以下优点：

1、本实用新型提供的模拟地下水流动情况下的搅拌桩试验装置，具有模拟自动升降搅拌、注浆、模拟地下动水工况等功能，可定量观察搅拌桩注浆扩散情况及浆液凝结情况，效率高、试验直观、操作方便、数据可靠，为地下动水工况下的搅拌桩施工提供更充分的依据。

2、本实用新型提供的室内搅拌桩试验装置，采用两次喷浆搅拌完成，比一次搅拌更加均匀完好。

3、本实用新型提供的室内搅拌桩试验装置，解决了现场试验周期长、投资大、数值分析人为因素影响较大、不符合实际、室内模拟动态条件不足等技术难题。

附图说明

图1是本实用新型的室内模拟地下水流的搅拌桩试验装置结构示意图。

图2是本实用新型的搅拌头俯视图。

图中标记：1-搅拌装置，1.1-可控速自动搅拌机，1.2-自动升降搅拌杆,1.3-搅拌头,1.4-注浆管，2-地下环境模拟装置，2.1-第一土层，2.2-第二土层，2.3-搅拌成型装置，2.4-刻度尺，2.5-有机玻璃箱，2.6-通孔，3-进水装置，3.1-进水管，3.2-流速计，4-出水装置。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型作进一步阐述，但本实用新型并不限于以下实施例，所述方法如无特别说明均为常规方法，所述材料如无特别说明均能从公开商业途径而得。

如图1、图2所示，一种室内模拟地下水流的搅拌桩试验装置，包括搅拌装置1、地下环境模拟装置2、进水装置3和出水装置4。

地下环境模拟装置2包括搅拌成型装置2.3和有机玻璃箱2.5，搅拌成型装置2.3为一玻璃筒，玻璃筒的侧壁开设通孔，竖直安装在有机玻璃箱2.5内，搅拌成型装置2.3和有机玻璃箱2.5从下至上依次充填第一土层2.1和第二土层2.2，有机玻璃箱2.5的长宽高上分别设有刻度尺2.4。有机玻璃箱2.5的尺寸为30cm×15cm×20cm，方便观察。

搅拌装置1包括可控速自动搅拌机1.1和自动升降搅拌杆1.2，所述自动升降搅拌杆1.2与可控速自动搅拌机1.1连接，可控速自动搅拌机1.1驱动自动升降搅拌杆1.2上下移动和旋转，自动升降搅拌杆1.2的下端设有搅拌头1.3，自动升降搅拌杆1.2上设有注浆管1.4，注浆管1.4位于搅拌头1.3，的上方，搅拌头1.3位于搅拌成型装置2.3的上方；使用时搅拌头1.3在自动升降搅拌杆1.2的驱动下进入搅拌成型装置2.3内的第一土层2.1和第二土层2.2。搅拌成型装置2.3的侧壁开设有若干通孔2.6。

进水装置3与出水装置4分别设置在有机玻璃箱2.5的两侧，进水装置3与出水装置4分别与有机玻璃箱2.5的内部连通。进水装置3包括进水管3.1和流速计3.2，进水管3.1通入有机玻璃箱2.5，流速计3.2设置在进水管3.1上。

搅拌头采用三组钢制刀片，两两夹角60°。搅拌头(1.3)的长度小于搅拌成型装置(2.3)的直径。搅拌头(1.3)的三组钢制刀片大小为：刀片一直径为d1，d1的长度为10-20cm，刀片二直径为d2，d2的长度为8-16cm，刀片三直径为d3，d3的长主为4-8cm，且d1＞d2＞d3。

一种室内模拟地下水流的搅拌桩试验装置的使用方法，包括如下步骤：

(1)水泥基固化剂准备：以偏高岭土、水玻璃、石膏、三乙醇胺或碳酸钠的一种或几种混合为助剂，将助剂掺入水泥中，掺量为水泥的5％-20％，形成水泥基固化剂；助剂掺入水泥中，掺量为水泥的优选10％；

(2)动水模拟作业：将进水管开关打开，过多水流通过出水管流出，此时调节水流速度为v1，在该流速下模拟搅拌桩施工过程；

(3)搅拌作业：调节可控速自动搅拌机的速度与自动升降搅拌杆的高度，将搅拌头与注浆管刚好置于搅拌桩成型装置内土层表面，模拟施工现场两喷四搅的过程，在搅拌头提升的时候喷出水泥基固化剂，水泥基固化剂与土层混合形成浆液；

(4)记录：观察浆液流动的过程，记录浆液流动的刻度值和时间，绘制流动轨迹图，根据结果筛选扩散慢、凝结快的浆液配比，为工程施工提供有效、充分的数据。

可控速自动搅拌机11速度调节范围控制在0～2000r/min，可正反转。

优选地，所述的自动升降搅拌杆12可自动升降，升降控制高度范围为0～40cm，可模拟现场搅拌桩钻入泥浆的过程。

使用前还包括土层的准备：根据实际工况土样含水率与类别，将不同性质的土样分别填入地下环境模拟装置中，土样含水率约60％，搅拌桩成型装置内外均需填入土样，进行分层压实，直至设定高度，填完后即形成土层一和土层二，高度均为10cm。土层一为粉细砂，土层二为粘土。

浆液配比：以偏高岭土、水玻璃、石膏、三乙醇胺或碳酸钠等一种或几种为助剂，掺入水泥中，掺量约为水泥的10％，形成水泥基固化剂，可缩短凝结时间，水泥基固化剂掺量为湿土质量的15％，水灰比控制在0.55，设计不同浆液配比，每次试验注入一种配比。

配比方案：

①42.5普通硅酸盐水泥掺量15％

②42.5普通硅酸盐水泥掺量15％+偏高岭土1.5％

③42.5普通硅酸盐水泥掺量15％+水玻璃1.5％

④42.5普通硅酸盐水泥掺量15％+石膏1.5％

⑤42.5普通硅酸盐水泥掺量15％+硅酸钠1.5％

⑥42.5普通硅酸盐水泥掺量15％+碳酸钠1.5％

⑦42.5普通硅酸盐水泥掺量15％+氯化钙0.5％

⑧42.5普通硅酸盐水泥掺量15％+三乙醇胺0.05％

各次浆液配比记录如下：

从表格数据中可以了解，通过室内模拟地下水流的搅拌桩试验装置，可以清楚了解到细砂层浆液扩散情况，同时通过水泥基固化固化剂来控制凝结时间，从而改善浆液在动水条件下扩散的情况。

上述实施例结合附图对本实用新型进行了说明，但并不能因此而理解为对本实用新型专利范围的限制，应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些均属于本实用新型的保护范围。

Claims (6)

1.一种室内模拟地下水流的搅拌桩试验装置，其特征在于：包括搅拌装置(1)、地下环境模拟装置(2)、进水装置(3)和出水装置(4)；

所述地下环境模拟装置(2)包括搅拌成型装置(2.3)和有机玻璃箱(2.5)，所述搅拌成型装置(2.3)竖直安装在有机玻璃箱(2.5)内，搅拌成型装置(2.3)和有机玻璃箱(2.5)从下至上依次充填第一土层(2.1)和第二土层(2.2)，所述有机玻璃箱(2.5)的长宽高上分别设有刻度尺(2.4)；

所述搅拌装置(1)包括可控速自动搅拌机(1.1)和自动升降搅拌杆(1.2)，所述自动升降搅拌杆(1.2)与可控速自动搅拌机(1.1)连接，所述自动升降搅拌杆(1.2)的下端设有搅拌头(1.3)，自动升降搅拌杆(1.2)上设有注浆管(1.4)，所述搅拌头(1.3)位于搅拌成型装置(2.3)的上方；

所述进水装置(3)与出水装置(4)分别设置在有机玻璃箱(2.5)的两侧，进水装置(3)与出水装置(4)分别与有机玻璃箱(2.5)的内部连通。

2.根据权利要求1所述的一种室内模拟地下水流的搅拌桩试验装置，其特征在于：所述搅拌成型装置(2.3)为玻璃筒，所述玻璃筒的侧壁开设有若干通孔(2.6)。

3.根据权利要求2所述的一种室内模拟地下水流的搅拌桩试验装置，其特征在于：所述搅拌头(1.3)采用三组钢制刀片，两两夹角60°。

4.根据权利要求3所述的一种室内模拟地下水流的搅拌桩试验装置，其特征在于：所述搅拌头(1.3)的长度小于搅拌成型装置(2.3)的直径。

5.根据权利要求4所述的一种室内模拟地下水流的搅拌桩试验装置，其特征在于：所述搅拌头(1.3)的三组钢制刀片大小为：刀片一直径为d1，d1的长度为10-20cm，刀片二直径为d2，d2的长度为8-16cm，刀片三直径为d3，d3的长主为4-8cm，且d1＞d2＞d3。

6.根据权利要求1所述的一种室内模拟地下水流的搅拌桩试验装置，其特征在于：进水装置(3)包括进水管(3.1)和流速计(3.2)，进水管(3.1)通入有机玻璃箱(2.5)，流速计(3.2)设置在进水管(3.1)上。

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