一种桩基载荷模型试验模型桩及其制作方法

技术领域

本发明涉及室内模型试验研究领域，具体涉及一种桩基载荷模型试验模型桩及其制作方法。

背景技术

桩载荷试验是岩土工程里常用的实验方法之一，用于评估桩基在地下工程中承受荷载时的变形性能和承载能力。然而，在实际工程中，桩与岩石界面的粗糙度会对桩的承载行为产生显著影响，为了深入研究这种影响，需要制作不同粗糙程度的桩岩界面模型作模型试验研究。

在现有的粗糙桩岩界面桩基载荷模型试验研究中，大多研究者采用预制材料模拟原型桩，如铝合金桩、钢棒、尼龙材料桩、空心铁管等，虽然采用这些方法可以方便地埋设应变传感器，但此类模型桩与原型钢筋混凝土桩在荷载作用下的力学行为以及荷载传递形式不完全相符。也有研究者采用现浇浆料的方法制作钢筋混凝土模型桩，虽可以比较符合实际地模拟原型桩的承载行为和具有相似的材料特性，但在布设应变片传感器时常采用外引法，致使应变传感器裸漏于桩身之外，并不能保护应变传感器在试桩受荷过程的完整和安全，致使应变传感器导线产生破损或者导致比较大的试验误差。

发明内容

本发明的目的是为了解决上述存在的问题，提供一种桩基载荷模型试验模型桩及其制作方法，用于桩岩界面粗糙程度对桩基承载特性影响的模型试验研究。

本发明的另一个目的是提供一种桩基载荷模型试验模型桩桩模。

为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

本发明涉及一种桩基载荷模型试验模型桩桩模，包括管壁、底板、凸条以及钢筋笼；所述管壁包括管壁外层和管壁内层，所述管壁内层包括至少一个规则排列的凸起面或凹陷面，所述至少一个规则排列的凸起面或凹陷面为光滑面，所述管壁闭合围成环形空心管；所述底板与所述管壁一端固定连接，所述底板中心开设至少一通孔；所述管壁内层固定连接至少一所述凸条，所述凸条截面为矩形；所述钢筋笼包括螺旋筋和至少一纵筋，所述至少一纵筋穿设所述螺旋筋轴向并紧触所述螺旋筋内侧筋体，通过锡焊工艺与所述螺旋筋内侧筋体固定连接，所述纵筋伸出所述螺旋筋一端面；所述钢筋笼轴心与所述管壁轴心位于同一直线，伸出所述螺旋筋一端面的所述纵筋穿设所述底板上的通孔。

优选的，所述管壁外层表面与所述管壁内层表面均为相同的光滑表面，可以是圆弧面，或是左右齿面，或是平齿面，上述的光滑表面可以制作多样桩岩界面形态的模型桩。

优选的，所述螺旋筋材料为弹簧，所述弹簧丝径0.2mm～1mm，所述弹簧外径3mm～10mm，可根据所述桩模大小选用尺寸型号合适的所述弹簧。

优选的，所述纵筋一端伸出所述螺旋筋，所述螺旋筋长小于所述管壁长。

优选的，所述纵筋材料为不锈钢材，直径1mm～3mm。

本发明还涉及一种桩基载荷模型试验模型桩，包括桩体、凹槽、传感器及胶粘剂；所述桩体包括桩头和桩身，所述桩体材料为胶凝材料拌水混合而成的浆料；所述桩身包括至少一个规则排列的凸起面或凹陷面，所述至少一个规则排列的凸起面或凹陷面可以是光滑的圆弧面，或是左右齿面，或是平齿面，上述的光滑表面可以通过模型试验有效地模拟多样的桩岩界面形态；所述凹槽截面为矩形，所述桩身开设至少一个所述凹槽；所述传感器包括应变片，所述应变片规则排列于所述凹槽内表面层；所述应变片连接应变片导线，所述应变片导线埋设于所述凹槽中；所述胶粘剂填充于所述凹槽内，覆盖所述应变片和所述应变片导线。

优选的，所述桩体材料组成包括水泥、硅灰、钢渣、石英砂、水以及减水剂，可制作高强度高刚度模型桩，与原型桩质量相似。

优选的，所述钢筋笼埋设在所述桩头内，不伸出所述桩头，保证所述模型桩头不露筋。

本发明还涉及一种以上技术方案所述模型桩的制作方法，包括以下步骤：

S01、制作钢筋笼：将所述纵筋穿越拉直后的所述螺旋筋内侧轴向并紧贴所述螺旋筋，使用焊锡丝配合平口尖嘴钳绑扎所述纵筋和所述螺旋筋两端任一交点及中间端任一交点，作为所述纵筋与所述螺旋筋连接的紧固点；用焊锡丝配合平口尖嘴钳在与上述绑扎点相邻的交点处各绑扎一圈，作为所述纵筋与所述螺旋筋的焊接点，使用打火机外焰熔化所述焊接点上已绑扎的焊锡丝，待冷却后所述焊接点则具备足够的连接强度，完成第1只所述纵筋与所述螺旋筋的连接；重复上述方法，在所述螺旋筋内侧穿越第2只、第3只所述纵筋与第1只所述纵筋形成规则排列，后以相同的焊锡方法连接所述螺旋筋，待焊接完成、焊接点冷却之后拆解所述紧固点，完成三纵筋钢筋笼的制作；

S02、制作桩模：通过计算机绘图工具绘制所述桩模模型，后采用3D打印技术打印所述桩模，再自然冷却；

S03、桩模底面开孔：将所述钢筋笼三只所述纵筋端点架设于所述桩模底面，并将所述钢筋笼轴心与所述桩模轴心重合，使用记号笔在所述桩模底面上描出三只所述纵筋与所述桩模底面的接触位置，描出三个记号点后使用烧热的铁丝烫穿所述记号点；

S04、涂油润滑桩模：使用薄膜与橡皮筋配合套住所述桩模底部开孔位置，将润滑油注入所述桩模内侧来回翻转，倒扣所述桩模倒出所述润滑油再静置所述桩模5～10分钟；

S05、安装钢筋笼：将所述钢筋笼置入所述桩模内，所述纵筋穿越所述桩模底面的开孔；

S06、准备桩体材料：称量水泥、硅灰、钢渣、石英砂、水以及减水剂，混合搅拌成具有良好流动状态的浆料；

S07、往桩模注浆：使用小容量注浆勺少量多次注入所述桩模内部，注入4～6勺所述浆料则震荡一次所述桩模，同时手压所述钢筋笼使其在震荡所述桩模过程中不脱落，重复上述方法直到所述桩模注满浆料；往所述桩模中注满所述浆料后使用薄膜和橡皮筋封口保水；

S08、模型桩初凝：将所述桩模在自然室温条件下放置2天，桩体初凝；

S09、模型桩脱模：所述桩模的脱模采用切割法，首先在所述桩模外壁上沿轴向按等间隔画8条直线；其次使用角磨机安装切割刀片沿着8条直线切割1～2mm深度的凹槽；最后使用吹风筒热风软化所述凹槽，再用小刀沿着8条所述凹槽将所述桩模外壁完全切开，取出所述模型桩，完成脱模；

S10、模型桩养护：在温度95°、湿度95％以上的条件下养护7～14天；

S11、安装传感器：使用酒精和棉签配合将所述模型桩身的所述凹槽擦拭干净，使用记号笔和直尺配合沿着所述凹槽标记贴片定位点，通过502胶水将所述应变片粘贴至所述定位点，应变片导线引向所述桩头方向，使用所述胶粘剂涂抹所述凹槽中的所述应变片导线，使所述应变片导线具有粘性后，使用工具将所述应变片导线在所述凹槽在中规则地布线排列；

S12、保护传感器：使用所述胶粘剂注满所述凹槽，使所述胶粘剂液面与所述模型桩身表面齐平。

采用本发明涉及的一种桩基载荷模型试验模型桩进行模型试验的试验步骤如下：

(1)根据试验设计和试验方案确定模型试验模型桩材料，设计强度和设计弹性模量，以及类岩的材料、设计强度和设计弹性模量；

(2)进行室内土工试验的正交设计试验，确定满足类岩设计强度的材料配合比，以及满足模型桩设计强度的材料配合比；

(3)采用3D技术制作本发明涉及的一种桩基载荷模型试验模型桩桩模；

(4)称量并搅拌模型桩材料，根据本发明的种桩基载荷模型试验模型桩的制作方法制作模型桩并养护；

(5)在模型桩身粘贴应变片以及通过开槽法内引出应变片导线；

(6)搅拌类岩材料，制作试验方案设计的模型；

(7)试验模型养护到期后，置于加载设备上，进行模型桩应变片接线，埋置土压力盒以及安装位移传感器测量桩顶沉降；

(8)开始加载，加载方式包括下压荷载、上拔荷载、水平荷载以及倾斜荷载等，根据桩基试验相关规范确定终止加载的条件，试验结束。

本发明与现有技术对比的有益效果：

(1)采用本发明涉及的一种桩基载荷模型试验模型桩可以非常有效地模拟钢筋混凝土原型桩，还可以采用内引法布设应变传感器，能够有效的保护应变传感器的安全性以及使试验误差减到最小；

(2)采用本发明涉及的一种桩基载荷模型试验模型桩可以制作多样的模型桩岩界面粗糙形态以及粗糙程度，而且本发明对制作的模型桩岩界面粗糙度控制精度高。

附图说明

附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的具体实施方式一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1是本发明提供的圆弧形管壁桩模剖切透视图；

图2是本发明提供的钢筋笼结构俯视图及正视图；

图3是本发明提供的桩模外形轮廓图；

图4是本发明提供的桩模俯视图及A-A、B-B截面图；

图5是本发明提供的桩模横截面剖切图；

图6是本发明提供的左右齿面管壁桩模剖切透视图；

图7是本发明提供的平齿面管壁桩模剖切透视图；

图8是本发明提供的圆弧形模型桩身剖切透视图；

图9是本发明提供的模型桩身凹槽应变片导线布线图及C-C截面图；

图10是本发明提供的模型桩身侧视图；

图11是本发明提供的左右齿面模型桩身剖切透视图；

图12是本发明提供的平齿面模型桩身剖切透视图；

图13是本发明提供的涉及一种桩基载荷模型试验模型桩制作方法流程图；

表1是本发明涉及的技术特征编号及对应特征名称表。

表1

具体实施方式

下面结合具体实施方式并对照附图对本发明作进一步详细说明。应该强调的是，下述说明仅仅是示例性的，而不是为了限制本发明的范围及其应用。

以下实施例公开一种桩基载荷模型试验模型桩桩模。

实施例1：

如图1～图5所示，本发明的一种桩基载荷模型试验模型桩桩模，包括管壁10、底板20、凸条60以及钢筋笼70；管壁10包括管壁外层11和管壁内层12，管壁内层12形态为光滑的圆弧面，管壁10闭合围成空心管；底板20与管壁10一端固定连接，可以是一体连接，底板20开设3个呈三角形分布的通孔21，作用是定位钢筋笼70；在管壁内层12上规则排列地设4个凸条60，凸条60截面为矩形，作用是通过所述桩模注浆制作模型桩时形成桩身凹槽；钢筋笼70包括一个螺旋筋71和3个纵筋72，螺旋筋71可以采用弹簧73实现箍裹桩体浆料功能，每个纵筋72分别穿过弹簧73内并通过熔化锡丝形成3个焊锡熔点74与弹簧73紧固连接，纵筋72至少伸出弹簧73一端5mm，将钢筋笼70伸进桩模管壁内层12，两者轴心重合，伸出弹簧73一端的纵筋72穿过底板20上的通孔21，作用是在所述桩模注浆时有效定位钢筋笼70。

在本发明的一种桩基载荷模型试验模型桩桩模中，弹簧73丝径0.2mm～1mm，弹簧73外径3mm～10mm，可根据实际试验方案制作不同尺寸的钢筋笼70；弹簧71长度不超过管壁10长度，避免通过所述桩模制作的模型桩露筋；纵筋72材料为不锈钢直条，具有较高强度和刚度，直径在1mm～3mm之间。

实施例2：

如图6所示，根据实施例1所述的一种桩基载荷模型试验模型桩桩模，与实施例1的区别是：管壁内层12形态为规则排列的光滑左右齿面。

实施例3：

如图7所示，根据实施例1或实施例2所述的一种桩基载荷模型试验模型桩桩模，与实施例1或实施例2的区别是：管壁内层12形态规则排列的光滑平齿面。

以下实施例公开一种桩基载荷模型试验模型桩。

实施例4：

如图8～图10所示，本发明的一种桩基载荷模型试验模型桩，包括桩体、凹槽83、胶粘剂以及钢筋笼70，桩体包括桩头81和桩身82，桩体材料为胶凝材料拌水混合而成的浆料，桩身82形态为规则排列的圆弧形；沿着桩身82轴向四个方位开设截面为矩形的凹槽83，可以在结构内布设传感器90以保护传感器不受破坏，传感器90包括应变片91和应变片导线92，应变片91规则排列于凹槽83中，应变片导线92规则布线于凹槽83中；胶粘剂填充凹槽83内，覆盖应变片91以及应变片导线92，可有效保护应变片以及应变片导线。

在本发明的一种桩基载荷模型试验模型桩中，桩体材料由水泥、硅灰、钢渣、石英砂、水以及减水剂组成，按一定的比例混合上述材料可制作高强度和高刚度的性能的所述模型桩；钢筋笼70长度不超过所述桩体总长，钢筋笼70完全埋设于所述桩体内以保证不漏筋。

实施例5：

如图11所示，根据实施例4所述的一种桩基载荷模型试验模型桩，与实施例4的区别是：桩身形态为规则排列的光滑左右齿面。

实施例6：

如图12所示，根据实施例4或实施例5所述的一种桩基载荷模型试验模型桩，与实施例4或实施例5的区别是：桩身形态为规则排列的光滑平齿面。

以下公开本发明的一种桩基载荷模型试验模型桩的制作方法，如图13所示，具体包括以下步骤：

S01、制作钢筋笼：将所述纵筋穿越拉直后的所述螺旋筋内侧轴向并紧贴所述螺旋筋，使用焊锡丝配合平口尖嘴钳绑扎所述纵筋和所述螺旋筋两端任一交点及中间端任一交点，作为所述纵筋与所述螺旋筋连接的紧固点；用焊锡丝配合平口尖嘴钳在与上述绑扎点相邻的交点处各绑扎一圈，作为所述纵筋与所述螺旋筋的焊接点，使用打火机外焰熔化所述焊接点上已绑扎的焊锡丝，待冷却后所述焊接点则具备足够的连接强度，完成第1只所述纵筋与所述螺旋筋的连接；重复上述方法，在所述螺旋筋内侧穿越第2只、第3只所述纵筋与第1只所述纵筋形成规则排列，后以相同的焊锡方法连接所述螺旋筋，待焊接完成、焊接点冷却之后拆解所述紧固点，完成三纵筋钢筋笼的制作；

S02、制作桩模：通过计算机绘图工具绘制所述桩模模型，后采用3D打印技术打印所述桩模，再自然冷却；

S03、桩模底面开孔：将所述钢筋笼三只所述纵筋端点架设于所述桩模底面，并将所述钢筋笼轴心与所述桩模轴心重合，使用记号笔在所述桩模底面上描出三只所述纵筋与所述桩模底面的接触位置，描出三个记号点后使用烧热的铁丝烫穿所述记号点；

S04、涂油润滑桩模：使用薄膜与橡皮筋配合套住所述桩模底部开孔位置，将润滑油注入所述桩模内侧来回翻转，倒扣所述桩模倒出所述润滑油再静置所述桩模5～10分钟；

S05、安装钢筋笼：将所述钢筋笼置入所述桩模内，所述纵筋穿越所述桩模底面的开孔；

S06、准备桩体材料：称量水泥、硅灰、钢渣、石英砂、水以及减水剂，混合搅拌成具有良好流动状态的浆料；

S07、往桩模注浆：使用小容量注浆勺少量多次注入所述桩模内部，注入4～6勺所述浆料则震荡一次所述桩模，同时手压所述钢筋笼使其在震荡所述桩模过程中不脱落，重复上述方法直到所述桩模注满浆料；往所述桩模中注满所述浆料后使用薄膜和橡皮筋封口保水；

S08、模型桩初凝：将所述桩模在自然室温条件下放置2天，桩体初凝；

S09、模型桩脱模：所述桩模的脱模采用切割法，首先在所述桩模外壁上沿轴向按等间隔画8条直线；其次使用角磨机安装切割刀片沿着8条直线切割1～2mm深度的凹槽；最后使用吹风筒热风软化所述凹槽，再用小刀沿着8条所述凹槽将所述桩模外壁完全切开，取出所述模型桩，完成脱模；

S10、模型桩养护：在温度95°、湿度95％以上的条件下养护7～14天；

S11、安装传感器：使用酒精和棉签配合将所述模型桩身的所述凹槽擦拭干净，使用记号笔和直尺配合沿着所述凹槽标记贴片定位点，通过502胶水将所述应变片粘贴至所述定位点，应变片导线引向所述桩头方向，使用所述胶粘剂涂抹所述凹槽中的所述应变片导线，使所述应变片导线具有粘性后，使用工具将所述应变片导线在所述凹槽在中规则地布线排列；

S12、保护传感器：使用所述胶粘剂注满所述凹槽，使所述胶粘剂液面与所述模型桩身表面齐平。