采用模拟灌注桩桩端后注浆的室内试验装置的试验方法

摘要

本发明涉及一种采用模拟灌注桩桩端后注浆的室内试验装置的试验方法，该装置包括依次连接的空气压缩机、储浆罐和模型桩，在空气压缩机和储浆罐的连接管路上设置调压阀和压力表，储浆罐的顶部设有法兰顶盖，储浆罐的底部通过进浆管和注浆阀连接模型桩，所述模型桩插设在模型槽中。与现有技术相比，本发明可用于模拟现场灌注桩桩端后注浆的注浆工艺，能够较好的反映桩端后注浆的实际工艺流程，实现对不同土层的大尺寸模型灌注桩的桩端进行后注浆，并能控制注浆压力和注浆量。采用本发明的试验结果，能够较好地反映经过桩端后注浆的基桩的实际工作性状，有利于揭示桩端后注浆的注浆机制，为实际桩基工程的桩端后注浆的设计、施工等提供参考依据。

权利要求

1.一种采用模拟灌注桩桩端后注浆的室内试验装置的试验方法，该模拟灌注桩桩端后注浆的室内试验装置包括依次连接的空气压缩机(24)、储浆罐(6)和模型桩(11)，在所述空气压缩机(24)和储浆罐(6)的连接管路上设置调压阀(1)和压力表(2)，所述储浆罐(6)的顶部设有法兰顶盖(5)，储浆罐(6)的底部通过进浆管(8)和注浆阀(9)连接模型桩(11)，所述模型桩(11)插设在模型槽(20)中；其中，所述的法兰顶盖(5)上方设有泄压阀(4)，该泄压阀(4)通过泄压孔(3)连通大气；所述的模型桩(11)从外向内依次为混凝土层(15)、角铝层(14)、应变片(13)和注浆管(12)，所述注浆管(12)通过注浆阀(9)和进浆管(8)连接储浆罐(6)的底部，所述的应变片(13)通过数据线连接应变采集仪，所述的模型槽(20)内装填模拟土体(21)，模型槽(20)的顶部设有加载装置(22)，该加载装置(22)与所述模型桩(11)连接，用于测试模型桩(11)的理化性能，其特征在于，该方法主要包括以下几个步骤：(1)在模型槽(20)内装填模拟土体(21)，压实并使模拟土体(21)固结，然后在模拟土体(21)中钻孔并插入内部含有注浆管(12)的铝管，且该铝管的内表面贴有应变片(13)，然后浇注混凝土并插捣密实形成模型桩(11)；

(2)将注浆管(12)连接储浆罐(6)，并连接空气压缩机(24)和储浆罐(6)；

(3)在储浆罐(6)中倒入水泥浆液，待进浆管(8)中充满水泥浆液后关闭注浆阀(9)，继续在储浆罐(6)中倒入水泥浆液，直至储浆罐(6)内水泥浆液达到注浆量设计值；

(4)盖上法兰顶盖(5)，关闭泄压阀(4)，开启空气压缩机(24)，待压力表(2)的读数达到预定压力值时关闭调压阀(1)；

(5)打开注浆阀(9)，开始向模型桩(11)桩端进行后注浆，调节调压阀(1)，使储浆罐(6)内压力始终稳定在设计压力值状态，直至注浆完成，然后依次关闭注浆阀(9)、调压阀(1)和空气压缩机(24)；

(6)测试注浆量以及模型桩(11)的理化性能。

2.根据权利要求1所述的一种采用模拟灌注桩桩端后注浆的室内试验装置的试验方法，其特征在于，步骤(1)所述模拟土体的填充采用如下步骤：根据实际工地现场的土质配备模拟土体，分层填入模型槽(20)内，每一层的厚度为130～170mm，每层填完后进行夯实，待模拟土体填充完毕后固结至少30天。

3.根据权利要求1所述的一种采用模拟灌注桩桩端后注浆的室内试验装置的试验方法，其特征在于，步骤(1)所述铝管为由两根角铝对接组合形成的口字形管，铝管的内表面均匀分布应变片(13)，所述铝管的两端采用纱布包裹，并采用环氧树脂密封。

4.根据权利要求1所述的一种采用模拟灌注桩桩端后注浆的室内试验装置的试验方法，其特征在于，步骤(1)所述混凝土所用石子的粒径为1～5mm。

5.根据权利要求1所述的一种采用模拟灌注桩桩端后注浆的室内试验装置的试验方法，其特征在于，步骤(3)所述水泥浆液中添加着色剂，使水泥浆液凝固后带有颜色；

所述注浆量设计值为0～5L。

6.根据权利要求1所述的一种采用模拟灌注桩桩端后注浆的室内试验装置的试验方法，其特征在于，步骤(4)所述预定压力值为0～0.7MPa。

说明书

采用模拟灌注桩桩端后注浆的室内试验装置的试验方法

技术领域

[0001] 本发明涉及灌注桩桩端后注浆工程技术领域，具体涉及一种采用模拟灌注桩桩端后注浆的室内试验装置的试验方法。

背景技术

[0002] 随着我国建设的发展，灌注桩基础在城市高层建筑、港口码头、交通和海洋等工程中得到越来越广泛的应用，因其具有能广泛适用于各类土质条件、桩的长径比可以灵活选用、承载能力高等优点，已经成为我国现阶段广泛使用的主要基础形式之一。对灌注桩基础的合理使用，既能有效的提高地基的承载能力，降低建(构)筑物的沉降变形，又能提高建(构)筑物的抗震性能，从而确保建(构)筑物的长期使用安全。但是灌注桩也存在以下两个方面的问题：(1)成孔过程中，因施工扰动导致桩底出现一定厚度的沉渣，特别孔深较深时，清孔较困难，造成桩端沉渣过厚，桩端阻力降低过大；(2)成孔和泥浆护壁导致桩侧、桩端土体软化，成桩后桩端位移过大，桩端阻力不能有效发挥等。

[0003] 为了消除桩底沉渣的影响，加固桩端土体，同时也为了提高灌注桩的竖向承载性能，目前工程实际中，对于灌注桩工程，尤其是大直径灌注桩工程，经常采用桩端后注浆技术。对桩端进行后注浆可以加固桩端土体，消除桩底沉渣对桩端阻力发挥的不利影响，同时由于浆液的上返，能够加固桩端以上一定范围内的土体，有利于桩侧阻力的发挥。但在实际工程操作中，由于地质条件复杂，难以保证注浆效果，也缺乏检测手段和技术，关于桩端后注浆技术也缺少理论支撑，从而影响桩端后注浆技术的推广和应用。因此，如何确定注浆量和注浆压力与桩端阻力和桩侧阻力提高的关系，如何在室内试验中模型桩端后注浆工艺以便更好的从理论上研究桩端后注浆技术的注浆机理，便成为诸多学者关注的重点，也是在工程实际中推广桩端后注浆技术应用的关键点。

发明内容

[0004] 本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种适合室内桩端后注浆试验、有利于揭示桩端后注浆的注浆机理的采用模拟灌注桩桩端后注浆的室内试验装置的试验方法。

[0005] 本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：一种模拟灌注桩桩端后注浆的室内试验装置，所述装置包括依次连接的空气压缩机、储浆罐和模型桩，在所述空气压缩机和储浆罐的连接管路上设置调压阀和压力表，所述储浆罐的顶部设有法兰顶盖，储浆罐的底部通过进浆管和注浆阀连接模型桩，所述模型桩插设在模型槽中。

[0006] 所述的法兰顶盖上方设有泄压阀，该泄压阀通过泄压孔连通大气。

[0007] 所述的模型桩从外向内依次为混凝土层、角铝层、应变片和注浆管，所述注浆管通过注浆阀和进浆管连接储浆罐的底部，所述的应变片通过数据线连接应变采集仪。所述的混凝土层主要用于模拟实际工程中基桩的桩身，其配合比应根据相似理论配制；所述的角铝层用于粘贴应变片和模拟实际工程中基桩的钢筋笼，其尺寸和物理力学特性应根据相似比选择；所述的应变片通过数据线连接应变采集仪，主要用于桩身内力的测试；所述的注浆管为桩端后注浆时浆液注入的通道，为了使模型试验中的注浆压力能更好的模拟现场实际的桩端注浆压力，注浆管的内径应与现场实际的注浆孔内径接近，宜为8mm左右。

[0008] 所述的模型槽内装填模拟土体，模型槽的顶部设有加载装置，该加载装置与所述模型桩连接，用于测试模型桩的理化性能。

[0009] 一种采用如上所述模拟灌注桩桩端后注浆的室内试验装置的试验方法，主要包括以下几个步骤：

[0010] (1)在模型槽内装填模拟土体，压实并使模拟土体固结，然后在模拟土体中钻孔并插入内部含有注浆管的铝管，且该铝管的内表面贴有应变片，然后浇注混凝土并插捣密实形成模型桩；

[0011] (2)将注浆管连接储浆罐，并连接空气压缩机和储浆罐；

[0012] (3)在储浆罐中倒入水泥浆液，待进浆管中充满水泥浆液后关闭注浆阀，继续在储浆罐中倒入水泥浆液，直至储浆罐内水泥浆液达到注浆量设计值；

[0013] (4)盖上法兰顶盖，关闭泄压阀，开启空气压缩机，待压力表的读数达到预定压力值时关闭调压阀；

[0014] (5)打开注浆阀，开始向模型桩桩端进行后注浆，调节调压阀，使储浆罐内压力始终稳定在设计压力值状态，直至注浆完成，然后依次关闭注浆阀、调压阀和空气压缩机；

[0015] (6)测试注浆量以及模型桩的理化性能。

[0016] 步骤(1)所述模拟土体的填充采用如下步骤：根据实际工地现场的土质配备模拟土体，分层填入模型槽内，每一层的厚度为130～170mm，每层填完后进行夯实，待模拟土体填充完毕后固结至少30天。

[0017] 步骤(1)所述铝管为由两根角铝对接组合形成的口字形管，铝管的内表面均匀分布应变片，所述铝管的两端采用纱布包裹，并采用环氧树脂密封。

[0018] 步骤(1)所述混凝土所用石子的粒径为1～5mm，由于模型桩长细比的限制，模型试验所用模型桩直径较小，选用粒径为1～5mm的石子，在满足混凝土和易性要求和保证钻孔灌注桩成桩质量要求的基础上，方便成桩时混凝土的灌注和密实。

[0019] 步骤(3)所述水泥浆液中可添加着色剂，使水泥浆液凝固后带有颜色，便于模型试验结束后开挖土体，直观的检查注浆效果。

[0020] 所述注浆量设计值为0～5L。

[0021] 步骤(3)将水泥浆液倒入储浆罐内时，先打开注浆阀，待进浆管内充满水泥浆液时再关闭注浆阀；储浆罐里的水泥浆液量为该次试验单桩的桩端后注浆的注浆量设计值，注浆完成后，须测定储浆罐内水泥浆液的变化量，以确定实际注浆量。

[0022] 步骤(4)所述预定压力值为0～0.7MPa。

[0023] 步骤(4)具体采用以下步骤：盖上储浆罐上的法兰顶盖，拧紧法兰顶盖上的螺栓，关闭泄压阀，密封储浆罐，然后开启空气压缩机，调节调压阀，注意压力表的读数变化，待储浆罐内压力达到预设值时关闭调压阀。

[0024] 步骤(5)具体采用以下步骤：①若采用控制注浆压力的注浆方式，首先应打开注浆阀，开始注浆，同时注意观察压力表读数变化，在压力表读数下降时及时调节调压阀，补充注浆压力，使注浆压力始终维持在设定值上，直至压力表读数不再持续下降，此次注浆完成；②若采用控制注浆量的注浆方式，储浆罐内的注浆量应为设计注浆量，在打开注浆阀开始注浆后，注意观察进浆管情况和压力表读数，若压力表读数持续降低，则表明水泥浆液正在被缓缓注入，此时需调节调压阀，使注浆压力维持在设定值上，直至储浆罐内的水泥浆液被完全注入桩端；若压力表读数不下降，则需调节调压阀，增大注浆压力，直至储浆罐内的水泥浆液被完全注入，记录此时的压力表读数，此次注浆完成。

[0025] 所述的理化性能包括桩身内力、桩顶位移、桩端后注浆形成的浆泡大小和强度、浆液分布情况。所述的桩身内力包括桩身轴力、桩侧土的分层侧阻力和桩端阻力，其测试方法为通过数据线连接的应变采集仪采集不同断面处的应变值，然后根据应变值计算出相应断面处的桩身轴力，再根据桩身轴力计算出桩侧土的分层侧阻力和桩端阻力；所述的桩顶位移用安装在桩顶的百分表测试；所述的桩端后注浆形成的浆泡大小和强度、浆液分布情况是在试验完成后，开挖桩周土体直接测试得出。以上测试结果可用于分析不同工况下桩端后注浆和未注浆情况下的桩侧阻力、桩端阻力和桩顶位移的变化情况，进而确定注浆量和注浆压力与桩端阻力和桩侧阻力提高的关系，并结合桩端后注浆形成的浆泡大小和强度、浆液分布情况分析桩端后注浆的注浆效果和注浆机制，为实际工程桩端后注浆的设计、施工、工艺改进和推广提供依据。

[0026] 与现有技术相比，本发明的有益效果体现在以下几方面：

[0027] (1)采用混凝土作为桩身材料，能更好反映基桩的实际工作性状，为探讨桩土相互作用机理提供有力保障；

[0028] (2)采用模型钻机钻孔，并模拟泥浆护壁技术，能较好的反映现场灌注桩的实际情况；

[0029] (3)注浆管内径为8mm左右，与现场实际的注浆孔接近，使模型试验中的注浆压力能很好的模拟现场实际的桩端注浆压力；

[0030] (4)可控制注浆压力和注浆量，因此能进行不同工况下的桩端后注浆的注浆试验，从而能揭示某一参数对桩端后注浆灌注桩竖向承载机制的影响规律；

[0031] (5)模型槽土体开挖方便，可在桩端后注浆试验完成后开挖土体，直观的检测桩端后注浆的注浆效果；

[0032] (6)装置使用过后可重复利用。

附图说明

[0033] 图1为本发明装置的连接示意图；

[0034] 图2为本发明模型桩的剖面示意图；

[0035] 图3为本发明模型桩的横截面示意图；

[0036] 图4为本发明储浆罐的结构示意图；

[0037] 图5为本发明法兰顶盖的示意图；

[0038] 图6为本发明模型槽的剖面示意图；

[0039] 图7为本发明模型槽的俯视图。

[0040] 其中，1为调压阀，2为压力表，3为泄压孔，4为泄压阀，5为法兰顶盖，6为储浆罐，7为水泥浆液，8为进浆管，9为注浆阀，10为百分表，11为模型桩，12为注浆管，13为应变片，14为角铝层，15为混凝土层，16为支架，17为出浆口，18为加压孔，19为螺栓孔，20为模型槽，21为模拟土体，22为加载装置，23为滑动导轨，24为空气压缩机。

具体实施方式

[0041] 下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

[0042] 实施例

[0043] 一种模拟灌注桩桩端后注浆的室内试验装置，其连接如图1所示，该装置包括依次连接的空气压缩机24、储浆罐6和模型桩11，在空气压缩机24和储浆罐6的连接管路上设置调压阀1和压力表2，储浆罐6的顶部设有法兰顶盖5，法兰顶盖5上方设有泄压阀4，该泄压阀4通过泄压孔3连通大气。储浆罐6的内部放置水泥浆液，储浆罐6底部通过进浆管8和注浆阀
9连接模型桩11，模型桩的中部插有注浆管12，模型桩11的附近还安装有百分表10，主要用于测试注浆过程中模型桩11的上抬位移和试验过程中的桩顶沉降。

[0044] 其中，模型桩11的结构如图2和图3所示，模型桩11的长为1.9米，其中入土深度1.8m，模型桩11桩身上共分布7组应变片13，每组应变片13间隔250mm，其中桩端以上约50mm处的应变片13主要用于桩端阻力的近似测设，应变片13连接的数据线从桩顶侧面开口引出，便于利用应变采集仪对应变进行测量。模型桩11的桩芯由两根尺寸为15mm×15mm×1mm的角铝和一根内径为8mm的注浆管12组成，呈封闭矩形状，应变片13贴于角铝层14内侧，注浆管12布置在角铝中心处，角铝层14的外侧填充有混凝土层15。

[0045] 储浆罐6的结构示意图如图4和图5所示，储浆罐6放置在支架16上，顶部设有法兰顶盖5，底部设有出浆口17，其中，法兰顶盖5的中央设有加压孔18，该加压孔18通过管道连接空气压缩机，并在连接管道上设有调压阀1和压力表2，另外，在加压孔18的旁边设有泄压阀4，该泄压阀4通过泄压孔3连接大气，在注浆完成后打开法兰顶盖5之前，可开启泄压阀4利用泄压孔3进行泄压，以保证安全；在法兰顶盖5的外侧设有螺栓孔19，用于将法兰顶盖5与储浆罐6罐体的固定密封。在储浆罐6的内部装有水泥浆液7。储浆罐6高435mm，直径126mm，最大储浆量约5L，储浆罐6底部设计有出浆口17，并有支架16提供稳固支撑，储浆罐6顶部为可开启法兰顶盖5，可方便水泥浆液7的倒入和注浆完成后对储浆罐6的清洗。

[0046] 在试验时，模型桩11插设在模型槽20中，模型槽20的结构如图6和图7所示，模型槽20呈矩形，侧壁均为钢筋混凝土结构，其净截面尺寸长×宽×高为3.0m×2.1m×3.0m，壁厚
0.3m，模型槽20底面位于地面以下1.6m深处。模型槽20内装填模拟土体21，模型槽20的顶部设有滑动导轨23，并在该滑动导轨23上连接加载装置22，该加载装置22与所述模型桩11连接，用于测试模型桩11的理化性能。

[0047] 一种采用上述模拟灌注桩桩端后注浆的室内试验装置的试验方法，采用以下步骤：

[0048] 第一步：模型槽的净截面尺寸长×宽×高为3.0m×2.1m×3.0m，壁厚0.3m，首先应按相似比配备约20m3的土体，配备好后向模型槽20中分层填筑，每层约150mm，每填筑一层均应用橡皮锤夯实，直至填筑至与图6中操作平台齐平。

[0049] 第二步：制作模型桩桩芯。模型桩芯由两根尺寸为15mm×15mm×1mm的角铝组成，呈封闭矩形状，矩形中心放置内径为8mm的注浆管，在桩芯内部预先粘贴应变片以测量桩身应力，应变片数据线从桩顶侧面开口导出，在桩芯角铝周身和桩芯两端开口处均用纱布包裹，并涂环氧树脂密封。每根模型桩桩身共分布7组应变片，其中桩端以上约50mm处的应变片主要用于桩端阻力的近似测设，模型桩的入土深度1800mm，桩径约46mm，桩的长径比约为40。

[0050] 第三步：待模型槽中土体固结至少30天后，利用模型钻孔机在预设桩位出钻孔，钻孔时需模拟泥浆护壁技术，钻孔完成并清孔后插入制作好的桩芯，然后灌入细骨料混凝土并插捣密实成桩，细骨料混凝土所采用的石子须用标准筛筛选，其所用石子粒径介于1～5mm之间，以保证模型桩的成桩质量。

[0051] 第四步：制备设计注浆量所需的水泥浆液，水泥浆液在搅拌机里制备。制浆时，先放水，再加外加剂，搅拌均匀后再加水泥，制浆时间约5分钟；制浆完成后，将浆液倒入储浆罐6内，储浆罐高435mm，直径126mm，容许储浆量约5L。

[0052] 第五步：模型桩养护龄期满后，连接桩端后注浆装置。首先待进浆管8内充满水泥浆液后，关闭注浆阀9，将进浆管与注浆管连接，接口处用喉箍拧紧，防止注浆过程中漏压；待倒入储浆罐内的浆液达到设计注浆量后，盖上法兰顶盖5，拧紧螺栓19，关闭泄压阀4，连接加压孔18和空气压缩机，调节调压阀1至关闭状态。

[0053] 第六步：对模型桩进行桩端后注浆。首先开启空气压缩机，调节调压阀1，对储浆罐6内水泥浆液7进行加压，同时注意压力表2的读数，待储浆罐6内压力达到预设值时关闭调压阀1，然后打开注浆阀9，水泥浆液7在压力下注入桩端，注浆过程中须依据试验的注浆方案，根据压力表2读数的变化不断调节调压阀1，使施加给储浆罐6内水泥浆液7的压力符合设计要求。

[0054] 第七步：注浆完成后依次关闭注浆阀9、调压阀1和空气压缩机24，然后开启泄压阀4，待储浆罐6内的压力经泄压孔3泄完后，打开法兰顶盖5，量测储浆罐6内水泥浆液7的变化量，计算出实际注浆量，并确定是否需要二次注浆。若需要，则按照注浆方案继续注浆；若不需要，则打开喉箍，将进浆管8与注浆管12分离，然后清洗储浆罐6和进浆管8，本组试验结束。

[0055] 本实施例中采用的灌注桩桩端后注浆的控制方法分为控制注浆压力和控制注浆量两种，不同的控制方式对应有不同的试验方法：①若采用控制注浆压力的注浆方式，在打开注浆阀9开始注浆后，须注意观察压力表2读数的变化，在压力表2读数下降时及时调节调压阀1，补充注浆压力，使注浆压力始终维持在设定值上，直至注浆完成；②若采用控制注浆量的注浆方式，储浆罐6内的水泥浆液7应达到本次注浆量的设计值，在打开注浆阀9开始注浆后，须注意观察进浆管8的震动情况和压力表2读数的变化情况，若压力表2读数持续降低，则表明水泥浆液7正在被缓缓注入，此时需调节调压阀1，使注浆压力维持在设定值上，直至储浆罐6内的水泥浆液7被完全注入桩端；若压力表2读数不下降，则需调节调压阀1，增大注浆压力，直至储浆罐6内的水泥浆液7被完全注入，记录此时压力表2的读数，此次注浆完成。