承载力模型试验的软岩嵌岩桩的桩岩相似材料和制备方法

摘要

本发明公开了承载力模型试验的软岩嵌岩桩的桩岩相似材料，所述桩岩相似材料包括软岩的相似材料、桩底沉渣的相似材料和钻孔灌注桩的相似材料，所述软岩的相似材料包括主骨料、胶结剂和添加剂，所述主骨料为石英砂，胶结剂为水泥和石膏，添加剂为柠檬酸钠和水；所述桩底沉渣的相似材料为软岩的相似材料的碎屑；所述钻孔灌注桩的相似材料包括主骨料、胶结剂和添加剂，所述主骨料包括石英砂、铁精粉，所述胶结剂为水泥，所述添加剂为水。本发明还公开了承载力模型试验的软岩嵌岩桩的制备方法。本发明对揭示桩底沉渣对软岩嵌岩桩承载特性的影响机理具有重要的支撑作用。

说明书

技术领域

本发明涉及土木工程领域，尤其涉及承载力模型试验的软岩嵌岩桩的桩岩相似材料和制备方法。

背景技术

钻孔灌注桩在施工过程中，由于施工设备、技术及工艺水平的限制，无法完全清除桩底沉渣，因此会造成桩基承载力出现不同程度地降低，威胁桩基础结构的安全。桩底存在沉渣且桩基承载力达不到设计要求的钻孔灌注桩称为沉渣缺陷桩。目前对沉渣缺陷桩承载特性的研究方法包括数值模拟、现场测试、模型试验方法等，而数值模拟的研究成果往往无法保证其准确性，且现场测试方法会造成资源极大的浪费，也不便于检测沉渣厚度，因此模型试验方法是研究沉渣缺陷桩承载特性的最主要、最可行的研究方法。模型试验技术是根据相似原理对特定工程地质问题进行缩尺研究的有效手段，可以比较全面地、真实地模拟复杂工程结构、复杂岩层组合关系。其中，模型材料的选取是模型试验中最重要的基础性环节。桩体及软岩相似材料应满足重度、变形模量、弹塑性等参数的相似比的要求，要找到完全相似的模型材料十分困难，通常根据需要研究的课题性质，经过大量实验和分析，寻找满足主要参数相似的材料。

目前对软岩嵌岩桩的物理模型研究较少，且现有的模型材料或多或少具备以下缺点：如模型材料强度过大无法满足小比例尺工程实体相似比、制作工艺较为复杂、材料成本高及来源不便等。另外在对软岩嵌岩桩的模拟中必须要考虑到桩底沉渣、桩岩接触关系的模拟。国外许多研究者采用有机玻璃棒及砂土的方法模拟桩岩接触、利用橡胶模拟桩底沉渣，此类方法模拟的桩岩接触及沉渣与实际物理力学特性存在较大误差，不贴合实际，成果离散度大，稳定性差。

发明内容

有鉴于此，本发明的实施例提供了一种贴合实际，成果离散度小，稳定性强的承载力模型试验的软岩嵌岩桩的桩岩相似材料和制备方法。

本发明的实施例提供承载力模型试验的软岩嵌岩桩的桩岩相似材料，所述软岩嵌岩桩至少包括软岩、钻孔灌注桩和桩底沉渣，所述软岩内预留有桩孔，桩孔的底部有桩底沉渣，桩孔内设置钻孔灌注桩，所述桩岩相似材料包括软岩的相似材料、桩底沉渣的相似材料和钻孔灌注桩的相似材料，所述软岩的相似材料包括主骨料、胶结剂和添加剂，所述主骨料为石英砂，胶结剂为水泥和石膏，添加剂为柠檬酸钠和水；所述桩底沉渣的相似材料为软岩的相似材料的碎屑；所述钻孔灌注桩的相似材料包括主骨料、胶结剂和添加剂，所述主骨料包括石英砂、铁精粉，所述胶结剂为水泥，所述添加剂为水。

进一步，所述软岩的相似材料各组分及其质量百分比为：石英砂81％～86％，石英砂为细砂，水泥2％～3％，石膏4％～6％，柠檬酸钠0.1％，水8％～10％。

进一步，所述钻孔灌注桩的相似材料各组分及其质量百分比为：石英砂50％～58％，石英砂为中砂，铁精粉20％～24％，水泥11％～16％，水7％～11％。

一种桩岩相似材料制备承载力模型试验的软岩嵌岩桩的方法，包括以下步骤：

S1.将细砂的石英砂、水泥、石膏、柠檬酸钠和水混合得到软岩的相似材料，将软岩的相似材料倒入模具中，预留桩孔，固化；

S2.将步骤S1中软岩的相似材料的碎屑均匀倒入桩孔的底部；

S3.将中砂的石英砂、铁精粉、水泥和水混合得到钻孔灌注桩的相似材料，将钻孔灌注桩的相似材料倒入桩孔内，固化，即得到软岩嵌岩桩。

进一步，所述步骤S1中，具体制备方法为：

S1.1.称取细砂的石英砂，放入水泥砂浆搅拌机内；

S1.2.依次加入水泥和石膏，充分搅拌均匀；

S1.3.加入柠檬酸钠和水，继续搅拌3-5min,得到软岩的相似材料；

S1.4.将得到软岩的相似材料倒入钢制模具，并预留桩孔，压实成型；

S1.5.拆除钢制模具，放入烘箱内，在28-32℃恒温养护7天。

进一步，所述步骤S3中，具体制备方法为：

S3.1.称取中砂的石英砂和铁精粉，放入水泥砂浆搅拌机内搅拌均匀；

S3.2.依次加入水泥和水，继续搅拌3-5min,得到钻孔灌注桩的相似材料；

S3.3.将得到钻孔灌注桩的相似材料倒入桩孔内，压实成型；

S3.4.放入烘箱内，在28-32℃恒温养护7天。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1、本发明配方在钻孔灌注桩的相似材料中使用了铁精粉，既可以在材料重度方面满足相似比要求，也可以在颜色上区分于软岩的相似材料，便于之后在模型试验中对钻孔灌注桩加载。

2、本发明的模型材料具有性质稳定、制作工艺简单、养护周期短、材料来源广泛且价廉无毒物作用等优点，具有较高的实用性。

3、本发明的模型材料物理力学参数小且参数变化范围较广，因此该材料可以满足模型试验中不同种类桩岩材料的相似比要求。

4、本发明中采用软岩相似材料的碎屑模拟桩底沉渣，碎屑易压缩，且在被桩体压实后具有一定的承载能力，更加符合实际中沉渣的特性。

5、本发明以桥梁桩基础工程实际为依托，研制出钻孔灌注桩、软岩及模拟的桩底沉渣，研制成果是软岩嵌岩桩承载力模型试验研究的基础，对揭示桩底沉渣对软岩嵌岩桩承载特性的影响机理具有重要的支撑作用，可供桥梁工程、水利水电工程、建筑工程等桩基础工程的模型试验研究借鉴。

附图说明

图1是本发明承载力模型试验的软岩嵌岩桩制备方法的一流程图。

图2是本发明一实施例中制得的软岩的单轴压缩应力应变曲线图。

图3是本发明一实施例中制得的钻孔灌注桩的单轴压缩应力应变曲线图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地描述。

本发明的实施例提供了承载力模型试验的软岩嵌岩桩的桩岩相似材料，所述软岩嵌岩桩至少包括软岩、钻孔灌注桩和桩底沉渣，所述软岩内预留有桩孔，桩孔的底部有桩底沉渣，桩孔内设置钻孔灌注桩，进而所述桩岩相似材料包括软岩的相似材料、桩底沉渣的相似材料和钻孔灌注桩的相似材料。

软岩的相似材料包括主骨料、胶结剂和添加剂，所述主骨料为石英砂，胶结剂为水泥和石膏，添加剂为柠檬酸钠和水；各组分及其质量百分比为：石英砂81％～86％，石英砂为细砂，细砂为110目的酸洗石英砂，水泥2％～3％，水泥为32.5普通硅酸盐水泥，石膏4％～6％，柠檬酸钠0.1％，柠檬酸钠为化学纯，水8％～10％。

桩底沉渣的相似材料为软岩的相似材料的碎屑。

钻孔灌注桩的相似材料包括主骨料、胶结剂和添加剂，所述主骨料包括石英砂、铁精粉，所述胶结剂为水泥，所述添加剂为水；各组分及其质量百分比为：石英砂50％～58％，石英砂为中砂，中砂为80目的酸洗石英砂，铁精粉20％～24％，水泥11％～16％，水泥为32.5普通硅酸盐水泥，水7％～11％。

请参考图1，一种桩岩相似材料制备承载力模型试验的软岩嵌岩桩的方法，包括以下步骤：

S1.将细砂的石英砂、水泥、石膏、柠檬酸钠和水混合得到软岩的相似材料，将软岩的相似材料倒入模具中，预留桩孔，固化；

具体制备方法为：

S1.1.称取细砂的石英砂，放入水泥砂浆搅拌机内；

S1.2.依次加入水泥和石膏，充分搅拌均匀；

S1.3.加入柠檬酸钠和水，继续搅拌3-5min,得到软岩的相似材料；

S1.4.将得到软岩的相似材料倒入钢制模具，并预留桩孔，压实成型；

S1.5.拆除钢制模具，放入烘箱内，在28-32℃恒温养护7天，即得到软岩。

制得的软岩最大抗压强度为1.17MPa，最大弹性模量为0.52GPa，最大密度可达到2.136g/cm³，单轴压缩应力应变曲线如图2所示。

S2.将步骤S1中软岩的相似材料的碎屑均匀倒入桩孔的底部，模拟桩底沉渣；

S3.将中砂的石英砂、铁精粉、水泥和水混合得到钻孔灌注桩的相似材料，将钻孔灌注桩的相似材料倒入桩孔内，固化。

具体制备方法为：

S3.1.称取中砂的石英砂和铁精粉，放入水泥砂浆搅拌机内搅拌均匀；

S3.2.依次加入水泥和水，继续搅拌3-5min,得到钻孔灌注桩的相似材料；

S3.3.将得到钻孔灌注桩的相似材料倒入桩孔内，压实成型；

S3.4.放入烘箱内，在28-32℃恒温养护7天，得到带有钻孔灌注桩的软岩，由于钻孔灌注桩的主骨料中有铁精粉，钻孔灌注桩和其他部分在颜色上相不同。

即得到软岩嵌岩桩。

钻孔灌注桩的最大抗压强度为21.8MPa，最大弹性模量为17.2GPa，密度可达到2.684g/cm³，单轴压缩应力应变曲线如图3所示。

本发明以桥梁桩基础工程实际为依托，研制出钻孔灌注桩、软岩及模拟的桩底沉渣，研制成果是软岩嵌岩桩承载力模型试验研究的基础，对揭示桩底沉渣对软岩嵌岩桩承载特性的影响机理具有重要的支撑作用，可供桥梁工程、水利水电工程、建筑工程等桩基础工程的模型试验研究借鉴。

在不冲突的情况下，本文中上述实施例及实施例中的特征可以相互结合。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。