一种沉管灌注桩缩颈与加固效果的演示装置的制作方法

本申请涉及一种沉管灌注桩缩颈与加固效果的演示装置，属于水利工程等基础或基础结构的试验技术领域。

背景技术：

沉管灌注桩在桩基工程中应用广泛，是因为沉管灌注桩具有以下特点：不排土成孔，对桩周土有挤密作用，机械化程度较高，施工场地干净，无废浆污染；同时较好地适应地质条件变化，施工速度快，造价低等优点。

沉管灌注桩的施工整个过程都发生在地基中，隐蔽性极高，往往会因为不规范操作而存在吊脚、断桩、缩径等事故的发生。振动沉管灌注桩发生缩颈的原因主要有以下两点：

（1）孔隙水压和土体回弹过大；

（2）拔管过快，混凝土质量差，充盈系数低。

沉管灌注桩缩径事故的存在对整个工程的安全具有极大的风险，因此对施工人员在施工工艺上正确的技术指导，以及事故桩正确的处理等施工技术交底，不能仅停留在纸面文件上，还需通过模型来进行更深入的演示和讲解，以确保桩基工程的安全施工。但国内针对沉管灌注桩的施工教学实体模型存在空缺。

技术实现要素：

有鉴于此，本申请提供一种可实现沉管灌注桩缩颈与加固效果的演示装置，该演示装置可结合静态演示和动态演示的演示方法对沉管灌注施工工艺、缩径事故发生原理及加固处理进行演示，具有安全美观、绿色环保、可实现静动态结合演示、还原度与一体化程度高等优点。

具体地，本申请是通过以下方案实现的：

一种沉管灌注桩缩颈与加固效果的演示装置，包括演示台机构、地基土层分布模拟机构、加热机构、灌注模型机构、成形桩模型机构、拌合盒机构、灌注器具机构、承载力检测机构。

所述演示台机构包括底座、围板、透明玻璃板、下层隔板、上层隔板、盖板、可拆板、灌注定位孔、灌注桩定位模型、成形桩定位孔、纳米双面胶。

演示台机构的底部是底座，周侧是围板，围板长边与短边用圆角度过，正前方安装透明玻璃板，下层隔板和上层隔板内置在内部，金属材质便于导热，盖板位于顶部，三个板之间用于地基土层分布模拟机构的构建，可拆板位于盖板的右前方，灌注定位孔位于可拆板上，灌注桩定位模型在灌注定位孔的正下方，并固定于透明玻璃板上，灌注桩定位模型上部在上层隔板上有开口，下部顶在下层隔板上，用于灌注模型机构的定位安装，成形桩定位孔与灌注定位孔对称布置，用于成形桩的定位安装，纳米双面胶位于围板右侧，并呈上下对称布置，用于灌注器具机构的附着安置。

更优选的，所述灌注桩定位模型上部为空心透明塑料圆柱，下部为空心透明塑料圆锥。

所述地基土层分布模拟机构包括风化岩、砂土、黏土，风化岩位于地基模拟机构底层，往上依次布置砂土和黏土，用于模拟地基土层的分布。

所述风化岩厚度均为100mm的碎石，砂土厚度均为700mm的砂子，黏土厚度均为200mm的软土。

所述加热机构包括加热器、电源线、电源插头，加热器内含加热元件，置于黏土中；上层隔板上，电源线与加热器连接，并通过电源插头接通电源给加热器提供电能用于加热，加热温度最高为50℃。

所述灌注模型机构包括热缩管段、塑料管段、塑料桩尖段，整个灌注模型机构由三段材料拼装而成，上段材料是热缩管段，在受热时会发生收缩，中段是由圆柱和圆锥组成的塑料管段，热稳定性好，受热时不会发生收缩，下段是塑料桩尖段，拼接在塑料管段下。

所述成形桩模型机构包括成形桩桩尖、灌注混凝土桩段、拔管桩段、下钢筋笼桩段，成形桩桩尖位于成形桩模型机构最下端，往上依次是灌注混凝土桩段、拔管桩段、下钢筋笼桩段，不同桩段用颜色区分，以用于静态成形桩的演示和灌注演示时的参照物。

所述拌合盒机构包括四联灌注浆拌合盒、红色染料盒、绿色染料盒、蓝色染料盒、黑色染料盒，拌合筒机构从左至右依次为四联灌注浆拌合盒、红/a色染料盒、绿/b色染料盒、蓝/c色染料盒、黑/d色染料盒，四联灌注浆拌合盒内装有无色的灌注浆，红/a色染料盒内装有红/a色染料，绿/b色染料盒内装有绿/b色染料，蓝/c色染料盒内装有蓝/c色染料，这四个染料盒内的染料分别加入对应的灌注浆拌合盒内拌合，用于灌注演示；黑/d色染料盒内装有黑/d色染料，用于加固演示。

所述灌注器具机构包括沉管、钢筋笼，沉管和钢筋笼作为演示器具在演示前附着在纳米双面胶，在演示的时候模拟施工工序进行辅助演示，沉管上端有个楔体进料口，钢筋笼为两端开口的笼状。

更优选的，所述沉管上端设有一个进料口，进料口为空心塑料楔体。

所述承载力检测机构包括荷载和指示灯装置，荷载包括木质荷载与温度感应荷载；指示灯装置包括绿色指示灯与红色指示灯；荷载和指示灯装置位于演示台右后侧，荷载用于桩承载力检测演示，木质荷载为实心轻木质荷，温度感应荷载内置温度感应器，能感应温度，指示灯装置内置电路，通过蓝牙和温度感应荷载连接，用于指示桩承载力是否达标，通过温度感应荷载对桩温度的感应，温度感应荷载感应到50℃以下的温度时，绿色指示灯亮灯，承载力达标，反之红色指示灯亮灯，承载力不达标。

本申请演示装置的工作原理如下：

本申请通过一个简易组装的模型，进行沉管灌注桩施工演示，缩径事故演示以及缩径事故桩加固演示：（1）沉管灌注桩的施工演示是通过一个成形桩模型作为参照物，该成形桩桩身用不同颜色桩段分层来表示沉管灌注桩施工关键施工工序。（2）沉管灌注桩缩径事故的发生过程通过透明的热缩管来演示，热缩管具有加热会收缩的性质，在完成灌注桩施工演示后，利用内置加热机构来进行加热，通过金属隔板传导热量给热缩管，热缩管受热收缩，以达到沉管灌注桩缩径事故缩径效果的演示。（3）沉管灌注桩缩径事故桩的加固演示，通过拆卸可拆板，挖出200mm深的土层，灌注加固灌注浆，以扩大缩径事故桩的上部直径，提升缩径事故桩的承载力。（4）加固效果的演示通过缩径事故桩缩径事故发生前后承载力检测对比，通过温度感应荷载对温度的感应，以及通过蓝牙和温度感应荷载连接的指示灯来指示承载力是否达标。绿色指示灯亮灯表示承载力合格，红色指示灯表示承载力不合格，当温度感应器感应到50摄氏度及以上的温度时，红色指示灯会亮；反之，绿色指示灯会亮。加入的加固灌注浆会对热缩管有冷却作用，加固演示完成后，缩径事故桩段温度降低，绿色指示灯亮灯。

上述案例提供的演示装置具体操作方法参见下文：

（1）静态演示：通过成形桩模型的分层结构讲解沉管灌注桩施工工序和各工序所形成的结构，而成形桩模型各分层高度作为动态演示沉管灌注桩施工过程进行参考的高度。

（2）动态演示：

第一步：灌注浆拌合。模拟混凝土浆液，将灌注浆放入四联灌注浆拌合盒中，将红色染料盒内的红色染料加入相对应的四联灌注浆拌合盒进行拌合，配成红色灌注浆；将绿色染料盒内的绿色染料加入相对应的四联灌注浆拌合盒进行拌合，配成绿色灌注浆；将蓝色染料盒内的蓝色染料加入相对应的四联灌注浆拌合盒进行拌合，配成蓝色灌注浆；将黑色染料盒内的黑色染料加入相对应的四联灌注浆拌合盒进行拌合，配成黑色的加固灌注浆。

第二步：沉管沉入。将沉管从纳米双面胶上取下，垂直沉入到灌注模型机构底部。

第三步：灌注灌注浆。将拌合好的红色灌注浆通过沉管的进料口灌注，并参考成形桩模型机构中红色的灌注混凝土桩段高度，灌注到相同的高度停止。

第四步：拔管。开始缓慢的将沉管垂直往上拔动，拔管的同时，将拌合好的绿色灌注浆通过沉管的进料口灌注，并参考成形桩模型机构绿色的拔管桩段高度，灌注到相同高度停止。

第五步：下钢筋笼。将钢筋笼从纳米双面胶取下，垂直放入灌注模型机构中，插入已灌注好的绿色灌注浆和红色灌注浆内部。

第六步：灌注成形。将拌合好的蓝色灌注浆通过沉管进料口灌注，同时继续缓慢垂直上拔沉管，并参考成形桩模型机构蓝色的下钢筋笼桩段高度，直到溢出灌注模型机构。

第七步：缩径演示。将加热机构的电源插头插入到插座，加热器开始产生热量，灌注模型机构的热缩管段产生收缩，直到灌注模型机构的热缩管段半径收缩到预定尺寸。

第八步：缩径事故桩承载力检测。先将木质荷载放置在缩径事故桩上，绿色指示灯亮灯，再将温度感应荷载放置在缩径事故桩上，绿色指示灯熄灭，红色指示灯亮灯，承载力不达标。

第九步：缩径事故桩加固。拆掉可拆板，将可拆板下方的黏土挖出，将拌合好的黑色加固灌注浆灌满挖孔。

第十步：缩径事故桩加固后承载力检测。先将木质荷载放置在加固后的的缩径事故桩上，绿色指示灯亮灯，再放置温度感应荷载，绿色指示灯仍然亮灯，承载力达标。

附图说明

图1为本申请的整体布置图；

图2是本申请中演示台机构的结构示意图；

图3是本申请中地基土层分布模拟机构的结构示意图；

图4是本申请中加热机构的结构示意图；

图5是本申请中灌注模型机构的结构示意图；

图6是本申请中成形桩模型机构的结构示意图；

图7是本申请中拌合盒机构的结构示意图；

图8是本申请中灌注器具机构的结构示意图；

图9是本申请中承载力检测机构的结构示意图；

图10是本申请的缩径效果示意图；

图11是本申请的加固效果示意图。

图中标号：

1-演示台机构，11-底座，12-围板，13-透明玻璃板，14-下层隔板，15-上层隔板，16-盖板，17-可拆板，18-灌注定位孔，19-灌注桩定位模型，110-成形桩定位孔，111-纳米双面胶；

2-地基土层分布模拟机构，21-风化岩，22-砂土，23-黏土；

3-加热机构，31-加热器，32-电源线，33-电源插头；

4-灌注模型机构，41-热缩管段，42-塑料管段，43-塑料桩尖段；

5-成形桩模型机构，51-成形桩桩尖，52-灌注混凝土桩段，53-拔管桩段，54-下钢筋笼桩段；

6-拌合盒机构，61-四联灌注浆拌合盒，62-红色染料盒，63-绿色染料盒，64-蓝色染料盒，65-黑色染料盒；

7-灌注器具机构，71-沉管，72-钢筋笼；

8-承载力检测机构，81-荷载，811-木质荷载，812-温度感应荷载，82-指示灯装置，821-绿色指示灯，822-红色指示灯。

具体实施方式

本实施例一种沉管灌注桩缩颈与加固效果的演示装置，结合图1，包括演示台机构1、地基土层分布模拟机构2、加热机构3、灌注模型机构4、成形桩模型机构5、拌合盒机构6、灌注器具机构7、承载力检测机构8。

结合图2，演示台机构1包括底座11、围板12、透明玻璃板13、下层隔板14、上层隔板15、盖板16、可拆板17、灌注定位孔18、灌注桩定位模型19、成形桩定位孔110、纳米双面胶111。

演示台机构1的底部是底座11，周侧是围板12，围板12长边与短边用圆角度过，正前方安装透明玻璃板13，下层隔板14和上层隔板15内置在内部，金属材质便于导热，盖板16位于顶部，三个板之间用于地基土层分布模拟机构2的构建，可拆板17位于盖板16的右前方，灌注定位孔18位于可拆板17上，灌注桩定位模型19在灌注定位孔18的正下方，并固定于透明玻璃板13上，灌注桩定位模型19上部在上层隔板15上有开口，下部顶在下层隔板14上，用于灌注模型机构4的定位安装，成形桩定位孔110与灌注定位孔18对称布置，用于成形桩的定位安装，纳米双面胶111位于围板12右侧，并呈上下对称布置，用于灌注器具机构7的附着安置。

作为备选具体案例：

底座11为长2300mm、宽1100mm、圆角半径150mm的木质圆角长方体。

围板12长边为长2000mm、宽1000mm的矩形，短边为长1000mm、宽900mm的木板，长边与短边过渡的圆角半径为100mm。

透明玻璃板13为长2000mm、宽1000mm的矩形透明玻璃。

下层隔板14为长2200mm、宽1000mm、圆角半径100mm的圆角矩形金属薄板。

上层隔板15为长2200mm、宽1000mm、圆角半径100mm的圆角矩形金属薄板。

盖板16为长2200mm、宽1000mm、圆角半径100mm的圆角矩形金属薄板。

可拆板17为长1000mm、宽300mm的矩形金属薄板。

灌注定位孔18为半径100mm的圆。

灌注桩定位模型19上部为半径100mm、高600mm的空心透明塑料圆柱，下部为半径100mm、高100mm的空心透明塑料圆锥。

成形桩定位孔110为半径100mm的圆。

纳米双面胶111为长600mm、宽200mm的矩形胶带。

结合图3，地基土层分布模拟机构2包括风化岩21、砂土22、黏土23，风化岩21位于地基模拟机构2底层，往上依次布置砂土22和黏土23，用于模拟地基土层的分布。

作为备选的具体案例：

风化岩21厚度均为100mm的碎石。

砂土22厚度均为700mm的砂子。

黏土23厚度均为200mm的软土。

结合图4，加热机构3包括加热器31、电源线32、电源插头33，加热器31内含加热元件，置于黏土23中；上层隔板15上，电源线32与加热器31连接，并通过电源插头33接通电源给加热器31提供电能用于加热，加热温度最高为50℃。

作为备选的具体案例：

加热器31为长400mm、宽200mm、高100mm的金属长方体。

电源线32长2000mm。

电源插头33总长度为100mm，总宽度为50mm。

结合图5，灌注模型机构4包括热缩管段41、塑料管段42、塑料桩尖段43，整个灌注模型机构4由三段材料拼装而成，上段材料是热缩管段41，在受热时会发生收缩，中段是由圆柱和圆锥组成的塑料管段42，热稳定性好，受热时不会发生收缩，下段是塑料桩尖段43，拼接在塑料管段42下。

作为备选的具体案例：

热缩管段41为半径100mm、高200mm的透明圆柱。

塑料管段42为半径100mm、高700mm的透明圆柱。

塑料桩尖段43为半径100mm、高100mm的透明圆锥。

结合图6，成形桩模型机构5包括成形桩桩尖51、灌注混凝土桩段52、拔管桩段53、下钢筋笼桩段54，成形桩桩尖51位于成形桩模型机构5最下端，往上依次是灌注混凝土桩段52、拔管桩段53、下钢筋笼桩段54，不同桩段用颜色区分，以用于静态成形桩的演示和灌注演示时的参照物。

作为备选的具体案例：

成形桩桩尖51为半径100mm、高100mm的锥形塑料。

灌注混凝土桩段52为半径100mm、高200mm的红色塑料圆柱。

拔管桩段53为半径100mm、高200mm的绿色塑料圆柱。

下钢筋笼桩段54为半径100mm、高400mm的蓝色塑料圆柱。

结合图7，拌合盒机构6包括四联灌注浆拌合盒61、红色染料盒62、绿色染料盒63、蓝色染料盒64、黑色染料盒65，拌合筒机构6从左至右依次为四联灌注浆拌合盒61、红色染料盒62、绿色染料盒63、蓝色染料盒64、黑色染料盒65，四联灌注浆拌合盒61内装有无色的灌注浆，红色染料盒62内装有红色染料，绿色染料盒63内装有绿色染料，蓝色染料盒64内装有蓝色染料，这四个染料盒内的染料分别加入对应的灌注浆拌合盒内拌合，用于灌注演示。黑色染料盒65内装有黑色染料，用于加固演示。

作为备选的具体案例：

四联灌注浆拌合盒61每个塑料长方体盒子长400mm、宽200mm、高50mm。

红色染料盒62为长200mm、宽200mm、高50mm的塑料长方体。

所述绿色染料盒63为长200mm、宽200mm、高50mm的塑料长方体。

所述蓝色染料盒64为长200mm、宽200mm、高50mm的塑料长方体。

所述黑色染料盒65为长200mm、宽200mm、高50mm的塑料长方体。

结合图8，灌注器具机构7包括沉管71、钢筋笼72，沉管71和钢筋笼72作为演示器具在演示前附着在纳米双面胶111，在演示的时候模拟施工工序进行辅助演示，沉管71上端有个楔体进料口，钢筋笼72为两端开口的笼状。

作为备选的具体案例：

沉管71为半径100mm、高1000mm的塑料圆柱，距上端50mm处有一个进料口，进料口为长50mm、宽100mm的空心塑料楔体。

钢筋笼72为半径70mm、长900mm的塑料笼状。

结合图9，承载力检测机构8包括荷载81和指示灯装置82，荷载81包括木质荷载811与温度感应荷载812；指示灯装置82包括绿色指示灯821与红色指示灯822；荷载81和指示灯装置82位于演示台右后侧，荷载81用于桩承载力检测演示，木质荷载811为实心轻木质荷，温度感应荷载812内置温度感应器，能感应温度，指示灯装置82内置电路，通过蓝牙和温度感应荷载82连接，用于指示桩承载力是否达标，通过温度感应荷载812对桩温度的感应，温度感应荷载812感应到50℃以下的温度时，绿色指示灯821亮灯，承载力达标，反之红色指示灯822亮灯，承载力不达标。

作为备选的具体案例：

木质荷载811为边长50mm的实心轻木质立方体。

温度感应荷载812为边长50mm的塑料立方体。

绿色指示灯821为长100mm、宽50mm、高100mm的塑料长方体。

红色指示灯822为长100mm、宽50mm、高100mm的塑料长方体。

上述案例提供的演示装置具体操作方法参见下文：

（1）静态演示：通过成形桩模型5的分层结构讲解沉管灌注桩施工工序和各工序所形成的结构，而成形桩模型5各分层高度作为动态演示沉管灌注桩施工过程进行参考的高度。

（2）动态演示：

第一步：灌注浆拌合。模拟混凝土浆液，将灌注浆放入四联灌注浆拌合盒61中，将红色染料盒62内的红色染料加入相对应的四联灌注浆拌合盒61进行拌合，配成红色灌注浆；将绿色染料盒63内的绿色染料加入相对应的四联灌注浆拌合盒61进行拌合，配成绿色灌注浆；将蓝色染料盒64内的蓝色染料加入相对应的四联灌注浆拌合盒61进行拌合，配成蓝色灌注浆；将黑色染料盒65内的黑色染料加入相对应的四联灌注浆拌合盒61进行拌合，配成黑色的加固灌注浆。

第二步：沉管沉入。将沉管71从纳米双面胶111上取下，垂直沉入到灌注模型机构4底部。

第三步：灌注灌注浆。将拌合好的红色灌注浆通过沉管71的进料口灌注，并参考成形桩模型机构5中红色的灌注混凝土桩段52高度，灌注到相同的高度停止。

第四步：拔管。开始缓慢的将沉管71垂直往上拔动，拔管的同时，将拌合好的绿色灌注浆通过沉管71的进料口灌注，并参考成形桩模型机构5绿色的拔管桩段53高度，灌注到相同高度停止。

第五步：下钢筋笼。将钢筋笼72从纳米双面胶111取下，垂直放入灌注模型机构4中，插入已灌注好的绿色灌注浆和红色灌注浆内部。

第六步：灌注成形。将拌合好的蓝色灌注浆通过沉管71进料口灌注，同时继续缓慢垂直上拔沉管71，并参考成形桩模型机构5蓝色的下钢筋笼桩段54高度，直到溢出灌注模型机构4。

第七步：缩径演示。结合图10，将加热机构3的电源插头33插入到插座，加热器31开始产生热量，灌注模型机构4的热缩管段41产生收缩，直到灌注模型机构4的热缩管段41半径收缩到75mm。

第八步：缩径事故桩承载力检测。先将木质荷载811放置在缩径事故桩上，绿色指示灯821亮灯，再将温度感应荷载812放置在缩径事故桩上，绿色指示灯821熄灭，红色指示灯822亮灯，承载力不达标。

第九步：缩径事故桩加固。结合图11，拆掉可拆板17，将可拆板17下方200mm的黏土23挖出，将拌合好的黑色加固灌注浆65灌满挖孔。

第十步：缩径事故桩加固后承载力检测。先将木质荷载811放置在加固后的的缩径事故桩上，绿色指示灯821亮灯，再放置温度感应荷载812，绿色指示灯821仍然亮灯，承载力达标。

上述案例的有益效果概况如下:

（1）安全美观。本案例演示台四周边角用圆角来代替直角，在演示过程中的安全性更好，也更符合大众审美观。

（2）绿色环保。本案例演示台内的地基土层分布模拟机构里的黏土，砂土和风化岩都是取自于废弃工地上，通过隔板的设计、灌注模型定位孔的设计，不会产生混和接触，只起视觉上的演示作用，可一直循环利用。

（3）还原度高。本案例的沉管灌注桩缩径演示通过热缩管受热收缩的特性，以不可见的内置加热机构产热，给可见的灌注模型机构热缩管段加热，缩颈演示效果还原度高；承载力检测通过内置温度感应器的荷载对事故桩温度的感应变化，再以蓝牙传输到显示装置来指示承载力的达标与否，承载力检测演示还原度高。

（4）静动态结合的演示。本案例采用彩色分层结构成形桩模型，一是可以用讲述方式静态演示成形桩的关键施工工序，二是可以作为动态演示的参照物，达到静动态演示效果。

（5）一体化。本案例所需要用到的器具全安置在模型上，利用纳米双面胶吸附力强且不留胶痕的优点，通过纳米双面胶将灌注前未能使用到的沉管和钢筋笼粘附在模型右侧，一体化的设计便于演示过程井然有序的进行和演示完成后对器具的收纳。

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