一种模拟沉管灌注桩断桩与加固效果的演示装置的制作方法

本申请涉及一种模拟沉管灌注桩断桩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：

随着基础设施建设速度的加快，桩基工程作为基础工程中的一种，在设计和施工工程中显得尤为重要。沉管灌注桩以其施工工期短、造价低在桩基工程中而广泛应用。沉管灌注桩施工难度大，在施工过程受到各种因素的影响，常发生挤桩断裂、缩颈、夹泥等问题，并以土体挤桩导致的水平断裂最为常见，而发生水平断裂桩的工程中，其断桩率达50％以上，给工程带来经济上的损失，因此对沉管灌注桩断桩事故和加固的演示技术指导对预防断桩事故的发生极为重要。沉管灌注桩是隐蔽工程，工艺复杂，为了使施工人员更深入理解，对施工人员的技术指导不能单停留在抽象的理论知识层面上，往往需要借助实体演示模型进行直观的演示。

针对桩基工程教学模型的研究，有研究者提出一种钻孔灌注桩教学实体模型及教学演示方法(申请号：cn104091509a)，通过一种钻孔灌注桩教学实体模型，基于静态和动态体现施工场面、施工工艺以及关键工序。但这种模型不能演示桩基工程可能发生的事故及事故处理。

技术实现要素：

有鉴于此，本申请提供一种可实现模拟沉管灌注桩断桩与加固效果的演示装置，该演示装置满足工地对沉管灌注桩断桩事故发生原理及加固处理方法技术指导的需求，并将断桩与加固措施后的效果一并进行演示，以解决施工人员对沉管灌注桩事故发生过程及加固方法理解难得问题，具有安全美观、便携性强、贴近教学、操作简单、绿色环保以及多用性、可视化和模拟度高等优点。

具体地，本申请是通过以下方案实现的：

一种模拟沉管灌注桩断桩与加固效果的演示装置，包括演示台机构、地基模拟机构、桩模型布置机构、磁动力机构、伸缩杆机构、灌注器具机构、灌注浆拌合机构和承载力测试机构。

所述演示台机构包括实木底座、实木围板、灌注器具箱、加固材料箱、伸缩杆箱、灌注演示框架、置物板和后置承重板。

演示台机构开口向后摆放。从演示台机构正前方看，实木底座位于演示台机构的底部，实木围板位于演示台机构左右两侧，上面用于置放灌注浆拌合机构；灌注器具箱位于演示台机构左端，用于置放灌注器具机构，加固材料箱位于灌注器具箱内部右角端；伸缩杆箱连接于灌注器具箱的右侧，用于置放伸缩杆机构；灌注演示框架右端连接实木围板，左端连接伸缩杆箱，前端可安装地基模拟机构，内部可置放桩模型布置机构和磁动力机构；置物板位于灌注演示框架上端右侧，用于置放承载力测试机构；后置承重板位于灌注演示框架后侧，用于连接并固定桩模型布置机构和磁动力机构。

所述地基模拟机构包括灌注演示板、遮挡板、成形桩板、风化岩、砂土、黏土、灌注桩模型可视板和成形桩模型可视板。

地基模拟机构是一个塑料透明的板，从地基模拟机构正前方看：从左到右依次布置灌注演示板、遮挡板、成形桩板，灌注演示板和遮挡板可以拆换拼装；灌注演示板由下到上依次布置风化岩、砂土、灌注桩模型可视板；遮挡板由下到上依次布置风化岩、砂土、黏土；成形桩板由下到上依次布置风化岩、砂土、黏土，并在砂土和黏土正中位置布置成形桩模型可视板；灌注演示板、遮挡板、成形桩板上各自布置的风化岩、砂土、黏土，以及灌注演示版上的灌注桩模型可视板和成形桩板上的成形桩模型可视板相互结合，用于视觉上模拟正常的地基土层和桩的位置分布。

所述风化岩厚度均为140mm的碎石，砂土厚度均为400mm的砂子，黏土厚度均为360mm的软土。

所述灌注桩模型可视板为尖形透明塑料薄板；成形桩模型可视板为尖形透明塑料薄板。

所述桩模型布置机构包括灌注演示桩模型机构和成形桩模型机构。

灌注演示桩模型机构包括4倍桩径灌注桩模型、3倍桩径灌注桩模型、灌注桩模型桩管、灌注桩模型桩靴、浇筑完成线、就位线、下钢筋线、拔管线、开始浇筑线和沉入套管线。

成形桩模型机构包括成形桩模型桩管、成形桩模型桩靴、连接层、内置管道、内置管道口、带孔隔板、孔口、预留插管孔和无孔隔板。

灌注演示桩模型机构和成形桩模型机构固定在后置承重板上，顶部与后置承重板平行。4倍桩径灌注桩模型与3倍桩径灌注桩模型并排紧靠，用于演示不断桩和断桩原因。4倍桩径灌注桩模型和3倍桩径灌注桩模型都由灌注桩模型桩管和灌注桩模型桩靴组成。

灌注桩模型桩管由上至下依次布置浇筑完成线、就位线、下钢筋线、拔管线、开始浇筑线、沉入套管线，用于灌注演示时灌注工艺顺序的演示，浇筑完成线位于灌注桩模型桩管顶端，沉入套管线位于灌注桩模型桩管底端。

成形桩模型桩管位于成形桩模型机构上段，连接成形桩模型桩靴，模拟成形桩的形态；连接层位于成形桩模型桩管中上端位置，内置管道位于连接层的中心位置，并垂直成形桩模型桩管，留有内置管道口，用于连接磁动力机构；成形桩模型机构中有带孔隔板，一个置于成形桩模型桩管顶端，另一个置于连接层顶端，带孔隔板上有两个孔口，前后对称各布置一个，上下各布置的两个带孔隔板孔口对齐，中间设置两个预留插管孔，用于断桩事故桩的加固；无孔隔板位于连接层底端，隔绝连接层。

所述4倍桩径灌注桩模型为上部透明塑料圆柱体、下部透明塑料圆锥体；所述3倍桩径灌注桩模型为上部透明塑料圆柱体、下部透明塑料圆锥体。

所述浇筑完成线距离灌注桩模型桩管313顶端0mm，可标记为蓝色线条；就位线距离灌注桩模型桩管顶端130mm，可标记为红色线条；下钢筋线距离灌注桩模型桩管顶端100mm，可标记为紫色线条；拔管线距离灌注桩模型桩管顶端200mm，可标记为黄色线条；开始浇筑线距离灌注桩模型桩管顶端300mm，可标记为绿色线条；沉入套管线距离灌注桩模型桩管顶端660mm，可标记为黑色线条。

所述磁动力机构包括固定块、水平推力电磁铁、隆起电磁铁、电磁铁开关、外置管道、外置管道口、滚动层、水平推力磁铁、隆起磁铁、成形桩磁铁、外置管道磁铁和乳胶膜。

滚动层包括支撑板和滚动机构，滚动机构包括滚轮固定板和滚轮机构；滚轮机构包括空心圆柱体和滚轮轴。

固定块垂直置于实木底座上，水平推力电磁铁和隆起电磁铁分别内置于固定块指定位置，电磁铁开关与水平推力电磁铁和隆起电磁铁通过固定块中的内置电路连接；开启电磁铁开关，水平推力电磁铁和隆起电磁铁会产生磁性，外置管道与内置管道连接，分别置于内置管道和外置管道指定位置，外置管道口位于外置管道右侧，用于连接内置管道口。

滚动层内置于固定块，上端与固定块上端齐平。水平推力磁铁置于滚动层中部位置，隆起磁铁在隆起电磁铁上方，成形桩磁铁位于成形桩模型机构中，外置管道磁铁位于外置管道内右端，乳胶膜位于固定块上表层端右前角落，当隆起电磁铁对隆起磁铁产生斥力时，起阻挡隆起磁铁的作用，以演示断桩演示过程的土体隆起现象演示。

支撑板位于滚动层上下两端，用细杆连接固定。滚动机构置于支撑板中，通过支撑板可左右滚动。滚轮固定板位于滚动机构前后两侧，滚轮机构位于滚动机构上下两端，并固定于滚轮固定板。空心圆柱体穿插于滚轮轴上，滚轮机构上有10根滚轮轴，每一根滚轮轴上有三个空心圆柱体，相邻滚轮轴上的空心圆柱体交错排列。

所述伸缩杆机构包括支撑杆、下调整杆、上调整杆和连接杆。

伸缩杆机构从下往上依次布置支撑杆、下调整杆、上调整杆，下调整杆和上调整杆可上下调整长度。连接杆固定在上调整杆上，也可以伸缩。

所述灌注器具机构包括打桩机构、钢筋笼、灌注漏斗机构、开孔管和加固钢筋，打桩机构包括套管和桩靴；灌注漏斗机构包括活塞杆、橡胶活塞、注浆漏斗、注浆导管和对接口；开孔管包括开孔管身和侧面出浆孔。

灌注器具机构置于灌注器具箱内，从左至右依次排列为打桩机构、钢筋笼、灌注漏斗机构、开孔管和加固钢筋，开孔管和加固钢筋置于加固材料箱内。套管和桩靴连接。灌注漏斗机构从上往下依次布置活塞杆、橡胶活塞、注浆漏斗、注浆导管，对接口固定在注浆漏斗上，开孔管身上预留两个出浆孔。

所述灌注浆拌合机构包括灌注浆拌合盒、加固浆拌合盒、白色染料盒、黑色染料盒、磁铁屑盒、灌注浆、白色染料、黑色染料、磁铁屑。

灌注浆拌合机构上的灌注浆拌合盒、加固浆拌合盒、白色染料盒、黑色染料盒、磁铁屑盒都设置于实木围板上，灌注浆拌合盒、加固浆拌合盒、白色染料盒、黑色染料盒、磁铁屑盒都是未封闭的，灌注浆存放在灌注浆拌合盒和加固浆拌合盒，白色染料存放在白色染料盒，黑色染料存放在黑色染料盒，磁铁屑存放在磁铁屑盒。

所述承载力测试机构包括实木荷载、磁感应荷载，指示灯装置、绿色指示灯，实木荷载、磁感应荷载和指示灯装置都置于置物板上，实木荷载与磁感应荷载并排放置，磁感应荷载内部有磁感应器，通过内置蓝牙传输信号给指示灯装置，绿色指示灯位于指示灯装置正中央。

所述断桩演示机构包括水平推力位移、土体隆起、断裂层、被抽走絮状物、断裂层加固浆，水平推力位移为滚动机构滚动轨迹长度，土体隆起位于右前方，断裂层位于成形桩模型机构内，中心平行于水平推力位移中心，被抽走絮状物位于外置管道内，絮状物粘附在外置管道磁铁上，絮状物原存在断裂层，断裂层加固浆充满断裂层和相通的外置管道。

本申请的原理如下：本申请通过一个可简单拆卸组装的实体模型，进行沉管灌注桩断桩事故及加固效果的演示，并具体分为：4倍桩径灌注不断桩演示、3倍桩径灌注断桩演示、断桩事故桩加固演示、不断桩承载力检测、断桩事故发生后承载力检测和断桩事故桩加固后承载力检测。通过可拆装地基模拟机构，先后进行4倍桩径灌注不断桩演示和3倍桩径径距灌注断桩演示。断桩过程的发生是通过控制电磁铁的开关来实现：当进行4倍桩径灌注时，不会发生断桩事故，保存电磁铁处于关闭状态；当进行3倍桩径灌注时，会发生断桩事故，打开电磁铁装置的开关，基于磁铁异性相吸，同性相斥的基本特性，模型内固定位置布置的磁铁会通过电磁铁的启动会产生位移，从而来完成断桩过程中水平推力、邻桩间的土体隆起和断桩事故桩断裂层产生等现象的演示。断桩事故桩加固演示是将开孔管插入预留开孔管，将黑色染料染色区分的加固灌注浆注入隔板架空形成的断裂层。承载力检测是通过磁感应器和指示灯装置来实现，磁感应和指示灯装置通过蓝牙来传输信号，承载力达标标准为检测荷载为2个单位，指示灯装置亮灯；亮灯的原理为磁感应器对磁铁产生感应会传输信号，指示灯装置接收到信号会亮灯；而用于承载力检测的荷载分有两个，一个实心轻质木块和一个内置磁感应器得轻质塑料块，具体承载力检测步骤如下：(1)无断桩事故发生，先放置磁感应器荷载于成形桩上，指示灯装置亮灯，再放置实心木质荷载，指示灯装置仍然亮灯，承载力达标；(2)断桩事故发生，成形桩已无内置磁铁，放置磁感应荷载荷载，指示灯装置不亮灯，承载力不达标；(3)断桩事故加固后，先放入内置磁铁感应器，指示灯装置亮灯，再放入实心木质荷载，指示灯仍然亮灯，承载力达标。

本申请研发出的模拟沉管灌注桩断桩与加固效果的演示装置，具有以下优点:

(1)不仅能演示沉管灌注桩正常的施工工艺，还能演示沉管灌注桩断桩事故及断桩加固方法；

(2)利用磁铁异性相吸，同性相斥的原理来进行动态演示断桩及断桩过程中伴随的的水平推力，土体隆起现象；

(3)通过断桩事故桩断桩前后的承载力检测对比，演示断桩事故桩加固后的加固效果；

(4)带有模拟地基土层分布的塑料薄板，可循环利用；

(5)配有可拆换地基模拟机构，正常施工和断桩事故演示通过拆换前置可视板来进行，操作简单。

上述装置进行沉降管灌注桩断桩与加固效果的演示时，具体步骤如下：

(一)4倍桩径灌注桩模型灌注及相邻成形桩承载力检测。

第一步：灌注浆拌合。模拟混凝土浆液，将灌注浆放入灌注浆拌合盒中，将白色染料盒内的白色染料加入灌注浆拌合盒进行拌合，配成白色灌注浆。

第二步：灌注漏斗安装。将灌注漏斗机构从灌注器具箱拿出，通过对接口和伸缩杆机构的连接口连接安装。

第三步：就位。将打桩机构的套管和桩靴连接好，将其置于四倍直径桩径间距灌注模型中，桩靴对准红色就位线。

第四步：沉入套管。将打桩机构整体置于4倍桩径灌注桩模型中，套管底部与黑色沉入套管线对齐。

第五步：浇筑。调整伸缩杆机构长度，旋转90°使灌注漏斗垂直插入套管，将拌合好的白色灌注浆通过漏斗机构注入4倍桩径灌注桩模型中，直至绿色浇筑线。

第六步：边拔管边浇筑。继续将拌合好的白色灌注浆通过漏斗机构注入4倍桩径灌注桩模型中，同时垂直上拔套管，直至黄色拔管线。

第七步：下钢筋笼。待套管拔至紫色下钢筋笼线，将钢筋笼从灌注器具箱中拿出，垂直放入4倍桩径灌注桩模型中，底端插入已注入的白色灌注浆中。

第八步：浇筑完成。待套管拔出，调整伸缩杆继续灌注白色灌注浆，直至灌注浆高出蓝色浇筑完成线，溢出4倍桩径灌注桩模型顶部。

第九步：抽出漏斗机构。调整伸缩杆机构和连接杆长度，拔出4倍桩径灌注桩模型中的漏斗机构上的注浆漏斗，旋转90°置于一边。

第十步：承载力检测。将内置磁感应器的荷载置于成形桩模型桩顶，指示灯装置绿色指示灯亮灯；再将实心木块荷载置于成形桩模型桩顶，指示灯装置绿色指示灯仍然亮着，承载力检测达标。

(二)3倍桩径灌注及相邻成形桩承载力检测。

第一步：拆换灌注演示板。将灌注演示板从4倍桩径灌注桩模型前方灌注演示板和3倍桩径灌注桩模型拆换。

第二步：灌注浆拌合。模拟混凝土浆液，将灌注浆放入灌注浆拌合盒中，将白色染料盒内的白色染料加入灌注浆拌合盒进行拌合，配成白色灌注浆。

第三步：灌注漏斗安装。将灌注漏斗机构从灌注器具箱拿出，通过对接口和伸缩杆机构的连接口连接安装。

第四步：就位。将打桩机构的套管和桩靴连接好，将其置于3倍直径桩径间距灌注模型中，桩靴对准红色就位线。

第五步：沉入套管。将打桩机构整体置于3倍桩径灌注桩模型中，套管底部与黑色沉入套管线对齐。

第六步：浇筑。调整伸缩杆机构长度和连接杆的长度，旋转90°使灌注漏斗对准套管中心插入套管，将拌合好的灌注浆通过漏斗机构注入3倍桩径灌注桩模型中，直至绿色浇筑线。

第七步：边拔管边浇筑。继续将拌合好的白色灌注浆通过漏斗机构注入3倍桩径灌注桩模型中，同时垂直上拔套管，直至黄色拔管线。

第八步：下钢筋笼。待套管拔至紫色下钢筋笼线，将钢筋笼从灌注器具箱中拿出，垂直放入3倍桩径灌注桩模型中，底端插入已注入的白色灌注浆中。

第九步：浇筑完成。待套管拔出，调整伸缩杆继续灌注白色灌注浆，直至灌注浆高出蓝色浇筑完成线，溢出3倍桩径灌注桩模型顶部。

第十步：抽出漏斗机构。调整伸缩杆机构长度，拔出3倍桩径灌注桩模型中的漏斗机构上的注浆导管，旋转90°置于一边。

第十一步：断桩过程演示。打开电磁铁开关，水平推力电磁铁和隆起电磁铁产生磁性，滚动层中的滚动机构从左向右移动了28mm，在乳胶膜的阻挡作用下，演示台平面凸起高20mm的隆起磁铁，滚动机构上的水平推力磁铁对成形桩磁铁有斥力作用，右侧外置管道里的外置管道电磁铁对其产生吸力作用，粘在成形桩磁铁的絮状物随着成形桩磁铁通过内置管道和外置管道连接形成的管道吸附到外置管道磁铁上，在视觉上形成中空的断裂层。

第十二步：断桩事故桩承载力检测。将内置磁感应器的荷载放置在成形桩桩顶上，指示灯装置绿色指示灯装置不亮，承载力不达标。

第十三步：加固灌注浆拌合。模拟混凝土浆液，将灌注浆放入加固灌注浆拌合盒中，将黑色染料盒内的黑色染料和磁铁屑盒内的磁铁屑盒加入加固灌注浆拌合盒进行拌合，配成黑色加固灌注浆。

第十四步：断桩事故桩加固。将开孔管通过预留插管孔插入到断裂层下端无孔隔板，再将钢筋插入，灌注黑色加固灌注浆，直至黑色灌注浆充满断裂层和外置管道，溢出开孔口为止，拔出开孔管。

第十五步：断桩事故桩加固后承载力检测。将磁感应器荷载放置于加固后的断桩事故桩上，指示器装置绿色指示灯亮灯，承载力检测达标。再将实心木块荷载置于成形桩模型桩顶，指示灯装置绿色指示灯仍然亮着，承载力检测达标。

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是本申请中地基模拟机构的结构示意图；

图4是本申请中桩模型布置机构的结构示意图；

图5是本申请中灌注演示桩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是本申请中磁动力机构的结构示意图；

图8是本申请中滚动层的结构示意图；

图9是本申请中滚动机构的结构示意图；

图10是本申请中滚轮机构的结构示意图；

图11是本申请中伸缩杆机构的结构示意图；

图12是本申请中灌注器具机构的结构示意图；

图13是本申请中打桩机构的结构示意图；

图14是本申请中钢筋笼的结构示意图；

图15是本申请中灌注漏斗机构的结构示意图；

图16是本申请中开孔管的结构示意图；

图17是本申请中灌注浆拌合机构的结构示意图；

图18是本申请中承载力检测机构的结构示意图；

图19是本申请中断桩演示机构的结构示意图。

图中标号：

1-演示台机构，11-实木底座，12-实木围板，13-灌注器具箱，14-加固材料箱，15-伸缩杆箱，16-灌注演示框架，17-置物板，18-后置承重板；

2-地基模拟机构，21-灌注演示板，22-遮挡板，23-成形桩板，24-风化岩，25-砂土，26-黏土，27-灌注桩模型可视板，28-成形桩模型可视板；

3-桩模型布置机构，31-灌注演示桩模型机构，311-4倍桩径灌注桩模型，312-3倍桩径灌注桩模型，313-灌注桩模型桩管，314-灌注桩模型桩靴，315-浇筑完成线，316-就位线，317-下钢筋线，318-拔管线，319-开始浇筑线，3110-沉入套管线；32-成形桩模型机构，321-成形桩模型桩管，322-成形桩模型桩靴，323-连接层，324-内置管道，325-内置管道口，326-带孔隔板，327-孔口，328-预留插管孔，329-无孔隔板；

4-磁动力机构，41-固定块，42-水平推力电磁铁，43-隆起电磁铁，44-电磁铁开关，45-外置管道，46-外置管道口，47-滚动层，471-支撑板，472-滚动机构，4721-滚轮固定板，4722-滚轮机构，47221-空心圆柱体，47222-滚轮轴，48-水平推力磁铁，49-隆起磁铁，410-成形桩磁铁，411-外置管道磁铁，412-乳胶膜；

5-伸缩杆机构，51-包括支撑杆，52-下调整杆，53-上调整杆，54-连接杆；

6-灌注器具机构，61-打桩机构，611-套管，612-桩靴，62-钢筋笼，63-灌注漏斗机构，631-活塞杆，632-橡胶活塞，633-注浆漏斗，634-注浆导管，635-对接口，64-开孔管，641-开孔管身，642-侧面出浆孔，65-加固钢筋；

7-灌注浆拌合机构，71-灌注浆拌合盒，72-加固浆拌合盒，73-白色染料盒，74-黑色染料盒，75-磁铁屑盒，76-灌注浆，77-白色染料，78-黑色染料，79-磁铁屑；

8-承载力测试机构，81-实木荷载，82-磁感应荷载，83-指示灯装置，84-绿色指示灯；

9-断桩演示机构，91-水平推力位移，92-土体隆起，93-断裂层，94-被抽走絮状物，95-断裂层加固浆。

具体实施方式

本实施例一种模拟沉管灌注桩断桩与加固效果的演示装置，结合图1，包括演示台机构1、地基模拟机构2、桩模型布置机构3、磁动力机构4、伸缩杆机构5、灌注器具机构6、灌注浆拌合机构7和承载力测试机构8。

结合图2，演示台机构1包括实木底座11、实木围板12、灌注器具箱13、加固材料箱14、伸缩杆箱15、灌注演示框架16、置物板17和后置承重板18。

演示台机构1开口向后摆放。从演示台机构1正前方看，实木底座11位于演示台机构1的底部，实木围板12位于演示台机构1左右两侧，上面用于置放灌注浆拌合机构7；灌注器具箱13位于演示台机构1左端，用于置放灌注器具机构6，加固材料箱14位于灌注器具箱13内部右角端；伸缩杆箱15连接于灌注器具箱13的右侧，用于置放伸缩杆机构5；灌注演示框架16右端连接实木围板12，左端连接伸缩杆箱15，前端可安装地基模拟机构2，内部可置放桩模型布置机构3和磁动力机构4；置物板17位于灌注演示框架16上端右侧，用于置放承载力测试机构8；后置承重板18位于灌注演示框架16后侧，用于连接并固定桩模型布置机构3和磁动力机构4。

作为备选案例：

实木底座11为长1300mm、宽125mm、高140mm的实心木质长方体。

实木围板12为长1000mm、宽100mm、高900mm、右侧用圆角过度的木质长方体，圆角半径为100mm。

灌注器具箱13为长280mm、宽125mm、高760mm的空心塑料长方体。

加固材料箱14为长28mm、宽300、高130mm的空心塑料长方体。

伸缩杆箱15为长120mm、宽125mm、高760mm的空心塑料长方体。

灌注演示框架16为长1000mm、宽125mm、高760mm的塑料框架结构。

置物板17为长520mm、宽125mm的塑料薄板。

后置承重板18为长1000mm、宽760mm的木质薄板。

结合图3，地基模拟机构2包括灌注演示板21、遮挡板22、成形桩板23、风化岩24、砂土25、黏土26、灌注桩模型可视板27和成形桩模型可视板28。

地基模拟机构2是一个塑料透明的板，从地基模拟机构2正前方看：从左到右依次布置灌注演示板21、遮挡板22、成形桩板23，灌注演示板21和遮挡板22可以拆换拼装；灌注演示板21由下到上依次布置风化岩24、砂土25、灌注桩模型可视板27；遮挡板22由下到上依次布置风化岩24、砂土25、黏土26；成形桩板23由下到上依次布置风化岩24、砂土25、黏土26，并在砂土25和黏土26正中位置布置成形桩模型可视板28；灌注演示板21、遮挡板22、成形桩板23上各自布置的风化岩24、砂土25、黏土26，以及灌注演示版21上的灌注桩模型可视板27和成形桩板23上的成形桩模型可视板28相互结合，用于视觉上模拟正常的地基土层和桩的位置分布。

作为备选案例：

灌注演示板21为长120mm、宽5mm、高900mm的空心透明塑料薄板。

遮挡板22为长120mm、宽5mm、高900mm的空心透明塑料薄板。

成形桩板23为长760mm、宽5mm、高900的空心透明塑料薄板。

风化岩24厚度均为140mm的碎石。

砂土25厚度均为400mm的砂子。

黏土26厚度均为360mm的软土。

灌注桩模型可视板27为长120mm、宽5mm、上部矩形端高660mm、下部尖端高为100mm的尖形透明塑料薄板。

成形桩模型可视板28为长120mm、宽5mm、上部矩形端高660mm、下部尖端高为100mm的尖形透明塑料薄板。

结合图4，桩模型布置机构3包括灌注演示桩模型机构31和成形桩模型机构32。

结合图5，灌注演示桩模型机构31包括4倍桩径灌注桩模型311、3倍桩径灌注桩模型312、灌注桩模型桩管313、灌注桩模型桩靴314、浇筑完成线315、就位线316、下钢筋线317、拔管线318、开始浇筑线319和沉入套管线3110。

结合图6，成形桩模型机构32包括成形桩模型桩管321、成形桩模型桩靴322、连接层323、内置管道324、内置管道口325、带孔隔板326、孔口327、预留插管孔328和无孔隔板329。

灌注演示桩模型机构31和成形桩模型机构32固定在后置承重板18上，顶部与后置承重板18平行。4倍桩径灌注桩模型311与3倍桩径灌注桩模型312并排紧靠，用于演示不断桩和断桩原因。4倍桩径灌注桩模型311和3倍桩径灌注桩模型312都由灌注桩模型桩管313和灌注桩模型桩靴314组成。

灌注桩模型桩管313由至下依次布置浇筑完成线315、就位线316、下钢筋线317、拔管线318、开始浇筑线319、沉入套管线3110，用于灌注演示时灌注工艺顺序的演示，浇筑完成线315位于灌注桩模型桩管313顶端，沉入套管线3110位于灌注桩模型桩管313底端。

成形桩模型桩管321位于成形桩模型机构32上段，连接成形桩模型桩靴322，模拟成形桩的形态；连接层323位于成形桩模型桩管321中上端位置，内置管道324位于连接层323的中心位置，并垂直成形桩模型桩管321，留有内置管道口325，用于连接磁动力机构4；成形桩模型机构32中有带孔隔板326，一个置于成形桩模型桩管321顶端，另一个置于连接层323顶端，带孔隔板326上有两个孔口327，前后对称各布置一个，孔口327中心距带孔隔板326中心30mm，上下各布置的两个带孔隔板326孔口对齐，中间设置2个预留插管孔328，用于断桩事故桩的加固；无孔隔板329位于连接层323底端，隔绝连接层323。

作为备选案例：

4倍桩径灌注桩模型311的上部为半径60mm、高660mm的透明塑料圆柱体，下部为半径60mm、高100mm的透明塑料圆锥体。

3倍桩径灌注桩模型312的上部为半径60mm、高660mm的透明塑料圆柱体，下部为半径60mm、高100mm的透明塑料圆锥体。

灌注桩模型桩管313为半径60mm、高660mm的透明塑料圆柱体。

灌注桩模型桩靴314为半径60mm、高100mm的透明塑料圆锥体。

浇筑完成线315距离灌注桩模型桩管313顶端0mm，可标记为蓝色线条。

就位线316距离灌注桩模型桩管313顶端130mm，可标记为红色线条。

下钢筋线317距离灌注桩模型桩管313顶端100mm，可标记为紫色线条。

拔管线318距离灌注桩模型桩管313顶端200mm，可标记为黄色线条。

开始浇筑线319距离灌注桩模型桩管313顶端300mm，可标记为绿色线条。

沉入套管线3110距离灌注桩模型桩管313顶端660mm，可标记为黑色线条。

成形桩模型桩管321为半径60mm、高660mm的透明塑料圆柱体。

成形桩模型桩靴322为半径60mm、高100mm的透明塑料圆锥体。

连接层323半径60mm、高60mm的空心圆柱。

内置管道324为长65mm、宽28mm、高21mm的透明塑料管道。

内置管道口325为半径60mm、高21mm的圆弧管道口。

带孔隔板326为半径60mm的透明的塑料薄板。

孔口327的半径为21mm的圆形孔。

预留插管孔328为半径21mm、高70mm的透明塑料圆柱体。

无孔隔板329为半径60mm的透明塑料薄板。

结合图7，磁动力机构4包括固定块41、水平推力电磁铁42、隆起电磁铁43、电磁铁开关44、外置管道45、外置管道口46、滚动层47、水平推力磁铁48、隆起磁铁49、成形桩磁铁410、外置管道磁铁411和乳胶膜412。

结合图8、图9和图10，滚动层47包括支撑板471和滚动机构472，滚动机构472包括滚轮固定板4721和滚轮机构4722；滚轮机构4722包括空心圆柱体47221和滚轮轴47222。

固定块41垂直置于实木底座11上，水平推力电磁铁42和隆起电磁铁43分别内置于固定块41指定位置，电磁铁开关44与水平推力电磁铁42和隆起电磁铁43通过固定块41中的内置电路连接；开启电磁铁开关43，水平推力电磁铁42和隆起电磁铁43会产生磁性，外置管道45与内置管道324连接，分别置于内置管道324和外置管道45指定位置，外置管道口46位于外置管道45右侧，用于连接内置管道口325。

滚动层47内置于固定块41，上端与固定块41上端齐平。水平推力磁铁48置于滚动层47中部位置，隆起磁铁49在隆起电磁铁43上方，成形桩磁铁410位于成形桩模型机构32中，外置管道磁铁411位于外置管道45内右端，乳胶膜412位于固定块41上表层端右前角落，当隆起电磁铁43对隆起磁铁49产生斥力时，起阻挡隆起磁铁49的作用，以演示断桩演示过程的土体隆起现象演示。

支撑板471位于滚动层47上下两端，用细杆连接固定。滚动机构472置于支撑板471中，通过支撑板471可左右滚动。滚轮固定板4721位于滚动机构472前后两侧，滚轮机构4722位于滚动机构472上下两端，并固定于滚轮固定板4721。空心圆柱体47221穿插于滚轮轴47222上，滚轮机构4722上有10根滚轮轴47222，每一根滚轮轴47222上有三个空心圆柱体47221，相邻滚轮轴47222上的空心圆柱体47221交错排列。

作为备选案例：

固定块41为长85mm、宽76.5mm、高760mm的木质长方体。

水平推力电磁铁42为长33mm、宽28mm、高20mm的塑料长方体。

隆起电磁铁43为长33mm、宽28mm、高20mm的塑料长方体。

电磁铁开关44为长10mm、宽10mm、高10mm的塑料长方体。

外置管道45为管身长400mm、宽28mm、高21mm的透明塑料。

外置管道口46为为半径60mm、高21mm的圆弧管道口。

滚动层47为长66mm、宽28mm、高200mm的塑料框架。

水平推力磁铁48长33mm、宽28mm、高20mm。

隆起磁铁49长33mm、宽28mm、高20mm。

成形桩磁铁410长33mm、宽28mm、高20mm。

外置管道磁铁411长33mm、宽28mm、高20mm。

乳胶膜412为长33mm、宽28mm的矩形薄膜。

支撑板471为长66mm、宽28mm的透明塑料薄板。

滚轮固定板4721为长194mm、宽66mm的塑料透明薄板。

滚轮机构4722包括滚轮轴47222和空心圆柱体47221，空心圆柱体47221为内径1.1mm、外径1.5mm的空心塑料圆柱体，滚轮轴47222为半径1mm、长33mm的实心塑料圆柱体。

结合图11，伸缩杆机构5包括支撑杆51、下调整杆52、上调整杆53和连接杆54。

伸缩杆机构5从下往上依次布置支撑杆51、下调整杆52、上调整杆53，下调整杆52和上调整杆53可上下调整长度。连接杆54固定在上调整杆53上，也可以伸缩。

作为备选案例：

支撑杆51为半径60mm、高260mm的塑料圆柱体。

下调整杆52为半径50mm、高250mm的塑料圆柱体。

上调整杆53为半径40mm、高250mm的塑料圆柱体。

连接杆54为半径10.5mm、伸出长度为30mm的塑料空心圆柱体。

结合图12、14，灌注器具机构6包括打桩机构61、钢筋笼62、灌注漏斗机构63、开孔管64和加固钢筋65。

结合图13，打桩机构61包括套管611和桩靴612。

结合图15，灌注漏斗机构63包括活塞杆631、橡胶活塞632、注浆漏斗633、注浆导管634和对接口635。

结合图16，开孔管64包括开孔管身641和侧面出浆孔642。

灌注器具机构6置于灌注器具箱13内，从左至右依次排列为打桩机构61、钢筋笼62、灌注漏斗机构63、开孔管64和加固钢筋65，开孔管64和加固钢筋65置于加固材料箱14内。套管611和桩靴612连接。灌注漏斗机构63从上往下依次布置活塞杆631、橡胶活塞632、注浆漏斗633、注浆导管634，对接口635固定在注浆漏斗633上，开孔管身641上预留两个出浆孔642。

作为备选案例：

套管611为半径60mm、高660mm的塑料圆柱体。

桩靴612为半径60mm、高100mm的塑料圆锥体。

钢筋笼62为半径50mm、高600mm的塑料钢筋笼框架。

活塞杆631为半径20mm、高100mm的塑料圆柱体。

橡胶活塞632为半径60、高20mm的皮质圆柱体。

注浆导管634为半径25mm、高600mm的空心塑料圆柱体。

对接口635为半径10mm、伸出长度为50mm的空心塑料圆柱体。

开孔管身641为半径20mm、长130mm的空心圆柱体。

侧面出浆孔642为半径10mm的圆形孔。

结合图17，灌注浆拌合机构7包括灌注浆拌合盒71、加固浆拌合盒72、白色染料盒73、黑色染料盒74、磁铁屑盒75、灌注浆76、白色染料77、黑色染料78、磁铁屑79。

灌注浆拌合机构7上的灌注浆拌合盒71、加固浆拌合盒72、白色染料盒73、黑色染料盒74、磁铁屑盒75都设置于实木围板12上，灌注浆拌合盒71、加固浆拌合盒72、白色染料盒73、黑色染料盒74、磁铁屑盒75都是未封闭的，灌注浆76存放在灌注浆拌合盒71和加固浆拌合盒72，白色染料77存放在白色染料盒73，黑色染料78存放在黑色染料盒74，磁铁屑79存放在磁铁屑盒75。

作为备选案例：

灌注浆拌合盒71为长900mm、宽100mm、高30mm的塑料长方体。

加固浆拌合盒72为长870mm、宽100mm、高30mm的塑料长方体。

白色染料盒73为半径100mm的弧形塑料盒。

黑色染料盒74为半径100mm的弧形塑料盒。

磁铁屑盒75为长100mm、宽50mm、高30mm的塑料长方体。

灌注浆76为透明无色的浆液。

白色染料77为白色液体。

黑色染料78为黑色液体。

磁铁屑79为黑色碎屑。

结合图18，承载力测试机构8包括实木荷载81、磁感应荷载82，指示灯装置83、绿色指示灯84，实木荷载81、磁感应荷载82和指示灯装置83都置于置物板17上，实木荷载81与磁感应荷载82并排放置，磁感应荷载82内部有磁感应器，通过内置蓝牙传输信号给指示灯装置83，绿色指示灯84位于指示灯装置83正中央。

作为备选案例：

实木荷载81为长度为30mm的木质实心立方体。

磁感应荷载82为长度为30mm的塑料空心立方体。

指示灯装置83为长50mm，宽20mm，高50mm的塑料空心长方体。

绿色指示灯84为半径10mm的圆形玻璃灯。

结合图19，断桩演示机构9包括水平推力位移91、土体隆起92、断裂层93、被抽走絮状物94、断裂层加固浆95，水平推力位移91为滚动机构472滚动轨迹长度，土体隆起92位于右前方，断裂层93位于成形桩模型机构32内，中心平行于水平推力位移91中心，被抽走絮状物94位于外置管道45内，絮状物粘附在外置管道磁铁411上，絮状物原存在断裂层93，断裂层加固浆95充满断裂层93和相通的外置管道45。

作为备选案例：

水平推力位移81的长度为28mm。

土体隆起92为长33mm、宽28mm、高20mm的凸出长方体。

断裂层93为半径60mm、高60mm的透明空心层。

被抽走絮状物94为50条长50mm、宽10mm的轻质薄纸。

下面详细说明本申请的具体实施过程。

(一)4倍桩径灌注桩模型灌注及相邻成形桩承载力检测。

第一步：灌注浆拌合。模拟混凝土浆液，将灌注浆76放入灌注浆拌合盒71中，将白色染料盒73内的白色染料77加入灌注浆拌合盒71进行拌合，配成白色灌注浆。

第二步：灌注漏斗机构63安装。将灌注漏斗机构63从灌注器具箱13拿出，通过对接口635和伸缩杆机构5的连接杆54连接安装。

第三步：就位。将打桩机构61的套管611和桩靴612连接好，将其置于4倍桩径灌注桩模型311中，桩靴612对准红色的就位线316。

第四步：沉入套管611。将打桩机构61整体置于4倍桩径灌注桩模型311中，套管611底部与黑色的沉入套管线3110对齐。

第五步：浇筑。调整伸缩杆机构5长度和连接杆54的长度，旋转90°使灌注漏斗机构63插入套管611，将拌合好的白色灌注浆通过灌注漏斗机构63上的注浆导管634注入4倍桩径灌注桩模型311中，直至绿色的开始浇筑线319。

第六步：边拔管边浇筑。继续将拌合好的白色灌注浆经灌注漏斗机构63注入4倍桩径灌注桩模型311中，同时垂直上拔套管611，直至黄色的拔管线318。

第七步：下钢筋笼62。待套管611拔至紫色的下钢筋线317，将钢筋笼62从灌注器具箱13中拿出，垂直放入4倍桩径灌注桩模型311中，底端插入已经注入的白色灌注浆中。

第八步：浇筑完成。待套管611拔出，调整伸缩杆机构5继续灌注白色灌注浆，至灌注浆高出蓝色的浇筑完成线315，溢出4倍桩径灌注桩模型311顶部。

第九步：抽出灌注漏斗机构63。调整伸缩杆机构5长度，拔出4倍桩径灌注桩模型311中的灌注漏斗机构63上的注浆导管634，旋转90°置于一边。

第十步：承载力检测。内置磁感应器的磁感应荷载82置于成形桩模型机构32桩顶，指示灯装置83的绿色指示灯84亮灯；实木荷载81置于成形桩模型机构32桩顶，指示灯装置83的绿色指示灯84仍然亮着，承载力检测达标。

(二)3倍桩径灌注桩模型灌注及相邻成形桩承载力检测。

第一步：拆换灌注演示框架16。将从4倍桩径灌注桩模型311前方灌注演示板21和3倍桩径灌注桩模型312前方的遮挡板22拆换。

第二步：灌注浆拌合。模拟混凝土浆液，将灌注浆76放入灌注浆拌合盒71中，将白色染料盒73内的白色染料77加入灌注浆拌合盒71进行拌合，配成白色灌注浆。

第三步：灌注漏斗机构63安装。将灌注漏斗机构63从灌注器具箱13拿出，通过对接口635和伸缩杆机构5的连接杆54连接安装。

第四步：就位。将打桩机构61的套管611和桩靴612连接好，将其置于3倍桩径灌注桩模型312中，桩靴612对准红色的就位线316。

第五步：沉入套管611。将打桩机构61整体置于3倍桩径灌注桩模型312中，套管611底部与黑色的沉入套管线3110对齐。

第六步：浇筑。调整伸缩杆机构5长度和连接杆54的长度，旋转90°使灌注漏斗机构63对准套管611中心插入，将拌合好的白色灌注浆通过灌注漏斗机构63的注浆导管634注入3倍桩径灌注桩模型312中，至绿色的开始浇筑线319。

第七步：边拔管边浇筑。继续将拌合好的白色灌注浆通过灌注漏斗机构63注入3倍桩径灌注桩模型312中，同时垂直上拔套管611，至黄色的拔管线318。

第八步：下钢筋笼62。待套管611拔至紫色的下钢筋线317，将钢筋笼62从灌注器具箱13中拿出，垂直放入3倍桩径灌注桩模型312中，底端插入已经注入的白色灌注浆中。

第九步：浇筑完成。待套管611拔出，调整伸缩杆机构5继续灌注白色灌注浆，至灌注浆高出蓝色浇筑完成线315，溢出3倍桩径灌注桩模型312顶部。

第十步：抽出灌注漏斗机构63。调整伸缩杆机构5长度，拔出3倍桩径灌注桩模型312中的灌注漏斗机构63上的注浆导管634，旋转90°置于一边。

第十一步：断桩过程演示。打开电磁铁开关44，水平推力电磁铁42和隆起电磁铁43产生磁性，滚动层47中的滚动机构472从左向右移动28mm，在乳胶膜412的阻挡作用下，演示台机构1平面凸起高20mm的隆起磁铁49，滚动机构472上的水平推力磁铁48对成形桩磁铁410有斥力作用，右侧外置管道45里的外置管道磁铁411对其产生吸力作用，粘在成形桩磁铁410的絮状物随着成形桩磁铁410通过内置管道324和外置管道45连接形成的管道吸附到外置管道磁铁411上，在视觉上形成中空的断裂层93。

第十二步：断桩事故桩承载力检测。将磁感应荷载82放置在成形桩桩顶上，指示灯装置83的绿色指示灯84不亮，承载力不达标。

第十三步：加固灌注浆拌合。模拟混凝土浆液，将灌注浆放入加固浆拌合盒72中，将黑色染料盒74内的黑色染料78和磁铁屑盒75内的磁铁屑79加入加固浆拌合盒72进行拌合，配成黑色加固灌注浆。

第十四步：断桩事故桩加固。将开孔管64通过预留插管孔328插入到断裂层93下端的无孔隔板329，再将加固钢筋65插入，灌注黑色加固灌注浆，直至黑色灌注浆充满断裂层93和外置管道45，溢出孔口327为止，拔出开孔管64。

第十五步：断桩事故桩加固后承载力检测。将磁感应荷载82放置于加固后的断桩事故桩上，指示器装置83的绿色指示灯84亮灯，再放置实木荷载81，指示器装置83的绿色指示灯84亮灯，承载力检测达标。

本案例的有益效果可简单概括如下：

(1)安全美观。本案例的演示台机构是一个圆角开口型模型，边角用圆角过渡，模型台的圆角轮廓和直角轮廓相比较，安全性更高，也符合大众审美观；由板块组装的演示模型，演示人员可置于内测开口处讲解，施工人员在前侧聆听，整个演示台像一个讲台，整个演示过程所需器具都布置在演示台上，这种教学式演示方式贴近教学模式，更能使施工人员对演示过程的理解。

(2)便携性高。本案例演示装置是通过各轻质板材组装而成，重量轻，适用于演示人员携带到各种工地现场对施工人员进行技术指导。

(3)多用性。本案例演示装置不仅可以演示正常的沉管灌注桩工艺，也可以演示断桩事故以及对断桩事故桩处理方法，加上断桩事故桩断桩前后承载力的检测对比，凸显对断桩事故桩的加固效果。

(4)操作简单。本案例演示装置是通过电磁铁装置的开关控制沉管灌注桩的断桩演示，整个操作简单明了。

(5)绿色环保。本案例演示装置构成中，地基模拟机构2中的土层分布是封闭置于塑料薄板内，可循环使用，不仅给人一种真实的地基土层分布即视感，塑料板内的土层也是工地废弃土料，废物利用。

(6)模拟度高。本案例在进行沉管灌注桩模型断桩演示过程中，通过电磁铁磁性的产生来模拟沉管灌注桩灌注挤压力，再基于磁铁的异性相吸，同性相斥的特性推动磁动力机构来模拟断桩过程的土体隆起和断裂层产生现象，只需简单控制电磁铁开关，断桩演示过程基本全自动化，人为干预少，贴近实际工程断桩事故发生原理。

(7)可视化。本案例通过设计灌注可视板和透明模型的线条标注，对灌注演示过程和断桩演示过程做到全程可视化，便于施工人员对沉管灌注桩断桩事故和加固处理这一抽象过程的理解。

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