同济大学地下建筑与工程系 上海市 200092
摘要：桩基室内模型试验具有易操作、可重复性强等优点，长时间以来一直是岩土工程领域的重要试验手段。其中，如何制作模型桩是试验的核心问题。合格的模型桩需要具有以下几个优点：第一，模型桩自身需要具备良好的性质，能够拥有较好的完整性与强度，并保证通过桩基检测[1]；第二，模型桩需要具有可比性，试验结果能够为工程实际提供有价值的参考[2]；第三，模型桩制作流程应尽量简便、可重复，在节约试验经费的同时利用重复试验提高试验的精确性[3]。
伴随着近年来预应力混凝土管桩的广泛运用，相关的室内模型试验是重点研究手法之一。管桩的承载力特性与桩径、壁厚有着较为密切的关系[4]，因此如何制作任意尺寸的模型混凝土管桩成为难题。部分模型试验采用钢管、PVC管等其他材料进行近似模拟，尽管其制作简便、可重复性好，但未能充分模拟工程实际中的桩-土相互作用，因此距离真实模拟仍有一定的进步空间。本文探讨使用塑料泡沫模型制作任意横截面尺寸的模型混凝土管桩，在保证加筋的同时能够放置应变片进行桩身应变测量。
1模型桩制作所使用的原材料
（1）加筋材料
在以往的研究中，将应变片直接贴于桩的外侧是比较常见的。但是这种方法的最大问题在于应变片、导线两者本身会对桩-土相互作用产生影响，且沉桩过程中应变片脱落时有发生，因此如何将应变片置于桩内部成为了一大难题。本试验参照了吴悦[110]、王有宝[111]等人的研究，使用两个相同角铝对接形成内部空腔为应变片与导线提供放置空间。同时，角铝浇筑于管桩内也可起到加筋的作用，对于提高模型管桩的稳定性与承载力有着极大的帮助。
与实心桩所不相同的是，一般情况下模型管桩的管壁较薄，常规尺寸的角铝是无法浇筑在管桩内的。本次试验采用横截面为4mm*6mm、厚度为1mm的小尺寸角铝，制作单位为上海市奉皋贸易有限公司。两个角铝对接后，横截面外部尺寸为4mm*7mm（图1），可于浇筑时放置在半桩、整桩以及套桩的外桩内。
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图1小尺寸角铝对接后横截面示意图
（2）应变片
当前选用的角铝内部仅有4mm和2mm的平面，因此需要选用尺寸较小的应变片。本次试验采用的应变片为北京一洋应振测试技术有限公司提供的BX120-0.5AA型应变片，敏感栅尺寸为0.5mm*0.5mm，基底尺寸为3.5mm*2.5mm，完全可以放置于角铝内侧4mm平面处。
表1应变片技术参数
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（3）粘贴胶、密封胶
传统的应变片出厂时与导线是分离的，使用时先与导线焊接，然后再一起焊接在被测量的物体上，但本次使用的应变片与角铝尺寸较小，焊接应变片成为不可能的选项。经过与应变片厂家的沟通，出厂时应变片即与基底焊接在一起，使用时用瑞士Kisling公司的5400ergo型胶水将应变片粘贴于指定位置即可。该胶水黏性强、挥发速度快，能够保证被测物体与应变片的实际应变保持一致。
尽管角铝空腔为应变片提供了独立的环境，但为了防止应变片在管桩浇筑过程中接触到水泥砂浆等液体，本次试验还使用广东恒大新材料科技有限公司生产的卡夫特K-704有机硅密封胶。将该密封胶覆盖于应变片基底与敏感栅上，可以有效隔绝液体。
（4）塑料泡沫模型
传统的模型试验在浇筑混凝土桩时会使用PVC管、钢模具等，这些模具普遍存在尺寸固定、难以制作任意规格的问题。以软PVC管为例，市面上普遍以GB/T13527.1-1992为准，无法制作任意尺寸的模型管桩。
本次试验采用临沂规雁模具科技有限公司定制的塑料泡沫模型，模型尺寸可以自由定制。模型由高强度塑料泡沫制作，在浇筑混凝土后的养护期内仍可定型。同时，拆模方便也是一大优点。本次定制的管桩模型由底座、圆柱体、外包面构成，底座用来支撑养护期内的管桩模型，圆柱体为管桩内部空腔。浇筑前需要使用热熔胶将圆柱体与外包面固定于底座的固定位置上。
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图2塑料泡沫模型示意图
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图3粘贴应变片
（5）水、水泥、砂子
水灰比直接影响着混凝土的强度与浇筑时的流动性，对于本次试验浇筑的薄壁管桩，需要略微提高水灰比以保证浇筑顺利。
本次试验采用较为常用的海螺牌硅酸盐水泥，砂子采用颗粒不均匀的普通河砂。本次试验中水、水泥、砂子的质量比为0.7：1：2.5。
3模型桩制作流程
（1）使用5400ergo胶水将应变片粘贴于角铝预先划定的位置处，将导线顺次拉至角铝另一端。待粘贴胶完全挥发后，使用卡夫特K-704胶覆盖于应变片基底表面。
（2）将标签纸贴于导线外以分辨应变片，并用透明胶布保护标签纸。
（3）将两个角铝相抵，使用透明胶布将之紧密包裹在一起。
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图4角铝对完成图
（4）用热熔胶将角铝固定于塑料泡沫模型，以防止浇筑时角铝位置变动。
（5）按照预定水灰比搅拌，浇筑于泡沫模型内。浇筑过程中应不断进行振捣。浇筑完成后在恒温环境下养护28天。
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图5浇筑过程
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图6模型管桩示意图
（6）养护完毕后，使用美工刀拆卸外包面与底座，剩余泡沫残渣与内包圆柱体使用香蕉水腐蚀清理，最后再用砂纸打磨模型管桩的内外表面。香蕉水易挥发，且仅与塑料泡沫等有机物发生化学反应，反应后产生的少量物质可用砂纸打磨干净。香蕉水不与混凝土等无机物发生任何反应，因此香蕉水在清理过程中不会对模型管桩造成任何破坏。
4结语
模型管桩的制作方法是桩基室内模型试验的重要步骤，其制作好坏对于后续试验步骤与试验结果拥有决定性的作用。本文探讨了一种新的任意尺寸任意横截面尺寸模型混凝土管桩的制作方法。使用该方法制作的模型管桩造价低、可重复性高，同时能够通过桩基检测，在后续试验中表现良好，是一种值得推广的模型桩制作方法。
参考文献
[1]张莉萍,黎正根,汤洪志.模型桩制作及有关问题研究[A].中国地球物理学会.1997年中国地球物理学会第十三届学术年会论文集[C].中国地球物理学会:中国地球物理学会,1997:1.
[2]章棣华.低应变考核用模型桩制作若干问题探讨[J].山西建筑,2013,39 (22):60-62.
[3]洪双珠.PHC管桩振动台试验模型制作与测试点布置[J].福建建材,2016(01):17-19.
[4]王永洪,张明义,刘雪颖,白晓宇,桑松魁,管金萍.基于桩土界面应力测试的开闭口桩静力沉桩室内试验对比研究[J].中南大学学报(自然科学版), 2021,52(02):599-606.
[5]吴悦.考虑土体径向卸荷效应的桩端后注浆浆液扩散机理及单桩竖向抗压承载机制[D].上海:同济大学,2020.
[6]王有宝.黏性土中考虑卸荷影响的桩端后注浆抗压桩竖向承载特性研究[D].上海:同济大学,2020.