一种基于透明岩体的嵌岩桩模型试验装置及其使用方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及透明岩体材料及粧基础技术领域，主要适用于土木工程模型试验等技术领域，尤其涉及一种基于透明岩体的嵌岩粧模型试验装置及其使用方法。
【背景技术】
[0002]当上部地层中摩阻力和端阻力共同作用都无法满足上部荷载作用要求，或者抗倾覆不能满足要求时，需要考虑将粧端嵌入地层下部岩体中，形成嵌岩粧。嵌岩粧的承载与变形特性、粧体与岩体相互作用机理等问题，有待相关工程技术人员深入研究。粧基模型试验是了解与掌握粧-土（岩）相互作用的最常用且最重要的手段之一；然而，常规嵌岩粧模型试验装置无法有效观测试验过程中竖向、水平向以及倾斜向荷载作用下粧体和岩体的变形、破碎等问题。因此，寻求一种可视化观测嵌岩粧粧_岩相互作用的模型试验装置，是工程技术人员努力追求的方向，也是嵌岩粧技术得到广泛推广应用的必要条件。
[0003]在本发明专利之前，中国申请发明专利“一种基于CT扫描的单粧承载机理物理模型试验装置”（【申请号】201410213046. 1)公开了一种基于CT扫描技术的单粧承载机理物理模型试验装置；该技术方案通过CT扫描机对单粧承载模拟试验可以实现可视化观测单粧竖向荷载下粧_ 土相互作用及粧周土体位移场的变化规律；然而，该技术方案不仅CT扫描机设备使用费用昂贵，而且只考虑了土体中单粧的竖向压力承载。中国申请发明专利“振动沉管挤密粧模型试验装置及试验方法”(【申请号】201410177576. 5)公开了一种基于透明土材料可视化振动沉管挤密粧模型试验装置及试验方法；该技术方案利用模型槽和透明土的可视性，对振动沉管挤密粧模型试验进行了可视化观测；然而，该技术方案仅解决土体中振动沉管挤密粧的施工过程及施工过程对粧周土体影响的可视化观测问题，对嵌岩粧或者岩体变形特性无法解决。
[0004]已有相关研究结果表明，在嵌岩粧与岩体相互作用时，承载特性会受到粧体或者岩体破碎、沉渣的影响。因此，开发一种可视化的嵌岩粧模型试验装置显得尤为迫切。
【发明内容】
[0005]发明目的：为解决现有技术中存在的问题，解决嵌岩粧与岩体相互作用时，粧体或者岩体破碎、沉渣对承载特性影响无法观测等问题，提供一种基于透明岩体材料的可视化嵌岩粧模型试验装置，以观测竖向、水平向以及倾斜向荷载作用下嵌岩粧与岩体的变形、破碎以及承载特性。
[0006]技术方案：为实现上述技术目的，本发明的基于透明岩体的嵌岩粧模型试验装置，包括加载平台、设置于加载平台上方的透明模型槽、嵌岩粧、竖向加载装置和/或水平向和斜向加载装置，其中，所述透明模型槽的下部装有透明岩体，透明岩体的上部装有天然土，所述的嵌岩粧布置于透明模型槽的中心并依次穿透天然土并部分嵌入透明岩体；所述的竖向加载装置用于在竖直方向上对嵌岩粧施加压力；所述的水平向和斜向加载装置用于在水平向和斜向对嵌岩粧施加压力；所述模型槽的侧面和底面设置有数码相机；所述的加载平台上设置有观测窗。
[0007]优选地，所述模型槽的材料为透明有机玻璃或透明钢化玻璃，所述模型槽为边长250?300mm、高度300?450mm、壁厚10?20mm的底部封口、上部开口的立方体；或者直径为250?300mm、高度为300?450mm、壁厚10?20mm的底部封口、上部开口的圆柱体。
[0008]所述嵌岩粧为钢筋混凝土嵌岩粧、素混凝土嵌岩粧或钢管混凝土嵌岩粧，所述嵌岩粧的横截面形状为圆形、长方形、X形、Y形或者环形中的任意一种，分别构成圆形粧、长方形粧、X形粧、Y形粧或者管粧。
[0009]所述的圆形粧的直径为20?25mm，粧长为300?450mm ;所述的长方形粧的边长为20?25mm，粧长为300?450mm ;所述的X形粧或Y形粧的外包圆直径为20?25mm，开弧角度为90?120°，粧长为300?450mm ;所述的管粧的外径为20?25mm，管壁厚为5?7mm，粧长为 300 ?450mm。
[0010]具体地，嵌岩粧与透明岩体相对位置为粧体垂直或倾斜嵌入透明岩体，嵌岩粧轴线与垂直线（即为自然垂向，重力加速度的方向）构成的倾斜角为0°?45°。
[0011]优选地，所述加载平台的由钢材和透明有机玻璃制作而成，或者由透明钢化玻璃制作而成，所述观测窗由透明有机玻璃或透明钢化玻璃制成。
[0012]所述透明岩体由天然硅石制成，透明岩体内部设置有0?3组的裂缝，所述裂缝材料为耐高温的彩色片状的石英；所述透明岩体与嵌岩粧粧体的接触面为光滑或粗糙，有沉渣或无沉渣；所述沉渣为彩色石英砂颗粒。
[0013]所述的竖向加载装置包括砝码和压力加载板，所述压力加载板套设于所述嵌岩粧的顶端，所述砝码设置于压力加载板的上方；所述水平向和斜向加载装置包括加载架、横向定滑轮、可固定的水平移动滑块、竖向定滑轮、可固定的竖向移动滑块、拖拽砝码和加载托盘，所述加载架固定在加载平台上，包括相互连接的横杆和竖杆，所述可固定的水平移动滑块和可固定的竖向移动滑块分别设置于所述加载架的横杆和竖杆上，所述的可固定的水平移动滑块和可固定的竖向移动滑块上分别连接有横向定滑轮和竖向定滑轮；所述的加载托盘通过绳索跨过所述竖向定滑轮和横向定滑轮与嵌岩粧相连，所述的拖拽砝码设置于所述加载托盘中；通过移动所述可固定的水平移动滑块和可固定的竖向移动滑块的位置调整水平向、倾斜向和竖向荷载。
[0014]优选地，所述数码相机包括两个，其中一个设置于圆形拍摄滑轨上，所述圆形拍摄滑轨环绕设置于所述模型槽的周围，另一个数码相机设置于加载平台的观测窗的底部。
[0015]本发明进一步提出了一种基于透明岩体的嵌岩粧模型试验装置模拟嵌岩粧与岩体相互作用的方法，其特征在于，包括如下步骤：
[0016](1)制备透明模型槽和透明岩体，在所述透明岩体中预埋0?3组彩色片状石英模拟裂缝；所述透明岩体上部中心位置预设放置嵌岩粧的孔洞；
[0017](2)浇注至少一根嵌岩粧；
[0018](3)将所述透明岩体放置在模型槽的下部，将嵌岩粧粧端放置在透明岩体的预设孔洞内部，并在嵌岩粧的侧壁和端部设置或者不设置由彩色石英颗粒模拟的沉渣；然后，在模型槽的上部填入天然土层至设计高度；
[0019](4)将埋设好透明岩体、嵌岩粧和天然土的模型槽放在加载平台上，所述加载平台上设置有观测窗，使所述模型槽的底部与所述观测窗对准；在模型槽周围布置圆形拍摄滑轨，在圆形拍摄滑轨上布置1台数码相机；在加载平台的观测窗的下面布置1台数码相机；
[0020](5)当开展竖向压荷载试验时，在嵌岩粧粧顶放置压力加载板，所述压力加载板与嵌岩粧咬合，所述压力加载板上方放置砝码用于施工压荷载，通过逐级增加砝码的质量的方式调整所施加荷载的大小形成分级加载；
[0021]当开展竖向、水平向及倾斜向拉荷载试验时，布置水平向和斜向加载装置，所述布置水平向和斜向加载装置包括加载架、横向定滑轮、可固定的水平移动滑块、竖向定滑轮、可固定的竖向移动滑块、拖拽砝码和加载托盘，其中，所述加载架固定在加载平台上，包括相互连接的横杆和竖杆，所述可固定的水平移动滑块和可固定的竖向移动滑块分别设置于所述加载架的横杆和竖杆上，所述的可固定的水平移动滑块和可固定的竖向移动滑块上分别连接有横向定滑轮和竖向定滑轮；所述的加载托盘通过绳索跨过所述竖向定滑轮和横向定滑轮与嵌岩粧相连，所述的拖拽砝码设置于所述加载托盘中，通过移动所述可固定的水平移动滑块和可固定的竖向移动滑块的位置调整绳索拉力与嵌岩粧轴线的夹角在0°到90°之间，形成不同竖向、水平向及倾斜向拉荷载形式；通过逐级增加砝码的质量的方式调整所施加荷载的大小形成分级加载；
[0022](6)当开展竖向压荷载试验或竖向、水平向及倾斜向拉荷载试验，每级荷载下通过圆形拍摄滑轨上的数码相机和加载平台观测窗下面的数码相机，观测嵌岩粧与透明岩体之间的相互作用。
[0023]在一个实施方案中，可以在模型槽布置2?4根嵌岩粧组成群粧嵌岩粧模型试验目.o
[0024]有益效果：与现有技术相比，本发明通过利用透明岩体材料、粧体、加载系统（竖向、水平向或倾斜向)以及数码相机组成的粧基模型装置，可视化观测与分析竖向、水平向或倾斜向荷载作