[发明专利]一种基于透明岩体的嵌岩桩模型试验装置及其使用方法

说明书

技术领域

本发明涉及透明岩体材料及桩基础技术领域，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桩模型试验装置及其使用方法。

背景技术

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，需要考虑将桩端嵌入地层下部岩体中，形成嵌岩桩。嵌岩桩的承载与变形特性、桩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。桩基模型试验是了解与掌握桩-土(岩)相互作用的最常用且最重要的手段之一；然而，常规嵌岩桩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桩体和岩体的变形、破碎等问题。因此，寻求一种可视化观测嵌岩桩桩-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，也是嵌岩桩技术得到广泛推广应用的必要条件。

在本发明专利之前，中国申请发明专利“一种基于CT扫描的单桩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扫描技术的单桩承载机理物理模型试验装置；该技术方案通过CT扫描机对单桩承载模拟试验可以实现可视化观测单桩竖向荷载下桩-土相互作用及桩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桩的竖向压力承载。中国申请发明专利“振动沉管挤密桩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桩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，对振动沉管挤密桩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桩的施工过程及施工过程对桩周土体影响的可视化观测问题，对嵌岩桩或者岩体变形特性无法解决。

已有相关研究结果表明，在嵌岩桩与岩体相互作用时，承载特性会受到桩体或者岩体破碎、沉渣的影响。因此，开发一种可视化的嵌岩桩模型试验装置显得尤为迫切。

发明内容

发明目的：为解决现有技术中存在的问题，解决嵌岩桩与岩体相互作用时，桩体或者岩体破碎、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桩模型试验装置，以观测竖向、水平向以及倾斜向荷载作用下嵌岩桩与岩体的变形、破碎以及承载特性。

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桩模型试验装置，包括加载平台、设置于加载平台上方的透明模型槽、嵌岩桩、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，所述的嵌岩桩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桩施加压力；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桩施加压力；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。

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。

所述嵌岩桩为钢筋混凝土嵌岩桩、素混凝土嵌岩桩或钢管混凝土嵌岩桩，所述嵌岩桩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，分别构成圆形桩、长方形桩、X形桩、Y形桩或者管桩。

所述的圆形桩的直径为20～25mm，桩长为300～450mm；所述的长方形桩的边长为20～25mm，桩长为300～450mm；所述的X形桩或Y形桩的外包圆直径为20～25mm，开弧弧度为90～120°，桩长为300～450mm；所述的管桩的外径为20～25mm，管壁厚为5～7mm，桩长为300～450mm。

具体地，嵌岩桩与透明岩体相对位置为桩体垂直或倾斜嵌入透明岩体，嵌岩桩轴线与垂直线(即为自然垂向，重力加速度的方向)构成的倾斜角为0°～45°。

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。

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桩桩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。