一種基于透明巖體的嵌巖樁模型試驗裝置及其使用方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及透明巖體材料及粧基礎技術領域，主要適用于土木工程模型試驗等技術領域，尤其涉及一種基于透明巖體的嵌巖粧模型試驗裝置及其使用方法。
【背景技術】
[0002]當上部地層中摩阻力和端阻力共同作用都無法滿足上部荷載作用要求，或者抗傾覆不能滿足要求時，需要考慮將粧端嵌入地層下部巖體中，形成嵌巖粧。嵌巖粧的承載與變形特性、粧體與巖體相互作用機理等問題，有待相關工程技術人員深入研究。粧基模型試驗是了解與掌握粧-土（巖）相互作用的最常用且最重要的手段之一；然而，常規嵌巖粧模型試驗裝置無法有效觀測試驗過程中豎向、水平向以及傾斜向荷載作用下粧體和巖體的變形、破碎等問題。因此，尋求一種可視化觀測嵌巖粧粧_巖相互作用的模型試驗裝置，是工程技術人員努力追求的方向，也是嵌巖粧技術得到廣泛推廣應用的必要條件。
[0003]在本發明專利之前，中國申請發明專利“一種基于CT掃描的單粧承載機理物理模型試驗裝置”（【申請號】201410213046. 1)公開了一種基于CT掃描技術的單粧承載機理物理模型試驗裝置；該技術方案通過CT掃描機對單粧承載模擬試驗可以實現可視化觀測單粧豎向荷載下粧_ 土相互作用及粧周土體位移場的變化規律；然而，該技術方案不僅CT掃描機設備使用費用昂貴，而且只考慮了土體中單粧的豎向壓力承載。中國申請發明專利“振動沉管擠密粧模型試驗裝置及試驗方法”(【申請號】201410177576. 5)公開了一種基于透明土材料可視化振動沉管擠密粧模型試驗裝置及試驗方法；該技術方案利用模型槽和透明土的可視性，對振動沉管擠密粧模型試驗進行了可視化觀測；然而，該技術方案僅解決土體中振動沉管擠密粧的施工過程及施工過程對粧周土體影響的可視化觀測問題，對嵌巖粧或者巖體變形特性無法解決。
[0004]已有相關研究結果表明，在嵌巖粧與巖體相互作用時，承載特性會受到粧體或者巖體破碎、沉渣的影響。因此，開發一種可視化的嵌巖粧模型試驗裝置顯得尤為迫切。
【發明內容】
[0005]發明目的：為解決現有技術中存在的問題，解決嵌巖粧與巖體相互作用時，粧體或者巖體破碎、沉渣對承載特性影響無法觀測等問題，提供一種基于透明巖體材料的可視化嵌巖粧模型試驗裝置，以觀測豎向、水平向以及傾斜向荷載作用下嵌巖粧與巖體的變形、破碎以及承載特性。
[0006]技術方案：為實現上述技術目的，本發明的基于透明巖體的嵌巖粧模型試驗裝置，包括加載平臺、設置于加載平臺上方的透明模型槽、嵌巖粧、豎向加載裝置和/或水平向和斜向加載裝置，其中，所述透明模型槽的下部裝有透明巖體，透明巖體的上部裝有天然土，所述的嵌巖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巖體；所述的豎向加載裝置用于在豎直方向上對嵌巖粧施加壓力；所述的水平向和斜向加載裝置用于在水平向和斜向對嵌巖粧施加壓力；所述模型槽的側面和底面設置有數碼相機；所述的加載平臺上設置有觀測窗。
[0007]優選地，所述模型槽的材料為透明有機玻璃或透明鋼化玻璃，所述模型槽為邊長250?300mm、高度300?450mm、壁厚10?20mm的底部封口、上部開口的立方體；或者直徑為250?300mm、高度為300?450mm、壁厚10?20mm的底部封口、上部開口的圓柱體。
[0008]所述嵌巖粧為鋼筋混凝土嵌巖粧、素混凝土嵌巖粧或鋼管混凝土嵌巖粧，所述嵌巖粧的橫截面形狀為圓形、長方形、X形、Y形或者環形中的任意一種，分別構成圓形粧、長方形粧、X形粧、Y形粧或者管粧。
[0009]所述的圓形粧的直徑為20?25mm，粧長為300?450mm ;所述的長方形粧的邊長為20?25mm，粧長為300?450mm ;所述的X形粧或Y形粧的外包圓直徑為20?25mm，開弧角度為90?120°，粧長為300?450mm ;所述的管粧的外徑為20?25mm，管壁厚為5?7mm，粧長為 300 ?450mm。
[0010]具體地，嵌巖粧與透明巖體相對位置為粧體垂直或傾斜嵌入透明巖體，嵌巖粧軸線與垂直線（即為自然垂向，重力加速度的方向）構成的傾斜角為0°?45°。
[0011]優選地，所述加載平臺的由鋼材和透明有機玻璃制作而成，或者由透明鋼化玻璃制作而成，所述觀測窗由透明有機玻璃或透明鋼化玻璃制成。
[0012]所述透明巖體由天然硅石制成，透明巖體內部設置有0?3組的裂縫，所述裂縫材料為耐高溫的彩色片狀的石英；所述透明巖體與嵌巖粧粧體的接觸面為光滑或粗糙，有沉渣或無沉渣；所述沉渣為彩色石英砂顆粒。
[0013]所述的豎向加載裝置包括砝碼和壓力加載板，所述壓力加載板套設于所述嵌巖粧的頂端，所述砝碼設置于壓力加載板的上方；所述水平向和斜向加載裝置包括加載架、橫向定滑輪、可固定的水平移動滑塊、豎向定滑輪、可固定的豎向移動滑塊、拖拽砝碼和加載托盤，所述加載架固定在加載平臺上，包括相互連接的橫桿和豎桿，所述可固定的水平移動滑塊和可固定的豎向移動滑塊分別設置于所述加載架的橫桿和豎桿上，所述的可固定的水平移動滑塊和可固定的豎向移動滑塊上分別連接有橫向定滑輪和豎向定滑輪；所述的加載托盤通過繩索跨過所述豎向定滑輪和橫向定滑輪與嵌巖粧相連，所述的拖拽砝碼設置于所述加載托盤中；通過移動所述可固定的水平移動滑塊和可固定的豎向移動滑塊的位置調整水平向、傾斜向和豎向荷載。
[0014]優選地，所述數碼相機包括兩個，其中一個設置于圓形拍攝滑軌上，所述圓形拍攝滑軌環繞設置于所述模型槽的周圍，另一個數碼相機設置于加載平臺的觀測窗的底部。
[0015]本發明進一步提出了一種基于透明巖體的嵌巖粧模型試驗裝置模擬嵌巖粧與巖體相互作用的方法，其特征在于，包括如下步驟：
[0016](1)制備透明模型槽和透明巖體，在所述透明巖體中預埋0?3組彩色片狀石英模擬裂縫；所述透明巖體上部中心位置預設放置嵌巖粧的孔洞；
[0017](2)澆注至少一根嵌巖粧；
[0018](3)將所述透明巖體放置在模型槽的下部，將嵌巖粧粧端放置在透明巖體的預設孔洞內部，并在嵌巖粧的側壁和端部設置或者不設置由彩色石英顆粒模擬的沉渣；然后，在模型槽的上部填入天然土層至設計高度；
[0019](4)將埋設好透明巖體、嵌巖粧和天然土的模型槽放在加載平臺上，所述加載平臺上設置有觀測窗，使所述模型槽的底部與所述觀測窗對準；在模型槽周圍布置圓形拍攝滑軌，在圓形拍攝滑軌上布置1臺數碼相機；在加載平臺的觀測窗的下面布置1臺數碼相機；
[0020](5)當開展豎向壓荷載試驗時，在嵌巖粧粧頂放置壓力加載板，所述壓力加載板與嵌巖粧咬合，所述壓力加載板上方放置砝碼用于施工壓荷載，通過逐級增加砝碼的質量的方式調整所施加荷載的大小形成分級加載；
[0021]當開展豎向、水平向及傾斜向拉荷載試驗時，布置水平向和斜向加載裝置，所述布置水平向和斜向加載裝置包括加載架、橫向定滑輪、可固定的水平移動滑塊、豎向定滑輪、可固定的豎向移動滑塊、拖拽砝碼和加載托盤，其中，所述加載架固定在加載平臺上，包括相互連接的橫桿和豎桿，所述可固定的水平移動滑塊和可固定的豎向移動滑塊分別設置于所述加載架的橫桿和豎桿上，所述的可固定的水平移動滑塊和可固定的豎向移動滑塊上分別連接有橫向定滑輪和豎向定滑輪；所述的加載托盤通過繩索跨過所述豎向定滑輪和橫向定滑輪與嵌巖粧相連，所述的拖拽砝碼設置于所述加載托盤中，通過移動所述可固定的水平移動滑塊和可固定的豎向移動滑塊的位置調整繩索拉力與嵌巖粧軸線的夾角在0°到90°之間，形成不同豎向、水平向及傾斜向拉荷載形式；通過逐級增加砝碼的質量的方式調整所施加荷載的大小形成分級加載；
[0022](6)當開展豎向壓荷載試驗或豎向、水平向及傾斜向拉荷載試驗，每級荷載下通過圓形拍攝滑軌上的數碼相機和加載平臺觀測窗下面的數碼相機，觀測嵌巖粧與透明巖體之間的相互作用。
[0023]在一個實施方案中，可以在模型槽布置2?4根嵌巖粧組成群粧嵌巖粧模型試驗目.o
[0024]有益效果：與現有技術相比，本發明通過利用透明巖體材料、粧體、加載系統（豎向、水平向或傾斜向)以及數碼相機組成的粧基模型裝置，可視化觀測與分析豎向、水平向或傾斜向荷載作