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
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，开弧角度为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。
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
岩桩的顶端，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桩相连，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。
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。
本发明进一步提出了一种基于透明岩体的嵌岩桩模型试验装置模拟嵌岩桩
与岩体相互作用的方法，其特征在于，包括如下步骤：
(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桩的孔洞；
(2)浇注至少一根嵌岩桩；
(3)将所述透明岩体放置在模型槽的下部，将嵌岩桩桩端放置在透明岩体
的预设孔洞内部，并在嵌岩桩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；
(4)将埋设好透明岩体、嵌岩桩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；
(5)当开展竖向压荷载试验时，在嵌岩桩桩顶放置压力加载板，所述压力
加载板与嵌岩桩咬合，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；
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桩相
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桩轴线的夹角在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；
(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
岩桩与透明岩体之间的相互作用。
在一个实施方案中，可以在模型槽布置2～4根嵌岩桩组成群桩嵌岩桩模型
试验装置。
有益效果：与现有技术相比，本发明通过利用透明岩体材料、桩体、加载
系统(竖向、水平向或倾斜向)以及数码相机组成的桩基模型装置，可视化观测
与分析竖向、水平向或倾斜向荷载作用下嵌岩桩与岩体的相互作用，破碎、沉渣
等现象对承载特性的影响规律，从而可以可视化模拟嵌岩桩与岩体相互作用效
应，并且可以观测竖向、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，对于指导嵌岩桩施工对岩体的影响具有重要意义，且试验装置
操作简单，易于实现。
附图说明
图1是本发明装置俯视图；
图2是本发明装置施加倾斜拉力的结构示意图；
图3是本发明装置施加竖向压力的结构示意图；
图4是本发明装置倾斜嵌岩桩施加倾斜拉力的结构示意图；
其中，1为模型槽，2为透明岩体，3为嵌岩桩，4为圆形拍摄滑轨上的数码
相机，5为圆形拍摄滑轨，6为加载平台下的数码相机，7为加载平台，8为观测
窗，9为横向定滑轮，10为可固定的水平移动滑块，11为竖向定滑轮，12为可
固定的竖向移动滑块，13为加载架，14为砝码，15为加载托盘，16为透明岩体
中的裂缝，17为天然土，18为透明岩体和桩体的接触面，19为压力加载板，20
为拖拽砝码。
具体实施方式
本发明提出了一种基于透明岩体的嵌岩桩模型试验装置，如图1～图3所示，
其由加载平台7、设置于加载平台7上方的透明模型槽1、嵌岩桩3、竖向加载
装置和水平向和斜向加载装置组成，其中，透明模型槽1的下部装有透明岩体2，
透明岩体2的上部装有天然土17，嵌岩桩3布置于透明模型槽1的中心并依次
穿透天然土17并部分嵌入透明岩体2；竖向加载装置用于在竖直方向上对嵌岩
桩3施加压力；水平向和斜向加载装置用于在水平向和斜向对嵌岩桩3施加压力；
模型槽1的侧面和底面设置有数码相机；加载平台上设置有观测窗8。
其中，模型槽1的材料可以为透明有机玻璃或透明钢化玻璃，模型槽1为边
长250～300mm、高度300～450mm、壁厚10～20mm的底部封口、上部开口的
长方体；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。嵌岩桩3可以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，其横截面形状可以为圆形、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。具体
地，圆形桩的直径为20～25mm，桩长为300～450mm；长方形桩的边长为20～
25mm，桩长为300～450mm；X形桩或Y形桩的外包圆直径为20～25mm，开
弧角度为90～120°，桩长为300～450mm；的管桩的外径为20～25mm，管壁厚
为5～7mm，桩长为300～450mm。
嵌岩桩与透明岩体2相对位置为嵌岩桩垂直或倾斜嵌入透明岩体，嵌岩桩轴
线与垂直线(即天然垂直线，为重力加速度的方向)构成的倾斜角为0°～45°，如
图4中角度α所示。
加载平台7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，观测窗8由透明有机玻璃或透明钢化玻璃制成。
透明岩体2由天然硅石制成，透明岩体2内部设置有0～3组的裂缝，裂缝
材料为耐高温的彩色片状的石英；透明岩体2与嵌岩桩3桩体的接触面为光滑或
粗糙，有沉渣或无沉渣；沉渣为彩色石英砂颗粒。
竖向加载装置包括砝码14和压力加载板19，压力加载板19套设于嵌岩桩3
的顶端，可以通过在压力加载板19的下方设置卡槽嵌住嵌岩桩3，如设置牛耳
将嵌岩桩3固定，码设14置于压力加载板19的上方；水平向和斜向加载装置包
括加载架13、横向定滑轮9、可固定的水平移动滑块10、竖向定滑轮11、可固
定的竖向移动滑块12、拖拽砝码20和加载托盘15，加载架13固定在加载平台
7上，包括相互连接的横杆和竖杆，可固定的水平移动滑块10和可固定的竖向
移动滑块12分别设置于加载架13的横杆和竖杆上，可固定的水平移动滑块10
和可固定的竖向移动滑块12上分别连接有横向定滑轮9和竖向定滑轮11；加载
托盘15通过绳索跨过竖向定滑轮11和横向定滑轮9与嵌岩桩3相连，拖拽砝码
20设置于加载托盘15中；通过移动可固定的水平移动滑块10和可固定的竖向
移动滑块12的位置调整水平向、倾斜向和竖向荷载。
数码相机包括两个，其中一个设置于圆形拍摄滑轨5上(如附图标记4所示)，
圆形拍摄滑轨5环绕设置于模型槽1的周围，另一个数码相机设置于加载平台的
观测窗的底部(如附图标记6所示)。
下面结合附图详细叙述本发明专利的具体实施方式。本发明专利的保护范围
并不仅仅局限于本实施方式的描述。
实施例1
在本实施例中，如图1和图2所示，模型槽采用有机玻璃进行制作，边长为
230mm，高度为450mm，壁厚为20mm，是一个底部封口，上部开口的长方体，
透明岩体采用天然硅石预制，透明岩体的长为230mm，宽为230mm，高度为
100mm，透明岩体中预埋1组彩色片状石英模拟裂缝16，在透明岩体上部的中
心位置预设放置嵌岩桩的孔洞，该孔洞略大于嵌岩桩的直径，孔径为22mm，孔
洞深度为40mm。浇筑钢筋混凝土桩作为嵌岩桩，嵌岩桩的截面为圆形。混凝土
骨料、钢筋尺寸按照与实际工程的相似比进行缩放。在模型槽的上部填入天然土
层至设计高度200mm)。将埋设好透明岩体2、嵌岩桩3和天然土17的模型槽1
放在加载平台7上，模型槽1底部与观测窗8对准；在模型槽1周围布置圆形拍
摄滑轨5，在圆形拍摄滑轨5上布置1台数码相机4；在加载平台7观测窗8下
面布置1台数码相机6。在模型槽的上方设置水平向和斜向加载装置。首先，将
加载架13固定在加载平台7上，分别将可固定的水平移动滑块10和可固定的竖
向移动滑块12设置于加载架13的横杆和竖杆上，可固定的水平移动滑块10(可
在水平杆上移动和固定)和可固定的竖向移动滑块12(可在竖杆上移动和固定)
上分别连接有横向定滑轮9和竖向定滑轮11；加载托盘15通过绳索跨过竖向定
滑轮11和横向定滑轮9与嵌岩桩3相连，拖拽砝码20设置于加载托盘15中；
通过移动可固定的水平移动滑块10和可固定的竖向移动滑块12的位置调整水平
向、倾斜向和竖向荷载。
利用上述装置进行施加倾斜向、水平向和竖向荷载的操作步骤如下：
通过可固定的水平移动滑块10和可固定的竖向移动滑块12位置的改变调
整绳索拉力与嵌岩桩3轴线的夹角在0°到90°之间，形成不同倾斜向拉荷载形式，
其中，当夹角为0°时，为竖直向，当夹角为90°时，为水平向；通过逐级增加砝
码14的质量的方式调整所施加荷载的大小形成分级加载。每级荷载下通过圆形
拍摄滑轨5上的数码相机4和加载平台7观测窗8下面的数码相机6，观测嵌岩
桩3与透明岩体2之间的相互作用。
实施例2
本实施例的嵌岩桩模型试验装置基本同实施例1，不同的是，本实施例中，
模型槽采用有机玻璃进行制备，且模型槽为直径240mm、高度为400mm、壁厚
20mm的底部封口、上部开口的圆柱体；透明岩体的直径为240mm，高度为
110mm，透明岩体中预埋2组彩色片状石英模拟裂缝，孔洞的孔径为22mm，孔
洞深度为45mm，嵌岩桩为钢管混凝土桩，嵌岩桩横截面为X型。同时，在嵌岩
桩的侧壁和端部设置由彩色石英颗粒模拟的沉渣。模型槽1的上部填入天然土
17层至设计高度250mm。
将本装置用于模拟施加倾斜向、水平向和竖向荷载的操作步骤同实施例1。
实施例3
本实施例的嵌岩桩模型试验装置基本同实施例1，不同的是，本实施例中，
模型槽采用钢化玻璃进行制备，且模型槽为直径230mm、高度为450mm、壁厚
15mm的底部封口、上部开口的圆柱体；透明岩体的直径为230mm，高度为
100mm，透明岩体中预埋3组彩色片状石英模拟裂缝，孔洞的孔径为22mm，孔
洞深度为40mm，嵌岩桩为钢筋混凝土桩，嵌岩桩横截面为长方形。同时，在嵌
岩桩的侧壁和端部设置由彩色石英颗粒模拟的沉渣。模型槽1的上部填入天然土
17层至设计高度200mm。
将本装置用于模拟施加倾斜向、水平向和竖向荷载的操作步骤同实施例1。
实施例4
本实施例提供了一种用于模拟施加竖向压荷载的嵌岩桩模型试验装置。模
型槽采用有机玻璃进行制作，且模型槽为直径230mm、高度为450mm、壁厚15mm
的底部封口、上部开口的圆柱体。透明岩体采用天然硅石预制。透明岩体的直径
为230mm，高度为100mm，透明岩体中预埋1组彩色片状石英模拟裂缝16，在
透明岩体上部的中心位置预设放置嵌岩桩的孔洞，该孔洞略大于嵌岩桩的直径，
孔径为22mm，孔洞深度为40mm。浇筑钢筋混凝土桩作为嵌岩桩，嵌岩桩的截
面为圆形。混凝土骨料、钢筋尺寸按照与实际工程的相似比进行缩放。在模型槽
的上部填入天然土层至设计高度200mm)。将埋设好透明岩体2、嵌岩桩3和天
然土17的模型槽1放在加载平台7上，模型槽1底部与观测窗8对准；在模型
槽1周围布置圆形拍摄滑轨5，在圆形拍摄滑轨5上布置1台数码相机4；在加
载平台7观测窗8下面布置1台数码相机6。
如图3所示，在嵌岩桩3顶部放置压力加载板19，压力加载板19下部的
牛耳与嵌岩桩3咬合、上部的空间供放置砝码14施工压荷载；通过逐级增加砝
码14的质量的方式调整所施加竖向压荷载的大小形成分级加载。每级荷载下通
过圆形拍摄滑轨5上的数码相机4和加载平台7观测窗8下面的数码相机6，观
测嵌岩桩3与透明岩体2之间的相互作用。
实施例5
模型槽中布置4根嵌岩桩组成群桩嵌岩桩模型试验装置；其他操作步骤同实
施例1或5。
上述实施例仅是对本发明的示例性说明，本领域技术人员可以根据具体模拟
需要进行设置。