CN102841191A - 土质边坡多场耦合作用模拟试验装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种土质边坡多场耦合作用模拟试验装置，该试验装置包括模型箱体、反力加载装置、电加热系统、人工降雨系统以及温度及应变测量采集系统，所述模型箱体为长方体，五面封闭，顶部开口，所述箱体结构为钢结构浇筑焊接而成，箱体前侧用钢条焊接成网格状的整体，网格内侧放置一块钢化玻璃，箱体内堆填有边坡模型，所述试验装置的上部安装反力加载装置，所述试验装置的底部安装电加热系统，所述试验装置的上方有人工降雨系统。本发明装置是一种针对多场作用下的土质边坡稳定性评价的室内模型装置，能够分析在多种影响因素下的边坡稳定性情况。
Description
技术领域
本发明涉及一种新型模型实验装置，尤其涉及一种多场因素作用下的边坡模拟实验装置。
背景技术
我国是地质灾害多发的国家，灾害类型多、分布范围广，其中尤其以边坡垮塌造成的灾害为巨。多年来，相关领域的科研以及工程实践从不同方面对滑坡的产生机理、滑坡治理的效果等进行了深入的研究，并取得了一系列的成果。其中，边坡模型试验研究具有方便快捷、操作性强、测定目标多样化等优点，且所得到的数据易于分析整合运用于工程实践中，故该研究方法越来越受到研究人员的青睐。但是由于条件所限，现有的模型试验只能考虑单一影响因素对于边坡稳定性的影响，而工程实践中，多影响因素的耦合作用对于边坡稳定性的影响较大。另外，现有的模型试验一般只针对坡表的变形来进行分析，对于边坡的内部变化以及土粒结构变化考察很少。因此需要发明一套适应多场作用下的模型试验装置，并能够满足在坡体表面与内部同时进行考察评价的要求。
发明内容
本发明目的是：提供一种可适应于多场作用下的模型试验装置，并能够满足在坡体表面与内部同时进行考察评价的要求。
本发明的技术方案是：本发明的试验装置包括模型箱体、反力加载装置、电加热系统、人工降雨系统以及温度及应变测量采集系统，所述模型箱体为长方体，五面封闭，顶部开口，箱体尺寸为3m*1.5m*1.5m，箱体由边长0.16m的正方形截面空心钢结构焊接而成，箱体前侧用钢条焊接成网格状的整体，钢条宽0.1m，网格内侧放置一块3m*1.5m的钢化玻璃，便于观察边坡整体变形情况，箱体内堆填有边坡模型，所述试验装置的上部安装反力加载装置，所述试验装置的底部安装电加热系统，所述试验装置的上方有人工降雨系统。
优选的，所述模型箱体左右两侧焊接长方体水箱，水箱尺寸为1.2m*1m*0.2m，水箱与模型箱体的焊接面上均匀分布有25个注水口，呈5*5排布，孔径20mm，两侧水箱外侧利用连通器原理安装一根玻璃水位计。
优选的，所述反力加载装置包括一根用钢质丝杆固定在模型箱体上方的反力梁，反力梁两端各有4根直径为12mm的钢质丝杆，所述钢质丝杆通过螺纹固定在箱体上方开口的两条长边上，长边上均匀分布着螺纹，所述反力装置可以沿着长边的方向移动位置，但始终与长边保持垂直，所述反力梁下方放有千斤顶11在边坡顶部，根据使用千斤顶11的数量以及排布的位置，可以选择加载方式为点式加载、均布加载或线性加载等。
优选的，所述反力梁由钢筋工字钢制成。
优选的，所述电加热系统的电加热丝采用镍铬合金制作，呈螺旋线状排布，均匀布设于箱体底部。用于给坡体进行整体加热，加热温度由加热系统连接的计算机系统严格控制。
优选的，所述人工降雨系统离箱体顶部垂直距离为2.5m，采用铝合金管作为水流管道，在铝合金管体上均匀钻孔，孔间距为0.05m，孔径为0.002m，将铝合金管焊接成网格状，钻孔朝正下方，网格尺寸为0.1m*0.1m，采用电动液压马达作为动力装置。将水抬升至4m高度，通过铝合金水流管道进行模拟降雨过程。
优选的，所述温度及应变测量采集系统包括在边坡内部和表面分层布设的多个用于测量应变、位移和温度信号的传感器，这些传感器都与计算机终端相连。
本发明的工作原理是：
在模型装置内部根据要求堆填所需的边坡模型，根据试验所考察的影响项目选择上述系统中的某一种或某几种进行多因素耦合影响下的模型试验。然后将数据采集系统埋入边坡表面与内部指定区域，并启动电脑上的数据采集与控制软件，设定好采样初始条件，软件就开始记录实验全过程的应变、位移与温度数据。利用水箱进行加放水模拟水位循环过程；采用反力加载系统模拟边坡荷载变化过程；调节底部电加热系统的温度模拟边坡温度场的变化过程；开关人工降雨系统模拟自然降雨过程。上述系统都是独立的控制的，因此可以进行单独或者耦合作用下的模拟，采取控制变量法达到多场作用下的边坡稳定性实验。
本发明的优点是：
1．本发明装置是一种针对多场作用下的土质边坡稳定性评价的室内模型装置，能够分析在多种影响因素下的边坡稳定性情况。
2. 本发明装置可实现单因素与多因素对比考察，独立控制各种系统的运行模式与运行过程。有助于精确评价多场作用下土质边坡稳定性，可达到控制变量与对比实验要求。
3. 本发明具有操作简单、耐久性好、可重复利用、实验容错率高等突出优点。
附图说明
下面结合附图及实施例对本发明作进一步描述：
图1为本模型装置结构正面示意图。
图2为图1的仰视图。
图3为本模型装置基本实验图。
图4为本模型装置反力加载系统侧视图。
图5为本模型装置的整体示意图。
其中：1、模型装置箱体，2、水箱，3、水位计，4、装置底部电加热系统，5、装置正面的网格状加筋，6、反力加载装置，7、人工降雨装置，8、丝杆螺帽，9、反力梁三角支撑，10、工字梁，11、千斤顶，12、右侧水箱，13、注水口。
具体实施方式
实施例：下面以粉质粘土堆填的45°边坡在荷载与水位多场耦合作用下的稳定性评价为例，说明本模型装置的具体使用方案。
如图3所示，将边坡堆填成如图所示的形状，在边坡内部与表面分层布设多个用于测量应变、位移和温度信号的传感器。将传感器连接上计算机终端，采集第一次原始数据，作为初始读数。完成边坡的堆载与数据采集系统的布置。
如图3所示的布置，在模型装置右侧面水箱12内注水，水通过侧边孔洞进入模型装置内，控制其进水速率，间隔相同时间记录左右两侧水位读数，待到达预定水位高度后停止放水，静置使水在边坡内部形成稳定渗流场后记录读数并停止采集传感器数据。
在水位稳定的情况下，将三个并联千斤顶11置于反力梁10下方的边坡顶部，通过千斤顶11对反力梁10施加外力，得到反力梁10对边坡施加的负载压力，通过移动反力梁10装置改变荷载施加于边坡顶部的位置，在千斤顶11下部放置厚度适宜的钢板，使荷载均匀分布在整个边坡顶部。千斤顶11加载利用电动伺服系统进行分级加载与补压，保持压力不变，待计算机采集的边坡应变数据稳定后再进行下一级荷载施加。直至边坡失稳发生破坏后停止加载，传感器采集失稳时的边坡表面及内部各个位置的应变情况。
在经过上述实验后，得到了在水位升降以及外部荷载共同作用下的边坡变形情况，并以此评价在不同因素综合作用下的稳定性情况。作为对比，可以进行单独因素下的稳定性评价实验，即仅仅进行水位调节作用下的实验或者载荷调节下的试验。对比两次实验过程中边坡的破坏程度，变形速率以及极限压力等差异，可以考察多场作用下土质边坡稳定性的综合改变。
当然上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明主要技术方案的精神实质所做的修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种土质边坡多场耦合作用模拟试验装置，其特征在于：该试验装置包括模型箱体（1）、反力加载装置（6）、电加热系统（4）、人工降雨系统（7）以及温度及应变测量采集系统，所述模型箱体（1）为长方体，顶部开口，箱体前侧用钢条焊接成网格状的整体（5），其余四面为封闭钢结构，所述网格（5）内侧放置一块钢化玻璃，箱体内堆填有边坡模型，所述试验装置的上部安装反力加载装置（6），所述试验装置的底部安装电加热系统（4），所述试验装置的上方有人工降雨系统（7）。
2.根据权利要求1所述的一种土质边坡多场耦合作用模拟试验装置，其特征在于：所述模型箱体左右两侧焊接长方体水箱（2），水箱（2）与模型箱体（1）的焊接面上均匀分布有注水口（13），两侧水箱（2）外侧安装水位计（3）。
3.根据权利要求1所述的一种土质边坡多场耦合作用模拟试验装置，其特征在于：所述反力加载装置（6）包括一根用钢质丝杆固定在模型箱体上方的反力梁（10），所述钢质丝杆固定在箱体上方开口的两条长边上，所述反力装置（6）可以沿着长边的方向移动位置，但始终与长边保持垂直，所述反力梁（10）下方放有千斤顶（11）在边坡顶部。
4.根据权利要求3所述的一种土质边坡多场耦合作用模拟试验装置，其特征在于：所述反力梁（10）由钢筋工字钢制成。
5.根据权利要求1所述的一种土质边坡多场耦合作用模拟试验装置，其特征在于：所述电加热系统（4）的电加热丝采用镍铬合金制作，呈螺旋线状排布，均匀布设于箱体（1）底部。
6.根据权利要求1所述的一种土质边坡多场耦合作用模拟试验装置，其特征在于：所述人工降雨系统（7）距离箱体（1）顶部有一定距离，采用铝合金管作为水流管道，在铝合金管体上均匀钻孔，将铝合金管焊接成网格状，钻孔朝正下方，采用电动液压马达作为动力装置。
7.根据权利要求1所述的一种土质边坡多场耦合作用模拟试验装置，其特征在于：所述温度及应变测量采集系统包括在边坡内部和表面分层布设的多个用于测量应变、位移和温度信号的传感器，这些传感器都与计算机终端相连。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C12 | Rejection of a patent application after its publication | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20121226 |