CN103760318B - 适用于土石边坡的双向渗透力模型试验装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种适用于土石边坡的双向渗透力模型试验装置，包括倾斜设置的上方两个斜侧面为渗水面的坡积体、位于坡积体渗水面上方的渗水管、位于渗水管上方由透明材质制作的用于封闭渗透水的盖板、与渗水管连接的水源，与坡积体渗水面相对的位于坡积体下方的可变形透水承垫体、位于可变形透水层下方用于支撑坡积体的透水性支撑体、埋设在坡积体内的孔压计和用于供测斜仪探头进出的测斜管。坡积体中长坡面与地面呈20-45°角，水平设置的渗水管均设计有若干渗水孔。本发明能够真实地放大比例模拟土石边坡在顺坡向渗透力和垂直坡面渗透力协同作用下的坡体内的有效应力和水压力，解决了一般土工模型实验难以同时满足几何相似和物理相似的难题。

Description

适用于土石边坡的双向渗透力模型试验装置

技术领域

本发明涉及土石边坡生态防护技术领域，具体来说是涉及一种适用于土石边坡生态防护模型试验装置。

背景技术

在土工模型试验方面，目前流行的试验主要有常规模型、磁力地质模型和离心模型试验。与岩石和混凝土不同，对于土体，正确模拟小比尺模型的有效自重应力和水压力是土工模型试验成功的关键。大量的土石料室内试验结果表明，土石料具有以下特点：

①应力应变关系呈弹塑性和非线性；

②应力应变关系在不同的应力水平条件下表现不同，土体的变形模量、强度等都与应力水平密切相关，而且这种相关性是非线性的；

③土是三相体，加上降雨和地下水的作用，就要求土工模型试验中的自重应力和孔隙水压力必须与原型一致，才能用模型较为真实地模拟原型。

常规土工模型试验在1g的重力场内，按几何相似可将原型尺寸缩小n倍，但因其不能满足土体自重应力水平和水压力的物理相似，即常规土工模型试验难以满足物理相似，因此目前土力学界已很少使用。由于上述原因，即使震动台可以模拟动应力相似，也限制了其应用于土工建筑物模型试验。

目前的磁力地质模型只考虑固相的自重应力相似，不能满足液相及水压力相似。

土工离心模型试验基于用离心力场模拟重力场的原理，通过施加在模型上的ng离心力使模型中土体的有效应力和孔隙水压力与原型趋于一致。但实际上所获得的离心力应力场在同一平面并不匀称。离心模型虽然可以满足土工模型和原型的几何与物理相似，但是由于设备造价昂贵、技术操作复杂、动态模拟操作困难，普遍使用率低，且存在不适宜用于原生植被生态护坡试验研究的缺点。

鉴于现有技术的土工模型试验没有考虑降雨和地下水的作用，而降雨和地下水的渗透力又改变土体的有效应力和水压力，不能真实地模拟土石边坡原型，因此构建能够真实模拟土石边坡的实验模型进行模拟实验是所属领域科技工作者共同面临的课题。

发明内容

针对现有技术的土石边坡实验模型进行模拟实验的技术现状，本发明的目的旨在提供一种适用于土石边坡的双向透力模型试验装置，以解决现有技术的土石边坡实验模型不能真实地模拟原型的问题。

本发明提供的适用于土石边坡的双向渗透力模型试验装置，其构成主要包括，倾斜设置的上方两个斜侧面为渗水面的坡积体、位于坡积体渗水面上方的若干渗水管、位于渗水管上方由透明材质制作的用于封闭渗透水的盖板、与渗水管连接的水源，与坡积体渗水面相对的位于坡积体下方的由压缩可变形材质构成的可变形透水承垫体、位于可变形透水层下方用于支撑坡积体的透水性支撑体、埋设在坡积体内的孔压计和用于供测斜仪探头进出的测斜管，所述坡积体由粉土或粘土和砂砾经击实形成，两个渗水面中长坡面与地面呈20—45°角，所述渗水管水平设置，每根渗水管均设计有若干渗水孔。

在本发明的上述技术方案中，为两个渗水面上方渗水管供水的水源可最好是具有不同压力水头的水源。所述水源优先采用可调整水头或压力的水源，如可调整高度位置的水箱。

在本发明的上述技术方案中，所述透水性支撑体可由砌块构成，也可由砂卵石构成，优先采用由砌块和砂卵石组成。

在本发明的上述技术方案中，埋设在坡积体内用于供测斜仪探头进出的测斜管，其管口最好外露于坡积体外，以便于试验时将测斜仪的测斜探头安装测斜管中。所述测斜管可以为金属管或塑料管，优先采用塑料管作为测斜管。

在本发明的上述技术方案中，试验装置的主体，即所述坡积体、位于坡积体上方的渗水管、位于坡积体下方的承垫体和支撑体可设置在箱室内，箱室箱体壁中与坡积体平行的两侧箱体壁最好由透明有机玻璃等透明材质材料制作，以便试验过程中研究人员通过观察了解坡积体在顺坡向渗透力和垂直坡面渗透力协同作用下坡积体形状和位移变化。进一步地，为了便于研究人员观察，有机玻璃箱体壁面与坡积体相接的部位最好设计有观测坡积体形状和位移变化的标记网格。坡积体长坡两端的箱体壁最好由不锈钢金属板材制作。

在本发明的上述技术方案中，位于坡积体两渗水面上方的渗水管最好通过一层无纺布紧贴坡积体或埋入坡积体内，外侧用透明材质制作的盖板封住防止渗透水外流。

在本发明的上述技术方案中，对于试验装置设计有箱室的，透水性支撑体外下方可设计有集水槽池和将水排出箱室外的排水接管，排水接管与集水槽池连接。

本发明提供的适用于土石边坡的双向渗透力模型试验装置，通过在坡积体与透水性支撑体之间设置一层由压缩可变形材质构成的可变形透水承垫体，既保证了渗透水及时排出到集水槽池，又保证了土石边坡在双向渗透力协同作用下允许坡积体发生渗透变形，模拟土石边坡原型真实的变形性状。

本发明提供的适用于土石边坡的双向渗透力模型试验装置，是基于发明人对粘性粗粒土等土石坡积体的渗透特性和骨架特征深刻理解，提出了对土石边坡施加双向渗透力协同作用的土工试验模型方法及实验装置。本发明提供的适用于土石边坡的双向渗透力模型试验装置，以垂直长坡坡面的渗透力模拟原型土石坡积体所受的法向正应力，以垂直短坡坡面的渗透力模拟土石边坡在坡内地下水和雨水作用下所受到的顺坡渗透力，利用垂直坡面的渗透力和顺坡向的渗透力的协同作用，使坡积体模型的有效自重应力和水压力放大相似比的倍数，与原型坡积体一致，真实地模拟了土石边坡在雨水顺坡渗透力和孔隙水压力协同作用下的坡体内的有效应力和水压力，克服了传统土工模型试验不能反映土体应力水平的弊端，磁力地质模型只能满足土骨架自重应力相似比而不能反映水压力相似比的问题，以及离心模型设备造价昂贵、技术操作复杂、动态模拟操作困难、普遍使用率低、且存在不适宜用于植被生态护坡试验研究的缺点。本发明的公开解决了土工模型实验难以同时满足几何相似和物理相似的难题，为土石边坡生态防护提供了一个研究手段，促进了土石边坡生态防护技术的进步。

本发明提供的适用于土石边坡的双向渗透力模型试验装置，具有设计合理、工艺简单、操作方便、成本低、易于推广的特点，既可以同时保证坡积体土骨架应力和水压力的应力水平提高相同的相似比倍数，又减小了生态护坡试验难度，便于试验操作。

附图说明

图1是本发明一个实施例的主视结构示意图。

图2是附图1实施例的俯视结构示意图。

图3是附图1中Ⅰ-Ⅰ向剖视结构示意图。

图4-1是顺坡渗透力模拟示意图；图4-2是垂直坡面渗透力模拟示意图；图4-3是本发明的顺坡渗透力与垂直坡面渗透力协同作用下的力学模拟示意图。

在上述附图中各图示标号标识的对象分别为：1-构成箱室的不锈钢板、2-构成箱室的有机玻璃板、3-坡积体支撑体、4-集水槽池、5-排水管、6-可变形透水承垫体、7-测斜管、8-坡积体、9-孔压计、10-渗透水封闭有机玻璃盖板、11-渗水管、12-连接管、13-水源水箱。

具体实施方式

下面结合附图说明给出本发明的实施例，并通过实施例对本发明作进一步的说明，以便于更加容易地理解本发明。但需要特别指出的是，本发明的具体实施方式不限于下面实施例所描述的形式，所属领域的技术人员在不付出创造性劳动的情况下，还可很容易地设计出其他的具体实施方式，因此不应将下面给出的具体实施方式的实施例理解为本发明的保护范围，将本发明的保护范围限制在所给出的实施例。

实施例1

本实施例的适用于土石边坡的双向渗透力模型试验装置，其结构如附图1、2和3所示，其构成包括箱室和位于箱室内的实验装置主体，所述实验装置主体包括倾斜设置的上方两个斜侧面为渗水面的坡积体8、位于坡积体渗水面上方的若干渗水管11、位于渗水管上方由有机玻璃板制作的用于封闭渗透水的盖板10、与渗水管连接的水源13、与坡积体渗水面相对的位于坡积体下方的由压缩可变形材质构成的可变形透水承垫体6、位于可变形透水层下方用于支撑坡积体的由砌块和砂卵石组成的透水性支撑体3、位于透水性支撑体外下方的集水槽池4、将集水槽池内的渗水排出箱室外的排水管5、埋设在坡积体内的孔压计9和用于供测斜探头进出的塑料材质的测斜管7，所述坡积体由粉土或粘土和砂砾经击实形成，两个渗水面中作为试验观测对象的长坡面与地面呈20°坡角，所述渗水管11水平设置在两侧的箱室壁上，每根渗水管均设计有若干渗水孔。坡积体两个渗水面上方的渗水管分别由不同的两个水源分别供水，其中长坡面上的渗水管由可调整压力的水泵供水，短坡面上的渗水管由可调整水头的水箱供水。所述孔压计和塑料测斜管内的测斜仪探头分别与箱室外的二次测量仪表连接。所述箱室，其箱壁与坡积体平行的两侧箱体壁由有机玻璃板2制作，另两侧的箱室箱体壁由不锈钢板1制作，通过角钢组织成一体，其中与坡积体平行的由机玻璃制作的两侧箱体壁面设计有观测标记9，以便试验过程中研究人员通过观察了解坡积体在顺坡向渗透力和垂直坡面渗透力协同作用下坡积体形位变化。

实施例2

本实施例的适用于土石边坡的双向渗透力模型试验装置，整体上与实施例1所述试验装置的结构基本相同，所不同的地方是，试验装置为敞开式结构，坡积体8的长坡面与地面呈45°坡角，所述支撑体由砂卵石堆积而成，位于坡积体两个渗水面上方的渗水管设置支架上，分别由两个可调整压力的水泵供水。

实施例3

本实施例的适用于土石边坡的双向渗透力模型试验装置，整体上与实施例1所述试验装置的结构基本相同，所不同的地方是，坡积体8的长坡面与地面呈30°坡角，所述支撑体由砌块垒砌而成，坡积体两个渗水面上的渗水管分别由两个可调整水头的水箱供水。

Claims (10)

1.一种适用于土石边坡的双向渗透力模型试验装置，其特征在于：包括倾斜设置的上方两个斜侧面为渗水面的坡积体(8)、位于坡积体渗水面上方的若干渗水管(11)、位于渗水管上方由透明材质制作的用于封闭渗透水的盖板(10)、与渗水管连接的水源(13)、与坡积体渗水面相对的位于坡积体下方的由压缩可变形材质构成的可透水承垫体(6)、位于可透水承垫体下方用于支撑坡积体的透水性支撑体(3)、埋设在坡积体内的孔压计(9)和用于供测斜仪探头进出的测斜管(7)，所述坡积体由粉土和砂砾或粘土和砂砾经击实形成，两个渗水面中长坡面与地面呈20—45°角，所述渗水管水平设置，每根渗水管均设计有若干渗水孔。

2.根据权利要求1所述的适用于土石边坡的双向渗透力模型试验装置，其特征在于：两个渗水面上方的渗水管分别由不同的水源供水。

3.根据权利要求2所述的适用于土石边坡的双向渗透力模型试验装置，其特征在于：为两个渗水面上方的渗水管供水的水源均为可调整水头或压力的水源。

4.根据权利要求1或2或3所述的适用于土石边坡的双向渗透力模型试验装置，其特征在于：所述透水性支撑体由砌块和砂卵石组成。

5.根据权利要求1或2或3所述的适用于土石边坡的双向渗透力模型试验装置，其特征在于：埋设在坡积体内用于供测斜仪探头进出的测斜管，其管口外露于坡积体。

6.根据权利要求5所述的适用于土石边坡的双向渗透力模型试验装置，其特征在于：所述测斜管为塑料材质管。

7.根据权利要求1或2或3所述的适用于土石边坡的双向渗透力模型试验装置，其特征在于：坡积体、位于坡积体上方的渗水管、位于坡积体下方的承垫体和支撑体设置在箱室内，箱室箱体壁中与坡积体两侧平行的两侧箱体壁由透明有机玻璃制作，坡积体长坡两端的箱体壁由金属板材制作。

8.根据权利要求7所述的适用于土石边坡的双向渗透力模型试验装置，其特征在于，由透明有机玻璃制作的两侧箱体壁面与坡积体相接的部位设计有观测坡积体形位变化的标记网格。

9.根据权利要求7所述的适用于土石边坡的双向渗透力模型试验装置，其特征在于：位于坡积体两渗水面上方的渗水管通过一层无纺布紧贴坡积体或埋入坡积体内，外侧用透明材质制作的盖板封住防止渗透水外流。

10.根据权利要求7所述的适用于土石边坡的双向渗透力模型试验装置，其特征在于：透水性支撑体外下方设计有集水槽池(4)，集水槽池内的水通过排水管(5)排出箱室外。