CN103994933A - 测量土体变形及吸力的非饱和土体边坡装置及其操作方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及土工直剪切装置的技术领域，公开了测量土体变形及吸力的非饱和土体边坡装置，包括边坡模型箱、数据采集结构以及环境模拟结构；边坡模型箱的上端呈倾斜状，其一侧壁呈透明状，该侧壁中设有多个标定点；环境模拟结构包括喷水结构以及干燥结构；数据采集结构包括摄像机以及吸力传感器，摄像机位于透明侧壁的外侧，吸力传感器插设于边坡模型箱。非饱和土体装在其内的容腔中，喷水结构以及干燥结构进行干湿循环模拟，摄像机采集非饱和土体的变形，达到宏观力学性能的测量，利用吸力传感器采集非饱和土体的吸力数据，达到微观力学性能的测量，其对深入研究自然条件下，非饱和土体边坡的水土力学特性和降雨干湿循环下的稳定性有重要的意义。

Description

测量土体变形及吸力的非饱和土体边坡装置及其操作方法

技术领域

本发明涉及非饱和土体变形及吸力测量的技术领域，尤其涉及测量土体变形及吸力的非饱和土体边坡装置及其操作方法。

背景技术

土体的破坏形式主要是由于剪切破坏引起的，因此准确测定土体的剪切强度参数在岩土工程中具有重要意义。

现有技术中，在试验室测定土体的抗剪强度参数，一般采用直剪仪进行剪切试验，在垂直压力下，对土体施加水平力进行剪切，以求得土体破坏时的剪应力，然后根据库仑定律确定土体的抗剪强度参数、内摩擦角以及凝聚力等参数。

但是，在自然界和实际工程中，遇到的土体通常是非饱和土体，非饱和土体的抗剪强度的理论研究也已有近半个多世纪的历史。对于饱和土体来说，土体强度受有效应力控制，而对非饱和土体来说，被公认的基质吸力对非饱和土体2变形和抗剪强度的贡献很大，基质吸力所产生的抗剪强度对于非饱和土体的稳定性有很大的影响，因此，研究何种因素影响非饱和土体的基质吸力变化，以及非饱和土体在剪切过程中吸力的变化，有着非常重要的意义。

天然土体颗粒材料具有剪胀性、压硬性和各向异性等特殊的力学性质，且这些力学性质都受控于土体内部的微细结构及其演化，因此，对土体宏观及微观参数进行量化，对于深入研究土体变形机制和力学特性尤为重要。但是，现时，常规的试验室直剪切试验或其它试验只能测定土体的抗剪强度参数，也就是内摩擦角及凝聚力，其不能实时监测剪切过程基质吸力的变化，也不能直观量测剪切带附近土体的位移，也就是说，现时的直剪切试验不能对非饱和土体同时进行宏观和微观力学性能的联合测量。

发明内容

本发明的目的在于提供可视化土工直剪切装置，旨在解决现有技术中的直剪切试验不能同时对非饱和土体进行宏观及微观力学性能的联合测量的问题。

本发明是这样实现的，测量土体变形及吸力的非饱和土体边坡装置，运用于模拟降雨环境中，其包括边坡模型箱、数据采集结构以及环境模拟结构；

所述边坡模型箱的上端呈倾斜状，形成倾斜面，其内具有用于装非饱和土体的容腔，所述容腔贯穿所述边坡模型箱的上端，形成上部开口；所述边坡模型箱的一侧壁呈透明状，形成透明侧壁，所述透明侧壁中设有多个标定点；

所述环境模拟结构包括分别位于所述容腔的上部开口上方的喷水结构以及干燥结构，所述喷水结构沿所述倾斜面的倾斜方向延伸布置；

所述数据采集结构包括摄像机以及吸力传感器，所述摄像机位于所述透明侧壁的外侧，所述吸力传感器插设于所述边坡模型箱的侧壁，延伸至所述容腔内。

本发明还提供了测量土体变形及吸力的非饱和土体边坡装置的操作方法，包括以下步骤：

1)、制作试验用的非饱和土体，测定该非饱和土体的初始含水率后，将所述非饱和土体置于边坡模型箱的容腔内；

2)、待所述容腔内的非饱和土体团结稳定后，插入吸力传感器，并等待吸力传感器测定的吸力平衡；

3)、采用环境模拟结构喷水结构及干燥结构分别对所述边坡模型箱的容腔内的非饱和土体进行干湿模拟；

4)、于步骤3)的过程中，通过摄像机采集所述容腔内非饱和土体的变形数据，以及通过吸力传感器采集所述容腔内非饱和土体的吸力数据。

与现有技术相比，本发明提供的非饱和土体边坡装置在试验中，非饱和土体装在其内的容腔中，利用喷水结构以及干燥结构对边坡模型箱内的非饱和土体进行干湿循环模拟，通过摄像机对标定点处的非饱和土体的移动跟踪，采集非饱和土体的变形，达到宏观力学性能的测量，利用吸力传感器采集非饱和土体的吸力数据，达到微观力学性能的测量，也就是说该非饱和土体边坡装置可以同时实现对非饱和土体宏观及微观力学性能测量，其对深入研究自然条件下，非饱和土体边坡的水土力学特性和降雨干湿循环下的稳定性有重要的意义。

附图说明

图1是本发明实施例提供的测量土体变形及吸力的非饱和土体边坡装置的立体示意图；

图2是本发明实施例提供的边坡模型箱的立体示意图；

图3是本发明实施例提供的边坡模型箱的主视示意图；

图4是本发明实施例提供的边坡模型箱的侧视示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

以下结合具体实施例对本发明的实现进行详细的描述。

如图1～4所示，为本发明提供的较佳实施例。

本实施例提供的测量土体变形及吸力的非饱和土体边坡装置1，运用于模拟降雨循环的环境中，对边坡中非饱和土体的变形及吸力进行量测，其包括边坡模型箱108、数据采集结构以及环境模拟结构；其中，边坡模型箱108用于装置1非饱和土体，其上端呈倾斜状，形成倾斜面1081，其模拟边坡倾斜的形状，边坡模型箱108中具有容腔，该容腔贯穿边坡模型箱108的上端，形成上部开口；本实施例中，边坡模型箱108呈长条状，当然，其根据实际模拟边坡的形状不同，也可以设置有其它类型的形状，具体不限于本实施例中的形状；边坡模型箱108的一侧壁为透明状，形成透明侧壁1084，该透明侧壁1084上设有多个标定点1082。

环境模拟结构包括设置在边坡容腔的上部开口上方的喷水结构102以及干燥结构105，该喷水结构102以及干燥结构105分别设置在容腔的上部开口的上方，并且，喷水结构102沿着该上部开口的延伸方向延伸布置，这样，通过喷水结构102的作用，可以实现朝容腔的上部开口处喷水，模拟降雨环境，并且，通过喷水量的控制，可以实现对降雨量的控制；利用干燥结构105对容腔的上部开口进行作用，从而可以使得水分快速蒸发；也就是说，利用环境模拟结构，可以使得边坡模型箱108内的土体在干湿状态下循环转换。

数据采集结构包括布置在边坡模型箱108外侧的摄像机106以及吸力传感器，其中，摄像机106位于透明侧壁1084的外侧，通过标定点1082，用于对容腔内土体的变形数据进行采集；吸力传感器差设在容腔侧壁上，且延伸至土体内，其可以对容腔中的土体的吸力数据进行采集。摄像机106为高分辨率照相机。

当然，本实施例中，测量土体变形及吸力的非饱和土体边坡装置1还可以包括控制元件101等，其电性连接数据采集结构以及环境模拟结构，从而可以对环境模拟结构进行控制，并且接受来自数据采集结构的采集信息，使得操作人员可以较为直观化的观察数据，或者，便于对数据进行处理等等一系列操作。

具体地，控制元件101可以是电脑或中控机等。

利用上述的测量土体变形及吸力的非饱和土体边坡装置1在进行试验中，将非饱和土体完全填充在整个容腔内，从而形成边坡的形状，这样，通过环境模拟结构的操作，喷水结构102模拟降雨过程，或者干燥结构105可以将非饱和土体内的水分蒸发，实现边坡在干湿状态下循环，并且，在该环境模拟过程中，摄像机106通过透明侧壁1084上的标定点1082，可以采集非饱和土体的变形，实现宏观力学性能的测量，而吸力传感器插设在非饱和土体中，可以采集到非饱和土体的吸力变化，实现微观力学性能的测量，其对深入研究自然条件下，非饱和土体边坡的水土力学特性和降雨干湿循环下的稳定性有重要的意义。

本实施例中，为了更好观察非饱和土体的变形效果，填充在容腔内的非饱和土体为采用石墨夹层的人工纹理的土体，当然，其也可以是其它类型分层结构的土体。

边坡模型箱108包括框架体，该框架体包围形成上端开口的包围区域，且在框架体侧壁上设置多个侧壁板，多个侧壁板包围形成上述具有上部开口的容腔，其中，框架体上的一侧壁板为玻璃板，形成上述的透明侧壁1084。本实施例提供的侧壁板为钢板，当然，其也可以是其它类型的板。

并且，上述侧壁板中设有插孔，该插孔的设置，可以便于外部元器件的固定，元器件可以插设在该插孔中，进而延伸至容腔内的非饱和土体中，如上述的吸力传感器等。

在插孔中设有防水螺栓，元器件等通过与防水螺栓的配合，可以防止容腔内的水分外泄出来。

上述框架体由多个横向布置的横向钢条及多个纵向布置的纵向钢条，横向钢条与纵向钢条交叉布置，当然，为了使得边坡模型箱108的强度更大，本实施例中，边坡模型箱108的侧壁上设置有加固钢条1083，该加固钢条1083的两端侧壁的端部，对整个框架体起到加固的作用。

本实施例中，喷水结构102包括水管1021以及多个喷水头1022，水管1021沿着边坡模型箱108上端倾斜面的倾斜方向延伸布置，多个喷水头1022分别连接在水管1021上，且朝向容腔的上部开口布置，从而可以实现对容腔内喷水的操作。

为了保证喷水的均匀性，多个喷水头1022与容腔的上部开口的垂直距离一致，也就是说，可以将水管1021平行于容腔的上部开口布置。

具体地，上述的喷水头1022可以是雾化喷水头，也可以是其它类型的喷水头1022，具体可以视具体模拟降雨情况而定。

本实施例中，边坡模型箱108还包括水箱103，该水箱103设置在边坡模型箱108倾斜面1081的最低端，且呈水平放置，其连通边坡模型箱108的容腔，通过该水箱103，可以直观观测到边坡模型箱108容腔内的地下水位线以及边界排水条件，从而实现对容腔内水量及水位的控制。

上述的数据采集结构还包括体积含水率测量仪104，该体积含水率测量仪104包括探测头，该探测头插设在容腔的非饱和土体中，从而方便测试到非饱和土体的体积含水率的数据。

本实施例中，干燥结构105为吹风机，该吹风机设置在边坡模型箱108容腔的上部开口的上方，且朝向上部开口布置，从而起吹出的风流可以对容腔内的非饱和土体进行干燥，蒸发水分。

该吹风机的吹风口呈垂直于容腔的上部开口布置，这样，使得其干燥效果大大提高。

或者，作为其它实施例，该干燥结构105也可以是其它类型的烘烤设备也可。

数据采集结构还包括温度及湿度监测仪107，其可以对整个边坡模型箱108周围的温度及湿度进行监控，其电性连接于控制元件101，为整个试验的实施提供温度及湿度数据。

上述的测量土体变形及吸力的非饱和土体边坡装置1在操作过程中，同时进行试验监测控制与数据采集工作。模型边坡的监测包括体积含水率的监测、吸力的监测、土体变形的监测以及裂隙的监测。与此同时，降雨量的控制、试验温度与湿度监测也同步进行。通过监测系统，得出各参量在干湿循环下的响应情况，以便借此来综合分析干湿循环下边坡土体变形和破坏模式及其中的机理。

本实施例提供的测量土体变形及吸力的非饱和土体边坡装置1中各个元件，均由上述的控制元件101控制。

本实施例还提供了测量土体变形及吸力的非饱和土体边坡装置1的操作方法，具体如下：

1)、制作试验用的非饱和土体，可以将取样土粉碎，并均匀加水，测定后确定非饱和土体的初始含水率，并放置在边坡模型箱108的容腔内；

2)、待容腔内的非饱和土体团结，插入吸力传感器，并等待吸力达到平衡；

3)、利用环境模拟结构对边坡模型箱108中的非饱和土体进行干湿模拟，并进行循环试验；湿润过程是由喷水结构102来实现的，干燥过程是加速蒸发，具体是使用干燥结构105对边坡表面进行干燥。

4)在步骤3)的过程中，通过摄像机106采集容腔内非饱和土体的变形数据，以及利用吸力传感器采集容腔内非饱和土体的吸力数据。

在上述步骤1)中，在非饱和土体的制作过程中，为使非饱和土体的变形能够得到有效地识别和追踪，在非饱和土体的土层之间制作人工纹理，人工纹理所需材料是用油性墨汁拌过的土体烘干碾碎后制成的。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.测量土体变形及吸力的非饱和土体边坡装置，其特征在于，运用于模拟降雨环境中，其包括边坡模型箱、数据采集结构以及环境模拟结构；

所述边坡模型箱的上端呈倾斜状，形成倾斜面，其内具有用于装非饱和土体的容腔，所述容腔贯穿所述边坡模型箱的上端，形成上部开口；所述边坡模型箱的一侧壁呈透明状，形成透明侧壁，所述透明侧壁中设有多个标定点；

所述环境模拟结构包括分别位于所述容腔的上部开口上方的喷水结构以及干燥结构，所述喷水结构沿所述倾斜面的倾斜方向延伸布置；

所述数据采集结构包括摄像机以及吸力传感器，所述摄像机位于所述透明侧壁的外侧，所述吸力传感器插设于所述边坡模型箱的侧壁，延伸至所述容腔内。

2.如权利要求1所述的测量土体变形及吸力的非饱和土体边坡装置，其特征在于，所述喷水结构包括水管以及多个连接于所述水管上喷水头，所述水管延伸所述边坡模型箱上端倾斜面的倾斜方向延伸布置，多个所述喷水头朝向所述容腔的上部开口布置。

3.如权利要求2所述的测量土体变形及吸力的非饱和土体边坡装置，其特征在于，所述水管平行于所述边坡模型箱上端的倾斜面布置。

4.如权利要求1至3任一项所述的测量土体变形及吸力的非饱和土体边坡装置，其特征在于，所述边坡模型箱倾斜面的最低端设有水箱，所述水箱呈水平布置，且连通所述边坡模型箱内的容腔。

5.如权利要求1至3任一项所述的测量土体变形及吸力的非饱和土体边坡装置，其特征在于，所述数据采集结构还包括体积含水率测量仪，所述体积含水率测量仪包括探测头，所述探测头插设于所述容腔内。

6.如权利要求1至3任一项所述的测量土体变形及吸力的非饱和土体边坡装置，其特征在于，所述数据采集结构还包括用于对边坡模型箱周围温度及湿度进行监测的温度及湿度监测仪。

7.如权利要求1至3任一项所述的测量土体变形及吸力的非饱和土体边坡装置，其特征在于，所述边坡模型箱容腔内的非饱和土体为采用石墨夹层形成人工纹理的土体。

8.如权利要求1至3任一项所述的测量土体变形及吸力的非饱和土体边坡装置，其特征在于，所述边坡模型箱包括框架体，所述框架体包围形成上端开口的包围区域，所述框架体的侧壁上均设有侧壁板，多个所述侧壁板包围形成所述具有上部开口的容腔，其中一所述侧壁板为玻璃板，形成所述透明侧壁。

9.如权利要求1所述的测量土体变形及吸力的非饱和土体边坡装置的操作方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)、制作试验用的非饱和土体，测定该非饱和土体的初始含水率后，将所述非饱和土体置于边坡模型箱的容腔内；

2)、待所述容腔内的非饱和土体团结稳定后，插入吸力传感器，并等待吸力传感器测定的吸力平衡；

3)、采用环境模拟结构喷水结构及干燥结构分别对所述边坡模型箱的容腔内的非饱和土体进行干湿模拟；

4)、于步骤3)的过程中，通过摄像机采集所述容腔内非饱和土体的变形数据，以及通过吸力传感器采集所述容腔内非饱和土体的吸力数据。

10.如权利要求9所述的测量土体变形及吸力的非饱和土体边坡装置的操作方法，其特征在于，于所述步骤1)中，试验用的非饱和土体中的土层之间具有人工纹理，所述人工纹理采用油性墨汁拌过的土体烘干碾碎后制成。