CN104751725B - 边坡滑坡教学演示装置及试验方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种边坡滑坡教学演示装置及试验方法，其可利用现有的技术，模拟降雨入渗、边坡上部加荷、地震动荷载、上部水库蓄水等各种工况条件下的滑坡，系统全面演示边坡滑坡破坏机制；并对不同坡度、不同密实度、不同土质的边坡渐进滑移现象进行演示；同时，利用试验槽上观测区的网格线，记录边坡的滑坡范围，计算滑坡体积，并分析观测结果与计算结果的不同，对比试验结果与理论结果的差异。本装置重在演示土力学基本现象，揭示土力学中的力学原理，对比毕肖普条分法、瑞典条分法滑坡方法的实用性，从而帮助教师在完成在课堂上对学生的教学任务。

Description

边坡滑坡教学演示装置及试验方法
技术领域
本发明属于一种土木(交通)工程教学领域，具体是一种应用于土力学教学使用的边坡滑坡演示装置及试验方法。
背景技术
土力学作为土木、交通、水利等专业的基础学科，在城市化进程愈演愈烈的当今时代，扮演者越来越重要的角色。如何能借助更多的工具，更加有效的提高课堂效率、便于讲解土力学课程中的重点难点已经成为目前的一个重要课题。
边坡滑坡是常见的地质灾害之一，影响着土木、公路、铁路等工程的建设。由于边坡的倾斜表面，在岩土自重条件或外力作用，整块岩土体会有向下滑动的趋势，从而丧失原有的稳定性，最终导致滑坡。引起滑坡的根本原因在于土体内部某个面上的剪应力达到了该面的抗剪强度，其起因有二，其一为由于剪应力的增加，其二为土体本身抗剪强度的减少。在课堂教学过程中，边坡稳定作为重要的章节内容，与工程实际联系紧密。但在教学过程中，由于缺少相关的演示性的实验模型，仅凭借抽象的理论讲授并不能很好的对边坡滑坡做出完整的展示，导致学生不易掌握相关知识内容。
在本发明之前，中国专利CN 103728435 A公开了一种边坡模拟试验装置，用于阐明降雨入渗与地下水变化耦合作用的边坡模拟试验装置，但其装置系统比较巨大，成本高，不便于课堂演示或教学试验；同时也缺少坡顶荷载、地震动荷载等其它条件对边坡滑坡影响的演示，用于教学课堂演示并不完善。
因此需要发明一种形式简单、方便操作，能够模拟降雨入渗、边坡上部加荷、地震动、上部水库蓄水等各种工况条件下的滑坡，用于教学的一套装置及试验方法，用于揭示土力学基本原理、土力学中的力学概念、验证边坡滑坡的各种计算方法体系。
发明内容
为了克服现有技术的不足，本发明公开了一种边坡滑坡教学演示装置及试验方法，其可利用现有的技术，模拟降雨入渗、边坡上部加荷、地震动荷载、上部水库蓄水等各种工况条件下的滑坡，系统全面演示边坡滑坡破坏机制；并对不同坡度、不同密实度、不同土质的边坡渐进滑移现象进行演示；同时，利用试验槽上观测区的网格线，记录边坡的滑坡范围，计算滑坡体积，并分析观测结果与计算结果的不同，对比试验结果与理论结果的差异。本装置重在演示土力学基本现象，揭示土力学中的力学原理，对比毕肖普条分法、瑞典条分法等滑坡方法的实用性，从而帮助教师在完成在课堂上对学生的教学任务。
为实现上述目的，本发明的技术方案是：
一种边坡滑坡教学演示装置，包括PVC试验槽，模拟降水的喷淋设备，模拟坡顶静载的试验砝码，模拟地震动荷载的偏心轴轮，蓄水水槽，小型振动台，其特征在于：模拟降水的喷淋设备安装在PVC试验槽上方，模拟坡顶静载的试验砝码放置于PVC试验槽中边坡坡顶处，模拟地震动荷载的偏心轴轮安装在PVC试验槽下方，蓄水水槽通过导管与PVC试验槽的坡后挡水板相连；用来模拟边坡破坏形式的土体由两种不同颜色土层分层构成，放置于PVC试验槽中，在不涉及模拟地震荷载时，将试验槽放置于底座之上；用网格在PVC试验槽前后立面划分形成边坡观测区，并在PVC试验槽左右立面安装坡后挡水板和坡前挡水板；在演示边坡上部荷载对边坡的破坏作用时，将质量不同的试验砝码放置于边坡顶部；在演示地震动荷载对边坡的破坏作用时，将试验槽放置于小型振动台上；在演示边坡上部水库对边坡的破坏作用时，在边坡顶面挖设大小适当的水槽，将蓄水水槽18通过导管与坡后挡水板进水口15连接。
所述的坡前挡水板和坡后挡水板与PVC试验槽槽体用橡胶连接；坡前挡水板和坡后挡水板与挡水板升降控制器通过齿轮连接；偏心轮轴与PVC试验槽通过齿轮连接。
所述的可视化试验槽由PVC材料制成，内部容积为80×30×50cm3，前后相对的两个面分布有间距为5cm的网格线，试验槽两端部有可上下调节的挡水板。
所述的小型振动台由弹簧支撑和刚性支撑平台组成。
如前所述的一种边坡滑坡教学演示装置的演示方法，其主要步骤如下；
(1)将制备好的、含有一定含水率的重塑土样，用染料染成两种颜色，测量并记录土样的含水率、重度等基本参数指标；交替分层放置于试验槽中容器之中，并形成一定的坡度；通过试验前土样基本参数以及试验槽的刻度确定试验槽内土体体积、土压力等参数；如果必要，对重塑土样进行加压固结；
(2)将不同颜色的土样，交替分层放置于试验槽中容器之中，形成一定的坡度，根据前后观测区的网格线与土体的相对位置，观察并记录边坡原始形态，标记可能存在的重点破坏位置；
(3)在演示降雨入渗对边坡的破坏作用时，将喷淋设备与试验槽相结合，在一定范围内向试验槽中喷洒液体用以模拟降水；通过调节挡水板的高低，当试验槽内水面高于坡前挡水板出水口的高度时，水从中排出，从而控制坡前水面高低；
(4)在演示边坡上部荷载对边坡破坏作用时，通过加载不同质量的试验砝码模拟边坡上的荷载状况；
(5)在演示地震对边坡的破坏作用时，将试验槽放置于小型振动台上，通过振动用以模拟地震发生时的震动荷载，直至边坡破坏；
(6)在演示边坡上部水库对边坡的破坏作用时，在布置土层时挖设大小适当的水槽，通过导管把水从蓄水水槽中导如其中，通过两侧挡水板，当两侧水面高于挡水板出水口的高度时，水从中排出，从而控制水位不变，直至边坡破坏；
(7)在演示更为复杂的工况对边坡的破坏作用时，利用上述设备进行相关工况的耦合，直至边坡破坏；
(8)观察各种工况下、各种土质下的边坡破坏形式，通过观察土层变化情况，记录边坡破坏面、水体渗流路径等现象；利用试验槽表面的刻度线以及相关参数，观测边坡破坏情况，找出边坡滑裂面；根据之前测量的土样含水率、重度等基本参数指标，利用毕肖普条分法、瑞典条分法等计算边坡理论破坏面，并对实验结果与理论结果相比较，讨论其中的差异。
根据以上技术方案，本发明可实现的有益效果是：
(1)模型简单实用，在演示边坡滑坡时可以明显的观测边坡破坏面、渗流路径情况等具体破坏情况，从整体上展示了边坡破坏过程。
(2)可实现降水入渗、边坡上部静荷载、地震动荷载、上部水库蓄水等各种工况或多种工况耦合状态下的滑坡破坏试验演示。
(3)通过观察和记录边坡破坏情况、滑坡体积等，根据土体本身相关参数，对毕肖普条分法以及瑞典条分法的安全系数加以验证。
附图说明
图1是本发明边坡滑坡教学演示装置示意图。
图2是本发明演示边坡在非地震动荷载作用下对边坡的破坏作用示意图。
图3是本发明模拟降水的喷淋设备示意图。
图4是本发明试验槽观测区以及边坡前后挡水板示意图。
图中：1、PVC试验槽；2、坡后挡水板；3、坡前挡水板；4、挡水板升降控制器；5、试验装置底板；6、坡脚水面；7、颜色不一的分层试验边坡土体(重塑土样)；8、模拟降水的喷淋设备；9、施加坡顶静载的试验砝码；10、模拟地震动荷载的偏心轴轮；11、带动偏心轴轮转动的小型电动机；12、边坡顶部水槽；13、试验槽底座；14、坡前挡水板排水口；15、坡后挡水板进水口；16、坡后挡水板排水口；17、边坡观测区；18、蓄水水槽。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步说明。
如图1为本发明所述的边坡滑坡教学演示装置。包括PVC试验槽1，模拟降水的喷淋设备8，模拟坡顶静载的试验砝码9，模拟地震动荷载的偏心轴轮10，蓄水水槽18构成，其中，模拟降水的喷淋设备8安装在PVC试验槽1上方，模拟坡顶静载的试验砝码9放置于PVC试验槽1中边坡坡顶处，模拟地震动荷载的偏心轴轮10安装在PVC试验槽1下方，蓄水水槽18通过导管与PVC试验槽1的坡后挡水板2相连；用来模拟边坡破坏形式的土体7由两种不同颜色土层分层构成，放置于PVC试验槽1中，在不涉及模拟地震荷载时，将试验槽1放置于底座13之上；用网格在PVC试验槽1前后立面划分形成边坡观测区17，并在PVC试验槽1左右立面安装坡后挡水板2和坡前挡水板3；在演示边坡上部荷载对边坡的破坏作用时，将质量不同的试验砝码9放置于边坡顶部；在演示地震动荷载对边坡的破坏作用时，将试验槽放置于偏心轮轴10之上，将小型电动机11与偏心轮轴10连接，将设备放置在试验装置底板5上；在演示边坡上部水库对边坡的破坏作用时，在边坡顶面挖设大小适当的水槽12，将蓄水水槽18通过导管与坡后挡水板15连接。坡前挡水板3和坡后挡水板2与PVC试验槽槽体用橡胶连接；坡前挡水板3和坡后挡水板2与挡水板升降控制器4通过齿轮连接；偏心轮轴10与PVC试验槽1通过齿轮连接。可视化试验槽由PVC材料制成，内部容积为80×30×50cm3，前后相对的两个面分布有间距为5cm的网格线，试验槽两端部有可上下调节的挡水板。小型振动台由弹簧支撑和刚性支撑平台组成。
基于边坡滑坡教学演示方法，其主要步骤如下；
(1)将制备好的、含有一定含水率的重塑土样，用染料染成两种颜色，测量并记录土样的含水率、重度等基本参数指标；交替分层放置于试验槽中容器之中，并形成一定的坡度；通过试验前土样基本参数以及试验槽的刻度确定试验槽内土体体积、土压力等参数；如果必要，对重塑土样进行加压固结；
(2)将不同颜色的土样，交替分层放置于试验槽中容器之中，形成一定的坡度，根据前后观测区的网格线与土体的相对位置，观察并记录边坡原始形态，标记可能存在的重点破坏位置；
(3)在演示降雨入渗对边坡的破坏作用时，将喷淋设备与试验槽相结合，在一定范围内向试验槽中喷洒液体用以模拟降水；通过调节挡水板的高低，当试验槽内水面高于坡前挡水板出水口的高度时，水从中排出，从而控制坡前水面高低；
(4)在演示边坡上部荷载对边坡破坏作用时，通过加载不同质量的试验砝码模拟边坡上的荷载状况；
(5)在演示地震对边坡的破坏作用时，将试验槽放置于小型振动台上，通过振动用以模拟地震发生时的震动荷载，直至边坡破坏；
(6)在演示边坡上部水库对边坡的破坏作用时，在布置土层时挖设大小适当的水槽，通过导管把水从蓄水水槽中导如其中，通过两侧挡水板，当两侧水面高于挡水板出水口的高度时，水从中排出，从而控制水位不变，直至边坡破坏；
(7)在演示更为复杂的工况对边坡的破坏作用时，利用上述设备进行相关工况的耦合，直至边坡破坏；
(8)观察各种工况下、各种土质下的边坡破坏形式，通过观察土层变化情况，记录边坡破坏面、水体渗流路径等现象；利用试验槽表面的刻度线以及相关参数，观测边坡破坏情况，找出边坡滑裂面；根据之前测量的土样含水率、重度等基本参数指标，利用毕肖普条分法、瑞典条分法等计算边坡理论破坏面，并对实验结果与理论结果相比较，讨论其中的差异。

Claims (2)

1.一种边坡滑坡教学演示装置，包括PVC试验槽(1)，模拟降水的喷淋设备(8)，模拟坡顶静载的试验砝码(9)，模拟地震动荷载的偏心轴轮(10)，蓄水水槽(18)，小型振动台，其特征在于：模拟降水的喷淋设备(8)安装在PVC试验槽(1)上方，模拟坡顶静载的试验砝码(9)放置于PVC试验槽(1)中边坡坡顶处，模拟地震动荷载的偏心轴轮(10)安装在PVC试验槽(1)下方，蓄水水槽(18)通过导管与PVC试验槽(1)的坡后挡水板(2)相连；用来模拟边坡破坏形式的土体(7)由两种不同颜色土层分层构成，放置于PVC试验槽(1)中，在不涉及模拟地震荷载时，将试验槽(1)放置于底座(13)之上；用网格在PVC试验槽(1)前后立面划分形成边坡观测区(17)，并在PVC试验槽(1)左右立面安装坡后挡水板(2)和坡前挡水板(3)；在演示边坡上部荷载对边坡的破坏作用时，将质量不同的试验砝码(9)放置于边坡顶部；在演示地震动荷载对边坡的破坏作用时，将试验槽放置于小型振动台上；在演示边坡上部水库对边坡的破坏作用时，在边坡顶面挖设大小适当的水槽(12)，将蓄水水槽(18)通过导管与坡后挡水板进水口(15)连接。
2.基于权利要求1所述一种边坡滑坡教学演示装置的演示方法，其主要技术步骤如下：
(1)将制备好的、含有一定含水率的重塑土样，用染料染成两种颜色，测量并记录土样的含水率、重度基本参数指标；交替分层放置于试验槽中容器之中，并形成一定的坡度；通过试验前土样基本参数以及试验槽的刻度确定试验槽内土体体积、土压力参数；如有必要，对重塑土样进行加压固结；
(2)将不同颜色的土样，交替分层放置于试验槽中容器之中，形成一定的坡度，根据前后观测区的网格线与土体的相对位置，观察并记录边坡原始形态，标记可能存在的重点破坏位置；
(3)在演示降雨入渗对边坡的破坏作用时，将喷淋设备与试验槽相结合，在一定范围内向试验槽中喷洒液体用以模拟降水；通过调节挡水板的高低，当试验槽内水面高于坡前挡水板出水口的高度时，水从中排出，从而控制坡前水面高低；
(4)在演示边坡上部荷载对边坡破坏作用时，通过加载不同质量的试验砝码模拟边坡上的荷载状况；
(5)在演示地震对边坡的破坏作用时，将试验槽放置于小型振动台上，通过振动用以模拟地震发生时的震动荷载，直至边坡破坏；
(6)在演示边坡上部水库对边坡的破坏作用时，在布置土层时挖设大小适当的水槽，通过导管把水从蓄水水槽中导入其中，通过两侧挡水板，当两侧水面高于挡水板出水口的高度时，水从中排出，从而控制水位不变，直至边坡破坏；
(7)在演示更为复杂的工况对边坡的破坏作用时，利用上述设备进行相关工况的耦合，直至边坡破坏；
(8)观察各种工况下、各种土质下的边坡破坏形式，通过观察土层变化情况，记录边坡破坏面、水体渗流路径现象；利用试验槽表面的刻度线以及相关参数，观测边坡破坏情况，找出边坡滑裂面；根据之前测量的土样含水率、重度基本参数指标，利用毕肖普条分法、瑞典条分法计算边坡理论破坏面，并对实验结果与理论结果相比较，讨论其中的差异。
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