CN105527195A - 模拟泥石流起动的大变形十字板头剪切流变试验系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种模拟泥石流起动的大变形十字板头剪切流变试验系统，包括物源槽，设置在物源槽上方对物源槽喷水的降雨系统，设置在物源槽内的多物理量监测系统，伸入物源槽内对物源槽内物源搅拌的十字板头剪切流变仪，以及与所述多物理量监测系统和十字板头剪切流变仪连接的数据采集与控制系统。本发明提供的模拟泥石流起动的大变形十字板头剪切流变试验系统，可用于开放条件下物源的大变形剪切实验以及流动状态下的参数测定，特别适用于土质滑坡、泥石流等地质灾害的起动模拟研究。

Description

模拟泥石流起动的大变形十字板头剪切流变试验系统

技术领域

本发明涉及泥石流起动试验系统，特别涉及一种模拟泥石流起动的大变形十字板头剪切流变试验系统。

背景技术

滑坡和泥石流是我国近年频发的地质灾害，每年因滑坡泥石流导致的伤亡人数以千计，使国家遭受上千万乃至数十亿的财产损失。起动形成泥石流的物源往往是浅表层松散堆积的土体，其围压较低，通常围压不足10KPa。降雨渗透作用使得浅表层物源的物理、力学性能产生变化，进而致使物源持续变形，直至变形不收敛而起动形成泥石流。可见滑坡泥石流灾害的产生是物源在含水量连续变化过程中，其强度演化，变形发展的过程，且两个作用同时发生，相互影响。滑坡泥石流灾害(尤其是泥石流)的起动过程，有以下三个特征：

1、泥石流起动是物源从非饱和—饱和—过饱和的连续演化过程。

2、泥石流起动物源的深度离散性较大，但通常是浅表层堆积物起动、汇流形成具有破坏力规模的泥石流。

3、泥石流起动物源经历小变形—大变形—起动—运移的过程。

由于泥石流起动存在上述特征，因此为其起动模拟研究带来了一系列的难题，其中模拟方法、参数采集、监测设备等都有许多问题亟待解决，例如：

1、监测泥石流起动的非饱和—饱和—过饱和过程中的变形、抗起动力极为困难。

2、低围压条件下测定土体的强度参数是泥石流起动研究的另一大难点。

3、通过监测数据确定泥石流的起动时点，从而给定严格意义上泥石流起动的判定条件又是一大难题。

4、追踪大变形及其以后过程的物源阻力特征、运移速率也是泥石流起动研究的一大难题。

目前，国内外针对滑坡泥石流的起动开展了大量的研究，已有学者从物源特征等方面做了较为系统的研究。但多采用传统的实验方式：即室内试验仍以土体强度试验为主，模型实验又不能准确的确定泥石流起动时点，模型实验对泥石流起动的判定以感观描述和孔隙水压力的变化作为依据。因此尚未能给出起动直接判定条件，即位移—速度这一过程的转化的变形、力学条件。

在模型试验方面，国内外学者做了一系列探索性工作，崔鹏(1993)等采用了小型槽实验研究泥石流起动，分析提出了泥石流起动的突变学特征。Iverson(1998)等利用模型实验研究提出了滑坡转化为泥石流的三个过程：即物源强度因不能满足库伦准则而大面积破坏，破坏后的物源部分或全部液化，液化后物源的平动动能转化为震动内能。M.Papa等利用水槽实验研究径流起动泥沙颗粒的作用，并建立起地表径流和泥石流起动的关系。陈晓清(2004)等采用坡面松散土体开展降雨模拟实验，通过监测土体的水势、孔隙水压力、含水量、地温等物理量据研究泥石流起动的机理，提出泥石流起动时物源中孔隙水压力出现突变。IvanB.Gratchev(2006)、YasuhikoOkada(2004)等采用环剪实验研究粘性土体的剪切液化作用，并用于分析滑坡泥石流等灾害的研究。陈宁生(2007)利用小型槽实验模拟了粘土颗粒对泥石流起动的作用。以上实验方法具有鲜明的优点和缺点，小型槽实验可以很好的模拟泥石流起动的天然条件，但是不能准确的确定泥石流的起动时点，因此不能监测起动时点的物理量。环剪实验的条件严格，并能测定物源的力学参数，能够开展物源大位移实验研究，但是其条件跟泥石流起动的天然条件差别很大，且对实验材料的粒径限制严格，因而不能模拟真实的物源状态。

发明内容

本发明的目的是提供一种模拟泥石流起动的大变形十字板头剪切流变试验系统，用于模拟泥石流灾害的起动—运移—停积等过程实验模拟。

为解决上述技术问题，本发明提供了一种模拟泥石流起动的大变形十字板头剪切流变试验系统，包括物源槽，设置在物源槽上方对物源槽内物源喷水的降雨系统，设置在物源槽内用于测量物源内部含水量、土压力和孔隙水压力的多物理量监测系统，伸入物源槽内对物源搅拌的十字板头剪切流变仪，以及与所述多物理量监测系统和十字板头剪切流变仪连接的数据采集与控制系统。

进一步地，所述物源槽的下部设置有多个可启闭的排水孔，所述物源槽的周围设置有角柱，所述角柱上设置有用于支撑所述降雨系统的支撑梁。

进一步地，所述降雨系统包括设置在所述支撑梁上的喷头，通过输水管道与所述喷头连接的水箱，以及通过总供水管与所述水箱连接为所述水箱供水并调控水压的水泵。

进一步地，所述十字板头剪切流变仪包括设置在所述物源槽内的十字板头，与十字板头连接的连接杆，通过连承轴与连接杆连接的力矩电机，所述力矩电机通过支撑架固定在设置在所述物源槽外带底座的立柱上，所述力矩电机的前后两端分别设置有扭矩传感器和光电编码器。

进一步地，所述十字板头的规格设定为直径×高为20mm×40mm、30mm×60mm、40mm×80mm或50mm×100mm。

进一步地，所述多物理量监测系统包括多个用于测量物源含水量变化的含水量传感器，两个用于测量物源孔隙水压力的水压力传感器、两个用于测量竖向土压力和水平土压力的土压力传感器。

进一步地，所述多个含水量传感器从上往下依次间隔相等距离设置在物源槽的物源内，最上端含水量传感器距离物源表面一定距离，最下端含水量传感器设置到所述十字板头的底部；所述两个水压力传感器分别设置在所述十字板头的顶部和底部附近；所述两个土压力传感器分别设置在所述十字板头的顶部和底部附近。

进一步地，所述含水量传感器之间的距离间隔为40-60mm，所述最上端含水量传感器距离物源表面的距离为40-60mm；所述水压力传感器和土压力传感器距离所述十字板头的顶部和底部的距离为10-15mm。

进一步地，所述数据采集与控制系统分别与所述力矩电机、扭矩传感器和光电编码器连接，用于控制所述力矩电机的扭矩输出、采集所述光电编码器测得的扭转变形和速率数据、采集扭矩传感器在物源起动时点的抵抗力矩变化数值。

进一步地，所述数据采集与控制系统分别与所述的含水量传感器、水压力传感器和土压力传感器连接，用于采集所述含水量传感器、土压力传感器和水压力传感器测量到的物源内部的含水量、土压力和孔隙水压力数据。本发明提供的模拟泥石流起动的大变形十字板头剪切流变试验系统，具有如下特点：

1、本系统可在实验过程中模拟降雨，可连续改变物源水土比，能将物源的力学性能实验和模型实验有效结合起来。

2、本系统的核心设备十字板头剪切流变仪，可用于开放环境条件下，测定物源低围压条件的抗剪强度。

3、本系统通过十字板头剪切流变仪，可以测定物源在给定的剪切作用力下，水土比演化过程的变形规律，可以明确确定变形不收敛的时点，从而给定土体的变形量为参数的泥石流起动的判据，即确定物源变形—运移的时点。

4、本系统的十字板头剪切流变仪，可对物源施加环形剪切作用的作用力，理论上可以产生无限大的变形，可以实现泥石流起动的模拟、并且还可进一步用于泥石流运移、停积的模拟。

5、本系统的通过布设于物源中的多物理量监测系统，可以测定物源内多种物理量的变化规律，与十字板头剪切流变仪采集的变形数据比照，可以准确判定物源起动时点物理量数值及起动前后该组物理量的演化规律，解决了传统模型试验无法准确判定起动时点的物理量数值，以及起动后无法继续测定该组数据的弊端。

6、本系统的每个组成部分可以拆卸且轻便易与运输、安装，操作简单，实用方便，适用性强，具有较高的实用价值。

附图说明

图1为本发明实施例提供的模拟泥石流起动的大变形十字板头剪切流变试验系统的结构示意图。

图2为本发明实施例提供的模拟泥石流起动的大变形十字板头剪切流变试验系统的降雨系统结构示意图。

图3为本发明实施例提供的模拟泥石流起动的大变形十字板头剪切流变试验系统的十字板头剪切流变仪结构示意图。

图4为本发明实施例提供的模拟泥石流起动的大变形十字板头剪切流变试验系统工作过程中的物源变形时力矩位移随时间变化曲线图。

具体实施方式

参见图1，本发明实施例提供的模拟泥石流起动的大变形十字板头剪切流变试验系统，包括物源槽1，用于对物源槽1喷水的降雨系统2，设置在物源槽1内的多物理量监测装置3，伸入物源槽1内可对物源槽1内的物源实施搅拌的十字板头剪切流变仪4，以及与多物理量监测系统3和十字板头剪切流变仪4连接的数据采集与控制系统5。

其中，物源槽1包括槽体101，槽体101靠近底部的周围设置有多个可启闭的排水孔102，通过控制排水孔102的启闭可以控制槽体101内的物源的排水状态，并配合降雨强度可以控制物源的水土比，不仅能够模拟泥石流的起动，还可以模拟泥石流运移和停积的整个过程。为了加强槽体101的稳固性，在槽体101的四周设置有角柱103，角柱103的上端设置有用于支撑降雨系统2的支撑梁104。

参见图2，降雨系统2包括多个降雨喷头201，输水管202、压力水箱203、总供水管204、水泵205。降雨喷头201固定在槽体101上端的支撑梁104上，降雨喷头201通过输水管202连接到压力水箱203，水泵205通过总供水管204向压力水箱203供水，压力水箱203中的水压通过总供水管204由水泵205控制。

参见图3，十字板头剪切流变仪4包括十字板头401、连接杆402、连承轴403、扭矩传感器404、扭矩电机405、光电编码器406、支撑梁407、支柱408、底座409。十字板头401与连接杆402连接，从上往下垂直伸入到物源槽1的槽体101内，连接杆402通过连承轴403与力矩电机405连接，力矩电机405通过支撑架407固定在立柱408上，立柱408设置在物源槽1的外部并固定在底座409上，力矩电机405的前后两端分别设置扭矩传感器404和光电编码器406。通过数据采集及控制系统5控制力矩电机405输出设定的扭矩，模拟滑坡、泥石流起动中的动力，光电编码器406可以采集起动前物源的扭转变形、起动时的起动速率以及起动后运移速率。扭矩传感器404采集起动时点物源抵抗力矩的变化(衰减)规律，进一步可用于起动后阻力的变化规律研究。

其中，根据试验需要十字板头401的直径可选择直径D×高H为20mm×40mm、30mm×60mm、40mm×80mm或50mm×100mm等的不同规格，可以模拟对物源产生的不同剪切作用力。

多物理量监测系统3布设于槽体101内物源的特征部位，包括多个用于测量物源含水量变化的含水量传感器301，两个用于测量物源孔隙水压力的水压力传感器302、两个用于测量竖向土压力和水平土压力的土压力传感器303。其中，多个含水量传感器301从上往下间隔40-60mm的距离依次设置在槽体101的物源内，最上端含水量传感器301距物源表面的距离为40-60mm，最下端含水量传感器301设置在十字板头401的底部，两个水压力传感器302分别设置在距离十字板头401顶部和底部10-15mm处，两个土压力传感器303分别设置在距离十字板头401的顶部和底部10-15mm处。这三种传感器主要用于测量物源内部含水量、土压力和孔隙水压力，一方面可以分析在含水量变化过程中，孔隙水压力和土压力的变化规律，另一方面结合十字板头剪切流变仪1采集的变形数据，可以准确判断物源起动时点的含水量、土压力、孔隙水压力值，以及起动前后的物源从变形到运移状态转化过程中各物理量的演化规律。

数据采集及控制系统5分别与含水量传感器301、水压力传感器302和土压力传感器303连接，用于采集含水量传感器301、土压力传感器303和水压力传感器302测量到的物源内部的含水量、土压力和孔隙水压力数据。，可以实时分析反馈土体含水量、孔隙水压力和土压力的变化规律。另外，数据采集及控制系统5还分别与力矩电机405、扭矩传感器404和光电编码器406连接，用于控制力矩电机405的力矩输出，采集光电编码器406测得的扭转变形或速率，并采集扭矩传感器404在起动时点物源抵抗力矩的变化数值。

下面通过具体实例来说明本发明提供的模拟泥石流起动的大变形十字板头剪切流变试验系统的工作过程及工作原理。

将物源槽1的槽体101制作成容积为0.5m×0.5m×0.5m的方形槽，在靠近槽体101底部的四周均匀布置直径为30mm的可启闭排水孔102，在槽体101内装满以土体为主的物源。在槽体101上方的支撑梁104上安装5个降雨喷头201，5个降雨喷头201采用梅花形布设：槽体101中心上方设置一个，槽体101四周各设置一个，四周的降雨喷头201距槽体101的槽壁70mm，任意两个降雨喷头201之间的距离为120mm。将降雨喷头201通过输水管202连接到压力水箱203，由压力水箱203对各个降雨喷头201施压供水，压力水箱203再通过总供水管204连接到水泵205，由水泵205对压力水箱203供水并控制压力水箱203中的水压。降雨高度不宜过高，降雨喷头201距离物源表面的距离设置为100mm为宜，每个降雨喷头201的覆盖直径为200mm。

将长为500mm的连接杆402一端与十字板头401连接，另一端通过连承轴403与力矩电机405连接，力矩电机405再通过支撑架407固定在设置物源槽1外部固定在底座409上的立柱408上，在力矩电机405的前后两端分别设置扭矩传感器404和光电编码器406。根据试验需要依次选择直径D×高H分别为20mm×40mm、30mm×60mm、40mm×80mm和50mm×100mm的几种十字板头401进行试验，以模拟对物源产生不同的剪切作用力。

将含水量传感器301设置在槽体101内的物源内，且含水量传感器301距离物源表面为50mm，然后再依次垂向向下每隔50mm增设一个，直至含水量传感器301设置到十字板头401的底部，将水压力传感器302和土压力传感器303分别设置在十字板头401顶部和底部附近的物源内。

将数据采集及控制系统5分别与多物理量监测系统3的三种传感器以及与十字板头剪切流变仪4的力矩电机405、扭矩传感器404和光电编码器406连接。

启动水泵205，通过水泵205控制压力水箱203中水的压力，以控制降雨喷头201向槽体101内的物源的喷水强度，通过控制排水孔102的启闭控制物源的土体排水状态，同时配合喷水强度模拟降雨强度控制物源水土比。

启动力矩电机405，数据采集及控制系统5控制力矩电机405输出设定的扭矩，通过与力矩电机405相连的十字板头401对物源箱1内的物源施加剪力，力矩电机405的设定扭矩可以根据起动的物源坡度换算确定。同时，降雨系统2对物源施加降雨作用，使得物源的强度降低，因此十字板头401所承受的抵抗力矩逐渐衰减，此时十字板头401将在物源中产生微小的转动位移，该转动位移通过安装于力矩电机401上的光电编码器406测量，随物源的抵抗力矩持续衰减，十字板头401的转动位移持续增加，直至物源的抵抗力矩小于极限值时物源起动，十字板头401产生转动，造成物源起动，物源起动时光电编码器406测量十字板头401的起动速率，同时光电编码器406将十字板头401的转动位移和起动速率同步传输给数据采集及控制系统5。物源起动后力矩电机405无法继续保持原设定的扭矩转动，此时力矩电机405的转动力矩由扭矩传感器404测量，同时扭矩传感器404将力矩电机405的转动力矩传送给数据采集及控制系统5，十字板头401在启动过程中，物源变形时的力矩位移随时间的变化规律如图4所示。力矩电机405带动十字板头401在起动过程中，设置在槽体101物源内的含水量传感器301、水压力传感器302和土压力传感器303分别测量物源内部的含水量、孔隙水压力和土压力，并将测得的相关数据传送给数据采集及控制系统5，数据采集及控制系统5一方面可以分析在含水量变化过程中，孔隙水压力和土压力的变化规律，另一方面结合从十字板头剪切流变仪4采集的转动位移、起动速率和转动力矩等变形数据，判断物源起动时点的含水量、土压力、孔隙水压力值，并分析判断起动前后的物源从变形到运移状态转化过程中各相关物理量的演化规律，通过这些数据的对照分析，可以准确确定物源起动时点的物理量数值以及起动前后的物理量演化规律。

并且，在试验模拟过程中，通过控制排水孔102的启闭和降雨强度可以模拟物源的水土比，可以模拟不同强度的泥石流物源从坡面堆积—非饱和入渗—饱和起动—运移—停积的全过程的力学行为，通过研究物源起动—运移—停积的力学行为，从而可以揭示泥石流运移过程中多物理量变化规律。

另外，通过依次选择不同直径规格的十字板头401，对槽体101内的物源进行搅拌起动，可以得到不同强度的物源的土体的抗剪强度参数，用于低围压的物源力学性能研究，不仅可以模拟泥石流起动的真实状态，还能模拟泥石流起动过程中的物源不同强度和不同阻力，进一步还能继续模拟研究泥石流起动后的状态。通过分析十字板流变仪4可以测量的位移数据，可以搜索出物源的变形—运动的时点，从而给出泥石流起动的变形量判据，物理意义更加明确。

本发明提供的模拟泥石流起动的大变形十字板头剪切流变试验系统，可用于开放条件下物源的大变形剪切实验以及流动状态下的参数测定，特别适用于土质滑坡、泥石流等地质灾害的起动模拟研究。本发明提供的试验系统能够通过对物源施加拟定的剪切作用力(即起动力)模拟泥石流的起动，施加的剪切作用力代表了起动坡脚的大小，因此可以确定不同坡度下物源的起动条件，可以模拟不同坡脚物源起动时的水土比，以及起动时的孔隙水压力和土压力。不但解决了现有研究方法对大变形问题的局限性，还可以跟踪研究起动后泥石流的运移、停积过程的物理力学行为，能够为泥石流起动研究提供更准确的判定标准。并且，本发明提供的试验系统由几个部分组装而成，安装简单、方便拆卸、便于运输，且该试验系统操作简单，应用方便，适用性强，综合性能高，具有较高的实用价值。

最后所应说明的是，以上具体实施方式仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照实例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (10)

1.一种模拟泥石流起动的大变形十字板头剪切流变试验系统，其特征在于：包括物源槽，设置在物源槽上方对物源槽内物源喷水的降雨系统，设置在物源槽内用于测量物源内部含水量、土压力和孔隙水压力的多物理量监测系统，伸入物源槽内对物源搅拌的十字板头剪切流变仪，以及与所述多物理量监测系统和十字板头剪切流变仪连接的数据采集与控制系统。

2.根据权利要求1所述的试验系统，其特征在于：所述物源槽的下部设置有多个可启闭的排水孔，所述物源槽四周设置有角柱，所述角柱上设置有用于支撑所述降雨系统的支撑梁。

3.根据权利要求2所述的试验系统，其特征在于：所述降雨系统包括设置在所述支撑梁上的喷头，通过输水管与所述喷头连接的水箱，以及通过总供水管与所述水箱连接为所述水箱供水并调控水压的水泵。

4.根据权利要求1所述的试验系统，其特征在于：所述十字板头剪切流变仪包括设置在所述物源槽内的十字板头，与十字板头连接的连接杆，通过连承轴与连接杆连接的力矩电机，所述力矩电机通过支撑架固定在设置在所述物源槽外带底座的立柱上，所述力矩电机的前后两端分别设置有扭矩传感器和光电编码器。

5.根据权利要求4所述的试验系统，其特征在于：所述十字板头的规格设定为直径×高为20mm×40mm、30mm×60mm、40mm×80mm或50mm×100mm。

6.根据权利要求5所述的试验系统，其特征在于：所述多物理量监测系统包括多个用于测量物源含水量变化的含水量传感器，两个用于测量物源孔隙水压力的水压力传感器，以及两个用于测量竖向土压力和水平土压力的土压力传感器。

7.根据权利要求6所述的试验系统，其特征在于：所述多个含水量传感器从上往下依次间隔相等距离设置在物源槽的物源内，最上端含水量传感器距离物源表面一定距离，最下端含水量传感器设置在所述十字板头的底部；所述两个水压力传感器分别设置在所述十字板头的顶部和底部附近；所述两个土压力传感器分别设置在所述十字板头的顶部和底部附近。

8.根据权利要求7所述的试验系统，其特征在于：所述含水量传感器之间的距离间隔为40-60mm，所述最上端含水量传感器距离物源表面的距离为40-60mm；所述水压力传感器和土压力传感器距离所述十字板头的顶部和底部的距离为10-15mm。

9.根据权利要求4所述的试验系统，其特征在于：所述数据采集与控制系统分别与所述力矩电机、扭矩传感器和光电编码器连接，用于控制所述力矩电机的扭矩输出、采集所述光电编码器测得的扭转变形和速率数据、以及采集扭矩传感器在物源起动时点的抵抗力矩变化数值。

10.根据权利要求8所述的试验系统，其特征在于：所述数据采集与控制系统分别与所述的含水量传感器、水压力传感器和土压力传感器连接，用于采集所述含水量传感器、土压力传感器和水压力传感器测量到的物源内部的含水量、以及土压力和孔隙水压力数据。