CN107102118B - 实时量测牵引滑坡坡体应力应变的模型试验装置 - Google Patents

Abstract

一种实时量测牵引滑坡坡体应力应变的模型试验装置，包括顶部和前端开口的透明模型箱体，箱体前端底部活动连接台架，台架上设力加载装置，模拟滑面通过传动杆与力加载装置连接，所述模拟滑面与传动杆位于同一平面；在传动杆上设力传感器，力传感器与数据采集系统连接。在实现力加载装置牵引预定滑面使滑坡发生滑动的情况下，对滑坡的启动、扩展和失稳演化过程进行控制，能对牵引式滑坡坡体位移以及应力应变进行实时、精确的测量，本发明装置仪器构造简单，可调性强，操作方便，易于掌握。

Description

实时量测牵引滑坡坡体应力应变的模型试验装置

技术领域

本发明涉及一种岩土工程滑坡模型试验装置，尤其涉及一种实时量测牵引滑坡坡体应力应变的模型试验装置，应用于岩土工程的滑坡模型试验。

背景技术

我国是滑坡地质灾害极为频繁的国家，滑坡灾害给人民的生命财产造成巨大损失，给工程建设带来严重影响。想要深入认识滑坡性质及其演化规律，有效合理的预防滑坡和治理滑坡，就必须对滑坡的发展特征、演化机理等进行深入的实际观察和必要的试验分析研究。滑坡灾害孕育是一个坡体蠕动变化的渐进连续过程，影响蠕变过程长短及其显著程度的因素众多，滑坡系统表现出极其复杂而难以预测的演化特征。在滑坡发生前，它往往是呈一种无序状态的，其环境地质因素以及外部诱发因素对滑坡系统的作用使得滑坡的整个演化过程表现出明显的不确定性。

国内外比较成熟的滑坡模型实验技术主要有滑坡底摩擦式、推移式和离心式，滑坡底摩擦式滑坡试验利用基底摩擦力代替重力模拟滑坡发生的变化和破坏过程，缺点是不能定量研究滑坡的应力应变及位移特性；推移式滑坡模型试验采用在坡体后侧施加推力的方式使坡体发生滑动，缺点是不能模拟牵引式滑坡尤其是多段牵引式滑坡的演化规律；离心式滑坡模型利用离心试验机模拟滑坡演化的相关特性，缺点是不能控制滑坡的演化过程。

滑坡尤其是牵引式滑坡的启动、发展和破坏演化过程的识别和应用一直是地质岩土工程界的重点。目前有关牵引式滑坡的成因机制、稳定评价及工程案例分析的文献较少，鲜有牵引式滑坡物理模型试验方面的研究，对多段牵引式滑坡的位移应力的研究尚未见报道。因此，进行牵引式滑坡坡体位移变形以及应力应变变化规律的研究尤其是多段牵引式滑坡对岩土工程具有重要意义。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术存在的不足，提供一种可实时量测牵引式滑坡坡体位移应力的模型试验装置。在实现力加载装置牵引预定滑面使滑坡发生滑动的情况下，对滑坡的启动、扩展和失稳演化过程进行控制，能对牵引式滑坡坡体位移以及应力应变进行实时、精确的测量，本发明装置仪器构造简单，可调性强，操作方便，易于掌握。

为达到上述发明创造目的，本发明采用下述技术方案：

一种实时量测牵引滑坡坡体应力应变的模型试验装置，包括顶部和前端开口的透明模型箱体，箱体前端底部活动连接台架，台架上设力加载装置，模拟滑面通过传动杆与力加载装置连接，所述模拟滑面与传动杆位于同一平面；在传动杆上设力传感器，力传感器与数据采集系统连接。

如权利要求1所述的模型试验装置，所述模型箱体由底板与底板上的有机玻璃板组成，有机玻璃板外侧设钢架。

所述箱体前端底部通过转轴连接台架，转轴两侧设齿轮。

所述齿轮上设有角度。

所述力加载装置为电机。

所述模拟滑面为多段式滑面，每两段模拟滑面之间通过牵引链连接，位于前端的模拟滑面与夹具连接，夹具另一端与传动杆连接。

所述模拟滑面为铁丝网面。

所述铁丝网面为两段或大于两段时，每两段铁丝网面通过牵引链连接。

所述试验装置还包括测量系统，测量系统包括光源、相机、三维激光扫描仪以及自动监测系统，光源、相机位于模型箱体对面。

如上所述的模型试验装置的试验方法，包括以下步骤：

(1)安装好模型试验装置，在模型箱体两侧面上画上滑面线和坡面线；

(2)将配好的土体分层填筑进模型箱体，其斜面滑床与滑面线齐平；

(3)将模拟滑面居中铺设于斜面滑床上；

(4)调整台架与模型箱前端角度至预定角度；

(5)将配好的土体分层铺设于斜面滑床上，使其形成的坡面与坡面线齐平；

(6)启动数据采集系统与力加载装置，开始试验。

本发明与现有技术相比，具有以下技术效果：

1.本发明试验装置测量系统可对滑体的应力以及坡体表面全过程坡体变形进行实时、精确的测量。

2.本发明试验装置可以对单段或多段牵引式滑坡的滑坡演化特征进行模拟，对比研究不同段数的滑坡形态及其演化规律。

3.本发明试验装置可以对牵引式滑坡演化的过程进行控制，细化研究不同演化阶段的滑坡形态及其演化规律。

4.本发明试验装置可以对不同规模滑面引起的滑坡进行模拟，对比研究不同规模滑面引起的滑坡形态及其演化规律。

5.本发明试验装置可以对不同倾角的滑面引起的滑坡进行模拟，对比研究不同倾角的滑面引起的滑坡形态及其演化规律。

6.本发明模型试验装置操作方便，涉及的仪器构造简单，可调性强，易于掌握。

附图说明

图1是本发明的模型试验装置总体立体图。

图2是本发明的模型试验装置总体前视图。

图3是本发明的模型试验装置总体俯视图。

图4是本发明的模型试验装置总体侧视图。

图5是本发明的模型试验装置滑面倾角25°总体立体图。

图6是本发明的模型试验装置滑面长度99cm总体立体图。

图7是本发明的模拟滑面为两段时示意图。

图8本发明的坡面线及滑面线设计示意图。

具体实施方式

本发明提供的实时量测牵引滑坡坡体应力应变的模型试验装置，如图1-4所示，包括模型箱系统、牵引滑坡模型系统和测量系统。模型箱系统可塑造坡体，牵引滑坡模型系统可模拟牵引式滑坡运动形式，测量系统可对滑体的应力应变以及整体变形进行实时、精确的测量。

模型箱系统包括顶部和前端开口的透明模型箱体；进一步，模型箱体由底板3与底板上的有机玻璃板1组成，有机玻璃板1外侧设钢架2，有机玻璃板1和周围钢架2垂直固定于底板3上，底板3置于支座4上。模型箱体为透明材料，便于观察滑体的应力应变以及整体变形情况，玻璃板外侧设钢架，可起到加固箱体的作用。

牵引滑坡模型系统包括与透明模型箱体前端活动连接的台架13，台架13与箱体底板3之间的夹角角度可调节，优选底板3前端下沿设转轴5，转轴连接台架13，为了方便角度调节，在转轴5两侧设带有刻度的齿轮6；台架13上设力加载装置，模拟滑面通过钳形夹具9、传动杆10与力加载装置连接；所述模拟滑面7、夹具9与传动杆10位于同一平面，此平面与台架平行，可使模拟滑面能够按照预设倾角滑动。

为了可模拟多段牵引式滑坡的演化规律，模拟滑面可为多段，每两段模拟滑面之间通过牵引链8连接，位于前端的模拟滑面与夹具9连接，模拟滑面的尺寸可根据实际实验需求进行调整；优选模拟滑面7为铁丝网，铁丝网面相对于没有网孔的模拟滑面受力更均匀，且与周围土体有较大摩擦力，当模拟滑面即铁丝网面为两段或大于两段，每两段铁丝网面通过牵引链连接，如图7所示，牵引链8优选为回形针；力加载装置为减速电机12，传动杆10与减速电机12之间设传动箱11。最终通过减速电机12产生的牵引力拉动铁丝网7运动来模拟滑面的滑动。

测量系统包括传动杆10上设置的力传感器14，力传感器14与数据采集系统连接，本发明中采用的压力传感器型号为P306S-01，直径6mm，高度2.5mm，量程100kg，精度为2±0.01mV。测量系统还包括MS50测量系统，MS50测量系统包括硬件系统和软件系统两个部分，其中硬件系统主要有LED泛光灯光源、Cannon Eos700d单反相机、徕卡MS50三维激光扫描仪(兼顾全站仪功能)等设备组成，光源、相机位于模型箱体对面；软件系统采用瑞士leica公司的GeoMos自动监测系统完成在坡体运动过程中的面变形以及单点变形的采集和分析工作；交直流LED泛光灯的额定功率30W，它既方便、实用，又能满足实验室条件下对光源亮度和稳定性的要求；Cannon Eos700d单反相机，分辨率高达1800万像素，徕卡MS50三维激光扫描仪为瑞士Leica公司开发，扫描精度达0.6mm，本次试验扫描区域点数大于10万，自动扫描选定区域，扫描数据精确可靠，满足了模型试验对测量精度的要求。

如图1所示为滑面倾角为35°、两段式滑面、滑面长度为66cm的滑坡模型试验装置，其具体试验方法如下：

(1)安装好模型试验装置，在模型箱体两侧面上画上滑面线16和坡面线15，如图8所示；滑面线和坡面线倾角均为35°，滑面线16前端与底板垂直距离为6cm，坡面线15前端与底板垂直距离为24cm；

(2)将配好的土体分层填筑进模型箱体，其斜面滑床与滑面线16齐平；顶面与模型箱齐平；

(3)将两张33cm长的铁丝网居中铺设于滑床上，两段铁丝网间隔5mm间隙并通过牵引链8连接，铁丝网前端伸出模型箱与钳形夹具9相固定；

(4)调整台架与模型箱底板前端角度至35°；

(5)将配好的土体分层铺设于斜面滑床上，使其形成的坡面与有机玻璃板上的坡面线15齐平；

(6)将力传感器14通过数据采集系统连接于计算机，标定力传感器14；

(7)将MS50三维激光测量系统的LED泛光灯光源、CannonEos700d单反相机、徕卡MS50三维激光扫描仪由近及远放置于模型箱前端；

(8)调整LED泛光灯光源位置，使坡面光线充足；调整CannonEos700d单反相机位置、支架高度及焦距，使其对坡面能够完整地、清晰地拍摄，并在试验开始前对坡面进行拍照作为对比照片；调整徕卡MS50三维激光扫描仪，使其对坡面能够完整地、清晰的扫描，并在试验开始前对坡面进行扫描确定初始状态；

(9)同时启动数据采集仪、徕卡MS50三维激光扫描仪和减速电机，开始试验；在减速电机的牵引下，首先带动第一段铁丝网面沿着滑面线向前运动，在铁丝网面运动的同时，上部土层即坡面受到牵引力的影响开始变形，产生位移，在第一段铁丝网面位移达到目标值时，带动第二段铁丝网继续前行直至试验结束，完成对多段牵引式滑坡的模拟；在试验过程中力传感器及MS50测量系统对滑体的应力应变以及整体变形进行实时、精确地测量；然后可通过调整不同的滑面倾角、滑面段数及尺寸、土体分层等对不同规模、不同倾角的滑面引起的滑坡进行模拟；上述模型试验装置使用方法操作方便，可调节性强，易于掌握，适用于砂土、粉土及其含少量黏粒的土体滑坡模型试验的测量。

如图5所示，是本发明的模型试验装置滑面倾角25°总体立体图，可进行滑面倾角为25°、两段式、牵引式滑坡模型试验，与滑面倾角为35°、两段式、牵引式滑坡模型试验相结合，可对比研究不同滑面倾角对滑坡位移、应力及破坏规律的影响。

如图6所示，是本发明的模型试验装置三段式滑面总体立体图，可进行滑面倾角为35°、三段式、牵引式滑坡模型试验，与滑面倾角为35°、两段式、牵引式滑坡模型试验相结合，可对比研究不同滑面规模对滑坡位移、应力及破坏规律的影响。

上面结合附图对本发明实施例进行了说明，但本发明不限于上述实施例，还可以根据本发明的发明创造的目的做出多种变化，凡依据本发明技术方案的精神实质和原理下做的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，只要符合本发明的发明目的，只要不背离本发明一种可对分段牵引式滑坡的应力应变变化规律进行实时量测的模型试验装置的技术原理和发明构思，都属于本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种实时量测牵引滑坡坡体应力应变的模型试验装置，其特征在于包括顶部和前端开口的透明模型箱体，箱体前端底部活动连接台架，台架上设力加载装置，模拟滑面通过传动杆与力加载装置连接，所述模拟滑面与传动杆位于同一平面；在传动杆上设力传感器，力传感器与数据采集系统连接；所述箱体前端底部通过转轴连接台架，转轴两侧设齿轮。

2.如权利要求1所述的模型试验装置，其特征在于所述模型箱体由底板与底板上的有机玻璃板组成，有机玻璃板外侧设钢架。

3.如权利要求1所述的模型试验装置，其特征在于所述齿轮上设有角度。

4.如权利要求1所述的模型试验装置，其特征在于所述力加载装置为电机。

5.如权利要求1所述的模型试验装置，其特征在于所述模拟滑面为多段式滑面，每两段相邻模拟滑面之间通过牵引链连接，位于前端的模拟滑面与夹具连接，夹具另一端与传动杆连接。

6.如权利要求1或5所述的模型试验装置，其特征在于所述模拟滑面为铁丝网面。

7.如权利要求1所述的模型试验装置，其特征在于所述试验装置还包括测量系统，测量系统包括光源、相机、三维激光扫描仪以及自动监测系统，光源、相机位于模型箱体对面。

8.如权利要求1-7任一项所述的模型试验装置的试验方法，其特征在于包括以下步骤：

（1）安装好模型试验装置，在模型箱体侧面上画上滑面线和坡面线；

（2）将配好的土体分层填筑进模型箱体，其斜面滑床与滑面线齐平；

（3）将模拟滑面居中铺设于斜面滑床上；

（4）调整台架与模型箱前端角度至预定角度；

（5）将配好的土体分层铺设于斜面滑床上，使其形成的坡面与坡面线齐平；

（6） 启动数据采集系统与力加载装置，开始试验。