CN107807223A - 一种滑坡试验装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种滑坡试验装置，包括模型框架、位于模型框架内部的滑坡模型、位于模型框架内部的渗流装置、位于滑坡模型上方并穿过模型框架的加载装置以及位于模型框架内部的测量装置。其中，渗流模型用于向滑坡模型周边注入水体,以通过水体的水位变化模拟滑坡模型的含水率变化，加载装置用于向滑坡模型的顶部边坡施加荷载，通过测量装置动态监测滑坡模型的含水率变化，从而测量不同含水率的滑坡模型的稳定性。本发明通过模拟不同含水率条件下滑坡模型的稳定性，以及模拟不同的外力施加条件下滑坡模型的稳定性，建立满足几何相似条件的真实重量滑坡模拟三维空间模型，结构开放，安装灵活方便，且应用广泛。
Description
技术领域
本发明涉及地质灾害模型试验领域，具体地，涉及一种滑坡试验装置。
背景技术
我国是滑坡、崩塌、泥石流等地质灾害多发的国家，其中滑坡的发生常常具有突发性、高频性、破坏性的特点，是公认的仅次于地震的第二大自然灾害，也是人类面临的范围最广、破坏最重和时间最长的地质灾害之一。滑坡的稳定性问题一直是滑坡灾害领域一项最基本但又最重要的研究课题，科学合理的评价滑坡稳定性对于确保人民生命财产安全和保证工程正常运行有着重要的意义，而在影响滑坡稳定性的诸多因素中，水又是一个至关重要的外在因素。大量事实表明：90％以上的滑坡失稳同水有着息息相关的联系，因此研究不同含水率滑坡在外加荷载作用下的稳定性问题具有重大意义。
中国发明专利CN1584542A公开了一种水诱发滑坡模拟试验装置及坡面位移监测方法，其中，水诱发滑坡试验装置包括试验台、试验箱、供水系统和设置在试验箱上的滑坡体，可对滑坡失稳时的临界孔隙水压力、滑坡失稳与承压水面积之间的关系进行研究。
中国发明专利ZL2011102008555公开了一种多因素作用下的大型滑坡物理模型实验系统，包括库水位涨落模拟单元、滑坡试验槽段、人工降雨模拟单元和测量单元在内的多因素作用下的大型滑坡物理模拟实验系统。
虽然上述滑坡物理模型试验装置的研发一定程度上促进了滑坡物理模型试验研究的发展，但只能做模型的相似模拟，主要在于研究自重条件下滑坡失稳以及水诱发滑坡失稳的情形，而滑坡在演化过程中外力边界条件往往并非一成不变，上述滑坡物理模型无法模拟排土场堆载作用于滑坡与基坑周边堆放建筑材料荷载作用于滑坡等工况，且无法测试在不同含水率条件的滑坡在受到外界荷载作用下的稳定性。
发明内容
鉴于以上问题，本发明的目的是提供一种滑坡试验装置，以解决现有滑坡试验无法测试不同含水率条件的滑坡在受到外界荷载作用下的稳定性的问题。
为了实现上述目的，本发明所述滑坡试验装置包括：
模型框架；
滑坡模型，位于所述模型框架的内部；
渗流装置，位于所述模型框架的内部，用于向所述滑坡模型周边注入水体，以通过所述水体的水位变化模拟所述滑坡模型的含水率变化；
加载装置，位于所述滑坡模型的上方并穿过所述模型框架，用于向所述滑坡模型的顶部边坡施加荷载；以及
测量装置，位于所述模型框架的内部，用于动态监测所述滑坡模型的含水率的变化，从而测量不同含水率的滑坡模型的稳定性。
优选地，所述模型框架内部具有模型垫板，所述滑坡模型放置于所述模型垫板上，所述模型框架的侧壁包围所述滑坡模型，所述水体位于所述滑坡模型与所述侧壁之间。
进一步地，优选地，所述渗流装置包括：
进水口，设置在与所述水体接触的侧壁上，进水管道通过所述进水口注入水体；
出水口，设置在所述模型垫板上；
进水阀，所述进水阀安装在所述进水管道上；
泄水管，与所述出水口连接，用于将多余的水泄出；以及
水位控制管道，与所述泄水管连接，从所述泄水管排出的水进入所述水位控制管道，通过调节所述水位控制管道的出水管口的高度，以调节所述水体的高度。
优选地，所述测量装置包括：进水流量计，安装在所述进水管道上，且位于所述进水阀与所述进水口之间，用于测量进水流量；
泄水流量计，安装在所述泄水管上，用于测量出水口流出的水体流量；
泄水量杯，位于所述水位控制管道的出口下方，用于测量从所述水位控制管道出来的泄水流量；
挂尺，悬挂在所述模型框架的侧壁，用于测量所述水体的高度；以及
渗压计，埋入所述滑坡模型内部，与所述滑坡模型的一个横断面等高，用于测量所述滑坡模型内部的水体渗透压力。
优选地，所述滑坡模型包括滑床、滑移面和滑坡体，所述滑坡体的顶部即为所述滑坡模型的顶部边坡，所述滑移面位于所述滑床与所述滑坡体之间。
进一步地，所述滑床包括限位梁和环氧树脂板，所述限位梁用于限制所述滑床的横向位移，所述限位梁与所述环氧树脂板间隔设置。
进一步地，所述滑移面表面覆有抹面层，所述滑坡体由相同或相似性材料在所述模型框架内分层夯实填筑。
优选地，所述加载装置包括伺服作动器和加载板，所述伺服作动器设置于所述模型框架顶部，所述加载板设置于所述伺服作动器与所述滑坡模型之间，并与所述滑坡模型接触，所述伺服作动器通过所述加载板向所述滑坡模型的顶部边坡施加动荷载。
优选地，所述加载装置包括轴向加压油缸和加载杆，所述轴向加压油缸设置在所述模型框架顶部，所述轴向加压油缸通过所述加载杆将荷载集中传递至所述滑坡模型的顶部边坡。
进一步地，优选地，所述加载装置还包括均布加载梁和加载板，所述均布加载梁位于所述加载板与所述加载杆之间，所述加载板位于所述滑坡模型顶部并与所述滑坡模型的顶部边坡接触，所述轴向加压油缸通过所述加载杆和所述均布加载梁将荷载传递至所述加载板，通过所述加载板将荷载均匀传递至所述滑坡模型的顶部边坡。
与现有技术相比，本发明具有以下优点和有益效果：
本发明通过渗流装置和测量装置有效获取滑坡模型的渗流信息，可测量不同含水率的滑坡的稳定性。根据实际需要，可选择不同的加载方式，模拟滑坡在演化过程中的外力边界条件的变化，适用于模拟排土场堆载作用滑坡与基坑周边堆放建筑材料荷载作用等不同工况，且可实现不同含水率滑坡在多种力学模型下的模拟，建立满足几何相似条件的真实重量滑坡模拟三维空间模型，测量不同含水率的滑坡在受到外界荷载作用下的稳定性。本发明通过设置较大尺寸的模型框架，使得本发明适用于较大尺寸的滑坡物理模型，结构开放，安装灵活方便。
附图说明
图1是本发明所述滑坡试验装置的主视图。
具体实施方式
下面将参考附图来描述本发明所述的实施例。本领域的普通技术人员可以认识到，在不偏离本发明的精神和范围的情况下，可以用各种不同的方式或其组合对所描述的实施例进行修正。因此，附图和描述在本质上是说明性的，而不是用于限制权利要求的保护范围。此外，在本说明书中，附图未按比例画出，并且相同的附图标记表示相同的部分。
下面结合图1来详细说明本实施例。
本发明所述滑坡试验装置包括：模型框架、位于模型框架内部的滑坡模型、位于模型框架内部的渗流装置、位于滑坡模型上方并穿过模型框架的加载装置以及位于模型框架内部的测量装置，其中，渗流装置用于向滑坡模型周边注入水体，以通过所述水体的水位变化模拟滑坡模型的含水率变化，加载装置用于向滑坡模型的顶部边坡施加荷载，测量装置通过动态监测滑坡模型的含水率的变化，从而测量不同含水率的滑坡模型的稳定性。
本发明通过渗流装置和测量装置有效获取滑坡模型的渗流信息，可测量不同含水率的滑坡在不同外力加载条件下的稳定性。
图1是本发明所述滑坡试验装置的主视图，如图1所示，模型框架1的内部具有模型垫板2，滑坡模型放置于模型垫板2上，模型框架1的侧壁21包围滑坡模型，滑坡模型与侧壁21之间具有水体9，水体9中的水渗入滑坡模型，为测试不同含水率滑坡模型提供水源条件。渗流装置通过水体9的水位变化模拟滑坡模型的含水率变化。模型垫板2用以放置滑坡模型，且侧壁21还可以起到限制滑坡模型两侧边界位移的作用。本发明通过设置较大尺寸的模型框架，使得本发明适用于较大尺寸的滑坡模型，滑坡模型最大高度优选为1600毫米，厚度优选为150毫米。
优选地，渗流装置包括：进水口、出水口、进水阀、泄水管以及水位控制管道。其中，进水口设置在与水体9接触的侧壁21上，进水管道通过进水口注入水体。出水口设置在模型垫板2上。进水阀安装在进水管道上，外来水源通过进水管道向滑坡模型与侧壁21之间灌入水体。泄水管与模型垫板2上的出水口连接，起到出水孔的作用，将多余的水泄出。水位控制管道与泄水管连接，在水位控制管道与泄水管的连接处由玻璃胶密封，以防水流泄漏，从泄水管排出的水进入水位控制管道。水位控制管道与水体9之间形成连通器，通过调节水位控制管道的出水管口的高度即可调节滑坡模型侧边的水体9的高度，以得到在不同水体高度下滑坡模型渗入的含水量。。水位控制管道优选为柔性软管。
优选地，本发明所述测量装置包括进水流量计、泄水流量计、泄水量杯、挂尺以及渗压计。其中，进水流量计安装在进水管道上，且位于进水阀与侧壁21的进水口之间，外来水源依次穿过进水阀和进水流量计进入模型框架1内部的滑坡模型侧边区域，进水流量计用于测量进入滑坡模型与侧壁21之间的进水流量。泄水流量计安装在泄水管上，测量出水口流出的水体流量。泄水量杯位于水位控制管道的出口下方，用于测量从水位控制管道流出来的泄水流量。进水流量减掉泄水量杯测量的泄水流量，即为滑坡模型渗入的含水量，据此可确定在水体9的水位高度固定时，水流流向滑坡模型内部的入渗量。优选地，在泄水管出口与水位控制管道出口均设置有不锈钢拦污滤网，以过滤水质，准确测量泄水流量。在模型框架的侧壁处设置有挂钩，挂尺悬挂在挂钩上，用于测量滑坡模型与侧壁21之间的水体9高度，挂尺上刻有刻度，指示水体高度。渗压计埋入滑坡模型的内部，与滑坡模型的一个横断面等高，测量滑坡模型内部的水体渗透压力。
本发明通过模拟滑坡模型侧边水体的水位变化，得到具有不同含水率的滑坡模型，通过测量装置有效获取不同含水率下滑坡模型的渗流性态信息，通过测量进水流量、泄水流量以及水位等数据得到滑坡模型内部的含水率，从而可对不同含水率的滑坡模型进行稳定性分析。
如图1所示，优选地，滑坡模型包括滑床、滑移面4和滑坡体3，滑坡体3的顶部即为滑坡模型的顶部边坡，滑移面4位于滑床与滑坡体3之间。优选地，滑床包括限位梁6和环氧树脂板5，其中，限位梁6用于限制滑床的横向位移，限位梁6与环氧树脂板间隔设置，环氧树脂板5由环氧树脂材料固化而成，或者直接在两个相邻的限位梁6之间填充环氧树脂材料以固化。
优选地，滑移面4表面覆有抹面层，用于减小滑动摩擦系数，可以选择在滑床表面使用比例为1:1的水泥和砂浆制作抹面层，通过提浆和压光以构筑滑移面，减小滑动摩擦系数。优选地，滑坡体3由相同或相似性材料在模型框架内分层夯实填筑，相似材料配置均匀、含水率恒定，还可以通过钻孔将土压力计及测斜仪埋入滑坡体内部以测量土压力和滑坡内部的位移。
由于滑坡在演化过程中外力边界条件并非一成不变，在模拟排土场堆载作用于滑坡与基坑周边堆放建筑材料荷载作用于滑坡等工况时，需要在滑坡试验装置中施加额外的作用力模拟外力条件的变化。优选地，通过集中加载、均布加载和动态加载中的一种或多种对滑坡模型的顶部边坡施加荷载。
优选地，通过以下方式实现动态加载：加载装置包括伺服作动器和加载板10，伺服作动器设置于模型框架1的顶部，与模型框架1顶部垂直放置，加载板10设置于伺服作动器与滑坡模型之间，并与滑坡模型接触。通过外界电力作用使得伺服作动器施加脉动激振力，通过加载板10向滑坡模型的顶部边坡施加动荷载，用于模拟当前含水率的滑坡在动荷载作用条件下的稳定性问题。
优选地，通过以下方式实现集中加载和均布加载：加载装置包括轴向加压油缸11和加载杆8，加载杆8一端连接轴向加压油缸11，另一端与滑坡模型的顶部边坡接触。其中，在模型框架1的顶部和两个侧面均设置有轴向加压油缸11，但是两个侧面的轴向加压油缸11在本发明中并无作用，本发明通过设置在模型框架1顶部的轴向加压油缸11向滑坡模型施加荷载。具体地，轴向加压油缸11通过加载杆8将荷载集中传递至滑坡模型的顶部边坡，用于模拟当前含水率的滑坡在集中荷载作用条件下的稳定性问题，通过调节轴向加压油缸11的轴向压力调节施加的荷载大小。
进一步地，加载装置还可以包括均布加载梁7和加载板10，加载杆8一端连接轴向加压油缸11，另一端连接均布加载梁7，均布加载梁7位于加载板10与加载杆8之间，加载板10位于滑坡模型顶部并与滑坡模型的顶部边坡接触，轴向加压油缸11通过加载杆8将荷载依次传递至均布加载梁7和加载板10，通过加载板10将荷载均匀传递至滑坡模型的顶部边坡，用于模拟当前含水率的滑坡在均布荷载作用条件下的稳定性问题。
需要说明的是，本发明可根据实际需要，选择不同的荷载加载方案，各种加载方案均可适用于不同含水率的滑坡模型的模拟，可分析不同加载方案下不同含水率滑坡的稳定性问题，从而建立满足几何相似条件的真实重量滑坡三维空间模型。
利用本发明所述滑坡试验装置进行滑坡模拟试验的方法，包括以下步骤：
(1)滑坡试验装置的设计及安装
针对研究需求，根据相似原理，拟定概化后的滑坡相似模型中模型框架以及滑坡模型的尺寸。
在一个优选实施例中，采用配置均匀、含水率恒定的相似材料制作滑坡模型的滑坡体；滑移面表面覆有抹面层，采用人造滑床和滑移面的形式构筑滑坡模型的一部分。在滑床表面用比例为1：1的水泥和砂浆制作抹面层，通过提浆和压光减小抹面层的滑动摩擦系数；滑床包括限位梁，限位梁用以限制滑床的横向相对位移，间隔设置的限位梁中间由环氧树脂材料固化填充。
(2)选择不同水位高度的工况进行加载试验
在一个优选实施例中，通过进水管道向滑坡模型的滑坡体右侧区域与侧壁之间倒入水体，并利用模型框架外壁悬挂的挂尺测量水体的水位高度，通过调节水位控制管道的出水管口的高度调节滑坡模型侧边的水体平面高度。时刻记录水位下降的过程，整个过程的采集频率为15分钟每次，并选择水位控制管道的出水管口高度分别为1.0m、0.8m、0.6m重复进行测量，记录数据，例如进水流量、泄水流量、水位、轴向压力、滑坡模型内部位移以及应力数据等。
综合考虑实际情况，可分别使用向滑坡模型的顶部边坡施加集中荷载、均布荷载和动态荷载三种不同的加载方式对滑坡体顶面进行加载。当完成滑坡模型的加载过程后，根据相关仪器设备采集试验数据，例如采集土压力、滑坡内部绝对位移等对不同含水率滑坡的稳定性进行分析。
以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种滑坡试验装置，其特征在于，包括：
模型框架；
滑坡模型，位于所述模型框架的内部；
渗流装置，位于所述模型框架的内部，用于向所述滑坡模型周边注入水体，以通过所述水体的水位变化模拟所述滑坡模型的含水率变化；
加载装置，位于所述滑坡模型的上方并穿过所述模型框架，用于向所述滑坡模型的顶部边坡施加荷载；以及
测量装置，位于所述模型框架的内部，用于动态监测所述滑坡模型的含水率的变化，从而测量不同含水率的滑坡模型的稳定性。
2.根据权利要求1所述的滑坡试验装置，其特征在于，所述模型框架内部具有模型垫板，所述滑坡模型放置于所述模型垫板上，所述模型框架的侧壁包围所述滑坡模型，所述水体位于所述滑坡模型与所述侧壁之间。
3.根据权利要求2所述的滑坡试验装置，其特征在于，所述渗流装置包括：
进水口，设置在与所述水体接触的侧壁上，进水管道通过所述进水口注入水体；
出水口，设置在所述模型垫板上；
进水阀，所述进水阀安装在所述进水管道上；
泄水管，与所述出水口连接，用于将多余的水泄出；以及
水位控制管道，与所述泄水管连接，从所述泄水管排出的水进入所述水位控制管道，通过调节所述水位控制管道的出水管口的高度，以调节所述水体的高度。
4.根据权利要求3所述的滑坡试验装置，其特征在于，所述测量装置包括：进水流量计，安装在所述进水管道上，且位于所述进水阀与所述进水口之间，用于测量进水流量；
泄水流量计，安装在所述泄水管上，用于测量出水口流出的水体流量；
泄水量杯，位于所述水位控制管道的出口下方，用于测量从所述水位控制管道出来的泄水流量；
挂尺，悬挂在所述模型框架的侧壁，用于测量所述水体的高度；以及
渗压计，埋入所述滑坡模型内部，与所述滑坡模型的一个横断面等高，用于测量所述滑坡模型内部的水体渗透压力。
5.根据权利要求1所述的滑坡试验装置，其特征在于，所述滑坡模型包括滑床、滑移面和滑坡体，所述滑坡体的顶部即为所述滑坡模型的顶部边坡，所述滑移面位于所述滑床与所述滑坡体之间。
6.根据权利要求5所述滑坡试验装置，其特征在于，所述滑床包括限位梁和环氧树脂板，所述限位梁用于限制所述滑床的横向位移，所述限位梁与所述环氧树脂板间隔设置。
7.根据权利要求5所述滑坡试验装置，其特征在于，所述滑移面表面覆有抹面层，所述滑坡体由相同或相似性材料在所述模型框架内分层夯实填筑。
8.根据权利要求1所述的滑坡试验装置，其特征在于，所述加载装置包括伺服作动器和加载板，所述伺服作动器设置于所述模型框架顶部，所述加载板设置于所述伺服作动器与所述滑坡模型之间，并与所述滑坡模型接触，所述伺服作动器通过所述加载板向所述滑坡模型的顶部边坡施加动荷载。
9.根据权利要求1所述的滑坡试验装置，其特征在于，所述加载装置包括轴向加压油缸和加载杆，所述轴向加压油缸设置在所述模型框架顶部，所述轴向加压油缸通过所述加载杆将荷载集中传递至所述滑坡模型的顶部边坡。
10.根据权利要求9所述滑坡试验装置，其特征在于，所述加载装置还包括均布加载梁和加载板，所述均布加载梁位于所述加载板与所述加载杆之间，所述加载板位于所述滑坡模型顶部并与所述滑坡模型的顶部边坡接触，所述轴向加压油缸通过所述加载杆和所述均布加载梁将荷载传递至所述加载板，通过所述加载板将荷载均匀传递至所述滑坡模型的顶部边坡。
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