CN107907656A - 一种渗流应力降雨耦合边坡失稳土体位移可视化的试验装置和试验方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及工程试验技术领域，具体为一种渗流应力降雨耦合边坡失稳土体位移可视化的试验装置和试验方法，该装置包括人工降雨系统、渗流系统以及模拟边坡；所述人工降雨系统由供水箱、智能升降装置和降雨板组成；所述的渗流系统与透明模型箱紧密相连，底部通过止水夹与透明模型箱相通；所述透明模型箱底部预留一定空间，预留空间上方铺设砾石层，砾石层上方放置具有一定倾斜面的饱和透明土体模拟边坡，透明土边坡的坡面上插入抗滑桩；透明模型箱的正前方安放高速工业相机，透明模型箱的左侧或者右侧安放激光器；本发明技术利用了透明土技术和计算机图像处理软件，解决了边坡渗流应力降雨耦合作用下土体内部位移可视化的难题，试验装置简单易懂、可重复使用，试验方法可行性高。

Description

一种渗流应力降雨耦合边坡失稳土体位移可视化的试验装置 和试验方法

技术领域

本发明属于工程试验技术领域，尤其涉及一种渗流应力降雨耦合边坡失稳土体位移可视化的试验装置和试验方法。

背景技术

随着全球进入极端自然灾害的高频发时期，人们对于自然灾害的关注也愈来愈高。据统计，边坡失稳及其所引发的自然灾害已成为仅次于地震的地质灾害。相关研究表明，强降雨、边坡上下渗透水头以及边坡旁的堆载是影响边坡稳定的三大重要因素。随着雨水渗入边坡土中、边坡上下游渗透水头抬升，根据土的有效应力原理知，此时土体的抗剪强度下降，当坡外堆载使得土中的应力超过其抗剪强度时，边坡即发生失稳。

包括边坡工程在内的土木工程由于其自身的特殊性，不可能通过等比例模型来模拟其在真实条件下的受力机理，因此，采用模型试验进行研究是常采用的一种方法。传统的研究边坡的稳定的模型试验中，只考虑降雨、渗透水头以及堆载中的一种因素的影响，而实际工程边坡稳定是一个非常复杂的问题，往往是这三种主要影响因素耦合作用下的结果；此外，由于土体的不透明性，传统的模型试验很难对其在试验过程中的应力、应变、位移场等进行测量，尽管当前包括CT、核磁共振等技术手段已应用到边坡工程试验领域，但高昂的设备费以及观测效果的不精确性大大限制这些技术的广泛的应用。

透明土材料是由物理力学性质与天然土颗粒相似的透明颗粒材料混合具有相同折射率的液体制备而成，因固、液两相折射率相同而呈现透明状，并且其物理力学性质与天然土相似；透明土材料因其具备透明可视性好、制备容易、与土的性质相似等优点在岩土工程试验领域得到了广泛的应用。因此，利用透明土材料，提出一种能够考虑渗流应力降雨耦合并可精确测量土体位移的试验装置和试验方法就显得尤为必要了。

发明内容

本发明技术在于克服已有技术存在的不足，利用透明土技术和计算机图像软件，提出了一种能够考虑渗流应力降雨耦合作用下边坡土体位移可视化的试验装置和试验方法，解决了传统试验中很难观测到土体内部位移变化的难题，试验装置简单易懂、可重复使用，试验方法可行性高。

一种渗流应力降雨耦合边坡失稳土体位移可视化的试验装置，其特征在于：该试验装置包括人工降雨系统、渗流系统以及模拟边坡；所述人工降雨系统由供水箱1、智能升降装置3和降雨板7组成；所述的渗流系统与透明模型箱16紧密相连，底部通过止水夹13与透明模型箱16相通；所述透明模型箱16底部预留一定空间，预留空间上方铺设砾石层14，砾石层14上方放置具有一定倾斜面的饱和透明土体17模拟边坡，透明土17边坡的破面上插入抗滑桩8；透明模型箱的正前方安放高速工业相机12，透明模型箱的左侧或者右侧安放激光器15；利用激光器15打入透明土17边坡中形成散斑，通过高速工业相机12对散斑场进行连续拍摄，后借助计算机图像处理软件对所得的散斑场进行分析，从而实现对边坡渗流应力降雨耦合作用下土体内部连续变形的非嵌入式可视化测量；

进一步地，所述的降雨板7可通过智能升降装置3调节与透明模型箱16的垂直高度差；

进一步地，所述的水位调节阀5可以调节降雨板7施加的降雨量；

进一步地，所述的抗滑桩8采用直径5mm-10mm的钢棒；

进一步地，所述透明土17边坡的坡顶放置加载板9；

进一步地，所述的流量计6可以实时监测降雨板7所施加的降雨量；

进一步地，所述的砾石层14铺设在透明模型箱16内部的下层，并且在砾石层14与透明模型箱四周接触处涂有用于减少接触面渗透的防水硅胶，从而防止渗透水流从侧边渗漏影响试验效果；

进一步地，所述的透明模型箱16由有机透明玻璃制成，其尺寸为500mm(长)*500mm(宽)*400mm(高)；

进一步地，所述的渗流系统中包括渗流管11，渗流管11的侧面设由刻度表，可模拟渗透流体在不同渗透水头下对透明土17边坡的冲击；

进一步地，所述的透明土17由熔融石英砂颗粒与正十二烷和十五号白油的混合溶液制备而成；

进一步地，一种渗流应力降雨耦合边坡失稳土体位移可视化的试验方法，其特征在于：具体包括如下技术步骤：

①按试验的参数要求配置好相应的透明土17，并以一定的倾斜坡角放置于透明模型箱16中，将抗滑桩8依次缓慢打入坡面中；

②在供水箱1中注入与透明土17具有相同折射率的孔隙流体，通过智能升降装置3调整降雨板7至一定高度，打开水泵4和某一水位调节阀5，使供水箱1中的孔隙流体通过降雨板7散落到透明模型箱16中；

③在供水管11中注入与透明土17具有相同折射率的孔隙流体至设定水头高度并在试验过程中始终保持水头不变，打开止水夹13，使供水管11中的孔隙流体进入透明模型箱16中；

④打开激光器15并调整激光切面的角度，使其垂直射入透明土17边坡中，形成一个明亮的散斑场；

⑤打开高速工业相机12并调整其可视范围，使其能够涵括整个透明土边坡的底部，相机保持自动拍照模式，并设置其以2幅/秒的频率采集图像并传送至计算机；

⑥在透明土17边坡的加载板9上缓慢添加砝码10，直至透明17土边坡失稳破坏；

⑦透明土17边坡失稳破坏后，利用计算机处理软件PIV对所获得的图片进行分析，得到渗流应力降雨耦合作用下边坡土体变形的位移场。

本发明的有益效果是：

①试验装置简单易懂、可重复使用，试验方法可行性高；

②本发明克服了传统边坡模拟试验装置中仅考虑一种影响因素的缺点，实现了对渗流应力降雨耦合作用下对于边坡破坏过程的模拟，更符合工程实际要求；

③本发明试验方法可以在保证其他两个影响因素恒定的情况下，对第三个影响因素进行控制测量，从而得出不同影响因素对边坡稳定的影响。

④本发明克服了传统边坡模拟试验中难以观测土体位移的缺点，将透明土材料和计算机图像处理软件相结合，实现了对渗流应力降雨耦合作用下边坡土体破坏过程中土体位移可视化的测量。

附图说明：

图1为发明模型试验装置的系统试验图

其中：1为供水箱；2为计算机；3为智能升降装置；4为水泵；5为水位调节阀；6为流量计；7为降雨板；8为抗滑桩；9为加载板；10为砝码；11为供水管；12为高速工业相机；13为止水阀；14为砾石层；15为激光发射器；16为透明模型箱；17为透明土。

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。

一种渗流应力降雨耦合边坡失稳土体位移可视化的试验装置包括人工降雨系统、渗流系统以及模拟边坡；所述人工降雨系统由供水箱1、智能升降装置3和降雨板7组成，降雨板7上安放有水泵4、水位调节阀5以及流量计6；所述的渗流系统与透明模型箱16紧密相连，底部通过止水夹13与透明模型箱16相通；所述透明模型箱13底部预留一定空间，预留空间上方铺设砾石层14，砾石层14上方放置具有一定倾斜面的饱和透明土体17模拟边坡，透明土17边坡的破面上插入抗滑桩8；透明模型箱16的正前方安放高速工业相机12，透明模型箱的左侧或者右侧安放激光器15；

实施例1：

第一步：在平整的场地内安放透明模型箱16、供水管11以及供水箱1，所述的透明模型箱16为由有机透明玻璃制成的上部开口的长方体，尺寸为500mm(长)*500mm(宽)*400mm(高)；为达到本试验的预期效果，本试验的实现环境设定在黑暗中；在保证试验所述环境的温度湿度恒定的前提下，将正十二烷和十五号白油在一定的温度(本实例中为24℃)、一定的湿度(本实例中为30％)下，按一定的质量比(本实例中为1:4)混合成溶液；所得混合溶液与熔融石英砂混合后充分拌合，制备成设计相对密实度的饱和透明土17；所述的熔融石英砂，其粒径范围应在0.5mm-1mm；

将所得的透明土17缓慢地、并以一定倾斜角度放置于透明模型箱16中以模拟边坡，为更好地达到本试验的效果，所述透明土17边坡的坡角设定为60°；将9根抗滑桩8通过沉桩加载仪依次、缓慢地打入透明土17边坡的坡面中，沉桩过程要严格控制沉桩加载仪的速度，保证抗滑桩8垂直贯入透明土17中，防止出现桩位偏差过大的情况；本实例中所采用的抗滑桩8为直径10mm的不锈钢钢棒，长200mm，使用前将其外表面用湿毛巾擦拭干净后晾干；

第二步：在供水箱1中注入与透明土17具有相同配比的正十二烷和十五号白油的混合溶液，通过智能升降装置3调整降雨板7至一定高度，本实例中降雨板7和透明土17边坡坡顶的垂直距离设定为400mm；所述的降雨板7的一端始终插入供水箱1的液面之下；所述降雨板上设置有水泵4、水位调节阀5和流量计6；打开水泵4和某一水位调节阀5，使得供水箱中1中与透明土17具有相同配比的正十二烷和十五号白油的混合溶液通过降雨板7上的喷头散落到透明模型箱16中；

第三步：在供水管11中注入与透明土17具有相同配比的正十二烷和十五号白油的混合溶液至设定水头高度，并在试验过程中保持渗透水头不变，打开止水夹13，使得供水管11中与透明土17具有相同配比的正十二烷和十五号白油的混合溶液通过砾石层14后冲击透明土17；

第四步：在所述透明模型箱16的右侧安放激光器15，调整激光器15的激光切面角度，使其垂直射入透明土17边坡中，并在透明土17中形成一个明亮的散斑场；

第五步：在所述的透明模型箱的正前方安放高速工业相机12，调整高速工业相机12的可视范围，使其能够包括整个透明土17边坡的底部；高速工业相机12设定为以2幅/s的连续拍摄模式并将图像传输至计算机2；

第六步：在透明土17边坡上放置加载板9，以确保荷载能够均匀施加至整个透明土17边坡上；在透明土17的加载板9上缓慢添加砝码10；所述的砝码10规格有50g-5g不等，加载原则为先加大砝码，当观测到高速工业相机所拍摄出的照片出现明显变化时，改用添加小砝码；直至透明土17边坡失稳破坏；

第七步：透明土17边坡失稳破坏后，按顺序拆卸试验装置并擦拭相关元部件，回收至试验盒以便下次使用；利用计算机处理软件PIV对所获得的散斑场图片进行分析，得到渗流应力降雨耦合作用下边坡土体变形的位移场；

实施例2：

实施例1采用的是控制降雨量和渗透水头恒定的情况下研究坡顶加载对边坡失稳破坏的影响，对于降雨量对边坡失稳破坏影响的研究，可在实例1的基础上，改变步骤二、三、六的实施方式。在透明土17边坡坡顶的加载板上，放置设定荷载的砝码10；在供水管11中注入与透明土17具有相同配比的正十二烷和十五号白油的混合溶液至设定水头高度，并在试验过程中保持渗透水头不变，打开止水夹13，使得供水管11中与透明土17具有相同配比的正十二烷和十五号白油的混合溶液通过砾石层14后冲击透明土17；打开水泵4和某一水位调节阀5，使得供水箱中1中与透明土17具有相同配比的正十二烷和十五号白油的混合溶液通过降雨板7上的喷头散落到透明模型箱16中，并逐渐、缓慢地调整水位调节阀5以改变降雨板7出流量的大小，直至透明土17边坡失稳破坏；最后利用计算机处理软件PIV对所获得的散斑场图片进行分析，得到渗流应力降雨耦合作用下边坡土体变形的位移场。

实施例3：

实施例1采用的是控制降雨量和渗透水头恒定的情况下研究坡顶加载对边坡失稳破坏的影响，对于渗透水头对边坡失稳破坏影响的研究，可在实例1的基础上，改变步骤二、三、六的实施方式。在透明土17边坡坡顶的加载板上，放置设定荷载的砝码10；在供水箱1中注入与透明土17具有相同配比的正十二烷和十五号白油的混合溶液，通过智能升降装置3调整降雨板7至一定高度，本实例中降雨板7和透明土17边坡坡顶的垂直距离设定为400mm；所述的降雨板7的一端始终插入供水箱1的液面之下；所述降雨板上设置有水泵4、水位调节阀5和流量计6；打开水泵4和某一水位调节阀5，使得供水箱中1中与透明土17具有相同配比的正十二烷和十五号白油的混合溶液通过降雨板7上的喷头散落到透明模型箱16中；在供水管11中注入与透明土17具有相同配比的正十二烷和十五号白油的混合溶液，打开止水夹13，使得供水管11中与透明土17具有相同配比的正十二烷和十五号白油的混合溶液通过砾石层14后冲击透明土17，并逐渐缓慢地增加渗透水头的大小，直至直至透明土17边坡失稳破坏；最后利用计算机处理软件PIV对所获得的散斑场图片进行分析，得到渗流应力降雨耦合作用下边坡土体变形的位移场。

实施例4：

实施例1研究的对象是采用挤土型抗滑桩的边坡，对于采用非挤土型抗滑桩的边坡工程，可在实例1、2、3的基础上，改变步骤一的实施方式。在布置完透明土17边坡后，在预先设定抗滑桩8的位置上钻孔，钻孔孔径略小于抗滑桩8，而后利用沉桩加载仪将抗滑桩8依次、缓慢地压入相应位置以模拟钻孔灌注桩。

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 (6)

1.一种渗流应力降雨耦合边坡失稳土体位移可视化的试验装置和试验方法，其特征在于：该试验装置包括人工降雨系统、渗流系统以及模拟边坡；所述人工降雨系统由供水箱1、智能升降装置3和降雨板7组成；所述的渗流系统与透明模型箱16紧密相连，底部通过止水夹13与透明模型箱相通；所述透明模型箱13底部预留一定空间，预留空间上方铺设砾石层14，砾石层14上方放置具有一定倾斜面的饱和透明土体17模拟边坡，透明土边坡的破面上插入抗滑桩8；透明模型箱16的正前方安放高速工业相机12，透明模型箱的左侧或者右侧安放激光器15；利用激光器15打入透明土17边坡中形成散斑，通过高速工业相机12对散斑场进行连续拍摄，后借助计算机图像处理软件对所得的散斑场进行分析，从而实现对边坡渗流应力降雨耦合作用下土体内部连续变形的非嵌入式可视化测量。

2.根据权利要求1所述的一种渗流应力降雨耦合边坡失稳土体位移可视化的试验装置和试验方法，其特征在于：所述的降雨板7可通过智能升降装置3调节与透明模型箱16的垂直高度差。

3.根据权利要求1所述的一种渗流应力降雨耦合边坡失稳土体位移可视化的试验装置和试验方法，其特征在于：所述的抗滑桩8采用直径5mm-10mm的不锈钢钢棒。

4.根据权利要求1所述的一种渗流应力降雨耦合边坡失稳土体位移可视化的试验装置和试验方法，其特征在于：所述透明土17边坡的坡顶放置加载板9以保证荷载能均匀施加到透明土17边坡上。

5.根据权利要求1所述的一种渗流应力降雨耦合边坡失稳土体位移可视化的试验装置和试验方法，其特征在于：所述的渗流系统中包括渗流管11，渗流管11的侧面设由刻度表，可模拟渗透流体在不同渗透水头下对透明土17边坡的冲击。

6.根据权利要求1所述的一种渗流应力降雨耦合边坡失稳土体位移可视化的试验装置和试验方法，其特征在于：具体包括如下技术步骤：

①按试验的参数要求配置好相应的透明土17，并以一定的倾斜坡角放置于透明模型箱16中，将抗滑桩8依次缓慢打入坡面中；

②在供水箱1中注入与透明土17具有相同折射率的孔隙流体，通过智能升降装置3调整降雨板7至一定高度，打开水泵4和某一水位调节阀5，使供水箱1中的孔隙流体通过降雨板7散落到透明模型箱16中；

③在供水管11中注入与透明土17具有相同折射率的孔隙流体至设定水头高度并在试验过程中始终保持水头不变，打开止水夹13，使供水管11中的孔隙流体进入透明模型箱16中；

④打开激光器15并调整激光切面的角度，使其垂直射入透明土17边坡中，形成一个明亮的散斑场；

⑤打开高速工业相机12并调整其可视范围，使其能够涵括整个透明土17边坡的底部，相机保持自动拍照模式，并设置其以2幅/秒的频率采集图像并传送至计算机2；

⑥在透明土17边坡的加载板上缓慢添加砝码10，直至透明土边坡失稳破坏；

⑦透明土17边坡失稳破坏后，利用计算机处理软件PIV对所获得的图片进行分析，得到渗流应力降雨耦合作用下边坡土体变形的位移场。