CN110208492B - 滑坡内外部位移和含水量模拟试验测量装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种滑坡内外部位移和含水量模拟试验测量装置及方法，属于滑坡土体数据测量技术领域。其技术方案为：一种滑坡内外部位移和含水量模拟试验测量装置，包括设有控制器的有机玻璃试验箱，设置在所述有机玻璃试验箱顶部的支撑架和喷水机构，在所述支撑架上设置探头部分。本发明的有益效果为：本发明解决了土体滑坡时位移测量的难题，探头部分可在横向和竖向范围内任意移动，测得滑坡表面和靠近表面的内部任意点的位移量，具有较高的灵活性和较好的操作性，避免了对滑坡模型的干扰，是在滑坡表面变形监测中应用的创新；能够精确测量滑坡土体内外部位移和含水量的装置，从而反映不同降雨条件下滑坡土体的内部位移量和含水量。

Description

滑坡内外部位移和含水量模拟试验测量装置及方法

技术领域

本发明涉及滑坡土体数据测量技术领域，尤其涉及一种滑坡内外部位移和含水量模拟试验测量装置。

背景技术

在我国发生的各类自然灾害中，滑坡已成为仅次于地震的第二大地质灾害。大量滑坡实例表明，降雨是触发滑坡、泥石流、山洪等严重地质灾害的主要诱因。随着雨水的渗入，地下水位抬升，滑坡土体饱和度逐渐增加，孔隙水压力明显上升，对应的基质吸力不断降低，进而引起土体及潜在破裂面抗剪强度下降，当降雨强度和持时达到一定程度时，便会导致滑坡失稳。

滑坡模型试验研究具有边界条件多样、操作简便、重现性强等优点，已成为降雨诱发滑坡机理研究的常用手段。目前，现有研究在工程实例中滑坡土体位移，在滑坡中下部布置直径为80-150mm的孔，埋设仪器进行监测，缺点是孔大，会大大影响模拟实验的效果，在模拟实验中，由于土体已按比例进行缩放，若将监测仪器埋入测点进行测量，不仅影响土体整体刚度，也影响渗流和渗流路径，对实验结果的可靠性造成剧烈影响；利用光栅进行滑坡位移测量，则会有成本上的大大增加。因此一种能够从外部悬挂进行位移测量，既避免对土体刚度和渗流造成影响，也尽量降低成本和操作难度，得到准确的实验数据的模拟试验测量装置显得尤为重要。

如何解决上述技术问题为本发明面临的课题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种滑坡内外部位移和含水量模拟试验测量装置及方法。

本发明是通过如下措施实现的：一种滑坡内外部位移和含水量模拟试验测量装置，包括设有控制器的有机玻璃试验箱，设置在所述有机玻璃试验箱顶部的支撑架和喷水机构，其中，在所述支撑架上设置探头部分，所述探头部分由一端连接在于所述支撑架的倾斜杆上的摆杆一，与所述摆动杆一另一端转动连接的摆杆二，分别设置在所述摆杆一和所述摆杆二上的位移传感器一和位移传感器二，将所述支撑架与所述摆杆二活动连接的倾斜角测量结构，以及设置在所述摆杆二自由端部的定位元件，所述定位元件上设有水量传感器；所述位移传感器一、位移传感器二和水量传感器的输出端通过信号线连接于所述控制器的控制端。

作为本发明的一种滑坡内外部位移和含水量模拟试验测量装置进一步的优化方案，其特征在于，所述倾斜角测量结构包括设置在所述有机玻璃试验箱外侧面的减速电机，中心转轴与所述减速电机输出轴同轴的旋转限位盘，位于所述旋转限位盘一侧，设置在所述限位转盘的中心转轴上的旋转件，位于所述旋转件一侧的齿轮组件，跨接在所述旋转件和所述齿轮组件之间的连动件。

作为本发明的一种滑坡内外部位移和含水量模拟试验测量装置进一步的优化方案，所述旋转限位盘的圆周上设置环形套，所述环形套的内侧面等间距开设若干个限位槽口。

作为本发明的一种滑坡内外部位移和含水量模拟试验测量装置进一步的优化方案，所述旋转件包括旋转板，分别铰接在所述旋转板两端的限位棘爪，所述限位棘爪的自由端部与所述限位槽口相配合，以及连接在所述旋转板一侧面上的主动齿轮。

作为本发明的一种滑坡内外部位移和含水量模拟试验测量装置进一步的优化方案，所述连动件包括一端铰接在所述旋转限位盘的中心转轴上的联动杆，连接在所述联动杆上的弓形导向件，所述弓形导向件的内侧面上均匀开设置若干个齿槽；所述联动杆驱动杆与所述摆杆二连接；

所述连动件还包括设置在所述联动杆一端上，且与所述限位转盘中心转轴同轴的驱动齿轮。

作为本发明的一种滑坡内外部位移和含水量模拟试验测量装置进一步的优化方案，所述齿轮组件包括与所述主动齿轮相啮合的从动齿轮，与所述从动齿轮同轴的从动齿轮I，所述从动齿轮I与所述弓形导向件的内侧面上的所述齿槽相靠接。

作为本发明的一种滑坡内外部位移和含水量模拟试验测量装置进一步的优化方案，所述定位元件包括设置在所述驱动杆下方的所述摆杆二端部的玻璃凹槽，分别铰接在所述玻璃凹槽两侧板上的限位钉组成。

为了更好的实现上述发明目的，本发明还提供了一种滑坡内外部位移和含水量模拟试验测量装置的方法，包括以下步骤：

(1)将现场开挖的粘土在恒温烘箱中烘干，按照原状土级配、初始含水量制备土样；

(2)在装土体之前，选取所需测量点的位置，在有机玻璃试验箱内壁均匀涂抹凡士林，将制备好的土样按照原状样密度装入有机玻璃试验箱的箱内；

(3)在制备好的土样表面测点放置定位元件，压实周围土体，将水量传感器安置在定位元件包括设置在所述驱动杆下方的所述摆杆二端部的玻璃凹槽内，位移传感器一和位移传感器二的数值调至零，通过倾斜角测量结构测量此时位移传感器二所在的所述摆杆二的倾角，记为α；

(4)模拟降雨，间隔10s读取位移传感器一和位移传感器二上形变值，通过信号线输入控制器，直至滑坡发生滑坡破坏；

(5)将初始水平射线顺时针旋转α，使得极坐标和位移传感器二倾斜角一致，以倾斜射线作为极坐标轴，创建极坐标系，将坐标为(ρ，γ)的点标记在坐标系中，点集进行拟合，所得图像即被测点位移曲线。

(6)直接读取含水量数据并根据时间作出图表。

进一步地，通过所述位移传感器一和位移传感器二的变形位移信号计算出测点处相对于原始位置而的转角和线性变化，点集进行拟合，获得该侧点在间隔10s内所产生的位移曲线；

极角坐标公式为：

极径坐标公式为：ρ＝z-y (2)

其中，x是位移传感器一的形变值；

γ是位移传感器一的转动角度；

z是轴心O到测点处的长度；

y是位移传感器一的形变值；

ρ为测点距离所述摆动杆一与所述摆杆二转动连接处的轴心O变化后的长度；其中，长度单位均为cm，角度单位为rad。

进一步地，所述水量传感器位于所述玻璃凹槽内，所述水量传感器预埋到需要测点处，将周围土压实，操作上述步骤(4)和(5)。

本发明的有益效果为：本发明通过模拟不同降水量条件下室内测量滑坡内外部位移和含水量，能精确测量内外部土体位移，并且可在多工况条件下测量，受环境影响小；原理明确、结构简单、操作便利、监测快捷、可多次利用、试验容错率高；刚度小，在测定内部位移时不会显著改变其刚度；仪器小，便携并且成本低；解决了土体滑坡时位移测量的难题，探头部分可在横向和竖向范围内任意移动，测得滑坡表面和靠近表面的内部任意点的位移量，具有较高的灵活性和较好的操作性，避免了对滑坡模型的干扰，是在滑坡表面变形监测中应用的创新；能够精确测量滑坡土体内外部位移和含水量的装置，从而反映不同降雨条件下滑坡土体的内部位移量和含水量。

附图说明

图1为本发明实施例的整体结构示意图。

图2为本发明实施例的整体结构示意图。

图3为图2中A区局部放大结构示意图。

图4为本发明实施例中动力机构的结构示意图。

图5为本发明实施例中旋转件的结构示意图。

图6为本发明实施例中齿轮组件的结构示意图。

图7为本发明实施例中连动件的结构示意图。

图8为本发明实施例中W1-W4测点位移变化过程图。

图9为本发明实施例中W1测点位移变化速率变化过程图。

其中，附图标记为：1、有机玻璃试验箱；2、支撑架；3、摆杆一；4、摆杆二；30、位移传感器一；40、位移传感器二；5、倾斜角测量结构；50、旋转限位盘；500、环形套；501、限位槽口；51、旋转件；510、旋转板；5100、限位棘爪；511、主动齿轮；52、齿轮组件；520、从动齿轮；521、从动齿轮I；53、连动件；530、联动杆；5300、弓形导向件；5301、驱动齿轮；6、定位元件；7、水量传感器；8、驱动杆。

具体实施方式

为能清楚说明本方案的技术特点，下面通过具体实施方式，对本方案进行阐述。

参见图1至图9，本发明是：一种滑坡内外部位移和含水量模拟试验测量装置，包括设有控制器的有机玻璃试验箱1，设置在有机玻璃试验箱1顶部的支撑架2和喷水机构，其中，在支撑架2上设置探头部分，探头部分由一端连接在于支撑架2的倾斜杆上的摆杆一3，与摆动杆一3另一端转动连接的摆杆二4，分别设置在摆杆一3和摆杆二4上的位移传感器一30和位移传感器二40，将支撑架2与摆杆二4活动连接的倾斜角测量结构5，以及设置在摆杆二4自由端部的定位元件6，定位元件6上设有水量传感器7；位移传感器一30、位移传感器二40和水量传感器7的输出端通过信号线连接于控制器的控制端。

作为本发明的一种滑坡内外部位移和含水量模拟试验测量装置进一步的优化方案，其特征在于，倾斜角测量结构5包括设置在有机玻璃试验箱1外侧面的减速电机，中心转轴与减速电机输出轴同轴的旋转限位盘50，位于旋转限位盘50一侧，设置在限位转盘50的中心转轴上的旋转件51，位于旋转件51一侧的齿轮组件52，跨接在旋转件51和齿轮组件52之间的连动件53。

作为本发明的一种滑坡内外部位移和含水量模拟试验测量装置进一步的优化方案，旋转限位盘50的圆周上设置环形套500，环形套500的内侧面等间距开设若干个限位槽口501。

作为本发明的一种滑坡内外部位移和含水量模拟试验测量装置进一步的优化方案，旋转件51包括旋转板510，分别铰接在旋转板510两端的限位棘爪5100，限位棘爪5100的自由端部与限位槽口501相配合，以及连接在旋转板510一侧面上的主动齿轮511。

作为本发明的一种滑坡内外部位移和含水量模拟试验测量装置进一步的优化方案，连动件53包括一端铰接在旋转限位盘50的中心转轴上的联动杆530，连接在联动杆530上的弓形导向件5300，弓形导向件5300的内侧面上均匀开设置若干个齿槽；联动杆530驱动杆8与摆杆二4连接；

连动件53还包括设置在联动杆530一端上，且与限位转盘50中心转轴同轴的驱动齿轮5301。

作为本发明的一种滑坡内外部位移和含水量模拟试验测量装置进一步的优化方案，齿轮组件52包括与主动齿轮511相啮合的从动齿轮520，与从动齿轮520同轴的从动齿轮I521，从动齿轮I 521与弓形导向件5300的内侧面上的齿槽相靠接。

作为本发明的一种滑坡内外部位移和含水量模拟试验测量装置进一步的优化方案，定位元件6包括设置在驱动杆8下方的摆杆二4端部的玻璃凹槽，分别铰接在玻璃凹槽60两侧板上的限位钉组成。

为了更好的实现上述发明目的，本发明还提供了一种滑坡内外部位移和含水量模拟试验测量装置的方法，包括以下步骤：

(1)将现场开挖的粘土在恒温烘箱中烘干，按照原状土级配、初始含水量制备土样；

(2)在装土体之前，选取所需测量点的位置，在有机玻璃试验箱1内壁均匀涂抹凡士林，将制备好的土样按照原状样密度装入有机玻璃试验箱1的箱内；

(3)在制备好的土样表面测点放置定位元件6，压实周围土体，将水量传感器7安置在定位元件6包括设置在驱动杆8下方的摆杆二4端部的玻璃凹槽内，位移传感器一30和位移传感器二40的数值调至零，通过倾斜角测量结构5测量此时位移传感器二40所在的摆杆二4的倾角，记为α；

(4)模拟降雨，间隔10s读取位移传感器一30和位移传感器二40上形变值，通过信号线输入控制器，直至滑坡发生滑坡破坏；

(5)将初始水平射线顺时针旋转α，使得极坐标和位移传感器二40倾斜角一致，以倾斜射线作为极坐标轴，创建极坐标系，将坐标为(ρ，γ)的点标记在坐标系中，点集进行拟合，所得图像即被测点位移曲线。

(6)直接读取含水量数据并根据时间作出图表。

进一步地，通过位移传感器一30和位移传感器二40的变形位移信号计算出测点处相对于原始位置而的转角和线性变化，点集进行拟合，获得该侧点在间隔10s内所产生的位移曲线；

极角坐标公式为：

极径坐标公式为：ρ＝z-y (2)

其中，x是位移传感器一30的形变值；

γ是位移传感器一40的转动角度；

z是轴心O到测点处的长度；

y是位移传感器一40的形变值；

ρ为测点距离摆动杆一3与摆杆二4转动连接处的轴心O变化后的长度；其中，长度单位均为cm，角度单位为rad。

进一步地，水量传感器7位于玻璃凹槽60内，水量传感器7预埋到需要测点处，将周围土压实，操作上述步骤(4)和(5)。

采用本发明的一种滑坡内外部位移和含水量模拟试验测量装置进行降雨作用下边坡滑坡模型试验，此实验在土坡中布置四支位移传感器W1-W4，每隔10min采集一次数据，本次模型试验共进行6次人工降雨，2016年12月1日进行第一次降雨，降雨强度为65mm/h，历时30min，3h后进行第二次降雨，降雨强度为80mm/h，历时30min；23.5h进行第三次降雨，降雨强度为65mm/h，历时30min，4h后进行第四次降雨，降雨强度为65mm/h，历时30min；为让雨水充分入渗土坡，于95.3h进行第五次降雨，降雨强度为80mm/h，历时50min；119.5h进行第六次降雨，降雨强度为110mm/h，历时60min后发生滑坡。

四支位移传感器W1-W4位移读数初始值均为0mm，降雨作用下该边坡发展为滑坡的过程中，得出W1-W4测点位移及W1变化速率变化过程图，分别参见图8和图9，各位移计测点位移方向正负规定如下：W1测点以下沉为正，上升为负，W2-W4测点均以背离坡体为正，以指向坡体为负。

本发明未经描述的技术特征可以通过或采用现有技术实现，在此不再赘述，当然，上述说明并非是对本发明的限制，本发明也并不仅限于上述举例，本技术领域的普通技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也应属于本发明的保护范围。

Claims (1)

1.一种滑坡内外部位移和含水量模拟试验测量装置，包括设有控制器的有机玻璃试验箱(1)，设置在所述有机玻璃试验箱(1)顶部的支撑架(2)和喷水机构，其特征在于，在所述支撑架(2)上设置探头部分，所述探头部分由一端连接在于所述支撑架(2)的倾斜杆上的摆杆一(3)，与所述摆杆一(3)另一端转动连接的摆杆二(4)，分别设置在所述摆杆一(3)和所述摆杆二(4)上的位移传感器一(30)和位移传感器二(40)，将所述支撑架(2)与所述摆杆二(4)活动连接的倾斜角测量结构(5)，以及设置在所述摆杆二(4)自由端部的定位元件(6)，所述定位元件(6)上设有水量传感器(7)；所述位移传感器一(30)、位移传感器二(40)和水量传感器(7)的输出端通过信号线连接于所述控制器的控制端；

所述倾斜角测量结构(5)包括设置在所述有机玻璃试验箱(1)外侧面的减速电机，中心转轴与所述减速电机输出轴同轴的旋转限位盘(50)，位于所述旋转限位盘(50)一侧，设置在所述旋转限位盘(50)的中心转轴上的旋转件(51)，位于所述旋转件(51)一侧的齿轮组件(52)，跨接在所述旋转件(51)和所述齿轮组件(52)之间的连动件(53)；

所述旋转限位盘(50)的圆周上设置环形套(500)，所述环形套(500)的内侧面等间距开设若干个限位槽口(501)；

所述旋转件(51)包括旋转板(510)，分别铰接在所述旋转板(510)两端的限位棘爪(5100)，所述限位棘爪(5100)的自由端部与所述限位槽口(501)相配合，以及连接在所述旋转板(510)一侧面上的主动齿轮(511)；

所述连动件(53)包括一端铰接在所述旋转限位盘(50)的中心转轴上的联动杆(530)，连接在所述联动杆(530)上的弓形导向件(5300)，所述弓形导向件(5300)的内侧面上均匀开设置若干个齿槽；所述联动杆(530)通过驱动杆(8)与所述摆杆二(4)连接；

所述连动件(53)还包括设置在所述联动杆(530)一端上，且与所述旋转限位盘(50)中心转轴同轴的驱动齿轮(5301)；所述齿轮组件(52)包括与所述主动齿轮(511)相啮合的从动齿轮(520)，与所述从动齿轮(520)同轴的从动齿轮I(521)，所述从动齿轮I(521)与所述弓形导向件(5300)的内侧面上的所述齿槽相靠接；

所述定位元件(6)包括设置在所述驱动杆(8)下方的所述摆杆二(4)端部的玻璃凹槽，分别铰接在所述玻璃凹槽(60)两侧板上的限位钉组成。

Images