CN110244026B - 滑坡模型试验系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种滑坡模型试验系统，包括滑坡模型箱，滑坡模型箱内设有作为试验对象的模型坡体，模型坡体上设有加载机构；加载机构包括置于模型坡体的上表面和滑坡模型箱的上盖板之间的柔性气囊，柔性气囊连接供压单元以通过所述供压单元改变柔性气囊的内部压力并通过柔性气囊的膨胀向模型坡体施加试验所需载荷；模型坡体内埋设有若干侧斜仪。本发明通过压力调节可大幅增加可模拟滑坡的坡高范围，并通过柔性气囊的结构方式实现对模型坡体载荷的柔性加载，当模型坡体失稳变形时，柔性气囊会实时地产生相应的变形，确保施加给模型坡体顶面的荷载值恒定不变，从而更真实有效地模拟重力荷载作用。

Description

滑坡模型试验系统

技术领域

本发明属于物理方法测量测试地面材料技术领域，具体涉及一种滑坡模型试验系统。

背景技术

滑坡会导致道路毁坏、房屋倒塌、形成堰塞湖等灾害，造成巨大的生命财产损失，是最主要的地质灾害之一。

采用加载滑坡模型试验是研究滑坡机理的有效方法。现有技术中也有相关研究，如CN103308663A、CN106885894A、CN107490668A、CN108279296A、CN207675761U、CN108918828A、CN109507390A，提供了对滑坡模型试验箱体结构、滑坡面结构、冻融滑坡等单体构件进行完善的信息；也有如CN1584542A、CN109208656A、CN207488288U、CN107807223A、CN105842418A、CN105510556A、CN102331489A，提供了采用各种检测器件对部分模拟环境进行对应监控测量的研究信息。但目前加载滑坡模型试验仍存有如下不足和缺点：

①采用在坡顶设置的刚性板上加载来模拟实际重力荷载作用，会导致载荷重新分布，存在模拟失真。由于在滑坡模拟试验中，刚性板不能随着模型坡体的变形而产生相应的变形，故会导致显著的荷载重分布，从而影响试验结果；为了避免模拟失真，目前部分加载方式控制复杂、费用高；

②模拟地下水水位或水压上限值受限于滑坡模型的高度，不能经济有效地模拟较大水压范围[0kPa～800kPa（水位下0m～80m处）]的地下水作用；

③不能模拟季节性冻融对坡体滑坡、对水作用下边坡或滑坡的失稳破坏的影响试验。

发明内容

针对现有技术的上述不足，本发明要解决的技术问题是提供一种滑坡模型试验系统，避免模拟重力荷载加载时存在荷载重分布而影响使用结果的问题，取得可进行有效模拟重力荷载、水作用和冻融作用下的滑坡模型试验的效果。

为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：

滑坡模型试验系统，包括滑坡模型箱，所述滑坡模型箱内设有作为试验对象的模型坡体，所述模型坡体上设有加载机构；所述加载机构包括置于模型坡体的上表面和滑坡模型箱的上盖板之间的柔性气囊，所述柔性气囊与供压单元连接以通过所述供压单元改变柔性气囊的内部压力并通过柔性气囊的膨胀向模型坡体施加试验所需载荷；所述模型坡体内埋设有若干侧斜仪。

进一步完善上述技术方案，所述柔性气囊与模型坡体的上表面之间设有一层砾石层；所述砾石层为铺设在模型坡体上表面的厚度3～5cm的匀质松散圆砾层，粒径2mm。

进一步地，还包括用于限制柔性气囊周向膨胀的竖向挡板以将柔性气囊膨胀时施加的载荷限制在模型坡体上表面的设计加载区域内，所述竖向挡板连接于滑坡模型箱，竖向挡板的下沿延伸至模型坡体的上表面。

进一步地，所述模型坡体堆砌在滑坡模型箱的底板上，所述模型坡体的一个侧面放坡为自由的斜坡面，所述模型坡体的其它侧面与滑坡模型箱的侧板相贴以便受限而堆砌成型并使模型坡体的垂直于斜坡面的截面呈直角梯形；所述竖向挡板沿斜坡面的上沿设置且斜坡面的上沿与竖向挡板之间具有水平间距；所述柔性气囊收缩在模型坡体的上表面、滑坡模型箱的侧板、上盖板以及竖向挡板所围设而成的封闭空间内以便膨胀时对模型坡体加载；所述柔性气囊的制造外形尺寸大于所述封闭空间以避免在膨胀加载的过程中其自身同时也在发生弹性变形而影响加载精度。

进一步地，所述竖向挡板包括重叠设置的第一竖板和第二竖板，第一竖板与滑坡模型箱固定连接，第二竖板相对第一竖板可竖向滑动连接以在柔性气囊竖向膨胀时可随模型坡体上表面的下沉而向下滑动从而保证其下沿能始终延伸至模型坡体的上表面，保证柔性气囊始终处于封闭空间内。所述第一竖板位于朝向柔性气囊的一侧，第二竖板位于远离柔性气囊的一侧，还包括可始终向第二竖板施加向下作用力的驱动单元以使第二竖板随模型坡体上表面下沉而向下滑动的机构动作更加可靠。

进一步地，所述滑坡模型箱内设有水作用模拟单元，所述水作用模拟单元包括设于模型坡体的侧面与滑坡模型箱的侧板之间的渗流箱，所述渗流箱的形状与模型坡体的相应侧面相对应，渗流箱朝向模型坡体一侧的板面上开设有若干渗水孔；渗流箱与模型坡体之间还夹设有石笼布水层，所述石笼布水层的形状也与模型坡体的相应侧面相对应并覆盖所有渗水孔；所述模型坡体内埋设有若干孔隙水压传感器。

进一步地，所述石笼布水层包括钢丝网笼，所述钢丝网笼的厚度为4～8cm，孔径为0.8～1.3mm，内部填充满粒径为1.5～3mm的砾石。所述渗流箱位于模型坡体的相对斜坡面的一侧。所述渗流箱连接位于滑坡模型箱外的储水箱，储水箱连接所述供压单元。所述渗流箱与滑坡模型箱为一体结构，渗流箱朝向模型坡体一侧的板面形成为滑坡模型箱对应侧的侧板。

进一步地，所述滑坡模型箱内设有冻融模拟单元，所述冻融模拟单元包括与斜坡面相对应且铺埋于斜坡面下的冷凝管网，所述冷凝管网通过其用于冷媒循环的出口和入口与滑坡模型箱外的热交换设备主体相连；斜坡面下埋设有若干温度传感器。

进一步地，所述滑坡模型箱的侧板为透明材质制成，滑坡模型箱外设有朝向斜坡面的变形监测记录仪以用于监测记录斜坡面表面的位置变化；所述斜坡面的表面设有标记点或标记线以便变形监测记录仪的捕捉。

进一步地，所述滑坡模型箱为中空的矩形箱体，所述供压单元位于滑坡模型箱外，通过管路与柔性气囊相连；所述供压单元为空压机，空压机连接气压控制器，气压控制器连接柔性气囊。

相比现有技术，本发明具有如下有益效果：

1、本发明通过气压调节可大幅增加可模拟滑坡的坡高范围（0-50m）,通过现有的普通空压机即可达到，并通过柔性气囊的结构方式实现对模型坡体载荷的柔性加载，当模型坡体失稳变形时，柔性气囊会实时地产生相应的变形，确保施加给模型坡体顶面的荷载值恒定不变，从而更真实有效地模拟重力荷载作用。

2、本发明通过柔性气囊与模型坡体之间的圆砾层产生相对滑移而变形来保证柔性气囊的有效变形，避免柔性气囊与模型坡体直接接触情况下，模型滑坡体失稳变形较大时，强大的摩阻力对柔性气囊的变形限制；提高了重力荷载的模拟效果。

3、本发明通过水作用模拟单元，可以模拟多种状态，如灌溉、降雨、地下水渗流等状态下的滑坡地质灾害机理，并且通过气压调控，可精确模拟较高水压作用下的滑坡地质灾害机理。

4、本发明结合冻融模拟单元，可有效开展模拟研究季节性冻融对地下水作用下滑坡地质灾害的影响试验。

5、本发明的模拟精度高，经济简便，各种状态模拟均可在较短时间内完成，较其他加载方式可节约成本90%以上。

附图说明

图1-具体实施例的滑坡模型试验系统的结构示意图；

图2-具体实施例中的滑坡模型箱的结构示意图；

图3-具体实施例中的滑坡模型箱的内部设置的结构示意图；

图4-具体实施例中的渗流箱的相关结构示意图；

图5-具体实施例中的竖向挡板的相关结构示意图；

图6-具体实施例的滑坡模型试验系统的试验设置示意图。

其中，模型坡体A，空压机1，气压控制器2，储水箱3，滑坡模型箱4，角钢框架4-1，上盖板4-2，增强连杆4-3，箱轮4-4，轮轴4-4-A，数据线孔4-5，侧立板4-6，盖板滑槽4-7，底板4-8，数据采集仪5，热交换器6，变形记录仪7，渗流箱8，渗流箱入口8-1，砾石层8-2，渗水孔8-3，钢丝网8-4，冷凝管9，冷凝管入口9-1，冷凝管出口9-2，柔性气囊10，气囊入口10-1，圆砾层10-2，竖向挡板11，挡板滑槽11-1，固定挡板11-2，滑动挡板11-3，助力弹簧11-4，导向杆11-5，导向孔11-6，温度传感器12，测斜仪13，孔隙水压传感器14。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的详细说明。

参见图1-6，具体实施例的滑坡模型试验系统，包括中空矩形的滑坡模型箱4，所述滑坡模型箱内设有作为试验对象的模型坡体A，所述模型坡体A上设有加载机构；所述加载机构包括置于模型坡体A的上表面和滑坡模型箱4的上盖板4-2之间的柔性气囊10，所述柔性气囊10连接供压单元以通过所述供压单元改变柔性气囊10的内部压力并通过柔性气囊10的膨胀向模型坡体A施加试验所需载荷；所述模型坡体内埋设有若干侧斜仪13（也称深部位移计、位移传感器）。

为便于理解，下面从加载机构、水作用模拟单元、冻融模拟单元、试验监测单元、滑坡模型箱五个方面来介绍本滑坡模型试验系统的结构组成、连接关系和工作原理。

加载机构的结构组成与连接关系。

空压机1与气压控制器2的气压控制器入口之间通过耐高压塑料管连接，气压控制器2的气压控制器出口与柔性气囊10的气囊入口10-1之间通过耐高压塑料管连接；柔性气囊10置于圆砾层10-2、渗流箱8、滑坡模型箱4的上盖板4-2、竖向挡板11和两侧立板4-6所构成的封闭空间中；其中圆砾层10松散地平铺于模型坡体A的顶部。

工作时，由空压机1提供高达800kPa的气压，并通过满量程误差为0.25%的气压控制器2将气压调控为试验设计荷载值，调控好的气压由气囊入口10-1进入柔性气囊10，由于柔性气囊10置于圆砾层10-2、渗流箱8、上盖板4-2、竖向挡板11和两侧立板4-6所构成的封闭空间中，因此能通过柔性气囊10的膨胀将其中的气压竖直地施加给圆砾层10-2，再由圆砾层10-2加载到模型坡体A顶部，从而实现柔性加载。由于柔性气囊是及其柔软的，当模型坡体A失稳变形时，柔性气囊会实时地产生相应的变形，确保施加给模型坡体A顶部的荷载值恒定不变，从而更真实有效地模拟重力荷载作用。此外，由于柔性气囊10的气压很大，若柔性气囊10直接与模型坡体A顶部接触，两者之间的摩阻力很大，在模型坡体A失稳变形较大时，强大的摩阻力会限制柔性气囊10变形，从而影响重力荷载的模拟效果，而在模型坡体A顶部与柔性气囊10之间平铺一层3～5cm厚、粒径为2mm的匀质松散圆砾层，由于匀质松散圆砾间的摩阻力小，当模型坡体A发生变形时，圆砾层10-2中的圆砾极易产生相对滑移而变形，从而有效协调模型坡体A大变形下柔性气囊10的变形，提高重力荷载的模拟效果。

水作用模拟单元的结构组成与连接关系。

气压控制器2的气压控制器出口还与储水箱3的入口之间通过耐高压塑料管连接，储水箱3的出口与渗流箱8的渗流箱入口8-1之间通过耐高压塑料管连接；渗流箱8内板上均匀地设置孔径为1cm的渗水孔8-3，在渗流箱8内板与模型坡体A间设置有间距为5cm的两层钢丝网8-4，钢丝网孔径为1mm，两层钢丝网之间填充粒径为1.5～3mm的砾石，形成砾石层8-2。

工作时，由空压机1提供高达800kPa的气压，并通过满量程误差为0.25%的气压控制器2将气压调控为试验设计的水压，调控好气压的空气由入口进入储水箱3将储水箱3中的水经渗流箱入口8-1压入渗流箱8中，渗流箱8中的具有设计水压的水通过渗水孔8-3进入具有两层钢丝网8-4约束的砾石层8-2中，砾石层8-2可将各渗水孔8-3的点源水压调整为整个砾石层面内的面源水压，然后再渗流入模型坡体A中，这样可以更真实模拟实际工程中地下水渗流的效果。此外，由于气压控制器2可实现0～800kPa范围内不同变化速率或恒定值气压的控制，从而可以很好地模拟水位下0～80m范围内的滑坡（边坡）体在不同水位升降速率或恒定水位下坡体中的渗流。

冻融模拟单元的结构组成与连接关系。

热交换器出口与冷凝管入口9-1之间通过塑料软管连接，冷凝管出口9-2与热交换器入口之间通过塑料软管连接；铺设成面层网状的冷凝管9浅埋于模型坡体A的斜坡面。

工作时，热交换器6可实现—15℃～30℃范围的温度控制，试验时利用热交换器6将冷凝液温度控制为试验设计值，然后通过热交换器出口输出，并经冷凝管入口9-1进入浅埋于模型坡体A斜坡面的冷凝管9中，冷凝管为高导热材料，能有效地让冷凝液与模型坡体A斜坡面进行热量交换，热量交换后的冷凝液经冷凝管出口9-2流出，再经热交换器入口流回到热交换器6中，如此冷凝液不停地循环，实现模型坡体A斜坡面（凌空面）的冻融模拟。

试验检测单元的结构组成与连接关系。

温度传感器12由温度传感器数据线经滑坡模型箱4顶部的数据线孔4-5穿出后与数据采集仪5连接；孔隙水压力传感器14由孔隙水压力传感器数据线经数据线孔4-5穿出后与数据采集仪5连接；测斜仪13由测斜仪数据线经数据线孔4-5穿出后与数据采集仪5连接；变形记录仪7置于滑坡模型箱4的正前方2m左右处，变形记录仪7包括激光扫描仪、高速摄像机，并通过螺栓固定在脚架上。

冻融监测：温度传感器12按不同的埋置深度沿模型坡体A斜坡面布设多排，以实时监测冻融循环过程中模型坡体A斜坡面温度和冻深的变化规律，并由数据采集仪5记录存储相关监测数据。

模型坡体内变形监测：测斜仪13底部固接在滑坡模型箱4的底板上表面，竖直向上地埋设在模型坡体A中，试验过程中随着模型坡体A的变形，测斜仪会发生相应的倾斜，且倾斜的角度沿着埋深变化，因此可以通过测定不同埋深处测斜仪的倾斜角度计算出模型坡体A相应位置的变形，并由数据采集仪5记录存储相关监测数据。

模型坡体斜坡面变形监测：在模型坡体A斜坡面上根据高度的不同布设多排多列标记点，通过置于滑坡模型箱4正前面的变形记录仪7的激光扫描仪和高速摄像机实时监测记录各标记点的位置变化规律，从而实现模型坡体A斜坡面的变形监测。

孔隙水压力监测：孔隙水压力传感器14从滑坡模型箱4底部向上每间隔一定距离布设一排，如此布设多排孔隙水压力传感器14，以实时监测模型坡体A不同水平位置、不同埋深处孔隙水压力的变化规律，并由数据采集仪5记录存储相关监测数据。

滑坡模型箱的结构组成与连接关系。

滑坡模型箱由底板4-8、左右的侧立板4-6、后部的渗流箱8和前端板可以不设置密封连接组成，且均为透明有机玻璃板材质，各面交界的棱边外侧均用角钢进行加固，各加固角钢间相互固接形成滑坡模型箱的角钢框架4-1，在两侧立板4-6顶部的角钢内侧分别固接一个盖板滑槽4-7，上盖板4-2通过盖板滑槽4-7与滑坡模型箱4滑嵌连接；在上盖板4-2之上设置了两根增强连杆4-3，增强连杆4-3与两侧立板4-6顶部的角钢螺栓连接以在重力加载时保证结构强度。竖向挡板11通过两侧的挡板滑槽11-1密封连接在两侧立板4-6上部的内壁上，距模型坡体A斜坡面顶部边缘2-3cm，竖向挡板11由固定挡板11-2和滑动挡板11-3组成，固定挡板11-2位于滑动挡板11-3的内侧，并与挡板滑槽11-1相嵌密封连接；滑动挡板11-3通过其两侧的导向孔11-6与挡板滑槽11-1内的导向杆11-5嵌套连接；助力弹簧11-4位于滑动挡板11-3之上并与导向杆11-5嵌套连接以始终向滑动挡板11-3施加向下作用力使滑动挡板11-3可随模型坡体A下沉而向下滑动。底板4-8两侧角钢之下垂直向设置有两根轮轴4-4-A，两轮轴4-4-A与底板4-8两侧角钢通过滚轴连接，两轮轴4-4-A的两端分别固接一个箱轮4-4。渗流箱8内板外侧的双层钢丝网8-4，其两侧和底部分别与两侧立板4-6内壁、底板4-8连接，双层钢丝网8-4的顶面相互连接以形成用于装填碎石的笼状。

滑坡模型箱4采用透明有机玻璃板材质，有利于清晰直观的观察试验是过程中模型坡体A的开裂、地下水浸润线等试验现象；上盖板4-2通过盖板滑槽4-7与滑坡模型箱4滑嵌连接，可以方便上盖板4-2拆装；滑坡模型箱中的竖向挡板11为柔性加载的柔性气囊提供一个封闭空间，并且在试验过程中，当模型坡体A向下变形时，竖向挡板11的滑动挡板11-3可以向下做相应的变形，以确保柔性加载柔性气囊的封闭空间。滑坡模型箱4底部安装箱轮4-4，可以方便滑坡模型箱4的位置调整。

实施时，在冻融作用模拟时，可模型坡体A的斜坡面上铺设保温材料，这样可以使冻融模拟效率明显提高，一般可缩短冷冻时间4h以上。模型坡体A制作时，应将模型坡体A顶面一侧的斜坡面的上沿超出竖向挡板11以外2-3cm或更多，以确保模型坡体A在滑坡破坏过程中不会因竖向挡板11太靠近斜坡面而在变形过程中置于斜坡面上，导致柔性气囊10变形对斜坡面产生压力而产生试验误差。

本试验系统能清晰观察或监测地下水浸润线、地下孔隙水压力变化规律、滑坡体失稳破坏的变形规律和裂缝发育过程；加载精度可达到0.1kPa以上，能模拟80m高的水压差下的地下水渗流，控制精度可达0.15kPa以上，可智能化控制水压和加载，均可在10min内可完成，较其他加载方式可节约成本90%以上。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施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宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (7)

1.滑坡模型试验系统，包括滑坡模型箱，所述滑坡模型箱内设有模型坡体，所述模型坡体上设有加载机构；其特征在于：所述加载机构包括置于模型坡体的上表面和滑坡模型箱的上盖板之间的柔性气囊，所述柔性气囊连接供压单元以通过柔性气囊的膨胀向模型坡体施加试验所需载荷；所述模型坡体内埋设有若干侧斜仪；

还包括用于限制柔性气囊周向膨胀的竖向挡板以将柔性气囊膨胀时施加的载荷限制在模型坡体上表面的设计加载区域内，所述竖向挡板连接于滑坡模型箱，竖向挡板的下沿延伸至模型坡体的上表面；

所述模型坡体堆砌在滑坡模型箱的底板上，所述模型坡体的一个侧面放坡为自由的斜坡面，所述模型坡体的其它侧面与滑坡模型箱的侧板相贴以便受限而堆砌成型并使模型坡体的垂直于斜坡面的截面呈直角梯形；所述竖向挡板沿斜坡面的上沿设置且斜坡面的上沿与竖向挡板之间具有水平间距；所述柔性气囊收缩在模型坡体的上表面、滑坡模型箱的侧板、上盖板以及竖向挡板所围设而成的空间内以便膨胀时对模型坡体加载；所述柔性气囊的制造外形尺寸大于所述空间以避免在膨胀加载的过程中其自身同时也在发生弹性变形而影响加载精度；

所述竖向挡板包括重叠设置的第一竖板和第二竖板，第一竖板与滑坡模型箱固定连接，第二竖板相对第一竖板可竖向滑动连接以可随模型坡体上表面的下沉而向下滑动从而保证其下沿能始终延伸至模型坡体的上表面；所述第一竖板位于朝向柔性气囊的一侧，第二竖板位于远离柔性气囊的一侧，还包括可向第二竖板施加向下作用力的驱动单元以使第二竖板随模型坡体上表面下沉而向下滑动的机构动作更加可靠；

所述柔性气囊与模型坡体之间设有一层圆砾层。

2.根据权利要求1所述滑坡模型试验系统，其特征在于：所述圆砾层由若干粒径2mm的砾石在模型坡体的上表面铺设而成，铺设厚度3～5cm。

3.根据权利要求1所述滑坡模型试验系统，其特征在于：所述滑坡模型箱内设有水作用模拟单元，所述水作用模拟单元包括设于模型坡体的侧面与滑坡模型箱的侧板之间的渗流箱，所述渗流箱的形状与模型坡体的侧面相对应，渗流箱朝向模型坡体一侧的板面上开设有若干渗水孔；渗流箱与模型坡体之间还夹设有石笼布水层，所述石笼布水层的形状也与模型坡体的侧面相对应并覆盖所有渗水孔；所述模型坡体内埋设有若干孔隙水压传感器。

4.根据权利要求3所述滑坡模型试验系统，其特征在于：所述石笼布水层包括钢丝网笼，所述钢丝网笼的孔径为0.8～1.3mm，内部填充满粒径为1.5～3mm的砾石，总厚度4～8cm；所述渗流箱位于模型坡体的斜坡面相对侧；所述渗流箱与滑坡模型箱为一体结构，渗流箱朝向模型坡体一侧的板面形成为滑坡模型箱对应侧的侧板；所述渗流箱连接位于滑坡模型箱外的储水箱，储水箱连接所述供压单元。

5.根据权利要求3所述滑坡模型试验系统，其特征在于：所述滑坡模型箱内还设有冻融模拟单元，所述冻融模拟单元包括与斜坡面相对应且铺埋于斜坡面下的冷凝管网，所述冷凝管网通过其用于冷媒循环的出口和入口与滑坡模型箱外的热交换设备主体相连；斜坡面下埋设有若干温度传感器。

6.根据权利要求1所述滑坡模型试验系统，其特征在于：所述滑坡模型箱的侧板为透明材质制成，滑坡模型箱外设有朝向斜坡面的变形记录仪以用于记录斜坡面表面的位置变化；所述斜坡面的表面设有标记点或标记线以便变形记录仪的捕捉。

7.根据权利要求1-6任一项所述滑坡模型试验系统，其特征在于：所述滑坡模型箱为中空的矩形箱体，所述供压单元位于滑坡模型箱外，通过管路与柔性气囊相连；所述供压单元为空压机，空压机连接气压控制器，气压控制器连接柔性气囊。

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