CN110441496A - 一种测试滑坡稳定性的物理模型试验装置及测试方法 - Google Patents

一种测试滑坡稳定性的物理模型试验装置及测试方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种测试滑坡稳定性的物理模型试验装置及测试方法，该试验装置包括试验槽，试验槽内堆砌滑床、滑带和滑体，且其内部设有激光测距仪、用于测量并记录滑坡破坏过程中滑体的位移变化量；还包括孔隙水压力加载系统、以及埋置在滑带中的孔隙水压力测量系统和用于实现滑坡孔隙水压力变化的孔隙水压力分布系统，孔隙水压力加载系统与孔隙水压力分布系统连接。测试滑坡稳定性的方法包括如下步骤：在试验槽内堆砌滑坡物理模型，调节孔隙水压力加载系统的水压值至预设值p0，向滑带内加载水压，直至滑带内孔隙水压力与预设值达到一致并维持；逐级增大水压加载值直至滑坡物理模型破坏；通过计算滑坡安全富裕度值定量评价滑坡稳定性。

Description

一种测试滑坡稳定性的物理模型试验装置及测试方法
技术领域
本发明涉及一种物理模型试验装置，特别涉及一种测试滑坡稳定性的物理模型试验装置及测试方法，属于地质灾害模型试验领域。
背景技术
水是导致滑坡失稳的重要因素，水通过入渗在滑坡内集聚，导致滑坡内孔隙水压力增大，减小滑坡的抗剪强度，导致滑坡的发生。因此研究孔隙水压力变化对滑坡稳定性的影响是至关重要的。
室内物理模型试验是研究滑坡发生机理的一种有效手段。目前很多学者通过降雨或者库水位变动来实现滑坡孔隙水压力的变化，其缺点主要有以下几个方面：一是滑带内孔隙水压力变化梯度小；二是坡体渗透系数小，水从坡体入渗到滑带需要的时间较长；三是滑带孔隙水压力的大小不可控，且对于稳定性较好的滑坡很难得到激发滑坡破坏时所需要的孔隙水压力的大小。
因此，目前缺乏一种精确、可快速控制孔隙水压力变化的滑坡稳定性模型试验装置及测试方法。
发明内容
发明目的：针对现有滑坡稳定性模拟试验过程中存在的孔隙水压力变化梯度小、变化缓慢、水压力大小不可控等问题，本发明提供一种测试滑坡稳定性的物理模型试验装置，并提供一种利用该试验装置测试滑坡稳定性的方法，测试滑坡在不同孔隙水压力情况下的稳定性情况。
技术方案：本发明所述的一种测试滑坡稳定性的物理模型试验装置，本装置通过直接增大滑坡内孔隙水压力的加载方式来测试滑坡稳定性，包括试验槽，试验槽内堆砌滑坡物理模型，该物理模型自下而上包括滑床、滑带和滑体，且试验槽内部设有激光测距仪、用于测量并记录滑坡破坏过程中滑体的位移变化量；还包括孔隙水压力加载系统、孔隙水压力测量系统以及用于实现滑坡孔隙水压力变化的孔隙水压力分布系统，其中，孔隙水压力加载系统与孔隙水压力分布系统连接，孔隙水压力分布系统和孔隙水压力测量系统埋置在滑带中。
优选的，孔隙水压力加载系统包括相互连接的压力泵和水箱，该水箱上设有用于监测水压的高精压力表；孔隙水压力分布系统包括喷头，该喷头与水箱连通，且两者的连通管路上设置有阀门；孔隙水压力测量系统包括孔隙水压力传感器以及与其连接的数据采集仪。
较优的，滑带内沿坡顶到坡底均匀布设有若干个喷头，每个喷头均通过水管与水箱连通。其中，喷头的数量、间距及位置的设置满足如下条件：滑坡内各处孔隙水压力变化幅度相近。
更优的，滑带内沿坡顶至坡底均匀布设有若干个孔隙水压力传感器，每个孔隙水压力传感器均与数据采集仪连接。
本发明所述的采用上述物理模型试验装置测试滑坡稳定性的方法，包括如下步骤：
步骤1，根据相似理论确定模拟实际滑坡的滑坡物理模型的尺寸，配制滑床、滑带和滑体的相似材料，在试验槽内堆砌滑坡物理模型，当堆砌到滑带中间时布设孔隙水压力分布系统和孔隙水压力测量系统；
步骤2，调节孔隙水压力加载系统的水压值与滑带孔隙水压力预设值p0相一致；p0为根据相似理论计算得到的实际滑坡的滑带孔隙水压力或根据实验需要设置的初始孔隙水压力值；
步骤3，通过孔隙水压力分布系统向滑带内加载水压，并采用孔隙水压力测量系统测量滑带内孔隙水压力的大小，直至滑带内孔隙水压力的值p1与预设值p0达到一致，停止加载并维持该水压；
步骤4，逐级增大孔隙水压力加载系统的水压值，向滑带内加载水压直至滑坡物理模型破坏，每次加载至滑带内孔隙水压力的值与孔隙水压力加载系统的水压值趋于一致，停止加载并维持该级加载水压；
步骤5，定义滑坡安全富裕度Dp，以Dp值定量评价滑坡稳定性；其中，pmax为滑坡破坏时滑带孔隙水压力。
上述步骤1中，可根据实际滑坡和试验槽尺寸确定几何相似比和滑坡物理模型试验中滑床、滑带、滑体的物理力学参数相似比，根据相似理论配置模拟实际滑坡的滑床、滑带和滑体的相似材料。其中，滑带、滑体的相似材料应基本满足密度、渗透系数、粘聚力和内摩擦角相似。
上述测试过程中，通过激光测距仪监测整个实验过程中滑坡物理模型的位移变化，步骤3和步骤4中，每次停止加载后，维持水压，直至滑坡的位移量稳定(即滑坡位移量基本不变)；然后增大水压值再次加载。
有益效果：与现有技术相比，本发明的优点在于：(1)本发明的物理模型试验装置通过压力泵控制滑坡孔隙水压力，可实现孔隙水压力梯度范围大、控制孔隙水压力精度高的效果，改变了传统降雨或库水位变动下滑坡物理模型试验中水的渗流路径，提高试验效率；(2)本发明的测试方法提出了滑坡安全富裕度的概念，以滑坡安全富裕度来评价滑坡安全性，为滑坡稳定性定量评价提供了一种新方法，具有可靠性强、简单、高效、经济的优点，对实际工程具有极大价值。
附图说明
图1为本发明的测试滑坡稳定性的物理模型试验装置的结构示意图；
图2为孔隙水压力分布系统和孔隙水压力测量系统的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案作进一步说明。
如图1，本发明的一种测试滑坡稳定性的物理模型试验装置，包括试验槽1，试验槽1自底部向上堆砌滑床2、滑带3和滑体5、用于模拟实际滑坡，且试验槽1内部设有激光测距仪10、用于测量并记录滑坡破坏过程中滑体5的位移变化量；该装置还包括孔隙水压力加载系统、孔隙水压力测量系统以及用于实现滑坡孔隙水压力变化的孔隙水压力分布系统4，其中，孔隙水压力加载系统与孔隙水压力分布系统4连接，孔隙水压力分布系统4和孔隙水压力测量系统埋置在滑带3中。
孔隙水压力加载系统包括压力泵7和水箱6，两者相互连接，该水箱6上设有用于监测水压的高精压力表8。
如图2，孔隙水压力分布系统4包括喷头11，该喷头11与水箱6可通过连接管连通，且该连接管上设置有阀门9。喷头11可为球形喷头，滑带3内沿坡顶到坡底均匀布设有若干个喷头11，各喷头11之间可通过软管12连接后与水箱6连通；喷头的数量、间距及位置可根据实际孔隙水压力分布情况调整，其设置满足如下条件：滑坡内各处孔隙水压力变化幅度相近；比如，如以坡底到坡顶的方向为三维坐标轴的x轴方向，坡面宽度方向为y轴方向，喷头到坡面的垂直距离方向为z轴方向，那么，当滑带上的若干个喷头以坡面中心线(坡面中心线与x轴方向平行)为基线相互对称设置、且任一喷头到坡面中心线的垂直距离d1相等时，可保证坡面宽度方向上的孔隙水压力变化幅度基本一致，同时，当d1≈距离坡脚最近的喷头到坡脚的距离d2≈喷头到坡面的垂直距离d3时，可基本保证滑坡内三维方向上各处孔隙水压力变化幅度相近。
孔隙水压力测量系统包括孔隙水压力传感器13以及与其连接的数据采集仪14。孔隙水压力传感器13可为多个，在滑带3内沿坡顶至坡底均匀布设有，每个压力传感器13均与数据采集仪14连接。
采用本发明的物理模型试验装置测试滑坡稳定性的方法，包括如下步骤：
步骤1，根据实际滑坡和试验槽尺寸确定几何相似比和滑坡物理模型试验中滑床、滑带、滑体的物理力学参数相似比；
步骤2，根据相似理论配置滑床2、滑带3、滑体5的相似材料；其中，滑带3、滑体5的相似材料应基本满足密度、渗透系数、粘聚力和内摩擦角相似；
步骤3，按照滑床2、滑带3、滑体5的顺序堆砌滑坡物理模型，当堆砌到滑带3中间时布设孔隙水压力分布系统4和孔隙水压力测量系统的孔隙水压力传感器13；
步骤4，水箱6注满水后，通过压力泵7调节水箱6水压力与滑带孔隙水压力预设值p0相一致(p0为根据相似理论计算得到的滑带孔隙水压力或根据实验需要设置的初始孔隙水压力值)，打开孔隙水压力分布系统4和孔隙水压力加载系统之间的阀门9；
步骤5，通过孔隙水压力测量系统测量滑带内孔隙水压力的大小，直至滑带内孔隙水压力的值p1与预设值p0达到一致，停止加载，并维持该水压一段时间；
水箱6中水位的变化会影响孔隙水压力分布系统4中孔隙水压力的大小，通过微调压力泵7可实现孔隙水压力分布系统4中孔隙水压力大小的基本稳定。
通过坡角的激光测距仪记录加载过程中滑坡的位移变化，停止加载后，维持水压，直至滑坡的位移量稳定(即滑坡位移量基本不变)。
步骤6，通过压力泵逐级增大孔隙水压力分布系统4中的水压力，也即逐级增大滑坡物理模型中孔隙水压力直至破坏，滑坡破坏时滑带孔隙水压力记为pmax；
同理，每次加载水压至滑带内孔隙水压力的值与孔隙水压力加载系统的水压值趋于一致时，停止加载，并维持水压，至滑坡的位移量稳定后，增大水压值再次加载。
步骤7，定义滑坡安全富裕度计算公式：计算得到滑坡安全富裕度。

Claims (9)

1.一种测试滑坡稳定性的物理模型试验装置，其特征在于，包括试验槽，试验槽内堆砌滑坡物理模型，该物理模型自下而上包括滑床、滑带和滑体，且试验槽内部设有激光测距仪、用于测量并记录滑坡破坏过程中滑体的位移变化量；还包括孔隙水压力加载系统、孔隙水压力测量系统以及用于实现滑坡孔隙水压力变化的孔隙水压力分布系统，所述孔隙水压力分布系统和孔隙水压力测量系统埋置在滑带中，孔隙水压力加载系统与孔隙水压力分布系统连接。
2.根据权利要求1所述的测试滑坡稳定性的物理模型试验装置，其特征在于，所述孔隙水压力加载系统包括相互连接的压力泵和水箱，该水箱上设有用于监测水压的高精压力表；所述孔隙水压力分布系统包括喷头，该喷头与水箱连通，且两者的连通线路上设置有阀门；所述孔隙水压力测量系统包括孔隙水压力传感器以及与其连接的数据采集仪。
3.根据权利要求2所述的测试滑坡稳定性的物理模型试验装置，其特征在于，所述滑带内沿坡顶到坡底均匀布设有若干个喷头，每个喷头均通过水管与水箱连通。
4.根据权利要求3所述的测试滑坡稳定性的物理模型试验装置，其特征在于，所述喷头的数量、间距及位置的设置满足如下条件：滑坡内各处孔隙水压力变化幅度相近。
5.根据权利要求2所述的测试滑坡稳定性的物理模型试验装置，其特征在于，所述滑带内沿坡顶至坡底均匀布设有若干个压力传感器，每个压力传感器均与数据采集仪连接。
6.一种采用权利要求1所述的物理模型试验装置测试滑坡稳定性的方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1，根据相似理论确定模拟实际滑坡的滑坡物理模型的尺寸，配制滑床、滑带和滑体的相似材料，在试验槽内堆砌滑坡物理模型，当堆砌到滑带中间时布设孔隙水压力分布系统和孔隙水压力测量系统；
步骤2，调节孔隙水压力加载系统的水压值与滑带孔隙水压力预设值p0相一致；
步骤3，通过孔隙水压力分布系统向滑带内加载水压，并采用孔隙水压力测量系统测量滑带内孔隙水压力的大小，直至滑带内孔隙水压力的值p1与预设值p0达到一致，停止加载并维持该水压；
步骤4，逐级增大孔隙水压力加载系统的水压值，向滑带内加载水压直至滑坡物理模型破坏，每次加载至滑带内孔隙水压力的值与孔隙水压力加载系统的水压值趋于一致，停止加载并维持该级加载水压；
步骤5，定义滑坡安全富裕度Dp，以Dp值定量评价滑坡稳定性；其中，pmax为滑坡破坏时滑带孔隙水压力。
7.根据权利要求6所述的测试滑坡稳定性的方法，其特征在于，步骤1中，根据实际滑坡和试验槽尺寸确定几何相似比和滑坡物理模型试验中滑床、滑带、滑体的物理力学参数相似比，根据相似理论配置模拟实际滑坡的滑床、滑带和滑体的相似材料。
8.根据权利要求6所述的测试滑坡稳定性的方法，其特征在于，步骤1中，所述滑带、滑体的相似材料应基本满足密度、渗透系数、粘聚力和内摩擦角相似。
9.根据权利要求6所述的测试滑坡稳定性的方法，其特征在于，通过激光测距仪监测整个实验过程中滑坡物理模型的位移变化，步骤3和步骤4中，每次停止加载后，维持水压、直至滑坡的位移量稳定，然后增大水压值再次加载。
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