CN110658324A - 一种模拟复杂条件下岩土边坡失稳破坏的模型试验装置 - Google Patents

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CN110658324A CN201910930021.6A CN201910930021A CN110658324A CN 110658324 A CN110658324 A CN 110658324A CN 201910930021 A CN201910930021 A CN 201910930021A CN 110658324 A CN110658324 A CN 110658324A
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艾啸韬
纪翠翠
刘文连
杨溢
许汉华
陈志斌
眭素刚
聂闻
丁飞
孔祥云
田森
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Abstract

本发明公开一种模拟复杂条件下岩土边坡失稳破坏的模型试验装置，属于岩土工程及采矿工程技术领域，该模型试验装置，包括风雨模拟系统，地震模拟系统，相似模型试验系统、监测系统；本装置能够高效地进行排土场、尾矿坝等岩土边坡体的相似模型试验，研究分析边坡体分别在降雨、地震以及两者耦合作用下边坡体的稳定性及其破坏模式。

Description

一种模拟复杂条件下岩土边坡失稳破坏的模型试验装置
技术领域
本发明涉及一种模拟复杂条件下岩土边坡失稳破坏的模型试验装置，属于边坡工程与矿山岩土工程技术领域。
背景技术
由于岩土体边坡破坏机理多样、破坏过程常伴随多种因素动态变化，因此单纯采用理论分析方法对破坏机理和破坏过程进行分析，往往得到的结论并不能准确全面反应其真实情况，此外工程岩土体边坡的破坏性十分巨大，在现实中根本不可能重复实验，因此模型实验便成为研究岩土体边坡破坏机理和破坏后影响程度与防控措施的有效途径。通过模型对岩土体边坡的破坏进行模拟可以选取单因素或多因素，通过对其参数进行修改，开展在改变单因素或多因素条件下的重复实验，得到的结果可进行对比，且更加真实可靠。
室内模型试验作为一种重要的工程科学研究手段，得到广泛应用，它能有效利用有限的人力、物力、时间来对边坡等实际工程进行模拟研究，通过模型试验，揭示和反映现象的本质，总结结论规律理论解决实际问题。因此模型试验能将实际过程中比较复杂的问题变得容易处理，能很好地发挥人的控制优势，从而便于试验的对比研究，当今世界许多国家的科研工作者相继采用模型试验在水力学，热力学，航空航天、矿业工程等领域取得相当多的成果，相似原理是模型试验的理论基础，模型试验是为实际服务的，为了能准确反映实际原形态就必须满足相似理论，符合相似准则。相似理论有三个相关理论组成，相似第一定理：模型试验与实际工程两个物理体系相似，相关变量方程式保持一个固定的比例(常数)；相似第二定理(模拟定理)：模型试验与实际工程无量纲的比例，模型试验的长度量纲、应力量纲等都必须具有与模型与实际相比一样的比例因数；相似第三定理也称π定理，根据相似三定理可以总结出模型试验一般需要满足①几何相似②运动相似③动力相似④初始条件以及边界条件相似。
几何相似是指模型与原型在尺寸长度上的几何形状相似，包括长度、面积、体积比尺，用下标M和N分别代表原型和模型，则：
长度比尺：
Figure BDA0002217932280000011
面积比尺：
Figure BDA0002217932280000021
体积比尺：
Figure BDA0002217932280000022
运动相似：指模型与原型所在流场的速度场相似，两种流场对应速度V与加速度a数值相似，方向相同。
速度V比尺：
Figure BDA0002217932280000023
加速度a比尺：
Figure BDA0002217932280000024
动力相似：原型与模型堆积体相对应点上受到的同名力成比例
力的比尺：
Figure BDA0002217932280000025
重力相似准则(弗汝德准则)，当重力起作用的是动力准则即为弗汝德准则，
降雨和地震作为实际边坡工程中引发地质灾害的主要诱因，在研究分析边坡稳定性时需全面考虑降雨与地震对边坡的影响。目前能够有效地模拟降雨入渗以及地震对露天岩土体边坡稳定性耦合作用的实验装置为数不多，并不能满足如今的科研需求，有鉴于此提出本发明。
发明内容
针对现有技术存在的问题及不足，本发明提供一种模拟复杂条件下岩土边坡失稳破坏的模型试验装置，本装置能够用于进行室内边坡模型试验，分别研究降雨、地震及两者耦合作用下岩土体边坡破坏的动态演化过程，为分析各类工程边坡、自然边坡的稳定性提供技术支持，本发明通过以下技术方案实现。
一种模拟复杂条件下岩土边坡失稳破坏的模型试验装置，包括风雨模拟系统、地震模拟系统、相似模型试验系统、监测系统；
所述风雨模拟系统包括风机1、降雨板2、水管3、过滤器5、加压泵6、阀门7、入水口8、降雨板支架9、隔水板39；
所述地震模拟系统包括振动台基座10、弹簧Ⅰ11、竖向伸缩液压杆12、振动台13、支撑杆14、倾斜液压杆15、振动台框架19、水平伸缩液压杆20、弹簧Ⅱ21、滑槽Ⅰ22、滑杆54；
所述相似模型试验系统包括试验模型框架17、边坡模型18、荷载加载装置24、汇水结构25、水砂分离装置；所述水砂分离装置包括金属框34、筛网35；
所述监测系统包括位移传感器26、孔隙水压力传感器27、应力传感器28、含水率传感器29、光缆30、数据采集器31、高速摄影相机32；
管道3一端为入水口8，管道3上从入水口8处开始依次设有阀门7、加压泵6、过滤器5，管道3的另一端连接降雨板2，降雨板2通过4根降雨板支架9进行固定，降雨板2为空心板，空心板底面设有多个降雨孔36，空心板侧面靠近底面设条形孔，隔水板39从条形孔插入空心板内部；降雨板2底面正对边坡模型18，边坡模型18设置在试验模型框架17内，试验模型框架17为不封口且一侧面开口的矩形框，矩形框未开口的每个侧面上设有一个以上的风机1，矩形框开口的侧面连接倾斜的汇水通道25，汇水通道25高的一端与试验模型框架17连接，汇水通道25低的一端与金属框34连接，金属框34内设有筛网35；
边坡模型18上设有荷载加载装置24；
试验模型框架17底部的模型框架底板16下方设置2根支撑杆14和2根倾斜液压杆15，2根支撑杆14平行且靠近试验模型框架17侧面不封口的一边，主要是用于支撑，2根倾斜液压杆15平行且远离试验模型框架17侧面不封口的一边，在支撑的同时可以上下移动试验模型框架17的一侧，调整地形坡度；2根支撑杆14和2根倾斜液压杆15底部设置在振动台13上，振动台13位于振动台框架19中间，振动台13对称两侧中的一侧与振动台框架19之间通过两个水平伸缩液压杆20连接，用于提供水平振动力，另一侧通过两个弹簧Ⅱ21连接，用于压缩和拉伸，振动台13左右对称两侧和振动台框架19的连接方式与前后对称两侧与振动台框架19的连接方式相同，即振动台13与振动台框架19之间设置4个弹簧，4个水平伸缩液压杆，且两个弹簧和两个水平伸缩液压杆为一组对称设置；振动台框架19内水平伸缩液压杆20所在的一侧设置滑槽Ⅰ22，水平伸缩液压杆20沿滑槽Ⅰ22滑动，但是不会脱离滑槽Ⅰ22；
振动台13底部中间固定设置滑块53，滑块53可以粘接或者焊接在振动台13底部，滑块53下方设置竖向伸缩液压杆12，滑块53与竖向伸缩液压杆12之间不固定连接，竖向伸缩液压杆12顶端可以沿滑块53底面滑动，振动台13底部还设有两个以上的弹簧Ⅰ11，两个以上的弹簧Ⅰ11均匀设置在竖向伸缩液压杆12四周，竖向伸缩液压杆12和两个以上的弹簧Ⅰ11均固定设置在振动台基座10上，振动台框架19四个边角处分别设有滑孔，滑杆54顶部穿过滑孔，滑杆54底部固定设置在振动台基座10上，振动台框架19沿滑杆54上下滑动，但不会脱离滑杆54，在振动台13水平振动的时候振动台框架19不会产生水平位移；
边坡模型18的土体内设有位移传感器26、孔隙水压力传感器27、应力传感器28、含水率传感器29，位移传感器26、孔隙水压力传感器27、应力传感器28、含水率传感器29通过光缆30与数据采集器31连接，高速摄影相机32与边坡模型18内土体正对，用于拍摄土体变化情况。
所述高速摄影相机32设置在相机支撑架33的桁架Ⅱ50上，相机支撑架33通过角件49与支撑架底座48连接。
所述荷载加载装置24包括伸缩液压杆40、桁架Ⅰ41、升降杆42、螺孔43、楔形件44、若干刚性金属片46、电动合页47；刚性金属片46之间通过电动合页47连接，刚性金属片46与伸缩液压杆40顶端连接，伸缩液压杆40底端固定在桁架Ⅰ41上，桁架Ⅰ41两端设有升降杆42，升降杆42底端设有楔形件44，试验模型框架17边框上开有滑槽Ⅱ45，楔形件44沿滑槽45Ⅱ滑动。
所述桁架Ⅰ41两端内部设有内螺纹，升降杆42上竖向设有多个螺孔43，桁架Ⅰ41与升降杆42通过螺栓连接。
所述降雨板2四周设有四个连接件37，连接件37一端通过螺丝38固定在降雨板2底部，连接件37另一端设置在降雨板支架9上。
所述管道3上还设置流量计4，用于测量管道3中的水流量。
所述试验模型框架17的模型框架底板16内设置设置电加热板23，可以对试验模型框架17内进行加热。
所述装置还包括计算机，竖向伸缩液压杆12、倾斜液压杆15、水平伸缩液压杆20、伸缩液压杆40分别与计算机连接。
所述试验模型框架17各个面板均为亚克力板。
所述管道3在转角处用直角接头51进行连接，管道3末端设置四通52，连接三个分支管道，三根分支管道分布在降雨板2上。
本发明模拟复杂条件下岩土边坡失稳破坏的模型试验装置工作原理为：
(1)将边坡现场所取土样按相似原理在试验模型框架17内堆置形成边坡模型18，在堆置过程中将位移传感器26、孔隙水压力传感器27、应力传感器28、含水率传感器29埋入边坡模型18土体内，并与数据采集器31连接，高速摄影相机32正对边坡模型18进行安装，捕捉在整个试验过程中边坡模型18的外观变化；调节倾斜液压杆15高度改变试验模型框架17的倾斜角度，以此形成试验所要求的地形坡度；
(2)打开阀门7、加压泵6、过滤器5，水进入管道3，经过流量计4，进入降雨板2，抽出降雨板2中的隔水板39，控制加压泵6，来控制管道3内的水流量，并通过流量计4读取；向试验模型框架17内的边坡模型18土体进行模拟降雨；
(3)通过位移传感器26、孔隙水压力传感器27、应力传感器28、含水率传感器29，监测土体内部情况；通过高速摄影相机32拍摄降雨过程中的边坡情况；
开启风机1控制档位模拟不同强度空气流下降雨时的边坡情况；
开启地震模拟系统模拟地震过程中的纵波及横波作用时边坡的情况，通过调整水平伸缩液压杆12及伸缩液压杆20的振动频率，模拟不同振动频率下的边坡情况；
通过调整荷载加载装置24对不同位置的边坡模型18内的边坡平台上方施加荷载，模拟在不同区域分布有荷载时的边坡情况；
试验过程中流经边坡产生的水流及泥砂流经汇水结构25流入水砂分离装置，通过筛网35将水与泥砂分离，试验结束后可通过电加热板23与风机1烘干试验模型框架17内土样以便更快地进行下组试验。
本发明的有益效果是：
(1)本装置能用于实验室进行排土场、尾矿库、公路或水利等各种岩土边坡相似模型试验，研究分析边坡失稳的动态演化过程，且结构简单，操作方便；
(2)本装置能够分别模拟降雨及地震两种发生自然界地质灾害的主要诱因，能有效分析在降雨、地震或两者耦合作用下边坡的稳定性；
(3)本装置能够有效地模拟地震中的地震波，可分别研究纵波、横波或两者耦合作用下边坡的稳定性；
(4)本装置中的降雨板具有一定厚度，其内形成储水池，降雨孔均匀分布，降雨板底部平面的水压一致，能有效控制水滴的均匀分布；通过移动隔水板可实现模拟沿边坡倾向分区域降雨；
(5)本装置中的荷载加载装置可以模拟边坡某一台阶平台上有均匀荷载分布的实际情况；埋入模型的位移传感器、孔隙水压力传感器、应力传感器、含水率传感器可实时精确测量边坡土体的位移量、孔隙水压力值、应力值及含水率大小。
附图说明
图1是本发明实施例1装置的结构示意图；
图2是本发明实施例1地震模拟系统结构主视图；
图3是本发明实施例1地震模拟系统结构俯视图；
图4是本发明实施例1降雨板底部结构示意图；
图5是本发明实施例1荷载加载装置所在位置的放大图；
图6是本发明实施例1荷载加载装置的结构示意图；
图中：1-风机，2-降雨板，3-水管，4-流量计，5-过滤器，6-加压泵，7-阀门，8-入水口，9-降雨板支架，10-振动台基座，11-弹簧Ⅰ，12-竖向伸缩液压杆，13-振动台，14-支撑杆，15-倾斜液压杆，16-模型框架底板，17-试验模型框架，18-边坡模型，19-振动台框架，20-水平伸缩液压杆，21-弹簧Ⅱ，22-滑槽Ⅰ，23-电加热板，24-荷载加载装置，25-汇水通道，26-位移传感器，27-孔隙水压力传感器，28-应力传感器，29-含水率传感器，30-光缆，31-数据采集器，32-高速摄影相机，33-相机支撑架，34-金属框，35-筛网，36-降雨孔，37-连接件，38-螺丝，39-隔水板，40-伸缩液压杆，41-桁架Ⅰ，42-升降杆，43-螺孔，44-楔形件，45-滑槽Ⅱ，46-刚性金属片，47-电动合页，48-支撑架底座，49-角件，50-桁架Ⅱ，51-直角接头，52-四通，53-滑块，54-滑杆。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式，对本发明作进一步说明。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“横向”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
实施例1
一种模拟复杂条件下岩土边坡失稳破坏的模型试验装置，如图1、2、3、4、5、6所示，包括风雨模拟系统、地震模拟系统、相似模型试验系统、监测系统；
风雨模拟系统包括风机1、降雨板2、水管3、流量计4、过滤器5、加压泵6、阀门7、入水口8、降雨板支架9、降雨孔36、连接件37、螺丝38、隔水板39、直角接头51、四通52；
地震模拟系统包括振动台基座10、弹簧Ⅰ11、竖向伸缩液压杆12、振动台13、支撑杆14、倾斜液压杆15、振动台框架19、水平伸缩液压杆20、弹簧Ⅱ21、滑槽Ⅰ22、滑块53、滑杆54；
相似模型试验系统包括模型框架底板16、试验模型框架17、边坡模型18、电加热板23、荷载加载装置24、汇水结构25、水砂分离装置；所述水砂分离装置包括金属框34、筛网35；荷载加载装置24包括伸缩液压杆40、桁架Ⅰ41、升降杆42、螺孔43、楔形件44、滑槽Ⅱ45、若干刚性金属片46、电动合页47；
监测系统包括埋藏在边坡模型18土体内的位移传感器26、孔隙水压力传感器27、应力传感器28、含水率传感器29、光缆30、数据采集器31、高速摄影相机32、相机支撑架33、支撑架底座48、角件49、桁架Ⅱ50；
管道3一端为入水口8，管道3上从入水口8处开始依次设有阀门7、加压泵6、过滤器5、流量计4，管道3的另一端连接降雨板2，管道3在转角处用直角接头51进行连接，管道3末端设置四通52，连接三个分支管道，三根分支管道分布在降雨板2上，降雨板2通过4根降雨板支架9进行固定，降雨板2四周设有四个连接件37，连接件37一端通过螺丝38固定在降雨板2底部，连接件37另一端通过螺栓固定在降雨板支架9上，降雨板2为空心板，空心板底面设有多个降雨孔36，空心板侧面靠近底面设条形孔，隔水板39从条形孔插入空心板内部，隔水板39的面积不小于降雨板2；降雨板2底面正对边坡模型18，边坡模型18设置在试验模型框架17内，试验模型框架17为上面不封口且一侧面开口的矩形框，试验模型框架17各个面均为亚克力板，矩形框未开口的侧面上设有4个风机1，与侧面开口面相对的背面设有2个风机，矩形框开口的侧面连接倾斜的汇水通道25，汇水通道25高的一端与试验模型框架17连接，汇水通道25低的一端与金属框34连接，金属框34内设有筛网35，用于将土体进行过滤；
边坡模型18上设有荷载加载装置24；荷载加载装置24包括伸缩液压杆40、桁架Ⅰ41、升降杆42、螺孔43、楔形件44、若干刚性金属片46、电动合页47；刚性金属片46之间通过电动合页47连接，刚性金属片46与伸缩液压杆40顶端固定连接，伸缩液压杆40底端固定在桁架Ⅰ41上，桁架Ⅰ41两端设有升降杆42，桁架Ⅰ41两端内部设有内螺纹，升降杆42上竖向设有多个螺孔43，桁架Ⅰ41与升降杆42通过螺栓连接，升降杆42底端设有楔形件44，试验模型框架17边框上开有滑槽Ⅱ45，在荷载加载装置24沿边坡模型18内部土体上方移动的过程中，楔形件44沿滑槽45Ⅱ滑动；
试验模型框架17底部的模型框架底板16下方设置2根支撑杆14和2根倾斜液压杆15，2根支撑杆14平行且靠近试验模型框架17侧面不封口的一边，主要是用于支撑，2根倾斜液压杆15平行且远离试验模型框架17侧面不封口的一边，在支撑的同时可以使该侧试验模型框架17上下移动，调整地形坡度；2根支撑杆14和2根倾斜液压杆15底部固定设置在振动台13上，振动台13位于振动台框架19中间，振动台13对称两侧中的一侧与振动台框架19之间通过两个水平伸缩液压杆20连接，用于提供水平振动力，另一侧通过两个弹簧Ⅱ21连接，用于压缩和拉伸，振动台13左右对称两侧和振动台框架19的连接方式与前后对称两侧与振动台框架19的连接方式相同，即振动台13与振动台框架19之间设置4个弹簧，4个水平伸缩液压杆，且两个弹簧和两个水平伸缩液压杆为一组对称设置；振动台框架19内水平伸缩液压杆20所在的一侧设置滑槽Ⅰ22，水平伸缩液压杆20沿滑槽Ⅰ22滑动，但是不会脱离滑槽Ⅰ22，滑槽Ⅰ22是切面为凸字形结构的沟槽，水平伸缩液压杆20底部凸环设置在凸字形结构的底部，这样水平伸缩液压杆20不会脱离滑槽Ⅰ22，振动台框架19四个边角处分别设有滑孔，滑杆54穿过滑孔，滑杆54底部固定设置在振动台基座10上，振动台框架19沿滑杆54上下滑动，但不会脱离滑杆54，在振动台13水平振动的时候振动台框架19不会产生水平位移；
振动台13底部中间固定设置滑块53，滑块53下方设置竖向伸缩液压杆12，滑块53与竖向伸缩液压杆12之间不固定连接，振动台13底部还焊接固定设置两个弹簧Ⅰ11，两个弹簧Ⅰ11对称设置在竖向伸缩液压杆12四周，竖向伸缩液压杆12和两个弹簧Ⅰ11均固定焊接设置在振动台基座10上；
边坡模型18的土体内设有位移传感器26、孔隙水压力传感器27、应力传感器28、含水率传感器29，位移传感器26、孔隙水压力传感器27、应力传感器28、含水率传感器29通过光缆30与数据采集器31连接用于采集数据，高速摄影相机32与边坡模型18内土体正对，高速摄影相机32设置在相机支撑架33的桁架Ⅱ50上，相机支撑架33通过角件49与支撑架底座48连接，相机支撑架33的桁架Ⅱ50刚好位于金属框34上方；试验模型框架17的模型框架底板16内设置设置电加热板23，可以对试验模型框架17内的边坡模型18进行加热，也可以烘干实验完成之后的试验模型框架17；竖向伸缩液压杆12、倾斜液压杆15、水平伸缩液压杆20、伸缩液压杆40分别与计算机连接，计算机可以控制竖向伸缩液压杆12、倾斜液压杆15、水平伸缩液压杆20、伸缩液压杆40的伸缩，电动合页47由其内蓄电池供能。
实施例2
采用实施例1的模拟复杂条件下岩土边坡失稳破坏的模型试验装置进行实验，模拟普通降雨过程中的边坡情况，具体步骤如下：
(1)将边坡现场所取土样按相似原理在试验模型框架17内堆置形成边坡模型18，在堆置过程中按照试验要求将位移传感器26、孔隙水压力传感器27、应力传感器28、含水率传感器29埋入边坡模型18土体内适当位置，并与数据采集器31连接，高速摄影相机32正对边坡模型18进行安装，以捕捉在整个试验过程中边坡模型18的外观变化；通过计算机调节倾斜液压杆15高度改变试验模型框架17的倾斜角度，以此形成试验所得要求地形坡度；
(2)打开阀门7、加压泵6、过滤器5，水进入管道3，经过流量计4，进入降雨板2，抽出降雨板2中的隔水板39，控制加压泵6，来控制管道3内的水流量，并通过流量计4读取；向试验模型框架17内的边坡模型18土体进行模拟降雨；
(3)通过位移传感器26、孔隙水压力传感器27、应力传感器28、含水率传感器29，监测土体内部情况；通过高速摄影相机32拍摄降雨过程中的边坡情况；
试验过程中流经边坡产生的水流及泥砂流将经汇水结构25流入水砂分离装置，通过筛网35将水与泥砂分离，试验结束后可通过电加热板23与风机1烘干试验框架内土样以便更快地进行下组试验。
将数据采集器31收集到的数据和高速摄影相机32拍摄的照片导入计算机进行汇总、处理、研究，可以得出不同实验过程中不同时间点下降雨过程中的边坡内部和外部情况。
实施例3
采用采用实施例1的模拟复杂条件下岩土边坡失稳破坏的模型试验装置进行实验，模拟有风降雨过程中的边坡情况，具体步骤如下：
(1)将边坡现场所取土样按相似原理在试验模型框架17内堆置形成边坡模型18，在堆置过程中按照试验要求将位移传感器26、孔隙水压力传感器27、应力传感器28、含水率传感器29埋入边坡模型18土体内适当位置，并与数据采集器31连接，高速摄影相机32正对边坡模型18进行安装，以捕捉在整个试验过程中边坡模型18的外观变化；通过计算机调节倾斜液压杆15高度改变试验模型框架17的倾斜角度，以此形成试验所得要求地形坡度；
(2)打开阀门7、加压泵6、过滤器5，水进入管道3，经过流量计4，进入降雨板2，抽出降雨板2中的隔水板39，控制加压泵6，来控制管道3内的水流量，并通过流量计4读取；开启风机1控制档位模拟不同强度空气流，向试验模型框架17内的边坡模型18土体进行模拟降雨；
(3)通过位移传感器26、孔隙水压力传感器27、应力传感器28、含水率传感器29，监测土体内部情况；通过高速摄影相机32拍摄降雨过程中的边坡情况；
试验过程中流经边坡产生的水流及泥砂流将经汇水结构25流入水砂分离装置，通过筛网35将水与泥砂分离，试验结束后可通过电加热板23与风机1烘干试验框架内土样以便更快地进行下组试验。
将数据采集器31收集到的数据和高速摄影相机32拍摄的照片导入计算机进行汇总、处理、研究，可以得出不同实验过程中不同时间点下降雨过程中的边坡内部和外部情况。
实施例4
采用采用实施例1的模拟复杂条件下岩土边坡失稳破坏的模型试验装置进行实验，模拟地震、有风降雨过程中的边坡情况，具体步骤如下：
(1)将边坡现场所取土样按相似原理在试验模型框架17内堆置形成边坡模型18，在堆置过程中按照试验要求将位移传感器26、孔隙水压力传感器27、应力传感器28、含水率传感器29埋入边坡模型18土体内适当位置，并与数据采集器31连接，高速摄影相机32正对边坡模型18进行安装，以捕捉在整个试验过程中边坡模型18的外观变化；通过计算机调节倾斜液压杆15高度改变试验模型框架17的倾斜角度，以此形成试验所得要求地形坡度；
(2)打开阀门7、加压泵6、过滤器5，水进入管道3，经过流量计4，进入降雨板2，抽出降雨板2中的隔水板39，控制加压泵6，来控制管道3内的水流量，并通过流量计4读取；开启风机1控制档位模拟不同强度空气流，向试验模型框架17内的边坡模型18土体进行模拟降雨；
(3)通过计算机调节伸缩液压杆12竖直方向上的振动带动振动台13上下振动，水平伸缩液压杆20进行水平方向上的振动带动振动台13水平振动，通过振动台13将振动传递至试验模型框架17及其内部的边坡模型18，分别模拟地震过程中的纵波及横波作用的边坡情况，可以调整伸缩液压杆12及水平伸缩液压杆20的振动频率，模拟不同振动频率下的降雨边坡情况；因为振动台框架19四个边角处分别设有滑孔，滑杆54顶部穿过滑孔，滑杆54底部固定设置在振动台基座10上，振动台框架19沿滑杆54上下滑动，但不会脱离滑杆54，在振动台13水平振动的时候振动台框架19不会产生水平位移；
通过位移传感器26、孔隙水压力传感器27、应力传感器28、含水率传感器29，监测土体内部情况；通过高速摄影相机32拍摄降雨过程中的边坡情况；
试验过程中流经边坡产生的水流及泥砂流将经汇水结构25流入水砂分离装置，通过筛网35将水与泥砂分离，试验结束后可通过电加热板23与风机1烘干试验框架内土样以便更快地进行下组试验。
将数据采集器31收集到的数据和高速摄影相机32拍摄的照片导入计算机进行汇总、处理、研究，可以得出不同实验过程中不同时间点下降雨过程中的边坡内部和外部情况。
实施例5
采用采用实施例1的模拟复杂条件下岩土边坡失稳破坏的模型试验装置进行实验，模拟地震、有风、有载荷降雨过程中的边坡情况，具体步骤如下：
(1)将边坡现场所取土样按相似原理在试验模型框架17内堆置形成边坡模型18，在堆置过程中按照试验要求将位移传感器26、孔隙水压力传感器27、应力传感器28、含水率传感器29埋入边坡模型18土体内适当位置，并与数据采集器31连接，高速摄影相机32正对边坡模型18进行安装，以捕捉在整个试验过程中边坡模型18的外观变化；通过计算机调节倾斜液压杆15高度改变试验模型框架17的倾斜角度，以此形成试验所得要求地形坡度；荷载加载装置24通过楔形件44安装在试验模型框架17上，并通过滑槽45及升降杆42调整其相对位置使刚性金属片46位于需施加荷载的边坡平台上方，刚性金属片46由电动合页47连接进行折叠或伸展至试验所需面积将压力荷载均匀分布在边坡模型平台之上；
(2)打开阀门7、加压泵6、过滤器5，水进入管道3，经过流量计4，进入降雨板2，抽出降雨板2中的隔水板39，控制加压泵6，来控制管道3内的水流量，并通过流量计4读取；开启风机1控制档位模拟不同强度空气流，向试验模型框架17内的边坡模型18土体进行模拟降雨；
(3)通过计算机调节伸缩液压杆12竖直方向上的振动带动振动台13上下振动，水平伸缩液压杆20进行水平方向上的振动带动振动台13水平振动，通过振动台13将振动传递至试验模型框架17及其内部的边坡模型18，以分别模拟地震过程中的纵波及横波作用的边坡情况，可以调整伸缩液压杆12及水平伸缩液压杆20的振动频率，模拟不同振动频率下的降雨边坡情况，因为振动台框架19四个边角处分别设有滑孔，滑杆54顶部穿过滑孔，滑杆54底部固定设置在振动台基座10上，振动台框架19沿滑杆54上下滑动，但不会脱离滑杆54，在振动台13水平振动的时候振动台框架19不会产生水平位移；通过滑槽45及升降杆42调整位置使刚性金属片46位于不同位置的边坡平台上方施加荷载，通过计算机调节伸缩液压杆40对边坡平台上的土体施压，模拟在不同区域分布有荷载时的降雨边坡情况；
通过位移传感器26、孔隙水压力传感器27、应力传感器28、含水率传感器29，监测土体内部情况；通过高速摄影相机32拍摄降雨过程中的边坡情况；
试验过程中流经边坡产生的水流及泥砂流将经汇水结构25流入水砂分离装置，通过筛网35将水与泥砂分离，试验结束后可通过电加热板23与风机1烘干试验框架内土样以便更快地进行下组试验。
将数据采集器31收集到的数据和高速摄影相机32拍摄的照片导入计算机进行汇总、处理、研究，可以得出不同实验过程中不同时间点下降雨过程中的边坡内部和外部情况。
以上结合附图对本发明的具体实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。

Claims (9)

1.一种模拟复杂条件下岩土边坡失稳破坏的模型试验装置，其特征在于，包括风雨模拟系统、地震模拟系统、相似模型试验系统、监测系统；
所述风雨模拟系统包括风机(1)、降雨板(2)、水管(3)、过滤器(5)、加压泵(6)、阀门(7)、入水口(8)、降雨板支架(9)、隔水板(39)；
所述地震模拟系统包括振动台基座(10)、弹簧Ⅰ(11)、竖向伸缩液压杆(12)、振动台(13)、支撑杆(14)、倾斜液压杆(15)、振动台框架(19)、水平伸缩液压杆(20)、弹簧Ⅱ(21)、滑槽Ⅰ(22)、滑杆(54)；
所述相似模型试验系统包括试验模型框架(17)、边坡模型(18)、荷载加载装置(24)、汇水结构(25)、水砂分离装置；所述水砂分离装置包括金属框(34)、筛网(35)；
所述监测系统包括位移传感器(26)、孔隙水压力传感器(27)、应力传感器(28)、含水率传感器(29)、光缆(30)、数据采集器(31)、高速摄影相机(32)；
管道(3)一端为入水口(8)，管道(3)上从入水口(8)处开始依次设有阀门(7)、加压泵(6)、过滤器(5)，管道(3)的另一端连接降雨板(2)，降雨板(2)通过4根降雨板支架(9)进行固定，降雨板(2)为空心板，空心板底面设有多个降雨孔(36)，空心板侧面靠近底面设条形孔，隔水板(39)从条形孔插入空心板内部；降雨板(2)底面正对边坡模型(18)，边坡模型(18)设置在试验模型框架(17)内，试验模型框架(17)为上面不封口且一侧面开口的矩形框，矩形框未开口的每个侧面上设有一个以上的风机(1)，矩形框开口的侧面连接倾斜的汇水通道(25)，汇水通道(25)高的一端与试验模型框架(17)连接，汇水通道(25)低的一端与金属框(34)连接，金属框(34)内设有筛网(35)；
边坡模型(18)上设有荷载加载装置(24)；
试验模型框架(17)底部的模型框架底板(16)下方设置2根支撑杆(14)和2根倾斜液压杆(15)，2根支撑杆(14)平行且靠近试验模型框架(17)侧面不封口的一边，2根倾斜液压杆(15)平行且远离试验模型框架(17)侧面不封口的一边，2根支撑杆(14)和2根倾斜液压杆(15)底部设置在振动台(13)上，振动台(13)位于振动台框架(19)中间，振动台(13)对称两侧中的一侧与振动台框架(19)之间通过两个水平伸缩液压杆(20)连接，另一侧通过两个弹簧Ⅱ(21)连接，振动台(13)左右对称两侧和振动台框架(19)的连接方式与前后对称两侧与振动台框架(19)的连接方式相同，振动台框架(19)内水平伸缩液压杆(20)所在的一侧设置滑槽Ⅰ(22)，水平伸缩液压杆(20)沿滑槽Ⅰ(22)滑动；
振动台(13)底部中间固定设置滑块(53)，滑块(53)下方设置竖向伸缩液压杆(12)，滑块(53)与竖向伸缩液压杆(12)之间不固定连接，振动台(13)底部还设有两个以上的弹簧Ⅰ(11)，两个以上的弹簧Ⅰ(11)均匀设置在竖向伸缩液压杆(12)四周，竖向伸缩液压杆(12)和两个以上的弹簧Ⅰ(11)均固定设置在振动台基座(10)上，振动台框架(19)四个边角处分别设有滑孔，滑杆(54)顶部穿过滑孔，滑杆(54)底部固定设置在振动台基座(10)上；
边坡模型(18)的土体内设有位移传感器(26)、孔隙水压力传感器(27)、应力传感器(28)、含水率传感器(29)，位移传感器(26)、孔隙水压力传感器(27)、应力传感器(28)、含水率传感器(29)通过光缆(30)与数据采集器(31)连接，高速摄影相机(32)与边坡模型(18)内土体正对。
2.根据权利要求1所述模拟复杂条件下岩土边坡失稳破坏的模型试验装置，其特征在于，高速摄影相机(32)设置在相机支撑架(33)的桁架Ⅱ(50)上，相机支撑架(33)通过角件(49)与支撑架底座(48)连接。
3.根据权利要求1所述模拟复杂条件下岩土边坡失稳破坏的模型试验装置，其特征在于，荷载加载装置(24)包括伸缩液压杆(40)、桁架Ⅰ(41)、升降杆(42)、螺孔(43)、楔形件(44)、若干刚性金属片(46)、电动合页(47)；刚性金属片(46)之间通过电动合页(47)连接，刚性金属片(46)与伸缩液压杆(40)顶端连接，伸缩液压杆(40)底端固定在桁架Ⅰ(41)上，桁架Ⅰ(41)两端设有升降杆(42)，升降杆(42)底端设有楔形件(44)，试验模型框架(17)边框上开有滑槽Ⅱ(45)，楔形件(44)沿滑槽Ⅱ(45)滑动。
4.根据权利要求3所述模拟复杂条件下岩土边坡失稳破坏的模型试验装置，其特征在于，桁架Ⅰ(41)两端内部设有内螺纹，升降杆(42)上竖向设有多个螺孔(43)，桁架Ⅰ(41)与升降杆(42)通过螺栓连接。
5.根据权利要求1所述模拟复杂条件下岩土边坡失稳破坏的模型试验装置，其特征在于，降雨板(2)四周设有四个连接件(37)，连接件(37)一端通过螺丝(38)固定在降雨板(2)底部，连接件(37)另一端设置在降雨板支架(9)上。
6.根据权利要求1所述模拟复杂条件下岩土边坡失稳破坏的模型试验装置，其特征在于，还包括流量计(4)，流量计(4)设置在管道(3)上。
7.根据权利要求1所述模拟复杂条件下岩土边坡失稳破坏的模型试验装置，其特征在于，试验模型框架(17)的模型框架底板(16)内设置有电加热板(23)。
8.根据权利要求1所述模拟复杂条件下岩土边坡失稳破坏的模型试验装置，其特征在于，还包括计算机，竖向伸缩液压杆(12)、倾斜液压杆(15)、水平伸缩液压杆(20)、伸缩液压杆(40)分别与计算机连接。
9.根据权利要求1所述模拟复杂条件下岩土边坡失稳破坏的模型试验装置，其特征在于，试验模型框架(17)各个面均为亚克力板。
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