CN111551331B - 一种用于边坡振动台模型试验的多功能装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于边坡振动台模型试验的多功能装置及方法，属于岩土工程领域。该装置由多功能模型箱和可调节型位移测量架组成，多功能模型箱包括模型箱带“U”形把手钢板、模型箱可调节框箱、模型箱钢架、模型箱透明钢化玻璃、模型箱钢架固定杆和模型箱背部钢板，可调节型位移测量架包括位移测量架钢立架、位移测量架横向钢跨梁、位移测量架竖向钢跨梁和位移测量架可移动钢杆。该方法包括组装多功能模型箱、砌筑边坡模型、吊装多功能模型箱、组装可调节型位移测量架、调试设备和加载地震波，采用本发明的装置及方法可与现有设备无障碍配套使用，具有可视化、可调节、结构紧凑、操作灵活和适用范围广等设计优点。

Description

一种用于边坡振动台模型试验的多功能装置及方法

技术领域

本发明属于岩土工程领域，涉及一种用于边坡振动台模型试验的多功能装置及方法。

背景技术

通常而言，采用室内振动台模型试验是探究地震荷载作用下边坡岩土体损伤破坏演化过程的有效途径，其能够直观地反映边坡岩土体的变形破坏特征。模型箱是边坡振动台模型试验的重要设备，传统型模型箱大多体积较大、不便移动，且模型箱箱壁大多由非透明金属板相互焊接而成，不便实时观察地震荷载施加过程中边坡岩土体损伤破坏演化过程；同时，位移测量配套装置大多活动性较差，难以精确测定边坡指定位置的变形。因此，有必要采用一种同时兼备可视化、可调节、结构紧凑、操作灵活和适用范围广等设计优点且配套有位移测量架的多功能边坡振动台模型试验装置及方法，以便灵活地拆装模型箱、便捷地砌筑边坡模型和精确地测定坡体位移等，进一步完善现有岩土工程领域中有关边坡振动台模型试验的装置及方法。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种用于边坡振动台模型试验的多功能装置及方法。

为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种用于边坡振动台模型试验的多功能装置，包括多功能模型箱和可调节型位移测量架。其中，多功能模型箱包括模型箱带“U”形把手钢板、模型箱可调节框箱、模型箱钢架、模型箱透明钢化玻璃、模型箱钢架固定杆和模型箱背部钢板；可调节型位移测量架包括位移测量架钢立架、位移测量架横向钢跨梁、位移测量架竖向钢跨梁和位移测量架可移动钢杆。

可选的，所述模型箱带“U”形把手钢板是焊接于模型箱底部的矩形长钢板，钢板四周一定间隔布置等直径螺孔，长边方向每侧各焊接两个“U”形把手以便于搬运和吊装多功能模型箱，模型箱带“U”形把手钢板与振动台台面通过高强度螺栓紧密地连接为一体，以保证多功能模型箱与振动台台面同步振动；

所述模型箱可调节框箱是由矩形钢板通过焊接组合而成的内空型长方体框架结构，包括两种类型，一种直接与模型箱带“U”形把手钢板焊接为一体，其上下面为敞口，而上面长边两侧焊接有长条矩形钢板且钢板一定间隔布置等直径螺孔，一种通过高强度螺栓与焊接好的框箱紧密地连接为一体，其上下面为敞口，上下面长边两侧焊接有长条矩形钢板且钢板一定间隔布置等直径螺孔；

所述模型箱钢架是由等边角钢通过焊接组合而成的梯形框架结构，其中部焊接等边角钢连接左右两侧以起加固作用，角钢左侧两边、角钢右侧一边和角钢下侧一边一定间隔布置等直径螺孔，模型箱钢架与模型箱可调节框箱通过高强度螺栓紧密地连接为一体；

所述模型箱透明钢化玻璃是连接于模型箱钢架内侧的梯形可视化钢化玻璃板，分为上中下三块且整体拼合后成梯形，其左右两侧一定间隔布置等直径螺孔，同时上下两块模型箱透明钢化玻璃中间位置开孔以用于接出埋设的传感器引线，模型箱透明钢化玻璃与模型箱钢架通过高强度螺栓紧密地连接为一体；

所述模型箱钢架固定杆是用于连接左右两侧模型箱钢架的圆柱形钢棒，其两端含一定长度的螺纹，模型箱钢架固定杆穿过模型箱钢架最上方螺孔后通过高强度螺栓紧密地连接为一体起加固作；

所述模型箱背部钢板是连接于模型箱背部的矩形长钢板，其长边两侧一定间隔布置等直径螺孔以用于连接模型箱钢架，模型箱背部钢板与模型箱钢架通过高强度螺栓紧密地连接为一体。

可选的，所述位移测量架钢立架是由方形钢板和圆柱形钢棒通过焊接组合而成的梯形框架结构，其上下两根圆柱形钢棒连杆中间位置各含一个螺孔；

所述位移测量架横向钢跨梁是用于连接两侧位移测量架钢立架的长条矩形钢板，其中间位置含一个螺孔，且两端各焊接一定长度的带螺纹圆柱形钢棒，位移测量架横向钢跨梁两端圆柱形钢棒穿过位移测量架钢立架上下两根圆柱形钢棒中间位置螺孔后通过高强度螺栓紧密地连接为一体；

所述位移测量架竖向钢跨梁是用于连接位移测量架横向钢跨梁的长条矩形钢板，其中间位置开槽贯穿，且两端各焊接一定长度的带螺纹圆柱形钢棒，位移测量架竖向钢跨梁C11两端圆柱形钢棒穿过上下两根位移测量架横向钢跨梁C10中间位置螺孔后通过高强度螺栓紧密地连接为一体；

所述位移测量架可移动钢杆是用于固定位移传感器的圆柱形钢棒，其一端含一定长度的螺纹，且顶部第一根位移测量架可移动钢杆呈“L”形，位移测量架可移动钢杆穿过位移测量架竖向钢跨梁中间空槽后通过高强度螺栓紧密地连接为一体，可根据实际位置需要在空槽内移动调整高度。

基于所述装置的一种用边坡振动台模型试验的方法，包括以下步骤：

(1)设计边坡模型工况、传感器布设方案和地震波加载方案；进一步组装多功能模型箱，并在模型箱可调节框箱内和模型透明钢化玻璃上描绘出各岩层层面轮廓线；在多功能模型箱刚性壁粘贴聚苯乙烯塑料泡沫板，在聚苯乙烯塑料泡沫板表面和模型箱透明钢化玻璃表面粘贴聚氯乙烯塑料薄膜并涂抹润滑油。

(2)计算并称量砌筑各岩层所需相似材料用量，采用小型搅拌机将混合干料搅拌均匀，在称量完成的水中加入保水剂和缓凝剂后搅拌均匀，并分若干次加入混合干料中，采用人工方式搅拌均匀；将搅拌均匀的混合料铲入至模型箱可调节框箱内，夯实至设计位置和密实度后均匀铺洒一层细粒径干燥石英砂和干燥云母片，尽可能将其表面修整平滑；待每一层岩体砌筑完成并基本达稳定状态后进行下一层岩体的砌筑；砌筑至设计位置时安装模型箱透明钢化玻璃和模型箱钢架固定杆；砌筑过程中及砌筑完成后根据传感器布设方案埋设相应传感器。

(3)待已砌筑成型的边坡模型静置一段时间后，采用小型龙门架将多功能模型箱缓慢吊装至振动台台面(钢丝绳与“U”形把手绑扎连接为一体)，通过高强度螺栓将两者紧密地连接为一体，随后在振动台台面铺设一层彩条布，防止振动过程中垮落的块渣掉落至振动台台面下方的液压架坑槽内。

(4)组装可调节型位移测量架，在边坡模型位移监测点插入方形薄钢片，并使用石膏加固；将位移传感器主体结构安装在位移测量架可移动钢杆未带螺纹一端端头，通过旋转螺纹调整位移测量架可移动钢杆位置，使位移传感器指针针头与方形薄钢片表面垂直紧密接触。

(5)将土压力传感器、加速度传感器和位移传感器引线与数据采集仪通道口相连接，并对数据采集系统进行调试(参数设置)以满足试验测试要求。

(6)根据地震波加载方案，对边坡模型进行激振并采集试验数据，同时观察、监测和记录边坡模型损伤破坏演化过程。

(7)待一个试验工况的边坡模型完全破坏后终止地震波加载，观察、监测和记录边坡模型最终破坏形态及变形信息，收集整个试验过程所观察、监测和记录的相关资料；拆卸数据采集仪通道口的传感器引线，将可调节型位移测量架挪动至宽敞位置；拆卸多功能模型箱，清理内部残余岩土块渣并取出所有传感器；清理垮落于彩条布上的岩土块渣并清洁试验场地。

(8)重复步骤(1)～(7)，继续开展其他试验工况的边坡振动台模型试验直至完成所有试验工况，并整合所有试验工况的相关试验数据。

本发明的有益效果在于：

(1)本发明的一种用于边坡振动台模型试验的多功能装置具有可视化的优点，可通过透明钢化玻璃窗口直观准确地观察、监测和记录振动过程中边坡岩体损伤破坏演化过程；

(2)本发明的一种用于边坡振动台模型试验的多功能装置具有可调节的优点，可适用不同几何类型的边坡振动台模型试验，同时配套的可调节型位移测量架结构紧凑、使用灵活，且整套装置具有操作简单、便于拆装等优点；

(3)本发明的一种用于边坡振动台模型试验的多功能装置及方法可与现有振动台加载系统、数据采集系统和计算机系统等试验系统无障碍配套使用。

本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作优选的详细描述，其中：

图1为本发明具体实施方式的一种用于边坡振动台模型试验的多功能装置示意图；

图2为本发明具体实施方式的一种用于边坡振动台模型试验的多功能装置与现有设备配套示意图；

图3为本发明具体实施方式的多功能模型箱示意图；

图4为本发明具体实施方式的可调节型位移测量架示意图；

图5为本发明具体实施方式的模型箱带“U”形把手钢板及其平面几何尺寸示意图；

图6为本发明具体实施方式的模型箱可调节框箱及其平面几何尺寸示意图；

图7为本发明具体实施方式的模型箱钢架及其平面几何尺寸示意图；

图8为本发明具体实施方式的模型箱透明钢化玻璃及其平面几何尺寸示意图；

图9为本发明具体实施方式的模型箱钢架固定杆及其平面几何尺寸示意图；

图10为本发明具体实施方式的模型箱背部钢板及其平面几何尺寸示意图；

图11为本发明具体实施方式的位移测量架钢立架及其平面几何尺寸示意图；

图12为本发明具体实施方式的位移测量架横向钢跨梁及其平面几何尺寸示意图；

图13为本发明具体实施方式的位移测量架竖向钢跨梁及其平面几何尺寸示意图；

图14为本发明具体实施方式的位移测量架可移动钢杆及其平面几何尺寸示意图。

图1～图14中：C1-多功能模型箱；C2-可调节型位移测量架；C3-模型箱带“U”形把手钢板；C4-模型箱可调节框箱；C5-模型箱钢架；C6-模型箱透明钢化玻璃；C7-模型箱钢架固定杆；C8-模型箱背部钢板；C9-位移测量架钢立架；C10-位移测量架横向钢跨梁；C11-位移测量架竖向钢跨梁；C12-位移测量架可移动钢杆。

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。

其中，附图仅用于示例性说明，表示的仅是示意图，而非实物图，不能理解为对本发明的限制；为了更好地说明本发明的实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。

本发明实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本发明的描述中，需要理解的是，若有术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”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，因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本发明的限制，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。

本实施方式提供如图1～图14所示的一种用于边坡振动台模型试验的多功能装置(单位：mm)包括多功能模型箱C1和可调节型位移测量架C2。其中，多功能模型箱C1由模型箱带“U”形把手钢板C3、模型箱可调节框箱C4、模型箱钢架C5、模型箱透明钢化玻璃C6、模型箱钢架固定杆C7和模型箱背部钢板C8组合而成；可调节型位移测量架C2由位移测量架钢立架C9、位移测量架横向钢跨梁C10、位移测量架竖向钢跨梁C11和位移测量架可移动钢杆C12组合而成。

所述模型箱带“U”形把手钢板C3是焊接于模型箱底部的矩形长钢板(如图5所示)，其平面几何尺寸为长×宽×厚＝1200mm×600mm×5mm，钢板四周一定间隔布置等直径螺孔，长边方向间隔距离为180mm，短边方向间隔距离为160mm，且孔径为10mm；长边方向每侧各焊接两个“U”形把手以便于搬运和吊装多功能模型箱C1，其外轮廓平面几何尺寸为长×宽×厚＝120mm×40mm×10mm，内轮廓平面几何尺寸为长×宽×厚＝100mm×30mm×10mm；模型箱带“U”形把手钢板C3与振动台台面通过高强度螺栓紧密地连接为一体，以保证多功能模型箱C1与振动台台面同步振动。

所述模型箱可调节框箱C4是由矩形钢板通过焊接组合而成的内空型长方体框架结构(如图6所示)，包括两种类型，一种直接与模型箱带“U”形把手钢板C3焊接为一体，其外框平面几何尺寸为长×宽×高＝1010mm×310mm×150mm，而内框平面几何尺寸为长×宽×高＝1000mm×300mm×150mm，其上下面为敞口，上面长边两侧焊接有长条矩形钢板，其平面几何尺寸为长×宽×厚＝805mm×27mm×5mm，且钢板一定间隔布置等直径螺孔，其间隔距离为150mm、孔径为10mm；一种通过高强度螺栓与焊接好的框箱紧密地连接为一体，其外框平面几何尺寸为长×宽×高＝1010mm×310mm×50mm，而内框平面几何尺寸为长×宽×高＝1000mm×300mm×50mm，其上下面为敞口，上下面长边两侧焊接有长条矩形钢板，其平面几何尺寸为长×宽×厚＝805mm×27mm×5mm，且钢板一定间隔布置等直径螺孔，其间隔距离为150mm、孔径为10mm；根据设计的边坡模型安装相应数量模型箱可调节框箱C4以满足试验要求。

所述模型箱钢架C5是由等边角钢通过焊接组合而成的梯形框架结构(如图7所示)，其外框平面几何尺寸的上底长为500mm、下底长为800mm、左侧腰长为1000mm、右侧腰长为1045mm，且等边角钢平面几何尺寸为边长×边长×厚＝30mm×30mm×3mm；模型箱钢架C5中部焊接等边角钢连接左右两侧以起加固作用，其位置距上下两边均为455mm；模型箱钢架C5角钢左侧两边一定间隔布置等直径螺孔，其中，角钢左侧一边间隔距离为60mm(除自上至下第8和第9个螺孔之间间隔距离为120mm外)、孔径为10mm，另一边间隔距离为250mm、孔径为5mm；模型箱钢架C5角钢右侧一边一定间隔布置等直径螺孔，其间隔距离为250mm、孔径为5mm；模型箱钢架C5角钢下侧一边一定间隔布置等直径螺孔，其间隔距离为150mm、孔径为10mm；模型箱钢架C5与模型箱可调节框箱C4通过高强度螺栓紧密地连接为一体。

所述模型箱透明钢化玻璃C6是连接于模型箱钢架C5内侧的梯形可视化钢化玻璃板(如图8所示)，分为上中下三块，自上至下第一块高为300mm、第二块高为400mm、第三块高为300mm，其整体拼合后成梯形，其平面几何尺寸的上底长为500mm、下底长为800mm、左侧腰长为1000mm、右侧腰长为1045mm、厚度为2mm；第一块模型箱透明钢化玻璃C6左右两侧一定间隔布置等直径螺孔，左侧间隔距离为100mm，右侧间隔距离包括90mm和105mm，其中间位置开孔且孔径为20mm，以用于接出埋设的传感器引线；第二块模型箱透明钢化玻璃C6左右两侧一定间隔布置等直径螺孔，左侧间隔距离为130mm，右侧间隔距离为145mm；第三块模型箱透明钢化玻璃C6左右两侧一定间隔布置等直径螺孔，左侧间隔距离为100mm，右侧间隔距离为105mm，其中间位置开孔且孔径为20mm，以用于接出埋设的传感器引线；模型箱透明钢化玻璃C6与模型箱钢架C5通过高强度螺栓紧密地连接为一体。

所述模型箱钢架固定杆C7是用于连接左右两侧模型箱钢架C5的圆柱形钢棒(如图9所示)，其长度为340mm、直径为5mm，且两端含一定长度的螺纹，其长度为30mm；模型箱钢架固定杆C7穿过模型箱钢架C5最上方螺孔后通过高强度螺栓紧密地连接为一体以起加固作用。

所述模型箱背部钢板C8是连接于模型箱背部的矩形长钢板(如图10所示)，其平面几何尺寸为长×宽×厚＝1000mm×364mm×5mm；钢板长边两侧一定间隔布置等直径螺孔，其间隔距离为60mm(除自上至下第8和第9个螺孔之间间隔距离为120mm外)、孔径为10mm；模型箱背部钢板C8与模型箱钢架C5通过高强度螺栓紧密地连接为一体。

所述位移测量架钢立架C9是由方形钢板和圆柱形钢棒通过焊接组合而成的梯形框架结构(如图11所示)，其方形钢板底座平面几何尺寸为长×宽×厚＝150mm×150mm×30mm；底座连杆为圆柱形钢棒，其长为200mm、直径为20mm，中间位置含一个螺孔，孔径为10mm；顶部连杆为圆柱形钢棒，其长为150mm、直径为20mm，中间位置含一个螺孔，孔径为10mm；斜连杆为圆柱形钢棒，其长为1500mm、直径为20mm。

所述位移测量架横向钢跨梁C10是用于连接两侧位移测量架钢立架C9的长条矩形钢板(如图12所示)，其平面几何尺寸为长×宽×厚＝1700mm×30mm×20mm，中间位置含一个螺孔，孔径为10mm，且两端各焊接一定长度的带螺纹圆柱形钢棒，其长为30mm、直径为10mm；位移测量架横向钢跨梁C10两端圆柱形钢棒穿过位移测量架钢立架C9上下两根圆柱形钢棒中间位置螺孔后通过高强度螺栓紧密地连接为一体。

所述位移测量架竖向钢跨梁C11是用于连接位移测量架横向钢跨梁C10的长条矩形钢板(如图13所示)，其平面几何尺寸为长×宽×厚＝1470mm×30mm×20mm，中间位置开槽贯穿，开槽长度为1070mm，且两端各焊接一定长度的带螺纹圆柱形钢棒，其长为30mm、直径为10mm；位移测量架竖向钢跨梁C11两端圆柱形钢棒穿过上下两根位移测量架横向钢跨梁C10中间位置螺孔后通过高强度螺栓紧密地连接为一体。

所述位移测量架可移动钢杆C12是用于固定位移传感器的圆柱形钢棒(如图14所示)，其一端含一定长度的螺纹，共计5根，自上至下长度依次为750mm、550mm、550mm、450mm和400mm，且直径为10mm、端头螺纹长为150mm；位移测量架可移动钢杆C12穿过位移测量架竖向钢跨梁C11中间空槽后通过高强度螺栓紧密地连接为一体，可根据实际位置需要在空槽内移动调整高度；顶部第一根位移测量架可移动钢杆C12呈“L”形，其竖向伸出段用于安装测量竖向变形的位移传感器，伸出段长度为35mm。

采用所述的一种用于边坡振动台模型试验的多功能装置进行试验的方法，具体步骤如下：

(1)设计边坡模型工况、传感器布设方案和地震波加载方案，并进一步组装多功能模型箱C1。

(2)砌筑边坡模型并埋设土压力传感器和加速度传感器。

(3)待已砌筑成型的边坡模型在自然状态下静置24h后，采用小型龙门架将多功能模型箱C1缓慢吊装至振动台台面(钢丝绳与“U”形把手绑扎连接为一体)，通过高强度螺栓将两者紧密地连接为一体，随后在振动台台面铺设一层彩条布，防止振动过程中垮落的块渣掉落至振动台台面下方的液压架坑槽内。

(4)组装可调节型位移测量架C2并安装位移传感器。

(5)将土压力传感器、加速度传感器和位移传感器引线与数据采集仪通道口相连接，并对数据采集系统进行调试(参数设置)以满足试验测试要求。

(6)根据地震波加载方案，对边坡模型进行激振并采集试验数据，同时观察、监测和记录边坡模型产生裂隙(缝)的位置、数量、长度、深度及发育、延伸、贯通起止方向，以及岩层层间错动量、弯曲、折断、垮落、掉块、滑移等损伤、失稳、破坏信息。

(7)待一个试验工况的边坡模型完全破坏后终止地震波加载，观察、监测和记录边坡模型最终破坏形态及变形信息，收集整个试验过程所观察、监测和记录的相关资料；拆卸数据采集仪通道口的传感器引线，将可调节型位移测量架C2挪动至宽敞位置；拆卸多功能模型箱C1，清理内部残余岩土块渣并取出所有传感器；清理垮落于彩条布上的岩土块渣并清洁试验场地。

(8)重复步骤(1)～(7)，继续开展其他试验工况的边坡振动台模型试验直至完成所有试验工况，并整合所有试验工况的相关试验数据。

可选的，所述步骤(1)具体步骤如下：

(1.1)根据实际需要安装相应数量模型箱可调节框箱C4，边坡模型砌筑过程中自下至上逐渐安装模型箱透明钢化玻璃C6，待边坡模型砌筑完成后安装模型箱钢架固定杆C7；

(1.2)在模型箱可调节框箱C4内和模型透明钢化玻璃C6表面描绘各岩层层面轮廓线；

(1.3)为降低多功能模型箱C1刚性壁边界效应的影响，选用一定厚度的聚苯乙烯塑料泡沫板作为吸波材料，将其紧贴于模型箱可调节框箱C4表面和模型箱背部钢板C8表面；

(1.4)为降低多功能模型箱C1与边坡模型间摩阻力的影响，在聚苯乙烯塑料泡沫板表面和模型箱透明钢化玻璃C6表面粘贴光滑洁净的聚氯乙烯塑料薄膜并涂抹润滑油。

可选的，所述步骤(2)具体步骤如下：

(2.1)根据边坡模型各岩层几何尺寸及密度值，计算出砌筑各岩层所需相似材料用量，并精确称量每一种相似材料干料，因搅拌和砌筑过程中材料不可避免有所损失，故每次称量应准备一定富余量；

(2.2)采用小型搅拌机将混合干料搅拌均匀，在称量完成的水中加入甘油和石膏缓凝剂后搅拌均匀，并分若干次加入混合干料中，因搅拌机搅拌易粘结成团，故采用人工方式搅拌均匀；

(2.3)将搅拌均匀的混合料铲入至模型箱可调节框箱C4内，采用夯锤等工具夯实至设计位置(已做标识)，每次夯实厚度宜在50mm～100mm之间，待夯实至设计位置和密实度后，在分层处均匀铺洒一层厚约1mm的细粒径干燥石英砂，随后均匀铺洒一层厚约1mm干燥云母片，尽可能将其表面修整平滑；

(2.4)待每一层岩体砌筑完成并基本达稳定状态后，重复步骤(2.1)～(2.3)，继续进行下一层岩体的砌筑；

(2.5)砌筑过程中根据传感器布设方案埋设坡内、坡顶、坡肩、坡面和坡脚土压力传感器及坡内加速度传感器，砌筑完成后根据传感器布设方案埋设坡顶、坡肩、坡面和坡脚加速度传感器。

可选的，所述步骤(4)具体步骤如下：

(4.1)将组装完成后的可调节型位移测量架C2平稳地放置于多功能模型箱C1正前方合适位置；

(4.2)将方形薄钢片水平插入坡顶斜面位移监测点一定深度，竖直插入坡肩、坡面和坡脚斜面位移监测点一定深度，并使用石膏加固；

(4.3)将位移传感器主体结构安装在位移测量架可移动钢杆C12未带螺纹一端端头，通过旋转螺纹调整位移测量架可移动钢杆C12位置，使位移传感器指针针头与方形薄钢片表面紧密接触。

最后说明的是，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 (5)

1.一种用于边坡振动台模型试验的多功能装置，其特征在于：包括多功能模型箱(C1)和可调节型位移测量架(C2)，多功能模型箱(C1)包括模型箱带“U”形把手钢板(C3)、模型箱可调节框箱(C4)、模型箱钢架(C5)、模型箱透明钢化玻璃(C6)、模型箱钢架固定杆(C7)和模型箱背部钢板(C8)；可调节型位移测量架(C2)包括位移测量架钢立架(C9)、位移测量架横向钢跨梁(C10)、位移测量架竖向钢跨梁(C11)和位移测量架可移动钢杆(C12)；

所述模型箱带“U”形把手钢板(C3)是焊接于模型箱底部的矩形长钢板，钢板四周一定间隔布置等直径螺孔，长边方向每侧各焊接两个“U”形把手以便于搬运和吊装多功能模型箱(C1)；模型箱带“U”形把手钢板(C3)与振动台台面通过高强度螺栓紧密地连接为一体，以保证多功能模型箱(C1)与振动台台面同步振动；

所述模型箱可调节框箱(C4)是由矩形钢板通过焊接组合而成的内空型长方体框架结构，包括两种类型，一种直接与模型箱带“U”形把手钢板(C3)焊接为一体，其上下面为敞口，而上面长边两侧焊接有长条矩形钢板且钢板一定间隔布置等直径螺孔，一种通过高强度螺栓与焊接好的框箱紧密地连接为一体，其上下面为敞口，上下面长边两侧焊接有长条矩形钢板且钢板一定间隔布置等直径螺孔；

所述模型箱钢架(C5)是由等边角钢通过焊接组合而成的梯形框架结构，其中部焊接等边角钢连接左右两侧以起加固作用，角钢左侧两边、角钢右侧一边和角钢下侧一边一定间隔布置等直径螺孔；模型箱钢架(C5)与模型箱可调节框箱(C4)通过高强度螺栓紧密地连接为一体；

所述模型箱透明钢化玻璃(C6)是连接于模型箱钢架(C5)内侧的梯形可视化钢化玻璃板，分为上中下三块且整体拼合后成梯形，其左右两侧一定间隔布置等直径螺孔；第一块模型箱透明钢化玻璃(C6)左右两侧一定间隔布置等直径螺孔，中间位置开孔以用于接出埋设的传感器引线；第二块模型箱透明钢化玻璃(C6)左右两侧一定间隔布置等直径螺孔；第三块模型箱透明钢化玻璃(C6)左右两侧一定间隔布置等直径螺孔，中间位置开孔以用于接出埋设的传感器引线；模型箱透明钢化玻璃(C6)与模型箱钢架(C5)通过高强度螺栓紧密地连接为一体；

所述模型箱钢架固定杆(C7)是用于连接左右两侧模型箱钢架的圆柱形钢棒，其两端含一定长度的螺纹；模型箱钢架固定杆(C7)穿过模型箱钢架(C5)最上方螺孔后通过高强度螺栓紧密地连接为一体起加固作用；

所述模型箱背部钢板(C8)是连接于模型箱背部的矩形长钢板，其长边两侧一定间隔布置等直径螺孔以用于连接模型箱钢架(C5)；模型箱背部钢板(C8)与模型箱钢架(C5)通过高强度螺栓紧密地连接为一体；

所述位移测量架钢立架(C9)是由方形钢板和圆柱形钢棒通过焊接组合而成的梯形框架结构，其上下两根圆柱形钢棒连杆中间位置各含一个螺孔；

所述位移测量架横向钢跨梁(C10)是用于连接两侧位移测量架钢立架(C9)的长条矩形钢板，其中间位置含一个螺孔，且两端各焊接一定长度的带螺纹圆柱形钢棒；位移测量架横向钢跨梁(C10)两端圆柱形钢棒穿过位移测量架钢立架(C9)上下两根圆柱形钢棒中间位置螺孔后通过高强度螺栓紧密地连接为一体；

所述位移测量架竖向钢跨梁(C11)是用于连接位移测量架横向钢跨梁(C10)的长条矩形钢板，其中间位置开槽贯穿，且两端各焊接一定长度的带螺纹圆柱形钢棒；位移测量架竖向钢跨梁(C11)两端圆柱形钢棒穿过上下两根位移测量架横向钢跨梁(C10)中间位置螺孔后通过高强度螺栓紧密地连接为一体；

所述位移测量架可移动钢杆(C12)是用于固定位移传感器的圆柱形钢棒，其一端含一定长度的螺纹，共计5根，且顶部第一根位移测量架可移动钢杆(C12)呈“L”形；位移测量架可移动钢杆(C12)穿过位移测量架竖向钢跨梁(C11)中间空槽后通过高强度螺栓紧密地连接为一体，可根据实际位置需要在空槽内移动调整高度。

2.基于权利要求1所述多功能装置的一种用于边坡振动台模型试验的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

(1)设计边坡模型工况、传感器布设方案和地震波加载方案，并进一步组装多功能模型箱(C1)；

(2)砌筑边坡模型并埋设土压力传感器和加速度传感器；

(3)待已砌筑成型的边坡模型在自然状态下静置24h后，采用小型龙门架将多功能模型箱(C1)缓慢吊装至振动台台面，钢丝绳与“U”形把手绑扎连接为一体，通过高强度螺栓将两者紧密地连接为一体，随后在振动台台面铺设一层彩条布，防止振动过程中垮落的块渣掉落至振动台台面下方的液压架坑槽内；

(4)组装可调节型位移测量架(C2)并安装位移传感器；

(5)将土压力传感器、加速度传感器和位移传感器引线与数据采集仪通道口相连接，并对数据采集系统进行调试以满足试验测试要求，调试内容为参数设置；

(6)根据地震波加载方案，对边坡模型进行激振并采集试验数据，同时观察、监测和记录边坡模型产生裂隙的位置、数量、长度、深度及发育、延伸、贯通起止方向，以及岩层层间错动量、弯曲、折断、垮落、掉块、滑移造成的损伤、失稳、破坏信息；

(7)待一个试验工况的边坡模型完全破坏后终止地震波加载，观察、监测和记录边坡模型最终破坏形态及变形信息，收集整个试验过程所观察、监测和记录的相关资料；拆卸数据采集仪通道口的传感器引线，将可调节型位移测量架(C2)挪动至宽敞位置；拆卸多功能模型箱(C1)，清理内部残余岩土块渣并取出所有传感器；清理垮落于彩条布上的岩土块渣并清洁试验场地；

(8)重复步骤(1)～(7)，继续开展其他试验工况的边坡振动台模型试验直至完成所有试验工况，并整合所有试验工况的相关试验数据。

3.根据权利要求2所述多功能装置的一种用于边坡振动台模型试验的方法，其特征在于，所述步骤(1)具体步骤如下：

(1.1)根据实际需要安装相应数量模型箱可调节框箱(C4)，边坡模型砌筑过程中自下至上逐渐安装模型箱透明钢化玻璃(C6)，待边坡模型砌筑完成后安装模型箱钢架固定杆(C7)；

(1.2)在模型箱可调节框箱(C4)内和模型箱透明钢化玻璃(C6)表面描绘各岩层层面轮廓线；

(1.3)为降低多功能模型箱(C1)刚性壁边界效应的影响，选用一定厚度的聚苯乙烯塑料泡沫板作为吸波材料，将其紧贴于模型箱可调节框箱(C4)表面和模型箱背部钢板(C8)表面；

(1.4)为降低多功能模型箱(C1)与边坡模型间摩阻力的影响，在聚苯乙烯塑料泡沫板表面和模型箱透明钢化玻璃(C6)表面粘贴光滑洁净的聚氯乙烯塑料薄膜并涂抹润滑油。

4.根据权利要求2所述多功能装置的一种用于边坡振动台模型试验的方法，其特征在于，所述步骤(2)具体步骤如下：

(2.1)根据边坡模型各岩层几何尺寸及密度值，计算出砌筑各岩层所需相似材料用量，并精确称量每一种相似材料干料，因搅拌和砌筑过程中材料不可避免有所损失，故每次称量应准备一定富余量；

(2.2)采用小型搅拌机将混合干料搅拌均匀，在称量完成的水中加入甘油和石膏缓凝剂后搅拌均匀，并分若干次加入混合干料中，因搅拌机搅拌易粘结成团，故采用人工方式搅拌均匀；

(2.3)将搅拌均匀的混合料铲入至模型箱可调节框箱(C4)内，采用夯锤工具夯实至设计位置，每次夯实厚度在50mm～100mm之间，待夯实至设计位置和密实度后，在分层处均匀铺洒一层厚1mm的细粒径干燥石英砂，随后均匀铺洒一层厚1mm干燥云母片，将其表面修整平滑；

(2.4)待每一层岩体砌筑完成并达稳定状态后，重复步骤(2.1)～(2.3)，继续进行下一层岩体的砌筑；

(2.5)砌筑过程中根据传感器布设方案埋设坡内、坡顶、坡肩、坡面和坡脚土压力传感器及坡内加速度传感器，砌筑完成后根据传感器布设方案埋设坡顶、坡肩、坡面和坡脚加速度传感器。

5.根据权利要求2所述多功能装置的一种用于边坡振动台模型试验的方法，其特征在于，所述步骤(4)具体步骤如下：

(4.1)将组装完成后的可调节型位移测量架(C2)平稳地放置于多功能模型箱(C1)正前方合适位置，将方形薄钢片水平插入坡顶斜面位移监测点一定深度，竖直插入坡肩、坡面和坡脚斜面位移监测点一定深度，并使用石膏加固；

(4.2)将位移传感器主体结构安装在位移测量架可移动钢杆(C12)未带螺纹一端端头，通过旋转螺纹调整位移测量架可移动钢杆(C12)位置，使位移传感器指针针头与方形薄钢片表面紧密接触。

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