CN111610111B - 模拟冰雹条件下土体崩解试验方法 - Google Patents

模拟冰雹条件下土体崩解试验方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种模拟冰雹条件下土体崩解试验方法。其中采用的试验设备包括若干球体、球体存储器、网板和收集器，若干球体盛放在球体存储器中，球体存储器位于网板上方，收集器位于网板的下方，在收集器中或收集器上设置液位测量装置。本试验方法能够计算出体积崩解量、体积崩解速率、质量崩解量和质量崩解速率。由此，本发明的试验方法能够形成固相物理点荷载冲击，可以模拟冰雹条件下土体的崩解过程，计算出土体体积和质量崩解量以及体积和质量崩解速率，从而为短时急剧冰雹条件下土体崩解侵蚀破坏，地表地理景观、水土保持提供定性和定量的评价。同时本发明中采用的试验设备结构简单、测量计算便捷、使用方便。

Description

模拟冰雹条件下土体崩解试验方法
技术领域
本发明涉及岩土工程试验技术领域，尤其涉及一种模拟冰雹条件下土体崩解试验方法。
背景技术
受全球气候变化影响，极端气候事件的发生频率和强度均呈显著加剧趋势，并通过各种方式作用于岩土体，诱发一系列的岩土体灾害，给当前工程地质研究带来许多新的挑战。短时间的急剧冰雹天气条件对结构性黏质土体产生短时间点荷载冲击，造成结构性黏质土体崩解、破坏，进而引起地表岩土体的物理结构的改变，容易造成水土的侵蚀、流失，地表景观的改变。
针对极端冰雹天气情况下结构性黏质土体崩解性的研究，主要存在以下问题：一、缺乏专门用于结构性黏质土体冰雹球体点荷载冲击崩解试验的试验设备和试验方法；二、现有降雨水滴冲击试验均为液相冲击，无法模拟固相球体点荷载冲击，二者的冲击强度、作用方式均不同。
发明内容
(一)要解决的技术问题
本发明的目的在于弥补现有技术的空白，提供模拟冰雹条件下土体崩解试验方法。
(二)技术方案
为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案：
本发明提供一种模拟冰雹条件下土体崩解试验方法，试验方法采用如下试验设备：试验设备包括若干球体、球体存储器、网板、收集器、液位测量装置和质量测量装置；球体存储器的底部设有球体排出口，球体排出口位于网板上方，球体排出口处设有开关阀；收集器位于网板的下方，用于盛放液体，质量测量装置承托收集器，液位测量装置设置在收集器上或设置在收集器中；试验方法包括如下步骤：球体存储器中盛放有体积为Vb、质量为Mb的若干球体，将土体试样放置在网板上，并且土体试样位于球体排出口的正下方，在收集器中注入液体，打开球体排出口，开始计时，直至试样完全崩解落入收集器中；其中，通过液位测量装置和质量测量装置获取开始前收集器的初始液位值V0和初始质量M0，在崩解过程中通过液位测量装置和质量测量装置获取时间为t时收集器的液位值Vt和质量Mt，以及在崩解过程中获取时间为t时落在收集器中的球体的个数n，通过液位测量装置和质量测量装置获取试样完全崩解落入收集器后收集器的最终液位值Vs和最终质量Ms；
根据如下公式计算试样在时间t时的体积崩解量At：
Figure BDA0002551493670000021
根据如下公式计算试样在时间t内的体积崩解速率Bt：
Figure BDA0002551493670000022
根据如下公式计算试样在时间t时的质量崩解量Ct：
Figure BDA0002551493670000023
根据如下公式计算试样在时间t内的质量崩解速率Dt：
Figure BDA0002551493670000024
根据本发明，球体存储器至少在底部呈上大下小的锥形，内壁光滑，球体排出口设于小端。
根据本发明，球体存储器的顶部敞开形成球体注入口；或者球体存储器上设有球体注入口以及可开关球体注入口的盖子。
根据本发明，球体的材质为冰，球体存储器设有隔热层；或者球体的材质为玻璃或金属。
根据本发明，还包括竖向支架；球体存储器和网板均高度可调地连接在竖向支架上，竖向支架上有竖向刻度。
根据本发明，网板和球体存储器均通过横向支架高度可调地连接在竖向支架上；网板可拆卸地且可横向移动地连接在横向支架上。
根据本发明，球体的直径在0.1-0.5cm的范围内；网板的网孔大于球体，以使球体能够穿过网孔。
根据本发明，土体试样为正方体，网板中放置土体试样的区域的尺寸与土体试样相同。
根据本发明，开关阀的开度可调。
根据本发明，打开球体排出口前，调节球体存储器和/或网板的高度，使得球体排出口与土体试样的顶面的距离位于10-50cm的范围内。
(三)有益效果
与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：
本发明的模拟冰雹条件下土体崩解试验方法，通过球体的下落来模拟冰雹对土体的冲击，并且直接采用收集器中液体的液位以及收集器和其中内容物的质量来分别计算体积和质量崩解量与崩解速率。由此，本发明的试验方法能够形成固相物理点荷载冲击，可以模拟冰雹条件下土体的崩解过程，以用于计算土体体积和质量崩解量与崩解速率，从而为短时急剧冰雹条件下土体崩解侵蚀破坏，地表地理景观、水土保持提供定性和定量的评价。同时本发明中采用的试验设备结构简单、测量计算便捷、使用方便。
附图说明
图1是如下具体实施方式中的试验方法所采用的试验设备的结构示意图；
图2为实验获得的体积崩解量和体积崩解速率的曲线图；
图3为实验获得的质量崩解量和质量崩解速率的曲线图。
【附图标记】
1：球体；2：球体存储器；3：开关阀；4：第一横向支架；5：第一螺栓；6：竖向支架；7：第二横向支架；8：第二螺栓；9：底座；10：收集器；11：刻度；12：网板；13：土体试样；14：刻度；15：第一斜向支架；16：第三螺栓；17：第二斜向支架；18：第四螺栓；19：质量测量装置。
具体实施方式
为了更好的解释本发明，以便于理解，下面结合附图，通过具体实施方式，对本发明作详细描述。
本实施例提供一种模拟冰雹条件下土体崩解试验方法。
参照图1，本实施例的试验方法所采用的试验设备包括若干球体1、球体存储器2、网板12、竖向支架6、第一横向支架4、第二横向支架7、底座9、第一斜向支架15、第二斜向支架17和收集器10。
竖向支架6的底部连接底座9，以增加竖向支架6的稳定程度。竖向支架6通过底座9支承在支撑面(例如地面或试验台的台面)上。竖向支架6上有竖向刻度14。
球体存储器2通过第一横向支架4高度可调地连接在竖向支架6上。根据竖向支架6上的刻度14，可以知晓球体存储器2的高度。具体地，在竖向支架6上有竖向的多个通孔，通过第一螺栓5穿过竖向支架6上的任一通孔与第一横向支架4的一端连接，以固定第一横向支架4，而第一横向支架4的另一端固定球体存储器2。当然，实现球体存储器2高度可调的连接在竖向支架上的结构不局限于上述，例如竖向支架6上的所有通孔可以改为一个通槽，这样球体存储器2就可以固定在任意高度；或者竖向支架6上可以安装竖向滑轨，第一横向支架4的一端与竖向滑轨连接，并且可设置锁紧件，当第一横向支架4沿滑轨滑动到需要的高度时对第一横向支架4进行锁紧。
球体存储器2用于盛放若干球体1。如图1所示，球体存储器2的顶部敞开形成球体注入口，球体1可在试验前就注入球体存储器2，也可以在试验过程中注入球体存储器2。当然，本发明不局限于此，球体存储器2的球体注入口可以在球体存储器2的顶部或侧部，根据需要可设置开关球体注入口的盖子，以形成封闭的球体存储器2。
球体存储器2的底部设有球体排出口，用于排出球体1。在球体排出口处设有开度可调的开关阀3，以模拟不同程度的冰雹。在本实施例中，球体存储器2至少底部呈上大下小的锥形，球体排出口设于小端，如此设计便于球体1的下落。
球体存储器2中的球体1用于模仿固相冰雹，可为实心球或空心球。为更加还原实际情景，球体1的材质优选为冰，此时，球体存储器2设有隔热层，以保持球体1的形态和尺寸基本不变。当然，根据实际需求，球体1的材质也可以是玻璃或金属，例如钢球，此时优选球体的密度等于冰的密度。此外，球体1的直径在0.1-0.5cm的范围内，每次试验可采用不同大小的球体1，模拟不同程度的冰雹。在本实施例中，以直径为0.5cm的空心球体为优，体积为0.523cm3，质量为0.478g，密度为0.92g/cm3(冰的密度)。
考虑到小球的尺寸和材质，在竖向支架6和第一横向支架4之间加设了第一斜向支架15，第一斜向支架15的两端分别与竖向支架6和第一横向支架4连接，第一斜向支架15与第一横向支架4固定连接，第一斜向支架15与竖向支架6通过第三螺栓16连接，以适应第一横向支架4的高度调节。
网板12用于承载土体试样13。网板12通过第二横向支架7高度可调地连接在竖向支架6上，并且位于球体存储器2的下方。根据竖向支架6上的刻度14，可以知晓网板12的高度。通过第二螺栓8穿过竖向支架6上的任一通孔与第二横向支架7的一端连接，可以固定第一横向支架4，第二横向支架7的另一端固定网板。当然，不局限于上述，竖向支架6上设置通槽时，网板12也可以通过第二螺栓8固定在任何高度；或者竖向支架6上安装竖向滑轨时，第二横向支架7与竖向滑轨连接，并且设置锁紧件，当第二横向支架7沿滑轨滑动到需要的高度时对第二横向支架7进行锁紧。
如此，可通过改变网板12和/或球体存储器2的高度，来改变球体1的下落到土体试样13上的路程，模拟不同情景。
进一步，网板12可拆卸地且可横向移动地连接在第二横向支架7上。一方面，网板12可拆卸是为了适应不同直径的球体1来更换具有不同尺寸网孔的网板12，但网板12的网孔应大于球体1，以使球体1能够穿过网孔，一般而言，网板12可为1平方厘米的正方形孔或圆孔。另一方面，第二横向支架7上设置插槽，网板12有扁平的伸出端插入插槽，这样插入深度的改变使得网板12可在第二横向支架7上横向移动，以便网板12能够位于球体排出口的正下方。网板12的材料可为金属。
由于网板12需要承托试样以及受到球体的冲击，在竖向支架6和第二横向支架7之间加设了第二斜向支架17，第二斜向支架17的两端分别与竖向支架6和第二横向支架7连接，第二斜向支架17与第二横向支架7固定连接，第二斜向支架17与第二横向支架7通过第四螺栓18连接，以适应第二横向支架7的高度调节。
其中，底座9、竖向支架6、第一横向支架4、第二横向支架7、第一斜向支架15和第二斜向支架17的材料可以是木材或者金属，结构刚度高，不变形。
进一步，参照图1，收集器10位于网板12的下方，质量测量装置19放在底座9上，收集器10放置在质量测量装置19上，收集器10用于盛放液体(例如水)，并收集下落的球体1以及崩解的土体，质量测量装置19用于检测收集器10和里面液体、掉落的土体和球体的总质量。在本实施例中，收集器10是透明的，液位测量装置11为设置在收集器10上的观测其中液位的刻度，例如收集器10可以是圆形、方形的量杯等，其材料可为玻璃、塑料、树脂等透明材料。当然，本发明中的“透明”并不限定为必须是完全透明，只要能够从外面看清收集器10里的液位即可。此外，本发明不局限于此，液位测量装置11还可以为电子液位仪，该电子液位仪放置在收集器10中，自动测量收集器10中的液位。质量测量装置19优选为电子天平秤。
进一步，本实施例的试验方法包括如下步骤：
收集器10中盛放体积为Vb、质量为Mb的若干球体1，此时开关阀3关闭；
网板12调节为其中放置土体试样13的区域的尺寸与土体试样13相同，并且网板12位于球体排出口的正下方；
土体试样13为直径与高相等的圆柱体或者正方体，直径/边长为5-10厘米，以5cm最优。将土体试样13放置在网板12上，这样土体试样13也位于球体排出口的正下方；
调节收集器10距离土体试样13的顶部长度为L，范围为10～50cm，以30cm为最优；
在收集器10中注入液体，通过液位测量装置11获取开始前收集器10的初始液位值V0，在本实施例中，V0优选为200mL。通过质量测量装置19获取开始前收集器10的初始质量M0(收集器10和其中液体)；
打开开关阀3至适当开度，即打开了球体排出口，控制球体的下落速度为1个/秒，开始计时，球体接连掉落在土体试样上，土体试样受到撞击，逐渐崩解通过网板的网孔掉入收集器10中，直至试样完全崩解落入收集器10中，停止计时。其中，大部分球体反弹落入收集器10，少部分球体停留在土体试样上，这些球体随着土体试样而掉落到收集器10中，当然，可能还有一些球体因为与土体或其他球体的撞击而飞到收集器10外。
其中，通过液位测量装置11和质量测量装置19，在崩解过程中获取时间为t时收集器10的液位值Vt和质量Mt，以及在崩解过程中获取时间为t时落在收集器10中的球体1个数n，最后通过液位测量装置11和质量测量装置19获取试样完全崩解落入收集器10后收集器10的最终液位值Vs和最终质量Ms，可理解，“收集器10的最终质量Ms”并非表示收集器10自身最终的质量，而是包含了收集器10、其中的液体、落入其中的球体以及崩解的土体的质量。其中，t为变量，可按t＝1min、2min、3min、4min、5min…，即选取以1min的等间隔时间段的多个数值作为t，测量出多组数据，并描述各该时试样的崩解情况。
根据如下公式计算试样在时间t时的体积崩解量At：
Figure BDA0002551493670000081
根据如下公式计算试样在时间t内的体积崩解速率Bt：
Figure BDA0002551493670000082
根据如下公式计算试样在时间t时的质量崩解量Ct：
Figure BDA0002551493670000083
根据如下公式计算试样在时间t内的质量崩解速率Dt：
Figure BDA0002551493670000084
上述方法中获取时间为t时落在收集器10中的球体1个数n的方法，可以是直接数此时收集器10中的球体1的个数，也可以是通过计算已下落个数与落在收集器10外的球体1的个数以及停留在网板上的球体1的个数的差值。
如下，举例一具体实验数据：
本实验中，收集器10距离土体试样13的顶部长度为30cm，球体直径为5mm、密度为0.92g/cm3的空心钢球，试样的边长为5cm，球体的下落速度为1个/s。试样进行分析，结果如下：
Figure BDA0002551493670000085
Figure BDA0002551493670000091
说明：1：浸水后的体积变化量并不等于未浸水时的体积变化量是因为浸水后的试样中空隙中空气消散，测得的为固体和液体的体积。2：如果采用刻度读数，则体积变化量为小数后一位，如采用液位仪，体积变化量可达到小数后两位或三位，读数精度更高；3：试样引起的体积变化量和质量变化量已刨除球体引起的体积和质量变化；
根据上面表格，绘制出图2和图3。
(1)按照体积崩解量划分等级：
根据达到50％体积崩解量所用的时间，将试样抗崩解能力划分为轻微崩解、较弱崩解、中等崩解、较强崩解、容易崩解五个等级。
(2)按照质量崩解速率划分等级
试样的初始受力表现直接决定了后续结构的抗崩解能力，因此按照第一分钟试样的的质量崩解速率进行试样抗崩解能力的划分，同样划分为轻微崩解、较弱崩解、中等崩解、较强崩解、容易崩解五个等级。
具体如下：
表1-试样抗崩解能力评估
Figure BDA0002551493670000101
如果出现体积崩解评级和质量崩解评级不一样的时候，此时采用各自系数进行进一步计算。
表2-抗崩解系数
Figure BDA0002551493670000102
通过该抗崩解能力评估表，从体积抗崩解方面进行评估，评估等级为较难崩解，0.75，从质量评估能力评估，仍然为较难崩解，0.75，综合崩解系数0.75×0.5+0.75×0.5＝0.75，属于较难崩解范围，定为较难崩解能力。
如果出现从体积评估抗崩解能力为中等崩解，0.5，从质量评估抗崩解能力为较难崩解，0.75，则综合抗崩解能力系数为0.5×0.5+0.75×0.5＝0.625，介于0.6～0.8之间，定为较难崩解；同理类推。
综上，实现从体积和质量两个方面综合评估试样抗崩解能力。
由此，本实施例的模拟冰雹条件下土体崩解试验方法，通过球体1的下落来模拟冰雹对土体的冲击，并且直接采用收集器中液体的液位以及收集器及其内容物的总质量分别计算体积和质量崩解量与崩解速率。由此，本实施例的试验方法能够形成固相物理点荷载冲击，可以模拟冰雹条件下土体的崩解过程，分别计算出土体体积和质量崩解量和崩解速率，从而为短时急剧冰雹条件下土体崩解侵蚀破坏，地表地理景观、水土保持提供定性和定量的评价。同时本实施例中采用的试验设备结构简单、测量计算便捷、使用方便。并且，特别适用于结构性黏质土体试样。
以上，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对发明做其它形式的限制，任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或改型为等同变化的等效实施例。但是凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与改型，仍属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (10)

1.一种模拟冰雹条件下土体崩解试验方法，其特征在于，
所述试验方法采用如下试验设备：
所述试验设备包括若干球体(1)、球体存储器(2)、网板(12)、收集器(10)、液位测量装置(11)和质量测量装置(19)；
所述球体存储器(2)的底部设有球体排出口，所述球体排出口位于所述网板(12)上方，所述球体排出口处设有开关阀(3)；
所述收集器(10)位于所述网板(12)的下方，用于盛放液体并收集下落的球体(1)以及崩解的土体，所述质量测量装置(19)承托所述收集器(10)，用于检测所述收集器(10)和里面液体、掉落的土体和球体的总质量；所述液位测量装置(11)设置在所述收集器(10)上以观测其中液位，或设置在所述收集器(10)中自动测量所述收集器(10)中的液位；
所述试验方法包括如下步骤：
所述球体存储器(2)中盛放有体积为Vb、质量为Mb的若干球体(1)，将土体试样(13)放置在所述网板(12)上，并且所述土体试样(13)位于所述球体排出口的正下方，在所述收集器(10)中注入液体，打开所述球体排出口，开始计时，直至试样完全崩解落入所述收集器(10)中；
其中，通过所述液位测量装置(11)和所述质量测量装置(19)获取开始前所述收集器(10)的初始液位值V0和初始质量M0，在崩解过程中通过所述液位测量装置(11)和所述质量测量装置(19)获取时间为t时所述收集器(10)的液位值Vt和质量Mt，以及在崩解过程中获取时间为t时落在所述收集器(10)中的球体(1)的个数n，通过所述液位测量装置(11)和所述质量测量装置(19)获取试样完全崩解落入所述收集器(10)后所述收集器(10)的最终液位值Vs和最终质量Ms；
根据如下公式计算试样在时间t时的体积崩解量At：
Figure FDA0003984421170000011
根据如下公式计算试样在时间t内的体积崩解速率Bt：
Figure FDA0003984421170000021
根据如下公式计算试样在时间t时的质量崩解量Ct：
Figure FDA0003984421170000022
根据如下公式计算试样在时间t内的质量崩解速率Dt：
Figure FDA0003984421170000023
2.根据权利要求1所述的模拟冰雹条件下土体崩解试验方法，其特征在于，
所述球体存储器(2)至少在底部呈上大下小的锥形，内壁光滑，所述球体排出口设于小端。
3.根据权利要求1所述的模拟冰雹条件下土体崩解试验方法，其特征在于，
所述球体存储器(2)的顶部敞开形成球体注入口；或者
所述球体存储器(2)上设有球体注入口以及可开关所述球体注入口的盖子。
4.根据权利要求1所述的模拟冰雹条件下土体崩解试验方法，其特征在于，
所述球体(1)的材质为冰，所述球体存储器(2)设有隔热层；或者
所述球体(1)的材质为玻璃或金属。
5.根据权利要求1所述的模拟冰雹条件下土体崩解试验方法，其特征在于，还包括竖向支架(6)；
所述球体存储器(2)和所述网板(12)均高度可调地连接在所述竖向支架(6)上，所述竖向支架(6)上有竖向刻度(14)。
6.根据权利要求5所述的模拟冰雹条件下土体崩解试验方法，其特征在于，
所述网板(12)和所述球体存储器(2)均通过横向支架高度可调地连接在所述竖向支架(6)上；
所述网板(12)可拆卸地且可横向移动地连接在所述横向支架上。
7.根据权利要求1所述的模拟冰雹条件下土体崩解试验方法，其特征在于，
所述球体(1)的直径在0.1-0.5cm的范围内；
所述网板(12)的网孔大于所述球体(1)，以使所述球体(1)能够穿过所述网孔。
8.根据权利要求1所述的模拟冰雹条件下土体崩解试验方法，其特征在于，
所述土体试样(13)为正方体，所述网板(12)中放置土体试样(13)的区域的尺寸与所述土体试样(13)相同。
9.根据权利要求1所述的模拟冰雹条件下土体崩解试验方法，其特征在于，
所述开关阀的开度可调。
10.根据权利要求1所述的模拟冰雹条件下土体崩解试验方法，其特征在于，
打开所述球体排出口前，调节所述球体存储器(2)和/或所述网板(12)的高度，使得所述球体排出口与所述土体试样的顶面的距离位于10-50cm的范围内。
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