CN111679060A - 一种地震与降雨耦合作用下角度可变边坡模型试验装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种地震与降雨耦合作用下角度可变边坡模型试验装置及方法，装置包括可调节边坡角度的模型箱、降雨系统、数据采集组件。降雨系统包括储水箱、水泵、供水主管、电子控制总阀、流量表、供水分管、电子控制分阀、喷头、水平滑槽、滚轮、喷淋支架、降雨系统支架；模型箱包括底板、前侧板、后侧板、左侧板、右侧板和过滤砂网；数据采集组件包括加速度传感器、孔压传感器、高速摄像机、三维激光扫描仪。降雨系统模拟降雨工况；用高速摄像机对边坡侧面进行拍摄，用三维激光扫描仪对坡体表面进行扫描。本发明可有效克服降雨系统无法精确控制的应用局限性，同时能够有效克服反应加速度时程和模型位移测量的局限性。

Description

一种地震与降雨耦合作用下角度可变边坡模型试验装置及 方法

技术领域

本发明涉及岩土地震工程技术领域，具体涉及一种地震与降雨耦合作用下角度可变边坡模型试验装置及方法。

背景技术

我国是一个地震多发的国家，因降雨和地震作用造成的边坡失稳进而产生的滑坡，导致了大量人员伤亡和财产损失。造成山体滑坡灾难的主要原因包括降雨和地震，其根本的原因均是由于山体受到极端自然力的作用。对此，边坡稳定性的研究成为一个十分重要的课题。研究降雨及地震荷载对边坡失稳性影响的根本任务是搞清降雨及地震作用下的边坡破坏机制，完成这个任务的主要标志是能够在实验室重演边坡破坏现象。如何实现还原性、可重复性和可操作性强等方面的试验要求成为工程技术人员和科研工作者一直追寻的目标。并且，针对不同土类、不同固土类型、不同坡度的边坡、降雨条件以及地震动影响进行分析，也可以为提高边坡稳定性提供不可缺少的重要数据。当前，还没有一种简单实用，可考虑地震降雨耦合影响且改变边坡坡脚的试验装置。

降雨和地震是诱发滑坡最主要的两个因素。深入研究降雨件下、地震条件下以及地震和降雨耦合作用下的边坡稳定性规律对滑坡的预测以及预报和边坡工程的涉及施工具有理论指导意义。然而，由于多因素作用导致滑坡的形成与发生是一种非常复杂的自然现象，所以仅仅靠室内的常规土工实验无法深入研究其边坡的破坏模式及其失稳机理。

目前，用于振动台试验用模型箱的降雨系统无法实现对降雨的精确控制，如实现局部不均匀降雨等，因此需要提供一种能精确控制降雨的振动台试验用模型箱。将边坡模型置于振动台上进行模型试验，是研究边坡地震动力响应规律的重要手段之一，对于分析边坡在动力荷载作用下响应特征有着独特的优势。迄今为止，试验中通常采用压载的方法对土样进行固结，模拟土体自然沉积过程，并采用削坡的方法实现自然坡角的模拟。但在削坡的过程，对坡脚的控制不好把握，并且在试验进行过程中很难实时地获取边坡的坡脚，很大程度上制约了对边坡破坏机制的研究。因此研究新的能够更加真实并容易实现的模型实验装置，对于滑坡触发机制的研究显得尤其迫切。

尽管有许多类似的模型实验，但该试验装置只能模拟地震作用，不能实现地震和降雨耦合作用下的边坡稳定性研究，也不能实现任意角度进行削坡的功能。而对于振动模型试验常在土体中埋设加速度传感器，记录不同位置的反应加速度时程。在试验过程中，加速度传感器方向应与振动方向一致，才能使记录数据和实际一致。但在强震作用下，加速度传感器位姿常常会发生变化，主要为倾斜和下沉，这可以通过将加速度传感器布置成直角状或增大与土体的摩擦来减小相对位移，但是却不能避免这一问题，并且当传感器位姿发生变化时，也无法获得变化的角度等信息。

对模型变形和位移的测量可分为点测量和面测量，常用的点测量传感器有差动式位移计和激光位移计等，需要将传感器固定在模型箱上或者设置标志物来辅助测量。点测量存在支点固定难，测量点有限等问题。面测量法主要是采用高速摄像系统进行图像采集并辅以图像分析方法进行位移量测，例如颗粒图像测速技术(PIV)。已有的面测量法多侧重于测量模型侧面的二维位移，忽略了对模型表面的三维位移的监测，然而坡面三维位移和裂缝的发展贯通也是需要监测的重要数据。三维激光扫描技术通过高速激光扫描测距方法获得大量点云数据，可以快速建立高精度高分辨率的数字高程模型，在静态形状测量和动态变形监测方面都得到了应用。该方法已被引入室内滑坡模型监测中，可以检测到坡面的微小变形，但已有的方法都将扫描仪架设在模型箱外，且设备较大，不适用于强震作用下的模型变化监测。

发明内容

发明目的：针对现有技术存在的问题，本发明提供一种地震与降雨耦合作用下角度可变边坡模型试验装置及方法，可有效克服降雨系统控制精度不高的局限性，能够对不均匀降雨工况进行模拟，并可实现降雨强度、降雨范围、降雨时长的实时调控，可实现根据试验需求对边坡模型进行任意角度的调整，作为模拟地震动情况下的综合测量方法，能够有效克服反应加速度时程和模型位移测量的局限性，并且能够对采集数据进行及时高效地处理。

技术方案：为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种地震与降雨耦合作用下角度可变边坡模型试验装置，包括可调节边坡角度的模型箱、降雨系统、数据采集组件；

所述模型箱为固装在振动台上的矩形箱体，包括底板、前侧板、后侧板、左侧板、右侧板和过滤砂网；所述后侧板与底板之间通过焊接相连，所述左侧板的左下角刻有一量角器，量角器底边平行于地面，左侧板上布设有标志点，左右侧板与前后侧板边框进行密封连接；所述前侧板可抽离地放置在前侧板边框的竖向滑槽内；所述过滤砂网位于前侧板边框后，通过其底部的两个铰链旋转至任意角度；

所述降雨系统包括储水箱、水泵、供水主管、电子控制总阀、流量表、供水分管、电子控制分阀、喷头、水平滑槽、第一滚轮、喷淋支架、降雨系统支架；所述降雨系统支架与地面相固连；两根水平滑槽通过螺栓固装在降雨系统支架上；所述第一滚轮安装在两根水平滑槽中间；所述喷淋支架与第一滚轮固接；所述储水箱放置在模型箱旁侧地面上，所述储水箱进水口连接水龙头，出水口与水泵相连；所述水泵放置在储水箱旁侧，与供水主管相连；所述供水主管固装在喷淋支架下；所述电子控制总阀固装在供水主管上；所述流量表固装在供水主管上；所述供水分管上端与供水主管相连，下端与喷头相连；在每一根供水分管上固装一个电子控制分阀；

所述数据采集组件包括加速度传感器、孔压传感器、高速摄像机、三维激光扫描仪；所述加速度传感器、孔压传感器安装在模型箱内预定的土层位置；所述加速度传感器具有直角形状，在直角处与陀螺仪固定；所述加速度传感器及陀螺仪密封防水；所述高速摄像机安装在左侧板外侧的固定架上；所述三维激光扫描仪安装在模型箱顶部伸缩杆上，三维激光扫描仪在伸缩杆底部可沿固定轴调整角度，伸缩杆竖向可伸缩，在水平向通过第二滚轮沿导轨移动，导轨通过螺栓固装在降雨系统支架上，并与模型箱不接触。

进一步的，在所述左侧板、右侧板以及后侧板的内表面加装有内衬层。

一种地震与降雨耦合作用下角度可变边坡模型试验方法，包括以下步骤：

步骤一：装填砂土前先将前侧板安放在前侧板边框的竖向滑槽内进行固定；

步骤二：采用砂雨法在模型箱内分层铺设砂土；

步骤三：在铺设砂土到达传感器埋设设定高度时，将加速度传感器、孔压传感器埋设到预定的土层位置，在振动台上安装加速度传感器用于记录真实输入的地震波信号；

步骤四：当填土达到边坡的设定高度后抽离前侧板，并根据试验要求将过滤砂网旋转至需要的角度，进行削坡；

步骤五：当模型箱内的边坡完成削坡后，静置h小时；

步骤六：将组装好的模型箱固装到振动台上，并放置在降雨系统正下方，通过降雨系统模拟降雨工况；

步骤七：在模型箱左侧板上布设直径为d的圆形标志点，将高速摄像机安装到左侧板外的固定架上；

步骤八：将三维激光扫描仪安装到模型箱顶部伸缩杆上，并在模型箱内壁布设靶点；

步骤九：启动离心机前用高速摄像机对边坡侧面进行拍摄作为初始基准图像，用三维激光扫描仪对坡体表面进行一次扫描作为初始基准点云；

步骤十：启动振动台，对边坡侧面进行录像监控，对坡面进行固定时间扫描采样。

有益效果：本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：

本发明的一种角度可变地震与降雨耦合边坡模型试验装置及方法，可有效克服降雨系统无法精确控制的应用局限性，能够满足对降雨强度、范围、大小、时间的实时可调，模拟各种降雨工况；可实现根据试验需要对边坡模型进行任意角度的调整；同时能够有效克服反应加速度时程和模型位移测量的局限性，加速度传感器与陀螺仪固定，可测传感器角度和位移随时间变化的关系；高速摄像机及三维激光扫描仪可对边坡侧面及坡体表面位移进行综合测量。

附图说明

图1为本发明的试验装置俯视图；

图2为本发明的试验装置剖面图；

图3为本发明的试验装置前视图；

图4为本发明的试验装置左视图；

图5为本发明的试验装置铰链图；

图6为本发明的试验装置外观图；

图7为本发明的试验装置中加速度传感器图；

图8为本发明的试验装置三维激光扫描仪图；

图9为本发明的试验装置喷头排布图；

图中，1-储水箱，2-水泵，3-供水主管，4-电子控制总阀，5-流量表，6-供水分管，7-电子控制分阀，8-喷头，9-水平滑槽，10-第一滚轮，11-喷淋支架，12-降雨系统支架，13-底板，14-后侧板，15-左侧板，16-右侧板，17-前侧板，18-前侧板边框，19-竖向滑槽，20-过滤砂网，21-铰链，22-量角器，23-加速度传感器，24-孔压传感器，25-固定架，26-高速摄像机，27-标志点，28-第二滚轮，29-伸缩杆，30-三维激光扫描仪，31-靶点，32-陀螺仪，33-导轨。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的技术方案作进一步的说明。

本发明所述的一种地震与降雨耦合作用下角度可变边坡模型试验装置，包括可调节边坡角度的模型箱、降雨系统、数据采集组件。

所述模型箱为固装在振动台上的矩形箱体，如图1-6所示，包括底板13、前侧板17、后侧板14、左侧板15、右侧板16和过滤砂网20；所述后侧板14与底板13之间通过焊接相连，所述左侧板15、右侧板16为有机玻璃板，所述左侧板15的左下角刻有一量角器22，量角器22底边平行于地面，在边坡削坡完成后可根据量角器22读出模型边坡的坡脚，左侧板15上布设有标志点27；在边坡填筑阶段，试验人员可以在每层填土填筑完毕后在各层贴近左侧板15、右侧板16处铺设彩砂，以便在后期从外部透过左侧板15和右侧板16观察边坡内土体位移的微小变化，左右两块侧板通过密封胶与后侧板14以及前侧板边框18进行密封连接；所述前侧板17在装填、密实砂土过程中放置在前侧板边框18的竖向滑槽19内，形成顶部、开口、四周及底面密封的刚性模型箱，前侧板17在调整角度时可抽离，只剩下位于前侧板边框18后的角度可调的过滤砂网20，同时解除了前侧板17对过滤砂网20的角度约束；如图5所示，所述过滤砂网20可根据试验需要借助其底部的两个铰链21旋转至任意角度，在所述左侧板15、右侧板16以及后侧板14的内表面加装有内衬层，用于降低边界效应。

所述降雨系统包括储水箱1、水泵2、供水主管3、电子控制总阀4、流量表5、供水分管6、电子控制分阀7、喷头8、水平滑槽9、第一滚轮10、喷淋支架11、降雨系统支架12；如图2～图4所示，所述降雨系统支架12与地面相固连，由四根长1200mm竖立角钢及两根水平角钢组成，比如，该竖立角钢和水平角钢可以是规格为边宽50mm，边厚5mm；两根水平滑槽9通过螺栓固装在降雨系统支架12上；所述第一滚轮10安装在两根水平滑槽9中间；所述喷淋支架11与第一滚轮10固接；所述储水箱1放置在模型箱旁侧地面上，所述储水箱1进水口通过塑料软管连接水龙头，出水口通过塑料软管与水泵2相连；所述水泵2放置在储水箱1旁侧，通过塑料软管与供水主管3相连；所述供水主管3固装在喷淋支架11下；所述电子控制总阀4固装在供水主管3上，控制整个降雨系统流量；所述流量表5固装在供水主管3上，实时观测降雨情况；所述供水分管6上端与供水主管3相连；在每一根供水分管6上固装一个电子控制分阀7，实现分区域不均匀降雨控制；所述喷头8与供水分管6下端相连，通过多个喷头8将所述储水箱1中储存的水经水泵2泵送后喷出。由所述水平滑槽9、第一滚轮10、喷淋支架11、供水主管3以及多个喷头8组成的降雨系统组件可以通过所述水平滑槽9以及所述第一滚轮10实现模型箱上方的整体滑动，精准控制整体降雨区域；通过所述电子控制总阀4、所述电子控制分阀7以及所述水泵2实现局部降雨区域的精确控制。所述喷头8排布设计方案如图9所示，共13个喷头8按照3只、2只沿纵向交错排布，所述喷头8有效降雨覆盖半径设定为20cm。

所述数据采集组件包括加速度传感器23、孔压传感器24、高速摄像机26、三维激光扫描仪30；如图2所示，所述加速度传感器23、孔压传感器24安装在模型箱内预定的土层位置；如图7所示，所述加速度传感器23具有直角形状，在直角处与陀螺仪32固定，可测传感器角度和位移随时间变化的关系；所述加速度传感器23及陀螺仪32经橡胶密封防水处理；如图1、图3和图4所示，所述高速摄像机26安装在左侧板15外侧的固定架25上，所述高速摄像机26结合布设于左侧板15上的标志点27可进行PIV分析，可测边坡侧面二维位移；如图2、图3和图8所示，所述三维激光扫描仪30安装在模型箱顶部伸缩杆29上，三维激光扫描仪30在伸缩杆29底部可沿固定轴调整角度，伸缩杆29竖向可伸缩，在水平向可通过第二滚轮28沿导轨33移动，导轨33通过螺栓固装在降雨系统支架12上，并与模型箱不接触。

本实施例中，测试对象为由相似材料配制的土质边坡；振动台输出的振动波选用EI-Centro地震波；模型箱的底板13、后侧板14、前侧板17和前侧板边框18均采用Q235B钢板，模型箱的左、右侧板采用有机玻璃板，模型箱各板接缝处采用的密封胶为704硅橡胶，模型箱的左、右侧板内表面的内衬层采用聚苯乙烯泡沫，模型箱的底板13与振动台之间采用螺栓进行固定连接。

一种地震与降雨耦合作用下角度可变边坡模型试验方法，采用了所述的角度可调的地震与降雨耦合边坡模型试验装置，包括以下步骤：

步骤一：在装填砂土前先将可抽离的前侧板17借助前侧板边框18两边的竖向滑槽19固定在初始位置，固定完成后形成一个顶部开口的封闭模型箱，其中前侧板17的插入将可自由旋转的过滤砂网20角度固定在90°；

步骤二：采用砂雨法在模型箱内分层铺设砂土，每铺设一层砂土，都需要对砂层表面进行平整、压实、刮毛的操作；

步骤三：在铺设砂土到达传感器埋设设定高度时，将加速度传感器23、孔压传感器24埋设到预定的土层位置，在振动台上安装加速度传感器23用于记录真实输入的地震波信号；在本实施例中，共布设8个加速度传感器23，6个孔压传感器24，全部布设在边坡中剖面上，具体布设位置如图2所示；

步骤四：当填土达到边坡的设定高度后抽离前侧板17，根据试验要求并参照左侧板15上的量角器22将前面的过滤砂网20借助其底部铰链21旋转至需要的角度，进行削坡；

步骤五：当模型箱内的边坡完成削坡后，可将过滤砂网20水平放置，并静置边坡24小时；

步骤六：将组装好的模型箱固装到振动台上，并放置在降雨系统正下方，通过降雨系统模拟降雨工况；

步骤七：在模型箱左侧板15上布设直径4mm圆形标志点27，将高速摄像机26安装到左侧板15外的固定架25上；在本实施例中，标志点27圆心间距均为100mm；

步骤八：将两台三维激光扫描仪30安装到模型箱顶部伸缩杆29上，并在模型箱内壁布设靶点31；在本实施例中，在左右两侧板内壁分别布设两个直径为4mm的靶点31，分别在坡顶中部上方和坡面中部45°斜上方；

步骤九：启动离心机前用高速摄像机26对边坡侧面进行拍摄作为初始基准图像，用三维激光扫描仪30对坡体表面进行一次扫描作为初始基准点云；

步骤十：启动振动台，对边坡侧面进行录像监控，对坡面进行固定时间扫描采样。

以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种地震与降雨耦合作用下角度可变边坡模型试验装置，其特征在于：该装置包括可调节边坡角度的模型箱、降雨系统、数据采集组件；

所述模型箱为固装在振动台上的矩形箱体，包括底板、前侧板、后侧板、左侧板、右侧板和过滤砂网；所述后侧板与底板之间通过焊接相连，所述左侧板的左下角刻有一量角器，量角器底边平行于地面，左侧板上布设有标志点，左右侧板与前后侧板边框进行密封连接；所述前侧板可抽离地放置在前侧板边框的竖向滑槽内；所述过滤砂网位于前侧板边框后，通过其底部的两个铰链旋转至任意角度；

所述降雨系统包括储水箱、水泵、供水主管、电子控制总阀、流量表、供水分管、电子控制分阀、喷头、水平滑槽、第一滚轮、喷淋支架、降雨系统支架；所述降雨系统支架与地面相固连；两根水平滑槽通过螺栓固装在降雨系统支架上；所述第一滚轮安装在两根水平滑槽中间；所述喷淋支架与第一滚轮固接；所述储水箱放置在模型箱旁侧地面上，所述储水箱进水口连接水龙头，出水口与水泵相连；所述水泵放置在储水箱旁侧，与供水主管相连；所述供水主管固装在喷淋支架下；所述电子控制总阀固装在供水主管上；所述流量表固装在供水主管上；所述供水分管上端与供水主管相连，下端与喷头相连；在每一根供水分管上固装一个电子控制分阀；

所述数据采集组件包括加速度传感器、孔压传感器、高速摄像机、三维激光扫描仪；所述加速度传感器、孔压传感器安装在模型箱内预定的土层位置；所述加速度传感器具有直角形状，在直角处与陀螺仪固定；所述加速度传感器及陀螺仪密封防水；所述高速摄像机安装在左侧板外侧的固定架上；所述三维激光扫描仪安装在模型箱顶部伸缩杆上，三维激光扫描仪在伸缩杆底部可沿固定轴调整角度，伸缩杆竖向可伸缩，在水平向通过第二滚轮沿导轨移动，导轨通过螺栓固装在降雨系统支架上，并与模型箱不接触。

2.根据权利要求1所述的一种地震与降雨耦合作用下角度可变边坡模型试验装置，其特征在于：在所述左侧板、右侧板以及后侧板的内表面加装有内衬层。

3.根据权利要求1或2所述的一种地震与降雨耦合作用下角度可变边坡模型试验装置，其特征在于：所述左侧板、右侧板采用有机玻璃板。

4.基于权利要求1所述装置实现的一种地震与降雨耦合作用下角度可变边坡模型试验方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：

步骤一：装填砂土前先将前侧板安放在前侧板边框的竖向滑槽内进行固定；

步骤二：采用砂雨法在模型箱内分层铺设砂土；

步骤三：在铺设砂土到达传感器埋设设定高度时，将加速度传感器、孔压传感器埋设到预定的土层位置，在振动台上安装加速度传感器用于记录真实输入的地震波信号；

步骤四：当填土达到边坡的设定高度后抽离前侧板，并根据试验要求将过滤砂网旋转至需要的角度，进行削坡；

步骤五：当模型箱内的边坡完成削坡后，静置h小时；

步骤六：将组装好的模型箱固装到振动台上，并放置在降雨系统正下方，通过降雨系统模拟降雨工况；

步骤七：在模型箱左侧板上布设直径为d的圆形标志点，将高速摄像机安装到左侧板外的固定架上；

步骤八：将三维激光扫描仪安装到模型箱顶部伸缩杆上，并在模型箱内壁布设靶点；

步骤九：启动离心机前用高速摄像机对边坡侧面进行拍摄作为初始基准图像，用三维激光扫描仪对坡体表面进行一次扫描作为初始基准点云；

步骤十：启动振动台，对边坡侧面进行录像监控，对坡面进行固定时间扫描采样。

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