CN111812297A - 一种台风作用下残积土斜坡力学响应特征的试验系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种台风作用下残积土斜坡力学响应特征的试验系统，包括风洞实验室、风机和试验斜坡模型，风机设置在风洞实验室一条边的中部，试验斜坡模型设置在风洞实验室另一条边的中部，模型试验框架设有斜坡面，斜坡面上铺设有模型残积土层，模型植被设置在模型残积土层上，模型残积土层和模型植被上均设有若干监测孔，且各监测孔内均设有风压管，动态数据采集分析系统分别与各风压管连接。本发明的有益效果：本发明通过在风洞实验室设置试验斜坡模型以模拟残积土斜坡，并通过动态数据采集分析系统实时获取不同台风风速作用下模型植被和模型残积土层的风压数据，从而可研究台风作用下高植被覆盖区残积土的力学响应特征。

Description

一种台风作用下残积土斜坡力学响应特征的试验系统

技术领域

本发明涉及地质灾害技术领域，尤其涉及一种台风作用下残积土斜坡力学响应特征的试验系统。

背景技术

滑坡灾害对人类社会生活的影响已经成为了一个不容忽视的难题，成为了仅次于地震灾害的第二大自然灾害。在我国，由于特殊的气象条件和地质条件，滑坡地质灾害分布广泛，活动强烈，危害严重。我国东南沿海地区，每年在台风作用下，大量的残积土滑坡失稳；当前针对残积土滑坡失稳机制的研究主要集中在降雨、岩性及人类工程活动上。近年来，有学者研究发现，超强台风的风荷载作用，对东南沿海地区高植被覆盖下的残积土斜坡失稳具有关键的作用。

目前，研究残积土滑坡失稳机制的模拟试验系统较多，其主要是研究降雨、岩性、切坡等对残积土滑坡失稳的影响,而针对台风作用对高植被覆盖区残积土的影响的试验系统的研制工作尚属空白。因此，为了研究台风作用对高植被覆盖区残积土滑坡失稳的影响，亟需提出一种新的滑坡模拟试验系统

发明内容

有鉴于此，本发明的实施例提供了一种台风作用下残积土斜坡力学响应特征的试验系统。

本发明的实施例提供一种台风作用下残积土斜坡力学响应特征的试验系统，包括风洞实验室,以及设置在所述风洞实验室内的风机和试验斜坡模型，所述风洞实验室的截面为跑道形，且其四个拐角上均设有多个平行设置的弧形导流片，所述风机设置在所述风洞实验室一条边的中部，所述试验斜坡模型设置在所述风洞实验室另一条边的中部，所述试验斜坡模型包括模型试验框架、模型植被和动态数据采集分析系统，所述模型试验框架设有斜坡面，所述斜坡面正对着风载方向，且所述斜坡面上铺设有模型残积土层，所述模型植被设置在所述模型残积土层上，所述模型残积土层和所述模型植被上均设有若干监测孔，且各所述监测孔内均设有风压管，所述动态数据采集分析系统分别与各所述风压管连接，用于收集、记录并分析各所述风压管的风压数据。

进一步地，包括蜂窝器，所述蜂窝器设置在所述风洞实验室内，且其位于所述风机和所述试验斜坡模型之间。

进一步地，所述动态数据采集分析系统包括风压扫描阀、数据接收机和计算机，所述风压扫描阀分别连接各所述风压管，所述数据接收机分别连接所述风压扫描阀和所述计算机。

进一步地，所述模型残积土层从上至下依次包括上部、中部和下部，所述模型残积土层的上部、中部和下部分别设有斜坡后部表层监测孔、斜坡中部表层监测孔和斜坡前部表层监测孔。

进一步地，所述模型植被的树冠、树干中部和树干下部分别设有树冠监测孔、树干中部监测孔和树干下部监测孔。

本发明的实施例还提供一种计算所述模型残积土层内切向力的方法，包括以下步骤：

S1、将所述模型残积土层划分为若干条块，选取其中一条块i并对其进行受力分析，根据该条块在竖直方向和水平方向的受力平衡条件得到：

式中：W_Hi为条块的自重，W_Zi为植被的自重，F_pi为斜坡坡面所受风荷载，α为斜坡面与水平面之间的夹角，V_i+1和V_i分别为条块i+1和条块i的切向力，N_i为垂直于滑动面指向坡外的法向力，T_i为平行于滑动面指向斜坡上部切向力，U_i+1和U_i分别为条块i+1和条块i的法向力，F_Zi为模型植被受到的风荷载对条块i产生的等效作用力；

S2、整理(1)和(2)得到：

式中，ΔV_i＝V_i+1-V_i，ΔU_i＝U_i+1-U_i；

S3、设滑坡的稳定性系数为K_si，根据极限平衡条件可以得到：

式中：T_fi为条块i的抗滑力，

为内摩擦角；

S4、联合(3)、(4)和(5)，得到：

式中：W_G＝W_Hi+W_Zi；

S5、由于U₀＝0，U₁＝ΔU₁，U₂＝U₁+ΔU₂＝ΔU₁+ΔU₂，若划分的条块数量为n时则有：

当U_n＝0时，将(6)代入(7)可得：

式中：

S6、根据力矩平衡条件，滑坡面中点力矩∑M＝0，可以得到：

V_iΔX_i+F_Zie_i+F_pib_isinα+M_i-U_iΔh_i-ΔU_ih_i＝0 (9)

式中：ΔX_i为条块i的宽度，e_i为条块i上的作用力F_Zi到滑面中点的垂向距离，b_i为条块i的长度，M_i为风荷载通过模型植被作用于条块i的弯矩，h_i为条块i法向力U_i到滑面的垂直距离，Δh_i为条块i左侧边界和右侧边界所受法向力的高度差；

对(9)进一步整理，得到条块i在考虑植被和坡面风荷载时受到的切向力V_i：

本发明的实施例提供的技术方案带来的有益效果是：本发明的一种台风作用下残积土斜坡力学响应特征的试验系统通过在所述风洞实验室设置所述试验斜坡模型以模拟台风作用下高植被覆盖区残积土斜坡，并通过所述动态数据采集分析系统实时获取不同台风风速作用下所述模型植被和所述模型残积土层的风压数据，从而可研究台风作用下高植被覆盖区残积土的力学响应特征。

附图说明

图1是本发明一种台风作用下残积土斜坡力学响应特征的试验系统的结构示意图。

图2是图1中试验斜坡模型3和动态数据采集分析系统7的结构示意图。

图3是不考虑风荷载作用时条块的受力情况。

图4是考虑风荷载作用时条块的受力情况。

图中：1-风洞实验室，2-风机，3-试验斜坡模型，4-导流片，5-模型试验框架，6-模型植被，7-动态数据采集分析系统，8-斜坡面，9-模型残积土层，10-监测孔，11-风压管，12-蜂窝器，13-风压扫描阀，14-数据接收机，15-计算机，16-斜坡后部表层监测孔，17-斜坡中部表层监测孔，18-斜坡前部表层监测孔，19-树冠监测孔，20-树干中部监测孔，21-树干下部监测孔。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地描述。

请参考图1和图2，本发明的实施例提供了一种台风作用下残积土斜坡力学响应特征的试验系统，包括风洞实验室1,以及设置在所述风洞实验室1内的风机2、试验斜坡模型3和蜂窝器12。

所述风洞实验室1的截面为跑道形，且其为闭口回流风洞，所述风洞实验室1的四个拐角上均设有多个平行设置的弧形导流片4，所述风机2设置在所述风洞实验室1一条边的中部，所述风机2用于产生不同风速下的气流，所述试验斜坡模型3设置在所述风洞实验室1另一条边的中部，所述蜂窝器12设置在所述风洞实验室1内，且其位于所述风机2和所述试验斜坡模型3之间，本实施例中通过所述导流片4和所述蜂窝器12可降低气流的湍流度，使气流更加均衡，有效降低风场的能量损失。

所述试验斜坡模型3包括模型试验框架5、模型植被6和动态数据采集分析系统7，所述模型试验框架5设有斜坡面8，所述斜坡面8正对着风载方向，且所述斜坡面8上铺设有模型残积土层9，本实施例中所述模型残积土层9采用采用河砂、石英、黏土、重晶石粉和水几种材料来制作，采用分层击实法，并控制所述模型残积土层9的弹性模型、抗剪强度、渗透系数、密度、含水率与孔隙度等与计算所得的模型参数相同；所述模型植被6设置在所述模型残积土层9上，所述模型残积土层9和所述模型植被6上均设有若干监测孔10，具体地，所述模型残积土层9从上至下依次包括上部、中部和下部，所述模型残积土层9的上部、中部和下部分别设有斜坡后部表层监测孔16、斜坡中部表层监测孔17和斜坡前部表层监测孔18；所述模型植被6的树冠、树干中部和树干下部分别设有树冠监测孔19、树干中部监测孔20和树干下部监测孔21。

为了使所述试验斜坡模型3能够准确地反应真实情况，应首先确定所述试验斜坡模型3和所述模型植被6的参数，选择合适的尺寸相似比n，使用相似原理来计算所述试验斜坡模型3和所述模型植被6的各项参数，本发明中相似比n根据所述风洞实验室1的尺寸及所述试验斜坡模型3的统计尺寸确定为16。

各所述监测孔10内均设有风压管11，所述动态数据采集分析系统7分别与各所述风压管11连接，用于收集、记录并分析各所述风压管11的风压数据，具体地，所述动态数据采集分析系统7包括风压扫描阀13、数据接收机14和计算机15，所述风压扫描阀13分别连接各所述风压管11，从而通过所述风压扫描阀13可采集各所述风压管11的风压数据；所述数据接收机14分别连接所述风压扫描阀13和所述计算机15，从而所述风压扫描阀13采集完风压数据后，通过所述数据接收机14便可将各所述风压管11的风压数据传递至所述计算机15。

请参考图3，为计算无风载作用下残积土层的内切向力，将所述模型残积土层9划分为若干条块，并选取其中一条块j进行力学分析，在忽略降雨、地下水和其它外部荷载作用时，即传统的条块受力情况，作用于条块j上的力包括：条块的重力W_Hj、垂直于滑动面指向坡外的法向力N_j、平行于滑动面指向斜坡上部切向力T_j以及条块j和条块j+1的法向力U_j、U_j+1和条块j和条块j+1的切向力V_j、V_j+1。作用力U_j、U_j+1与滑动面的距离分别为h_j和h_j+1。

根据竖向力的平衡条件可以得到如下表达式(a)，

W_Hj+ΔV_j＝N_jcosα+T_jsinα (a)

对式(a)进行整理，得到：

N_j＝(W_Hj+ΔV_j-T_jsinα)/cosα (b)

根据水平向力平衡条件得出表达式(c)，

ΔU_j＝T_j(cosα+sin²α/cosα)一(W_Hj+ΔV_j)tanα (c)

式中，ΔV_j＝V_j+1-V_j，ΔU_j＝U_j+1-U_j。

设滑坡的稳定性系数为K_sj，根据极限平衡条件可以得到表达式(d)，

式中：T_fj为滑块j的抗滑力，

为内摩擦角；

联立式(b)、式(c)和式(d)，可以得到表达式(e)，

由于U₀＝0，U₁＝ΔU₁，U₂＝U₁+ΔU₂＝ΔU₁+ΔU₂，若划分的条块数量为n时则有：

当U_n＝0时，将式(e)代入式(f)中可得到表达式(g)，

其中

根据力矩平衡条件，滑面中点力矩：∑M＝0，可以得出表达式(h)，

对式(h)进一步整理可得到表达式(j)，

以上各式中，c_j为条块j的粘聚力，单位kPa，L_j为条块j滑动面的长度，单位为m，α为斜坡面与水平面之间的夹角，

为条块j的内摩擦角，ΔX_j为条块j的宽度。

请参考图4，在考虑所述模型植被6和所述模型残积土层9所受风荷载时对残积土层内切向力的影响时，本发明的实施例提供一种计算所述模型残积土层9内切向力的方法，为了便于分析，将所述模型植被6假设为刚体，根据力的平移定理，所述模型植被6所受风荷载可等效为其对斜坡产生的力和力矩。

所述模型植被6和所述模型残积土层9所受风荷载均采用分区计算方法，即所述模型植被6的树冠、树干中部和树干下部所受风荷载分别采用所述树冠监测孔19、所述树干中部监测孔20和所述树干下部监测孔21的风压数据，所述模型残积土层9的上部、中部和下部所受风荷载分别采用所述斜坡后部表层监测孔16、所述斜坡中部表层监测孔17和所述斜坡前部表层监测孔18的风压数据，单位面积上所受风压的大小即为单位风荷载，其计算公式为：F＝P*A，其中F为单位风荷载，P为单位面积中心风压值，A为受到风荷载的单位面积，从而根据在所述斜坡后部表层监测孔16、所述斜坡中部表层监测孔17、所述斜坡前部表层监测孔18、所述树冠监测孔19、所述树干中部监测孔20和所述树干下部监测孔21处获取的风压数据及各分区的面积，便可计算出所述模型植被6和所述模型残积土层9所受风荷载大小。

本发明所提供的计算方法具体包括以下步骤：

S1、将所述模型残积土层9划分为若干条块，选取其中一条块i并对其进行受力分析，根据该条块在竖直方向和水平方向的受力平衡条件得到：

式中：W_Hi为条块的自重，W_Zi为植被的自重，F_pi为斜坡坡面所受风荷载，V_i+1和V_i分别为条块i+1和条块i的切向力，N_i为垂直于滑动面指向坡外的法向力，T_i为平行于滑动面指向斜坡上部切向力，U_i+1和U_i分别为条块i+1和条块i的法向力，F_Zi为模型植被受到的风荷载对条块i产生的等效作用力；

S2、整理(1)和(2)得到：

式中，ΔV_i＝V_i+1-V_i，ΔU_i＝U_i+1-U_i；

S3、设滑坡的稳定性系数为K_si，根据极限平衡条件可以得到：

式中：T_fi为条块i的抗滑力，

为内摩擦角；

S4、联合(3)、(4)和(5)，得到：

式中：W_G＝W_Hi+W_Zi；

S5、由于U₀＝0，U₁＝ΔU₁，U₂＝U₁+ΔU₂＝ΔU₁+ΔU₂，若划分的条块数量为n时则有：

当U_n＝0时，将(6)代入(7)可得：

式中：

S6、根据力矩平衡条件，滑坡面中点力矩∑M＝0，可以得到：

V_iΔX_i+F_Zie_i+F_pib_isinα+M_i-U_iΔh_i-ΔU_ih_i＝0 (9)

式中：ΔX_i为条块i的宽度，e_i为条块i上的作用力F_Zi到滑面中点的垂向距离，b_i为条块i的长度，M_i为风荷载通过模型植被作用于条块i的弯矩，h_i为条块i法向力U_i到滑面的垂直距离，Δh_i为条块i左侧边界和右侧边界所受法向力的高度差；

对(9)进一步整理，得到条块i在考虑植被和坡面风荷载时受到的切向力V_i：

本发明的有益效果：本发明的一种台风作用下残积土斜坡力学响应特征的试验系统通过在所述风洞实验室1设置所述试验斜坡模型3以模拟台风作用下高植被覆盖区残积土斜坡，并通过所述动态数据采集分析系统7实时获取不同台风风速作用下所述模型植被6和所述模型残积土层9的风压数据，从而可研究台风作用下高植被覆盖区残积土的力学响应特征。

在本文中，所涉及的前、后、上、下等方位词是以附图中零部件位于图中以及零部件相互之间的位置来定义的，只是为了表达技术方案的清楚及方便。应当理解，所述方位词的使用不应限制本申请请求保护的范围。

在不冲突的情况下，本文中上述实施例及实施例中的特征可以相互结合。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种台风作用下残积土斜坡力学响应特征的试验系统，其特征在于：包括风洞实验室,以及设置在所述风洞实验室内的风机和试验斜坡模型，所述风洞实验室的截面为跑道形，且其四个拐角上均设有多个平行设置的弧形导流片，所述风机设置在所述风洞实验室一条边的中部，所述试验斜坡模型设置在所述风洞实验室另一条边的中部，所述试验斜坡模型包括模型试验框架、模型植被和动态数据采集分析系统，所述模型试验框架设有斜坡面，所述斜坡面正对着风载方向，且所述斜坡面上铺设有模型残积土层，所述模型植被设置在所述模型残积土层上，所述模型残积土层和所述模型植被上均设有若干监测孔，且各所述监测孔内均设有风压管，所述动态数据采集分析系统分别与各所述风压管连接，用于收集、记录并分析各所述风压管的风压数据。

2.如权利要求1所述的一种台风作用下残积土斜坡力学响应特征的试验系统，其特征在于：包括蜂窝器，所述蜂窝器设置在所述风洞实验室内，且其位于所述风机和所述试验斜坡模型之间。

3.如权利要求1所述的一种台风作用下残积土斜坡力学响应特征的试验系统，其特征在于：所述动态数据采集分析系统包括风压扫描阀、数据接收机和计算机，所述风压扫描阀分别连接各所述风压管，所述数据接收机分别连接所述风压扫描阀和所述计算机。

4.如权利要求3所述的一种台风作用下残积土斜坡力学响应特征的试验系统，其特征在于：所述模型残积土层从上至下依次包括上部、中部和下部，所述模型残积土层的上部、中部和下部分别设有斜坡后部表层监测孔、斜坡中部表层监测孔和斜坡前部表层监测孔。

5.如权利要求4所述的一种台风作用下残积土斜坡力学响应特征的试验系统，其特征在于：所述模型植被的树冠、树干中部和树干下部分别设有树冠监测孔、树干中部监测孔和树干下部监测孔。

6.一种根据权利要求5所述的试验系统来计算所述模型残积土层内切向力的方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、将所述模型残积土层划分为若干条块，选取其中一条块i并对其进行受力分析，根据该条块在竖直方向和水平方向的受力平衡条件得到：

式中：W_Hi为条块的自重，W_Zi为植被的自重，F_pi为斜坡坡面所受风荷载，α为斜坡面与水平面之间的夹角，V_i+1和V_i分别为条块i+1和条块i的切向力，N_i为垂直于滑动面指向坡外的法向力，T_i为平行于滑动面指向斜坡上部切向力，U_i+1和U_i分别为条块i+1和条块i的法向力，F_Zi为模型植被受到的风荷载对条块i产生的等效作用力；

S2、整理(1)和(2)得到：

式中，ΔV_i＝V_i+1-V_i，ΔU_i＝U_i+1-U_i；

S3、设滑坡的稳定性系数为K_si，根据极限平衡条件可以得到：

式中：T_fi为条块i的抗滑力，

为内摩擦角；

S4、联合(3)、(4)和(5)，得到：

式中：W_G＝W_Hi+W_Zi；

S5、由于U₀＝0，U₁＝ΔU₁，U₂＝U₁+ΔU₂＝ΔU₁+ΔU₂，若划分的条块数量为n时则有：

当U_n＝0时，将(6)代入(7)可得：

式中：

S6、根据力矩平衡条件，滑坡面中点力矩∑M＝0，可以得到：

V_iΔX_i+F_Zie_i+F_pib_isinα+M_i-U_iΔh_i-ΔU_ih_i＝0 (9)

式中：ΔX_i为条块i的宽度，e_i为条块i上的作用力F_Zi到滑面中点的垂向距离，b_i为条块i的长度，M_i为风荷载通过模型植被作用于条块i的弯矩，h_i为条块i法向力U_i到滑面的垂直距离，Δh_i为条块i左侧边界和右侧边界所受法向力的高度差；

对(9)进一步整理，得到条块i在考虑植被和坡面风荷载时受到的切向力V_i：

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