CN112229591B - 监测岩土体干湿循环与地震耦合下稳定性的装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了监测岩土体干湿循环与地震耦合下稳定性的装置及方法，该装置包括：承载体，承载体用于承载待监测的岩土体；震动模拟装置，震动模拟装置的震动组件与承载体连接，用于震动岩土体；温度模拟装置，温度模拟装置的加热组件用于改变岩土体的环境温度；降雨模拟装置，降雨模拟装置设置于震动模拟装置和岩土体的上方，用于改变岩土体的湿度；控制装置，控制装置用于与震动模拟装置、温度模拟装置、降雨模拟装置进行通信。本发明的装置将降雨、干湿循环、地震作用集于一体，能准确地模拟人工降雨、干湿循环、地震作用及其任意作用耦合下的岩土体稳定性的试验，为研究极端恶劣环境条件下的岩土体稳定性提供可靠的试验参数。
Description
技术领域
本发明涉及岩土体试验领域，特别涉及监测岩土体干湿循环与地震耦合下稳定性的装置及方法。
背景技术
目前，岩土工程领域对边坡稳定性分析主要集中在高边坡、水文环境、降雨与雨水渗流、施工挖填工况、地震等单一作用下的研究，对于干湿循环、降雨、地震、积雪等多种极端恶劣环境作用耦合下的边坡稳定性研究很少，且现有的多种恶劣环境作用耦合研究主要是基于各计算软件的数值模型分析，缺乏相应的试验装置与方法进行验证。
发明内容
为解决上述至少一个技术问题，本说明书实施例提供了监测岩土体干湿循环与地震耦合下稳定性的装置及方法。
一方面，本说明书实施例提供的一种监测岩土体干湿循环与地震耦合下稳定性的装置，包括：
承载体，所述承载体用于承载待监测的岩土体；
震动模拟装置，所述震动模拟装置的震动组件与所述承载体连接，用于震动所述岩土体；
温度模拟装置，所述温度模拟装置的加热组件用于改变所述岩土体的环境温度；
降雨模拟装置，所述降雨模拟装置设置于所述震动模拟装置和所述岩土体的上方，用于改变所述岩土体的湿度；
控制装置，所述控制装置用于与所述震动模拟装置、所述温度模拟装置、所述降雨模拟装置进行通信。
另一方面，本说明书实施例提供的一种监测岩土体稳定性的试验方法，包括：
S1、布置监测岩土体干湿循环与地震耦合下稳定性的装置；
S2、获取待监测的岩土体的含水率W1；
S3、基于所述降雨模拟控制模块和设定的所述分区降雨盒的分区降雨强度，计算
理论供水总流量
与分区供水流量
，并基于所述分区供水流量
，控制所述流量控制
阀的开合程度，其中，降雨强度与供水流量的计算公式如下：
上式中，i为降雨强度，单位mm/min；F为分钟水流量，单位为L/min；A为所述分区降雨盒的底板面积，单位mm2；f为分钟流水量，单位mm³/min；
基于所述流量计监测实际供水流量
；
S4、基于所述水泵调节所述降雨模拟装置的供水压力，当实际供水流量
与理
论供水总流量
相同时，开始第一次模拟降雨；
S5、当所述第一次模拟降雨结束后，获取待监测的岩土体的含水率W2；
S6、记录所述温度传感器监测的所述降雨箱的初始温度为T1，基于所述温度模拟控制模块设置环境温度为T2，并控制所述风道循环气体加热器进行加热，控制所述风机将加热后的气体通过所述出风管道吹到降雨箱内，并通过所述回风管道将降雨箱内的气体吸回所述风机；
S7、待所述降雨箱内环境温度达到T2时，获取待监测的岩土体的含水率为w3；
S8、重复S2-S7预定次数后，基于所述震动模拟控制模块及设定的地震波参数，对所述承载体施加震动作用，并采集震动响应数据。
由以上本说明书实施例提供的技术方案可见，本发明实施例可以利用降雨模拟装置模拟降雨，可以模拟变雨强的均匀稳定降雨环境条件，实现不同降雨条件下雨水渗流与冲刷作用对例如边坡的岩土体的稳定性的试验研究；可以利用温度模拟装置的温度调节功能，模拟均匀稳定的升降温度环境条件，实现不同温度条件下及温度变化过程中的对例如边坡的岩土体的稳定性试验研究；还可以利用震动模拟装置对例如边坡的岩土体在地震作用下的稳定性试验研究；进一步还可以以降雨模拟装置的降雨箱为基础，在降雨箱原内部试验平台下安装震动模拟装置，在降雨箱布设与外部的风道循环气体加热器连通的出风管道，形成空气循环加热体系。由此，本装置为将降雨模拟装置、温度模拟装置、震动模拟装置有机的融合成一套可模拟三种极端恶劣条件下的综合系统，该综合系统能准确地模拟人工降雨、干湿循环、地震作用及其任意作用耦合下的岩土体稳定性的试验，为研究极端恶劣环境条件下的岩土体稳定性提供可靠的试验参数。
附图说明
图1为本说明书一些实施例的监测岩土体干湿循环与地震耦合下稳定性的装置的总体布置图。
图2为本说明书一些实施例的风道循环气体加热器的工作示意图。
图3为本说明书一些实施例的降雨箱的外部示意图。
图4为本说明书一些实施例的降雨箱内部的保温隔热层的布置示意图。
图5为本说明书一些实施例的震动模拟装置的布置示意图。
图6是本说明书一些实施例的震动模拟装置的平面布置示意图。
图7是本说明书一些实施例的监测岩土体稳定性的试验方法的流程图。
图8是本说明书一些实施例的监测边坡土体的稳定性的试验方法的细化流程图。
附图说明：1、进水管路；2、水泵；3、流量计；4、降雨箱；5、分区降雨盒；6、风道循环气体加热器；7、出风管道；8、回风管道；9、风机；10、保温隔热层；11、水平X向震动组件；12、水平Y向震动组件；13、垂直Z向震动组件；14、观察窗；15、降雨针头。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本说明书中的技术方案，下面将结合本说明书实施例中的附图，对本说明书实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本说明书一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本说明书中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本说明书保护的范围。
如图1至图6所示，本说明书一些实施例中提供了一种监测岩土体干湿循环与地震耦合下稳定性的装置，包括承载体，承载体用于承载待监测的岩土体；震动模拟装置，震动模拟装置的震动组件与承载体连接，用于震动岩土体；温度模拟装置，温度模拟装置的加热组件用于改变岩土体的环境温度；降雨模拟装置，降雨模拟装置设置于震动模拟装置和岩土体的上方，用于改变岩土体的湿度；控制装置，控制装置用于与震动模拟装置、温度模拟装置、降雨模拟装置进行通信。
在本说明书一些实施例中，降雨模拟装置，包括进水管路1、水泵2、供水管路、分区降雨盒5、降雨箱4、降雨针头15；降雨箱4设置在岩土体的上方；分区降雨盒5设置在降雨箱4的顶部；进水管路1的一端与水源相连，进水管路1的另一端与水泵2的入口相连；水泵2的出口与供水管路的入口相连，供水管路的出口与所述分区降雨盒5的进水口相连；所述分区降雨盒5的底板安装有所述降雨针头15。
在本说明书一些实施例中，降雨模拟装置还包括流量计3、流量控制阀、止回阀、分向阀；流量计3设置在进水管路1上，用于监测进水管路1的总流量和瞬时流量；供水管路包括一级供水管路、第一二级供水管路、第二二级供水管路和三级供水管路；水泵2的出口与一级供水管路的入口相连，一级供水管路的出口与第一二级供水管路和第二二级供水管路的入口相连；第一二级供水管路连接分区降雨盒5的进水口，第二二级供水管路连接位于分区降雨盒5的底部的三级供水管路；流量控制阀包括第一流量控制阀和第二流量控制阀，第一流量控制阀设置在第一二级供水管路，第二流量控制阀设置在第二二级供水管路；三级供水管路连接分向阀的进水口，分向阀的下侧出水口与降雨针头15相连，分向阀的上侧出水口与止回阀相连。
在本说明书一些实施例中，降雨箱4由4根竖向支撑立柱、10根中间横向系杆、9根竖向系杆、14块透明耐力板围成三面箱体，降雨箱4的正面设置有由透明耐力板组成的单开门板。
在本说明书一些实施例中，温度模拟装置，包括风道循环气体加热器6、出风管道7、风机9、回风管道8；风道循环气体加热器6的进气口与风机9的出风口相连，用于加热风机9的出风口送出的气体；风道循环气体加热器6的出气口与出风管道7相连，出风管道7的出气口与降雨箱4连通；回风管道8的进气口与降雨箱4相连通，回风管道8的出气口与风机9的进风口相连通。
在本说明书一些实施例中，出风管道7包括第一出风管道和第二出风管道，第一出风管道在降雨箱4的内部四周横向布置，第二出风管道在四根竖向支撑立柱处纵向布置。
在本说明书一些实施例中，保温隔热层10和温度传感器；保温隔热层10包括保温隔热侧板和保温隔热顶板；保温隔热侧板采用内部填充保温玻璃棉板的双层保温隔热板材；顶板采用A级防火保温铝箔布，降雨针头15穿透保温隔热顶板，保温隔热顶板有铝箔的一侧朝下，保温隔热顶板的另一侧朝上并与降雨箱4的顶板和降雨箱4的侧板固定；保温隔热层10在降雨箱4外侧面预设有观察窗14；温度传感器沿保温隔热层10均匀布置。
在本说明书一些实施例中，震动模拟装置的震动组件，包括水平X向震动组件11、水平Y向震动组件12和垂直Z向震动组件13；水平X向震动组件11与水平Y向震动组件12分别设置在承载体的两个垂直的水平方向X向和水平方向Y向上，分别用于控制承载体在水平方向X向和水平方向Y向上的位移；垂直Z向震动组件13设置在承载体的底部，用于控制承载体的竖向位移。
在本说明书一些实施例中，控制器包括降雨模拟控制模块、温度模拟控制模块和震动模拟控制模块，用于分别控制降雨模拟装置、温度模拟装置、震动模拟装置。
另一方面，如图7、图8所示，本说明书一些实施例还提供了一种监测岩土体干湿循环与地震耦合下稳定性的方法，所述方法包括：
S1、布置监测岩土体干湿循环与地震耦合下稳定性的装置；
S2、获取待监测的岩土体的含水率w1；
S3、基于所述降雨模拟控制模块和设定的所述分区降雨盒的分区降雨强度，计算
理论供水总流量
与分区供水流量
，并基于所述分区供水流量
，控制所述流量控
制阀的开合程度，其中，降雨强度与供水流量的计算公式如下：
上式中，i为降雨强度，单位mm/min；F为分钟水流量，单位为L/min；A为所述分区降雨盒的底板面积，单位mm2；f为分钟流水量，单位mm³/min；
基于所述流量计监测实际供水流量
；
S4、基于所述水泵调节所述降雨模拟装置的供水压力，当实际供水流量
与理
论供水总流量
相同时，开始第一次模拟降雨；
S5、当所述第一次模拟降雨结束后，获取待监测的岩土体的含水率w2；
S6、记录所述温度传感器监测的所述降雨箱的初始温度为T1，基于所述温度模拟控制模块设置环境温度为T2，并控制所述风道循环气体加热器进行加热，控制所述风机将加热后的气体通过所述出风管道吹到降雨箱内，并通过所述回风管道将降雨箱内的气体吸回所述风机；
S7、待所述降雨箱内环境温度达到T2时，获取待监测的岩土体的含水率为w3；
S8、重复S2至S7预定次数后，基于所述震动模拟控制模块及设定的地震波参数，对所述承载体施加震动作用，并采集震动响应数据。
在本说明书的一些实施例中，所述方法还包括，基于所述温度模拟控制模块，获取所述风道循环气体加热器的加热组件温度及所述风道循环气体加热器的出口温度，并进行比较；基于比较结果，调节所述风道循环气体加热器的功率。
结合图1至图8，下面针对用于边坡稳定性分析的装置与方法具体解释如下：
步骤1：基于图1所示安装降雨模拟装置、温度模拟装置、震动模拟装置，上述各装置安装步骤如下：
（1）按图5所示开挖基坑，按图6所示安装承载体、水平X向震动组件、水平Y向震动组件、垂直Z向震动组件。
（2）按图3所示安装降雨箱。
（3）按图4所示安装降雨箱内部保温隔热层，并预留门板与侧板的观察窗。
（4）按图2所示安装风道循环气体加热器。
（5）按图1所示安装降雨箱供水管路、水泵、流量计、流量控制阀。
步骤2：在承载体上堆填边坡模型，并检测边坡土体的含水率w1。
步骤3：打开降雨模拟控制模块，在界面输入分区降雨盒的6个分区的降雨强度
、
、
、
、
、
，计算对应的分区供水流量
、
、
、
、
、
与系统供水总
流量
。降雨模拟控制模块根据分区供水流量
控制降雨盒分区进水流量控制阀
的开合程度。降雨强度与供水流量的理论计算公式为：
步骤4：打开降雨模拟装置的供水体系，同时打开降雨盒底部回流电磁阀与排水阀
门，待流量计实测流量
与
一致且水流稳定时，关闭回流电磁阀与排水阀门，开始人
工模拟降雨并记录降雨开始时间t1。
步骤5：待第一次降雨结束后记录降雨结束时间t2，同时检测边坡模型土样的含水率为w2。
步骤6：第一次降雨结束后，记录温度传感器监测降雨箱的初始温度为T1。打开温度模拟装置，在温度模拟控制模块的界面设置环境温度为T2，风道循环气体加热器开始对空气进行加热，风机将加热的空气通过出风管道吹到降雨箱内并形成气体循环加热，使降雨箱内均匀升温。
步骤7：待降雨箱内环境温度达到T2时，记录第一次升温结束时间为t3，检测边坡模型土样的含水率为w3，完成第一次干湿循环。
步骤8：重复步骤3~步骤7完成3次干湿循环作用。
步骤9：待第4次干湿循环结束后，打开震动模拟装置，在震动模拟控制模块输入地
震波信息，对边坡模型施加震动作用，记录震动开始时间
，数据采集仪开始采集震动响
应数据。
步骤10：震动结束后，记录结束时间
。
步骤11：整理试验数据，实验结束。
综上，本发明通过利用降雨模拟装置模拟降雨，可以模拟变雨强的均匀稳定降雨环境条件，实现不同降雨条件下雨水渗流与冲刷作用对例如边坡的岩土体的稳定性的试验研究；可以利用温度模拟装置的温度调节功能，模拟均匀稳定的升降温度环境条件，实现不同温度条件下及温度变化过程中的对例如边坡的岩土体的稳定性试验研究；还可以利用震动模拟装置对例如边坡的岩土体在地震作用下的稳定性试验研究；进一步还可以以降雨模拟装置的降雨箱为基础，在降雨箱原内部试验平台下安装震动模拟装置，在降雨箱布设与外部的风道循环气体加热器连通的出风管道，形成空气循环加热体系。由此，本装置为将降雨模拟装置、温度模拟装置、震动模拟装置有机的融合成一套可模拟三种极端恶劣条件下的综合系统，该综合系统能准确地模拟人工降雨、干湿循环、地震作用及其任意作用耦合下的岩土体稳定性的试验，为研究极端恶劣环境条件下的岩土体稳定性提供可靠的试验参数。
虽然上文描述的过程流程包括以特定顺序出现的多个操作，但是，应当清楚了解，这些过程可以包括更多或更少的操作，这些操作可以顺序执行或并行执行(例如使用并行处理器或多线程环境)。本发明是参照根据本发明实施例的方法的流程图和/或方框图来描述的。
还需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括要素的过程、方法或者设备中还存在另外的相同要素。
本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于方法实施例而言，由于其基本相似于装置实施例，所以描述的比较简单，相关之处参见装置实施例的部分说明即可。以上仅为本说明书的实施例而已，并不用于限制本说明书。对于本领域技术人员来说，本说明书可以有各种更改和变化。凡在本说明书的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本说明书的权利要求范围之内。
Claims (10)
1.监测岩土体干湿循环与地震耦合下稳定性的装置，其特征在于，包括，
承载体，所述承载体用于承载待监测的岩土体；
震动模拟装置，所述震动模拟装置的震动组件与所述承载体连接，用于震动所述岩土体；
温度模拟装置，所述温度模拟装置的加热组件用于改变所述岩土体的环境温度；
降雨模拟装置，所述降雨模拟装置设置于所述震动模拟装置和所述岩土体的上方，用于改变所述岩土体的湿度；
控制装置，所述控制装置用于与所述震动模拟装置、所述温度模拟装置、所述降雨模拟装置进行通信；
利用所述监测岩土体干湿循环与地震耦合下稳定性的装置进行岩土体干湿循环与地震耦合下稳定性监测的方法，包括以下步骤：
S1、布置监测岩土体干湿循环与地震耦合下稳定性的装置；
S2、获取待监测的岩土体的含水率w1；
S3、基于降雨模拟控制模块和设定的分区降雨盒的分区降雨强度，计算理论供水总流量Q总与分区供水流量Qi，并基于所述分区供水流量Qi，控制所述流量控制阀的开合程度，其中，降雨强度与供水流量的计算公式如下：
上式中，i为降雨强度，单位mm/min；F为分钟水流量，单位为L/min；A为所述分区降雨盒的底板面积，单位mm2；f为分钟流水量，单位mm³/min；
基于所述流量计监测实际供水流量Q实际；
S4、基于水泵调节所述降雨模拟装置的供水压力，当实际供水流量Q实际与理论供水总流量Q总相同时，开始第一次模拟降雨；
S5、当所述第一次模拟降雨结束后，获取待监测的岩土体的含水率w2；
S6、记录温度传感器监测的所述降雨箱的初始温度为T1，基于温度模拟控制模块设置环境温度为T2，并控制风道循环气体加热器进行加热，控制风机将加热后的气体通过出风管道吹到降雨箱内，并通过回风管道将降雨箱内的气体吸回所述风机；
S7、待所述降雨箱内环境温度达到T2时，获取待监测的岩土体的含水率为w3；
S8、重复S2-S7预定次数后，基于震动模拟控制模块及设定的地震波参数，对承载体施加震动作用，并采集震动响应数据。
2.根据权利要求1所述的监测岩土体干湿循环与地震耦合下稳定性的装置，其特征在于，
所述降雨模拟装置，包括进水管路、水泵、供水管路、分区降雨盒、降雨箱、降雨针头；
所述降雨箱设置在所述岩土体的上方；
所述分区降雨盒设置在所述降雨箱的顶部；
所述进水管路的一端与水源相连，所述进水管路的另一端与所述水泵的入口相连；
所述水泵的出口与所述供水管路的入口相连，所述供水管路的出口与所述分区降雨盒的进水口相连；
所述分区降雨盒的底板安装有所述降雨针头。
3.根据权利要求2所述的监测岩土体干湿循环与地震耦合下稳定性的装置，其特征在于，
所述降雨模拟装置，还包括流量计、流量控制阀、止回阀、分向阀；
所述流量计设置在所述进水管路上，用于监测所述进水管路的总流量和瞬时流量；
所述供水管路包括一级供水管路、第一二级供水管路、第二二级供水管路和三级供水管路；
所述水泵的出口与所述一级供水管路的入口相连，所述一级供水管路的出口与所述第一二级供水管路和第二二级供水管路的入口相连；
所述第一二级供水管路连接所述分区降雨盒的进水口，所述第二二级供水管路连接位于所述分区降雨盒的底部的三级供水管路；
所述流量控制阀包括第一流量控制阀和第二流量控制阀，所述第一流量控制阀设置在所述第一二级供水管路，所述第二流量控制阀设置在所述第二二级供水管路；
所述三级供水管路连接所述分向阀的进水口，所述分向阀的下侧出水口与所述降雨针头相连，所述分向阀的上侧出水口与所述止回阀相连。
4.根据权利要求2所述的监测岩土体干湿循环与地震耦合下稳定性的装置，其特征在于，
所述降雨箱由4根竖向支撑立柱、10根中间横向系杆、9根竖向系杆、14块透明耐力板围成三面箱体，所述降雨箱的正面设置有由透明耐力板组成的单开门板。
5.根据权利要求4所述的监测岩土体干湿循环与地震耦合下稳定性的装置，其特征在于，
所述温度模拟装置，包括风道循环气体加热器、出风管道、风机、回风管道；
所述风道循环气体加热器的进气口与所述风机的出风口相连，用于加热所述风机的出风口送出的气体；
所述风道循环气体加热器的出气口与所述出风管道相连，所述出风管道的出气口与所述降雨箱连通；
所述回风管道的进气口与所述降雨箱相连通，所述回风管道的出气口与所述风机的进风口相连通。
6.根据权利要求5所述的监测岩土体干湿循环与地震耦合下稳定性的装置，其特征在于，
所述出风管道包括第一出风管道和第二出风管道，所述第一出风管道在所述降雨箱的内部四周横向布置，所述第二出风管道在四根所述竖向支撑立柱处纵向布置。
7.根据权利要求1所述的监测岩土体干湿循环与地震耦合下稳定性的装置，其特征在于，还包括，
保温隔热层和温度传感器；
所述保温隔热层包括保温隔热侧板和保温隔热顶板；
所述保温隔热侧板采用内部填充保温玻璃棉板的双层保温隔热板材；所述顶板采用A级防火保温铝箔布，所述降雨针头穿透所述保温隔热顶板，所述保温隔热顶板有铝箔的一侧朝下，所述保温隔热顶板的另一侧朝上并与所述降雨箱的顶板和所述降雨箱的侧板固定；
所述保温隔热层在所述降雨箱外侧面预设有观察窗口；
所述温度传感器沿所述保温隔热层均匀布置。
8.根据权利要求1所述的监测岩土体干湿循环与地震耦合下稳定性的装置，其特征在于，还包括，
所述震动模拟装置的震动组件，包括水平X向震动组件、水平Y向震动组件和垂直Z向震动组件；
所述水平X向震动组件与水平Y向震动组件分别设置在所述承载体的两个垂直的水平方向X向和水平方向Y向上，分别用于控制所述承载体在所述水平方向X向和所述水平方向Y向上的位移；
所述垂直Z向震动组件设置在承载体的底部，用于控制所述承载体的竖向位移。
9.根据权利要求8所述的监测岩土体干湿循环与地震耦合下稳定性的装置，其特征在于，
所述装置还包括控制器，所述控制器包括降雨模拟控制模块、温度模拟控制模块和震动模拟控制模块，用于分别控制所述降雨模拟装置、所述温度模拟装置和所述震动模拟装置。
10.根据权利要求1所述的监测岩土体干湿循环与地震耦合下稳定性的装置，其特征在于，所述方法还包括：
基于所述温度模拟控制模块，获取所述风道循环气体加热器的加热组件温度及所述风道循环气体加热器的出口温度，并进行比较；
基于比较结果，调节所述风道循环气体加热器的功率。
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