CN112595833A - 一种可移动崩塌试验装置及其系统和试验方法 - Google Patents

Abstract

一种基于可移动崩塌试验系统的崩塌试验方法，可移动崩塌试验系统包括：用于监测试件参数的光纤传感器和水分传感器，用于模拟试件所处的自然条件的可移动崩塌试验装置，连接光纤传感器、水分传感器的监测设备。方法包括如下步骤：S100、对第一试件进行浸水处理，获取第一试件软弱夹层粘聚力和内摩擦角的瞬时滑移临界值c_临、ψ_临；S200、对第二试件模拟试验；S300、根据第一试件的粘聚力和内摩擦角的瞬时滑移临界值c_临、ψ_临，和监测的各种自然条件下第二试件的参数，构建崩塌试验模型。还涉及一种可移动崩塌试验装置。本发明专门用于开展崩塌试验，且试验方法可同时监测多个参数，使得监测技术及预警方法的准确性大大提高，实用性强。

Description

一种可移动崩塌试验装置及其系统和试验方法

技术领域

本发明涉及岩石试验技术领域，尤其涉及一种可移动崩塌试验装置及其系统和试验方法。

背景技术

北京是世界上突发性地质灾害较为频繁的首都城市之一。崩塌作为突发地质灾害的主要类型，在北京山区道路沿线尤为多见。据2013至2019年突发地质灾害统计数据，山区道路沿线每年发生数十起崩塌灾害，占突发性灾害的55％以上，有时甚至高达90％。崩塌灾害由于其特有的突发性和隐蔽性，预警预报的难度很大，近年来国内外学者针对顺层边坡失稳破坏规律开展了大量的研究和实验，多用统计学、非线性理论、可靠性理论以及数值模拟等手段进行分析和预测，然而，对崩塌灾害预警技术的研究相对比较薄弱，基本处于稳定性分析和失稳机理研究阶段。

开展滑移式崩塌灾害失稳破坏机理和临滑判据研究，是崩塌灾害预警预报和综合治理工作的前提和基础，同时能推动崩塌灾害防治理论、方法、技术进步，有效提升崩塌灾害防灾减灾能力。目前针对崩塌灾害的预警预报的研究处于萌芽阶段，由于监测仪器价格昂贵，目前无普适性监测仪器，针对崩塌灾害隐患专业监测点设置密度较低，监测参数单一或无数据，崩塌灾害的成灾机理研究不深，没有相应的理论基础支撑，存在监测技术及预警方法的针对性和实用性不强等诸多问题。

此外，由于没有专门用于开展崩塌试验的模拟试验装置，也使得监测技术及预警方法的研究进展缓慢。

上述问题亟需解决。

发明内容

(一)要解决的技术问题

鉴于现有技术的上述缺点、不足，本发明提供一种基于可移动崩塌试验系统的崩塌试验方法、可移动崩塌试验装置以及包括该装置的可移动崩塌试验系统，专门用于开展崩塌试验，且利用该试验系统的试验方法同时监测多个参数，使得监测技术及预警方法的准确性大大提高，实用性强。

(二)技术方案

为了达到上述目的，本发明采用的主要技术方案包括：

第一方面，本发明提供了一种基于可移动崩塌试验系统的崩塌试验方法，可移动崩塌试验系统包括：用于监测试件参数的光纤传感器和水分传感器，用于模拟试件所处的自然条件的可移动崩塌试验装置，连接光纤传感器、水分传感器的监测设备，所述方法包括如下步骤：

S100、对第一试件进行浸水处理，获取第一试件软弱夹层粘聚力和内摩擦角的瞬时滑移临界值c_临、ψ_临；

S200、对第二试件模拟试验；所述第一试件和第二试件是相同的试件；

在第二试件的软弱夹层中置入所述光纤传感器和水分传感器，并放置于所述可移动崩塌试验装置内；

调整所述可移动崩塌试验装置以模拟各种自然条件，借助于所述光纤传感器和水分传感器实时监测所述第二试件的参数；

S300、根据第一试件的粘聚力和内摩擦角的瞬时滑移临界值c_临、ψ_临，和监测的各种自然条件下第二试件的参数，构建崩塌试验模型。

第二方面，本发明提供了一种可移动崩塌试验装置，所述试验装置包括：

承载试件的可移动承载结构，可拆卸的支撑结构以及可调节的喷射系统；

其中，所述可移动承载结构包括底板、枢转部和设置于所述底板下方的万向轮，所述枢转部通过枢轴可枢转连接至所述底板，以模拟不同坡度，试件放置于所述枢转部上；

所述可拆卸的支撑结构位于所述承载结构的上方，以对所述可调节的喷射系统形成支撑；

所述可调节的喷射系统，用于提供不同喷水量以模拟降雨；其包括连接外部水源的进水管、与所述进水管连通的喷水管、形成于喷水管的喷射部，以及设置于所述进水管的水量调节组件；

所述喷水管和喷射部通过所述支撑结构位于所述底板的枢转部上方，以对所述试件进行不同喷水量的喷射。

第三方面，本发明提供了一种基于上述可移动崩塌试验装置的可移动崩塌试验系统，所述可移动崩塌试验系统包括：

上述的可移动崩塌试验装置；

置于试件软弱夹层的光纤传感器和水分传感器；以及

监测仪，所述监测仪与所述光纤传感器和水分传感器通信连接。

(三)有益效果

本发明提供的一种基于可移动崩塌试验系统的崩塌试验方法，通过构建崩塌试验模型，能够准确监测随着含水率的上升，软弱夹层位移的变化情况，从而使得该崩塌试验方法可靠性高。所述可移动崩塌试验装置及其系统能够同时监测多个参数，进一步使得监测技术及崩塌试验方法的准确性大大提高，预警实用性强。此外，可移动崩塌试验装置可以用于开展模拟自然降雨条件下不同类型灾害的室内试验。本发明提供的上述系统及方法可用于岩土、农业等领域，可以用于测定岩土体积含水率、孔隙水压力、土体位移、水土流失率等，通用性强。

附图说明

图1为本发明的可移动崩塌试验装置的底板俯视结构示意图；

图2为图1中的底板去掉水箱，且枢转部枢转一定角度后的结构示意图；

图3为本发明的可移动崩塌试验装置的支架结构示意图；

图4为本发明基于可移动崩塌试验系统的试验方法流程图。

【附图标记说明】

1：底板；

2：支架；

3：竖杆；

4：横杆；

5：枢转部；

6：进水管；

7：喷水管；

8：喷射孔；

9：圆孔；

10：水箱。

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。其中，本文所提及的“左”、“右”等方位名词以图1的定向为参照。

如图1所示，本实施例提供了一种可移动崩塌试验装置，所述试验装置包括：承载试件的可移动承载结构，可拆卸的支撑结构以及可调节的喷射系统。

其中，所述可移动承载结构包括底板1、枢转部5和设置于所述底板1下方的万向轮，所述枢转部5通过枢轴可枢转连接至所述底板1，以模拟不同坡度，试件放置于所述枢转部5上；

所述可拆卸的支撑结构位于所述承载结构的上方，以对所述可调节的喷射系统形成支撑；

所述可调节的喷射系统，用于提供不同喷水量以模拟降雨；其包括连接外部水源的进水管6、与所述进水管6连通的喷水管7、形成于喷水管7的喷射部，以及设置于所述进水管6的水量调节组件；

所述喷水管7和喷射部通过所述支撑结构位于所述底板1的枢转部5上方，以对所述试件进行不同喷水量的喷射。

本发明实施例提出的可移动崩塌试验装置，通过设置喷射系统模拟自然环境中小雨、中雨、大雨、暴雨等不同降雨条件，捕捉岩体裂隙孔隙水压力的变化、软弱夹层的软化特征以及位移变化情况，从而获得真实的顺层岩质边坡崩塌滑移模型，有助于监测技术及预警方法的完善。

其中，所谓的软弱夹层，是指山体岩质边坡中存在的一种与硬质岩相比吸水性能好、易软化、具有可塑性、膨胀性，强度较低的一种岩石，比较常见的有泥板岩、页岩、千枚岩等，与硬质岩互层沉积，受长期风化、溶蚀作用，成为崩塌灾害发生的主要影响因素。

为了更好的理解上述技术方案，下面将参照附图更详细地描述本发明的示例性实施例。虽然附图中显示了本发明的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本发明而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更清楚、透彻地理解本发明，并且能够将本发明的范围完整的传达给本领域的技术人员。

实施例1：

如图1-3所示，本实施例提供的可移动崩塌试验装置例如包括：承载试件的可移动承载结构，可拆卸的支撑结构以及可调节的喷射系统。

其中，喷射系统的设置是用于模拟自然环境下，不同降雨条件对岩体的影响。该喷射系统由支撑结构，如支架2进行支撑，以使得喷射系统的喷射部恰好位于放置于可移动承载结构、如底板1上的、模拟岩体的试件的正上方。

喷射系统包括纵向延伸的进水管6以及具有水平延伸段的喷水管7，进水管6一端连接水源，另一端与喷水管7连通。所述水源既可以是外部水源，也可以是连接于本试验装置的水箱。在喷水管7位于枢转部上方的管体处开设有喷射部，在本实施例中，可以是数个喷射孔，以对模拟岩体的试件进行喷淋，所述喷射孔形成喷射处，所述喷射处对应设置在试件的上方。

可以理解的是，在进水管6连接水源的一端，可以设置控制喷射系统开启和关闭的进水阀门，以及控制喷射系统进水量大小以模拟自然界不同雨量大小的进水量调节阀，通过进水量调节阀的设置，进入进水管6的水量大小可以进行相应调节，进而可以精准地模拟不同降雨量。

为了能够直观地看到水量大小，即实现水量大小的可视化，还可以在进水管6上设置水表，以方便现场调试人员能够直观地看到进入进水管6的水量，从而便于模拟大、中、小等不同降雨量。

为了进一步配合进水量调节阀以模拟不同降雨量，喷水管7在喷射处开设的喷射孔8，既可以为相同孔径的喷射孔8，如都设置为直径1-2mm的喷射孔8，也可以设置为不同孔径，如采取直径为1mm的喷射孔8与直径为1.5mm的喷射孔8交替间隔布置，又或者采取直径为1.5mm的喷射孔8与直径为2mm的喷射孔8交替间隔布置，又或者直径为1mm的喷射孔8与直径为2mm的喷射孔8交替间隔布置。这些不同孔径的喷射孔8交替间隔设置，使得所模拟的降雨量可以进一步得到调节，配合进水量调节阀的设置，能够更准确地还原自然界的不同降雨量，为后续的可移动崩塌试验装置的试验方法提供更准确的数据。

可移动崩塌试验装置的承载结构，如图1-2所示的底板1，用于放置模拟岩体的试件，所述底板整体呈矩形，其包括凹字形部和所述枢转部5，所述凹字形部与所述枢转部5位于同一平面时形成所述矩形底板1。其中，试件放置于所述枢转部5上。底板1应选择有一定强度的不锈钢材料制成，以满足试验的需要，如可以采取耐腐蚀的304不锈钢作为底板的制备材料。同时，该底板1必须具备一定的厚度，以满足承载试件的强度需求，所述厚度可以设置为5-10cm，根据所需承载重量进行设置即可。整块底板1的大小，可以根据试验需求来进行，一般可以采用长度为2m、宽度为1.5m的底板，该大小的底板是考虑到整个可移动崩塌试验装置可以放置在实验室内进行试验，也可以方便地移动到室外以进行试验。当整个底板的长度为2m、宽度为1.5m时，所述枢转部5的尺寸可以相应设置为1.2m*1m。本实施例中，所述底板1的尺寸仅为示例性说明，可以理解的是，底板1的尺寸可以有不同大小，本发明对此不作进一步限定。

以图1所示的方向为例进行说明。所述枢转部5绕位于所述枢转部右侧的枢轴(未示出)转动以模拟不同坡度，枢转部5转动的角度可以是0°-70°，可以根据特定地形的岩体，转动该枢转部5以模拟该处特定地形的坡度；当然，也可以固定地设置为15°、25°、35°、45°、55°以及65°，这样可以在试验方法中更快速地获得所需坡度。本实施例中，对枢转部5的枢轴固定结构不作限定，可以采用现有技术中任何适用的枢轴固定结构。

由于试件放置于可转动的枢转部5上，因此，可以在枢转部5的四周设置护栏(未示出)，以防止当枢转部5模拟较高坡度时，试件有可能发生滑动所带来的安全隐含。所述护栏可以采取与枢转部5焊接的固定连接方式，也可以采取与枢转部5螺纹连接的可拆卸连接方式，护栏的高度也可以根据所需模拟岩体的高度进行相应调整，一般可以选择高度为20-30cm的护栏，当试件高度较低时，可以选用20cm高度的护栏；当试件高度较高时，则选用30cm高度的护栏。

可移动崩塌试验装置的支撑结构，如图支架2位于所述底板1的上表面，具体为，所述支架2的底端，固定连接于所述矩形底板1上表面的四个角处，所述固定连接，可以是焊接，也可以是螺纹连接的可拆卸连接方式，只要连接强度满足对喷射系统形成支撑即可。

所述支架2为中空结构，包括四根竖杆3和两根横杆4。其中，四根竖杆3与所述底板1垂直地设置于所述底板1的上表面，两根横杆4在其中心处相交，每根横杆4的端部分别连接两根所述竖杆3。由于是中空结构，喷射系统的进水管6和喷水管7分别设置于所述竖杆3和所述横杆4的中空结构内部，竖杆3和横杆4对所述进水管6和所述喷水管7形成支撑和引导。该竖杆3和横杆4同样可以采用不锈钢材质，直径可以设置为10-15cm，管厚约1mm左右，其中竖杆3的高度可以设置为1.5-2m，比较优选的，可以设置为1.8m。当选择将竖杆3的底端焊接至底板1的连接方式，可以先在所述矩形底板1上表面开设直径为10-15cm的圆孔9，然后将竖杆3的底端对应焊接于该圆孔9处，这样喷射系统的进水管6可以从底板1的底部通过所述圆孔9进入所述竖杆3的中空结构内部。当然，支架2对喷射系统形成的支撑并不局限于此。

此外，在横杆4的中段可以开设矩形或方形槽口。若喷水管设置于所述横杆4内部，则所述横杆4的中段对应喷水管开设喷射孔8的喷射处，在横杆4上开设矩形槽口，以配合所述喷射孔8的设置形成所述喷射处。若喷水管7从横杆4内部延伸出来，悬挂于底板1上方时，所述横杆4中段可以对应形成可供喷水管7延伸伸出的方形槽口，悬挂于底板1上方的喷水管7下端封闭，靠近下端处均有间隔分布多个喷射孔8。

考虑到试验装置需要可移动以根据需要在室内或室外进行崩塌试验，在所述底板1下部设置万向轮(未示出)，例如可以采用直径为20cm的所述万向轮，分别设置在所述矩形底板1下部四个角处，但本发明对万向轮的尺寸大小不作限定，对于较小型的可移动崩塌试验装置，直径为10cm的万向轮即可满足使用要求，因此，只要满足可移动崩塌试验装置的强度要求以及移动要求的万向轮，皆在本发明涵盖范围之内。

进一步地，考虑到所述可移动崩塌试验装置需要移动至室外，以在自然光照条件下，更趋于真实地监测干湿循环条件下边坡岩体物理力学参数的变化，本实施例提供的试验装置还可以相应配置可移动式水箱10。如图1所示，可移动式水箱10的底部可以设置同样的万向轮，同时将所述水箱10连接于所述底板1，可移动式水箱10底部距离地面的高度与底板1底部距离地面的高度一致，这样，可以在所述矩形底板1的两个长边以及非设置枢转部5的一侧短边上，每条边通过焊接连接一个可移动式水箱10，即一个可移动崩塌试验装置可以装配三个可移动式水箱。

然而，更优选的连接方式，可以采用挂钩、螺纹等可拆卸连接方式，如底板1或水箱10其中之一设置挂钩，另一对应设置铁环，或者底板1或水箱10分别设置可相应挂接的挂钩，这样，当在室外自然光照条件下进行试验时，根据需要将一个、两个或三个可移动式水箱10连接于底板1，以方便所述试验装置移动至室外。当在室内进行试验时，喷水系统可连接更为方便的外接水源，而无需将水箱10连接于底板1，减小整个试验装置的尺寸，更便于试验装置的操作和移动。

考虑到可移动式水箱10需要连接于底板1，可以根据底板1的尺寸匹配水箱10长和宽的尺寸，如将水箱10的长宽尺寸分别设置为2m*1m以及1.5m*1m，这样设置可以使得水箱10更好地匹配底板1的尺寸，且便于加工，降低成本。

可移动崩塌试验装置可以用于开展模拟自然降雨条件下不同类型灾害的室内试验；所述试验装置由于设置了喷射系统，通过调节所述喷射系统的水量调节阀门，可以模拟小雨、中雨、大雨、暴雨、特大暴雨等不同形式的气象条件；由于设置有万向轮，所述试验装置的使用方便灵活，可以置于室外自然光照条件下，能够监测干湿循环环境下边坡岩体物理力学参数的变化；

实施例2：

本实施例2提供一种包括上述可移动崩塌试验装置的可移动崩塌试验系统，所述系统除了包括上述装置，还包括置于试件软弱夹层的光纤传感器和水分传感器；以及监测仪，所述监测仪与所述光纤传感器和水分传感器通信连接。

以下将通过实施例详细描述基于上述可移动崩塌试验系统的试验方法。

实施例3：

本发明实施例提供一种采用上述可移动崩塌试验系统的试验方法，所述方法包括如下步骤：

S100、对第一试件进行浸水处理，获取第一试件软弱夹层粘聚力和内摩擦角的瞬时滑移临界值c_临、ψ_临；

S200、对第二试件模拟试验；所述第一试件和第二试件是相同的试件；

在第二试件的软弱夹层中置入所述光纤传感器和水分传感器，并放置于所述可移动崩塌试验装置内；

调整所述可移动崩塌试验装置以模拟各种自然条件，借助于所述光纤传感器和水分传感器实时监测所述第二试件的参数；

S300、根据第一试件的粘聚力和内摩擦角的瞬时滑移临界值c_临、ψ_临，和监测的各种自然条件下第二试件的参数，构建崩塌试验模型。

本实施例提供的试验方法，更好的反映了岩体软弱夹层在降雨过程中粘聚力和内摩擦角随着含水率变化发展的趋势，将岩体崩塌发生前的蠕动变形通过监测含水率、粘聚力和内摩擦角的方式表现出来，配合软弱夹层的含水量变化和位移变化，构建崩塌试验模型。

进一步地，所述S100包括：

S110、试件制备；

取目标区域的滑移面软岩岩样，在105-110℃恒温下烘干24小时，冷却至室温得到所述第一试件和第二试件；

S120、将所述第一试件浸泡于水中，获取不同时间下所述第一试件的含水率、粘聚力c、内摩擦角ψ，所述含水率可以通过含水率仪直接测定，所述粘聚力c和内摩擦角ψ可以通过三轴压缩仪测定；

S130、通过公式(1)获取所述第一试件粘聚力和内摩擦角的瞬时滑移临界值c_临、ψ_临；

其中，Ks为稳定性系数，当其取值为Ks＝1.0时，得到所述c_临、ψ_临；公式(1)中的A、V分别通过公式(2)、(3)获得：

A＝(H-h)cscβ (2)

其中，γ为试件容重，单位KN/m³；V为试件体积，单位m³；β为结构面倾角，单位为°；ψ为结构面内摩擦角，单位为°；A为单位长度结构面面积，单位m²；c为结构面的粘聚力，单位KPa；v为静水压力，单位KN；H为试件所取边坡的高度，单位为m；h为裂缝深度，单位m；r_w为水容重，单位KN/m³；h_w为裂缝充水深度，单位m。

进一步地，

所述S110还包括，获取所述第一试件后测试该第一试件的c₀和ψ₀值，所述c₀和ψ₀分别为第一试件含水率为0时，第一试件软弱夹层的粘聚力和内摩擦角。

所述S200中，所述模拟各种自然条件包括：不同时间、不同坡度和不同喷水量，如时间可以是1小时、3小时、6小时、12小时、24小时、72小时及以上，也可以是1天、3天、7天、14天、30天及以上，以尽量模拟真实的自然环境；坡度可以是15°-65°之间；喷水量对应降雨量，根据气象局雨量划分标准，当24h雨量小于10mm时为小雨，10-25mm为中雨，25-50mm为大雨，50mm以上为暴雨；因此，对应地，是试验过程中，可以设定降雨量为1-160mm范围。

进一步地，

S300包括：根据公式(1)、瞬时滑移临界值c_临、ψ_临，和监测的各种自然条件下第二试件的参数，构建崩塌试验模型，并获取第二试件的软弱夹层的位移变化数据；

和/或

根据崩塌试验模型和监测浸水处理的第一试件各阶段的浸水参数，确定第一试件含水率上升过程中且含水率未达到饱和时，该第一试件中软弱夹层的粘结力、内摩擦角分别与含水率的函数关系：

根据崩塌试验模型和监测浸水处理的第一试件各阶段的浸水参数，确定第一试件含水率达到饱和时，第一试件中软弱夹层的粘结力、内摩擦角分别与浸水时间长短的函数关系为：

本实施例提供的试验方法中，采用含水率仪来测定含水率，采用三轴压缩仪来测定粘结力和内摩擦角。所述试验方法能够准确确定软弱夹层岩体非饱和状态下，随着含水率的变化，岩体内摩擦角和粘聚力随含水率的变化情况；准确确定软弱夹层在含水率饱和状态下，岩体强度随浸水时间长短的变化情况；以及监测随着含水率的上升，岩体位移的准确变化情况。

实施例4：

本实施例中，本次试验方法以北京地区岩质边坡滑移式崩塌为研究对象，边坡上部为硬岩沉积，下部有软弱夹层，假设破裂面为直线型，破裂面位于边坡软弱夹层内，将软弱夹层与上覆硬质岩概化为一个整体，滑移面临界角β为岩层倾角。

无降雨情况下，岩质边坡稳定性系数按下式计算：

有降雨情况下，雨水沿岩质边坡节理裂隙或后缘裂缝渗入，在降雨裂缝渗透影响下，软弱夹层含水率增加，岩体发生软化，强度减弱，软弱面发生蠕变，蠕变又加剧了降雨裂缝渗透的影响。岩体后缘裂缝充水到一定高度，沿节理产生静水压力，在上部岩体自重和后缘裂缝充水产生的静水压力影响下，软弱夹层弱化损伤区继续扩展，这是一个连续变化的过程，当下滑力与抗滑力相等时，上部岩体会在软弱夹层处发生移动变形，即由蠕变转变为宏观的整个岩体的滑移，标志着滑体由连续变化向不连续变化的转变，最终导致山体边坡失稳-滑移灾变。

稳定性系数按公式(1)计算：

其中，Ks为稳定性系数，当其取值为Ks＝1.0时，得到所述c_临、ψ_临；公式(1)中的A、V分别通过公式(2)、(3)获得：

A＝(H-h)cscβ (2)

其中，γ为试件容重，单位KN/m³；V为试件体积，单位m³；β为结构面倾角，单位为°；ψ为结构面内摩擦角，单位为°；A为单位长度结构面面积，单位m²；c为结构面的粘聚力，单位KPa；v为静水压力，单位KN；H为试件所取边坡的高度，单位为m；h为裂缝深度，单位m；r_w为水容重，单位KN/m³；h_w为裂缝充水深度，单位m。

基于目前针对软岩边坡稳定性的研究，一般岩石在浸水条件下，抗压和抗剪强度均会出现随含水量的增加而逐渐减小的趋势，岩石中水分含量的多少是影响岩石强度的关键因素。降雨过程中，软弱夹层受降雨入渗影响，强度弱化损伤的过程即为内摩擦角和粘聚力下降的过程。本试验方法能够实现三个目的：(1)准确确定软弱夹层岩体非饱和状态下，随着含水率的变化，岩体内摩擦角和粘聚力随含水率的变化情况；(2)准确软弱夹层在含水率饱和状态下，岩体强度随浸水时间长短的变化情况；(3)监测随着含水率的上升，岩体位移的准确变化情况。

试验分为两个阶段：

第一阶段开展浸水试验，监测随着含水率的上升，滑移面软岩c、ψ值的变化。步骤如下：

(1)测定干容重：取滑移面软岩岩样，制备试件，在105～110℃恒温下烘24h，然后放入干燥器内冷却至室温，称干试件质量。利用量积法测定试件体积，计算试件干容重。

(2)测试干试件的c₀、ψ₀值，计算无降雨情况下稳定性系数；

(3)取多组软岩岩样试件，将其浸泡在水中，分别测试岩样浸泡24h、48h、……、240h，或更长时间，含水率上升至饱和状态过程中，含水率以及c、ψ值的变化。

含水率上升过程中，软弱夹层岩体未达到饱和时，粘结力和内摩擦角与含水率的函数关系如下：

c(ω)＝a₁ω³+b₁ω²+c₁ω+c₀

ψ(ω)＝a₂ω³+b₂ω²+c₂ω+ψ₀

c₀、ψ₀分别为含水率为0时对应的数值。关于系数a₁、b₁、c₁、a₂、b₂、c₂的确定，需要利用含水率以及c、ψ值的变化，求解多项式方程，得出系数具体值；

软弱夹层岩体达到饱和后，含水率不再变化，此时粘聚力和内摩擦角与浸水时间长短呈指数函数关系如下：

c(t)＝0.2145e^-0.0008t

ψ(t)＝31.963e^-0.0004t

(4)将c、ψ值代入有降雨条件下稳定性系数计算公式，当k_s＝1.0的时候，c、ψ值作为瞬时滑移临界值。

第二阶段利用崩塌实验装置模拟自然降雨状态，同时监测模拟自然岩体的预制块软弱夹层含水率和位移的变化情况。

包括如下步骤：

S1、采取第一阶段步骤(1)所制备的试件，所述试件为未浸泡过水的试件，将光纤传感器和水分传感器置入所述试件的软弱夹层，所述光纤传感器和水分传感器与监测仪通信连接；

S2、将置入所述光纤传感器和水分传感器的试件放置于试验装置的底板的枢转部；

S3、调整所述枢转部的角度以模拟不同坡度，开启所述试验装置的喷射系统，并调整喷射系统的喷水量以模拟不同降雨量，记录不同时间、不同角度和不同喷水量下，所述软弱夹层的振动频率、含水率和位移，构建崩塌试验模型。

S4、利用第二阶段监测含水率与第一阶段试件含水率进行对比，当第二阶段监测含水率达到临界值对应的试件含水率值前后，c、ψ值达到瞬时滑移临界值时，岩体稳定性系数介于1.05—0.95，对应预制块体遵循从暂时稳定-变形-整体变形-滑动的变化过程，此时密切关注光纤传感器监测数据的变化，观察岩体位移变化情况。

在识别岩体崩塌的早期预警监测中，若仅测量位移变形参数，根据变形——时间曲线，提出不同尺度的时间预测预报模型和方法，将会由于崩塌加速变形阶段的快速性和突发性，使该方法很难满足在加速变形前实现崩塌的早期预警。

因此，本实施例提供的试验方法，更好的反映了岩体软弱夹层在降雨过程中粘聚力和内摩擦角随着含水率变化发展的趋势，将岩体崩塌发生前的蠕动变形通过监测含水率、粘聚力和内摩擦角的方式表现出来，配合软弱夹层的含水量变化和位移变化，构建崩塌试验模型。

所述软弱夹层，如前文中提到的，是指山体岩质边坡中存在的一种与硬质岩相比吸水性能好、易软化、具有可塑性、膨胀性，强度较低的一种岩石。在崩塌或滑坡灾害发生过程中，软弱夹层是最容易变形的部位，因此将所述光纤传感器和水分传感器放置于软弱夹层，以针对最容易发生滑坡或崩塌的岩体，建立与之相适应的预警指标体系。

根据气象局雨量划分标准，当24h雨量小于10mm时为小雨，10-25mm为中雨，25-50mm为大雨，50mm以上为暴雨。根据不同雨量所测得的含水率，可以相应获得岩体不同的粘聚力c和内摩擦角ψ。

本实施例提供的试验方法，通过监测岩体在自然降雨条件下含水率上升饱和前后，软弱夹层粘聚力和内摩擦角的趋势，预测瞬时滑移阶段破坏前兆，达到早期预警的目的。

具体地，所述S3中，可以进一步包括：

S31、将枢转部5枢转至与水平面的夹角为15°，开启进水管6，利用水量调节阀门调节水量大小，使喷水管喷射水量分别达到小雨、中雨、大雨和暴雨等级，如设定降雨量为1-160mm，以模拟自然降雨条件，分别记录软弱夹层的含水率、粘聚力、内摩擦角和位移的变化；

S32：将枢转部5分别枢转至25°、35°、45°、55°、65°，重复步骤S31，分别记录软弱夹层的含水率、粘聚力、内摩擦角和位移的变化。

或者，所述S3还可以包括如下步骤：

S31：将枢转部5枢转至15°，开启进水管6，利用水量调节阀门调节水量，模拟自然降雨条件下连续三天小雨降水，观察记录软弱夹层的含水率、粘聚力、内摩擦角和位移的变化；

S32、然后重复步骤S31，不同之处，将所模拟的降雨量分别调整为中雨、大雨以及暴雨，并观察记录软弱夹层的含水率、粘聚力、内摩擦角和位移的变化；

S34、将枢转部5分别枢转至25°、35°、45°、55°、65°，重复步骤S31-S32，分别记录软弱夹层的含水率、粘聚力、内摩擦角和位移的变化。

进一步地，为了更准确地获得所述岩体的崩塌试验模型，所述试验方法可以进一步延长喷射水量的时间，以模拟半个月降雨条件或者一个月降雨条件下，获得不同坡度、不同降雨量，所述软弱夹层的含水率、粘聚力、内摩擦角和位移的变化。

本发明提供的一种可移动崩塌试验装置的试验方法，由于采用了多个参数进行崩塌模型构建，大大提高了监测技术及预警方法的准确性和实用性，且可用于岩土、农业等领域，测定岩土体积含水率、孔隙水压力、土体位移、水土流失率等，通用性强。

本说明书的描述中，术语“一个实施例”、“一些实施例”、“实施例”、“示例”、“具体示例”或“一些示例”等的描述，是指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行改动、修改、替换和变型。

Claims (10)

1.一种基于可移动崩塌试验系统的崩塌试验方法，其特征在于，可移动崩塌试验系统包括：用于监测试件参数的光纤传感器和水分传感器，用于模拟试件所处的自然条件的可移动崩塌试验装置，连接光纤传感器、水分传感器的监测设备，所述方法包括如下步骤：

S100、对第一试件进行浸水处理，获取第一试件软弱夹层粘聚力和内摩擦角的瞬时滑移临界值c_临、ψ_临；

S200、对第二试件模拟试验；所述第一试件和第二试件是相同的试件；

在第二试件的软弱夹层中置入所述光纤传感器和水分传感器，并放置于所述可移动崩塌试验装置内；

调整所述可移动崩塌试验装置以模拟各种自然条件，借助于所述光纤传感器和水分传感器实时监测所述第二试件的参数；

S300、根据第一试件的粘聚力和内摩擦角的瞬时滑移临界值c_临、ψ_临，和监测的各种自然条件下第二试件的参数，构建崩塌试验模型。

2.如权利要求1所述的崩塌试验方法，其特征在于，

所述S100包括：

S110、试件制备；

获取目标区域的滑移面软岩岩样若干件，在105-110℃恒温下烘干24小时，冷却至室温得到所述第一试件和第二试件；

S120、将所述第一试件浸泡于水中，获取不同时间下所述第一试件的含水率、粘聚力c、内摩擦角ψ，

S130、通过公式(1)获取所述第一试件粘聚力和内摩擦角的瞬时滑移临界值c_临、ψ_临；

其中，Ks为稳定性系数，当其取值为Ks＝1.0时，得到所述c_临、ψ_临；公式(1)中的A、V分别通过公式(2)、(3)获得：

A＝(H-h)cscβ (2)

其中，γ为试件容重，单位KN/m³；V为试件体积，单位m³；β为结构面倾角，单位为°；ψ为结构面内摩擦角，单位为°；A为单位长度结构面面积，单位m²；c为结构面的粘聚力，单位KPa；v为静水压力，单位KN；H为试件所取边坡的高度，单位为m；h为裂缝深度，单位m；r_w为水容重，单位KN/m³；h_w为裂缝充水深度，单位m。

3.如权利要求2所述的崩塌试验方法，其特征在于，

所述S110还包括，获取所述第一试件后测试该第一试件的c₀和ψ₀值，所述c₀和ψ₀分别为第一试件含水率为0时，第一试件软弱夹层的粘聚力和内摩擦角。

所述S200中，所述模拟各种自然条件包括：时间为3-720小时、坡度为15°-65°和降水量为1-160毫米。

4.根据权利要求2所述的崩塌试验方法，其特征在于，

S300包括：根据公式(1)、瞬时滑移临界值c_临、ψ_临，和监测的各种自然条件下第二试件的参数，构建崩塌试验模型，并获取第二试件的软弱夹层的位移变化数据；

和/或

根据崩塌试验模型和监测浸水处理的第一试件各阶段的浸水参数，确定第一试件含水率上升过程中且含水率未达到饱和时，该第一试件中软弱夹层的粘结力、内摩擦角分别与含水率的函数关系：

根据崩塌试验模型和监测浸水处理的第一试件各阶段的浸水参数，确定第一试件含水率达到饱和时，第一试件中软弱夹层的粘结力、内摩擦角分别与浸水时间长短的函数关系为：

5.一种可移动崩塌试验装置，其特征在于，所述试验装置包括：

承载试件的可移动承载结构，可拆卸的支撑结构以及可调节的喷射系统；

其中，所述可移动承载结构包括底板(1)、枢转部(5)和设置于所述底板(1)下方的万向轮，所述枢转部(5)通过枢轴可枢转连接至所述底板(1)，以模拟不同坡度，试件放置于所述枢转部(5)上；

所述可拆卸的支撑结构位于所述承载结构的上方，以对所述可调节的喷射系统形成支撑；

所述可调节的喷射系统，用于提供不同喷水量以模拟降雨；其包括连接外部水源的进水管(6)、与所述进水管(6)连通的喷水管(7)、形成于喷水管(7)的喷射部，以及设置于所述进水管(6)的水量调节组件；

所述喷水管(7)和喷射部通过所述支撑结构位于所述底板(1)的枢转部(5)上方，以对所述试件进行不同喷水量的喷射。

6.如权利要求5所述的可移动崩塌试验装置，其特征在于，

所述喷射部包括若干喷射孔(8)，所述喷射孔(8)的直径为1-2mm，设置方式为：直径为1mm的喷射孔(8)与直径为1.5mm的喷射孔(8)交替间隔布置；或

直径为1.5mm的喷射孔(8)与直径为2mm的喷射孔(8)交替间隔布置；或

直径为1mm的喷射孔(8)与直径为2mm的喷射孔(8)交替间隔布置。

7.如权利要求5所述的可移动崩塌试验装置，其特征在于：

所述底板(1)呈矩形，其包括：凹字形部和所述枢转部(5)，所述凹字形部与所述枢转部(5)位于同一平面时形成所述矩形底板(1)；所述枢转部(5)绕枢轴转动以模拟不同坡角；所述支架(2)的底端连接于所述矩形底板(1)上表面的四个角处。

8.如权利要求5所述的可移动崩塌试验装置，其特征在于：

所述可拆卸的支撑结构为“ㄇ”型中空结构，其中，竖杆(3)垂直于所述底板(1)、且可拆卸地连接于所述底板(1)上表面的四个角处；两根横杆(4)在其中心处相交，每根横杆(4)的端部分别连接所述竖杆(3)；

所述横杆(4)中段开设槽口；

所述喷射系统的进水管(6)位于所述竖杆(3)内，所述喷射系统的喷水管(7)位于所述横杆(4)内，或从所述横杆(4)的槽口伸出悬挂于所述底板(1)上方。

9.如权利要求5所述的可移动崩塌试验装置，其特征在于：

所述可移动崩塌试验装置还包括可移动式水箱(10)，所述水箱(10)与所述底板(1)可拆卸式连接，且水箱(10)底部设置万向轮。

10.一种基于权利要求5-9任一项所述可移动崩塌试验装置的可移动崩塌试验系统，其特征在于，所述可移动崩塌试验系统包括：

权利要求5-9任一项所述的可移动崩塌试验装置；

置于试件软弱夹层的光纤传感器和水分传感器；以及

监测仪，所述监测仪与所述光纤传感器和水分传感器通信连接。

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