CN112698011A - 一种降雨诱发古滑坡复活的离心物理试验模型及试验方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种降雨诱发古滑坡复活的离心物理试验模型及试验方法，属于岩土力学与工程技术领域。该试验模型内的多个孔隙水压力传感器均匀布设在与土工离心机模型箱的长边平行且过土工离心机模型箱中心轴的纵切面上；多个土压力传感器分三排布设，中间的一排位于孔隙水压力传感器所在的直线上，紧挨孔隙水压力传感器，另外两排土压力传感器分别对称布设于孔隙水压力传感器所在直线的前侧和后侧；多个孔隙水压力传感器和土压力传感器均设在滑坡模型的滑体和滑带界面处。本发明还提供了采用上述试验装置的试验方法，本发明采用滑坡离心物理模型试验方法，还原真实重力场，剖析裂缝和降雨耦合作用对古滑坡复活的影响。
Description
技术领域
本发明涉及岩土力学与工程技术领域，具体涉及一种降雨诱发古滑坡复活的离心物理试验模型及试验方法。
背景技术
近十余年来，古滑坡复活的成因机理研究越来越引起国内外学者的重视。人们已经认识到，水是导致古滑坡复活的重要因素，常用降雨强度推算滑坡失稳的可能性，但是水如何渗入滑体内部往往被忽视。对于由土、石混杂堆积构成的古滑坡体而言，降雨从坡表均匀入渗的深度有限，难以诱发深层滑坡。当滑坡表面发育裂缝时，雨水可沿裂缝迅速入渗，增加岩土体的自重，弱化滑体和滑带土强度，同时增加孔隙水压力。这些裂缝常被视为优势入渗通道，它们的深度、连通性和数量直接影响着滑坡体的渗流场和位移场特征及其变化，进而影响滑坡稳定性。
青藏高原东缘是全球古滑坡最为发育的地区，不良的地质构造条件和破碎的岩体结构是古滑坡形成的主要内因，后续的内外动力地质作用会促进古滑坡复活。与一般滑坡相比，古滑坡体的物质组成和结构更加复杂，常表现为由大型崩坡积、冰碛和冰水堆积、古地震堆积物形成的粗细混杂的堆积体，其工程力学行为极为特殊，在渗透变形与介质力学性质弱化联合作用下，古滑坡复活具有典型的应力-渗流-损伤耦合特点。目前对于混杂堆积体的渗透规律尚无一致的结论，一定程度上制约了对古滑坡复活机理和主控因素的认识。为了揭示降雨和裂缝的耦合作用导致古滑坡复活的机理和一般规律。本发明提供一种降雨诱发古滑坡复活的离心物理试验模型及试验方法。
发明内容
本发明的目的是为了克服现有技术中的问题，提供一种降雨诱发古滑坡复活的离心物理试验模型及试验方法。
本发明提供了一种降雨诱发古滑坡复活的离心物理试验模型，包括：
土工离心机模型箱，其一侧面上设有透明可视窗；
滑坡模型，位于所述土工离心机模型箱内，且滑坡的坡长方向与土工离心机模型箱的长边方向一致，所述滑坡模型包括滑床，所述滑床的上斜面处设有滑带，所述滑带上斜面处设有滑体，所述滑体的上表面也为斜坡面；
多个孔隙水压力传感器，均匀布设在与土工离心机模型箱的长边平行且过土工离心机模型箱中心轴的纵切面上，所述多个孔隙水压力传感器均设在滑坡模型的滑体和滑带界面处；用于实时监测试验过程中滑体和滑带界面处的孔隙水压力变化情况；
多个土压力传感器，分三排布设，中间的一排位于孔隙水压力传感器所在的直线上，布设位置紧挨孔隙水压力传感器，另外两排土压力传感器分别对称布设于孔隙水压力传感器所在直线的前侧和后侧，且各排土压力传感器所在直线均与土工离心机模型箱的长边平行；所述多个土压力传感器均设在滑坡模型的滑体和滑带界面处，用于实时监测试验过程中高处土体对土压力传感器所在位置的水平推力。
较佳地，还包括喷淋装置以及支撑架，所述喷淋装置通过支撑架固定于滑坡模型的上方，用于给滑坡模型喷水。
较佳地，喷淋装置还连接有用于计量喷淋装置出水流量的流量计，所述流量计和控制器电连接，所述控制器还电连接有计时器。
本发明还提供了降雨诱发古滑坡复活的离心物理试验模型进行模拟试验的方法，包括以下步骤
S101、滑坡模型的制作
将风干的模型材料过筛，按相应颗粒级配和含水率均匀配制滑体和滑带土；在土工离心机模型箱内制作滑坡模型，在制作滑带和滑体时，分层堆填，每层铺完后用橡皮锤击实，将其表面刨毛再堆填下一层，避免出现分层现象；
S102、埋置土压力传感器和孔隙水压力传感器，并保证各传感器的受力面与土体紧密接触，土压力传感器的受压感应面法向方向水平，且朝滑坡模型的高端，用以监测滑坡模型高端土压力变化情况，孔隙水压力传感器在埋设前用水浸泡排出探头中的空气，埋设时探头处用细砂充填充当反滤层；
S103、分别在滑体的斜坡高端设置不同深度的裂缝；
S104、待滑坡模型堆填完毕后，在靠土工离心机模型箱透明可视窗的滑体侧边和上表面采用彩色图钉布置标记点，用以观测和统计试验过程中土体位移量；
S105、保持恒定加速度运转，以实现模型在天然状态下的固结，然后逐渐减速至停止；
S106、滑坡模型保持恒定加速度运转，确定降雨速率，然后以恒定的降水速率向滑坡模型坡表均匀喷淋水，观察不同裂缝深度条件下，当滑坡模型变形破坏时，所需的水量以及降水时间。
较佳地，S101中利用等效替代法选用1cm以下的颗粒配制滑体，选用5mm以下的颗粒配制滑带，滑带与滑体相比，含水率和固结程度增大，且最大粒径和含石量减小。
较佳地，裂缝制作具体操作如下：先预埋硬塑料板，然后堆填模型，最后再抽出塑料板，根据模拟对象实际需要，设置塑料板的厚度为1～10mm，裂缝深度为0～1h，其中h为滑体厚度。
较佳地，土工离心机模型箱箱壁和透明可视窗上均匀涂抹硅油。
较佳地，滑坡模型的滑床采用水泥、砂和砖头按比例混合后砌筑而成，并用水泥灰整体抹面整饰表面，填筑滑床时滑坡模型两侧与模型箱之间不留缝隙，以免雨水从侧边间隙流走。
较佳地，加速度是基于模型尺寸与原型尺寸之间的几何相似比确定；降雨速率根据气象统计资料与规范中降雨强度分级确定。
较佳地，滑坡模型所用到的模型材料均从野外现场取回，控制级配，并在试验前进行物理力学测试，以保证其与原型材料的物理力学性质相近。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明的试验装置借助离心机的离心加速度能够对小尺寸滑坡模型施加真实重力场，克服了一般滑坡物理模型无法还原真实应力场的缺点；通过在滑带和滑体的界面处以特定方式布设用于实时监测试验过程中滑体和滑带界面处的孔隙水压力变化情况以及高处土体对土压力传感器所在位置的水平推力的多个压力传感器，能够准确获取滑带附近的孔隙水压力和土压力变化参数，对深化认识古滑坡复活和新生滑坡形成过程的差异具有重要作用。本发明的试验装置还实现了在试验中对降雨过程的实时控制，提供了降雨强度和降雨体积总量两种降雨控制方式，改进了通常采用的先喷淋降雨再进行离心模型试验的做法，克服了先前无法保证持续实时降雨、应力场与渗流场耦合过程不符合实际的缺陷；
本发明的试验方法在滑坡模型斜坡高端设置不同深度的裂缝，聚焦了裂缝发育特征对古滑坡复活过程中渗流场和应力场的影响，可用于揭示裂缝-降雨耦合作用下古滑坡复活机理；本发明通过控制粒径、含水率和密实度等，更真实还原了岩土体的物理力学特性，明确了滑带土和滑体土的差异，克服了以往试验材料无法体现古滑坡的滑带土特殊性与差异性；结合本发明实验装置检测获取的滑带附近的孔隙水压力和土压力变化参数，利于深化认识古滑坡复活和新生滑坡形成过程的差异。
附图说明
图1为本发明离心机试验模型的结构示意图；
图2为本发明传感器布设图。
附图标记说明：
1.土工离心机模型箱，2.滑坡模型，21.滑床，22.滑带，23.滑体，3.孔隙水压力传感器，4.土压力传感器，5.裂缝。
具体实施方式
下面结合附图1-2，对本发明的具体实施方式进行详细描述，但应当理解本发明的保护范围并不受具体实施方式的限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明提供的一种降雨诱发古滑坡复活的离心物理试验模型，包括：
土工离心机模型箱1，其一侧面上设有透明可视窗；
滑坡模型2，位于所述土工离心机模型箱1内，且滑坡的坡长方向与土工离心机模型箱1的长边方向一致，所述滑坡模型2包括滑床21，所述滑床21的上斜面处设有滑带22，所述滑带22上斜面处设有滑体23，所述滑体23的上表面也为斜坡面；
多个孔隙水压力传感器3，均匀布设在与土工离心机模型箱1的长边平行且过土工离心机模型箱1中心轴的纵切面上，所述多个孔隙水压力传感器3均设在滑坡模型2的滑体23和滑带22界面处；用于实时监测试验过程中滑体23和滑带22界面处的孔隙水压力变化情况；
多个土压力传感器4，分三排布设，中间的一排位于孔隙水压力传感器3所在的直线上，布设位置紧挨孔隙水压力传感器3，另外两排土压力传感器4分别对称布设于孔隙水压力传感器3所在直线的前侧和后侧，且各排土压力传感器4所在直线均与土工离心机模型箱1的长边平行；所述多个土压力传感器4均设在滑坡模型2的滑体23和滑带22界面处，用于实时监测试验过程中高处土体对土压力传感器4所在位置的水平推力。
进一步地，还包括喷淋装置以及支撑架，所述喷淋装置通过支撑架固定于滑坡模型2的上方，用于给滑坡模型2喷水。
进一步地，所述喷淋装置还连接有用于计量喷淋装置出水流量的流量计，所述流量计，所述流量计和控制器电连接，所述控制器还电连接有计时器，当喷淋装置开始喷水，则流量计开始计量流量，流量计一旦检测到流量值，并将检测结果传送给控制器，则控制器同时启动计时器及时，当流量计的检测值不再增加则计时器停止计时，实现对喷淋装置的出水流量以及出水时间的自动统计。上述检测数据储存在存储模块中，并对检测结果进行显示，上述装置可用于监测试验过程中的流量体积和降雨强度。
进一步地，上述降雨诱发古滑坡复活的离心物理试验模型进行模拟试验的方法，包括以下步骤：
S101、滑坡模型的制作
将风干的模型材料过筛，按相应颗粒级配和含水率均匀配制滑体23和滑带22土；在土工离心机模型箱1内制作滑坡模型，在制作滑带22和滑体23时，分层堆填，每层铺完后用橡皮锤击实，将其表面刨毛再堆填下一层，避免出现分层现象；
S102、埋置土压力传感器4和孔隙水压力传感器3，并保证各传感器的受力面与土体紧密接触，土压力传感器4的受压感应面法向方向水平，且朝滑坡模型2的高端，用以监测滑坡模型2高端土压力变化情况，孔隙水压力传感器3在埋设前用水浸泡排出探头中的空气，埋设时探头处用细砂充填充当反滤层；
S103、分别在滑体23的斜坡高端设置不同深度的裂缝5；
S104、待滑坡模型2堆填完毕后，在靠土工离心机模型箱1透明可视窗的滑体23侧边和上表面采用彩色图钉布置标记点，用以观测和统计试验过程中土体位移量；
S105、保持恒定加速度运转，以实现模型在天然状态下的固结，然后逐渐减速至停止；
S106、滑坡模型保持恒定加速度运转，确定降雨速率，然后以恒定的降水速率向滑坡模型坡表均匀喷淋水，观察不同裂缝5深度条件下，当滑坡模型变形破坏时，所需的水量以及降水时间。
进一步地，S101中利用等效替代法选用1cm以下的颗粒配制滑体，选用5mm以下的颗粒配制滑带，滑带与滑体相比，含水率和固结程度增大，且最大粒径和含石量减小。
进一步地，裂缝5制作具体操作如下：先预埋硬塑料板，然后堆填模型，最后再抽出塑料板，根据模拟对象实际需要，设置塑料板的厚度为1～10mm，裂缝5深度为0～1h，其中h为滑体厚度。
进一步地，土工离心机模型箱1箱壁和透明可视窗上均匀涂抹硅油以减小边界效应的影响。
进一步地，滑坡模型2的滑床采用水泥、砂和砖头按比例混合后砌筑而成，并用水泥灰整体抹面整饰表面，填筑滑床时滑坡模型2两侧与模型箱之间不留缝隙，以免雨水从侧边间隙流走。
进一步地，加速度是基于模型尺寸与原型尺寸之间的几何相似比确定；降雨速率根据气象统计资料与规范中降雨强度分级确定。
进一步地，裂滑坡模型2所用到的模型材料均从野外现场取回，控制级配，并在试验前进行物理力学测试，以保证其与原型材料的物理力学性质相近。
选取青藏高原东缘典型的混杂堆积型古滑坡—上窑沟古滑坡复活案例为原型，在现场采取岩土样品，采用成都理工大学地质灾害与地质环境保护国家重点实验室的TLJ-500型土工离心机，模拟分析含砾黏土组成的古滑体在不同降雨工况下的变形响应程度和复活演化过程，以期揭示降雨与裂缝对古滑坡复活的作用方式。
模型结构
模型相对于原型尺寸缩小一定倍数时减小的重力场，可通过增加相应倍数的离心加速度来还原。综合考虑滑坡原型和模型尺寸，确定最大离心加速度为150g，模型几何相似系数n＝150。基于滑坡原型的几何尺寸和滑体、滑带厚度，建立滑坡概化地质模型。模型长90cm，宽60cm，滑体平均厚约10cm，滑带厚1～2cm。此时滑坡物理模型中的滑体在离心加速度150g下的重力，即等同于厚约15m的滑体天然自重。为获取试验过程中滑坡不同区段的孔隙水压和土压力变化情况，沿滑坡模型中轴线在前部、中部和后部分别埋设孔隙水压力传感器，用于实时监测试验过程中滑面处的孔隙水压力变化情况；在同一横断面上，沿中轴线两侧对称布设土压力传感器，用以监测试验过程中来自高部土体的水平推力。土压力传感器和孔隙水压力传感器均埋设于滑体和滑带界面附近，如图1所示。
模型材料
为尽可能反映滑坡原型岩土体的物理力学性质，综合考虑滑坡原型中滑体和滑带土的级配及粒径差异，确定模型中滑体土料的最大限制粒径1cm，滑带的最大限制粒径为5mm。根据现场调查和室内测试结果，古滑坡的滑带土结构密实，因碎石颗粒剪切破碎而导致滑带土中粗颗粒含量低。利用等效替代法选用1cm以下的颗粒配制滑体，选用5mm以下的颗粒配制滑带，模型材料中滑体和滑带土的物理力学参数与原型相近。
模型制作与试验过程
将风干试样过筛，按相应颗粒级配和含水率均匀配制滑体和滑带土。在制作滑带和滑体时，分层堆填，每层铺完后用橡皮锤击实，将其表面刨毛再堆填下一层，避免出现分层现象。由于本次试验模拟古滑坡复活过程，考虑到古滑坡受力和演化历史，滑带与滑体相比，含水率和固结程度增大，且最大粒径和含石量减小。在模型中通过预埋5mm厚的硬塑料板、深度分别为1cm、5cm、10cm来实现裂缝制作。
按试验设计埋置传感器，并保证传感器受力面与土体紧密接触。待模型堆填完毕后，在靠透明可视窗的滑体侧边以及上表面布置标记点，用以观测试验过程中土体位移量。采用手持三维激光扫描仪对滑坡模型表面进行扫描生成点云数据，获取试验前模型表面形态特征。目前在高加速度下(大于100g)离心模型试验的降雨技术问题(如科氏效应和风速影响、降雨均匀性等)依然没有得到很好解决。因此，本次采用离心加速过程中实时控制喷淋装置来模拟持续降雨。具体试验流程为：①完成滑坡物理模型后，养护24h；②加速至150g，保持恒定加速度运转2min，以实现模型在天然状态下的固结；③根据研究需要，设置降雨强度为10mm/h，在②的基础上施加降雨，观察模型变形破坏情况，监测其孔隙水压力和土压力变化，待模型发生完全失稳滑动，逐渐减速至停止；④对滑坡模型滑体侧边和上表面的标记进行测量统计，对试验过程中孔隙水压力和土压力监测数据分析，对模型变形破坏特征拍照记录，同时采用手持三维激光扫描仪对滑坡模型表面进行扫描生成点云数据，用于试验前后坡表形态精细对比分析。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。
Claims (10)
1.一种降雨诱发古滑坡复活的离心物理试验模型，其特征在于，包括：
土工离心机模型箱(1)，其一侧面上设有透明可视窗；
滑坡模型(2)，位于所述土工离心机模型箱(1)内，且滑坡的坡长方向与土工离心机模型箱(1)的长边方向一致，所述滑坡模型(2)包括滑床(21)，所述滑床(21)的上斜面处设有滑带(22)，所述滑带(22)上斜面处设有滑体(23)，所述滑体(23)的上表面也为斜坡面；
多个孔隙水压力传感器(3)，均匀布设在与土工离心机模型箱(1)的长边平行且过土工离心机模型箱(1)中心轴的纵切面上，所述多个孔隙水压力传感器(3)均设在滑坡模型(2)的滑体(23)和滑带(22)界面处，用于实时监测试验过程中滑体(23)和滑带(22)界面处的孔隙水压力变化情况；
多个土压力传感器(4)，分三排布设，中间的一排位于孔隙水压力传感器(3)所在的直线上，布设位置紧挨孔隙水压力传感器(3)，另外两排土压力传感器(4)分别对称布设于孔隙水压力传感器(3)所在直线的前侧和后侧，且各排土压力传感器(4)所在直线均与土工离心机模型箱(1)的长边平行；所述多个土压力传感器(4)均设在滑坡模型(2)的滑体(23)和滑带(22)界面处，用于实时监测试验过程中高处土体对土压力传感器(4)所在位置的水平推力。
2.如权利要求1所述的降雨诱发古滑坡复活的离心物理试验模型，其特征在于，还包括喷淋装置以及支撑架，所述喷淋装置通过支撑架固定于滑坡模型(2)的上方，用于给滑坡模型(2)喷水。
3.如权利要求2所述的降雨诱发古滑坡复活的离心物理试验模型，其特征在于，所述喷淋装置还连接有用于计量喷淋装置出水流量的流量计，所述流量计和控制器电连接，所述控制器还电连接有计时器。
4.采用如权利要求1所述的降雨诱发古滑坡复活的离心物理试验模型进行模拟试验的方法，其特征在于，包括以下步骤：
S101、滑坡模型的制作
将风干的模型材料过筛，按相应颗粒级配和含水率均匀配制滑体(23)和滑带(22)土；在土工离心机模型箱(1)内制作滑坡模型，在制作滑带(22)和滑体(23)时，分层堆填，每层铺完后用橡皮锤击实，将其表面刨毛再堆填下一层，避免出现分层现象；
S102、埋置土压力传感器(4)和孔隙水压力传感器(3)，并保证各传感器的受力面与土体紧密接触，土压力传感器(4)的受压感应面法向方向水平，且朝滑坡模型(2)的高端，用以监测滑坡模型(2)高端土压力变化情况，孔隙水压力传感器(3)在埋设前用水浸泡排出探头中的空气，埋设时探头处用细砂充填充当反滤层；
S103、分别在滑体(23)的斜坡高端设置不同深度的裂缝(5)；
S104、待滑坡模型(2)堆填完毕后，在靠土工离心机模型箱(1)透明可视窗的滑体(23)侧边和上表面采用彩色图钉布置标记点，用以观测和统计试验过程中土体位移量；
S105、保持恒定加速度运转，以实现模型在天然状态下的固结，然后逐渐减速至停止；
S106、滑坡模型(2)保持恒定加速度运转，确定降雨速率，然后以恒定的降水速率向滑坡模型坡表均匀喷淋水，观察不同裂缝(5)深度条件下，当滑坡模型(2)变形破坏时，所需的水量以及降水时间。
5.如权利要求4所述的降雨诱发古滑坡复活的离心物理试验模型进行模拟试验的方法，其特征在于，S101中利用等效替代法选用1cm以下的颗粒配制滑体，选用5mm以下的颗粒配制滑带，滑带与滑体相比，含水率和固结程度增大，且最大粒径和含石量减小。
6.如权利要求4所述的降雨诱发古滑坡复活的离心物理试验模型进行模拟试验的方法，其特征在于，裂缝(5)制作具体操作如下：先预埋硬塑料板，然后堆填模型，最后再抽出塑料板，根据模拟对象实际需要，设置塑料板的厚度为1～10mm，裂缝(5)深度为0～1h，其中h为滑体厚度。
7.如权利要求4所述的降雨诱发古滑坡复活的离心物理试验模型进行模拟试验的方法，其特征在于，土工离心机模型箱(1)箱壁和透明可视窗上均匀涂抹硅油。
8.如权利要求4所述的降雨诱发古滑坡复活的离心物理试验模型进行模拟试验的方法，其特征在于，滑坡模型(2)的滑床采用水泥、砂和砖头按比例混合后砌筑而成，并用水泥灰整体抹面整饰表面，填筑滑床时滑坡模型(2)两侧与模型箱之间不留缝隙，以免雨水从侧边间隙流走。
9.如权利要求4所述的降雨诱发古滑坡复活的离心物理试验模型进行模拟试验的方法，其特征在于，加速度是基于模型尺寸与原型尺寸之间的几何相似比确定；降雨速率根据气象统计资料与规范中降雨强度分级确定。
10.如权利要求4所述的降雨诱发古滑坡复活的离心物理试验模型进行模拟试验的方法，其特征在于，滑坡模型(2)所用到的模型材料均从野外现场取回，控制级配，并在试验前进行物理力学测试，以保证其与原型材料的物理力学性质相近。
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