CN113324988A - 干湿交替作用下软夹岩泥化导致边坡界面失稳的可变坡度模拟装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种干湿交替作用下软夹岩泥化导致边坡界面失稳的可变坡度模拟装置，旋转式边坡试验箱包括密封式模型箱，箱体采用砂土边坡，软岩夹层采用特制黏土铺设，并在软岩夹层两侧铺设pH试纸条；模拟淋雨组件安装于模型箱上方，喷头对准模型箱进行喷淋；模型箱配有至少二个设备腔室；箱体的下半部为半圆形区域，放入找平组件，贯通螺杆贯通穿过半圆形区域和找平组件的孔洞，通过螺栓固定于两侧的支座上；调整边坡试验箱的角度，对边坡实施干湿循环操作以模拟实际环境，对试验数据以及pH试纸条的显色情况进行分析。本发明的优点是模拟不同坡度的软岩夹层边坡在干湿交替环境下软夹层泥化导致的界面失稳破坏过程。

Description

干湿交替作用下软夹岩泥化导致边坡界面失稳的可变坡度模 拟装置

技术领域

本发明涉及一种土木工程模拟装置，特别涉及一种干湿交替作用下软夹岩泥化导致边坡界面失稳的可变坡度模拟装置。

背景技术

在我国的西南地区，特别是四川云南重庆等地，存在大量含有泥、页岩软夹层的边坡。在水利、公路和铁路等工程建设过程中，如何保持该类边坡稳定是一个重要课题。较干燥的泥页岩夹层的抗剪强度较大，并非边坡失稳的控制性因素。然而，降雨入渗或水位变动条件下，泥页岩初次遇水不易膨胀，具有一定的隔水效应，但是经过反复干湿交替的泥页岩会因为层间错动，矿物质交换等原因发生泥化反应，泥化后的泥页岩夹层抗剪强度大大降低，最终成为威胁边坡稳定的关键因素。

边坡坡度对干湿交替作用下含有软夹岩层的边坡的稳定性有着很大的影响。而现有的模拟试验装置只能在试验前设置边坡的坡度，而无法做到在试验中调整边坡的坡度，并且在试验过程中也无法做到同时对比不同边坡的坡度对破坏形式产生的影响。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是要提供一种干湿交替作用下软夹岩泥化导致边坡界面失稳的可变坡度模拟装置，通过可旋转的两个试验箱分别设置不同坡度并在干湿交替环境中同时进行对照观察实验，更好地验证评价边坡坡度对干湿交替作用下软夹岩层泥化边坡界面失稳的影响程度。

为了解决以上的技术问题，本发明提供了一种干湿交替作用下软夹岩泥化导致边坡界面失稳的可变坡度模拟装置，包括：

旋转式边坡试验箱，包括至少一个密封式模型箱，箱体中的边坡采用砂土铺设，软岩夹层采用特制黏土铺设，并在软岩夹层两侧铺设若干条pH试纸条；所述特制黏土采用高岭石和蒙脱石系黏土；pH试纸条用于测定软岩夹层的化学变化，并铺设在软岩夹层与砂土边坡的交界面；

模拟淋雨组件，安装于旋转式边坡试验箱上方，模拟淋雨组件的喷头对准至少一个密封式试验箱进行喷淋；

所述至少一个密封式模型箱配有至少二个设备腔室；

所述旋转式边坡试验箱的箱体的下半部为半圆形区域，放入找平组件，一贯通螺杆贯通穿过所述半圆形区域和找平组件的预设孔洞，通过螺栓固定于两侧的支座上；

调整边坡试验箱的角度，对边坡实施干湿循环操作以模拟实际环境，对试验数据以及 pH试纸条的显色情况进行分析。

所述模拟淋雨组件包括喷头和硬质塑料管，硬质塑料管呈十字形，其伸出的四翼中部分别设有喷头，喷头与硬质塑料管通过可塑塑料管连接。硬质塑料管下侧开孔，通过软质塑料管与外部水箱连接。

所述可塑塑料管改变喷头的方向，以模拟不同的喷淋角度。

所述旋转式边坡试验箱体外与硬质塑料管对应的位置上设有软质塑料管。

所述找平组件包括液体水平调节器、支杆和底板托盘，液体水平调节器中装有高密度易流动的液体，液体水平调节器和底板托盘通过支杆连接，底板托盘位于旋转式边坡试验箱体的底部，液体水平调节器的底部为圆弧形，放在旋转式边坡试验箱体下半部的半圆形区域内，且半圆形区域内涂抹润滑剂，便于液体水平调节器的滑动；液体水平调节器控制底板托盘呈水平状态。所述贯通螺杆穿过液体水平调节器支杆中的预设孔洞，连接多个密封式模型箱，所述螺栓用于固定改变角度后的旋转式边坡试验箱。

所述至少二个设备腔室均预设电源接口，其中一个设备腔室的隔板为带圆形孔洞隔板，另一个设备腔室的隔板为格栅板。设备腔室内分别放置烘干机和气压机。

所述密封式模型箱通过带有橡胶圈的上盖进行密封。

本发明的优越功效在于：

1） 模拟不同坡度的含有泥页岩软岩夹层边坡在干湿交替环境下软夹层泥化导致的抗剪强度降低进而导致界面失稳的破坏过程；

2） 通过pH试纸的显色反应分析边坡软岩夹层在泥化过程中的矿物成分变化，旋转式边坡试验箱能更好地改变边坡软岩夹层的倾角，以观测倾角变化对边坡破坏面的影响；

3）本发明旋转式边坡试验箱设有二个密封式模型箱，可同时试验观察不同坡度的影响，更好地观测不同倾角下边坡破坏面的形态，从而更好地揭示含泥页岩质软岩夹层边坡在干湿交替环境下的界面失稳机理。

附图说明

构成申请的一部分说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施案例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1为本发明的轴测图；

图2为本发明的正视图；

图3为本发明的俯视图；

图4为本发明在两个不同坡度的侧视图；

图5为本发明液体水平调节器示意图；

图中标号说明：

1—模型箱A； 2—模型箱B；

3—砂土边坡； 4—软岩夹层；

5—pH试纸条； 6—软质塑料管；

7—带有孔洞的隔板； 8—电源接头；

9—设备腔室C； 10—设备腔室D；

11—格栅板； 12—十字形硬质塑料管道；

13—喷头； 14—支座；

15—贯通螺杆； 16—螺栓；

17—液体水平调节器； 18—支杆；

19—底板托盘； 20—软质垫片。

具体实施方式

为了使本发明的技术方案及优点得到更加清楚的展示，下面将结合附图及具体实施案例对本发明作进一步说明。此处所述的具体实施方式仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1和图2所示，本发明提供了一种干湿交替作用下软夹岩泥化导致边坡界面失稳的可变坡度模拟装置，包括模型箱A1和B2，模型箱A1和B2的上部开口，模型箱A1和B2由轻质高强透明塑料板制成，能有效减轻模型箱的自重。模型箱A1和B2的上侧各独立带有两个设备腔室C9和D10，设备腔室C9隔板为带有孔洞的隔板7，设备腔室D10隔板为格栅板11，分别放置实验所需的烘干机和气压机等。

模型箱A1和B2内的实验边坡采用砂土铺设称为砂土边坡3，软岩夹层4采用高岭石和蒙脱石制成的特制黏土铺设，并在软岩夹层4两侧都铺设若干条pH试纸条5，即在模型箱A1和B2内从下至上铺设砂土，pH 试纸条5，特制黏土，pH 试纸条5，砂土。

模型箱A1和B2两侧连接内部的十字形硬质塑料管道12的为软质塑料管。

如图1-图3所示，模型箱A1和B2的后侧设有电源接头8，底部两侧设有两个梯形支座14，支座14中部设置有贯通螺杆15，贯通螺杆15贯通两个模型箱A1和B2下部的半圆形区域和液体水平调节器上的预设孔洞连接整个装置，贯通螺杆15两端有螺栓16，调节螺栓16的松紧可对不同倾斜度的模型箱A1和B2进行固定（如图4所示）。模型箱A1和B2上部装有十字形硬质塑料管道12，十字形硬质塑料管道12下部开有小孔，并通过软质塑料管与外部水箱连接。喷头13位于十字形硬质塑料管道12各段的中部，喷头13与十字形硬质塑料管道12通过可塑塑料管连接，可塑塑料管可改变喷头的方向，以模拟不同角度。模型箱A1和B2的下部为半圆形区域，用于放置底部为圆弧形的液体水平调节器17。

如图5所示，液体水平调节器17和底板托盘19通过支杆18连接，底板托盘19位于模型箱A1和B2的底部，液体水平调节器17控制底板托盘19呈水平状态。液体水平调节器17内部装有高密度高流动性的液体，使液体水平调节器17始终保持水平状态，便于对实际边坡的不同情况的模拟。

本发明提供的一种干湿交替作用下软夹岩泥化导致边坡界面失稳的可变坡度模拟装置，实现干湿交替作用下软岩夹层泥化导致边坡界面失稳模拟试验如以下步骤：

S1：先用清水将模型箱A1和B2洗净，并用清洁的纸巾将箱内的残留积水擦拭干净，避免残积水影响试验结果；在模型箱A1和B2的下部半圆形区域涂抹润滑剂，便于液体水平调节器17在箱体内自由滑动，从而确保底板托盘19始终处在水平位置；

S2：将两个液体水平调节器17分别放入模型箱A1和B2底部的半圆形区域，确保模型箱底部的预设孔洞和液体水平调节器支杆18中的预设孔洞对齐，将贯通螺杆15从外向内依次穿过外侧支座14、模型箱A1外侧孔洞、液体水平调节器17、模型箱A1内侧孔洞、模型箱B2内侧孔洞、液体水平调节器17、模型箱B2外侧孔洞和内测支座14。将模型箱A1和B2手动旋转到预设位置，用螺栓16套在在支座14两边的贯通螺杆15上，通过向内侧方向拧紧螺栓16产生的压力使模型箱A1和B2与支座14接触面产生的摩擦力，使整个装置保持在预设的位置上；

S3：在底板托盘19上铺置一层软质垫片20，减少微小土粒进入到模型箱A1和B2下半部半圆形区域与液体水平调节器17的缝隙中，提高水平调节的滑动能力，再将选配好的砂土铺设在软质垫片20上，铺设角度为预设软岩夹层4的角度；

S4：在砂土面铺设若干条pH试纸条5，然后将高岭石和蒙脱石制成的黏土铺设在砂土边坡3上，然后再在高岭石和蒙脱石制成的黏土上铺设若干条pH试纸条5，然后再铺设顶层的砂土，最终边坡角度为预设边坡坡度，铺设完利用设备腔室C9安装的气压装置对边坡进行预固结；

S5：将若干pH试纸条5放在高岭石和蒙脱石制成的黏土溶液中测试，并对照pH标准测试卡获得若干试纸条的平均pH数值，该平均pH数值对应初始条件下实际情况中泥页岩边坡的试验中软岩夹层的pH值；

S6：改变模型箱的倾角，放松支座14上的螺栓16，手动旋转调节模型箱A1和B2到合适位置后再向内侧方向拧紧螺栓16，保持在预设的倾斜位置上；然后对边坡进行模拟降雨，降雨时间参考模拟气象条件下的降雨历程，降雨结束后通过设备腔室D10内安装的烘干装置对边坡进行烘干，模拟其干燥环境，如此干湿交替循环5-10次，而后对两个不同倾角的边坡施加气压，模拟干湿循环后的加载问题，直至两个边坡失稳破坏，对比坡度的不同对两个边坡破坏界面形状，破坏面位置，破坏影响范围等的影响；

S7：试验结束后，取出软岩夹层4内的pH试纸条5，在pH测试卡上测试出边坡经过反复干湿交替后pH的数值，将该数值取平均值，再将该平均值和初始条件下的pH数值比较，分析边坡模拟的泥页岩软岩夹层矿物成分的变化，进而分析试验模拟含软岩夹层的边坡在干湿交替作用下软岩夹层的泥化程度。

以上实施例所述的具体实施方式仅为本发明的一种较佳操作案例，由于本发明装置具有较好的可控性，相关土木工程技术领域的技术人员可以按照实际情况对本发明进行修改，以达到不同的试验效果和试验目的。即本案实施方式并不用以限制本发明，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何细微修改、等同替换和改进，均应包含在本发明技术方案的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种干湿交替作用下边坡软岩夹层泥化导致界面失稳的可变坡度的模拟装置，包括：

旋转式边坡试验箱，包括至少一个密封式模型箱，箱体中的边坡采用砂土铺设，软岩夹层采用特制黏土铺设，并在软岩夹层两侧铺设若干条pH试纸条；

模拟淋雨组件，安装于旋转式边坡试验箱上方，模拟淋雨组件的喷头对准至少一个密封式试验箱进行喷淋；

所述至少一个密封式模型箱配有至少二个设备腔室；

所述旋转式边坡试验箱的箱体的下半部为半圆形区域，放入找平组件，一贯通螺杆贯通穿过所述半圆形区域和找平组件的预设孔洞，通过螺栓固定于两侧的支座上；

调整边坡试验箱的角度，对边坡实施干湿循环操作以模拟实际环境，对试验数据以及pH试纸条的显色情况进行分析。

2.根据权利要求1所述的干湿交替作用下边坡软岩夹层泥化导致界面失稳的可变坡度的模拟装置，其特征在于：所述特制黏土采用高岭石和蒙脱石系黏土。

3.根据权利要求1所述的干湿交替作用下边坡软岩夹层泥化导致界面失稳的可变坡度的模拟装置，其特征在于：所述模拟淋雨组件包括喷头和硬质塑料管，硬质塑料管呈十字形，其伸出的四翼中部分别设有喷头，喷头与硬质塑料管通过可塑塑料管连接，硬质塑料管下侧均匀开孔。

4.根据权利要求3所述的干湿交替作用下边坡软岩夹层泥化导致界面失稳的可变坡度的模拟装置，其特征在于：所述可塑塑料管改变喷头的方向，以模拟不同的喷淋角度。

5.根据权利要求1或3所述的干湿交替作用下边坡软岩夹层泥化导致界面失稳的可变坡度的模拟装置，其特征在于：所述旋转式边坡试验箱体外与硬质塑料管对应的位置上设有软质塑料管。

6.根据权利要求1所述的干湿交替作用下边坡软岩夹层泥化导致界面失稳的可变坡度的模拟装置，其特征在于：所述pH试纸条铺设在软岩夹层与砂土边坡的交界面。

7.根据权利要求1所述的干湿交替作用下边坡软岩夹层泥化导致界面失稳的可变坡度的模拟装置，其特征在于：所述找平组件包括液体水平调节器、支杆和底板托盘，液体水平调节器中装有高密度易流动的液体，液体水平调节器和底板托盘通过支杆连接，所述贯通螺杆穿过液体水平调节器支杆中的预设孔洞，连接多个密封式模型箱。

8.根据权利要求1所述的干湿交替作用下边坡软岩夹层泥化导致界面失稳的可变坡度的模拟装置，其特征在于：所述至少二个设备腔室均预设电源接口，其中一个设备腔室的隔板为带圆形孔洞隔板，另一个设备腔室的隔板为格栅板。

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