CN113447363B - 一种可等效坡体高度的降雨型滑坡模型试验装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种可等效坡体高度的降雨型滑坡模型试验装置及方法，该模型试验装置包括边坡模型箱、反力架、多组多排的加载气缸、压力传感器、加载板和降雨装置，其中，所述降雨装置通过钢架搭建在所述边坡模型箱上方，所述边坡模型箱内部用于制成边坡模型，所述反力架立柱通过焊接固定在所述边坡模型箱上方，所述加载气缸通过紧固件倒置固定在所述反力架横梁上，所述加载气缸下方为自由端，所述压力传感器与所述加载气缸活塞杆固连，所述加载板通过紧固件与压力传感器底部相连。本发明用于模拟降雨条件下不同高度滑坡受力状态，实现对坡体局部情况重点模拟分析。

Description

一种可等效坡体高度的降雨型滑坡模型试验装置及方法
技术领域
本发明属于地质灾害模型试验领域，具体涉及一种可等效坡体高度的降雨型滑坡模型试验装置及方法。
背景技术
滑坡作为一种常见的地质灾害，严重威胁着人民的生命财产安全，因而相关学者在此方面利用多种方法开展了许多研究，并取得了较多的研究成果。其中，滑坡模型试验因其能较大程度上满足并符合坡体真实条件，试验结果更加可信，被研究者看作是一种研究滑坡的主要方法。在滑坡模型试验中，滑坡模型的尺寸对于试验结果有着一定影响，一般而言，滑坡模型尺寸越大，如足尺模型试验，试验结果更加可靠，但滑坡模型尺寸越大，所需要的试验空间越大，且耗财耗时。因此，目前滑坡模型试验多在有限空间的模型箱中进行，这样能一定程度减小试验空间，但对于模拟高度很高，坡度较大的滑坡时，简单模型箱由于空间限制，不能很好实现模拟要求。另一方面，为了能更好地模拟出滑坡真实情况，需要准确模拟滑坡本身的受力状态，目前通常采用坡体加载的方式来模拟坡体真实受力，如对坡体施加应力荷载等。在此方面，许多人提出了不同形式的加载装置以满足不同模拟的需要，但这些加载装置大多从加载手段上进行改进，所模拟情况是外界因素对滑坡整体影响，对于坡体局部，如坡脚，坡中等部位所受到的影响在试验中不能重点体现，且试验忽略了坡体自身对于自身的影响，如在自重条件下，高陡边坡坡体上部自重对坡体下部的影响。但如果去建立一个足尺模型以重点分析局部情况需要很大的试验空间，费时费力。与此同时，目前大多数模型加载试验中加载板为不透水实体板，在模拟降雨工况时，一定程度上会阻碍雨水入渗。由此看来，目前的试验方法与装置不能很好解决以上问题，需要进行改进。
发明内容
本发明针对上述问题，提供了一种可等效坡体高度的降雨型滑坡模型试验装置及方法，用于模拟降雨条件下不同高度滑坡受力状态，实现对坡体局部情况重点模拟分析。
本发明的第一方面，提供了一种可等效坡体高度的降雨型滑坡模型试验装置，所述装置包括边坡模型箱、反力架、多组多排的加载气缸、压力传感器、加载板和降雨装置，其中，所述降雨装置通过钢架搭建在所述边坡模型箱上方，所述边坡模型箱内部用于制成边坡模型，所述反力架立柱通过焊接固定在所述边坡模型箱上方，所述加载气缸通过紧固件倒置固定在所述反力架横梁上，所述加载气缸下方为自由端，所述压力传感器与所述加载气缸活塞杆固连，所述加载板通过紧固件与压力传感器底部相连。
进一步的，所述边坡模型箱由钢板和玻璃板制成。
进一步的，所述反力架由钢板制成。
进一步的，所述紧固件为螺栓。
进一步的，所述加载板是多孔独立的。
本发明的第二方面，一种采用上述可等效坡体高度的降雨型滑坡模型试验装置进行滑坡模型试验的方法，包括以下步骤：
步骤一：确定模型试验的滑坡参数，利用滑坡局部区域上方的坡体高度和坡度，分条计算模型试验的局部区域上边界不同位置处应该施加的等效荷载；
步骤二：在边坡模型箱中制作边坡模型，根据模型试验要求的滑坡局部坡度和滑坡局部范围，设置边坡模型的坡度以及顶部土体平台长度；
步骤三：将加载气缸通过螺栓倒置固定在所述反力架横梁上，将压力传感器固定在加载气缸活塞杆处，将加载板固定在压力传感器底部，安装时应使加载气缸活塞杆的轴线与负载移动方向保持一致；
步骤四：操作加载气缸，通过压力传感器与加载板将荷载施加在边坡模型的滑坡局部区域上边界，其中，滑坡局部区域上边界不同位置处所施加的荷载与步骤一计算得到的局部区域上边界不同位置处应该施加的等效荷载相同，压力传感器监测的应力值通过等效荷载与施加应力面积计算得到；
步骤五：将降雨装置通过钢架搭建在边坡模型箱上方进行降雨模拟，雨水通过加载板上的多孔流向坡面以实现模拟降雨工况。
本发明提供的一种可等效坡体高度的降雨型滑坡模型试验装置及方法，突破空间限制，利用等效思想，将坡体研究区域等效成上边界荷载，在有限空间的模型箱中模拟不同高度的滑坡，实现对坡体局部情况重点模拟分析，同时设计的多孔加载板，相较于传统加载板，减少了对雨水入渗的阻碍，达到的有益效果是：
1、可实现在不扩大试验模型尺寸的情况下，对滑坡局部区域破坏状态进行重点研究。
2、已有的滑坡试验方法与装置多为模拟外部荷载对滑坡整体的影响，不能重点考虑分析滑坡下部受滑坡上部自身重力影响下的状态变化，另外，在模拟降雨工况时，目前坡面加载方式中使用的加载板是不透水的，会一定程度上阻碍雨水的入渗。本发明通过将滑坡重点研究区域上部坡体自重转化为研究区域上边界受力情况，减少了模型试验所需的空间，
3、利用设置的多组多排独立的加载气缸进行等效加载，能更真实还原不同高度滑坡的局部坡体边界受力状态。
4、设计的独立带孔加载板具有一定透水特性，使得在降雨和加载过程中，雨水会沿着设置的孔隙到达坡面，雨水入渗更加顺畅。
以上有益效果为模拟滑坡局部状态提供更加真实的边界条件，对提高试验结果的可靠性具有重要意义。
附图说明
图1是本发明实施例中一种可等效坡体高度的降雨型滑坡模型试验装置的结构示意图；
图2是本发明实施例中坡体高度等效荷载示例图；
图3是本发明实施例中一种可等效坡体高度的降雨型滑坡模型试验装置的主视图；
图4是本发明实施例中一种可等效坡体高度的降雨型滑坡模型试验装置的右视图；
图5是本发明实施例中加载板示意图；
图中：1-边坡模型箱；2-反力架；3-加载气缸；4-压力传感器；5-加载板；6-降雨装置。
具体实施方式
为进一步对本发明的技术方案作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的步骤。
本发明实施例针对一种可等效坡体高度的降雨型滑坡模型试验装置及方法，参考图1-图5。
如图1为实施例中一种可等效坡体高度的降雨型滑坡模型试验装置的结构示意图，包括边坡模型箱1，由钢板和玻璃板制成，内部用以制作边坡模型；反力架2，由钢板制成，反力架2与边坡模型箱1通过焊接方式连为一整体，利用自身结构建立自平衡反力系统；多组多排独立的加载气缸3，加载气缸3通过钢板与螺栓倒置固定在反力架2横梁上，加载气缸3下方为自由端，加载气缸3可根据不同模拟情况设置不同的加载模式；压力传感器4，压力传感器4与加载气缸3活塞杆固连，用以知道加载情况，方便对加载进行控制。加载板5，所述加载板5通过螺栓与压力传感器4底部相连，加载板5被设计为多孔的独立加载板，方便雨水的入渗；降雨装置6，降雨装置6通过钢架搭建在所述边坡模型箱1上，用以模拟降雨工况。
以下，根据本公开实施例中图1所示的装置提供对应的可等效坡体高度的降雨型滑坡模型试验方法，包括以下步骤：
步骤一：确定模型试验的滑坡参数，利用滑坡局部区域上方的坡体高度和坡度，分条计算模型试验的局部区域上边界不同位置处应该施加的等效荷载；
确定所要模拟的滑坡参数，如土体重度γs，坡高h，坡度β等。同时确定所要模拟的滑坡局部信息，利用滑坡局部区域上方的坡体高度和坡度，分条计算所模拟的局部区域上边界不同位置处应该施加的等效荷载，如图2所示。坡体高度等效荷载p计算公式如下：
hi+1＝hi+li·tan(β)
Figure BDA0003121355700000041
Figure BDA0003121355700000042
其中，hi表示坡体局部i点上方坡体高度，li表示土条长度，β表示坡度，Wi表示土条自重，γs表示土体重度，B表示土条宽度，a表示加载板长度，b表示加载板宽度，n表示计算范围内加载板数量，Pi表示等效荷载。
步骤二：在边坡模型箱1中制作边坡模型，根据模型试验要求的滑坡局部坡度和滑坡局部范围，设置边坡模型的坡度以及顶部土体平台长度，如图3所示。
步骤三：将加载气缸3通过钢板与螺栓倒置固定在反力架2横梁上，将压力传感器4固定在加载气缸3活塞杆处，将加载板5固定在压力传感器4底部，安装时应使加载气缸3活塞杆的轴线与负载移动方向保持一致，如图4所示；
步骤四：操作加载气缸3，通过压力传感器4与加载板5将荷载施加在边坡模型的滑坡局部区域上边界，滑坡局部区域上边界不同位置处所施加的荷载与步骤一计算得到的坡体局部区域上边界不同位置处应该施加的等效荷载相同，这样做减少了滑坡模型所占空间，并能真实模拟局部区域边界受力情况，以重点分析这些区域。加载应力由压力传感器4监测，具体应力大小需经过等效荷载与施加应力面积计算得到，计算公式如下：
Figure BDA0003121355700000043
其中，
Figure BDA0003121355700000044
表示传感器应监测到的荷载，pi表示等效荷载，a表示加载板长度，b表示加载板宽度，a*表示传感器与加载板连接处的长度，b*表示传感器与加载板连接处的宽度。
步骤五：如图5所示将降雨装置6通过钢架搭建在边坡模型箱1上方进行降雨模拟，雨水通过加载板5上的多孔流向坡面以实现模拟降雨工况，进一步实现了降雨条件下滑坡局部状态模拟。
综合上述实施例提供的可等效坡体高度的降雨型滑坡模型试验装置及方法，突破空间限制，利用等效思想，将坡体研究区域等效成上边界荷载，在有限空间的模型箱中模拟不同高度的滑坡，实现对坡体局部情况重点模拟分析，同时设计的多孔加载板，相较于传统加载板，减少了对雨水入渗的阻碍，达到的有益效果是：
(1)、可实现在不扩大试验模型尺寸的情况下，对滑坡局部区域破坏状态进行重点研究。
(2)、已有的滑坡试验方法与装置多为模拟外部荷载对滑坡整体的影响，不能重点考虑分析滑坡下部受滑坡上部自身重力影响下的状态变化，另外，在模拟降雨工况时，目前坡面加载方式中使用的加载板是不透水的，会一定程度上阻碍雨水的入渗。本发明通过将滑坡重点研究区域上部坡体自重转化为研究区域上边界受力情况，减少了模型试验所需的空间，
(3)、利用设置的多组多排独立的加载气缸进行等效加载，能更真实还原不同高度滑坡的局部坡体边界受力状态。
(4)、设计的独立带孔加载板具有一定透水特性，使得在降雨和加载过程中，雨水会沿着设置的孔隙到达坡面，雨水入渗更加顺畅。
以上有益效果为模拟滑坡局部状态提供更加真实的边界条件，对提高试验结果的可靠性具有重要意义。
在本文中，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步骤、方法不仅包括那些要素，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步骤、方法所固有的要素。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (1)

1.一种采用可等效坡体高度的降雨型滑坡模型试验装置进行滑坡模型试验的方法，其特征在于，所述装置包括边坡模型箱(1)、反力架(2)、多组多排的加载气缸(3)、压力传感器(4)、加载板(5)和降雨装置(6)，其中，所述降雨装置(6)通过钢架搭建在所述边坡模型箱(1)上方，所述边坡模型箱(1)内部用于制成边坡模型，所述反力架(2)立柱通过焊接固定在所述边坡模型箱(1)上方，所述加载气缸(3)通过紧固件倒置固定在所述反力架(2)横梁上，所述加载气缸(3)下方为自由端，所述压力传感器(4)与所述加载气缸(3)活塞杆固连，所述加载板(5)通过紧固件与压力传感器(4)底部相连，所述方法包括以下步骤：
步骤一：确定模型试验的滑坡参数，利用滑坡局部区域上方的坡体高度和坡度，分条计算模型试验的局部区域上边界不同位置处应该施加的等效荷载；
步骤二：在边坡模型箱(1)中制作边坡模型，根据模型试验要求的滑坡局部坡度和滑坡局部范围，设置边坡模型的坡度以及顶部土体平台长度；
步骤三：将加载气缸(3)通过螺栓倒置固定在所述反力架(2)横梁上，将压力传感器(4)固定在加载气缸(3)活塞杆处，将加载板(5)固定在压力传感器(4)底部，安装时应使加载气缸(3)活塞杆的轴线与负载移动方向保持一致；
步骤四：操作加载气缸(3)，通过压力传感器(4)与加载板(5)将荷载施加在边坡模型的滑坡局部区域上边界，其中，滑坡局部区域上边界不同位置处所施加的荷载与步骤一计算得到的局部区域上边界不同位置处应该施加的等效荷载相同，压力传感器(4)监测的应力值通过等效荷载与施加应力面积计算得到；
步骤五：将降雨装置(6)通过钢架搭建在边坡模型箱(1)上方进行降雨模拟，雨水通过加载板(5)上的多孔流向坡面以实现模拟降雨工况。
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