CN113567497B - 一种模拟冰缘型冻土边坡变形破坏的试验装置及试验方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种模拟冰缘型冻土边坡变形破坏的试验装置，包括：倾斜板，其上表面布设有用于承载冻结层的保温层；滑动设置于所述倾斜板上的剪切箱体，其下端敞口并支撑于冻结层上，所述剪切箱体内部用于铺设堆积于冻结层之上的碎石土；用以对所述剪切箱体输水的供水件；以及与所述倾斜板连接的升降机构，其用于驱动所述倾斜板倾斜至设定角度，使模拟冰冻及融化过程中所述剪切箱体及其内部碎石土滑动。本发明的有益效果：冻结层模拟永久冻土环境，剪切箱体内部的碎石土模拟冻土边坡，室内模拟冰缘型冻土边坡变形破坏过程，揭示边坡破坏机理，还原真实冻融循环条件下边坡破坏状况的特点，为研究冻融循环作用对碎石土边坡稳定性的影响提供条件。

Description

一种模拟冰缘型冻土边坡变形破坏的试验装置及试验方法
技术领域
本发明涉及冻土边坡模型试验技术领域，尤其涉及一种模拟冰缘型冻土边坡变形破坏的试验装置及试验方法。
背景技术
碎石土是由颗粒较大的碎石和颗粒较小的土粒组成的特殊性质的土，碎石土边坡稳定性及防护对策历来是工程建设中特别关注的技术课题。而尤其对于处在季节性冻土区如川藏铁路地段的碎石边坡土而言，随着季节的交替，冻土区会反复发生冻融循环作用，在此过程中，土壤理化性质的改变使碎石土边坡稳定状态逐渐遭受破坏，最终发生失稳。据调查，中国高海拔地区多年冻土面积居世界首位，因此研究冻融循环作用对碎石土边坡稳定性的影响具有重要且现实的意义。目前，可缺少供室内进行模拟冻融循环作用对碎石土边坡稳定性影响的装置与仪器。
发明内容
有鉴于此，为了解决缺少室内进行模拟冻融循环作用对碎石土边坡稳定性影响装置和仪器的问题，本发明的实施例提供了一种模拟冰缘型冻土边坡变形破坏的试验装置及试验方法。
本发明的实施例提供一种模拟冰缘型冻土边坡变形破坏的试验装置，包括：
倾斜板，其上表面布设有用于承载冻结层的保温层；
滑动设置于所述倾斜板上的剪切箱体，其下端敞口并支撑于冻结层上，所述剪切箱体内部用于铺设堆积于冻结层之上的碎石土；
用以对所述剪切箱体输水的供水件；
以及与所述倾斜板连接的升降机构，其用于驱动所述倾斜板倾斜至设定角度，使模拟冰冻及融化过程中所述剪切箱体及其内部碎石土滑动。
进一步地，还包括数据采集系统，其包括埋设于所述剪切箱体内部的分布式光纤传感器、布设于所述剪切箱体滑动路径一端的位移传感器、布设于所述倾斜板上的倾角计、用于测量融化水体重量的称重秤、以及设置于所述剪切箱体一侧的摄像机。
进一步地，还包括恒温室。
进一步地，所述倾斜板一端下部连接所述升降机构的输出端、另一端下部分别与两支座铰接。
进一步地，所述升降机构为千斤顶。
进一步地，所述倾斜板的相对两侧均设有滑杆，所述剪切箱体的相对两侧面的外侧均设有滑轮，所述滑轮限制于所述滑杆上且可滑动。
进一步地，所述剪切箱体包括金属框架及嵌设在所述金属框架表面的透明玻璃板。
进一步地，所述保温层为玻璃纤维棉材料。
本发明的实施例提供的一种模拟冰缘型冻土边坡变形破坏的试验装置的技术方案带来的有益效果是：通过冻结层模拟永久冻土环境，通过剪切箱体内部的碎石土模拟冻土边坡，实现室内条件下模拟冰缘型冻土边坡变形破坏过程，揭示边坡破坏机理，还原真实冻融循环条件下边坡破坏状况的特点，为研究冻融循环作用对碎石土边坡稳定性的影响提供条件。
另外，基于上述模拟冰缘型冻土边坡变形破坏的试验装置，本发明的实施例还提供了一种模拟冰缘型冻土边坡变形破坏的试验方法，包括以下步骤：
S1配置设定含水率的碎石土；
S2将上述试验装置放入恒温室，并在所述保温层之上布置冻结层，随后将所述剪切箱体放置于冻结层上，并在所述剪切箱体内部铺设碎石土；
S3将所述恒温室的温度调整为-3℃，通过所述升降机构启动抬升所述倾斜板使其倾斜角度为达到设定角度；
S4通过所述供水件对所述剪切箱体内输水，保持所述恒温室内-3℃下保持6小时模拟冻结过程，之后将所述恒温室的温度调整为10℃，持续6小时模拟融化过程；
S5重复步骤S4直至所述剪切箱体1滑至所述倾斜板底部，所述剪切箱体内部的碎石土边坡破坏。
进一步地，在步骤S4和S5过程中测量所述碎石土内部的温度、所述剪切箱体滑动的距离、以及融化水体重量。
本发明的实施例提供的一种模拟冰缘型冻土边坡变形破坏的试验方法技术方案带来的有益效果与上述一种模拟冰缘型冻土边坡变形破坏的试验装置的有益效果相同，这里就不再做累赘说明。
附图说明
图1是本发明一种模拟冰缘型冻土边坡变形破坏的试验装置的示意图。
图中：1-剪切箱体、2-倾斜板、3-光纤解调传感器、4-全分布式光纤传感器、5-冻结层、6-保温层、7-排水管、8-水桶、9-升降机构、10-滑轮、11-滑杆、12-摄像机、13-激光位移传感器、14-称重秤、15-支座、16-倾角计、17-供水件。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地描述。
请参考图1，本发明的实施例提供了本发明的实施例提供一种模拟冰缘型冻土边坡变形破坏的试验装置，主要包括倾斜板2、剪切箱体1、供水件17和升降机构9。
具体的，所述倾斜板2主要起着承载作用，其上部依次布设有保温层6和冻结层5，所述冻结层5、所述保温层6及所述倾斜板2层叠设置。所述倾斜板2的边缘可以设置挡板，以更好的布置所述保温层6及所述冻结层5。所述保温层6置于所述倾斜板2和所述冻结层5之间，起到阻隔热量传递的功能，这样使所述冻结层5置于所述保温层6之上以模拟永久冻土。所述冻结层5由粘土配合细沙注水冻结而成，各成分含量及厚度根据模型相似比来确定。所述保温层6优选为玻璃纤维棉材料，具有导热系数小和质量轻的优点。
所述剪切箱体1滑动设置于所述倾斜板2上，所述剪切箱体1包括金属框架及嵌设在所述金属框架表面的透明玻璃板，所述金属框架为上下两端敞口的矩形框架，在其侧面设置多块所述透明玻璃板进行封闭，在试验时可透过所述透明玻璃板观察所述剪切箱体1内部的情况。
所述剪切箱体1与所述倾斜板2之间滑动连接，具体的，所述倾斜板2的相对两侧均设有滑杆11，所述滑杆11沿着所述倾斜板2长度方向延伸。所述剪切箱体1的相对两侧面的外侧均设有滑轮10，这里所述剪切箱体1的每一侧均设置有两个滑轮10。所述剪切箱体1置于两所述滑杆11之间，且所述剪切箱体1每一侧的两滑轮10限制于一所述滑杆11上且可滑动。
所述剪切箱体1支撑于所述冻结层5上，所述剪切箱体1的下端敞口与所述冻结层5贴合。所述剪切箱体1内部铺设有碎石土，所述碎石土堆积于冻结层5之上，所述碎石土与所述冻结层5直接接触。
所述供水件17用以对所述剪切箱体1输水，这里所述供水件17由喷头及与所述喷头连接的输水管组成，所述喷头设置于所述剪切箱体17上方，可对所述剪切箱体1内部均匀喷水、浇灌碎石土以达到模拟降雨的作用。
所述升降机构9与所述倾斜板2连接，所述升降机构9优选为千斤顶，用以抬升所述倾斜板2及所述倾斜板2上的剪切箱体1。这里所述升降机构9设置于所述倾斜板2一端的下方，所述倾斜板2另一端的下方还设有两支座15。所述倾斜板2一端下部连接所述升降机构9的输出端、另一端下部分别与两所述支座15铰接。这里所述升降机构9在顶出时可驱动所述倾斜板2倾斜至设定角度，使模拟冰冻及融化过程中所述剪切箱体1及其内部碎石土滑动。在所述升降机构9顶起一定角度后，所述剪切箱体1在的重力作用下具有一定初速度，随着温度的变化与所述剪切箱体1中总质量的改变，所述碎石土与所述冻土层5的摩擦力产生变化，使所述剪切箱体1的滑动速度产生变化。
另外上述模拟冰缘型冻土边坡变形破坏的试验装置还包括恒温室，所述恒温室可容置所述倾斜板2、所述剪切箱体1、所述供水件17和所述升降机构9，进而改变试验环境，为模拟冻结和模拟融化提供温度条件，以实现试验所需的季节性温度变化。
同时为了对试验过程中的冻土边坡变形破坏的试验数据进行测量，该模拟冰缘型冻土边坡变形破坏的试验装置还设有数据采集系统，其包括埋设于所述剪切箱体1内部的分布式光纤传感器4、布设于所述剪切箱体1滑动路径一端的位移传感器13、布设于所述倾斜板2上的倾角计16、用于测量融化水体重量的称重秤14、以及设置于所述剪切箱体1一侧的摄像机12。
其中所述分布式光纤传感器4可以设置一个或多个，在铺设所述碎石土时埋入所述剪切箱体1内部，可对所述碎石土内部的温度进行测量。同时所有分布式光纤传感器4连接一光纤解调传感器3，通过所述光纤解调传感器3接收及记录测量数据。
所述位移传感器13优选为激光位移传感器，设置于所述倾斜板2一端的上方，对准所述剪切箱体1，可精确测量所述剪切箱体1在模拟季节性冻融作用下沿所述倾斜板2滑动的位移量。
所述称重秤14用于测量试验过程中融化水体重量，所述倾斜板2远离所述升降机构9一端设有排水管7，所述冻结层5与所述碎石土内融化的水体因重力作用会沿着所述排水管7流出。所述称重秤14上放置水桶8，通过所述水桶8接取所述排水管7流出的融化水体从而进行称重。
的所述倾角计16设置于所述倾斜板2的侧面，即时监测所述倾斜板2的倾斜角度。所述摄像机12通过支架固定于所述剪切箱体1的一侧，且对准所述剪切箱体1，可记录全部试验过程。
上述模拟冰缘型冻土边坡变形破坏的试验装置通过冻结层5模拟永久冻土环境，通过剪切箱体1内部的碎石土模拟冻土边坡，实现室内条件下模拟冰缘型冻土边坡变形破坏过程，揭示边坡破坏机理，还原真实冻融循环条件下边坡破坏状况的特点，为研究冻融循环作用对碎石土边坡稳定性的影响提供条件。
另外，基于上述模拟冰缘型冻土边坡变形破坏的试验装置，本发明的实施例还提供了一种模拟冰缘型冻土边坡变形破坏的试验方法，包括以下步骤：
S1配置设定含水率的碎石土；具体的，由野外碎石土边坡中采集由碎石及砂土组成的土样，将取回的土样在烘箱中烘干后，进行筛分，根据1:10的相似比，取粒径小于50mm的土作为边坡模型材料，进行筛分。筛分后的模型边坡土样最大粒径50mm，粒径2～10mm的占30％，符合野外边坡。随后在室内将筛分后的土样配制成设定含水率土样，这里设定含水率为18％。由于需要的土样多，配制含水率时分多次进行，先将土样在烘箱中烘干，再用大台秤称出干土的质量，然后称量每次搅拌的土样所需水的质量。将土与水搅拌，加水时应少量多次，每次加水搅拌后测量土样的含水率以防过量加水。配制好的土样应用塑料纸覆盖防止水分大量蒸发，搭建边坡前应先用土壤湿度传感器检验含水率是否为18％，若相差较大应加水或土，调整含水率度为18％。
S2将上述试验装置放入恒温室，并在所述保温层6之上布置冻结层5，随后将所述剪切箱体1放置于冻结层5上，并在所述剪切箱体1内部铺设碎石土；
S3将所述恒温室的温度调整为-3℃，通过所述升降机构9启动抬升所述倾斜板2使其倾斜角度为达到设定角度，这里设定角度选择37°，可以理解的是这里倾斜角度可以根据要模拟的冻土边坡的坡度进调节。可以借助所述倾角计16对所述倾斜板2的倾斜角度快速调节。
S4通过所述供水件17对所述剪切箱体1内输水，输水时打开喷头，调整水量100ml/h，水温为0℃，在五分钟内每间隔30s供水30s。保持所述恒温室内-3℃下保持6小时模拟冻结过程，之后将所述恒温室的温度调整为10℃，持续6小时模拟融化过程；
S5重复步骤S4直至所述剪切箱体1滑至所述倾斜板2底部，所述剪切箱体1内部的碎石土边坡破坏。
另外试验中在步骤S4和S5过程中通过预埋的所述全分布式光纤传感器4的数值得到所述碎石土内部温度变化；通过所述摄像机12观测剪切箱体1的下滑过程及所用时间，结合所述倾斜板2的长度即可得到下滑速度。通过称量所述水桶8中水的质量以得出供水的质量与冻结层融化水的质量，再结合摄像机1212记录的供水时间以得到供水量。
在本文中，所涉及的前、后、上、下等方位词是以附图中零部件位于图中以及零部件相互之间的位置来定义的，只是为了表达技术方案的清楚及方便。应当理解，所述方位词的使用不应限制本申请请求保护的范围。
在不冲突的情况下，本文中上述实施例及实施例中的特征可以相互结合。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种模拟冰缘型冻土边坡变形破坏的试验装置，其特征在于，包括：
倾斜板，其上表面布设有用于承载冻结层的保温层；
滑动设置于所述倾斜板上的剪切箱体，其下端敞口并支撑于冻结层上，所述剪切箱体内部用于铺设堆积于冻结层之上的碎石土；
用以对所述剪切箱体输水的供水件；
以及与所述倾斜板连接的升降机构，其用于驱动所述倾斜板倾斜至设定角度，使模拟冰冻及融化过程中所述剪切箱体及其内部碎石土滑动；
还包括数据采集系统，其包括埋设于所述剪切箱体内部的分布式光纤传感器、布设于所述剪切箱体滑动路径一端的位移传感器、布设于所述倾斜板上的倾角计、用于测量融化水体重量的称重秤、以及设置于所述剪切箱体一侧的摄像机。
2.如权利要求1所述的一种模拟冰缘型冻土边坡变形破坏的试验装置，其特征在于：还包括恒温室。
3.如权利要求1所述的一种模拟冰缘型冻土边坡变形破坏的试验装置，其特征在于：所述倾斜板一端下部连接所述升降机构的输出端、另一端下部分别与两支座铰接。
4.如权利要求3所述的一种模拟冰缘型冻土边坡变形破坏的试验装置，其特征在于：所述升降机构为千斤顶。
5.如权利要求1所述的一种模拟冰缘型冻土边坡变形破坏的试验装置，其特征在于：所述倾斜板的相对两侧均设有滑杆，所述剪切箱体的相对两侧面的外侧均设有滑轮，所述滑轮限制于所述滑杆上且可滑动。
6.如权利要求1所述的一种模拟冰缘型冻土边坡变形破坏的试验装置，其特征在于：所述剪切箱体包括金属框架及嵌设在所述金属框架表面的透明玻璃板。
7.如权利要求1所述的一种模拟冰缘型冻土边坡变形破坏的试验装置，其特征在于：所述保温层为玻璃纤维棉材料。
8.一种模拟冰缘型冻土边坡变形破坏的试验方法，其特征在于：使用如权利要求1所述的一种模拟冰缘型冻土边坡变形破坏的试验装置，且包括以下步骤：
S1配置设定含水率的碎石土；
S2将上述试验装置放入恒温室，并在所述保温层之上布置冻结层，随后将所述剪切箱体放置于冻结层上，并在所述剪切箱体内部铺设碎石土；
S3将所述恒温室的温度调整为-3℃，通过所述升降机构启动抬升所述倾斜板使其倾斜角度为达到设定角度；
S4通过所述供水件对所述剪切箱体内输水，保持所述恒温室内-3℃下保持6小时模拟冻结过程，之后将所述恒温室的温度调整为10℃，持续6小时模拟融化过程；
S5重复步骤S4直至所述剪切箱体1滑至所述倾斜板底部，所述剪切箱体内部的碎石土边坡破坏。
9.如权利要求8所述的一种模拟冰缘型冻土边坡变形破坏的试验方法，其特征在于：在步骤S4和S5过程中测量所述碎石土内部的温度、所述剪切箱体滑动的距离、以及融化水体重量。
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