CN115047171A - 多成因碎石土斜坡模型降雨入渗变形破坏试验方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明属于资源与环境技术领域，公开了一种多成因碎石土斜坡模型降雨入渗变形破坏试验方法及装置，模拟不同成因碎石土斜坡的形成过程，可以在实验室内模拟构建出与自然环境中真实的碎石土斜坡内部结构与组成成分都高度相似的物理模型，通过试验模拟了不同成因类型的碎石土斜坡在自然环境下的从形成到失稳破坏的整个过程。本发明从可控流量的降雨系统重构自然环境，不同成因类型的碎石土斜坡在受到不同大小的降雨影响后，从逐渐失稳到彻底破坏的整个演化过程；此外通过可调节角度、具有特定形状且带有粗糙肋条的钢质底板，可以逼真地模拟出土层覆盖在不同表面起伏和倾斜角度的粗糙基岩之上的情况，使得物理模型实验结果更接近真实情况。

Description

多成因碎石土斜坡模型降雨入渗变形破坏试验方法及装置

技术领域

本发明属于资源与环境技术领域，尤其涉及一种多成因碎石土斜坡模型降雨入渗变形破坏试验方法及装置。

背景技术

目前，对碎石土斜坡进行室内的物理模型实验时，需要一个装置作为容器承载碎石土斜坡模型。而目前主要使用的承载装置仅仅是一个简单的箱子，要使用人工堆土的方式构建碎石土斜坡的物理模型，这样的成坡方式与自然环境下碎石土斜坡的成坡方式差异明显，仅能简单模仿碎石土斜坡的外形和规则的结构，不能反映碎石土斜坡由于不同的成坡方式所产生的复杂结构及碎石土性质在空间上的差异。

通过上述分析，现有技术存在的问题及缺陷为：

现有的碎石土斜坡模型实验装置需要使用人工堆土的方式构建碎石土斜坡的物理模型，成坡方式与自然环境下碎石土斜坡的成坡方式差异明显，仅能简单模仿碎石土斜坡的外形和规则的结构，不能反映碎石土斜坡由于不同的成坡方式所产生的复杂结构及碎石土性质在空间上的差异。

解决以上问题及缺陷的难度为：

自然条件下碎石土斜坡成坡的过程复杂，不同类型的碎石土斜坡成坡过程之间存在很大的差异，采用人工堆填的方式无法模拟出不同成因类型的碎石土斜坡成坡过程，所以难点在于必须要模拟出碎石土斜坡内部各种级配的土样在成坡过程中的搬运过程，才能真实地还原最终碎石土斜坡内部各种级配的土样在其内部的组合结构。

解决以上问题及缺陷的意义为：

可以得到高度仿真的不同成因的碎石土斜坡室内物理试验模型，其内部各种级配的土样的分布情况与要模拟的自然条件下碎石土斜坡高度一致。使用由本发明方法及装置制备的碎石土斜坡室内物理试验模型进行不同成因碎石土斜坡性质的研究，得到的结果会更接近真实情况，为今后碎石土斜坡方向的科学研究提供很大的支持。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种多成因碎石土斜坡模型降雨入渗变形破坏试验方法及装置。

本发明是这样实现的，一种多成因碎石土斜坡模型降雨入渗变形破坏试验装置包括：

发生装置，用于承载构建模型所需要的土样，通过提前设定倾倒的角度，将配置好的土样以设定的角度排放到承坡装置中，模拟自然环境下碎石土斜坡的形成过程；

承坡装置，用于接收发生装置以设定的角度倾倒的提前配置好的土样，使土样在进入承坡装置时具有不同的速度，通过多次倾倒，碎石土斜坡模型在承载装置内逐渐成形；

回收装置，用于在碎石土斜坡模型发生失稳破坏后，收回流失的碎石土；

降水系统，用于进行模拟降水，在设定的降雨量条件下，诱发碎石土斜坡模型发生失稳破坏；

监测系统，用于收集实验数据，提供实验参数。

进一步，所述发生装置由发生箱、定滑轮、摇杆以及观测窗组成，所述发生箱外端通过连接绳索与摇杆连接，所述连接绳索中间在定滑轮外侧绕过，所述观测窗嵌装在发生箱侧面。

进一步，所述承坡装置包括承坡箱体、可伸缩后缘平台钢板、仿基岩带肋条斜钢板、四个支撑斜钢板的千斤顶、斜钢板左右旋杆和大尺寸观测窗口，所述承坡箱体用于固定放置碎石土斜坡模型，所述可伸缩后缘平台钢板用于将从发生装置中倾倒出的土样在形成不同长度的碎石土斜坡后缘平台，所述仿基岩带肋条斜钢板的肋条用于避免碎石土在倾斜的钢板上滑动，同时斜钢板可拆卸，可根据实际情况使用特定形状的钢板，根据实际需要选择不同表面起伏(如平直、中间凹陷及上凸下凹等)、长度及布置角度的钢板，用以模拟实际常见基覆界面形状。模拟自然环境下碎石土斜坡覆盖在基岩层上的情况，所述支撑斜钢板的千斤顶和斜钢板左右旋杆用于调节斜钢板的角度及其下部的高度，从而匹配不同角度、长度的斜钢板，所述大尺寸观测窗口用于在碎石土斜坡的失稳破坏过程中，观察剖面里碎石土移动的情况、裂缝的发育扩张情况以及在降雨条件下碎石土逐渐浸润，湿润锋下移的情况。

进一步，所述降水系统包括水泵、储水罐、降雨管道、管道支架和可调节喷头，所述水泵两端分别与储水罐和降雨管道连通，所述降雨管道连通有若干可调节喷头，所述降雨管道通过管道支架安装固定。

进一步，所述降雨管道中间设置有流量计。

进一步，若干所述可调节喷头分别布置在碎石土斜坡模型的坡顶、坡腰以及坡脚处，可调节喷头通过旋转改变雨量大小。

进一步，所述监测系统包括数字采集仪和摄像机支架，所述监测系统用于与多种不同功能的传感器连接，用于对传感器的检测数据进行采集，所述摄像机支架布置于发生装置外侧和管道支架上侧，用于拍摄记录实验过程和碎石土斜坡模型发生失稳破坏过程中模型表面的变化。

进一步，所述数字采集仪连接有孔隙水压力传感器、土压力传感器、位移传感器和柔性位移计。

本发明的另一目的在于提供一种多成因碎石土斜坡模型降雨入渗变形破坏试验方法，所述多成因碎石土斜坡模型降雨入渗变形破坏试验方法包括：

步骤一，对要模拟的碎石土斜坡进行分析，判断其内部土样级配的分布，判断其成因类型。以此为依据配置土样，并设计不同土样倾倒时发生箱倾斜的角度。

步骤二，通过旋转将斜钢板左右旋杆将仿基岩带肋条斜钢板调节为要模拟的自然碎石土斜坡的倾角，将可伸缩后缘平台钢板相应伸缩，以适应斜钢板角度调节带来的长度变化；

步骤三，在发生箱中装入碎石土，之后转动摇杆带动定滑轮和连接绳索使发生箱倾斜至步骤一中设定的角度，模仿水流将含石最少的土样冲至最前端，反复多次执行此操作直至将碎石土都倾倒至承坡箱体前端；

步骤四，将孔隙水压力传感器、土压力传感器、位移传感器以及柔性位移计布置在模型中，连上数字采集仪将数据传至终端，并且架设摄像机支架；

步骤五，利用水泵将水从储水罐中泵出，通过降雨管道和可调节喷头将降雨强度调节为试验所需的大小进行模拟降雨，在此过程中箱底回收层、箱脚回收盒以及接水槽收集被水冲刷带走的碎石土；

步骤六，通过摄像机支架及大尺寸观测窗口记录模型正面，剖面，后缘表面以及前缘表面的失稳破坏过程；

步骤七，模型彻底失稳破坏后实验结束，清理装置，回收碎石土，收集整理记录的现象与数据。

进一步，所述步骤三中通过改变发生箱内的土样种类和级配及其装填顺序并多次倾倒，以改变室内碎石土斜坡物理模型的组成成分和结构，通过定滑轮和摇杆改变发生箱的倾斜角度，改变土样进入承坡装置的速度，模拟不同条件下自然环境中碎石土斜坡形成的过程。

结合上述的所有技术方案，本发明所具备的优点及积极效果为：利用本发明可以得到高度仿真的不同成因的碎石土斜坡室内物理试验模型，其内部各种级配的土样的分布情况与要模拟的自然条件下碎石土斜坡高度一致。使用由本发明方法及装置制备的碎石土斜坡室内物理试验模型进行不同成因碎石土斜坡性质的研究，得到的结果会更接近真实情况，为今后碎石土斜坡方向的科学分析提供很大的支持。

本发明可应用于分析不同成因类型的碎石土斜坡在性质上的差异，通过发生装置，在实验室内模拟构建出与自然环境中真实的碎石土斜坡内部结构与组成成分都高度相似的物理模型，模拟了不同成因类型的碎石土斜坡在自然环境下的从形成到失稳破坏的整个过程。

本发明还配置了流量可控降雨系统，可以做到真实地重构了自然环境中不同成因类型的碎石土斜坡在受到不同大小的降雨影响后其从逐渐失稳到彻底破坏的整个演化过程。

由于本发明可以高度仿真地模拟真实碎石土斜坡其形成过程，通过本发明的构建的物理模型能够有效还原自然环境下不同成因的碎石土斜坡的性质与差异。因此本发明在分析不同成因对碎石土斜坡性质的影响、不同成因类型的碎石土斜坡性质的空间变异性、不同成因类型的碎石土斜坡在降雨作用下发生失稳破坏的过程、不同成因类型的碎石土斜坡的稳定性差异等问题上可以起到关键性的作用。

附图说明

图1是本发明实施例提供的多成因碎石土斜坡模型降雨入渗变形破坏试验装置的结构示意图。

图2是本发明实施例提供的多成因碎石土斜坡模型降雨入渗变形破坏试验装置的俯视图。

图3是本发明实施例提供的多成因碎石土斜坡模型降雨入渗变形破坏试验装置的主视图。

图4是本发明实施例提供的多成因碎石土斜坡模型降雨入渗变形破坏试验装置的正视图。

图5是本发明实施例提供的多成因碎石土斜坡模型降雨入渗变形破坏试验装置的尺寸参数主视图。

图6是本发明实施例提供的多成因碎石土斜坡模型降雨入渗变形破坏试验装置的尺寸参数俯视图。

图7是本发明实施例提供的坡积成因碎石土斜坡室内物理模型剖面图。

图1中：1、发生箱；2、定滑轮；3、摇杆；4、观测窗；5、承坡箱体；6、可伸缩后缘平台钢板；7、仿基岩带肋条斜钢板；8、支撑斜钢板的千斤顶；9、斜钢板左右旋杆；10、大尺寸观测窗口；11、箱底回收层；12、箱脚回收盒；13、接水槽；14、水泵；15、储水罐；16、流量计；17、降雨管道；18、管道支架；19、可调节喷头；20、数字采集仪；21、摄像机支架。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种多成因碎石土斜坡模型降雨入渗变形破坏试验方法及装置，下面结合附图对本发明作详细的描述。

如图1-图7所示。本发明实施例提供的多成因碎石土斜坡模型降雨入渗变形破坏试验装置由发生装置、承坡装置、回收装置、降水系统以及监测系统五个部分组成。

发生装置是本发明模拟自然环境下不同成因的碎石土斜坡形成过程，对传统装置的人工手动堆坡进行了针对性地改进。

发生装置由发生箱1、定滑轮2、摇杆3以及观测窗4组成：发生箱用以承载构建模型所需要的土样，通过摇杆带动定滑轮可以改变发生箱的角度，从而使得土样以一定的速度进入到承坡装置中去，从而模拟自然环境下碎石土斜坡的形成过程。可以通过改变发生箱内的土样种类和级配及其装填顺序并多次倾倒，以改变室内碎石土斜坡物理模型的组成成分和结构，还可以通过定滑轮和摇杆改变发生箱的倾斜角度，改变土样进入承坡装置的速度，从而模拟不同条件下自然环境中碎石土斜坡形成的过程，能逼真地还原不同成因的碎石土斜坡其由于形成过程不同从而导致的内部结构的差异。同时预留的观测窗可以方便使用者实时观察发生装置内土样的情况，对使用本发明进行实验提供了很大便利。

承坡装置是本发明的主体部分，发生装置会将提前配置好的土样以设定的角度倾倒入承坡装置内，使土样在进入承坡装置时具有不同的速度，通过多次倾倒，碎石土斜坡的室内物理模型就会在承载装置内逐渐成形。

承坡装置由承坡箱体5、可伸缩后缘平台钢板6、仿基岩带肋条斜钢板7、四个支撑斜钢板的千斤顶8、斜钢板左右旋杆9以及大尺寸观测窗口10等部分组成。承坡箱体起到固定放置碎石土斜坡的室内物理模型的作用；可伸缩后缘平台则可以让从发生装置中倾倒出的土样在其上形成类似自然环境下的不同长度的碎石土斜坡后缘平台，更逼真地模仿了自然环境下碎石土斜坡的形态；

仿基岩带肋条斜钢板则起到了自然环境中基岩的作用，从发生装置倾倒出的碎石土将和自然环境中的土层覆盖与基岩之上一样覆盖在仿基岩带肋条斜钢板上，而肋条可以避免碎石土在倾斜的钢板上滑动，更逼真地模拟了自然环境下碎石土斜坡覆盖在基岩层上的情况，避免了传统装置中由于碎石土斜坡的室内物理模型沿着装置发生滑动，从而干扰了实验结果的问题；

支撑斜钢板的千斤顶与斜钢板左右旋杆，其作用是调节斜钢板的角度。

因为自然环境中碎石土斜坡下覆的基岩层产状不一，从而影响了上层碎石土斜坡的形态以及内部结构，为了更好地还原所要研究的碎石土斜坡，本发明增加了斜钢板左右旋杆以调剂斜钢板的角度用以模仿自然环境中不同碎石土斜坡下覆基岩层不同的倾斜角度，从而使得通过本发明构建的碎石土斜坡室内物理模型更贴近与实际情况，以此为研究对象所得到的实验结果也会更加准确地揭示自然规律；

大尺寸观测窗口能揭示本发明所构建的碎石土斜坡室内物理模型的整个剖面，为观察模型内部的变化提供了有利条件，在研究碎石土斜坡的失稳破坏过程中，可以清晰地看见剖面里碎石土移动的情况、裂缝的发育扩张情况以及在降雨条件下碎石土逐渐浸润，湿润锋下移的情况，为使用者观察实验现象提供有力帮助。

回收系统的作用是在碎石土斜坡室内物理模型发生失稳破坏后，收回其流失的碎石土，实现环保、经济目的。回收系统由箱底回收层11、及箱脚回收盒12以及接水槽13三部分组成：箱底回收层主要是收集由于碎石土斜坡室内物理模型与装置两壁之间存在孔隙，其发生失稳破坏过程中，沿孔隙下落的碎石土和水；而箱脚回收盒和截水槽则主要是收集在碎石土斜坡室内物理模型向前滑动破坏后，冲出本发明的碎石土和水。这样的布置考虑了碎石土流失的不同原因及其去向，可以回收掉绝大多数失稳破坏过程中流失的土样，避免了碎石土和水离开装置后污染环境，并且降低了实验材耗，实现了环保与经济的双重目的。

降水系统是本发明中诱发碎石土斜坡室内物理模型发生失稳破坏的重要装置，由水泵14、储水罐15、流量计16、降雨管道17、管道支架18以及可调节喷头19组成。水被水泵从储水罐中泵出，起到提供水源的作用；流量计的作用是监测总共的降雨量，通过计算可以得到当前的降雨强度，从而满足了使用者研究不同降雨强度下碎石土斜坡的失稳破坏过程的使用需求；管道支架及固定在支架上的降雨管道则的作用则是将水流从自来水管道运送到九个可调节的喷头处；可调节喷头分别布置在碎石土斜坡室内物理模型的坡顶、坡腰以及坡脚处，喷头通过旋转可以单独改变每个喷头的雨量大小。可以使得整个模型都接收到降雨，也可以根据具体案例中所需要的布置的情况改变各处雨量的大小，可以满足使用者研究不同的降雨分布条件下碎石土斜坡的失稳破坏过程的使用需求。

监测系统是本发明中为使用者收集实验数据，提供实验参数的重要装置，由数字采集仪20与摄像机支架21组成：数字采集仪连接孔隙水压力传感器、土压力传感器、位移传感器以及柔性位移计，将传感器测得的数据处理传输给电脑。孔隙水压力传感器可以监测在降雨条件下，由于雨水渗入碎石土引发的孔隙水压力变化。土压力传感器可以捕捉到在碎石土斜坡室内物理模型发生失稳破坏过程中传感器所处位置碎石土土压力的变化。位移传感器可以监测碎石土表面的位移情况。柔性位移计可以监测碎石土内部的位移情况；摄像机支架布置于发生装置外侧，可以用来拍摄记录实验过程。此外管道支架上也可以布置摄像机，用来拍摄碎石土斜坡室内物理模型发生失稳破坏过程中模型表面的变化，可用以分析碎石土的表面位移和记录裂缝发育的情况。

对于制备不同成因的碎石土斜坡的物理模型，本装置可以采用不同的制备方法以模拟其由于不同成型过程而导致的斜坡物质成分，级配及分布方式差异。

坡积物是指山坡坡由于降雨流水将岩石的风化产物洗刷、搬运到山坡下方或坡脚山麓地带、所形成的堆积物。根据大量野外调查信息发现，坡积物的分选性和砂砾磨圆度较差，大小混杂，结构疏松，常见有与山坡面大致平行的不很清楚的层理，受成因影响，由于石子质量大，更难被水流搬运到远处，所以坡积物前端碎石土含石量相对后端较少。对于坡积成因的碎石土斜坡物理模型的制备，应该先对所要模拟的野外斜坡由后缘到前端的碎石土物质组成及级配差异进行区域划分，根据调查得到的各区域级配的平均大小，分别配置级配不同的材料进行分区模拟，将其按由前端到后缘的次序依次放入发生装置中，并调节摇杆3改变发生箱1的角度，使得每一组土样离开发生箱1的角度依次减小，模仿野外水流对前端小粒径碎石土冲击带动更大而对后端大粒径碎石土冲击带动更小的特点。所有组的材料都进入承坡装置后，随后采用人工对坡体进行表面整平和压实，模仿外应力对坡积成因碎石土斜坡形成后的作用。由此可制备坡积成因的碎石土斜坡物理模型。

洪积物是由山区溪沟间歇性洪水挟带的碎屑物质，一般堆积在山前沟口，属快速流水搬运，因此一般颗粒较粗，除砂、砾外，还有巨大的块石，分选性也差，大小混杂。对于洪积成因的碎石土斜坡物理模型的制备，应该先对所要模拟的野外斜坡的平均物质组成及级配情况继续调查，根据调查的结果配置物理模型的组成材料，将配置好的材料加入发生箱1中，并加入适量的水充分混合，调节摇杆3改变发生箱1的角度，这个角度应该较为平缓，避免水流的排泄过快以防止水流聚集。在所有的材料都进入承坡装置后，等待其自然干燥定型，随后采用人工对坡体进行表面整平和压实，模仿外应力对洪积成因碎石土斜坡形成后的作用。由此可制备洪积成因的碎石土斜坡物理模型。

崩积物是指陡峻斜坡上的土石体突然向坡下翻滚坠落所形成的堆积物，崩落的大小不等的土石碎屑物堆积于坡脚，呈锥形体，结构零乱，毫无层序；对于崩积成因的碎石土斜坡物理模型的制备，应该先对所要模拟的野外斜坡的平均物质组成及级配情况继续调查，根据调查的结果配置物理模型的组成材料，将配置好的材料加入发生箱1中，调节摇杆3将材料从发生箱1中以近似于垂直的角度进入并堆积于试验区，从而模拟崩积成因的碎石土斜坡。随后采用人工对坡体进行表面整平和压实，模仿外应力对崩积成因碎石土斜坡形成后的作用。由此可制备崩积成因的碎石土斜坡物理模型。

残积物是地表岩石经受物理破坏和化学风化后，残留在原地的堆积物。残积物中可以有巨大的岩块及微细的粘土，没有分选性。但由于风化作用是由地表向下进行的，所以，剖面的上部风化作用程度高；下部风化作用进行得历史短，风化程度较低。组成风化壳的残积物的颗粒一般上部细，下部粗。对于残积成因的碎石土斜坡物理模型的制备，应该先对所要模拟的野外斜坡由内部到表层的碎石土的风化程度进行区域划分，残积形成的斜坡的特征主要是表层土风化较严重，随着深度的增加依次递减，根据调查得到的各区域级配的风化程度，分别配置级配不同的材料进行分区模拟。将配置好的各组材料按照其所属区域进行由下至上直接加入发生箱1实现分阶段堆积，要注意的是，每两组碎石土材料之间要进行刨毛处理来增加层间的粘结力。当所有材料都加入发生箱1后，采用人工对坡体进行表面整平和压实，模仿外应力对残积成因碎石土斜坡形成后的作用。由此可制备残积成因的碎石土斜坡物理模型。

下面结合实施例对本发明进一步进行说明。

通过本发明构建坡积成因的碎石土斜坡并探究其在两种不同降雨条件下的失稳破坏过程。

为了构建坡积成因的碎石土斜坡，根据野外踏勘过程中对所要模拟的斜坡物质成分组成及分布的调查结果，取粒径在0-2mm段的砂沙土2-5mm段、5-10mm段以及10-20mm段的碎石，按照不同比例充分混合得到三种不同级配土样，作为堆积室内斜坡模型的三种材料，标记为材料A、B、C，具体土质参数见表1。

根据所要模拟的斜坡土体的平均干密度，按1.6g/cm³的干密度对斜坡成型进行控制，并分别测定不同材料饱和渗透系数、孔隙比、摩擦角以及粘聚力，使之与模拟对象相近。考虑做实验时测定初始土样的参数值以及饱和土样的参数值，然后配置期间不同含水率的碎石土样并测出相应的物理力学参数，即可得出土样的含水率-物理力学参数曲线，用以得到土样在降水不同时刻物理力学参数随含水率变化的情况。

为模拟自然环境下坡积成因碎石土斜坡的形态，首先根据野外踏勘对所要模拟的滑坡坡体基岩倾角的勘察结果，通过旋转将斜钢板左右旋杆9将仿基岩带肋条斜钢板7调节为40°。然后将可伸缩后缘平台钢板6完全缩起，避免初始的碎石土就停留在后缘上。接着在发生箱1中装入C组碎石土，之后转动摇杆3带动定滑轮2使发生箱1倾斜至75°，模仿有利的水流将含石最少的土样冲至最前端。反复多次执行此操作直至总共将13350cm³的C组碎石土都倾倒至⑤承坡箱体前端；接着换装B组碎石土至发生箱1，转动摇杆3带动定滑轮2使发生箱1倾斜至60°，模仿次有力的水流将含石量中等的土样冲至中端，反复多次执行此操作直至总共将39950cm³的B组碎石土都倾倒至承坡箱体5中端；最后换装A组碎石土发生箱1，并展开可伸缩后缘平台钢板6至25cm，转动摇杆3带动定滑轮2使发生箱1倾斜至45°，模仿较无力的水流将含石量最多的土样冲至后缘处，反复多次执行此操作直至总共将95050cm³的A组碎石土都倾倒至承坡箱体5后缘。随后采用人工对坡体进行表面整平，模仿外应力对坡积成因碎石土斜坡形成后的作用，由此可以得到如图5所示的坡积成因碎石土斜坡的室内物理模型。

实验前将孔隙水压力传感器、土压力传感器、位移传感器以及柔性位移计等布置在模型中，连上数字采集仪20将数据传至终端，并且架设相机，通过摄像机支架21及大尺寸观测窗口10记录模型正面，剖面，后缘表面以及前缘表面的失稳破坏过程。

根据对所模拟的滑坡所在区域降雨情况的收集，确定模拟实验中所要模拟的降雨强度为0.5mm/min和3mm/min，开始降雨后通过流量计16指示调节水泵14和可调节喷头19，使降雨强度稳定在0.5mm/min，并且各喷头平均降水，记录此后模型的变化直至其最终失稳破坏。在此过程中箱底回收层11、及箱脚回收盒12以及接水槽13会收集被水冲刷带走的碎石土。

实验结束后，清理装置，回收碎石土，收集整理记录的现象与数据。然后重复上述的操作构建新的坡积成因碎石土斜坡的室内物理模型，重复实验，实验过程中只是将降雨强度改变为3mm/min，再次记录现象，收集数据，就可以得到另一种降雨强度下坡积成因碎石土斜坡的失稳破坏过程。两相比较，就可以分析坡积成因的碎石土斜坡在不同降雨条件下的失稳破坏过程差异。

表1试验材料参数示意表

在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上；术语“上”、“下”、“左”、“右”、“内”、“外”、“前端”、“后端”、“头部”、“尾部”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种多成因碎石土斜坡模型降雨入渗变形破坏试验装置，其特征在于，所述多成因碎石土斜坡模型降雨入渗变形破坏试验装置包括：

发生装置，用于承载构建模型所需要的土样，并将土样以设定的角度倾倒排放到承坡装置中，使土样在进入承坡装置时具有不同的速度，模拟自然环境下碎石土斜坡的形成过程；

承坡装置，用于接收发生装置以设定的角度倾倒的提前配置好的土样，通过多次倾倒，碎石土斜坡模型在承载装置内逐渐成形；

回收装置，用于在碎石土斜坡模型发生失稳破坏后，收回流失的碎石土；

降水系统，用于进行模拟降水，诱发碎石土斜坡模型发生失稳破坏；

监测系统，用于收集实验数据，提供实验参数。

2.如权利要求1所述的多成因碎石土斜坡模型降雨入渗变形破坏试验装置，其特征在于，所述发生装置由发生箱、定滑轮、摇杆以及观测窗组成，所述发生箱外端通过连接绳索与摇杆连接，所述连接绳索中间在定滑轮外侧绕过，所述观测窗嵌装在发生箱侧面。

3.如权利要求1所述的多成因碎石土斜坡模型降雨入渗变形破坏试验装置，其特征在于，所述承坡装置包括承坡箱体、可伸缩后缘平台钢板、仿基岩带肋条斜钢板、四个支撑斜钢板的千斤顶、斜钢板左右旋杆和大尺寸观测窗口，所述承坡箱体用于固定放置碎石土斜坡模型，所述可伸缩后缘平台钢板用于将从发生装置中倾倒出的土样在形成不同长度的碎石土斜坡后缘平台，所述仿基岩带肋条斜钢板的肋条用于避免碎石土在倾斜的钢板上滑动，同时斜钢板可拆卸，可根据实际情况使用特定形状的钢板，根据实际需要选择不同表面起伏、长度及布置角度的钢板，用以模拟实际常见基覆界面形状。模拟自然环境下碎石土斜坡覆盖在基岩层上的情况，所述支撑斜钢板的千斤顶和斜钢板左右旋杆用于调节斜钢板的角度及其下部的高度，从而匹配不同角度、长度的斜钢板，所述大尺寸观测窗口用于在碎石土斜坡的失稳破坏过程中，观察剖面里碎石土移动的情况、裂缝的发育扩张情况以及在降雨条件下碎石土逐渐浸润，湿润锋下移的情况。

4.如权利要求1所述的多成因碎石土斜坡模型降雨入渗变形破坏试验装置，其特征在于，所述降水系统包括水泵、储水罐、降雨管道、管道支架和可调节喷头，所述水泵两端分别与储水罐和降雨管道连通，所述降雨管道连通有若干可调节喷头，所述降雨管道通过管道支架安装固定。

5.如权利要求4所述的多成因碎石土斜坡模型降雨入渗变形破坏试验装置，其特征在于，所述降雨管道中间设置有流量计。

6.如权利要求4所述的多成因碎石土斜坡模型降雨入渗变形破坏试验装置，其特征在于，若干所述可调节喷头分别布置在碎石土斜坡模型的坡顶、坡腰以及坡脚处，调节喷头通过旋转改变雨量大小。

7.如权利要求1所述的多成因碎石土斜坡模型降雨入渗变形破坏试验装置，其特征在于，所述监测系统包括数字采集仪和摄像机支架，所述监测系统用于与多种不同功能的传感器连接，用于对传感器的检测数据进行采集，所述摄像机支架布置于发生装置外侧和管道支架上侧，用于拍摄记录实验过程和碎石土斜坡模型发生失稳破坏过程中模型表面的变化。

8.如权利要求7所述的多成因碎石土斜坡模型降雨入渗变形破坏试验装置，其特征在于，所述数字采集仪连接有孔隙水压力传感器、土压力传感器、位移传感器和柔性位移计。

9.一种用于实施权利要求1～8任意一项所述的多成因碎石土斜坡模型降雨入渗变形破坏试验装置的多成因碎石土斜坡模型降雨入渗变形破坏试验方法，其特征在于，所述多成因碎石土斜坡模型降雨入渗变形破坏试验方法包括：

步骤一，通过旋转斜钢板左右旋杆，将仿基岩带肋条斜钢板调节为所需角度，后缘平台钢板可相应伸缩，以适应斜钢板角度调节带来的长度变化；

步骤二，在发生箱中装入碎石土，之后转动摇杆带动定滑轮和连接绳索使发生箱倾斜，将土样送入承坡箱体仿基岩带肋条斜钢板上，反复多次执行此操作直至将碎石土都倾倒至承坡箱体内；

步骤三，将孔隙水压力传感器、土压力传感器、位移传感器以及柔性位移计布置在模型中，连上数字采集仪将数据传至终端，并且架设摄像机支架；

步骤四，利用水泵将水从储水罐中泵出，通过降雨管道和可调节喷头进行模拟降雨，在此过程中箱底回收层、箱脚回收盒以及接水槽收集被水冲刷带走的碎石土；

步骤五，通过摄像机支架及大尺寸观测窗口记录模型正面，剖面，后缘表面以及前缘表面的失稳破坏过程；

步骤六，实验结束后，清理装置，回收碎石土，收集整理记录的现象与数据。

10.如权利要求9所述的多成因碎石土斜坡模型降雨入渗变形破坏试验方法，其特征在于，所述步骤二中通过改变发生箱内的土样种类和级配及其装填顺序并多次倾倒，以改变室内碎石土斜坡物理模型的组成成分和结构，通过定滑轮和摇杆改变发生箱的倾斜角度，改变土样进入承坡装置的速度，模拟不同条件下自然环境中碎石土斜坡形成的过程。

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