CN107561246A - 一种滑坡模型试验装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种滑坡模型试验装置，包括模型框架、滑坡模型以及加载装置。其中，滑坡模型位于模型框架的内部，用于模拟滑坡；加载装置位于滑坡模型的上方并穿过模型框架，用于向滑坡模型的顶部边坡施加荷载，使得滑坡模型产生滑动，通过集中加载、均布加载和动态加载中的一种或多种对所述滑坡模型的顶部边坡施加荷载。本发明通过加载装置向滑坡模型施加不同的荷载，模拟滑坡外力条件的变化，实现在多种外力条件下的滑坡模拟。本发明通过设置模型框架，使得本发明适用于较大尺寸的滑坡模型，满足大型滑坡模型试验要求，避免了中小型滑坡模型受两侧框架的边界效应影响。

Description

一种滑坡模型试验装置
技术领域
本发明涉及地质灾害模型试验领域，具体地，涉及一种滑坡模型试验装置。
背景技术
我国是滑坡、崩塌、泥石流等地质灾害多发的国家，其中滑坡的发生常常具有突发性、高频性、破坏性的特点，是公认的仅次于地震的第二大自然灾害，也是人类面临的范围最广、破坏最终和时间最长的地质灾害之一。为了有效地防治滑坡，滑坡物理模型试验是对滑坡生成规律进行研究的最有效手段之一，其可以用来检验理论分析和数值模拟计算结果的准确性，又可以直接指导工程实践的设计和施工。
虽然滑坡物理模型试验装置的研发一定程度上促进了地质力学模型试验研究的发展，但仍然存在一定程度的局限或缺陷：
(1)传统滑坡模型试验装置规模尺寸较小，导致试验过程中滑坡物理模型受两侧框架的边界效应影响显著；部分滑坡物理模型试验装置仅适合于教学，采用透明材料制作成小型模型框架以展示滑坡形成过程，无法对实际滑坡进行相似模拟；
(2)滑坡应力条件变化难以模拟，滑坡在演化过程中外力边界条件往往并非一成不变，而现有试验装置往往不能通过施加外荷载，实现完整滑坡地质力学模型的模拟。
发明内容
鉴于以上问题，本发明的目的是提供一种滑坡模型试验装置，以解决现有滑坡模型试验装置难以模拟滑坡应力条件变化的问题。
为了实现上述目的，本发明所述滑坡模型试验装置，包括：
模型框架；
滑坡模型，位于所述模型框架的内部，用于模拟滑坡；以及
加载装置，位于所述滑坡模型的上方并穿过所述模型框架，用于向所述滑坡模型的顶部边坡施加荷载，从而使得滑坡模型产生滑动，通过集中加载、均布加载和动态加载中的一种或多种对所述滑坡模型的顶部边坡施加荷载。
优选地，所述加载装置包括伺服作动器和加载板，所述伺服作动器设置于所述模型框架顶部，所述加载板设置于所述伺服作动器与所述滑坡模型之间，并与所述滑坡模型接触，所述伺服作动器通过所述加载板向所述滑坡模型的顶部边坡施加动荷载。
优选地，所述加载装置包括轴向加压油缸和加载杆，所述轴向加压油缸设置在所述模型框架顶部，所述加载杆一端连接所述轴向加压油缸，一端连接所述滑坡模型，所述轴向加压油缸通过所述加载杆将荷载集中传递至所述滑坡模型的顶部边坡。
进一步地，优选地，所述加载装置还包括均布加载梁和加载板，所述加载板位于所述滑坡模型顶部并与所述滑坡模型的顶部边坡接触，所述均布加载梁位于所述加载板与所述加载杆之间，所述轴向加压油缸依次通过所述加载杆和所述均布加载梁将荷载传递至所述加载板，通过所述加载板将荷载均匀传递至所述滑坡模型的顶部边坡。
优选地，所述滑坡模型包括滑床、滑移面和滑坡体，所述滑坡体的顶部即为所述滑坡模型的顶部边坡，所述滑移面位于所述滑床与所述滑坡体之间。
进一步地，所述滑床包括限位梁和环氧树脂板，所述限位梁用于限制所述滑床的横向位移，所述限位梁与所述环氧树脂板间隔设置。
进一步地，所述滑移面表面覆有抹面层。
进一步地，所述滑坡体由相同或相似性材料在所述模型框架内分层夯实填筑。
优选地，所述滑坡模型最大高度为1600毫米。
优选地，所述模型框架内部具有模型垫板，所述滑坡模型放置于所述模型垫板上，所述模型框架的侧壁包围所述滑坡模型。
与现有技术相比，本发明具有以下优点和有益效果：
本发明通过加载装置向滑坡模型的顶部施加不同的荷载，模拟滑坡外力条件的变化，根据实际需要，可分别选择集中加载、均布加载和动态加载三种不同的加载方案，建立与真实滑坡相比满足几何相似条件的三维空间模型，实现了在多种外力条件下的滑坡模拟。本发明滑坡模型放置于模型垫板上，最大高度可达1600毫米，满足大型滑坡模型试验要求，避免了中小型滑坡模型受两侧框架的边界效应影响。本发明结构开放，安装灵活方便。
附图说明
图1是本发明所述滑坡模型试验装置的主视图。
具体实施方式
下面将参考附图来描述本发明所述的实施例。本领域的普通技术人员可以认识到，在不偏离本发明的精神和范围的情况下，可以用各种不同的方式或其组合对所描述的实施例进行修正。因此，附图和描述在本质上是说明性的，而不是用于限制权利要求的保护范围。此外，在本说明书中，附图未按比例画出，并且相同的附图标记表示相同的部分。
下面结合图1来详细说明本实施例。
图1是本发明所述滑坡模型试验装置的主视图，如图1所示，本发明所述滑坡模型试验装置包括模型框架1、滑坡模型以及加载装置。其中，滑坡模型位于模型框架1的内部，用于模拟滑坡；加载装置位于滑坡模型的上方并穿过模型框架1，用于向滑坡模型的顶部边坡施加荷载，从而使得滑坡模型产生滑动，通过集中加载、均布加载和动态加载中的一种或多种对所述滑坡模型的顶部边坡施加荷载。本发明通过加载装置向滑坡模型施加荷载，模拟滑坡不同的外力条件，实现在多种外力条件下的滑坡模拟。本发明通过设置较大的模型框架，使得本发明适用于较大尺寸的滑坡模型，滑坡模型最大高度优选为1600毫米，满足大型滑坡模型试验要求，避免了中小型滑坡模型受两侧框架的边界效应影响。
优选地，模型框架1内部具有模型垫板2，滑坡模型放置于模型垫板2上，模型框架1的侧壁21包围滑坡模型，侧壁21用于限制滑坡模型两侧的边界位移。
由于滑坡在演化过程中外力边界条件并非一成不变，在模拟排土场堆载作用于滑坡与基坑周边堆放建筑材料荷载作用于滑坡等工况时，需要在滑坡试验装置中施加额外的作用力模拟外力条件的变化。
优选地，通过以下方式实现动态加载：加载装置包括伺服作动器(未示出)和加载板9，伺服作动器设置于模型框架1的顶部，与模型框架1顶部垂直放置，加载板9设置于伺服作动器与滑坡模型之间，并与滑坡模型接触。通过外界电力作用使得伺服作动器施加脉动激振力，通过加载板9向滑坡模型的顶部边坡施加动荷载，用于模拟动荷载作用条件下滑坡的稳定性问题。
优选地，通过以下方式实现集中加载和均布加载：加载装置包括轴向加压油缸10和加载杆8，加载杆8一端连接轴向加压油缸10，另一端连接滑坡模型的顶部边坡。其中，在模型框架1的顶部和两个侧面均设置有轴向加压油缸10，但是两个侧面的轴向加压油缸10在本发明中并无作用，本发明通过设置在模型框架1顶部的轴向加压油缸10向滑坡模型施加荷载。具体地，轴向加压油缸10通过加载杆8将荷载集中传递至滑坡模型的顶部边坡，用于模拟集中荷载作用条件下滑坡的稳定性问题，通过调节轴向加压油缸10的轴向压力调节施加的荷载大小。
进一步地，加载装置还可以包括均布加载梁7和加载板9，均布加载梁7和加载板9设置在滑坡模型顶部，位于加载杆8与滑坡模型顶部边坡之间，加载杆8一端连接轴向加压油缸10，另一端连接均布加载梁7，均布加载梁7与加载板9连接，加载板9位于滑坡模型顶部并与滑坡模型的顶部边坡接触，均布加载梁7位于加载板9与加载杆8之间，轴向加压油缸10通过加载杆8将荷载依次传递至均布加载梁7和加载板9，通过加载板9将荷载均匀传递至滑坡模型的顶部边坡，用于模拟在均布荷载作用条件下滑坡的稳定性问题。
在本发明中，伺服作动器与轴向加压油缸是可以同时存在的，两者互不干扰。
需要说明的是，本发明可根据实际需要，分别选择集中加载、均布加载和动态加载三种不同的加载方案，实现在多种外力作用条件下的滑坡模拟，可分析不同加载方案下滑坡的稳定性问题，从而建立满足几何相似条件的真实重量滑坡三维空间模型。
优选地，滑坡模型包括滑床、滑移面4和滑坡体3，滑坡体3的顶部即为滑坡模型的顶部边坡。滑移面4位于滑床与滑坡体3之间。优选地，滑床包括限位梁6和环氧树脂板5，其中，限位梁6用于限制滑床的横向位移，限位梁6与环氧树脂板5间隔设置，环氧树脂板5由环氧树脂材料固化而成，或者直接在两个相邻的限位梁6之间填充环氧树脂材料以固化。环氧树脂板5具有高强度和强收缩性的特点，可有效减少施加荷载过程中滑坡观测数据的误差。
优选地，滑移面4表面覆有抹面层，用于减小滑动摩擦系数，可以选择在滑床表面使用比例为1:1的水泥和砂浆混合制作抹面层，通过提浆和压光以构筑滑移面，减小滑动摩擦系数。优选地，滑坡体3由相同或相似性材料在模型框架内分层夯实填筑，相似材料配置均匀、含水率恒定，还可以通过钻孔将土压力计及测斜仪埋入滑坡体内部以测量土压力和滑坡内部的位移。加载装置位于滑坡体顶部与模型框架之间，通过加载装置向滑坡体施加荷载，模拟外力作用下滑坡体的滑动。
利用本发明所述滑坡模型试验装置进行滑坡模拟试验的方法，包括以下步骤：
(1)滑坡试验装置的设计及安装
针对研究需求，根据相似原理，拟定概化后的滑坡相似模型中模型框架以及滑坡模型的尺寸。
在一个优选实施例中，采用配置均匀、含水率恒定的相似材料制作滑坡模型的滑坡体；滑移面表面覆有抹面层，采用人造滑床和滑移面的形式构筑滑坡模型的一部分。在滑床表面用比例为1：1的水泥和砂浆制作抹面层，并通过提浆和压光减小滑动摩擦系数；滑床包括限位梁，限位梁用以限制滑床的横向相对位移，相邻的限位梁中间由环氧树脂材料固化填充。
(2)加载滑坡模型以及数据处理分析
综合考虑实际情况，可分别使用向滑坡模型施加集中荷载、均布荷载和动态荷载三种不同的加载方式对滑坡体顶面进行加载。当完成滑坡模型的加载过程后，根据相关仪器设备采集试验数据，例如采集土压力、滑坡内部绝对位移等对不同加载荷载作用下滑坡的稳定性进行分析。
以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。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 (10)

1.一种滑坡模型试验装置，其特征在于，包括：
模型框架；
滑坡模型，位于所述模型框架的内部，用于模拟滑坡；以及
加载装置，位于所述滑坡模型的上方并穿过所述模型框架，用于向所述滑坡模型的顶部边坡施加荷载，从而使得滑坡模型产生滑动，通过集中加载、均布加载和动态加载中的一种或多种对所述滑坡模型的顶部边坡施加荷载。
2.根据权利要求1所述的滑坡模型试验装置，其特征在于，
所述加载装置包括伺服作动器和加载板，所述伺服作动器设置于所述模型框架顶部，所述加载板设置于所述伺服作动器与所述滑坡模型之间，并与所述滑坡模型接触，所述伺服作动器通过所述加载板向所述滑坡模型的顶部边坡施加动荷载。
3.根据权利要求1所述的滑坡模型试验装置，其特征在于，
所述加载装置包括轴向加压油缸和加载杆，所述轴向加压油缸设置在所述模型框架顶部，所述加载杆一端连接所述轴向加压油缸，一端连接所述滑坡模型，所述轴向加压油缸通过所述加载杆将荷载集中传递至所述滑坡模型的顶部边坡。
4.根据权利要求3所述的滑坡模型试验装置，其特征在于，
所述加载装置还包括均布加载梁和加载板，所述加载板位于所述滑坡模型顶部并与所述滑坡模型的顶部边坡接触，所述均布加载梁位于所述加载板与所述加载杆之间，所述轴向加压油缸依次通过所述加载杆和所述均布加载梁将荷载传递至所述加载板，通过所述加载板将荷载均匀传递至所述滑坡模型的顶部边坡。
5.根据权利要求1所述的滑坡模型试验装置，其特征在于，
所述滑坡模型包括滑床、滑移面和滑坡体，所述滑坡体的顶部即为所述滑坡模型的顶部边坡，所述滑移面位于所述滑床与所述滑坡体之间。
6.根据权利要求5所述的滑坡模型试验装置，其特征在于，
所述滑床包括限位梁和环氧树脂板，所述限位梁用于限制所述滑床的横向位移，所述限位梁与所述环氧树脂板间隔设置。
7.根据权利要求5所述的滑坡模型试验装置，其特征在于，所述滑移面表面覆有抹面层。
8.根据权利要求5所述的滑坡模型试验装置，其特征在于，
所述滑坡体由相同或相似性材料在所述模型框架内分层夯实填筑。
9.根据权利要求1所述的滑坡模型试验装置，其特征在于，
所述滑坡模型最大高度为1600毫米。
10.根据权利要求1所述的滑坡模型试验装置，其特征在于，所述模型框架内部具有模型垫板，所述滑坡模型放置于所述模型垫板上，所述模型框架的侧壁包围所述滑坡模型。
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