CN110736821B - 一种基于重力加载材料的滑坡区域管道安全性的模型试验装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及岩土工程领域，特别地涉及一种基于重力加载材料的滑坡区域管道安全性的模型试验装置。它包括制备***和加载***，制备***用于盛放和制备整个试验的试样并通过电磁施加装置输出电磁力到相似材料，等效增大试验所受重力，实现滑坡体的滑落，加载***通过液压千斤顶对制备***中的相似材料试样进行均匀加载，模拟地应力加载。

Description

一种基于重力加载材料的滑坡区域管道安全性的模型试验 装置
技术领域
本发明涉及岩土工程领域，特别地涉及一种基于重力加载材料的滑坡区域管道安全性的模型试验装置。
背景技术
滑坡是指在一定的自然条件与地质条件下，组成斜坡的部分岩土体，在以重力为主的作用下，沿斜坡内部一定的软弱面(或软弱带)发生剪切而产生的整体下滑破坏。滑坡的发生通常具有突发性、高频性、破坏性的特点，是世界公认的大型自然灾害。敷设在坡底的管道可能受到滑体滑落的影响发生变形甚至弯曲断裂，造成严重的后果。
现阶段管道及滑坡灾害单独研究较为全面，将二者结合起来进行研究较少，无法对不同坡面倾角、不同坡高或降雨时滑坡体滑落对敷设管道的影响规律进行深入了解。
发明内容
鉴于以上问题，本发明的目的是提供一种基于重力加载材料的滑坡区域管道安全性的模型试验装置，模拟不同坡角、不同坡高或降雨时的滑坡滑体滑落时对坡底管道安全性的影响。
为了实现上述目的，本发明采用下述技术方案：
一种基于重力加载材料的滑坡区域管道安全性的模型试验装置，试验装置包括制备***和加载***。制备***包括导向框、支架、水管、降雨喷头、电磁铁底板、装置底板、可拼接短边侧板、可拼接长边侧板、条形控制板、可动侧板、短边侧板、长边侧板、管道、连接螺栓、电磁控制装置；加载***包括反力架、液压千斤顶。制备***由导向框固定在电磁铁底板上，可拆装的支架固定在导向框的上部，将水管和降水喷头固定在支架上，将长边侧板和短边侧板***导向框内固定，将管道***预留的固定管道孔内，预留管道孔分为上下两个，下孔模拟敷设在地底的管道，上孔模拟铺设在地表的管道，将可拼接短边侧板、可拼接长边侧板、切割好的条形控制板、可动侧板通过插槽和高强螺栓组装固定并通过连接螺栓与装置连接成整体。加载***包括由前、后、左、右、下五个面通过高强度螺栓连接组成的反力架，和位于反力架前、后、左、右四个面上的液压千斤顶，液压千斤顶的缸体固定于所述的反力架上，动力杆安装方形推力器进行加载。
装置的制备***可以通过改变可拼接侧板的数量来模拟滑坡发生时坡高的影响；通过改变切割成的不同倾斜角的条形控制板来模拟滑坡发生时滑坡倾角的影响；可以通过降雨喷头降水来模拟降雨对滑坡的影响。
常规滑坡模型试验是在1倍重力加速度的(1g)重力场内，按几何相似将原型尺寸缩小n倍的模型试验。相比常规滑坡模型装置，本发明利用了重力加载原理，配制磁性岩土相似材料，通过电磁施加装置输出电磁力到岩土相似材料，等效增大岩土体所受重力，实现滑坡体的滑落。依据磁力场与重力场的相似性：
磁性颗粒在磁场中所受磁场力为
Fmagnetic＝m·x·V·H·grad(H) (1)
式中：g--重力加速度，单位m/s2；m--质量，x--磁铁比磁化系数 (x＝k/ρ，k--体积磁化率，ρ--密度)，H--磁场强度，V--磁铁体积，grad(H) --磁场梯度。
上述磁力公式表明，作用在磁性颗粒上的磁力决定于磁性颗粒本身和磁性设备的磁场力H·grad(H)，相同磁性颗粒在确定大小的均匀梯度磁场中，x,V,H,grad(H)均为定值，则x·V·H·grad(H)为定值。
考虑到试样不同部位的磁性材料受到的作用力不同，但同一层磁性材料所受作用力相同，我们可以分层计算，最后进行叠加。
则某一层磁性材料的磁力和试样重力分别为
Fmagnetic＝m·x·V·H·grad(H) (2)
G＝m·g (3)
则试样和磁性材料的混合受力为
F＝G+Fmagnetic＝m·g·(1+x·V·H·grad(H)/g) (4)
已知x,V,H,grad(H)为定值，令n＝x·V·H·grad(H)/g，
F＝m·g·(1+m·x·V·H·grad(H)/g)＝(1+n)·m·g (5)
即通过电磁力使材料的容重增加(1+n)倍。
不同层试样和磁性材料的混合受力均可表示为式(5)。
所以通过在土体中掺入铁粉材料，受到装置的电磁铁底板的电磁力来模拟(1+n)g重力场，达到给坡体加载或超载的目的，实现滑坡体滑落。
本发明的装置按照设计要求，调整可动侧板数量并选择合理的条形控制板，拼接固定形成整体；根据相似材料的原理，模型试验所采用的模拟材料与原材料的物理、力学性质方面有较好的相似性，参考以上原则，原料以铁粉、重晶石粉、粉质粘土、双飞粉、膨润土、河沙、地板蜡以及滑石粉等材料为主体的滑坡模型相似材料能达到模型相似理论提出的相似要求。根据计算好的比例将相似原料填筑到制备***中，待相似材料达到强度要求后，拆除制备***的侧板，据相似比尺和实际工程中的地应力设定液压千斤顶的压力值，进行地应力加载，形成实验所需的地应力，通过调整电磁控制装置增大试样重力场使试样滑坡体滑落，模拟滑坡试验(若需要考虑降雨因素，则在实验时接通水管降水)，滑坡体滑落后坡底管道会受到冲击，通过于埋设在管道周边的传感器得到管道压力的分布、位移的变化，来检测管道的安全性，完成滑坡区域管道安全性的模型试验。
相对于现有技术，本发明具有如下有益效果：
1、该装置可以根据试验要求，通过改变短边侧板数量，更换条形控制板，开关降雨喷头，来模拟不同坡高、坡坡面倾角或降雨时的滑坡模型试验，检测管道安全性。
2、该装置构造简单，操作便捷，可重复使用。
附图说明
图1：装置的整体结构示意图。
图2：装置的平面结构示意图。
图3：装置的内部结构示意图。
图中：1.反力架，2.液压千斤顶，3.导向框，4.支架，5.水管，6. 降雨喷头，7.电磁铁底板，8.可拼接短边侧板，9.可拼接长边侧板， 10.条形控制板，11.短边侧板，12.长边侧板，13.装置底板，14.短边侧板，15.可动侧板，16.管道，17.固定管道孔，18.连接螺栓，19.电磁控制装置。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进一步说明。
如图1-图3所示，制作一种基于重力加载材料的滑坡区域管道安全性的模型试验装置，包括1.反力架，2.液压千斤顶，3.导向框， 4.支架，5.水管，6.降雨喷头，7.电磁铁底板，8.可拼接短边侧板，9. 可拼接长边侧板，10.条形控制板，11.短边侧板，12.长边侧板，13. 装置底板，14.短边侧板，15.可动侧板，16.管道，17.固定管道孔，18. 连接螺栓，19.电磁控制装置。
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
本实施例中所采用的成型模具为钢模，由制备***和加载***组成：制备***的底板由电磁铁底板7和装置底板13拼接固定而成，导向框3固定在装置底板上，可拆装的支架4固定在导向框3的上部，将水管5和降水喷头6固定在支架上，将长边侧板12、短边侧板11、短边侧板14***导向框3内固定，将管道16***长边侧板12上预留的固定管道孔17内，将可拼接短边侧板8、可拼接长边侧板9、切割好的条形控制板10、可动侧板15通过高强螺栓组装固定并通过连接螺栓18与装置连接成整体。加载***包括由前、后、左、右、下五个面通过高强度螺栓连接组成的反力架1，和位于反力架前、后、左下三个面上的液压千斤顶2，液压千斤顶的缸体固定于所述的反力架上，动力杆安装方形推力器进行加载。
装置的制备***可以通过改变可拼接侧板8的数量来模拟发生滑坡时坡高的影响；通过改变切割成的不同倾斜角的条形控制板10 来模拟发生滑坡时滑坡倾角的影响；可以通过降水喷头6降水来模拟降雨对滑坡的影响。
装置为实现滑坡体自行滑落，利用外力场模拟重力场的原理，依据磁力场与重力场的相似性，通过在土体中掺入铁粉材料，受到装置电磁铁底板7的电磁力来模拟(1+n)g重力场，达到给实验试样加载或超载的目的，实现滑坡体滑落。
本发明提供的一种利用本发明的装置进行滑坡区域管道安全性的模型试验方法是：
第一步，选择可拼接侧板并制作条形控制板
根据试验设计的滑坡坡高以及滑坡倾角，将选好的可拼接短边侧板8和可拼接长边侧板9通过凹槽和连接螺栓固定在导向框3上，将矩形钢板切割成条形控制板10，并将条形控制板10通过插槽固定在导向框3和可拼接长边侧板9上。
第二步，选择管道位置
预留固定管道孔17分为上下两个，下孔模拟敷设在地表下的管道，上孔模拟铺设在地表的管道，根据实验要求，将管道16***长边侧板12上预留的固定管道孔17内。
第三步，填筑坡体相似材料
根据计算好的比例称取实验所需相似材料原料，采用搅拌机搅拌均匀后将相似原料填筑到制备***中，沿板面用刮板刮平并养护。
第四步，试验试样成型
待填筑完成的相似材料达到强度要求，拆除可拼接短边侧板8、可拼接长边侧板9、条形控制板10、短边侧板11，长边侧板12，短边侧板14和可动侧板15。
第五步，地应力加载
据相似比尺和实际工程中的地应力设定液压千斤顶2的压力值，进行地应力加载，形成实验所需的地应力。
第六步，模拟滑坡体滑落试验
打开电磁控制装置19，调节电磁控制装置对实验试样施加电磁力，通过电磁控制装置提高电流来增强电磁铁底板7的电磁力，依据磁力场与重力场的相似性，增大试样重力达到超载效果，使滑坡体滑落，模拟滑坡试验(若需要考虑降雨因素，则在实验时接通水管5降水)，滑坡体滑落后坡底管道16会受到冲击，通过于埋设在管道周边的传感器得到管道压力的分布、位移的变化，来检测管道的安全性，完成滑坡区域管道安全性的模型试验。

Claims (1)

1.一种基于重力加载材料的滑坡区域管道安全性的模型试验装置,其特征在于,包括制备***和加载***,其中：
所述的制备***包括导向框、支架、水管、降雨喷头、电磁铁底板、装置底板、可拼接短边侧板、可拼接长边侧板、条形控制板、可动侧板、短边侧板、长边侧板、管道、连接螺栓、电磁控制装置；制备***由导向框固定在电磁铁底板上，可拆装的支架固定在导向框的上部，将水管和降水喷头固定在支架上，将长边侧板和短边侧板***导向框内固定，将管道***预留的固定管道孔内，预留管道孔分为上下两个，下孔模拟敷设在地底的管道，上孔模拟铺设在地表的管道，将可拼接短边侧板、可拼接长边侧板、切割好的条形控制板、可动侧板通过插槽和高强螺栓组装固定并通过连接螺栓与装置连接成整体；
所述制备***可以通过改变可拼接侧板的数量，模拟不同坡高的滑坡区域管道安全性的模型试验；通过改变切割成的不同倾斜角的所述条形控制板，模拟不同滑坡倾角的滑坡区域管道安全性的模型试验；可以通过所述降雨喷头降水，模拟降雨引起滑坡体滑落的滑坡区域管道安全性的模型试验；
所述加载***包括反力架、液压千斤顶，所述反力架由前、后、左、右、下五个面通过高强度螺栓连接组成，所述液压千斤顶的缸体固定于所述反力架前、后、左、右四个面上，动力杆安装方形推力器进行加载；方形推力器直接在试样上施加地应力；
依据重力加载原理，配制磁性岩土相似材料，通过电磁施加装置输出电磁力到岩土相似材料，等效增大岩土体所受重力，实现滑坡体的滑落，依据磁力场与重力场的相似性：
磁性颗粒在磁场中所受磁场力为
Fmagnetic＝m·x·V·H·grad(H) (1)
式中：g--重力加速度，单位m/s2；m--质量，x--磁铁比磁化系数(x＝k/ρ,k--体积磁化率，ρ--密度)，H--磁场强度，V--磁铁体积，grad(H)--磁场梯度；
上述磁力公式表明，作用在磁性颗粒上的磁力决定于磁性颗粒本身和磁性设备的磁场力H·grad(H)，相同磁性颗粒在确定大小的均匀梯度磁场中，x,V,H,grad(H)均为定值，则x·V·H·grad(H)为定值；
考虑到试样不同部位的磁性材料受到的作用力不同，但同一层磁性材料所受作用力近似相同，我们可以分层计算，最后进行叠加；
则某一层磁性材料的磁力和试样重力分别为
Fmagnetic＝m·x·V·H·grad(H) (2)
G＝m·g (3)
则包含磁性材料的试样的综合受力为
F＝G+Fmagnetic＝m·g·(1+x·V·H·grad(H)/g) (4)
已知x,V,H,grad(H)为定值，令n＝x·V·H·grad(H)/g，
F＝m·g·(1+m·x·V·H·grad(H)/g)＝(1+n)·m·g (5)
即通过电磁力使材料的容重增加(1+n)倍；
不同层试样和磁性材料的综合受力均可表示为式(5)；
所以通过在土体中掺入铁粉材料，受到装置的电磁铁底板的电磁力来模拟(1+n)g重力场，达到给坡体加载或超载的目的，实现滑坡体滑落，滑坡体滑落后坡底管道会受到冲击，通过于埋设在管道周边的传感器得到管道压力的分布、位移的变化，来检测管道的安全性，完成滑坡区域管道安全性的模型试验；
所述装置其特征在于，按照设计要求，调整可动侧板数量并选择合理的条形控制板，拼接固定形成整体，根据相似材料的原理，模型试验所采用的模拟材料与原材料的物理、力学性质方面有较好的相似性，参考以上原则，原料以铁粉、重晶石粉、粉质粘土、双飞粉、膨润土、河沙、地板蜡以及滑石粉材料为主体的滑坡模型相似材料能达到模型相似理论提出的相似要求，根据计算好的比例将相似原料填筑到制备***中并养护成型；
所述装置其特征在于，位于反力架上面的液压千斤顶在进行地应力加载时，据相似比尺和实际工程中的地应力设定所述液压千斤顶的压力值，进行地应力加载，形成实验所需的地应力。
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