CN110794113A - 一种模拟边坡失稳的多物理场耦合试验装置及试验方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种模拟边坡失稳的多物理场耦合试验装置，包括：箱体、超载模拟***、渗流模拟***、降雨模拟***、边坡倾斜模拟***和测试***；所述箱体顶部具有滑道，侧部具有箱体侧板；所述超载模拟***包括：滑块和随动加载装置，所述随动加载装置通过加载装置铰链连接到所述滑块上，所述滑块与所述滑道配合并可在滑道上自由滑动，所述随动加载装置还包括加载板。通过该试验装置，可以探讨降雨入渗效应‑土体非饱和效应‑地下水稳定渗流效应‑超载附加应力效应‑倾斜应力场变化效应的多物理场多物理效应条件下边坡的变形失稳机理。

Description

一种模拟边坡失稳的多物理场耦合试验装置及试验方法

技术领域：

本发明涉及岩土工程技术领域，尤其涉及边坡稳定性分析及防治技术的研究。

背景技术

众所周知，边坡稳定性对于铁路、公路、大坝等工程的安全至关重要，一旦边坡发生事故，则将可能带来巨大的经济损失。如何准确评价边坡稳定性是许多科研工作者需要解决的重大问题之一。而边坡稳定性是一个非常复杂的问题，受地质因素、环境条件、外力等多种因素影响。目前主要采用理论分析、数值模拟、模型试验和现场测试的方法对其进行研究。在上述方法中，模型试验是研究该问题的重要而有效的方法之一。而目前的模型试验方法，考虑因素较单一，与实际条件差异较大。鉴于目前情况，需要找到一种综合考虑多因素影响的模型试验方法及相应的试验装置，以便于较为准确地模拟边坡失稳现象和深刻地理解失稳机理。

发明内容

本发明针对现有技术存在的不足及未涉及之处，提出了一种模拟边坡失稳的多物理场耦合试验装置和试验方法，可以同时考虑降雨、地下水渗流、坡顶超载、边坡倾斜引起的应力场变化的耦合效应。具体技术方案如下：

一种模拟边坡失稳的多物理场耦合试验装置，包括：箱体、超载模拟***、渗流模拟***、降雨模拟***、边坡倾斜模拟***和测试***；所述箱体顶部具有滑道，侧部具有箱体侧板；所述超载模拟***包括：滑块和随动加载装置，所述随动加载装置通过加载装置铰链连接到所述滑块上，所述滑块与所述滑道配合并可在滑道上自由滑动，所述随动加载装置还包括加载板；所述渗流模拟***包括渗流模拟前置水箱和渗流模拟后置水箱，并分别通过前置水箱渗流开关和后置水箱渗流开关进行水箱水位控制；所述降雨模拟***包括降雨喷头和与所述降雨喷头连接的电磁流量计；所述边坡倾斜模拟***包括：倾斜铰链和顶升装置，所述倾斜铰链和顶升装置分别位于所述箱体两侧；所述测试***包括测试仪器，所述测试仪器通过引线连接置于箱体内的传感器，所述箱体侧板上具有测试仪器引线孔。

进一步地，所述加载装置包括两个或两个以上千斤顶。

进一步地，所述加载装置上装有压力仪，并连接PLC，通过PLC控制所述加载装置始终保持恒定压力，并根据试验要求，进行不同压力的调整，实现不同大小超载模拟。

进一步地，所述滑块通过固定松脱装置，可在所述滑道上固定或者松脱。

进一步地，所述前置水箱渗流开关和后置水箱渗流开关，均为多个上下位置排列的溢流口开关，前置和后置水箱水位高度通过调节不同位置的溢流口开关，可实现不同水位的模拟。

进一步地，所述水箱长度约为箱体长度的10％。

进一步地，所述降雨喷头为两个或两个以上，每个降雨喷头均连接一个所述电磁流量计。

进一步地，所述测试仪器引线孔上锥形密封件，所述锥形密封件的顶部朝向所述箱体内侧。

进一步地，在所述箱体侧板上的横向和竖向具有多排所述测试仪器引线孔。

还提供一种模拟边坡失稳的多物理场耦合试验方法，采用上述的试验装置，包括如下步骤：

一、在所述箱体内放入模拟边坡体，并在所述模拟边坡体内预置传感器；

二、调节试验装置的渗流模拟前置水箱和渗流模拟后置水箱的水位高度，模拟不同水头大小下的稳定渗流场特性；和/或，调节降雨喷头的流量，模拟各种降雨强度下边坡的变形失稳特征；和/或，通过顶升装置从而调节试验装置底板倾斜角度，改变下滑力与抗滑力的相对大小，实现在自重应力条件下边坡的失稳模拟；和/或，通过超载模拟***在边坡顶部施加不同大小的超载，模拟不同应力条件；

三、测试仪器通过传感器测试并记录数据。

本发明的技术效果：可以同时考虑降雨、地下水渗流、坡顶超载、边坡倾斜引起的应力场变化的耦合效应，通过调节装置前后水箱的水位高度，可以模拟不同水头大小下的稳定渗流场特性；通过调节喷雨喷头的流量，可模拟各种降雨强度下边坡的变形失稳特征；通过调节装置底板倾斜角度，可改变下滑力与抗滑力的相对大小，从而可容易实现在自重应力条件下边坡的失稳模拟；通过在边坡顶部施加不同大小的超载，可模拟不同应力条件，这样便可以探讨降雨入渗效应-土体非饱和效应-地下水稳定渗流效应-超载附加应力效应-倾斜应力场变化效应的多物理场多物理效应条件下边坡的变形失稳机理。

附图说明

图1为本发明的模拟边坡失稳的多物理场耦合试验装置结构示意图；

图2为模拟边坡失稳的多物理场耦合试验装置结构俯视图；

图3为箱体侧板的部分侧视图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明的技术方案，并使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合实施例附图对本发明作进一步详细的说明。本领域技术人员可以明确的是，在缺少部分或全部这些具体细节的情况下也可以实现本发明。在其他情况下，为了不会使本发明存在不必要的不清楚之处，没有具体描述公知的处理步骤和/或结构。另外，尽管结合特定的实施例对本发明进行描述，但是应该理解的是，该描述并不旨在将发明限制于所描述的实施例。相反，该描述旨在覆盖可包括在由所附权利要求书限定的本发明的精神和范围内的替换、改进和等同方案。

一种模拟边坡失稳的多物理场耦合试验装置，包括：箱体1、超载模拟***2、渗流模拟***3、降雨模拟***4、边坡倾斜模拟***5和测试***6；所述箱体1顶部具有滑道1.1，侧部具有箱体侧板1.2；所述超载模拟***2包括：滑块2.1和随动加载装置2.3，所述随动加载装置2.3通过加载装置铰链2.2连接到所述滑块2.1上，所述滑块2.1与所述滑道1.1配合并可在滑道1.1上自由滑动，所述随动加载装置2.3还包括加载板2.4；所述渗流模拟***3包括渗流模拟前置水箱3.1和渗流模拟后置水箱3.2，并分别通过前置水箱渗流开关3.3和后置水箱渗流开关3.4进行水箱水位控制；所述降雨模拟***4包括降雨喷头4.1和与所述降雨喷头连接的电磁流量计4.2；所述边坡倾斜模拟***5包括：倾斜铰链5.1和顶升装置5.2，所述倾斜铰链5.1和顶升装置5.2分别位于所述箱体1两侧；所述测试***6包括测试仪器，所述测试仪器通过引线连接置于箱体内的传感器，所述箱体侧板1.2上具有测试仪器引线孔6.1。

通过超载模拟***2、渗流模拟***3、降雨模拟***4、边坡倾斜模拟***5，既可以单独模拟某种工况的情况，还可以共同模拟研究多物理场多物理效应条件下相互耦合的边坡的变形失稳机理。

进一步地，所述加载装置2.1包括两个或两个以上千斤顶。

进一步地，所述加载装置2.1上装有压力仪，并连接PLC，通过PLC控制所述加载装置始终保持恒定压力，并根据试验要求，进行不同压力的调整，实现不同大小超载模拟。

进一步地，所述滑块2.1通过固定松脱装置，可在所述滑道1.1上固定或者松脱。

设置滑块2.1，可以避免由于边坡沉降、滑移等导致加载板2.4相对于模拟边坡体滑动，进一步通过加载装置铰链2.2也可以适应加载板2.4转动而导致加载装置对滑轨2.1产生弯曲应力，从而尽可能保证模拟条件的真实性；而通过PLC控制所述加载装置始终保持恒定压力，可充分保证由于边坡沉降而导致的超载应力的恒定；进一步通过固定松脱装置，可灵活根据试验要求来对滑块进行固定或松脱。

进一步地，所述前置水箱渗流开关3.3和后置水箱渗流开关3.4，均为多个上下位置排列的溢流口开关，前置和后置水箱水位高度通过调节不同位置的溢流口开关，可实现不同水位的模拟。

进一步地，所述水箱长度约为箱体长度的10％。所述长度在图1中示为左右方向。通过前后水箱和溢流口开关，进一步结合水箱一定的宽度，可以真实模拟不同水位的不同水头大小，比采用管状结构等更能贴近真实条件。本实施例中，优选水箱长度为200mm，箱体长度2000mm，箱体和水箱的宽度均为800mm，箱体和水箱的高度均为1200mm。

进一步地，所述降雨喷头4.1为两个或两个以上，每个降雨喷头4.1均连接一个所述电磁流量计4.2。

通过电磁流量计，可对降雨条件的模拟更加精确，并能模拟变化的降雨条件。

进一步地，所述测试仪器引线孔6.1上锥形密封件6.2，所述锥形密封件6.2的顶部朝向所述箱体1内侧。

进一步地，在所述箱体侧板1.2上的横向和竖向具有多排所述测试仪器引线孔6.1。

通过设置置于箱体内的传感器，以及箱体侧板1.2上具有测试仪器引线孔6.1，可以保证测试数据的有效性，避免事后进行测量对模拟边坡体带来的破坏，同时可以实时的反映边坡在不同模拟条件下的变化。

还提供一种模拟边坡失稳的多物理场耦合试验方法，采用上述的试验装置，包括如下步骤：

一、在所述箱体1内放入模拟边坡体，并在所述模拟边坡体内预置传感器；

二、调节试验装置的渗流模拟前置水箱3.1和渗流模拟后置水箱3.2的水位高度，模拟不同水头大小下的稳定渗流场特性；和/或，调节降雨喷头4.1的流量，模拟各种降雨强度下边坡的变形失稳特征；和/或，通过顶升装置5.2从而调节试验装置底板倾斜角度，改变下滑力与抗滑力的相对大小，实现在自重应力条件下边坡的失稳模拟；和/或，通过超载模拟***2在边坡顶部施加不同大小的超载，模拟不同应力条件；

三、测试仪器通过传感器测试并记录数据。

基于上述的试验装置，边坡模拟更加贴近实际情况，并能方便的改变不同的物理场物理效应条件，以探讨降雨入渗效应-土体非饱和效应-地下水稳定渗流效应-超载附加应力效应-倾斜应力场变化效应的多物理场多物理效应条件下边坡的变形失稳机理。

上面对本发明进行了示例性描述，显然本发明具体实现并不受上述方式的限制，只要采用了本发明的方法构思和技术方案进行的各种改进，或未经改进直接应用于其它场合的，均在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种模拟边坡失稳的多物理场耦合试验装置，其特征在于，包括：箱体(1)、超载模拟***(2)、渗流模拟***(3)、降雨模拟***(4)、边坡倾斜模拟***(5)和测试***(6)；所述箱体(1)顶部具有滑道(1.1)，侧部具有箱体侧板(1.2)；所述超载模拟***(2)包括：滑块(2.1)和随动加载装置(2.3)，所述随动加载装置(2.3)通过加载装置铰链(2.2)连接到所述滑块(2.1)上，所述滑块(2.1)与所述滑道(1.1)配合并可在滑道(1.1)上自由滑动，所述随动加载装置(2.3)还包括加载板(2.4)；所述渗流模拟***(3)包括渗流模拟前置水箱(3.1)和渗流模拟后置水箱(3.2)，并分别通过前置水箱渗流开关(3.3)和后置水箱渗流开关(3.4)进行水箱水位控制；所述降雨模拟***(4)包括降雨喷头(4.1)和与所述降雨喷头连接的电磁流量计(4.2)；所述边坡倾斜模拟***(5)包括：倾斜铰链(5.1)和顶升装置(5.2)，所述倾斜铰链(5.1)和顶升装置(5.2)分别位于所述箱体(1)两侧；所述测试***(6)包括测试仪器，所述测试仪器通过引线连接置于箱体内的传感器，所述箱体侧板(1.2)上具有测试仪器引线孔(6.1)。

2.如权利要求1所述的模拟边坡失稳的多物理场耦合试验装置，其特征在于，所述加载装置(2.1)包括两个或两个以上千斤顶。

3.如权利要求2所述的模拟边坡失稳的多物理场耦合试验装置，其特征在于，所述加载装置(2.1)上装有压力仪，并连接PLC，通过PLC控制所述加载装置始终保持恒定压力，并根据试验要求，进行不同压力的调整，实现不同大小超载模拟。

4.如权利要求1所述的模拟边坡失稳的多物理场耦合试验装置，其特征在于，所述滑块(2.1)通过固定松脱装置，可在所述滑道(1.1)上固定或者松脱。

5.如权利要求1所述的模拟边坡失稳的多物理场耦合试验装置，其特征在于，所述前置水箱渗流开关(3.3)和后置水箱渗流开关(3.4)，均为多个上下位置排列的溢流口开关，前置和后置水箱水位高度通过调节不同位置的溢流口开关，可实现不同水位的模拟。

6.如权利要求5所述的模拟边坡失稳的多物理场耦合试验装置，其特征在于，所述水箱长度度约为箱体长度的10％。

7.如权利要求1所述的模拟边坡失稳的多物理场耦合试验装置，其特征在于，所述降雨喷头(4.1)为两个或两个以上，每个降雨喷头(4.1)均连接一个所述电磁流量计(4.2)。

8.如权利要求1所述的模拟边坡失稳的多物理场耦合试验装置，其特征在于，所述测试仪器引线孔(6.1)上锥形密封件(6.2)，所述锥形密封件(6.2)的顶部朝向所述箱体1内侧。

9.如权利要求1所述的模拟边坡失稳的多物理场耦合试验装置，其特征在于，在所述箱体侧板(1.2)上的横向和竖向具有多排所述测试仪器引线孔(6.1)。

10.一种模拟边坡失稳的多物理场耦合试验方法，其特征在于，采用如权利要求1-9任一所述的试验装置，包括如下步骤：

一、在所述箱体1内放入模拟边坡体，并在所述模拟边坡体内预置传感器；

二、调节试验装置的渗流模拟前置水箱(3.1)和渗流模拟后置水箱(3.2)的水位高度，模拟不同水头大小下的稳定渗流场特性；和/或，调节降雨喷头(4.1)的流量，模拟各种降雨强度下边坡的变形失稳特征；和/或，通过顶升装置(5.2)从而调节试验装置底板倾斜角度，改变下滑力与抗滑力的相对大小，实现在自重应力条件下边坡的失稳模拟；和/或，通过超载模拟***(2)在边坡顶部施加不同大小的超载，模拟不同应力条件；

三、测试仪器通过传感器测试并记录数据。

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