CN113899673B - 一种顶部加载和降雨入渗耦合测试下边坡模型实验装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种顶部加载和降雨入渗耦合测试下边坡模型实验装置，包括模型箱，模型箱顶部敞口，模型箱的顶部设置有反力盖板，模型箱内部包括边坡模型，边坡模型顶部放置有传力渗透耦合器，传力渗透耦合器内部空间横穿有降雨入渗模拟***，传力渗透耦合器与反力盖板之间安装有边坡顶部加载***。可同时实现在边坡顶部施加荷载和模拟降雨入渗功能，进而实现边坡应力场与渗流场的耦合。
Description
技术领域
本发明属于边坡工程模型测试技术领域，涉及一种顶部加载和降雨入渗耦合测试下边坡模型实验装置。
背景技术
我国是世界上滑坡灾害最严重的国家之一，黄土高原是滑坡事故频发的重灾区。近年来，伴随着人类经济开发与工程活动的加强，黄土边坡失稳引发滑坡等地质灾害发生的频率越来越高，严重威胁到人民群众的生命和财产安全。西北黄土高原地质灾害详细调查表明，黄土滑坡的诱发因素有自然因素和人为因素两类。自然因素有地震、河流及沟谷侵蚀、降雨及冻融等；人为因素有边坡坡顶堆载与坡脚开挖、农业及水利灌溉、建设修筑水库等，其中，降雨是诱发滑坡发生的主要因素之一。据统计，在我国已发生的滑坡灾害中90％都是由降雨直接诱发或与降雨相关，通常情况下，山体滑坡等自然灾害具有突发性、无预兆性的特点，因此，针对降雨条件下边坡稳定性的研究一直以来是灾害研究领域的重点课题，深入研究降雨条件下边坡稳定性，对于滑坡灾害的预测预警以及灾害防治具有重要的理论意义和工程意义。
针对降雨条件下边坡稳定性方面的试验研究，通常包括室外现场边坡试验和室内边坡模型试验等研究方法。室外现场边坡试验通常情况下，试验成本较大，工程量较大，耗时较长，并且极易受到天气条件、场地以及人为因素等影响；与之相反，室内边坡模型试验具有成本较低、方便快捷和易操作性等优点，受到广大科研工作者的青睐，同时，室内边坡模型试验也是揭示滑坡演化规律及破坏机理的重要方法，可监测降雨入渗条件下边坡水分迁移形态、入渗深度、边坡位移变化及变形破坏过程，为边坡稳定性的研究提供了重要的理论依据。
目前，国内外研究室内降雨边坡模型试验所使用的装置功能比较单一，大多数装置无法实现多种因素对边坡稳定性的影响。因为在以往室内模型实验中，边坡顶部加载时加载部件导致空间受限而无法同时安置坡顶降雨管路，或者，边坡坡顶降雨时为保证坡顶雨水入渗空间自由而使得坡顶加载部件无法安置，这些模型试验均不能同时实现边坡坡顶加载与降雨入渗的功能，也就无法实现边坡应力场与渗流场的耦合测试。
发明内容
本发明的目的是提供一种顶部加载和降雨入渗耦合测试下边坡模型实验装置，可同时实现在边坡顶部施加荷载和模拟降雨入渗功能，进而实现边坡应力场与渗流场的耦合。
本发明所采用的技术方案是，一种顶部加载和降雨入渗耦合测试下边坡模型实验装置，包括模型箱，模型箱顶部敞口，模型箱的顶部设置有反力盖板，模型箱内部包括边坡模型，边坡模型顶部放置有传力渗透耦合器，传力渗透耦合器内部空间横穿有降雨入渗模拟***，传力渗透耦合器与反力盖板之间安装有边坡顶部加载***。
本发明的特点还在于：
模型箱包括底板，底板上焊接四块侧板，反力盖板通过螺栓连接固定于侧板的顶部，底板、四块侧板牢固焊接连成一个整体，底板、四块侧板与反力盖板均为金属材质。
边坡顶部加载***包括气囊，气囊平铺于反力盖板与传力渗透耦合器之间，模型箱的任一侧板上开有预留孔，气囊通过气管从模型箱的侧板预留孔洞穿出后连接有气泵，气管上配设有气压表。
传力渗透耦合器是由若干个加载传力框通过企口缝拼接组成的矩形筒，矩形筒两侧敞口，矩形筒底部拼接形成多个条形间隙，加载传力框均可沿着企口缝竖向移动。
降雨入渗模拟***包括水管，水管一端固定在模型箱的任一个侧板上，水管另一端穿过模型箱另一侧板连接有水泵，水泵位于水箱中，水管沿模型箱长度方向上均匀设置若干雾化喷头，水管上配设有水压表。
本发明的有益效果是：本发明涉及的边坡模型实验装置不仅可以分别实现边坡顶部加载功能与边坡降雨入渗功能，还可以实现边坡顶部加载和降雨入渗耦合的功能，不仅有效解决了以往室内模型实验中边坡顶部加载时导致空间受限而无法同时安置坡顶降雨管路的困难，而且有效解决了边坡坡顶降雨时为保证坡顶雨水入渗空间而使得坡顶加载部件无法安置的难题。
附图说明
图1是本发明一种顶部加载和降雨入渗耦合测试下边坡模型实验装置的主视图；
图2是本发明一种顶部加载和降雨入渗耦合测试下边坡模型实验装置的侧视图；
图3是本发明一种顶部加载和降雨入渗耦合测试下边坡模型实验装置的俯视图；
图4是本发明一种顶部加载和降雨入渗耦合测试下边坡模型实验装置中传力渗透耦合器三维示意图；
图5是本发明一种顶部加载和降雨入渗耦合测试下边坡模型实验装置中加载传力框三维示意图；
图6是本发明一种顶部加载和降雨入渗耦合测试下边坡模型实验装置中力渗透耦合器拼接组合示意图。
图中，1.模型箱，2.边坡模型，3.侧板，4.反力盖板，5.底板，6.传力渗透耦合器，7.气囊，8.气管，9.气压表，10.气泵，11.水管，12.雾化喷头，13.水压表，14.水泵，15.水箱，16.螺栓，17.加载传力框。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
本发明一种顶部加载和降雨入渗耦合测试下边坡模型实验装置，如图1、图2、图3所示，包括模型箱1，模型箱1顶部敞口，模型箱1的顶部设置有反力盖板4，模型箱1内部包括边坡模型2，边坡模型2顶部放置有传力渗透耦合器6，传力渗透耦合器6内部空间横穿有降雨入渗模拟***，传力渗透耦合器6与反力盖板4之间安装有边坡顶部加载***。
模型箱1包括底板5，底板5上焊接四块侧板3，反力盖板4通过螺栓16连接固定于侧板3的顶部，底板5、四块侧板3牢固焊接连成一个整体，底板5、四块侧板3与反力盖板4均为金属材质。模型箱1中边坡模型2内部可以埋置多种传感器，如水分传感器、吸力传感器及土压力盒等，用以测量试验过程中含水率、吸力以及土压力的大小，为试验分析提供数据支撑。
如图4、图5、图6所示，传力渗透耦合器6是由若干个加载传力框17通过企口缝拼接组成的矩形筒，矩形筒两侧敞口，矩形筒底部拼接形成多个条形间隙，加载传力框17均可沿着企口缝竖向移动。矩形筒两侧敞口以便于后续布设降雨管路，传力渗透耦合器6不仅可以传递气囊的压力至边坡模型2顶部，而且传力渗透耦合器6底部在加载传力框17拼接时形成多个条形间隙可以实现降雨雨水入渗进入坡顶土体；此外，传力渗透耦合器6中若干个加载传力框17的竖向移动可实现边坡坡顶的沉降及不均匀沉降变形。
边坡顶部加载***包括气囊7，气囊7平铺于反力盖板4与传力渗透耦合器6之间，模型箱1的任一侧板上开有预留孔，气囊7通过气管8从模型箱1的侧板预留孔洞穿出后连接有气泵10，气管8上配设有气压表9。试验过程中，开启气泵10调节输出气压值并结合气压表9控制气囊7内部压力，由于模型箱1顶部反力盖板4的限制，气囊内部的压力通过传力渗透耦合器6传递至边坡模型2顶部，以此满足试验方案设计的压力值。
降雨入渗模拟***包括水管11，水管11一端固定在模型箱1的任一个侧板3上，水管11另一端穿过模型箱1另一侧板3连接有水泵15，水泵15位于水箱14中，水管11沿模型箱长度方向上均匀设置若干雾化喷头12，水管11上配设有水压表13。并保证每个雾化喷头12距离边坡模型2的垂向距离相等，试验过程中，按照试验设计方案中所需的降雨雨量，将足量的水储备于水箱14中，开启水泵15配合使用水压表13控制试验所需的降雨强度与降雨量，雨水通过传力渗透耦合器6底部条形间隙向边坡模型2内部入渗，以此完成试验方案设计的降雨强度。
本发明一种顶部加载和降雨入渗耦合测试下边坡模型实验装置的测试方法为：首先将本发明一种顶部加载和降雨入渗耦合测试下边坡模型实验装置组装好，在模型箱1内制作边坡模型2；待试验装置中边坡顶部加载***和降雨入渗***安装完毕，打开水泵15调节输出水的流量，并结合水压表13控制试验所需的降雨强度与降雨量，开始降雨入渗试验，雨水透过传力渗透耦合器6底部条形间隙向边坡模型2顶部入渗；同步开启气泵10调节气压值，再结合气压表9控制气囊7内部压力，通过传力渗透耦合器6将压力传递至边坡模型2顶部，进行边坡顶部逐级加载模式，这样就实现了边坡顶部加载和降雨耦合的功能；待试验结束后，关闭水泵15与气泵10，取出边坡模型2土样；
具体为：
步骤一，调试边坡顶部加载***，对气囊7气压大小、膨胀程度、承压能力等进行标定；调试降雨入渗模拟***，对降雨均匀度、降雨量及降雨强度等进行率定；
步骤二，配制边坡模型2所需的土样，根据试验所确定土样的干密度来计算分层填筑每层所需土样的质量以及分层填筑土样厚度；
步骤三，组装模型实验装置，根据试验设计的边坡模型2向模型箱1内部进行填土，按照试验所需的干密度采用分层填筑压实，填筑过程中在边坡模型2内部可以埋设多种传感器，如水分传感器、土压力盒及吸力传感器等；
步骤四，制作完成边坡模型2之后，根据试验要求在坡顶拼接加载传力框17组合得到传力渗透耦合器6，将传力渗透耦合器6放置于边坡模型2坡顶部位，再安装降雨入渗模拟***，随后将气囊7置于传力渗透耦合器6顶部，用螺栓16将反力盖板4固定在模型箱顶部，以完成边坡顶部加载***的安装；
步骤五，模型试验装置组装完成后，按照试验设计方案中所需的降雨雨量，将足量的水储备于水箱14中，开启水泵15调节流量大小并结合水压表13控制所需的降雨强度与降雨量，开始边坡降雨入渗试验；
步骤六，按照试验设计方案中设定的压力值，打开气泵10，通过气泵调节输出的气压，再结合气压表9控制气囊7气压值为试验所需的压力值，同时还可以实现逐级加载过程；
步骤七，试验过程中可以通过埋设的传感器监测边坡坡体水分迁移形态、入渗深度以及边坡位移变化与变形破坏情况；
步骤八，边坡模型试验结束时，断开水泵15与气泵10的开关，将边坡顶部加载***、传力渗透耦合器6与降雨入渗模拟***拆除并移出模型箱1，同时取出模型边坡2土样。
本发明一种顶部加载和降雨入渗耦合测试下边坡模型实验装置，传力渗透耦合器是实现顶部加载与降雨入渗耦合测试的核心组成部件，不仅可用于向下传递气囊产生的压力，而且底部的条形间隙可让雨水自由入渗，实现操作较为简便。传力渗透耦合器由若干个加载传力框通过企口缝拼接而成，在坡顶气囊加载与降雨入渗耦合测试下，若干个加载传力框的竖向移动可实现边坡坡顶的不均匀沉降变形。边坡顶部加载***采用了气囊充气加载，通过气泵与气压表控制气囊内部气压，能够实现坡顶荷载逐级施加过程且气囊内部气压值稳定，操作简单可靠。降雨入渗模拟***采用水泵、水压表与雾化喷头相结合，可模拟自然降雨，以实现不同降雨强度下顶部加载边坡模型试验研究。
本发明一种顶部加载和降雨入渗耦合测试下边坡模型实验装置不仅可以分别实现边坡顶部加载功能与边坡降雨入渗功能，还可以实现边坡顶部加载和降雨入渗耦合的功能，不仅有效解决了以往室内模型实验中边坡顶部加载时导致空间受限而无法同时安置坡顶降雨管路的困难，而且有效解决了边坡坡顶降雨时为保证坡顶雨水入渗空间而使得坡顶加载部件无法安置的难题，操作较为简便，功能齐全，可实现边坡顶部加载情况下边坡稳定性研究，还可实现降雨入渗条件下边坡坡体内水分迁移与边坡稳定性研究。
针对以往室内模型实验中边坡顶部加载时加载部件导致坡顶空间受限而无法同时安置坡顶降雨管路的困难、以及边坡坡顶降雨时为保证坡顶雨水入渗空间自由而使得坡顶加载部件无法安置的难题，本发明一种顶部加载和降雨入渗耦合测试下边坡模型实验装置可同时实现边坡顶部加载功能及边坡坡顶降雨入渗功能，进而实验测试中实现了边坡应力场与渗流场的耦合。不仅有效解决了以往室内模型实验中边坡顶部加载时坡顶加载部件导致的坡顶空间受限而无法同时安置坡顶降雨管路的困难，而且有效解决了边坡坡顶降雨时为保证坡顶雨水入渗空间自由而使得坡顶加载部件无法安置的难题。
Claims (3)
1.一种顶部加载和降雨入渗耦合测试下边坡模型实验装置，其特征在于，包括模型箱(1)，所述模型箱(1)顶部敞口，所述模型箱(1)的顶部设置有反力盖板(4)，所述模型箱(1)内部包括边坡模型(2)，所述边坡模型(2)顶部放置有传力渗透耦合器(6)，所述传力渗透耦合器(6)内部空间横穿有降雨入渗模拟***，所述传力渗透耦合器(6)与反力盖板(4)之间安装有边坡顶部加载***；
所述边坡顶部加载***包括气囊(7)，所述气囊(7)平铺于反力盖板(4)与传力渗透耦合器(6)之间，所述模型箱(1)的任一侧板上开有预留孔，所述气囊(7)通过气管(8)从模型箱(1)的侧板预留孔洞穿出后连接有气泵(10)，所述气管(8)上配设有气压表(9)；
所述传力渗透耦合器(6)是由若干个加载传力框(17)通过企口缝拼接组成的矩形筒，矩形筒两侧敞口，矩形筒底部拼接形成多个条形间隙，加载传力框(17)均可沿着企口缝竖向移动。
2.如权利要求1所述的一种顶部加载和降雨入渗耦合测试下边坡模型实验装置，其特征在于，所述模型箱(1)包括底板(5)，所述底板(5)上焊接四块侧板(3)，反力盖板(4)通过螺栓(16)连接固定于侧板(3)的顶部，底板(5)、四块侧板(3)牢固焊接连成一个整体，所述底板(5)、四块侧板(3)与反力盖板(4)均为金属材质。
3.如权利要求1所述的一种顶部加载和降雨入渗耦合测试下边坡模型实验装置，其特征在于，所述降雨入渗模拟***包括水管(11)，所述水管(11)一端固定在模型箱(1)的任一个侧板(3)上，所述水管(11)另一端穿过模型箱(1)另一侧板(3)连接有水泵(15)，所述水泵(15)位于水箱(14)中，所述水管(11)沿模型箱长度方向上均匀设置若干雾化喷头(12)，所述水管(11)上配设有水压表(13)。
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