CN203798805U - 一种膨胀土边坡吸湿变形模型试验装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种膨胀土边坡吸湿变形模型试验装置，包括模型箱，监测元器件（水分传感器，静土压力盒，位移传感器，沉降板）和模拟降雨器。模型箱为为底面呈斜面的楔形箱体。监测元器件布设于模型箱内填筑土体内部与表面，水分传感器监测深度40～60cm，静土压力盒埋深约为0.2～0.6m，沉降板埋深约为0.2～0.4m，位移传感器布设于填筑土体表层与沉降板顶端。模拟降雨器放置于模型箱上部坡肩断面处，具有低通量、可持续、范围可控的供水特点。本***适用于各类膨胀土边坡吸湿条件下，表面与内部不同部位的变形特征与演化规律的模型试验，对膨胀土边坡工程稳定性与灾变机理的研究具有一定的意义。

Description

一种膨胀土边坡吸湿变形模型试验装置

技术领域

    本实用新型涉及岩土工程测试领域，具体涉及一种膨胀土边坡吸湿变形模型试验装置，用来测试不同类型膨胀土边坡在吸湿条件下，边坡表面与内部不同部位的变形特征与演化规律。

背景技术

在实际工程中，膨胀土边坡失稳滑坡多表现为季节性，大气环境因素是其主要控制条件之一，由于气候变化而引发的边坡失稳、路堤滑塌、渠道滑坡广泛存在。

一般来说，持续降雨或反复降雨均是诱发滑坡的主要原因。在降雨条件下，膨胀土边坡随着水分的入渗，富含亲水性矿物蒙脱石、伊利石的膨胀土大量吸水，一方面发生较大的膨胀变形，另一方面，膨胀土的抗剪强度随着饱和度的增长持续降低，最终累积过大的变形而发生滑坡。因此，开展膨胀土边坡吸湿变形的特征与发展规律方面的研究，对于滑坡的预报、防范与处治，都有着一定的指导意义。

为了更好的将膨胀土膨胀变形机理与试验结果应用于实际工程，往往需要依托实际工程，以渠道或边坡典型断面作为参考，按比例建立膨胀土边坡模型，开展膨胀土边坡吸湿膨胀变形室内物理模型试验。通过现场描述、监测数据与试验结果，研究模拟降雨条件或其它供水条件下，膨胀土吸水膨胀变形的变化特征与发展规律，探讨边坡破坏模式与失稳机理，为工程设计、建设提供一定的理论依据。

现有的膨胀土边坡变形试验模型，往往是在黏性土边坡试验模型的基础上加以改造，在边坡达到极限状态时，滑动面常按照圆弧形进行考虑，难以反映出膨胀土渗透性低，边坡变形浅层性，变形量大，以及变形破坏受裂隙控制作用明显等诸多特点。

因此，为解决以上缺陷问题，急需对现有的试验装置进行改造，提出一种适用于膨胀土边坡吸湿变形的模型试验装置，确保试验成果真实可靠。

发明内容

本实用新型目的在提供一种膨胀土边坡吸湿变形模型试验装置，本试验装置可进行不同类型的膨胀土，不同供水条件下，不同边坡特征下的膨胀土边坡吸湿变形试验，目的在于研究不同类型膨胀土边坡在吸湿条件下，边坡表面与内部不同部位的变形特征与演化规律，其测试精度高，操作简便，用料节约，适用范围广。

本实用新型实现其目的，所采用的技术方案是：

一种膨胀土边坡吸湿变形模型试验装置，其组成包括：模型箱，监测元器件，模拟降雨器。监测元器件装在模型箱中的土体内部与表面，模拟降雨器放置在模型箱上部坡肩断面处。

所述的模型箱由竖支梁、横支梁、斜支梁、肋式横梁、次横梁构成整体框架，加上斜面底板、底面板、侧面板、正面板构成箱体。模型箱为底面呈斜面的楔形箱体，外部尺寸约为5.5m×2.0m×1.5m，内部坡面处为斜面设计，斜面底板坡比与实际边坡坡比一致，约为1:1.5~1:3。其连接关系是：模型箱两侧面各有四根横支梁焊接于竖支梁上，次横梁焊接于横支梁末端的两根竖支梁底部之间，正面板焊接于八根横支梁顶端，斜支梁对称焊接于横支梁内侧，斜支梁一端位于底部横支梁距顶端约1250~1350mm处，另一端位于顶部横支梁末端，二根斜支梁之间等距离焊接约十根肋式横梁，斜面底板焊接于斜支梁与肋式横梁上，斜支梁对斜面底板起到定位作用，肋式横梁对斜面底板起到支撑作用。底面板焊接于底部横支梁上，并与斜面底板、正面板焊接，侧面板焊接于斜支梁与横支梁上，并与斜面底板、底面板、正面板焊接。

所述的监测元器件包括：水分传感器，静土压力盒，位移传感器，沉降板。其中，水分传感器用于监测边坡不同部位含水率的变化规律，可选择PR2/4型或PR2/6型土壤剖面水分检测仪等，内置4~6组测试传感器。静土压力盒用于监测边坡内部不同部位水平方向与竖直方向的应力特征，采用量程50~200kPa、直径约15~30mm的小型土压力盒。位移传感器用于监测边坡表面与内部不同深度处水平方向、竖直方向的胀缩变形，采用弹簧回弹式位移计，仪器量程约50~60mm，精度大于5/1000。沉降板用于测定边坡深部土***移，采用直径约为7~9cm，高度约为60~70cm的小型沉降板。

所述的监测元器件装在模型箱中的土体内部与表面。选取坡底中心、坡脚、1/6坡高、1/3坡高、1/2坡高、2/3坡高、坡肩作为边坡七处典型断面。其中，坡脚、1/2坡高、坡肩为重点观测断面，1/3坡高、2/3坡高为对比监测断面，坡底中心、1/6坡高为辅助观测断面。其连接关系是：水分传感器直接埋入填筑土体中（坡脚、1/3坡高、1/2坡高、2/3坡高、坡肩），监测深度0.4~0.6m；静土压力盒于填筑土体中（坡脚、1/2坡高）约0.2~0.6m深度处进行3~4层埋设，各部位水平方向与竖直方向分别埋设；位移传感器于填筑土体（坡底中心、坡脚、1/6坡高、1/3坡高、1/2坡高、2/3坡高、坡肩）表层布设，各处水平与竖直方向分别布设，并竖直架设在沉降板顶端，与沉降板结合观测。各种监测元器件布设数量按各试验特点与要求进行设计。

所述的模拟降雨器具有低通量供水、可持续供水、供水范围可控的特点，以滴淋方式沿模拟降雨器轴向进行一维供水，水滴直径小于1mm，水滴轴向分布密度小于6滴/10cm，出水速率小于6滴/（秒·处）。

本发明与现有技术相比，具有以下优点和效果： 

1）边坡填筑膨胀土厚度低（0.6~0.8m），很好的结合了膨胀土渗透性低，入渗深度有限的特点，一方面可以模拟膨胀土实际入渗特点，达到试验效果，另一方面可以大大节省填筑用料，节约填筑时间，提高工效。

2）利用模拟降雨器进行低通量、低流量降雨控制，避免了坡体上产生较大径流，保证水分最大程度上的入渗，减小试验误差。

3）全面合理的根据关键物理量选取监测元器件，充分考虑了监测元器件的尺寸效应，选取小尺寸元器件多层埋设，避免相互之间的干扰，全面、真实的体现试验结果。

4）合理选取监测断面，考虑监测的时空变化特征，以突出重点、有效对比并辅助分析的方式对物理量进行监测，有效的反映出膨胀土边坡吸湿条件下的渗流、应力、变形特征。

申请者利用本膨胀土边坡吸湿变形模型试验装置开展了试验，发现边坡土体渗流场特征与应力、变形特征均与工程实际保持了较高的吻合度，较好的反映出膨胀土边坡浅层变形状态的特点与演化规律，满足了膨胀土边坡吸湿变形模型试验的需求，对于推动膨胀土边坡工程特性与稳定性研究具有积极意义。

附图说明

图1为一种模型箱结构主视图；

图2为一种模型箱结构左视图；

图3为一种模型箱立体结构示意图；

图4为一种模型箱内监测元器件与模拟降雨器结构示意图；

图5为一种模型箱内监测元器件与模拟降雨器结构俯视图；

图中：

1—模型箱，

11—竖支梁，12—横支梁，13—斜支梁，14—肋式横梁，15—斜面底板，

16—底面板，17—侧面板，18—正面板，19—次横梁；

2—监测元器件，

21—水分传感器（如PR2/4型、PR2/6型等），22—静土压力盒（符合量程50~200kPa、直径15~30mm的各种静土压力盒），23—位移传感器（符合量程50~60mm，精度大于5/1000的各种弹簧回弹式位移计），24—沉降板；

    3—模拟降雨器（如专利ZL 2013 2 0447780.5）。

具体实施方式

实施例1：

一种膨胀土边坡吸湿变形模型试验装置，其组成包括：模型箱1，监测元器件2，模拟降雨器3。监测元器件2装在模型箱1中的土体内部与表面，模拟降雨器3放置在模型箱1上部坡肩断面处。

所述的模型箱1由竖支梁11、横支梁12、斜支梁13、肋式横梁14、次横梁19构成整体框架，加上斜面底板15、底面板16、侧面板17、正面板18构成箱体。模型箱1为底面呈斜面的楔形箱体，外部尺寸约为5.5m×2.0m×1.5m，内部坡面处为斜面设计，斜面底板15坡比与实际边坡坡比一致，约为1:1.5~1:3。其连接关系是：模型箱1两侧面各有四根横支梁12焊接于竖支梁11上，次横梁19焊接于横支梁12末端的两根竖支梁11底部之间，正面板18焊接于八根横支梁12顶端，斜支梁13对称焊接于横支梁12内侧，斜支梁13一端位于底部横支梁12距顶端约1250~1350mm处，另一端位于顶部横支梁12末端，两根斜支梁13之间等距离焊接约十根肋式横梁14，斜面底板15焊接于斜支梁13与肋式横梁14上，斜支梁13对斜面底板15起到定位作用，肋式横梁14对斜面底板15起到支撑作用。底面板16焊接于底部横支梁12上，并与斜面底板15、正面板18焊接，侧面板17焊接于斜支梁13与横支梁12上，并与斜面底板15、底面板16、正面板18焊接。

所述的监测元器件2包括：水分传感器21，静土压力盒22，位移传感器23，沉降板24。其中，水分传感器21用于监测边坡不同部位含水率的变化规律，可选择PR2/4型或PR2/6型土壤剖面水分检测仪等，内置4~6组测试传感器。静土压力盒22用于监测边坡内部不同部位水平方向与竖直方向的应力特征，采用量程50~200kPa、直径约15~30mm的小型土压力盒。位移传感器23用于监测边坡表面与内部不同深度处水平方向、竖直方向的胀缩变形，采用弹簧回弹式位移计，仪器量程50mm左右，精度大于5/1000。沉降板24用于测定边坡深部土***移，采用直径约为7~9cm，高度约为60~70cm的小型沉降板。

所述的监测元器件2装在模型箱1中土体内部与表面。选取坡底中心、坡脚、1/6坡高、1/3坡高、1/2坡高、2/3坡高、坡肩作为边坡七处典型断面，分别以A’、A、B’、B、C、D、E表示。其中，A、C、E为边坡重点监测断面，监测内容包括表面及深部土***移，土体应力、含水率变化情况。B、D为对比监测断面，主要监测土体含水率变化情况与土体表面位移。A’、 B’为辅助监测断面，主要监测边坡位移发生较大部位的表面位移。

监测元器件2的连接关系是：水分传感器21直接埋入填筑土体中（坡脚、1/3坡高、1/2坡高、2/3坡高、坡肩），监测深度40~60cm；静土压力盒22于填筑土体中（坡脚、1/2坡高）约0.2~0.6m深度处进行3~4层埋设，各部位水平方向与竖直方向分别埋设；沉降板24在填筑土体中（坡脚、1/2坡高、坡肩）约0.2~0.4m深度处进行2~3层埋设；位移传感器23于填筑土体（坡底中心、坡脚、1/6坡高、1/3坡高、1/2坡高、2/3坡高、坡肩）表层布设，各处水平与竖直方向分别布设，并竖直架设在沉降板24顶端，与沉降板24结合观测。各种监测元器件2布设数量根据表1中建议值，结合各试验特点与要求进行设计。

表1 各断面监测元器件建议数量

所述的模拟降雨器3具有低通量供水、可持续供水、供水范围可控的特点，以滴淋方式沿模拟降雨器轴向进行一维供水，水滴直径小于1mm，水滴轴向分布密度小于6滴/10cm，出水速率小于6滴/（秒·处）。

Claims (3)

1.一种膨胀土边坡吸湿变形模型试验装置，它包括：模型箱（1），监测元器件（2），模拟降雨器（3），其特征在于：监测元器件（2）装在模型箱（1）中的土体内部与表面，模拟降雨器（3）放置在模型箱（1）上部坡肩断面处，所述的模型箱（1）由竖支梁（11）、横支梁（12）、斜支梁（13）、肋式横梁（14）、次横梁（19）构成整体框架，加上斜面底板（15）、底面板（16）、侧面板（17）、正面板（18）构成箱体，模型箱（1）两侧面各有四根横支梁（12）焊接于竖支梁（11）上，次横梁（19）焊接于横支梁（12）末端的两根竖支梁（11）底部之间，正面板（18）焊接于八根横支梁（12）顶端，斜支梁（13）对称焊接于横支梁（12）内侧，斜支梁（13）一端位于底部横支梁（12）距顶端1250~1350mm处，另一端位于顶部横支梁（12）末端，两根斜支梁（13）之间等距离焊接十根肋式横梁（14），斜面底板（15）焊接于斜支梁（13）与肋式横梁（14）上，底面板（16）焊接于底部横支梁（12）上，并与斜面底板（15）、正面板（18）焊接，侧面板（17）焊接于斜支梁（13）与横支梁（12）上，并与斜面底板（15）、底面板（16）、正面板（18）焊接。

2.根据权利要求1所述的一种膨胀土边坡吸湿变形模型试验装置，其特征在于：所述的监测元器件（2）包括：水分传感器（21），静土压力盒（22），位移传感器（23），沉降板（24），水分传感器（21）埋入填筑土体中坡脚、1/3坡高、1/2坡高、2/3坡高、坡肩处，监测深度40~60cm；静土压力盒（22）在填筑土体中坡脚、1/2坡高0.2~0.6m深度处，进行3~4层埋设，各部位水平与竖直方向分别埋设；沉降板（24）在填筑土体中坡脚、1/2坡高、坡肩0.2~0.4m深度处，进行2~3层埋设；位移传感器（23）在填筑土体坡底中心、坡脚、1/6坡高、1/3坡高、1/2坡高、2/3坡高、坡肩表层布设，各处水平与竖直方向分别布设，并竖直架设在沉降板（24）顶端。

3.根据权利要求1所述的一种膨胀土边坡吸湿变形模型试验装置，其特征在于：所述的模型箱（1）为底面呈斜面的楔形箱体，外部尺寸为5.5m×2.0m×1.5m，内部坡面处为斜面设计，斜面底板（15）坡比按实际边坡坡比为1:1.5~1:3。