邊坡制備裝置及方法，尤其是一種在離心機(jī)內(nèi)部模擬海底復(fù)雜邊坡的土體制備裝置及方法。

背景技術(shù)：

隨著我國(guó)深海海域工程開(kāi)發(fā)，海底潛在地質(zhì)災(zāi)害尤其是海底邊坡失穩(wěn)日益成為威脅深海工程結(jié)構(gòu)的重要因素。針對(duì)海底斜坡失穩(wěn)問(wèn)題國(guó)內(nèi)許多學(xué)者與機(jī)構(gòu)已進(jìn)行了大量的研究。在涉及到海底邊坡失穩(wěn)的物理模型實(shí)驗(yàn)研究中，常用的物理模擬方法有1g小比尺模型試驗(yàn)方法、1g大比尺模型試驗(yàn)方法、校準(zhǔn)筒試驗(yàn)、1g振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)方法、地質(zhì)力學(xué)試驗(yàn)方法、離心模型試驗(yàn)等。其中離心模型試驗(yàn)方法能較好的再現(xiàn)土體原型應(yīng)力場(chǎng)與性狀，在所有的物理模型試驗(yàn)方法中，離心模型試驗(yàn)技術(shù)是最有效的技術(shù)手段。海底邊坡的制備是對(duì)真實(shí)海底邊坡的室內(nèi)模擬，是此類模型實(shí)驗(yàn)研究的基礎(chǔ)，對(duì)實(shí)驗(yàn)的結(jié)果有很大的影響。目前，常規(guī)的海底邊坡制備方法為削坡法，既首先采用自重固結(jié)或加載固結(jié)的方式制備一個(gè)均質(zhì)土體，然后利用刮板等工具人工切削出所需坡度的邊坡。這種方法主要存在以下幾點(diǎn)不足：1、只能制備均質(zhì)邊坡，沒(méi)有結(jié)構(gòu)性，也沒(méi)有分層和斷層構(gòu)造；2、坡面強(qiáng)度分布為從坡頂至坡腳依次增大，與真實(shí)海底邊坡強(qiáng)度分布不符(坡面強(qiáng)度一致，均為0)；3、無(wú)法模擬海底真實(shí)邊坡的強(qiáng)度梯度，海底真實(shí)土體的強(qiáng)度梯度為1.2-1.5，但是自重固結(jié)和加載固結(jié)很難達(dá)到該梯度。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對(duì)上述問(wèn)題，本發(fā)明的目的是提供一種可在離心機(jī)內(nèi)部模擬真實(shí)海底復(fù)雜邊坡的土體制備裝置及方法，能夠?qū)崿F(xiàn)制備多種復(fù)雜工況下的海底邊坡，包括：具有結(jié)構(gòu)性、分層構(gòu)造、斷層構(gòu)造的邊坡；由滑坡堆積體形成的邊坡；符合真實(shí)海底邊坡強(qiáng)度分布的邊坡；符合真實(shí)海底邊坡強(qiáng)度梯度的邊坡。上述不同工況可以分別制備，也可以同時(shí)制備。

本發(fā)明的技術(shù)方案：

一種模擬海底復(fù)雜邊坡的土體制備裝置，包括固結(jié)模型箱、實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ拖浜湍Ｐ拖涮b置；

固結(jié)模型箱，用于土體固結(jié)，由固結(jié)箱底板和三塊擋板通過(guò)螺栓拼接而成的方體開(kāi)口結(jié)構(gòu)，方體開(kāi)口結(jié)構(gòu)的兩側(cè)壁留有滑槽，t型板在滑槽上滑動(dòng)，便于t型板將固結(jié)土體切割為土條；

實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ拖?，用于放置由土條組成的邊坡模型及安裝觀測(cè)設(shè)備，由兩個(gè)圓心角為61°，弧長(zhǎng)為750mm，厚度為290mm，進(jìn)深為250mm的環(huán)形模型箱拼接而成；環(huán)形模型箱的內(nèi)部空間由piv板分為上下兩部分，其中，上部空間的厚度為100mm，為攝像機(jī)槽，用于安裝觀測(cè)設(shè)備，以便對(duì)實(shí)驗(yàn)過(guò)程的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)；下部空間的厚度為190mm，為模型槽，用于放置邊坡模型以及提供實(shí)驗(yàn)發(fā)生的空間；

模型箱抬升裝置，用于抬升實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ拖洌{(diào)節(jié)邊坡模型的坡度，由連接板和墊塊組成，墊塊的高度可調(diào)節(jié)，通過(guò)調(diào)節(jié)墊塊的高度，實(shí)現(xiàn)對(duì)邊坡模型多角度調(diào)節(jié)；模型箱抬升裝置通過(guò)連接板與實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ拖涞囊欢讼噙B。

一種采用土體制備裝置在離心機(jī)內(nèi)制備海底復(fù)雜邊坡的方法，步驟如下：

1)在1g條件下，采用加載固結(jié)方式，分別在不同壓力下固結(jié)n個(gè)土樣，形成符合真實(shí)海底邊坡強(qiáng)度梯度的土體；

2)用t型板將土體切割成土條，形成固定邊界，防止后續(xù)操作對(duì)下部土體的擾動(dòng)，然后拆除固結(jié)模型箱的擋板；

3)用托板將土條移出固結(jié)模型箱，按照強(qiáng)度從高到底依次擺放在實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ拖涞哪Ｐ筒蹆?nèi)，構(gòu)成邊坡模型的下層部分；

4)在ng條件下，采用自重固結(jié)的方式制備邊坡模型的上層部分：將實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ拖渲糜陔x心機(jī)內(nèi)部，提高轉(zhuǎn)速至ng，利用鼓式離心機(jī)灌漿裝置將泥漿灌注到實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ拖涞哪Ｐ筒蹆?nèi)，保持轉(zhuǎn)速直至泥漿強(qiáng)度達(dá)到要求，此時(shí)的土體具有符合真實(shí)海底土體強(qiáng)度梯度的分層結(jié)構(gòu)；

5)停止離心機(jī)，將模型箱抬升裝置的連接板固定到實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ拖湟欢?，抬高?shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ拖涞囊欢耍纬伤杵露鹊倪吰?，并通過(guò)改變墊塊的厚度調(diào)節(jié)邊坡坡度，稱此時(shí)的邊坡為初始邊坡；

6)在初始邊坡的基礎(chǔ)上開(kāi)始制備復(fù)雜邊坡，包括具有斷層構(gòu)造的邊坡和由滑坡堆積體形成的邊坡；對(duì)于具有斷層構(gòu)造的邊坡，將塑料薄板在初始邊坡設(shè)計(jì)位置垂直插入邊坡土體，拔出后即形成具有斷層構(gòu)造的邊坡；對(duì)于由滑坡堆積體形成的邊坡，首先利用工具在初始邊坡上切削出一個(gè)較大坡度的斜坡，然后提高g值使其在自重作用下滑坡，滑坡之后固結(jié)一定時(shí)間即形成了由滑坡堆積體形成的邊坡。

本發(fā)明的效果和益處是：可實(shí)現(xiàn)制備具有分層結(jié)構(gòu)、斷層構(gòu)造、符合真實(shí)海底邊坡強(qiáng)度梯度、由滑坡堆積體形成的邊坡；利用piv成像觀測(cè)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)實(shí)驗(yàn)過(guò)程的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)；利用模型箱抬升裝置，可實(shí)現(xiàn)邊坡坡度在一定范圍內(nèi)任意調(diào)節(jié)；下部土體在1g條件下固結(jié)，大大減少了占機(jī)時(shí)間，節(jié)約了成本。

附圖說(shuō)明

圖1(a)是固結(jié)模型箱的主視圖。

圖1(b)是固結(jié)模型箱的截面圖。

圖2(a)是實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ拖涞膫?cè)視圖。

圖2(b)是實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ拖涞闹饕晥D。

圖3(a)是模型箱抬升裝置的主視圖。

圖3(b)是模型箱抬升裝置的右視圖。

圖中：1固結(jié)模型箱；2固結(jié)箱底座；3擋板；4螺栓；5滑槽；6t型板；7實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ拖洌?piv板；9攝像機(jī)槽；10模型槽；11模型箱抬升裝置；12連接板；13墊塊。

具體實(shí)施方式

以下結(jié)合技術(shù)方案(和附圖)詳細(xì)敘述本發(fā)明的具體實(shí)施方式。

本發(fā)明提供了一種海底復(fù)雜邊坡的制備裝置，包括：固結(jié)模型箱1、實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ拖?、模型箱抬升裝置11；

所述固結(jié)模型箱1，用于土體的固結(jié)。由底座2和三節(jié)擋板3通過(guò)螺栓4拼接而成，側(cè)壁留有滑槽5，便于t型板6切割土體。

所述實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ拖?，用于提供模型及觀測(cè)設(shè)備的放置空間。由兩個(gè)圓心角為61°，弧長(zhǎng)為750mm，厚度為290mm，進(jìn)深為250mm的環(huán)形模型箱拼接而成。內(nèi)部空間由piv板8分為上下兩部分，其中，上部空間100mm，為攝像機(jī)槽9，用于放置觀測(cè)設(shè)備，以便對(duì)實(shí)驗(yàn)過(guò)程的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)；下部空間190mm，為模型槽10，用于放置制備的模型以及提供實(shí)驗(yàn)發(fā)生的空間。

所述模型箱抬升裝置11，用于抬升實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ拖涞囊欢?，調(diào)節(jié)制備邊坡的坡度。由連接板12、墊塊13組成，模型箱抬升裝置11通過(guò)連接板12與實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ拖?的一端相連。

一種采用上述裝置在離心機(jī)內(nèi)制備海底復(fù)雜邊坡的方法，包括以下步驟：

1)在1g條件下，采用加載固結(jié)的方式，分別在不同壓力下固結(jié)n個(gè)土樣，形成符合真實(shí)海底邊坡強(qiáng)度梯度的土體；

2)用t型板6沿模型箱側(cè)壁滑槽5插入土體，將土體切割成條狀，形成固定邊界，防止后續(xù)操作對(duì)下部土體的擾動(dòng)，然后，拆除固結(jié)模型箱1的擋板3；

3)用托板將土條移出固結(jié)模型箱，按照強(qiáng)度從高到底依次擺放在實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ拖涞哪Ｐ筒蹆?nèi)，構(gòu)成邊坡模型的下層部分

4)在ng條件下，采用自重固結(jié)的方式制備邊坡模型的上層部分；將實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ拖?放入離心機(jī)內(nèi)部，提高轉(zhuǎn)速至ng，利用鼓式離心機(jī)灌漿裝置將泥漿灌注到實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ拖?的模型槽10內(nèi)，保持轉(zhuǎn)速直至泥漿強(qiáng)度達(dá)到要求，此時(shí)的土體具有符合真實(shí)海底土體強(qiáng)度梯度的分層結(jié)構(gòu)；

5)停止離心機(jī)，將模型箱抬升裝置11的連接板12固定到實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ拖湟欢?，抬高模型箱的一端，形成所需坡度的邊坡，并通過(guò)改變墊塊的厚度調(diào)節(jié)邊坡坡度，稱此時(shí)的邊坡為初始邊坡；

6)在初始邊坡的基礎(chǔ)上開(kāi)始制備復(fù)雜邊坡：包括具有斷層構(gòu)造的邊坡、由滑坡堆積體形成的邊坡。對(duì)于具有斷層構(gòu)造的邊坡，將塑料薄板在初始邊坡設(shè)計(jì)位置垂直插入邊坡土體，拔出后即形成具有斷層構(gòu)造的邊坡；對(duì)于由滑坡堆積體形成的邊坡，首先利用工具在初始邊坡切上削出一個(gè)較大坡度的斜坡，然后提高g值使其在自重作用下滑坡，滑坡之后固結(jié)一定時(shí)間即形成了由滑坡堆積體形成的邊坡。