專利名稱：多工況框架式滑坡地質(zhì)力學(xué)模型輕便試驗裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于地質(zhì)災(zāi)害模型試驗領(lǐng)域，具體的指一種多工況框架式滑坡地質(zhì)力學(xué)模型輕便試驗裝置。
背景技術(shù)：
滑坡模型試驗屬于地質(zhì)力學(xué)模型試驗的范疇，其理論起源于20世紀初期建立的結(jié)構(gòu)模型試驗。20世紀60年代，E. Fumagalli開展了以意大利Vajont雙曲拱壩為背景的三維模型破壞試驗研究，該研究是地質(zhì)力學(xué)模型試驗技術(shù) 產(chǎn)生的標(biāo)志。早在80年代，國內(nèi)的學(xué)者就開始通過該方法，在框架模型槽內(nèi)采用相似材料制作模型，并以滿足邊界條件為基礎(chǔ)，通過應(yīng)力、應(yīng)變、位移、含水率等監(jiān)測數(shù)據(jù)的分析，揭示原型滑坡的形成機理及破壞模式。21世紀以來，在模型制作上，研究者們對模型框架設(shè)計取得了卓越的研究成果，其具有代表性的試驗平臺及系統(tǒng)簡介如下。2004年，張均鋒等人以箱體、透水板、擋網(wǎng)、插板為主要構(gòu)件公開了一種水誘發(fā)滑坡模擬試驗裝置，用于模擬庫水位漲落、上游供水、地下水位變化對滑坡的影響，并在此基礎(chǔ)上提出了具體的試驗方法。同年，李世海等人發(fā)展了水誘發(fā)滑坡模型試驗，該實驗裝置主要包括試驗臺、試驗箱、供水系統(tǒng)和設(shè)置在試驗箱上的滑坡體，可對滑坡失穩(wěn)時的臨界孔隙水壓力、滑坡體失穩(wěn)與承壓水面積之間的關(guān)系開展研究。2005至2006年，李術(shù)才等人發(fā)明了由盒式試驗裝置和液壓加載系統(tǒng)組成的三維地質(zhì)力學(xué)模型試驗系統(tǒng)及組合式地質(zhì)模型試驗臺架裝置。2006年，羅先啟等人研發(fā)了一種可考慮降雨作用的大型滑坡物理模型試驗系統(tǒng)，該系統(tǒng)集起降系統(tǒng)、降雨系統(tǒng)、監(jiān)測系統(tǒng)于一體，實現(xiàn)了系統(tǒng)的集成化、自動化。2010年，焦玉勇等人提出了一種地震滑坡振動臺試驗物理模型的簡便制備方法，可用于制作不同滑面形式的滑坡模型。同年，劉東燕等人提供了一種由敞口實驗箱、水平支架、實驗箱驅(qū)動裝置和自動測角儀組成的滑坡模擬試驗裝置，其主要優(yōu)點在于邊坡寬度和坡腳可調(diào)。2011年，王世梅等人發(fā)明了一種由前面板、后面板、左面板、右面板組成的滑坡模型試驗裝置，其最大優(yōu)點在于便于調(diào)節(jié)、拆卸組裝、方便搬運移動及試驗后的改裝。2012年，范永波等人公開了一種多因素作用下的大型滑坡物理模型試驗系統(tǒng)，具有大尺度、高精度、分段式特點，并且考慮了多種水動力耦合作用，利用多場測試手段獲取滑坡各階段的關(guān)鍵參數(shù)。雖然上述滑坡模型試驗裝置的研發(fā)在一定程度上促進了地質(zhì)力學(xué)模型試驗研究方法的發(fā)展，但綜合考慮上述多個模型試驗裝置或系統(tǒng)，發(fā)現(xiàn)均存在一定程度的局限或缺陷
(I)傳統(tǒng)模型試驗裝置規(guī)模尺寸較大，不利于對滑坡開展形成機理、破壞模式等精細化研究。試驗框架在外荷載作用下，側(cè)向撓度變形較大，易造成試驗邊界條件與實際情況不符，且結(jié)構(gòu)笨重、復(fù)雜，對場地面積要求大、地基承載力要求高，移動困難。整個滑坡模型試驗裝置的制作周期長，消耗人力、物力巨大；
(2)傳統(tǒng)模型試驗大都為滑坡全模型概化仿真模型，所采用的模型相似比較小，只能對整個滑坡的變形破壞過程進行宏觀分析，不能對滑坡局部變形受力特征進行細致研究，更不能對植入的防治工程應(yīng)力、應(yīng)變特征展開分析；
(3 )傳統(tǒng)模型試驗考慮因素單一，對組合工況條件下滑坡模擬研究較少，難以開展多因素影響下滑坡致災(zāi)機理及植入防治工程后滑坡整體穩(wěn)定性的研究；
(4)傳統(tǒng)模型裝置的加載需用液壓千斤頂提供作用力，其控制系統(tǒng)復(fù)雜、操作繁瑣，一般需要額外設(shè)計和制作反力裝置；
(5)傳統(tǒng)考慮庫水作用的滑坡模型試驗裝置一般將滑坡體后部滲流邊界設(shè)為定水頭邊界條件，與實際滑坡滲流場不符。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題就是提供一種多工況框架式滑坡地質(zhì)力學(xué)模型輕便試驗裝置，能夠克服上述現(xiàn)有技術(shù)問題，可模擬滑坡治理前后多工況條件下滑坡的整體穩(wěn)定性。為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供的一種多工況框架式滑坡地質(zhì)力學(xué)模型輕便試驗裝置，包括框梁式試驗臺架、降雨模擬器、庫水位調(diào)節(jié)器和自重式水平加載機構(gòu)；所述框梁式試驗臺架主要由長方體框架、前面板、后面板和底板構(gòu)成；所述降雨模擬器設(shè)置于框梁式試驗臺架頂部，包括若干組噴管和設(shè)置于噴管上的噴頭，用于在框梁式試驗臺架內(nèi)模擬降雨；所述庫水位調(diào)節(jié)器包括分別設(shè)置于框梁式試驗臺架左、右兩側(cè)的左側(cè)水槽和右側(cè)水槽，所述左側(cè)水槽的右面板和右側(cè)水槽的左面板上分別設(shè)有若干給排水孔，用于通過改變左側(cè)水槽和右側(cè)水槽內(nèi)的水位模擬庫水位變動；所述自重式水平加載機構(gòu)設(shè)置于右側(cè)水槽的上方，用于承載重物，向框梁式試驗臺架內(nèi)的滑坡模型施加水平荷載。上述技術(shù)方案中，所述自重式水平加載機構(gòu)包括承載平臺和由支撐桿支撐于右側(cè)水槽上方的滑槽，滑槽向框梁式試驗臺架傾斜，傾斜方向與滑坡模型后緣滑帶方向一致，所述承載平臺的底面與滑槽配合、可沿滑槽自由滑動。進一步地，所述承載平臺上固定有阻滑塊，阻滑塊沿承載平臺底面的延伸方向設(shè)置且末端呈鉤狀，用于鉤住滑槽以對承載平臺的滑動限位。上述技術(shù)方案中，所述前面板為固定在金屬邊框上的鋼化玻璃面板，前面板一側(cè)通過固定鉸鏈與長方體框架連接。上述技術(shù)方案中，所述后面板上設(shè)有加勁桿，用于增加框梁式試驗臺架的剛度。上述技術(shù)方案中，所述底板下方設(shè)有若干滾輪。上述技術(shù)方案中，所述噴管為PVC管。
上述技術(shù)方案中，所述左側(cè)水槽和右側(cè)水槽上的給排水孔分別在不同高度處設(shè)有多排。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果在于
(I)本發(fā)明的試驗裝置規(guī)模適中，既克服了大比例尺地質(zhì)模型試驗周期長、強度大、費用高等缺點，也避免了小型滑坡模型尺寸效應(yīng)明顯、受邊界條件影響較大、無法考慮防治工程植入的問題；
(2)該試驗裝置既可實現(xiàn)滑坡完整地質(zhì)力學(xué)模型研究，又可通過自重式水平加載機構(gòu)可控地加載實現(xiàn)滑坡非完整地質(zhì)力學(xué)模型的研究，極大的降低了完整地質(zhì)力學(xué)模型的制作強度，自重式加載方式簡單，加載過程較液壓千斤頂?shù)仍O(shè)備穩(wěn)定，無需額外設(shè)計和制作反力裝置；
(3)該試驗裝置通過降雨模擬器、庫水位調(diào)節(jié)器實現(xiàn)了水動力的耦合作用，使該模型試驗裝置實現(xiàn)了滑坡工程治理前后天然工況條件下、不同降雨強度工況、庫水位升降工況及庫水位與降雨工況組合條件下的模擬；
(4)該試驗裝置的庫水位調(diào)節(jié)器既可以模擬定水頭，又可通過外接水位器自動調(diào)節(jié)左、 右水槽中的水位以實現(xiàn)動水位的模擬，符合滑坡實際的滲流場；
(5)敞開式前面板的設(shè)置，為滑坡模型的制作和拆除提供了有利的操作空間，采用高強度鋼化玻璃面板，可在滑坡模型側(cè)面實時、全程監(jiān)測其變形破壞特征；
(6)該試驗裝置整體剛度高、穩(wěn)定性好?？紤]到滑坡模型內(nèi)部受力不大，框梁式試驗臺架采用強度較大的鋼板構(gòu)件完整焊接組成，在后面板設(shè)有高強度方鋼作為加勁桿加固，確保其有足夠的側(cè)向剛度和較好的整體穩(wěn)定性，克服了大多數(shù)試驗臺架因剛度不夠造成變形過大的缺陷；
(7)該試驗裝置構(gòu)造簡單、輕便，底部滾輪的設(shè)置，便于移動及運輸，甚至可以在滑坡現(xiàn)場取原狀土進行試驗，更加保證了滑坡巖土體的天然性狀，使試驗結(jié)果更接近工程實際；
(8)本試驗裝置耐用性好、可重復(fù)使用。由于該裝置構(gòu)件強度高、剛度大，構(gòu)件偶見出現(xiàn)破壞的可能性非常小，即便出現(xiàn)破損，也易于修理或更換；該裝置可廣泛運用于包括土質(zhì)滑坡、巖質(zhì)滑坡等類型地質(zhì)力學(xué)模型試驗研究，應(yīng)用前景廣闊，經(jīng)濟效益顯著。


圖I為本發(fā)明一個實施例的立體結(jié)構(gòu)示意圖。圖2為圖I裝置的主視圖。圖3為圖2的左視圖。圖4為圖2的縱剖面圖。圖5為圖2的俯視圖。圖中1一噴管，2—噴頭，3—固定圓環(huán)，4 一左側(cè)水槽，5—右側(cè)水槽，6—給排水孔，7—支撐桿，8—承載平臺，9一滑槽，10—阻滑塊，11 一前面板，12—固定鉸鏈，13—底板，14一滾輪，15一后面板，16一加勁桿。
具體實施例方式以下結(jié)合附圖對本發(fā)明的具體實施例作進一步的詳細描述。如圖I至圖5所示，本發(fā)明的一種多工況框架式滑坡地質(zhì)力學(xué)模型輕便試驗裝置，包括框梁式試驗臺架、降雨模擬器、庫水位調(diào)節(jié)器和自重式水平加載機構(gòu)?？蛄菏皆囼炁_架主要由長方體框架、前面板11、后面板15和底板13構(gòu)成。其中，前面板11為固定在金屬邊框上的鋼化玻璃面板，前面板11 一側(cè)通過固定鉸鏈12與長方體框架連接，形成了敞開式的活動結(jié)構(gòu)，閉合時可用插鎖等結(jié)構(gòu)固定，這樣，在制備滑坡模型時，可敞開前面板11，提供工作空間，而試驗過程中則關(guān)閉并鎖上前面板11，若涉及庫水位及降雨工況的模擬，則在長方體框架與前面板11之間設(shè)置止水膠條19，進行防水處理；后面板15上設(shè)有兩根加勁桿16，能夠增加框梁式試驗臺架的剛度，防止框梁式試驗臺架受滑坡模型擠壓時產(chǎn)生豎直方向的繞曲變形，并使框梁式試驗臺架能夠充分發(fā)揮其承載力；為方便整個試驗裝置的推行和運輸，在底板下方設(shè)有六個滾輪14。降雨模擬器設(shè)置于上述框梁式試驗臺架頂部，包括兩組噴管I和設(shè)置于噴管I上的噴頭2，本實施例中的噴管I采用堅固、耐腐蝕的PVC管，噴管I通過固定圓環(huán)3固定在框梁式試驗臺架的頂部，噴管I與外部控制自來水的小型電磁閥連接。在框梁式試驗臺架內(nèi)模擬降雨工況時，可通過調(diào)整噴管I的流量大小及噴頭2的開啟數(shù)量模擬不同降雨強度，通過調(diào)節(jié)電磁閥或噴頭的開關(guān)實現(xiàn)降雨歷時的全過程控制。庫水位調(diào)節(jié)器包括分別設(shè)置于框梁式試驗臺架左、右兩側(cè)的左側(cè)水槽4和右側(cè)水槽5。左側(cè)水槽4的右面板和右側(cè)水槽5的左面板上分別在不同高度處設(shè)有多排給排水孔6，可根據(jù)實際需要的水位高度，調(diào)整所需孔位，實現(xiàn)滑坡模型內(nèi)部滲流場條件與真實狀況 相符。與傳統(tǒng)試驗裝置采用定水頭進行模擬的方法不同，該庫水位調(diào)節(jié)器既可以模擬定水頭，又可通過外接水位器自動調(diào)節(jié)左、右水槽4、5中的水位以實現(xiàn)動水位的模擬。自重式水平加載機構(gòu)包括承載平臺8和由支撐桿7支撐于右側(cè)水槽5上方的滑槽9，滑槽9向框梁式試驗臺架傾斜，傾斜方向與滑坡模型后緣滑帶方向一致。承載平臺8的底面與滑槽9配合、可沿滑槽9自由滑動；承載平臺8的頂面呈水平面或者凹狀，用于承載經(jīng)標(biāo)定重量后的物體，使之在自重條件下隨承載平臺8 —起沿滑槽9下滑，通過承載平臺10前面板作用在滑坡模型上，并以上覆堆載的重力沿著滑槽9水平方向的分量提供相應(yīng)的水平荷載；承載平臺8上還通過螺栓固定有阻滑塊10，阻滑塊10沿承載平臺8底面的延伸方向設(shè)置且末端呈鉤狀，用于鉤住滑槽9以對承載平臺8的滑動限位。當(dāng)承載平臺8的滑動距離小于設(shè)定的最大距離時可自由滑動，達到最大距離時則滑動終止。應(yīng)用本發(fā)明進行試驗的大致過程為
一、滑坡模型設(shè)計
1、針對研究需求，確定相似比例，依據(jù)相似原理，擬定概化后的滑坡相似模型；
2、以相似材料試驗結(jié)果為標(biāo)準，分別配制滑床、滑帶、滑體相似材料，并制作抗滑樁模型。打開前面板11，根據(jù)擬定的滑坡相似模型空間形態(tài)采用配制均勻、含水率恒定的相似材料制作滑坡模型。在滑坡模型表面設(shè)若干位移測點，在滑體、滑帶內(nèi)部埋設(shè)土壓力盒、分布式光纖光柵。在抗滑樁模型表面布置應(yīng)變片，在滑坡模型設(shè)樁處埋設(shè)抗滑樁；
3、關(guān)上前面板11，采用止水膠條做密閉防水處理，并用插鎖固定；
二、不同工況條件的模擬
4、開啟庫水位調(diào)節(jié)器，伺服控制左側(cè)水槽4、右側(cè)水槽5內(nèi)的水位高度，滿足庫水位變動模擬要求；
5、開啟電磁閥，為降雨模擬器供水，控制開關(guān)噴頭2的個數(shù)，實現(xiàn)不同降雨強度的控
制；
6、計算出滑坡模型后緣所需施加的推力大小，并通過在承載平臺8上放置定量的重物，使承載平臺8沿著滑槽9運動,滿足推力大小。承載平臺8與滑坡模型接觸后,施加推力，推動滑坡模型一起運動；三、數(shù)據(jù)采集
7、在前面板11和左側(cè)水槽4處放置三維激光掃描儀測定滑坡模型的坡表位移。通過數(shù)據(jù)采集箱采集土壓力、滑體內(nèi)部絕對位移及抗滑樁樁身應(yīng)變；
四、數(shù)據(jù)處理
8、整理、分析試驗數(shù)據(jù)。當(dāng)然，上述“不同工況條件的模擬”的各部分可以單獨進行或者同時進行。 本發(fā)明的核心在于框梁式試驗臺架、降雨模擬器、庫水位調(diào)節(jié)器和自重式水平加載機構(gòu)的巧妙組合及結(jié)構(gòu)改進，使得整個試驗裝置規(guī)模適中、適用于非完整模型的研究、適于多工況條件、控制系統(tǒng)簡單、滲流場邊界條件準確，所以其保護范圍并不限于上述實施例。顯然，本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以對本發(fā)明進行各種改動和變形而不脫離本發(fā)明的范圍和精神，例如自重式水平加載機構(gòu)不限于上述承載平臺8和滑槽9的組合，只要能夠加載所需的推力于滑坡模型即可；前面板11的結(jié)構(gòu)和鉸接點位置也不限于實施例所述，其透明便于觀察和測量、且可開閉便于滑坡模型的制作即能實現(xiàn)本發(fā)明技術(shù)方案；滾輪的個數(shù)、噴管I的材質(zhì)也可采用常規(guī)方式等。倘若這些改動和變形屬于本發(fā)明權(quán)利要求及其等同技術(shù)的范圍內(nèi)，則本發(fā)明也意圖包含這些改動和變形在內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種多エ況框架式滑坡地質(zhì)力學(xué)模型輕便試驗裝置，其特征在于它包括框梁式試驗臺架、降雨模擬器、庫水位調(diào)節(jié)器和自重式水平加載機構(gòu)；所述框梁式試驗臺架主要由長方體框架、前面板(11)、后面板(15)和底板(13)構(gòu)成；所述降雨模擬器設(shè)置于框梁式試驗臺架頂部，包括若干組噴管(I)和設(shè)置于噴管(I)上的噴頭(2)，用于在框梁式試驗臺架內(nèi)模擬降雨；所述庫水位調(diào)節(jié)器包括分別設(shè)置于框梁式試驗臺架左、右兩側(cè)的左側(cè)水槽(4)和右側(cè)水槽(5)，所述左側(cè)水槽(4)的右面板和右側(cè)水槽(5)的左面板上分別設(shè)有若干給排水孔(6)，用于通過改變左側(cè)水槽(4)和右側(cè)水槽(5)內(nèi)的水位模擬庫水位變動；所述自重式水平加載機構(gòu)設(shè)置于右側(cè)水槽(5)的上方，用于承載重物，向框梁式試驗臺架內(nèi)的滑坡模型施加水平荷載。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的多エ況框架式滑坡地質(zhì)力學(xué)模型輕便試驗裝置，其特征在于所述自重式水平加載機構(gòu)包括承載平臺(8)和由支撐桿(7)支撐于右側(cè)水槽(5)上方的滑槽(9)，滑槽(9)向框梁式試驗臺架傾斜，傾斜方向與滑坡模型后緣滑帶方向一致，所述承載平臺(8)的底面與滑槽(9)配合、可沿滑槽(9)自由滑動。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的多エ況框架式滑坡地質(zhì)力學(xué)模型輕便試驗裝置，其特征在干所述承載平臺(8)上固定有阻滑塊(10)，阻滑塊(10)沿承載平臺(8)底面的延伸方向設(shè)置且末端呈鉤狀，用于鉤住滑槽(9)以對承載平臺(8)的滑動限位。
4.根據(jù)權(quán)利要求I至3中任ー權(quán)利要求所述的多エ況框架式滑坡地質(zhì)力學(xué)模型輕便試驗裝置，其特征在于所述前面板(11)為固定在金屬邊框上的鋼化玻璃面板，前面板(11)一側(cè)通過固定鉸鏈(12)與長方體框架連接。
5.根據(jù)權(quán)利要求I至3中任ー權(quán)利要求所述的多エ況框架式滑坡地質(zhì)力學(xué)模型輕便試驗裝置，其特征在于所述后面板(15)上設(shè)有加勁桿(16)，用于增加框梁式試驗臺架的剛度。
6.根據(jù)權(quán)利要求I至3中任ー權(quán)利要求所述的多エ況框架式滑坡地質(zhì)力學(xué)模型輕便試驗裝置，其特征在于所述底板(13)下方設(shè)有若干滾輪(14)。
7.根據(jù)權(quán)利要求I至3中任ー權(quán)利要求所述的多エ況框架式滑坡地質(zhì)力學(xué)模型輕便試驗裝置，其特征在于所述噴管(I)為PVC管。
8.根據(jù)權(quán)利要求I至3中任ー權(quán)利要求所述的多エ況框架式滑坡地質(zhì)力學(xué)模型輕便試驗裝置，其特征在于所述左側(cè)水槽(4)和右側(cè)水槽(5)上的給排水孔(6)分別在不同高度處設(shè)有多排。
全文摘要
一種多工況框架式滑坡地質(zhì)力學(xué)模型輕便試驗裝置，屬于地質(zhì)災(zāi)害模型試驗領(lǐng)域，包括框梁式試驗臺架、降雨模擬器、庫水位調(diào)節(jié)器和自重式水平加載機構(gòu)；所述框梁式試驗臺架主要由長方體框架、前面板、后面板和底板構(gòu)成；所述降雨模擬器設(shè)置于框梁式試驗臺架頂部，包括若干組噴管和設(shè)置于噴管上的噴頭，用于在框梁式試驗臺架內(nèi)模擬降雨；所述庫水位調(diào)節(jié)器包括分別設(shè)置于框梁式試驗臺架左、右兩側(cè)的左側(cè)水槽和右側(cè)水槽，所述左側(cè)水槽的右面板和右側(cè)水槽的左面板上分別設(shè)有若干給排水孔，用于通過改變左側(cè)水槽和右側(cè)水槽內(nèi)的水位模擬庫水位變動；所述自重式水平加載機構(gòu)設(shè)置于右側(cè)水槽的上方，用于承載重物，向框梁式試驗臺架內(nèi)的滑坡模型施加水平荷載。
文檔編號G01V9/00GK102681028SQ201210180080
公開日2012年9月19日 申請日期2012年6月4日 優(yōu)先權(quán)日2012年6月4日
發(fā)明者劉慶濤, 唐輝明, 夏浩, 宋德文, 李長冬, 王亮清, 程昊, 胡新麗, 雍睿, 雷國平, 馬俊偉 申請人:中國地質(zhì)大學(xué)(武漢)