一种模拟海底复杂边坡的土体制备装置及其制备方法与流程

边坡制备装置及方法，尤其是一种在离心机内部模拟海底复杂边坡的土体制备装置及方法。

背景技术：

随着我国深海海域工程开发，海底潜在地质灾害尤其是海底边坡失稳日益成为威胁深海工程结构的重要因素。针对海底斜坡失稳问题国内许多学者与机构已进行了大量的研究。在涉及到海底边坡失稳的物理模型实验研究中，常用的物理模拟方法有1g小比尺模型试验方法、1g大比尺模型试验方法、校准筒试验、1g振动台试验方法、地质力学试验方法、离心模型试验等。其中离心模型试验方法能较好的再现土体原型应力场与性状，在所有的物理模型试验方法中，离心模型试验技术是最有效的技术手段。海底边坡的制备是对真实海底边坡的室内模拟，是此类模型实验研究的基础，对实验的结果有很大的影响。目前，常规的海底边坡制备方法为削坡法，既首先采用自重固结或加载固结的方式制备一个均质土体，然后利用刮板等工具人工切削出所需坡度的边坡。这种方法主要存在以下几点不足：1、只能制备均质边坡，没有结构性，也没有分层和断层构造；2、坡面强度分布为从坡顶至坡脚依次增大，与真实海底边坡强度分布不符(坡面强度一致，均为0)；3、无法模拟海底真实边坡的强度梯度，海底真实土体的强度梯度为1.2-1.5，但是自重固结和加载固结很难达到该梯度。

技术实现要素：

针对上述问题，本发明的目的是提供一种可在离心机内部模拟真实海底复杂边坡的土体制备装置及方法，能够实现制备多种复杂工况下的海底边坡，包括：具有结构性、分层构造、断层构造的边坡；由滑坡堆积体形成的边坡；符合真实海底边坡强度分布的边坡；符合真实海底边坡强度梯度的边坡。上述不同工况可以分别制备，也可以同时制备。

本发明的技术方案：

一种模拟海底复杂边坡的土体制备装置，包括固结模型箱、实验模型箱和模型箱抬升装置；

固结模型箱，用于土体固结，由固结箱底板和三块挡板通过螺栓拼接而成的方体开口结构，方体开口结构的两侧壁留有滑槽，t型板在滑槽上滑动，便于t型板将固结土体切割为土条；

实验模型箱，用于放置由土条组成的边坡模型及安装观测设备，由两个圆心角为61°，弧长为750mm，厚度为290mm，进深为250mm的环形模型箱拼接而成；环形模型箱的内部空间由piv板分为上下两部分，其中，上部空间的厚度为100mm，为摄像机槽，用于安装观测设备，以便对实验过程的实时监测；下部空间的厚度为190mm，为模型槽，用于放置边坡模型以及提供实验发生的空间；

模型箱抬升装置，用于抬升实验模型箱，调节边坡模型的坡度，由连接板和垫块组成，垫块的高度可调节，通过调节垫块的高度，实现对边坡模型多角度调节；模型箱抬升装置通过连接板与实验模型箱的一端相连。

一种采用土体制备装置在离心机内制备海底复杂边坡的方法，步骤如下：

1)在1g条件下，采用加载固结方式，分别在不同压力下固结n个土样，形成符合真实海底边坡强度梯度的土体；

2)用t型板将土体切割成土条，形成固定边界，防止后续操作对下部土体的扰动，然后拆除固结模型箱的挡板；

3)用托板将土条移出固结模型箱，按照强度从高到底依次摆放在实验模型箱的模型槽内，构成边坡模型的下层部分；

4)在ng条件下，采用自重固结的方式制备边坡模型的上层部分：将实验模型箱置于离心机内部，提高转速至ng，利用鼓式离心机灌浆装置将泥浆灌注到实验模型箱的模型槽内，保持转速直至泥浆强度达到要求，此时的土体具有符合真实海底土体强度梯度的分层结构；

5)停止离心机，将模型箱抬升装置的连接板固定到实验模型箱一端，抬高实验模型箱的一端，形成所需坡度的边坡，并通过改变垫块的厚度调节边坡坡度，称此时的边坡为初始边坡；

6)在初始边坡的基础上开始制备复杂边坡，包括具有断层构造的边坡和由滑坡堆积体形成的边坡；对于具有断层构造的边坡，将塑料薄板在初始边坡设计位置垂直插入边坡土体，拔出后即形成具有断层构造的边坡；对于由滑坡堆积体形成的边坡，首先利用工具在初始边坡上切削出一个较大坡度的斜坡，然后提高g值使其在自重作用下滑坡，滑坡之后固结一定时间即形成了由滑坡堆积体形成的边坡。

本发明的效果和益处是：可实现制备具有分层结构、断层构造、符合真实海底边坡强度梯度、由滑坡堆积体形成的边坡；利用piv成像观测，可实现对实验过程的实时监测；利用模型箱抬升装置，可实现边坡坡度在一定范围内任意调节；下部土体在1g条件下固结，大大减少了占机时间，节约了成本。

附图说明

图1(a)是固结模型箱的主视图。

图1(b)是固结模型箱的截面图。

图2(a)是实验模型箱的侧视图。

图2(b)是实验模型箱的主视图。

图3(a)是模型箱抬升装置的主视图。

图3(b)是模型箱抬升装置的右视图。

图中：1固结模型箱；2固结箱底座；3挡板；4螺栓；5滑槽；6t型板；7实验模型箱；8piv板；9摄像机槽；10模型槽；11模型箱抬升装置；12连接板；13垫块。

具体实施方式

以下结合技术方案(和附图)详细叙述本发明的具体实施方式。

本发明提供了一种海底复杂边坡的制备装置，包括：固结模型箱1、实验模型箱7、模型箱抬升装置11；

所述固结模型箱1，用于土体的固结。由底座2和三节挡板3通过螺栓4拼接而成，侧壁留有滑槽5，便于t型板6切割土体。

所述实验模型箱7，用于提供模型及观测设备的放置空间。由两个圆心角为61°，弧长为750mm，厚度为290mm，进深为250mm的环形模型箱拼接而成。内部空间由piv板8分为上下两部分，其中，上部空间100mm，为摄像机槽9，用于放置观测设备，以便对实验过程的实时监测；下部空间190mm，为模型槽10，用于放置制备的模型以及提供实验发生的空间。

所述模型箱抬升装置11，用于抬升实验模型箱的一端，调节制备边坡的坡度。由连接板12、垫块13组成，模型箱抬升装置11通过连接板12与实验模型箱7的一端相连。

一种采用上述装置在离心机内制备海底复杂边坡的方法，包括以下步骤：

1)在1g条件下，采用加载固结的方式，分别在不同压力下固结n个土样，形成符合真实海底边坡强度梯度的土体；

2)用t型板6沿模型箱侧壁滑槽5插入土体，将土体切割成条状，形成固定边界，防止后续操作对下部土体的扰动，然后，拆除固结模型箱1的挡板3；

3)用托板将土条移出固结模型箱，按照强度从高到底依次摆放在实验模型箱的模型槽内，构成边坡模型的下层部分

4)在ng条件下，采用自重固结的方式制备边坡模型的上层部分；将实验模型箱7放入离心机内部，提高转速至ng，利用鼓式离心机灌浆装置将泥浆灌注到实验模型箱7的模型槽10内，保持转速直至泥浆强度达到要求，此时的土体具有符合真实海底土体强度梯度的分层结构；

5)停止离心机，将模型箱抬升装置11的连接板12固定到实验模型箱一端，抬高模型箱的一端，形成所需坡度的边坡，并通过改变垫块的厚度调节边坡坡度，称此时的边坡为初始边坡；

6)在初始边坡的基础上开始制备复杂边坡：包括具有断层构造的边坡、由滑坡堆积体形成的边坡。对于具有断层构造的边坡，将塑料薄板在初始边坡设计位置垂直插入边坡土体，拔出后即形成具有断层构造的边坡；对于由滑坡堆积体形成的边坡，首先利用工具在初始边坡切上削出一个较大坡度的斜坡，然后提高g值使其在自重作用下滑坡，滑坡之后固结一定时间即形成了由滑坡堆积体形成的边坡。