专利名称：多工况框架式滑坡地质力学模型轻便试验装置的制作方法
技术领域：
本发明属于地质灾害模型试验领域，具体的指一种多工况框架式滑坡地质力学模型轻便试验装置。
背景技术：
滑坡模型试验属于地质力学模型试验的范畴，其理论起源于20世纪初期建立的结构模型试验。20世纪60年代，E. Fumagalli开展了以意大利Vajont双曲拱坝为背景的三维模型破坏试验研究，该研究是地质力学模型试验技术 产生的标志。早在80年代，国内的学者就开始通过该方法，在框架模型槽内采用相似材料制作模型，并以满足边界条件为基础，通过应力、应变、位移、含水率等监测数据的分析，揭示原型滑坡的形成机理及破坏模式。21世纪以来，在模型制作上，研究者们对模型框架设计取得了卓越的研究成果，其具有代表性的试验平台及系统简介如下。2004年，张均锋等人以箱体、透水板、挡网、插板为主要构件公开了一种水诱发滑坡模拟试验装置，用于模拟库水位涨落、上游供水、地下水位变化对滑坡的影响，并在此基础上提出了具体的试验方法。同年，李世海等人发展了水诱发滑坡模型试验，该实验装置主要包括试验台、试验箱、供水系统和设置在试验箱上的滑坡体，可对滑坡失稳时的临界孔隙水压力、滑坡体失稳与承压水面积之间的关系开展研究。2005至2006年，李术才等人发明了由盒式试验装置和液压加载系统组成的三维地质力学模型试验系统及组合式地质模型试验台架装置。2006年，罗先启等人研发了一种可考虑降雨作用的大型滑坡物理模型试验系统，该系统集起降系统、降雨系统、监测系统于一体，实现了系统的集成化、自动化。2010年，焦玉勇等人提出了一种地震滑坡振动台试验物理模型的简便制备方法，可用于制作不同滑面形式的滑坡模型。同年，刘东燕等人提供了一种由敞口实验箱、水平支架、实验箱驱动装置和自动测角仪组成的滑坡模拟试验装置，其主要优点在于边坡宽度和坡脚可调。2011年，王世梅等人发明了一种由前面板、后面板、左面板、右面板组成的滑坡模型试验装置，其最大优点在于便于调节、拆卸组装、方便搬运移动及试验后的改装。2012年，范永波等人公开了一种多因素作用下的大型滑坡物理模型试验系统，具有大尺度、高精度、分段式特点，并且考虑了多种水动力耦合作用，利用多场测试手段获取滑坡各阶段的关键参数。虽然上述滑坡模型试验装置的研发在一定程度上促进了地质力学模型试验研究方法的发展，但综合考虑上述多个模型试验装置或系统，发现均存在一定程度的局限或缺陷
(I)传统模型试验装置规模尺寸较大，不利于对滑坡开展形成机理、破坏模式等精细化研究。试验框架在外荷载作用下，侧向挠度变形较大，易造成试验边界条件与实际情况不符，且结构笨重、复杂，对场地面积要求大、地基承载力要求高，移动困难。整个滑坡模型试验装置的制作周期长，消耗人力、物力巨大；
(2)传统模型试验大都为滑坡全模型概化仿真模型，所采用的模型相似比较小，只能对整个滑坡的变形破坏过程进行宏观分析，不能对滑坡局部变形受力特征进行细致研究，更不能对植入的防治工程应力、应变特征展开分析；
(3 )传统模型试验考虑因素单一，对组合工况条件下滑坡模拟研究较少，难以开展多因素影响下滑坡致灾机理及植入防治工程后滑坡整体稳定性的研究；
(4)传统模型装置的加载需用液压千斤顶提供作用力，其控制系统复杂、操作繁琐，一般需要额外设计和制作反力装置；
(5)传统考虑库水作用的滑坡模型试验装置一般将滑坡体后部渗流边界设为定水头边界条件，与实际滑坡渗流场不符。
发明内容
本发明所要解决的技术问题就是提供一种多工况框架式滑坡地质力学模型轻便试验装置，能够克服上述现有技术问题，可模拟滑坡治理前后多工况条件下滑坡的整体稳定性。为解决上述技术问题，本发明提供的一种多工况框架式滑坡地质力学模型轻便试验装置，包括框梁式试验台架、降雨模拟器、库水位调节器和自重式水平加载机构；所述框梁式试验台架主要由长方体框架、前面板、后面板和底板构成；所述降雨模拟器设置于框梁式试验台架顶部，包括若干组喷管和设置于喷管上的喷头，用于在框梁式试验台架内模拟降雨；所述库水位调节器包括分别设置于框梁式试验台架左、右两侧的左侧水槽和右侧水槽，所述左侧水槽的右面板和右侧水槽的左面板上分别设有若干给排水孔，用于通过改变左侧水槽和右侧水槽内的水位模拟库水位变动；所述自重式水平加载机构设置于右侧水槽的上方，用于承载重物，向框梁式试验台架内的滑坡模型施加水平荷载。上述技术方案中，所述自重式水平加载机构包括承载平台和由支撑杆支撑于右侧水槽上方的滑槽，滑槽向框梁式试验台架倾斜，倾斜方向与滑坡模型后缘滑带方向一致，所述承载平台的底面与滑槽配合、可沿滑槽自由滑动。进一步地，所述承载平台上固定有阻滑块，阻滑块沿承载平台底面的延伸方向设置且末端呈钩状，用于钩住滑槽以对承载平台的滑动限位。上述技术方案中，所述前面板为固定在金属边框上的钢化玻璃面板，前面板一侧通过固定铰链与长方体框架连接。上述技术方案中，所述后面板上设有加劲杆，用于增加框梁式试验台架的刚度。上述技术方案中，所述底板下方设有若干滚轮。上述技术方案中，所述喷管为PVC管。
上述技术方案中，所述左侧水槽和右侧水槽上的给排水孔分别在不同高度处设有多排。与现有技术相比，本发明的有益效果在于
(I)本发明的试验装置规模适中，既克服了大比例尺地质模型试验周期长、强度大、费用高等缺点，也避免了小型滑坡模型尺寸效应明显、受边界条件影响较大、无法考虑防治工程植入的问题；
(2)该试验装置既可实现滑坡完整地质力学模型研究，又可通过自重式水平加载机构可控地加载实现滑坡非完整地质力学模型的研究，极大的降低了完整地质力学模型的制作强度，自重式加载方式简单，加载过程较液压千斤顶等设备稳定，无需额外设计和制作反力装置；
(3)该试验装置通过降雨模拟器、库水位调节器实现了水动力的耦合作用，使该模型试验装置实现了滑坡工程治理前后天然工况条件下、不同降雨强度工况、库水位升降工况及库水位与降雨工况组合条件下的模拟；
(4)该试验装置的库水位调节器既可以模拟定水头，又可通过外接水位器自动调节左、 右水槽中的水位以实现动水位的模拟，符合滑坡实际的渗流场；
(5)敞开式前面板的设置，为滑坡模型的制作和拆除提供了有利的操作空间，采用高强度钢化玻璃面板，可在滑坡模型侧面实时、全程监测其变形破坏特征；
(6)该试验装置整体刚度高、稳定性好。考虑到滑坡模型内部受力不大，框梁式试验台架采用强度较大的钢板构件完整焊接组成，在后面板设有高强度方钢作为加劲杆加固，确保其有足够的侧向刚度和较好的整体稳定性，克服了大多数试验台架因刚度不够造成变形过大的缺陷；
(7)该试验装置构造简单、轻便，底部滚轮的设置，便于移动及运输，甚至可以在滑坡现场取原状土进行试验，更加保证了滑坡岩土体的天然性状，使试验结果更接近工程实际；
(8)本试验装置耐用性好、可重复使用。由于该装置构件强度高、刚度大，构件偶见出现破坏的可能性非常小，即便出现破损，也易于修理或更换；该装置可广泛运用于包括土质滑坡、岩质滑坡等类型地质力学模型试验研究，应用前景广阔，经济效益显著。
图I为本发明一个实施例的立体结构示意图。图2为图I装置的主视图。图3为图2的左视图。图4为图2的纵剖面图。图5为图2的俯视图。图中1一喷管，2—喷头，3—固定圆环，4 一左侧水槽，5—右侧水槽，6—给排水孔，7—支撑杆，8—承载平台，9一滑槽，10—阻滑块，11 一前面板，12—固定铰链，13—底板，14一滚轮，15一后面板，16一加劲杆。
具体实施例方式以下结合附图对本发明的具体实施例作进一步的详细描述。如图I至图5所示，本发明的一种多工况框架式滑坡地质力学模型轻便试验装置，包括框梁式试验台架、降雨模拟器、库水位调节器和自重式水平加载机构。框梁式试验台架主要由长方体框架、前面板11、后面板15和底板13构成。其中，前面板11为固定在金属边框上的钢化玻璃面板，前面板11 一侧通过固定铰链12与长方体框架连接，形成了敞开式的活动结构，闭合时可用插锁等结构固定，这样，在制备滑坡模型时，可敞开前面板11，提供工作空间，而试验过程中则关闭并锁上前面板11，若涉及库水位及降雨工况的模拟，则在长方体框架与前面板11之间设置止水胶条19，进行防水处理；后面板15上设有两根加劲杆16，能够增加框梁式试验台架的刚度，防止框梁式试验台架受滑坡模型挤压时产生竖直方向的绕曲变形，并使框梁式试验台架能够充分发挥其承载力；为方便整个试验装置的推行和运输，在底板下方设有六个滚轮14。降雨模拟器设置于上述框梁式试验台架顶部，包括两组喷管I和设置于喷管I上的喷头2，本实施例中的喷管I采用坚固、耐腐蚀的PVC管，喷管I通过固定圆环3固定在框梁式试验台架的顶部，喷管I与外部控制自来水的小型电磁阀连接。在框梁式试验台架内模拟降雨工况时，可通过调整喷管I的流量大小及喷头2的开启数量模拟不同降雨强度，通过调节电磁阀或喷头的开关实现降雨历时的全过程控制。库水位调节器包括分别设置于框梁式试验台架左、右两侧的左侧水槽4和右侧水槽5。左侧水槽4的右面板和右侧水槽5的左面板上分别在不同高度处设有多排给排水孔6，可根据实际需要的水位高度，调整所需孔位，实现滑坡模型内部渗流场条件与真实状况 相符。与传统试验装置采用定水头进行模拟的方法不同，该库水位调节器既可以模拟定水头，又可通过外接水位器自动调节左、右水槽4、5中的水位以实现动水位的模拟。自重式水平加载机构包括承载平台8和由支撑杆7支撑于右侧水槽5上方的滑槽9，滑槽9向框梁式试验台架倾斜，倾斜方向与滑坡模型后缘滑带方向一致。承载平台8的底面与滑槽9配合、可沿滑槽9自由滑动；承载平台8的顶面呈水平面或者凹状，用于承载经标定重量后的物体，使之在自重条件下随承载平台8 —起沿滑槽9下滑，通过承载平台10前面板作用在滑坡模型上，并以上覆堆载的重力沿着滑槽9水平方向的分量提供相应的水平荷载；承载平台8上还通过螺栓固定有阻滑块10，阻滑块10沿承载平台8底面的延伸方向设置且末端呈钩状，用于钩住滑槽9以对承载平台8的滑动限位。当承载平台8的滑动距离小于设定的最大距离时可自由滑动，达到最大距离时则滑动终止。应用本发明进行试验的大致过程为
一、滑坡模型设计
1、针对研究需求，确定相似比例，依据相似原理，拟定概化后的滑坡相似模型；
2、以相似材料试验结果为标准，分别配制滑床、滑带、滑体相似材料，并制作抗滑桩模型。打开前面板11，根据拟定的滑坡相似模型空间形态采用配制均匀、含水率恒定的相似材料制作滑坡模型。在滑坡模型表面设若干位移测点，在滑体、滑带内部埋设土压力盒、分布式光纤光栅。在抗滑桩模型表面布置应变片，在滑坡模型设桩处埋设抗滑桩；
3、关上前面板11，采用止水胶条做密闭防水处理，并用插锁固定；
二、不同工况条件的模拟
4、开启库水位调节器，伺服控制左侧水槽4、右侧水槽5内的水位高度，满足库水位变动模拟要求；
5、开启电磁阀，为降雨模拟器供水，控制开关喷头2的个数，实现不同降雨强度的控
制；
6、计算出滑坡模型后缘所需施加的推力大小，并通过在承载平台8上放置定量的重物，使承载平台8沿着滑槽9运动,满足推力大小。承载平台8与滑坡模型接触后,施加推力，推动滑坡模型一起运动；三、数据采集
7、在前面板11和左侧水槽4处放置三维激光扫描仪测定滑坡模型的坡表位移。通过数据采集箱采集土压力、滑体内部绝对位移及抗滑桩桩身应变；
四、数据处理
8、整理、分析试验数据。当然，上述“不同工况条件的模拟”的各部分可以单独进行或者同时进行。 本发明的核心在于框梁式试验台架、降雨模拟器、库水位调节器和自重式水平加载机构的巧妙组合及结构改进，使得整个试验装置规模适中、适用于非完整模型的研究、适于多工况条件、控制系统简单、渗流场边界条件准确，所以其保护范围并不限于上述实施例。显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变形而不脱离本发明的范围和精神，例如自重式水平加载机构不限于上述承载平台8和滑槽9的组合，只要能够加载所需的推力于滑坡模型即可；前面板11的结构和铰接点位置也不限于实施例所述，其透明便于观察和测量、且可开闭便于滑坡模型的制作即能实现本发明技术方案；滚轮的个数、喷管I的材质也可采用常规方式等。倘若这些改动和变形属于本发明权利要求及其等同技术的范围内，则本发明也意图包含这些改动和变形在内。
权利要求
1.一种多エ况框架式滑坡地质力学模型轻便试验装置，其特征在于它包括框梁式试验台架、降雨模拟器、库水位调节器和自重式水平加载机构；所述框梁式试验台架主要由长方体框架、前面板(11)、后面板(15)和底板(13)构成；所述降雨模拟器设置于框梁式试验台架顶部，包括若干组喷管(I)和设置于喷管(I)上的喷头(2)，用于在框梁式试验台架内模拟降雨；所述库水位调节器包括分别设置于框梁式试验台架左、右两侧的左侧水槽(4)和右侧水槽(5)，所述左侧水槽(4)的右面板和右侧水槽(5)的左面板上分别设有若干给排水孔(6)，用于通过改变左侧水槽(4)和右侧水槽(5)内的水位模拟库水位变动；所述自重式水平加载机构设置于右侧水槽(5)的上方，用于承载重物，向框梁式试验台架内的滑坡模型施加水平荷载。
2.根据权利要求I所述的多エ况框架式滑坡地质力学模型轻便试验装置，其特征在于所述自重式水平加载机构包括承载平台(8)和由支撑杆(7)支撑于右侧水槽(5)上方的滑槽(9)，滑槽(9)向框梁式试验台架倾斜，倾斜方向与滑坡模型后缘滑带方向一致，所述承载平台(8)的底面与滑槽(9)配合、可沿滑槽(9)自由滑动。
3.根据权利要求2所述的多エ况框架式滑坡地质力学模型轻便试验装置，其特征在干所述承载平台(8)上固定有阻滑块(10)，阻滑块(10)沿承载平台(8)底面的延伸方向设置且末端呈钩状，用于钩住滑槽(9)以对承载平台(8)的滑动限位。
4.根据权利要求I至3中任ー权利要求所述的多エ况框架式滑坡地质力学模型轻便试验装置，其特征在于所述前面板(11)为固定在金属边框上的钢化玻璃面板，前面板(11)一侧通过固定铰链(12)与长方体框架连接。
5.根据权利要求I至3中任ー权利要求所述的多エ况框架式滑坡地质力学模型轻便试验装置，其特征在于所述后面板(15)上设有加劲杆(16)，用于增加框梁式试验台架的刚度。
6.根据权利要求I至3中任ー权利要求所述的多エ况框架式滑坡地质力学模型轻便试验装置，其特征在于所述底板(13)下方设有若干滚轮(14)。
7.根据权利要求I至3中任ー权利要求所述的多エ况框架式滑坡地质力学模型轻便试验装置，其特征在于所述喷管(I)为PVC管。
8.根据权利要求I至3中任ー权利要求所述的多エ况框架式滑坡地质力学模型轻便试验装置，其特征在于所述左侧水槽(4)和右侧水槽(5)上的给排水孔(6)分别在不同高度处设有多排。
全文摘要
一种多工况框架式滑坡地质力学模型轻便试验装置，属于地质灾害模型试验领域，包括框梁式试验台架、降雨模拟器、库水位调节器和自重式水平加载机构；所述框梁式试验台架主要由长方体框架、前面板、后面板和底板构成；所述降雨模拟器设置于框梁式试验台架顶部，包括若干组喷管和设置于喷管上的喷头，用于在框梁式试验台架内模拟降雨；所述库水位调节器包括分别设置于框梁式试验台架左、右两侧的左侧水槽和右侧水槽，所述左侧水槽的右面板和右侧水槽的左面板上分别设有若干给排水孔，用于通过改变左侧水槽和右侧水槽内的水位模拟库水位变动；所述自重式水平加载机构设置于右侧水槽的上方，用于承载重物，向框梁式试验台架内的滑坡模型施加水平荷载。
文档编号G01V9/00GK102681028SQ201210180080
公开日2012年9月19日 申请日期2012年6月4日 优先权日2012年6月4日
发明者刘庆涛, 唐辉明, 夏浩, 宋德文, 李长冬, 王亮清, 程昊, 胡新丽, 雍睿, 雷国平, 马俊伟 申请人:中国地质大学(武汉)