一种考虑降雨入渗的覆盖层边坡渗流特征及稳定性试验模型的制作方法

本发明涉及一种可以模拟不同基岩角度、不同基岩摩擦系数的覆盖层边坡室内试验模型，特别是涉及一种用于公路两侧覆盖层边坡领域进行边坡渗流特征分析，变形分析以及稳定性分析的试验装置。

背景技术：

覆盖层边坡是指在基岩之上覆盖多层土质的一种土岩混合边坡，在不同地质条件下基岩角度、基岩性质、覆盖层分层特性、覆盖层厚度等均有所不同。

目前，边坡失稳、垮塌等地质灾害已经成为公路、铁路和房建等领域不可忽视的问题，由边坡滑动尤其是覆盖层边坡上覆土体的滑动引起的各种事故时有发生。尤其是高速公路沿线覆盖层边坡，其在降雨与地下水变化过程中的渗流状态、变形与稳定性相比于完全土质边坡、完全岩质边坡有很大不同。不同的基岩角度对稳定性有很大的影响，对于土-岩界面来讲，不同的摩擦系数与渗透系数也会对边坡渗流特性造成一定影响，不同的土层厚度，土层分层状态都是对边坡稳定性产生影响的关键因素。所以本实验装置以及试验方法对今后的覆盖层边坡渗流特征及稳定性方面的研究具有重大意义。

现有的传统的对边坡进行室内模型试验的试验方法主要是均一土坡模型以及单一角度边坡模型。均一土坡模型即是将边坡土完全填入模型箱内，然后制成边坡，单一角度边坡模型是指试验模型只能够采用一种角度，而且不能折弯成其他角度，这样就对试验手段带来了局限性。

现有边坡室内试验模型的缺点是，首先，以上两种方式均只能模拟单一角度的边坡，而在工程实际中基岩角度会有各种变化，基岩并非一条直线，而是在不同位置存在一定的角度。其次，这两种试验方式无法模拟土层与岩层相交的界面，而实际上土-岩界面作用对边坡稳定性会产生极大影响。因此，设计一种允许调整不同基岩角度的，并且可以更换基岩材料的新型室内模型试验装置来替代传统的试验是十分必要的。

技术实现要素：

本发明要解决的第一个技术问题是设计一种能够真实地模拟覆盖层边坡基岩角度以及土-岩接触面的，并且便于使用、便于观察的覆盖层边坡室内试验模型。

为了解决上述技术问题，本发明提供的覆盖层边坡室内试验模型，在钢槽左右两侧固定有有机玻璃板，所述的有机玻璃板上的特定位置设有钻孔，上方挡土板与上基岩板之间采用转轴连接，所述的上基岩板与下基岩板之间采用所述的转轴连接，所述的下基岩板与下挡土板之间采用所述的转轴连接，所述的转轴插入所述有机玻璃板上的特定孔位。所述下挡土板的下部由支撑柱所支撑。所述降雨装置放置于钢槽外部，水泵放置于水箱中，通过水管与降雨装置连接并为其供水，监测装置埋设于土层中，根据需要可设置张力计，孔压计等。

所述的有机玻璃板由有机玻璃制成，其厚度为0.04m，其上部打孔方式为，距板底部1.2m、右侧2m的板中心位置钻有半径为0.04m的圆孔，其余圆孔的圆心位于以中心孔为圆心，1.5m为半径的圆弧上，左上设置4个、右下设置4个，各圆孔之间的角度为15°，各圆孔半径为0.04m。

所述的支撑柱为能控制、调节高度的支撑柱。

所述的降雨装置可以调节自身高度，并且在横梁上部设置20个可调节流速的喷头,模拟降雨可以完全覆盖下方装置上的土层。

采用上述技术方案的覆盖层边坡室内试验模型，首先将模拟基岩材料与覆盖层土体准备好。将上挡土板、上下基岩板、下挡土板按照一定顺序与角度和钢槽、有机玻璃板组装成整体，调节支撑柱的高度。将基岩材料填在基岩板之上，将土层填筑在基岩材料以及挡土板之上，布设监控装置。然后按照设计方案对边坡进行降雨，得到结果后将土层以及基岩材料去掉，将转轴抽出，调整基岩板角度进行不同基岩角度的试验，或者更换基岩材料与土层材料，进行不同方案的试验。有机玻璃上的不同角度的孔位可调整为16种角度组合的基岩状态，从而达到真实模拟基岩状态的效果。该装置结构设计合理，容易安装，使用简便，可以较为真实地模拟覆盖层边坡在不同条件下的渗流、变形及稳定性。

本发明提供的覆盖层边坡室内试验模型的试验方法，实验步骤如下：

步骤一、检查实验装置是否完整可用，准备试验所需的基岩材料，准备试验所需覆盖层土；

步骤二、将试验用基岩材料按照一定方案填充在上基岩板（4）与下基岩板（5）的凹槽内；

步骤三、按照一定的角度将上挡土板（3）、上基岩板（4）、下基岩板（5）、下挡土板（6）安装在钢槽（1）与有机玻璃板（2）上，将支撑柱（8）调整好高度，支撑住下挡土板。

步骤四、将准备好的试验用覆盖层土按照一定的方案放置于基岩板与挡土板之上；

步骤五、将降雨装置（9）放置于边坡模型的上方，根据试验所需调整高度与喷头出水速度，打开水泵，按照一定方案对覆盖层边坡模型进行降雨。

步骤六、采用检测装置（11）按照一定方案测试土层中的渗流状态、变形状态等，观察边坡的破坏状态，也可以通过玻璃板观察覆盖层土体中的浸润线变化状态。

步骤七、将试验完成的土样撤下，将基岩板上的模拟基岩材料去除，调整基岩板的角度或者基岩性质，重复步骤二到步骤六。

采用上述技术方案的覆盖层边坡室内试验模型及试验方法，本发明的创新之处在于：覆盖层边坡室内试验模型的侧面有机玻璃板上进行了打孔设计，这样可以通过调节转轴的位置来模拟不同的基岩角度，在基岩板上设置了凹槽，可以更换所用模拟基岩材料，这样可以更真实地模拟基岩与土层的磨擦作用。

本发明是一种用于分析覆盖层-基岩边坡渗流特征、变性特征与稳定性的装置及其试验方法，通过改变转轴在两侧有机玻璃的插入位置来改变基岩角度，通过改变基岩板上模拟基岩的摩擦系数来改变土层与岩层之间的作用状态，从而得到在基岩角度变化以及基岩性质变化影响下的边坡渗流状态、变形状态及稳定性。以便于对覆盖层边坡在极端气候条件下产生滑坡的机理的研究。

综上所述，本发明是一种能较为真实地模拟不同基岩角度、不同基岩摩擦系数的覆盖层边坡室内试验装置及其试验方法。

附图说明

图1是本发明整体侧视图

图2是本发明钢槽的结构示意图。

图3是本发明有机玻璃板示意图。

图4是本发明上、下挡土板示意图。

图5是本发明上、下基岩板示意图。

图6是本发明连接杆示意图。

图7是本发明支撑柱示意图。

图8是本发明降雨装置图

图9是本发明主体三维透视图。

具体实施方式

下面结合附图，详细说明一种模拟地下水周期循环状态下的土层沉降测试仪的具体实施方式。

如图1、图2、图3、图4、图5和图6所示，在钢槽（1）左右两侧固定有有机玻璃板（2），所述的有机玻璃板（2）上的特定位置设有钻孔，上方挡土板（3）与上基岩板（4）之间采用转轴（7）连接，所述的上基岩板（4）与下基岩板（5）之间采用所述的转轴（7）连接，所述的下基岩板（5）与下挡土板（6）之间采用所述的转轴（7）连接，所述的转轴（7）插入所述有机玻璃板（2）上的特定孔位。所述下挡土板（6）的下部由支撑柱（8）所支撑。所述降雨装置（9）放置于钢槽（1）外部，水泵（10）放置于水箱中，通过水管与降雨装置（9）连接并为其供水，监测装置（11）埋设于土层中，根据需要可设置张力计，孔压计等。

具体的，钢槽（1）由钢材制成，其主视形状为“L”形，尺寸为整体高2.41m，钢板厚0.01m，宽为4.11m，侧向长度为4.11m。所述的有机玻璃板（2）由有机玻璃制成，其厚度为0.04m，其上部打孔方式为，距板底部1.2m、右侧2m的有机玻璃板的中心位置钻有半径为0.04m的圆孔，其余圆孔的圆心位于以中心孔为圆心，1.5m为半径的圆弧上，左上设置4个、右下设置4个，各圆孔之间的角度为15°，各圆孔半径为0.04m。所述的上挡土板（3）与下挡土板（6）由钢材制成，其尺寸为长4m，宽1.5m，厚0.005m上挡土板（3）一侧设有连接用的套筒，套筒内径为0.035m，套筒内径为0.04m，套筒长度为0.4m，套筒间距为0.7m。所述的上基岩板（4）和下基岩板（5）由钢材制成，侧视图呈“凹”形，板厚0.005m，凹进部分尺寸为长4m，宽1.2m，高0.1m，凹槽内可以填充水泥、岩石等模拟基岩的材料。基岩板两侧设有连接用的套筒，套筒内径为0.035m，套筒外径为0.04m，套筒长度为0.4m，套筒间距为0.7m。所述的转轴（7）采用钢材制成，其长度为4.4m，内径为0.025m，外径为0.03m。在转轴与有机玻璃孔相接触的地方可以设置有垫片，以防止材料磨损。所述的支撑柱（8）为能控制、调节高度的支撑柱（8）。所述的降雨装置（9）可以调节自身高度，并且在横梁上部设置20个可调节流速的喷头,模拟降雨可以完全覆盖下方装置上的土层。

如图6所示，土层沉降测试仪的试验方法，实验步骤如下：

步骤一、检查实验装置是否完整可用，准备试验所需的基岩材料，准备试验所需覆盖层土；

步骤二、将试验用基岩材料按照一定方案填充在上基岩板（4）与下基岩板（5）的凹槽内；

步骤三、按照一定的角度将上挡土板（3）、上基岩板（4）、下基岩板（5）、下挡土板（6）安装在钢槽（1）与有机玻璃板（2）上，将支撑柱（8）调整好高度，支撑住下挡土板。

步骤四、将准备好的试验用覆盖层土按照一定的方案放置于基岩板与挡土板之上；

步骤五、将降雨装置（9）放置于边坡模型的上方，根据试验所需调整高度与喷头出水速度，打开水泵，按照一定方案对覆盖层边坡模型进行降雨。

步骤六、采用检测装置（11）按照一定方案测试土层中的渗流状态、变形状态等，观察边坡的破坏状态，也可以通过玻璃板观察覆盖层土体中的浸润线变化状态。

步骤七、将试验完成的土样撤下，将基岩板上的模拟基岩材料去除，调整基岩板的角度或者基岩性质，重复步骤二到步骤六。