本发明属于土木工程领域，涉及一种土质边坡抗侵蚀性的测量装置及方法，尤其涉及土质边坡在降雨冲刷情况下抗侵蚀性的测量装置及方法。
背景技术：
作为边坡工程、道路工程以及堤防工程等的建筑材料，土体直接暴露于大气环境中。土的含水率受环境变化、降水、水位交替等影响，边坡表层土体易产生侵蚀剥落和冲刷等病害，以至于破裂以及剥落进而降低工程稳定性。与岩质边坡不同，目前土质边坡最普遍的病害为坡面问题，伴随着大规模土木工程建设，由土质边坡坡面抗蚀性能降低而导致的坡体病害、局部滑坡和整体滑坡越来越多，造成经济损失严重危害人民生命安全。土质边坡坡面病害通常深度仅限于气候影响带内(约为1.5-2m)，由抗蚀性能不足引起的病害根据与自然条件的不同可分为侵蚀剥落与冲刷两种，其形成机理存在一定区别。
坡面侵蚀剥落出现于边坡的任何位置，一般为片状、鳞片状和层状剥落，形成原因包括坡面水分湿度变化(尤其向阳坡产生的干裂剥落表现更为突出)、坡脚拉压应力作用和风化干缩等，通常粉粒含量多、易溶盐含量高的土容易产生侵蚀剥落。坡面土层易风化剥落对边坡稳定不利，特别是古土壤层较厚且位于坡脚时更为不利；坡面剥落破坏除在坡脚形成凹形的反坡地形对坡体稳定有一定影响，如果不加以防护任由雨水下渗，会对边坡长期稳定性造成巨大影响；坡面剥落岩土体堵塞排水沟，影响整体排水性能。
坡面冲刷是指降雨及坡表水流破坏坡面表层土体造成冲沟、溜塌等现象。土质边坡的工程特性是干燥时强度较高，浸水后结构破坏，粘聚力迅速减小，变化幅度大，易水解剥落。坡面冲刷会引起大量的水土流失，土质边坡坡面冲刷与土层、土性、地形地貌条件、水文条件等有密切的关系。当降雨时间集中或者以暴雨形式出现，土质边坡极易受雨水及地表水的破坏；边坡采用台阶形式修筑时，排水处理不合理时也易引起冲刷破坏；降雨过后，坡面被分散的小径流冲成许多细密的小沟，坡度较陡且无植被的坡面上细沟侵蚀发育；当间歇性坡面流集中侵蚀冲刷，逐步形成浅沟侵蚀破坏坡面及平台。
土质边坡抗侵蚀性能并不是一个简单的物理或化学指标，而是一个综合性因子。因此，定量测量土质边坡抗侵蚀性不容易实现。现行的各类规范规程中尚未有评价土质边坡抗侵蚀性的试验方法，仅有土的湿化试验和边坡降雨试验能部分的测量和反映土质边坡的抗侵蚀性，并不能完全反映土质边坡的抗侵蚀性，仅能反映饱水(冲刷)状态下这一特殊情况，通过测量坡面土质某一参数作为土质边坡坡面抗侵蚀性指标。
土的湿化试验的基本原理是测量土体崩解过程中体积的变化，即在试验过程中将土样放入湿化仪中的网板中央，迅速浸入水筒中，开动秒表，测记开始时浮筒齐水面处刻度的瞬间稳定读数，然后再按照不同的时间间隔来测记浮筒水面的读数，计算崩解量与崩解速度。由于在试验过程中体积的变化量测误差比较大，而且需凭借肉眼观察瞬间读数，人为因素比较多，计算结果非常不准确，由于读数间隔大，并不能对土质边坡的冲刷特性进行预测。
边坡降雨试验是现场试验的一种，通过现场工程试验路段进行人工降雨冲刷试验，获取了不同的边坡冲刷破坏过程及其抗冲刷效果。一般试验需要测量4个内容：⑴测量降雨前、后及过程中边坡土体的含水量变化；⑵测量形成地表径流的时间；⑶测量在不同时段水样的含泥量；⑷观测坡面冲蚀沟的形成和演化规律。模拟降雨装置一般采用仰喷式模拟降雨机。降雨喷头的高度可根据实际情况自由调节，与天然降雨的相似性能达到80％。现场降雨试验能较真实的完成对边坡的冲刷问题分析，但降雨机理和降雨大小形式与天然降雨有一定区别，不能完全正确的反映实际问题，并且试验复杂繁琐费用很高。
技术实现要素：
本发明就是针对上述现有工程技术存在的困难，提供了一种有效利用实验室设备评价土质边坡坡面抗侵蚀性以及减少轻现场试验的工作量和费用的土质边坡在降雨冲刷情况下抗侵蚀性的测量装置及方法。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种土质边坡在降雨冲刷情况下抗侵蚀性的测量装置，其特征在于：所述土质边坡在降雨冲刷情况下抗侵蚀性的测量装置包括外部圆柱形支撑架、内部圆柱形支撑架、带网眼金属方格网、竖向连接支架、凹形容器以及天平；沿外部圆柱形支撑架的径向在外部圆柱形支撑架的顶部设置有横向连接支架；所述内部圆柱形支撑架从外部圆柱形支撑架的顶部插入外部圆柱形支撑架中并通过横向连接支架与外部圆柱形支撑架固定连接；所述竖向连接支架设置在内部圆柱形支撑架内部并沿内部圆柱形支撑架的轴向进行轴向移动；所述外部圆柱形支撑架罩于天平的外部；所述凹形容器设置在天平上；所述带网眼金属方格网设置在竖向连接支架的底部并悬空置于凹形容器中；待测量的边坡坡面土样置于带网眼金属方格网上。
作为优选，本发明所采用的外部圆柱形支撑架的中心、内部圆柱形支撑架的中心、凹形容器的中心以及天平的中心是同轴的。
作为优选，本发明所采用的凹形容器以及竖向连接支架均设置有固定刻度线。
作为优选，本发明所采用的土质边坡在降雨冲刷情况下抗侵蚀性的测量装置还包括用于测量竖向连接支架在侵入水中时固定刻度线以下部分体积的带刻度的烧杯。
作为优选，本发明所采用的土质边坡在降雨冲刷情况下抗侵蚀性的测量装置还包括设置在内部圆柱形支撑架上的可滑动齿轮；所述竖向连接支架通过可滑动齿轮设置在内部圆柱形支撑架内部并沿内部圆柱形支撑架的轴向进行轴向移动。
作为优选，本发明所采用的天平是分离式称重装置；所述天平包括称重平台、数据连接线以及自动采集记录仪；所述凹形容器置于天平的称重平台上；所述自动采集记录仪置于外部圆柱形支撑架外部；所述称重平台通过数据连接线与自动采集记录仪相连。
作为优选，本发明所采用的带网眼金属方格网中的单个网眼的面积不低于1cm2，所述带网眼金属方格网是截面为圆形的金属钢丝焊接而成。
作为优选，本发明所采用的天平的量程为1-10kg；所述天平的精度为0.01g；所述自动采集记录仪的自动记录时间为12h，所述自动采集记录仪的自动记录时间的时间间隔是0.5-1min/次。
一种基于如前所述的土质边坡在降雨冲刷情况下抗侵蚀性的测量装置的测量方法，其特征在于：所述测量方法包括以下步骤：
1)根据如前所述的土质边坡在降雨冲刷情况下抗侵蚀性的测量装置搭建测量装置；
2)采集待测量的边坡坡面土样；所述待测量的边坡坡面土样不得受压、受挤以及受扭；所述待测量的边坡坡面土样是在边坡坡面采集大块状土后在大块状土上切取的土样；所述待测量的边坡坡面土样的边长大于50mm；测量待测量的边坡坡面土样在试验开始前的质量m1，同时测量待测量的边坡坡面土样的密度ρs；
3)用带刻度的烧杯测量竖向连接支架在侵入水中时固定刻度线以下的竖向连接支架的体积Vj；将水注入凹形容器至凹形容器的固定刻度线，用天平测量凹形容器的质量以及存放于凹形容器中水的质量的和mr；
4)将待测量的边坡坡面土样置于带网眼金属方格网上，调节可滑动齿轮使带网眼金属方格网向上移动，将盛水的凹形容器放置于天平上方带网眼金属方格网下方；
5)调节滑轮使带网眼金属方格网迅速向下，当土样完全浸没在水中时，记录初始时间，记录天平在相同时间间隔的待测量的边坡坡面土样在试验进行中的即时质量mt，以及待测量的边坡坡面土样在试验结束后的质量m2；则土质边坡在降雨冲刷情况下总抗侵蚀性i的关系表达式是：
其中：
i是待测量的边坡坡面土样在降雨冲刷情况下的总侵蚀剥落程度；
m1是待测量的边坡坡面土样在试验开始前的质量；
m2是待测量的边坡坡面土样在试验结束后的质量；
t是试验过程中每次读数与试验开始的时间之差。
土质边坡在降雨冲刷情况下随时间的抗侵蚀性it关系表达式是：
其中：
ρw为水在4℃时的密度，一般取1g/cm3；
it是土质边坡在降雨冲刷情况下随时间的侵蚀剥落程度；
m1是待测量的边坡坡面土样在试验开始前的质量；
m是凹形容器的质量以及存放于凹形容器中水的质量的和；
r
Vj是竖向连接支架在侵入水中时固定刻度线以下的竖向连接支架的体积；
mt是在相同时间间隔的待测量的边坡坡面土样在试验进行中的即时质量；
ρs是待测量的边坡坡面土样的密度。
土质边坡在降雨冲刷情况下的所用的总时间为T；所述T的函数表达式是：
其中：
M是长度为L，宽度为W的待测量的边坡坡面土样允许冲刷含泥总质量；
是试验中即时得到的土样质量与时间的变化函数，即it对时间t的导数。
作为优选，本发明所采用的方法步骤5)之后还包括：
6)对步骤5)得到的实验数据进行分析处理，对于同一工程点参加统计的待测量的边坡坡面土样不小于6块，当试验结果的极差不超过其平均值的10％时，待测量的边坡坡面土样在降雨冲刷情况下的总侵蚀剥落程度i或土质边坡在降雨冲刷情况下随时间的侵蚀剥落程度iT取试验结果的平均值。
本发明的优点是：
本发明提供了一种土质边坡在降雨冲刷情况下抗侵蚀性的测量装置及方法，该测量装置包括外部圆柱形支撑架、内部圆柱形支撑架、带网眼金属方格网、竖向连接支架、凹形容器以及天平；沿外部圆柱形支撑架的径向在外部圆柱形支撑架的顶部设置有横向连接支架；内部圆柱形支撑架从外部圆柱形支撑架的顶部插入外部圆柱形支撑架中并通过横向连接支架与外部圆柱形支撑架固定连接；竖向连接支架设置在内部圆柱形支撑架内部并沿内部圆柱形支撑架的轴向进行轴向移动；外部圆柱形支撑架罩于天平的外部；凹形容器设置在天平上；带网眼金属方格网设置在竖向连接支架的底部并悬空置于凹形容器中；待测量的边坡坡面土样置于带网眼金属方格网上。该装置将试件迅速在水中饱和，测量土体的崩解和剥落程度，这与规范规程中的土的湿化试验原理相同，采取的装置与方法完全不同。在试验开始前测试土样质量质量，按照相关规范规程测量土土样的密度，用盛水带刻度烧杯测量红色标线以下竖向连接支架的体积；将天平放置于支架组合下方；将水注入凹形容器至固定刻度线，用天平测量凹形容器和其中盛水质量。将土样放置于带网眼金属方格网上，调节可滑动齿轮使带网眼金属方格网向上移动，将盛水的凹形容器放置于天平上方带网眼金属方格网下方。该装置结构简单，原理清晰，试验可操作性强，所需的配件易加工，成本低廉。根据本发明所记载的测量装置以及测量方法进行了多组试验，其结果明显，试验时间短，能清晰鉴别出不同土的抗侵蚀性。
附图说明
图1为本发明所提供的测量装置的结构示意图；
其中：
5-天平；6-称重平台；7-数据连接线；8-自动采集记录仪；10-内部圆柱形支撑架；11-外部圆柱形支撑架；12-带网眼金属方格网；13-横向连接支架；14-竖向连接支架；15-可滑动齿轮；16-凹形容器。
以下结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
参见图1，本发明提供了一种土质边坡在降雨冲刷情况下抗侵蚀性的测量装置，该土质边坡在降雨冲刷情况下抗侵蚀性的测量装置包括外部圆柱形支撑架11、内部圆柱形支撑架10、带网眼金属方格网12、竖向连接支架14、凹形容器16以及天平5；沿外部圆柱形支撑架11的径向在外部圆柱形支撑架11的顶部设置有横向连接支架13；内部圆柱形支撑架10从外部圆柱形支撑架11的顶部插入外部圆柱形支撑架11中并通过横向连接支架13与外部圆柱形支撑架11固定连接；竖向连接支架14设置在内部圆柱形支撑架10内部并沿内部圆柱形支撑架10的轴向进行轴向移动；外部圆柱形支撑架11罩于天平5的外部；凹形容器16设置在天平5上；带网眼金属方格网12设置在竖向连接支架14的底部并悬空置于凹形容器16中；待测量的边坡坡面土样置于带网眼金属方格网上。
本发明所提供的方法，将试件迅速在水中饱和，测量土体的崩解和剥落程度，这与规范规程中的‘土的湿化试验’原理相同，采取的装置与方法完全不同。在试验开始前测试土样质量质量m1，按照相关规范规程测量土土样的密度ρs，用盛水带刻度烧杯测量红色标线以下竖向连接支架的体积Vj；将天平放置于支架组合下方；将水注入凹形容器至固定刻度线，用天平测量凹形容器和其中盛水质量mr。将土样放置于带网眼金属方格网上，调节可滑动齿轮使带网眼金属方格网向上移动，将盛水的凹形容器放置于天平上方带网眼金属方格网下方。此时，支架受到的支撑力F1，天平对凹形容器和水的支撑力F2。则有：
F1＝mjg+m1g 公式(1)
F2＝mrg 公式(2)
根据力学原理，试验设备组成系统受力不变则有
F1+F2＝c＝mjg+m1g2+mrg 公式(3)
其中mj为支架组合的质量，其中c为常数，大小不变。
调节滑轮使带网眼金属方格网迅速向下，当土样完全浸没在水中时，土样分散在水中。记录初始时间，按照实际情况或试验要求记录天平在相同时间间隔的读数mT，待试验结束读取数据m2。
在试验过程中，对支架支撑力F1进行力学分析则有
F1+ρwg(Vj+V残留)＝mjg+m残留g 公式(4)
根据公式(3)和公式(4)，则有
F2＝mrg+ρwg(Vj+V残留)+m散落g 公式(5)
其中T时刻天平上称量质量为mT＝F2/g，并且m1＝m散落+m残留
将以上已知数据代入公式(5)则有
土质边坡在降雨冲刷情况下随时间的抗侵蚀性it可用公式(7)计算
其中：
ρw为水在4℃时的密度，一般取1g/cm3；
it是土质边坡在降雨冲刷情况下随时间的侵蚀剥落程度；
m1是待测量的边坡坡面土样在试验开始前的质量；
mr是凹形容器的质量以及存放于凹形容器中水的质量的和；
Vj是竖向连接支架在侵入水中时固定刻度线以下的竖向连接支架的体积；
mt是在相同时间间隔的待测量的边坡坡面土样在试验进行中的即时质量；
ρs是待测量的边坡坡面土样的密度。
m残留为试验时仍在带网眼金属方格网上试样的质量。
V残留为试验时仍在带网眼金属方格网上试样的体积。
m散落为试验时进入凹形容器的试样的质量。
t是试验过程中每次读数与试验开始的时间之差。
土质边坡在降雨冲刷情况下的所用的总时间为T，T的函数表达式是：
土质边坡在降雨冲刷情况下的总时间T反映了土的抗侵蚀总性能，时间越短抗侵蚀总性能越强。一般而言最终土块的质量m2为0。
其中：
M是长度为L，宽度为W的待测量的边坡坡面土样允许冲刷含泥总质量；
是试验中即时得到的土样质量与时间的变化函数，即it对时间T的导数。
对上述得到的实验数据进行分析处理，对于同一工程点参加统计的待测量的边坡坡面土样不小于6块，当试验结果的极差不超过其平均值的10％时，待测量的边坡坡面土样在降雨冲刷情况下的总侵蚀剥落程度i或土质边坡在降雨冲刷情况下随时间的侵蚀剥落程度iT取试验结果的平均值。
本发明一种测量土质边坡抗侵蚀性的试验方法，实施实例包括以下步骤，下面结合附图对本发明进行进一步详细描述。
实施例1：
仪器设备
支架组合：由内部圆柱形支撑架、外部圆柱形支撑、横向连接支架、竖向连接支架和滑动齿轮组成，其中内部圆柱形支撑架的高度大于外部圆柱形支撑架，内部圆柱形支撑架由4个竖向连接支架和两个环形组成。外部圆柱形支撑架通过横向连接支架与滑动齿轮刚性连接，横向连接支架、竖向连接支架通过可滑动齿轮连接，竖向连接支架可以上下自由活动，其上带有固定刻度线。
带网眼金属方格网：网眼面积一般为1cm2(可以更大，不允许过小)，方格网为金属钢丝焊接而成，表面光滑，截面形状为圆形(不宜为矩形)；
天平：分离式称重装置，由称重平台6、数据连接线7、自动采集记录仪8组成，量程1—10kg，精度为0.1g，自动记录时间为12h，每次记录时间间隔为0.5-1min/次。
凹形容器：容器深度需远大于土样高度3倍以上，容器面积需大于内部圆柱形支撑架底面积三倍以上，其上有固定刻度，每次注入水均到此刻度。
烧杯：带刻度普通烧杯，用于测量竖向连接支架刻度线以下的排水体积。
组装方式
天平放置于平台上，其上放置装水凹形容器，外部支撑架在平台上，内部支架悬空在凹形容器上方，天平、凹形容器和支架组合的中心需保持基本在同一轴线上。
试验步骤
1、采集土体土样，在取样过程中土样不得受压、受挤和受扭，在运输过程避免振动破坏土体结构。在土体土样上切取土，一般宜取6块以上，边长大于50mm的正方体。测量土土样质量m1，分别为285.0g、304.0g、324.0g、298.0g、316.0g和346.0g。按照相关规范规程测量土土样的密度ρs为1.64g/cm3。
2、将由外部支撑架、内部支撑架、带网眼金属方格网、横向连接支架、竖向连接支架和滑动齿轮按照图1所示连接。竖向连接支架上画一刻度线，要求每次位置调节到此刻度，利用带刻度烧杯测量此时支撑架的排水体积Vj＝6.4cm3。
3、将水注入凹形容器上至其上固定刻度线，用天平测量凹形容器和其中盛水质量mr＝4256g；
4、按照组装方式要求组装仪器。将土样放置于带网眼金属方格网上，调节滑轮使带网眼金属方格网迅速向下，当土样完全浸没在水中时，记录初始时间，按照实际情况或试验要求记录天平在相同时间间隔(一般为30s或者60s)的读数mt，待试验结束读取数据m2。由于数据量过大，本次试验试验间隔以2min表示，结果任意时刻mt如下表。
土质边坡在降雨冲刷情况下抗侵蚀性可用公式7计算如下。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。