侧向非均匀加载条件下降雨边坡模型实验装置的制作方法

本实用新型属于岩土工程测试技术领域，具体涉及一种侧向非均匀加载条件下降雨边坡模型实验装置，该装置用于边坡工程领域中在侧向非均匀加载条件下降雨边坡的模型试验研究。

背景技术：

滑坡是一种常见的地质灾害，其频发性与严重性惊人。我国是一个多山国家，滑坡频繁，给工农业生产以及人民生活造成巨大损失，有的甚至是毁灭性的灾难。滑坡研究一直是灾害领域的研究重点，而降雨是诱发滑坡的主要因素之一。深入研究降雨条件下边坡失稳规律对滑坡灾害预测和防治具有重要的理论意义和工程实用价值。而室外现场试验通常受场地、天气条件以及人为因素等影响，成本较大且费时较长；室内边坡模型试验具有成本低和易操作性等优点，是揭示滑坡形成机理及规律的重要方法，可直观的观测到边坡变形破坏过程，为滑坡研究提供了重要依据。

目前，国内外降雨滑坡模型装置功能比较单一，大多数装置无法实现多种因素对边坡稳定的影响。在对现有的边坡降雨模型进行破坏试验时，所考虑的外部影响因素并不全面，其忽略了自然界中边坡由于侧向荷载产生的侧向位移。而忽略了侧向位移的降雨边坡模型试验，所得出的试验数据是不全面的，因为边坡的稳定性必然受到侧向位移的影响。因此，有必要将产生的侧向位移考虑到边坡模型试验中，以提高边坡稳定性研究的可靠性。

在对单一的加载试验装置的改进实践过程中，也出现了一些实现侧向加载的设计，但大多都是对模型边坡一侧土体采用整体均匀加载而使边坡产生相同的变形位移，不符合边坡变形的实际情况。对于边坡降雨试验，虽然已有一些人工模拟降雨系统，但存在支架固定难以调节、动能与天然降雨差异大和降雨强度不易调控等问题。

技术实现要素：

本实用新型的目的是解决目前边坡降雨模型试验中外部影响因素单一、模拟不符合边坡实际变形特征、支架固定难以调节、动能与实际降雨差异大以及降雨强度不易调控等问题。

为此，本实用新型提供了一种侧向非均匀加载条件下降雨边坡模型实验装置，包括模型箱，模型箱是由侧板、正面板、挡板和背面板首尾相接围绕成的立方箱体，模型箱的底部是底板，顶部敞口，还包括降雨模拟系统和侧向非均匀加载系统，降雨模拟系统安装在模型箱的顶部，侧向非均匀加载系统由位于模型箱外的液压设备、油缸支座以及位于模型箱内的压板组成，液压设备通过压力胶管与油缸支座连接，油缸支座安装在侧板的外壁上，油缸支座上的活塞穿过侧板伸入模型箱内与压板的上端铰接，压板的下端与连杆支座铰接，连杆支座安装在侧板的下端，连杆支座和活塞均与压板的同一面铰接并牵拉压板，使压板面向挡板呈倾斜状置于模型箱内，压板与挡板相对的一面均匀间隔固定有多个电阻式微型土压力计，电阻式微型土压力计连接着电阻应变测试仪。

所述底板上焊接着立方形的金属框架，侧板、正面板、挡板和背面板固定贴合在金属框架的四个面，四个板与金属框架之间的缝隙采用密封胶填充，正面板和背面板之间设有竖向支撑，竖向支撑焊接在金属框架上，所述正面板采用钢化玻璃制成，在正面板上设有坐标网格。

所述降雨模拟系统包括槽钢、降雨支架、供水管路、水箱、电磁管路开关、稳压器、水表以及电动流量调节阀；

槽钢通过螺栓固定扣在金属框架的顶部，降雨支架焊接在槽钢的背面，供水管路固定设置在降雨支架顶部，供水管路上等间距开设有若干个喷孔，供水管路的末端连接着水泵，水泵伸入水箱内，电磁管路开关、稳压器、水表以及电动流量调节阀依次串接在供水管路上，电磁管路开关设在靠近水泵一端。

所述液压设备包括油箱和安装在油缸支座上的油缸，油缸通过压力胶管连接着方向控制阀，方向控制阀和油箱之间设有两条管线，分别是进油管线和回油管线，进油管线上依次串接着粗滤油器、油泵、单向阀、压力表，粗滤油器安装在油箱的出口，单向阀安装在油泵出口，油泵还连接着电动机，回油管线上串接着滤油器，滤油器的入口与进油管线之间连接有溢流阀。

所述降雨支架是由多根竖直方钢和多根水平方钢通过螺栓连接组成，其中竖直方钢成对且垂直焊接在槽钢的背面，且每一根竖直方钢沿其长度方向开设有多个小孔，水平方钢插接在每一对竖直方钢上的小孔内，供水管路固定在水平方钢上。

所述模型箱的底板上安装有万向轮，底板上还开设有排水孔，排水孔连接有排水管，排水管内安装滤网，排水管的末端安装排水开关。

所述压板与侧板、正面板和背面板接触处均设有密封圈。

一种侧向非均匀加载条件下降雨边坡模型实验方法，首先将边坡模型置于模型箱内，开启电磁管路开关，通过电动流量调节阀调节控制降雨量，开设降雨试验；然后开启电动机，通过压板对边坡模型进行侧向非均匀加载，电阻式微型土压力计采集压力并将压力数据传输给电阻应变测试仪，降雨试验结束，关闭电磁管路开关；最后打开排水开关，排出模型箱内的积水。

本实用新型的有益效果：1. 本实用新型装置操作简单，功能齐全，能够模拟侧向非均匀加载条件下的降雨边坡模型试验，外部影响因素考虑全面，有效地提高了边坡稳定性研究的可靠性。

2. 本实用新型中侧向非均匀加载方式实现了边坡变形过程中上部位移大、下部位移小的特点，较真实地模拟了边坡的实际变形特征，解决了以往整体均匀加载中边坡变形不符合实际的问题。

3. 本实用新型降雨支架采用可调高度式设计，在不同降雨类型条件下，能保证模拟雨滴速度与天然降雨雨滴速度相一致，能较好的模拟天然降雨，能满足不同高度和不同坡度边坡模型的降雨边坡模型试验。

4. 本实用新型采用电动流量调节阀的设计，能快速调节降雨强度，且简单方便。降雨系统采用管网式设计，在降雨高度不变时，降雨动能与降雨强度有着很好的线性相关关系，降雨动能与天然降雨接近。相比喷嘴式设计，操作和运行简便。

5. 本实用新型中侧向非均匀加载采用液压系统控制，压板加载速度通过溢流阀调节，操作简便且压力值稳定。

6. 本实用新型中模型箱装有钢化玻璃透明的正面板，正面板上设置有坐标网格，在降雨滑坡试验过程中，能够以坐标网格为参照，准确观测边坡变形破坏过程，记录边坡位移、降雨入渗深度及滑动面位置。

7. 本实用新型中降雨支架采用螺栓连接的设计，有利于降雨支架设备的组装、拆卸与运输。

8. 本实用新型模型箱主体采用焊接处理，强度高，并能有效地防止渗水。

9. 本实用新型模型箱底部装有万向轮，便于移动。

以下将结合附图对本实用新型做进一步详细说明。

附图说明

图1是侧向非均匀加载条件下降雨边坡模型试验装置的主视图。

图2是侧向非均匀加载条件下降雨边坡模型试验装置的右视图。

图3是侧向非均匀加载条件下降雨边坡模型试验装置的俯视图。

图4是液压设备结构示意图。

图5是降雨系统结构示意图。

图6是降雨支架竖直方钢示意图。

附图标记说明：1、模型箱；2、压板；3、密封圈；4、连杆支座；5、液压设备；6、油缸支座；7、竖向支撑；8、万向轮；9、滤网；10、排水开关；11、正面板；12、金属框架；13、坐标网格；14、进油管线；15、槽钢；16、降雨支架；17、回油管线；18、供水管路；19、挡板；20、电阻式微型土压力计；21、背面板；22、侧板；23、电阻应变测试仪；24、底板；25、排水孔；26、粗滤油器；27、油泵；28、油箱；29、电动机；30、单向阀；31、滤油器；32、溢流阀；33、压力表；34、方向控制阀；35、压力胶管；36、油缸；37、活塞；38、喷孔；39、水泵；40、水箱；41、电磁管路开关；42、稳压器；43、水表；44、电动流量调节阀；45、边坡模型。

具体实施方式

实施例1：

本实施例提供了一种如图1所示的侧向非均匀加载条件下降雨边坡模型实验装置，包括模型箱1，模型箱1是由侧板22、正面板11、挡板19和背面板21首尾相接围绕成的立方箱体，模型箱1的底部是底板24，顶部敞口，其特征在于：还包括降雨模拟系统和侧向非均匀加载系统，降雨模拟系统安装在模型箱1的顶部，侧向非均匀加载系统由位于模型箱1外的液压设备5、油缸支座6以及位于模型箱1内的压板2组成，液压设备5通过压力胶管35与油缸支座6连接，油缸支座6安装在侧板22的外壁上，油缸支座6上的活塞37穿过侧板22伸入模型箱1内与压板2的上端铰接，压板2的下端与连杆支座4铰接，连杆支座4安装在侧板22的下端，连杆支座4和活塞37均与压板2的同一面铰接并牵拉压板2，使压板2面向挡板19呈倾斜状置于模型箱1内，压板2与挡板19相对的一面均匀间隔固定有多个电阻式微型土压力计20，电阻式微型土压力计20连接着电阻应变测试仪23。

需要说明的是，以下所述的方向均为参照附图1进行的描述，模型箱1左侧装有侧向非均匀加载系统，侧向非均匀加载系统包括压板2、油缸支座6和液压设备5。在侧板22外侧上部焊接油缸支座6，在侧板22内侧底部焊接连杆支座4。压板2上端左侧与安装在油缸支座6上的活塞37铰接，压板2下端通过连杆支座4和模型箱1左侧底部铰接。压板2右侧固定有若干个电阻式微型土压力计20。油缸支座6与液压设备5通过压力胶管35相连接。通过液压设备5改变压力胶管35中的油压，来调节油缸支座6上的油缸活塞37，对压板2进行控制。

本实用新型在进行侧向非均匀加载条件下的降雨滑坡试验时步骤如下：

首先准备好用于制作边坡模型45的试验用土，根据控制的干密度和分层填筑厚度预先估计需要的土量；在边坡模型45填筑前，对雨滴粒径、均匀度和降雨强度等指标进行率定；根据试验设计的边坡模型45逐步填土，为了尽最大可能的保持坡体的均质性，填筑应分层填筑，逐层夯实；开启降雨模拟系统，并根据试验方案中设定的压力值，开启侧向非均匀加载系统，通过压板2对边坡模型45进行侧向非均匀加载，电阻式微型土压力计20连接有电阻应变测试仪23进行采集压力变化；降雨过程中可通过正面板11上的坐标网格13观测记录边坡的变形和破坏情况；降雨试验结束，完成侧向非均匀加载条件下的降雨滑坡试验。

本实用新型中侧向非均匀加载方式实现了边坡变形过程中上部位移大、下部位移小的特点，较真实地模拟了边坡的实际变形特征，解决了以往整体均匀加载中边坡变形不符合实际的问题。侧向非均匀加载采用液压系统控制，压板加载速度通过溢流阀调节，操作简便且压力值稳定。

实施例2：

在实施例1的基础上，如图1所示，所述底板24上焊接着立方形的金属框架12，侧板22、正面板11、挡板19和背面板21固定贴合在金属框架12的四个面，四个板与金属框架12之间的缝隙采用密封胶填充，正面板11和背面板21之间设有竖向支撑7，竖向支撑7焊接在金属框架12上，所述正面板11采用钢化玻璃制成，在正面板11上设有坐标网格13。

模型箱1的金属框架12采用焊接处理，侧板22采用钢板制作，焊接固定在模型箱1侧面，在模型箱1的正面中间设置有竖向支撑7，焊接在金属框架12内，正面板11用钢化玻璃制作，在正面板11四周打有若干个孔，用螺栓连接在模型箱1上，四周孔隙用密封胶填充，正面板11上还设置坐标网格13，通过坐标网格13观测边坡变形破坏过程，记录边坡位移及滑动面位置。模型箱1主体采用焊接处理，强度高，并能有效地防止渗水。

实施例3：

在实施例2的基础上，所述降雨模拟系统包括槽钢15、降雨支架16、供水管路18、水箱40、电磁管路开关41、稳压器42、水表43以及电动流量调节阀44；

槽钢15通过螺栓固定扣在金属框架12的顶部，降雨支架16焊接在槽钢15的背面，供水管路18固定设置在降雨支架16顶部，供水管路18上等间距开设有若干个喷孔38，供水管路18的末端连接着水泵39，水泵39伸入水箱40内，电磁管路开关41、稳压器42、水表43以及电动流量调节阀44依次串接在供水管路18上，电磁管路开关41设在靠近水泵39一端。

如图5所示，降雨模拟系统包括降雨支架16、供水管路18、喷孔38、水泵39、水箱40、电磁管路开关41、稳压器42、水表43以及电动流量调节阀44。供水管路18采用Φ25的PVC承压管，所有管路连接均采用热熔处理。在供水管路18上打有若干个喷孔38，其中喷孔38直径1 mm, 相邻喷孔间距10 cm。水泵39可以给降雨模拟系统提供动力。水箱40用来储备试验用水。电磁管路开关41的作用是自动控制喷孔38开关，起到避免非降雨过程滴水及调试过程关闭的作用。稳压器42的作用是稳定水流的压力。水表43可以显示试验用水量。能通过电动流量调节阀44调节控制降雨量大小。降雨支架16采用方钢制作，底部焊接在槽钢15背面，并将槽钢15扣在模型箱1顶部，并用螺栓稳固，保证降雨支架16的稳定性。降雨支架16其它部位连接均采用螺栓连接。供水管路18用铁丝绑扎在降雨支架16顶部。

本实用新型采用电动流量调节阀的设计，能快速调节降雨强度，且简单方便。降雨系统采用管网式设计，在降雨高度不变时，降雨动能与降雨强度有着很好的线性相关关系，降雨动能与天然降雨接近。相比喷嘴式设计，操作和运行简便。降雨支架采用螺栓连接的设计，有利于降雨支架设备的组装、拆卸与运输。

实施例4：

在实施例1的基础上，所述液压设备5包括油箱28和安装在油缸支座6上的油缸36，油缸36通过压力胶管35连接着方向控制阀34，方向控制阀34和油箱28之间设有两条管线，分别是进油管线14和回油管线17，进油管线14上依次串接着粗滤油器26、油泵27、单向阀30、压力表33，粗滤油器26安装在油箱28的出口，单向阀30安装在油泵27出口，油泵27还连接着电动机29，回油管线17上串接着滤油器31，滤油器31的入口与进油管线14之间连接有溢流阀32。

如图4所示，液压设备5由粗滤油器26、油泵27、油箱28、单向阀30、滤油器31、溢流阀32、压力表33、方向控制阀34、油缸36、活塞37以及连接这些元件的压力胶管35组成。压板2施加非均匀荷载时，油泵27由电动机29驱动后，从油箱28中吸油。油经过粗滤油器26进入油泵27，油在泵腔中从入口低压到出口高压，压力值可由精密压力表33测量。油液经过单向阀30，通过溢流阀32对油压的调节，然后经过方向控制阀34进入油缸36左腔，推动活塞37使压板2向右移动。这时，油缸36右腔的油经压力胶管35、方向控制阀34和滤油器31排回油箱28。压板2停止施加不均匀荷载时，调节方向控制阀34，压力胶管35中的油将经过方向控制阀34进入油缸36右腔、推动活塞37使压板2向左移动，并使油缸36左腔的油经方向控制阀34、压力胶管35和滤油器31排回油箱28。

本实用新型中侧向非均匀加载采用液压系统控制，压板2加载速度通过溢流阀32调节，操作简便且压力值稳定。

实施例5：

如图2、图3和图6所示，所述降雨支架16是由多根竖直方钢和多根水平方钢通过螺栓连接组成，其中竖直方钢成对且垂直焊接在槽钢15的背面，且每一根竖直方钢沿其长度方向开设有多个小孔，水平方钢插接在每一对竖直方钢上的小孔内，供水管路18固定在水平方钢上。

降雨支架16上每隔20cm有一个孔径12mm的孔，通过螺栓将水平方钢固定于不同孔上，来实现调整降雨高度。

实施例6：

在实施例1的基础上，如图1或图2所示，所述模型箱1的底板24上安装有万向轮8，底板24上还开设有排水孔25，排水孔25连接有排水管，排水管内安装滤网9，排水管的末端安装排水开关10。

模型箱1底部装有4个万向轮8，万向轮8通过螺栓连接在模型箱1底部。模型箱1底部右侧设有排水孔25，排水孔25下部装有排水开关10，并设置滤网9以防止土样冲走或堵塞排水孔25。

实施例7：

在实施例1的基础上，如图2所示，所述压板2与侧板22、正面板11和背面板21接触处均设有密封圈3。模型箱1右侧未密闭，焊接有挡板19。压板左侧、下侧和右侧均设置有密封圈3，并能有效地防止边坡模型45与模型箱1左侧之间相互渗水。

实施例8：

本实施例提供了一种侧向非均匀加载条件下降雨边坡模型实验方法，首先将边坡模型45置于模型箱1内，开启电磁管路开关41，通过电动流量调节阀44调节控制降雨量，开设降雨试验；然后开启电动机29，通过压板2对边坡模型45进行侧向非均匀加载，电阻式微型土压力计20采集压力并将压力数据传输给电阻应变测试仪23，降雨试验结束，关闭电磁管路开关41；最后打开排水开关10，排出模型箱1内的积水。

具体的，本实用新型在进行侧向非均匀加载条件下的降雨滑坡试验时步骤如下：

一、首先准备好用于制作边坡模型45的试验用土，根据控制的干密度和分层填筑厚度预先估计需要的土量；

二、在边坡模型45填筑前，对雨滴粒径、均匀度和降雨强度等指标进行率定；

三、 根据试验设计的边坡模型45逐步填土，为了尽最大可能的保持坡体的均质性，填筑应分层填筑，逐层夯实；

四、完成边坡模型45的填筑后，根据试验设计降雨量，首先在水箱40储备好试验用水，记录水表43的初始值，打开电磁管路开关41，通过电动流量调节阀44调节控制雨量，开始降雨试验；

五、根据试验方案中设定的压力值，开启侧向非均匀加载系统，通过压板2对边坡模型45进行侧向非均匀加载，电阻式微型土压力计20连接有电阻应变测试仪23进行采集压力变化；

六、降雨过程中可通过正面板11上的坐标网格13观测记录边坡的变形和破坏情况；

七、降雨试验结束时，关闭电磁管路开关41，以避免供水管路18内残余水流对水土流失的影响，为防止喷孔38被杂质堵塞影响降雨的均匀性，每次降雨试验前先排放供水管路18内含杂质的积水，然后将降雨系统内的水压力调整到较大值，把积存在供水管路18内的杂质冲出。

以上例举仅仅是对本实用新型的举例说明，并不构成对本实用新型的保护范围的限制，凡是与本实用新型相同或相似的设计均属于本实用新型的保护范围之内。本实施例没有详细叙述的部件和结构属本行业的公知部件和常用结构或常用手段，这里不一一叙述。