模拟风雨气候滑坡桩结构体系变形及破坏试验系统、方法

本发明属于模拟风雨气候滑坡桩结构体系变形及破坏试验技术领域，更具体地，涉及模拟风雨气候滑坡桩结构体系变形及破坏试验系统及方法。

背景技术：

近年来，随着“西电东送”和全国联网工程项目的建设，实现跨大区域、跨流域的水火电互济，进行更大范围内的电力资源优化配置，对提高能源利用有重要意义。输电线路作为一种应用广泛的重要生命线工程，也是国家经济建设与发展的命脉之一。全国联网将覆盖我国的高海拔地区，作为输电线路重要组成部分的高压输电塔是重要的电力工程设施，不可避免的要架设在山脊、陡坡边缘、河边，这些区域坡体在内在因素和外在因素诱发下易引发滑坡灾害，导致电力杆塔倾斜、断线以及跳闸等电网事故。由于造价低、施工方便，输电塔的基础往往选择桩基础。研究成果表明，降雨是影响滑坡的关键因素，而大风则会加重桩基础的受力状态，影响桩基础的稳定性，因此，开展风雨气候条件下滑坡桩结构体系破坏全过程模拟的试验不仅造价比较便宜、具有良好的重复性和可操作性，而且对于研究滑坡桩结构体系的特征，揭示桩结构的成灾模式及机理，具有非常重要的理论意义和实际价值。

在现有的相关发明，如“降雨滑坡试验用通用模型槽装置(授权公告号：cn202631519u，授权公告日：2012.12.26)”、“实时量测降雨条件下牵引式滑坡滑动过程的模型试验装置(授权公告号：cn107247128b，授权公告日：2020.08.14)”、“一种多功能降雨滑坡室内试验装置(申请公告号：cn202010181897.8，申请公告日：2020.06.12)”和“一种可变角度的降雨滑坡模型试验设备(申请公告号：cn201911287861.1，申请公告日：2020.04.11)”等，都是模拟降雨条件下滑坡的变形，并没有涉及到滑坡桩结构体系，不能模拟和监测风雨作用下滑坡桩结构体系的变形及破坏全过程。

因此，本领域技术人员亟待研发出模拟和监测风雨作用下滑坡桩结构体系的变形及破坏全过程的技术方案。

技术实现要素：

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种模拟风雨气候滑坡桩结构体系变形及破坏试验系统及方法。

本发明公开了一种模拟风雨气候滑坡桩结构体系变形及破坏试验系统，包括：

用于放置滑坡桩结构体系的模型系统；

用于根据风雨需求向滑坡桩结构体系施加风雨氛围的风雨模拟系统；所述风雨模拟系统包括模拟控制器、风模拟机构和雨模拟机构，所述模拟控制器分别与所述风模拟机构、所述雨模拟机构连接，所述风模拟机构施加与风雨需求相匹配的载荷于桩结构，所述雨模拟机构施加与风雨需求相匹配的降雨于滑坡桩结构体系；

用于获取滑坡桩结构体系变形及破坏过程的图像的图像系统；

用于获取滑坡桩结构体系的桩结构的位移数据的位移机构；

用于获取滑坡桩结构体系的滑坡体的滑坡参数的滑坡传感器；以及，

用于采集位移数据和滑坡参数的数据采集系统；所述数据采集系统分别与所述位移机构、所述滑坡传感器连接。

可选地，所述风模拟机构包括可伸缩支撑架、可变角度固定架、启动器和传力杆；所述启动器和所述传力杆均安装于所述可变角度固定架，所述可变角度固定架安装于所述可伸缩支撑架，以实现所述传力杆与桩结构相对应并施加与风雨需求相匹配的载荷于桩结构；所述可伸缩支撑架安装于所述模型系统。

可选地，所述位移机构包括位移传感器、可伸缩支撑架和可变角度固定架；所述位移传感器安装于所述可变角度固定架，所述可变角度固定架安装于所述可伸缩支撑架，以实现所述位移传感器与桩结构相对应；所述可伸缩支撑架安装于所述模型系统。

可选地，所述雨模拟机构包括降雨喷头、喷头支架、喷水泵和水管；所述喷头支架安装于所述模型系统，所述降雨喷头安装于所述喷头支架，所述降雨喷头通过所述水管、所述喷水泵与水源连通。

可选地，所述数据采集系统分别与所述图像系统、所述风雨模拟系统连接。

可选地，所述模型系统包括由下而上依次设置的下部支架、模型箱和用于支撑所述雨模拟机构的降雨支架；所述模型箱为透明模型箱，其用于放置滑坡桩结构体系，所述透明模型箱对应滑坡桩结构体系设有泄水口；所述下部支架设有与泄水口连通的泄水槽。

可选地，所述降雨支架的外周侧设有围设有挡雨层；所述挡雨层的下方设有接雨槽，以承接于所述挡雨层滑落的雨；所述接雨槽与所述泄水槽连通。

可选地，所述泄水槽设有过滤器，使得所述泄水槽的水经所述过滤器过滤后形成所述雨模拟机构的水源。

本发明还公开了一种模拟风雨气候滑坡桩结构体系变形及破坏试验方法，其适用于上述任意一项所述的模拟风雨气候滑坡桩结构体系变形及破坏试验系统，包括步骤：

s1，将实际地形地貌和桩结构通过等比例缩尺构建的滑坡桩结构体系放置于模型系统；其中，滑坡传感器设置于滑坡桩结构体系的滑坡体；所述位移机构沿滑坡桩结构体系的坡向方向与桩结构相对应；

s2，模拟控制器获取风雨需求，所述模拟控制器根据风雨需求选择性地控制风模拟机构施加与风雨需求相匹配的载荷于桩结构、雨模拟机构施加与风雨需求相匹配的降雨于滑坡桩结构体系；

s3，图像系统获取滑坡桩结构体系变形及破坏过程的图像；

s4，数据采集系统采取所述位移机构获得的位移数据、所述滑坡传感器获得的滑坡参数。

可选地，步骤s4之后还包括：

当所述位移数据超出预设位移数据和/或所述滑坡参数超出预设滑坡参数时，执行步骤：

s5，标记对应时刻获取的图像。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：

1.本发明中，可实现不同降雨条件(不同降雨历时、强度及雨滴大小)、不同风速和风向、滑坡桩结构体系中不同位置的滑坡体与桩结构的变形失稳破坏的模拟；同时，本发明还可通过图像系统、位移机构和滑坡传感器实现多方位和多种信息探测，在时间尺度和空间尺度上更准确的把握滑坡桩结构体系变形失稳破坏演化规律。为开展风雨气候条件下滑坡桩结构体系破坏全过程模拟提供了技术支撑，不仅造价便宜、具有良好的重复性和可操作性、全自动智能化监测和监控、节约试验投入成本(人力成本和时间成本)且试验数据真实可靠科学，且对于研究滑坡桩结构体系的特征，揭示桩结构的成灾模式及机理具有非常重要的理论意义和实际价值。

2.本发明中，风模拟机构、位移机构均通过可伸缩支撑架和可变角度固定架实现其空间位置的改变，从而使得本发明满足于不同滑坡桩结构体系的变形及破坏试验，大大提高了本发明的实用性、适用性和使用率，从而降低本发明的使用成本。更优的，本发明还可实现整个系统的水循环使用，从而实现本发明全程无人监控自主试验，且节约水资源和使用成本。

附图说明

图1为本发明的模拟风雨气候滑坡桩结构体系变形及破坏试验系统的一种实施例结构示意图；

图2为本发明的模拟风雨气候滑坡桩结构体系变形及破坏试验系统的另一种实施例结构示意图。

在所有附图中，同样的附图标记表示相同的技术特征，具体为：1-降雨喷头、2-降雨支架、3-接雨槽、4-模型箱、5-水管、6-泄水口、7-滑坡传感器、71-土压力盒、72-孔隙水压力传感器、73-含水量传感器、8-下部支架、9-摄像机、10-泄水槽、11-软管、12-水桶、13-风雨模拟系统、14-数据采集系统、15-滑坡桩结构体系、16-透明侧板、17-可伸缩支撑架、18-可变角度固定架、19-桩结构、20-挡雨层、21-位移传感器、22-传力杆、23-滑坡体、24-基岩、25-滑带。

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。应当理解，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。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

在本发明的一种实施例中，如图1和2所示，一种模拟风雨气候滑坡桩结构体系15变形及破坏试验系统，包括：用于放置滑坡桩结构体系15的模型系统；用于根据风雨需求向滑坡桩结构体系15施加风雨氛围的风雨模拟系统13；风雨模拟系统13包括模拟控制器、风模拟机构和雨模拟机构，模拟控制器分别与风模拟机构、雨模拟机构连接，风模拟机构施加与风雨需求相匹配的载荷于桩结构19，雨模拟机构施加与风雨需求相匹配的降雨于滑坡桩结构体系15；用于获取滑坡桩结构体系15变形及破坏过程的图像的图像系统；用于获取滑坡桩结构体系15的桩结构19的位移数据的位移机构；用于获取滑坡桩结构体系15的滑坡体23的滑坡参数的滑坡传感器7；以及，用于采集位移数据和滑坡参数的数据采集系统14；数据采集系统14分别与位移机构、滑坡传感器7连接。

在实际应用中，滑坡桩结构体系15根据实际地形地貌和桩结构19通过等比例缩尺进行构建，如图2所示，滑坡桩结构体系15主要包括基岩24、滑坡体23以及基岩24和滑坡体23之间形成的滑带25，在模型系统内按设计尺寸填筑基岩24，在基岩24的滑面位置通过土工防水布或者石膏等进行铺填以形成滑带25，对于滑土体则按设计尺寸分层填筑土样并夯实至设定的密度，并通过环刀取样检测，确保填筑土样的均匀性，满足上述条件后按设计滑坡坡形进行削坡并刮毛。然后在滑坡体23的设定位置埋入桩结构19以及滑坡传感器7，桩结构19可根据实验需求设置于滑坡体23的不同位置，比如滑坡体23的上部位置、滑坡体23的中部位置或滑坡体23的底部位置等，数量以及位置关系根据实际情况进行设置即可。滑坡传感器7具体可根据实际监测需要进行设置，如滑坡传感器7可为用于监测土压力参数的土压力盒71、用于监测水压力参数的孔隙水压力传感器72、用于监测含水率参数的含水量传感器73等中一个或多个均可。滑坡传感器7根据设计位置进行埋设，可靠近桩结构19设置也可远离桩结构19设置，可设置一个以上，具体以实际需求进行布设。对应一个或每一个桩结构19设置与其对应的风模拟机构和位移机构，然后检查并确保模拟控制器与风模拟机构和雨模拟机构的连接，检查并确保数据采集系统14与位移机构、滑坡传感器7连接；然后将图像系统分别于滑坡桩结构体系15的坡向面以及侧面进行设置，以获取滑坡桩结构体系15变形及破坏过程的正向图像和侧面图像，在时间尺度和空间尺度上更准确的把握滑坡桩结构体系15变形失稳破坏演化规律。在实际应用中，图像系统可为摄像机9、摄像头等具有拍照功能的部件即可。

可选地，风模拟机构包括可伸缩支撑架17、可变角度固定架18、启动器和传力杆22；启动器和传力杆22均安装于可变角度固定架18，可变角度固定架18安装于可伸缩支撑架17，以实现传力杆22与桩结构19相对应并施加与风雨需求相匹配的载荷于桩结构19；可伸缩支撑架17安装于模型系统。在实际应用中，模拟控制器基于风荷载的计算公式，通过调制启动器和传力杆22可实现不同风速下桩结构受到的荷载。

在实际应用中，不同地理位置所对应的滑坡桩结构体系15的构造或者桩结构19所设置的位置不同，因此，用以将风载荷转换成作用载荷于桩结构19的风模拟机构对应不同的滑坡桩结构体系15需要及时调整位置，以确保其能按照风雨需求施加对应的载荷(包括力的大小及方向)于桩结构19，从而确保本发明的试验条件以及结果与滑坡桩结构体系15实际情况和结果相匹配，保证本发明的试验数据的真实可靠科学。具体地，当滑坡桩结构体系15于模型系统构建好后，通过伸缩支撑架使得可变角度固定架18运动至对应的桩结构19，然后通过调整可变角度固定架18，使得传立杆以设计角度与桩结构19接触。值得说明的是，为了避免风模拟机构对滑坡桩结构体系15的构造产生干涉，风模拟机构优选与模型系统可拆卸式连接或者可于模型系统折叠设置，且风模拟机构可于模型系统滑移或者二维运动，以提高本发明适用于更多的滑坡桩结构体系15，因此，风模拟机构于模型系统的安装位置可根据实际需要进行设置。且实现风模拟机构与桩结构19的对应调整可通过人工进行也可通过模拟控制器进行，且载荷的大小、方向、持续时间、时间间断等均可通过模拟控制器进行设置或生成，具体根据需求进行设置，但应均属于本发明的保护范围。

可选地，位移机构包括位移传感器21、可伸缩支撑架17和可变角度固定架18；位移传感器21安装于可变角度固定架18，可变角度固定架18安装于可伸缩支撑架17，以实现位移传感器21与桩结构19相对应；可伸缩支撑架17安装于模型系统。

与风模拟机构类似，当发明适用不同类型的滑坡桩结构体系15的构造或者桩结构19所设置的位置不同时，通过可伸缩支撑架17将可变角度固定架18输送至对应的桩结构19的位置，然后通过可变角度固定架18将位移传感器21调整好对应的位置，使得位移传感器21与桩结构19接触，位移传感器21优选沿坡向设置于桩结构19的下方，从而获取桩结构19沿坡向滑移的距离。在实际应用中，对应于同一桩结构19的位移传感器21、启动器和传力杆22可安装于相同或不同的可伸缩支撑架17上，具体以实际需求进行设置。同样的，为了避免位移机构对滑坡桩结构体系15的构造产生干涉，位移机构优选与模型系统可拆卸式连接或者可于模型系统折叠设置，且位移机构可于模型系统滑移或者二维运动，以提高本发明适用于更多的滑坡桩结构体系15，因此，位移机构于模型系统的安装位置可根据实际需要进行设置。且实现位移机构与桩结构19的对应调整可通过人工进行也可通过模拟控制器进行，但应均属于本发明的保护范围。

可选地，数据采集系统14分别与图像系统、风雨模拟系统13连接。图像系统获取的图像以及风雨模拟系统13的一些数据可传输至数据采集系统14进行存储和分析，从而起到对位移数据超出预设位移数据和/或滑坡参数超出预设滑坡参数的时刻点的图像等信息进行标记，便于后期数据的查找和溯源，降低本发明使用成本，提高其使用便捷性。

可选地，模型系统包括由下而上依次设置的下部支架8、模型箱4和用于支撑雨模拟机构的降雨支架2；模型箱4为透明模型箱，其用于放置滑坡桩结构体系15，透明模型箱对应滑坡桩结构体系15设有泄水口6；下部支架8设有与泄水口6连通的泄水槽10。

具体地，模型箱4包括底板、支撑架和透明侧板16，底板承托于下部支架8，支撑架安装于底板的上表面，两个透明侧板16相对设置于滑坡桩结构体系15的两侧，一个透明侧板16设置于滑坡桩结构体系15远离泄水槽10一侧的端部，透明侧板16与支撑架连接，从而使得三个透明侧板16和底板共同围设形成用于放置(即构建)滑坡桩结构体系15的容纳腔，泄水槽10设置于底板，泄水槽10的最高点与底板的上表面齐平设置，便于滑坡桩结构体系15的表面径流沿其坡向通过泄水口6流向泄水槽10，优选地，泄水口6处的水通过挡板或引水槽引流至泄水槽10，在实际应用中，滑坡桩结构体系15可通过靠近泄水槽10一侧的两个透明侧板16之间的空间放置于容纳腔。当然，在本发明的另外一个实施例中，相邻设置的支撑架之间可均设置有透明侧板16，其中一个透明侧板16为可启闭的门，从而通过打开或关闭该透明侧板16实现滑坡桩结构体系15的放置或构建。

在实际应用中，由于人眼可通过透明侧板16直观的观察试验过程，因此，在试验之初，可通过马克笔在相对设置的两个透明侧板16画出滑坡体23的尺寸线，从而可通过肉眼进行观察滑坡的变形。从而通过数据采集系统14可实现风雨全过程中数据的自动采集，同时也可以通过摄像机9实现风雨全过程中滑坡桩结构体系15变形及破坏的记录，也可通过透明侧板16及上面的尺寸线进行随时肉眼观察，试验完成后，整理并分析试验数据和视频。

下部支架8为支撑于底板的四个脚托，分别分布于底板的四个边角处。当然，在本发明的另一实施例中，下部支架8可不设置。

降雨支架2包括与上述四个支撑架对应的四个支撑杆，且相邻设置的两个支撑杆分别通过一横杆连接，从而使得降雨支架2构成立方体框架结构，当然，在实际应用中，模型系统不仅可为立方体状，还可为球状、椭圆状等。

可选地，雨模拟机构包括降雨喷头1、喷头支架、喷水泵和水管5；喷头支架安装于模型系统，降雨喷头1安装于喷头支架，降雨喷头1通过水管5、喷水泵与水源连通。在实际应用中，喷头支架可为硬水管或者支架构成，降雨喷头1可为旋转喷头，可设置一个或一个以上，且每一个降雨喷头1的启闭可由模拟控制器根据风雨需求进行选择性的启闭。降雨喷头1喷出的雨滴的大小、范围、雨量、连续喷雨时间、喷雨间隔时间等均可由模拟控制器进行设置或获取。水管5可为软管11、硬管中的一种或多种构成。

可选地，降雨支架2的外周侧设有围设有挡雨层20；挡雨层20的下方设有接雨槽3，以承接于挡雨层20滑落的雨；接雨槽3与泄水槽10连通。在实际应用中，挡雨层20可为尼龙、玻璃、钢板等具有挡雨功能的板件均可。当然，在本发明的另一实施例中，也可不设置挡雨层20。挡雨层20使得雨模拟机构喷出至滑坡桩结构体系15之外的雨水得以收集并汇集至接雨槽3，使得本发明喷出的水不会打湿除滑坡桩结构体系15之外的区域，同时，由于接雨槽3的存在，使得被格挡的雨不会流向滑坡桩结构体系15，从而保证试验数据的科学性和真实性。

可选地，泄水槽10设有过滤器，使得泄水槽10的水经过滤器过滤后形成雨模拟机构的水源。为了保证雨循环的长时间性，雨模拟机构还包括用于存储水源的水桶12，由泄水槽10经过滤器过滤的雨流向水桶12进行暂存，再由水桶12通过水管5流向降雨喷头1，从而保证本发明整个系统的水循环利用，实现其长期无人自主监控，节约本发明的使用成本，提高本发明的使用便捷度。

本发明还公开了一种模拟风雨气候滑坡桩结构体系变形及破坏试验方法，其适用于上述任意一项所述的模拟风雨气候滑坡桩结构体系变形及破坏试验系统，包括步骤：

s1，将实际地形地貌和桩结构通过等比例缩尺构建的滑坡桩结构体系放置于模型系统；其中，滑坡传感器设置于滑坡桩结构体系的滑坡体；所述位移机构沿滑坡桩结构体系的坡向方向与桩结构相对应；

s2，模拟控制器获取风雨需求，所述模拟控制器根据风雨需求选择性地控制风模拟机构施加与风雨需求相匹配的载荷于桩结构、雨模拟机构施加与风雨需求相匹配的降雨于滑坡桩结构体系；

s3，图像系统获取滑坡桩结构体系变形及破坏过程的图像；

s4，数据采集系统采取所述位移机构获得的位移数据、所述滑坡传感器获得的滑坡参数。

可选地，步骤s4之后还包括：

当所述位移数据超出预设位移数据和/或所述滑坡参数超出预设滑坡参数时，执行步骤：

s5，标记对应时刻获取的图像。

本实施例中，对于试验过程对于超出预设值的图像以及时刻点进行标记，从而便于归纳出实际应用中，对桩结构的定期维护、维修的时间表，通过本发明的试验数据形成实际应用中滑坡桩结构体系的桩结构使用过程中的维护周期，从而保证整个系统的正常稳定运行，避免因滑坡桩结构体系出现变形破坏而影响系统正常运行，造成不可弥补的损失。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用于限制本发明，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。