一种可控降强模拟的涉水滑坡地质力学模型制备方法与流程

1.该发明涉及边坡地质力学模型技术领域，尤其涉及一种可控降强模拟的涉水滑坡地质力学模型制备方法。


背景技术：

2.涉水滑坡在外部水流入渗作用下，可能引起滑坡体或内部软弱夹层材料软化，进而导致滑坡整体稳定性发生变化乃至发生失稳破坏，如堆积层滑坡的基覆界面、红层土质滑坡中的软弱滑带土、岩质滑坡的软弱结构面等遇水强度软化引发滑坡失稳。为了分析水流入渗引发的滑坡稳定性变化规律，国内外学者开展了大量的理论分析、数值仿真与模型试验工作。其中，地质力学模型可以在较低成本条件下模拟滑坡在水流入渗作用下的稳定性演化全过程，因而被广泛应用于涉水滑坡稳定性分析。然而，开展地质力学模型试验时，通常需要在室内缩尺条件下制备模型边坡，如采用原型场地土或人工配制土作为相似材料制备缩尺边坡，但上述两种制备方法通常仅能保证模型与原型的几何尺寸相似、材料静力学强度相似等，导致室内地质力学模型上在水入渗作用下的失稳破坏模式与真实情况难以完全吻合。尤其是现场滑坡地质水文条件越复杂，现有的室内地质力学模型还原越困难，极大制约了地质力学模型方法的适用性。
3.水对滑坡体的影响主要包括：(一)水对滑坡体材料强度的影响，主要为软化作用；(二)水入渗在滑体内滞留引起的岩土体水压力变化；(三)水入渗引起的孔隙水压力上升，有效应力下降，引起滑坡体抗滑力衰减。因此，在地质力学模型中保证相似比匹配的前提下实现对上述影响因素的可控模拟是还原真实滑坡失稳破坏过程的关键因素。
4.现有的地质力学模型常采用原型土或配制土作为主要的模型材料。采用原型土作为模型材料时，由于模型几何尺寸相对原型通常会进行缩尺，缩尺模型的几何尺寸、岩土体材料参数、施加外荷载等均应按相似规律进行折减，直接采用原型土时难以同时满足模型几何尺寸与岩土体材料参数的相似，可能导致试验结果出现难以估计的偏差。为了克服上述问题，已有学者提出采用配制土作为相似材料制备地质力学模型。如采用重晶石粉为主要材料，以石膏或液体石蜡为胶结剂，石英砂、氧化锌粉、铁粉、膨润土粉作为调节容重和弹模的辅助材料；采用砂、石膏为主要材料，其余材料为添加剂；采用加膜铁粉和重晶石粉为骨料，以松香为胶结剂并用模具压制；采用铜粉作为主要材料等。上述相似材料中，采用铅氧化物和石膏混合物的模型材料可以达到较大的容重，容易满足模型相似设计需求，但上述材料不仅价格昂贵，并且铅氧化物存在毒性易威胁人员健康和环境安全。采用上述其他方法时，通常也存在制作工艺和加工成本的问题。在提出上述相似材料的基础上，已有学者通过配制温度敏感相似材料来实现在实验过程中岩土体材料强度逐步下降的模拟，如以重晶石粉、机油为主，添加矢量高分子材料和添加剂，通过对埋设在材料中的电阻丝升压加热使材料逐步溶解从而模拟强度下降的特性。然而，上述配制土主要考虑了对模型容重的模拟还原，采用的配制材料在水流入渗下的影响与土体差异较大，因此对水动力作用影响较大的滑坡难以有效适用。


技术实现要素：

5.针对上述技术的不足，本发明的目的在于提供一种可控降强模拟的涉水滑坡地质力学模型制备方法，用以提供一种适用于模拟不同破坏模式的涉水滑坡地质力学模型人工制备方案，为模拟强降雨诱发滑坡失稳、库水位变化引发岸坡失稳等试验模拟提供一种可控且易于满足相似设计的试验方法。
6.为了达到上述目的，本发明采取的技术方案如下：
7.一种可控降强模拟的涉水滑坡地质力学模型制备方法，包括如下制备步骤：
8.s1，材料准备，准备试验箱、试验用水、模型土、pva材料和基岩层；
9.s2，加筋层制作，利用3d打印pva材料制成加筋层；
10.s3，基岩层模拟，按照滑坡地带的地形数据将基岩层布置于试验箱内；
11.s4，地层形状模拟，按照滑坡地带的地形数据将模型土和加筋层布置于基岩层上，并对模型土进行压实处理；
12.s5，渗水模拟，将试验用水从试验箱的内壁缓慢加入试验箱内。
13.本方法制成的模型，其工作原理为：
14.通过配制不同配比的试验用水，调整试验过程中水流入渗速率使其与设计相似比匹配，并达到入渗后逐步溶解预埋加筋层的目的。随着改良试验水在预设速率下入渗，模型土中水溶性加筋层逐步溶解，实现对真实滑坡遇水入渗材料强度下降的宏观现象模拟。
15.进一步限定，其特征在于，所述步骤s1之前还包括配置试验用水，具体为根据采集到滑坡地带液体渗入坡体的速率数据，向清水内部加入羧甲基纤维素干粉，搅拌均匀形成溶液，其有益之处在于，通过控制加入羧甲基纤维素干粉和水的质量配比，可对形成容易的黏度进行控制，进而可以改变试验用水向坡体内的入渗速率，使试验用水能够满足涉水滑坡试验的需求，与设计试验所需入渗速率相匹配。
16.进一步限定，所述步骤s1之前还包括模型土配置，具体为根据现场获取的土壤参数，将黏土、砂土和重晶石粉按照一定的比例加入，并混合均匀，其有益之处在于，主要以粘土为主，添加砂土调整模型土的渗透系数，并添加重晶石粉调整模型土的重度，使得到的模型土能够满足设计试验的需求。
17.进一步限定，所述步骤s2包括：
18.s21，根据滑坡地带采集的数据利用3d打印pva材料制成普通栅格结构，使其满足滑坡地带的力学性能要求；
19.s22，根据滑坡地带采集的数据利用3d打印pva材料在通栅格结构上打印玻璃海绵框形结构，使二者的结合满足滑坡地带的力学性能要求。
20.其有益之处在于，由于玻璃海绵框形结构具有较高的力学稳定性，因而与普通栅格结构组合作为加筋层时，在无水入渗条件下可提供较高的抗剪强度，可保证模型土与加筋层的堆叠形成坡体。
21.进一步限定，所述试验箱为透明的玻璃材料，其有益之处在于，便于更加直观的观测坡体渗水的滑坡过程。
22.进一步限定，所述步骤s4中：
23.s41，若地层形状单一，则将加筋层和模型土间隔布设；
24.s42，若地层形状复杂，则将加筋层排布组合后，再与模型土进行布设。
25.其有益之处在于，通过玻璃海绵条框的排布组合，来模拟复杂且多形态的地层状态，排列组合来实现非均质、夹层等多种常见特异地层结构的模拟，即本方法同样可适用于复杂地形机构的滑坡模拟。
26.本技术方案的技术效果如下：
27.(1)通过调整预埋加筋层、模型土配比及试验水配比，即可实现对不同类型岩土体及不同水流入渗情况下的可控模拟，实现利用室内地质力学模型反演真实涉水滑坡失稳过程的研究目标，提升地质力学模型方法在研究涉水滑坡失稳问题的可靠性与适用性。
28.(2)可通过加筋层的排布组合，来模拟复杂且多形态的地层状态，可实现非均质、夹层等多种常见特异地层结构的模拟。
29.(3)本方法可模拟真实情况下水入渗边坡体，导致其材料强度下降的现象，实现对水入渗引发边坡稳定性变化过程的模拟，便于对边坡涉水滑坡的研究和实验。
附图说明
30.图1为本方法制成模型的示意图。
31.图2为加筋层的俯视图示意图。
32.图3为玻璃海绵结构的示意图。
33.附图编号
34.试验箱1、试验用水2、模型土3、加筋层4、基岩层5、玻璃海绵框形结构6、普通栅格结构7。
具体实施方式
35.下面通过具体实施方式进一步详细说明：
36.一种可控降强模拟的涉水滑坡地质力学模型制备方法，包括如下制备步骤：
37.s1，材料准备，准备试验箱1、试验用水2、模型土3、pva材料和基岩层5；
38.s2，加筋层4制作，利用3d打印pva材料制成加筋层4；
39.s3，基岩层5模拟，按照滑坡地带的地形数据将基岩层5布置于试验箱1内；
40.s4，地层形状模拟，按照滑坡地带的地形数据将模型土3和加筋层4布置于基岩层5上，并对模型土3进行压实处理；
41.s5，渗水模拟，将试验用水2从试验箱1的内壁缓慢加入试验箱1内。
42.在实施本方法的时候，加筋层4、模型土3以及试验用水2的配比和制作等力学或者是静力学参数等，需要根据拟开展的物理模型试验相似设计，确定地质力学模型试验所需模型土3的控制强度参数，其中就包括静力学参数以及涉水强度弱化参数两类控制指标进行确定。然后还需要利用3d打印pva材料制成加筋层4，通过反复试验确保加筋层4-模型土3复合试验材料满足相似设计需求的控制强度参数。
43.在上述的步骤中，模型土3为采用粘土为主，添加砂土调整模型土3的渗透系数，并添加重晶石粉调整模型土3的重度。加筋层4为本模型制作中较为重要的部件，加筋层4采用水溶性材料(pva)3d打印制成，包括普通栅格结构7和玻璃海绵框形结构6的结合，通过调整加筋层4“条框”结构几何尺寸，可改变加筋层4埋入土体后的遇水强度变化特性。改良试验用水2为采用羧甲基纤维素(cmc)添加的溶液作为试验中的水替代液体，通过调整cmc干粉
和水的质量配比，进而控制液体黏度大小。
44.常规地质力学模型的制作方法难以同时满足水流入渗引发滑坡体材料强度变化和孔隙水压变化的相似关系，可能导致研究涉水滑坡失稳问题时模拟结果失真。本发明将水溶性材料通过3d打印制成加筋层4，将上述加筋层4预埋入模型土3中形成遇水降强的改良后的模型土3。通过调整加筋层4“条框”结构尺寸及模型土3配比获得不同重度、强度特性的模型土3，以此满足模型试验几何特性、静力学特性等相似。通过配制不同配比的试验用水2，调整试验过程中水流入渗速率使其与设计相似比匹配，并达到入渗后逐步溶解预埋加筋层4结构的目的。随着试验水在预设速率下入渗，模型土3中水溶性加筋层4逐步溶解，实现对真实滑坡遇水入渗材料强度下降的宏观现象模拟。即通过调整预埋加筋层4“条框”尺寸、模型土3配比及试验用水2配比，即可实现对不同类型岩土体及不同水流入渗情况下的可控模拟，实现利用室内地质力学模型反演真实涉水滑坡失稳过程的研究目标，提升地质力学模型方法在研究涉水滑坡失稳问题的可靠性与适用性。
45.为了便于对本技术方案进行理解，对发明中涉及的仿玻璃海绵条框结构、pva材料3d打印、cmc改性试验水的可行性进行数据论证：
46.(1)仿玻璃海绵的结构强度研究
47.fernandes等2021年基于对玻璃海绵的研究，提出了仿玻璃海绵的力学结构。该仿生结构与常见力学框架结构相比具备更高的刚度，相同变形程度下该仿生结构的承载力可提高约16％。
48.本发明将上通过将玻璃海绵框形结构添加至模型内部，以此模拟复杂地层状态，通过对玻璃海绵框形结构打印构型的排列组合，以此实现非均质、夹层等多种常见特异地层结构的模拟。
49.(2)pva水溶性研究
50.pva溶于水，并且通过加热可以加快其溶解速率。pva根据醇解度不同，分为99，88，75-78几种类型，99的醇解度高，分子链中氢键多且卷曲，故相对难溶，醇解度越低越好溶解，75-78只溶于冷水，热水不溶。因此，通过采用不同醇解度的pva材料作为3d打印基材，即可实现在水流入渗速率固定条件下，材料溶解引发结构强度下降的可控模拟。此外，由于pva溶于二甲基亚砜，可在试验结束后利用上述溶液对实验材料进行回收无害化处理，兼顾模型试验的经济性与环保性。
51.(3)cmc干粉和水调整液体黏度研究
52.根据朱海军(朱海军.雷诺-弗劳德相似定律的数学模型构建及在水动力放大模型中的可靠性验证研究[d].浙江海洋大学,2019.)的试验结果，cmc(羧甲基纤维素)在不同浓度下测得的粘滞系数如下表所示。根据模型试验相似设计需要，通过调整cmc干粉比例来改变试验液体液体黏度，调节试验水渗入模型接触pva的时间，从而实现间接控制pva水溶过程引发结构强度下降的速率。
[0053]
浓度(g/cm3)粘滞系数(cm2/s)0.10％0.30.20％1.50.30％40.40％8
0.50％14
[0054]
需要提前说明的是，在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
[0055]
以上的仅是本发明的实施例，方案中公知的具体结构及特性等常识在此未作过多描述。应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明结构的前提下，还可以作出若干变形和改进，这些也应该视为本发明的保护范围，这些都不会影响本发明实施的效果和专利的实用性。本技术要求的保护范围应当以其权利要求的内容为准，说明书中的具体实施方式等记载可以用于解释权利要求的内容。