锚杆+铰链式砌块生态护坡振动台模型试验装置的制作方法

本发明涉及一种模型试验装置，具体涉及一种锚杆+铰链式砌块生态护坡振动台模型试验装置。

背景技术：

近年来为了减小地震和雨水等自然灾害对边坡的破坏，各种各样的护坡形式在工程中被应用。护坡通常是指两侧具有倾斜土体的堆砌或使用其它材料在其倾斜面上设置保护层构成的整体，也包括由大自然地质构造运动形成的天然护坡和人类为了满足某种需要和功能而修建的人工护坡。我国传统的山坡、河岸、水库等护坡形式主要有抛石、混凝土板、浆砌块石、柔性网状织物等形式，它们主要是为了防止坡面在地震、雨水、风浪等外力作用下发生破坏。但是这些护坡在实际的应用过程中也存在着一些问题：①缺少生态性，坡面不易种草、绿化，破坏了原有边坡生态的整体性；②有限的石材使得护坡的成本不断地加大；③耐久性比较差，对坡面局部破坏和变形的适应性差，容易引起局部破坏和结构的不稳定；④刚性护坡面一旦发生局部破坏，容易发生较大面积破坏，修补极为不便；⑤对于柔性网状织物护坡只为植物提供加固作用来说，植物本身生根后才对地基土提供防冲蚀保护，且这种单靠植物来保护土壤的护坡措施不适合长期有水浸泡的边坡。

为了改善以上不足，发明人提出一种新型护坡技术：锚杆+铰链式砌块生态护坡技术，该技术以前期研究的江苏省水利厅科技项目“铰链式砼砌块生态护坡在水库护坡上的应用研究与推广”为基础，对铰链式砌块生态护坡进行进一步的改进，研究它在地震作用下对边坡保护的效果。它由一组尺寸、形状和重量一致的砌块用钢绞线连接而成的连锁型矩阵，种上植被，植入锚杆的新型护坡体系。其护坡示意图如图1所示。

锚杆+铰链式砌块生态护坡技术利用植物修复和生态护岸技术，可以调节地表和地下水文状况，使水环境得到改善，具有较好的防洪效果；河岸与河流水体之间能够进行物质交换，增强水体的自净功能，改善河道内水质环境。水生植物，既能从水中吸收无机盐营养物，其水下根系又是微生物附着的介质，另外其多孔隙结构形成不同流速带和紊流区，有利于氧从空气传入水中增加溶解氧，利于鱼类等水生生物的生长，进一步促 进水体自净，提高水生动植物的成活率，具有较好的自净效果。铰链拉结的柔性结构不同于传统单纯的刚、柔性护坡系统，其具有良好的整体性，能较好地适应温度变化，防冻胀性能好，具有较好的护坡安全效益；砌块工厂化生产，各项性能指标易于控制，施工简单易行、施工速度快，可以循环使用，技术先进，具有较好的经济效益；能以迅速、低成本和最优技术实现护坡面的绿化，有利于水环境中的护坡结构向景观化、生态化发展，整体美观，具有较好生态效益。

锚杆+铰链式混凝土砌块生态护坡技术作为一种新型的生态护坡技术，不仅能够有效解决刚性铺面适应性差、不易种草等缺点，也能够有效解决柔性铺面整体安全性不足的弱点，对防止水土流失、防止冲刷侵蚀和增强稳定性方面与传统的保护措施相比有卓越的性能。利用植物根系的浅根加筋、锚杆深根锚固的力学特性和植被的生态效应来进行生态护坡的研究成为人们热点关注的问题。另外锚杆+铰链式砌块生态护坡在景观性、施工简便性和经济合理性方面都表现出了巨大的优势。

然而，国内外对地震作用下锚杆+铰链式砌块生态护坡的稳定性及减灾方面的研究鲜见报道。工程设计中有的只考虑植被对边坡的影响，或者只考虑锚杆对边坡破坏的影响，还有的考虑忽略锚杆、植被对护坡稳定性的影响，却很少有人研究锚杆+砌块+植被在地震作用下对边坡的稳定性的影响。地震作用下锚杆+铰链式砌块生态护坡的研究涉及两个层面，即地震对边坡的灾害机理分析及对其灾害的预防措施。对于具体边坡工程的地震灾害分析机理，首先要了解地震作用下锚杆+铰链式砌块生态边坡的动力机制，提出合理计算方法和机理分析，从而进行科学的滑坡防治工程设计。

为此，发明人提出如图2的技术路线，其中振动台模型试验作为较为重要的一环，需要输入不同地震波分别对四种不同工况边坡模型(无植被天然护坡、铰链式砌块护坡、铰链式砌块生态护坡、锚杆+铰链式砌块生态护坡)进行抗震对比试验。

振动台的工作原理如图3示，可以重现边坡在地震作用下的破坏过程，更加真实地反应坡体的破坏过程。但现有的振动台模型试验还存在以下不足：

(1)重力失真问题：在振动台模型试验中，由于现实条件的限制，很难满足经典的相似理论的所有条件，有时候一些基本的相似关系也不能够完全满足，重力失真问题最为严重。

(2)尺寸效应问题：模型试验是把真实的坡体根据相似准则缩尺到一定的比例，然后进行试验，模型缩小后，模型材料的力学性能将会有所提高，试验数据真实性受到 一定的影响。

(3)加载速率问题：由于用于试验的模型是缩尺以后的，根据相似理论，外加荷载的频率将要增加，这样模型断面上的应变速率就会相应的增加，从而模型的材料强度也跟着增强。

可见，设计一种专用于锚杆+铰链式砌块生态护坡的振动台模型试验装置，就成为亟待解决的技术问题。

技术实现要素：

发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种锚杆+铰链式砌块生态护坡振动台模型试验装置。

技术方案：为解决上述技术问题，本发明提供的锚杆+铰链式砌块生态护坡振动台模型试验装置，包括振动台和模型箱，所述模型箱是由焊接角钢框架和四周挡板组成的箱体，所述箱体一侧的挡板为透明板，所述箱体的底部与振动台固定连接。

具体地，所述模型箱内衬有塑料泡沫。

具体地，所述透明板是透明PVC板。

具体地，所述模型箱内覆盖有防水层。

具体地，所述模型试验装置各物理量的相似比C如下：

本发明同时提出上述锚杆+铰链式砌块生态护坡振动台模型试验装置的试验方法，包括确定振动台模型试验相似律、搭建振动台模型试验装置、混凝土砌块制作及坡面植被种植、设计锚杆参数、制作模型土坡、布置传感器和试验数据采集处理，在振动台模型试验装置上输入不同地震波分别对无植被天然护坡、铰链式砌块护坡、铰链式砌块生态护坡、锚杆+铰链式砌块生态护坡四种不同工况边坡模型进行抗震对比试验。

具体地，所述锚杆长度取600mm，竖向间距取300mm。

具体地，在试验数据采集处理中，试验数据的滤波方法主要是在时域方法中的IIR数字滤波基础上采用带通滤波器来进行滤波处理。

有益效果：本发明提出的锚杆+铰链式砌块生态护坡振动台模型试验装置及其试验方法，具备以下显著的进步：

(1)结合理论分析，确定了模型的各种变量的相似比，确保了试验结果的精确性和可控性。

(2)制作了试验所需的模型箱和砌块、植被等试验器材，并进行护坡土体的室内原位试验和砌块强度检测试验，得出了试验所用各种材料的物理力学性能参数，为后续分析打下基础。

(3)对试验中所用的各种传感器的工作原理进行了简要的介绍，为后续的数据处理提供理论支持。

(4)通过FLAC3D有限差分软件，对不同锚杆长度和竖向间距的护坡在地震作用下的剪应变增量和水平位移比较分析，设计出锚杆的最优长度和竖向间距。

(5)确定了模型中传感器的位置，对其进行标定，确保数据采集过程中，采集到的数据符合实际情况，减小试验误差。

(6)制定了试验工况和顺序，对每个工况的振动台加载步骤进行了整理和归纳。

(7)对于地震作用下土质边坡的非线性破坏结果，振动台试验的试验数据容易采集，过程容易把控，最能够反应地震作用下土质边坡的运动规律。

除了上面所述的本发明解决的技术问题、构成技术方案的技术特征以及由这些技术方案的技术特征所带来的优点外，本发明的锚杆+铰链式砌块生态护坡振动台模型试验装置所能解决的其他技术问题、技术方案中包含的其他技术特征以及这些技术特征带来 的优点，将结合附图做出进一步详细的说明。

附图说明

图1是锚杆+铰链式砌块生态护坡的示意图；

图2是本法研究的主要技术路线；

图3是振动台的工作原理；

图4是加速度传感器布置图；

图5是土压力传感器布置图；

图6是孔隙水压力传感器布置图；

图7是激光位移计测点布置图；

图8是锚杆的布置图；

图9是锚杆上应变片的布置图。

具体实施方式

实施例

振动台模型试验相似律确定

首先确定模型的相似比。为了使缩小后的模型能够正确的反映真实结构的受力状态，必须使得原模型和试验模型相似，并且符合相似理论的要求。相似律给出了原有模型和试验模型两者之间的相似所需要满足的条件，同时它也给出了把模型试验所得到的数据应用到原有模型上的规则。

工程力学中主要有三大类相似，即几何相似、运动相似和动力相似。几何相似指的是模型与其原型形状相同，但尺寸可以不同，而一切对应的线性尺寸成比例，这里的线性尺寸可以是直径、长度等；运动相似是指对不同的流动现象，在流场中的所有对应点处对应的速度和加速度的方向一致，且比值相等，也就是说，两个运动相似的流动，它们的流线和流谱是几何相似的；动力相似模型满足几何相似、运动相似和动力相似，动力相似即对不同的流动现象，作用在流体上相应位置处的各种力，如重力、压力、粘性力和弹性力等，它们的方向对应相同，且大小的比值相等，也就是说，两个动力相似的流体，作用在流体上相应位置处各力组成的力多边形是几何相似的。

综合物理现象中各种相似的特点，三者的地位和意义可这样来描述：任何两个物理现象，如果在几何学、动力学和运动学上都达到了相似，则这两种现象相似。

模型相似关系选取的正确与否关系着模型试验结果是否精确。本实施例根据Bockinghamπ定理对各物理量之间的相似关系进行推导，并对试验模型的相似律进行了推导和化简。

1、首先定义原型和模型之间的几何相似比为C_l，则：

C_l＝l_p/l_m (2-1)

式中：l_p为原型尺寸；l_m为模型尺寸。

由于此试验在普通重力场下进行，模型和原型都处于普通重力场，所以模型和原型的重力加速度应当相等，则重力加速的相似比C_g为：

C_g＝g_p/g_m＝1 (2-2)

式中：g_p为原型加速度；g_m为模型加速度。

由于水平加速度与重力加速度相似，所以水平地震加速度的相似比C_a也是1。

C_a＝a_p/a_m (2-3)

式中：a_p为原型加速度；a_m为模型加速度。

因此试验时输入模型中的地震波幅值不需要改变。

2、坡体材料的抗剪强度遵循莫尔一库仑准则，为使破坏现象相似，要求原型和模型的岩土材料满足抗剪强度相似，因此

又由于所以

且坡体荷载主要是本身重力作用，由于它们的加速度相似，而坡体材料的重度对应着材料的密度，所以

另外在C_ρ不是很大且C_l相对较大的情况下，模型的应力容易失真，它比原型的应力要小，因此应力测量要求非常的高。

由易知：

3、假设土坡在地震作用下产生的动力变形是由从坡底竖直向上传播的剪切波引起的。在坡体自身重力的作用下，坡体会慢慢固结压实，由Janbu公式容易知道：坡体的最大剪切模量G_max和土体竖直方向的深度近似呈C_max～z^1/2上凸曲线的非线性数值关系，即：

式中：K是和土体密度有关系的无量纲的常数；P_a＝98kPa；σ′₀为坡体应力莫尔圆的平均有效应力。

同时，由坡体材料剪应力-剪应变双曲线图形(图形呈上凸增大的“饱和”关系)易知G/G_max和剪应变的反S形衰减函数关系是确定的，则割线模量的相似比：

剪应变相似比为：

由于本试验坡体材料选取于真实模型土体，所以密度基本相等，则K值也基本相等：C_K＝1。

由以上分析易知即使坡体材料采用和原模型相同的坡体材料，但是由于模型尺寸缩小，坡体高度减小，模型中几何相似点处的割线模量要小于原型中对应点的割线剪切模量，模型动应变也是失真的，所以由于模型的缩尺和应变的失真(减小)，模型的动位移相似比为：

4、由于位移的减小，为了满足水平地震加速度相似比为1的要求，必须对试验模型中所输入的地震波在时间轴上进行压缩，为此需要提高地震输入波的频率，即时间相似比为：

速度相似比为：

综上所述，护坡振动台模型试验各参数的相似比汇总于表1：

表1护坡振动台模型试验各主要相似比汇总

搭建振动台模型试验装置

本试验在东南大学九龙湖校区结构试验大厅的单水平向振动台上进行，振动台最大负荷25t，台面尺寸4m×6m，最大加速度1.5g，基于水平地震作用下进行试验。

为了能够让土坡成形，并且能够固定在振动台上，本试验设计了一个长2.2m，宽1.1m，高1.5m的钢箱，刚箱底部铁板厚度为10mm，箱体四周采用角钢满焊焊接然后用4mm厚铁皮包裹，为了能够观测到箱内土体的破坏情况，箱体一侧面采用10mm厚透明PVC板包裹。本钢箱还要作为后续课题饱和土体在地震作用下的稳定性研究，为了确保在试验过程中钢箱内的饱和土体中的水不会流至振动台上，钢箱在焊接成型以后采用防水涂料对其内部进行整体涂刷三遍，在焊缝接头处利用防水胶加固，最后在台面 上铺放一层防水布，作为防水的第二道防线。箱体做好以后，向箱体内部注水，直至注到标志水位线，然后把钢箱静置48小时，观察是否漏水，若发现漏水，放完箱体水进行修补，然后再重复上述注水试验，直到箱体不漏水为止。模型边界效应处理的是否得当对采集到的试验数据的合理性至关重要，为了减小边界效应对试验精确性的影响，在模型箱内部加入塑料泡沫，降低地震波的边界反射。把制作好的模型箱用地锚螺栓固定在振动台上。

制作混凝土砌块

本试验所用的铰链式砌块，原型尺寸为440mm×440mm×120mm，按几何比例尺C_l＝5进行缩尺后的砌块尺寸为88mm×88mm×24mm。首先进行砌块模具的制作，该模具由30mm厚的铁板经线切割后组装而成。

试验所用砌块的配合比为水泥∶砂∶水∶石＝1∶5.5∶0.5∶0.3，水泥采用C30海螺水泥，砂为中细砂，石子粒径在2mm到5mm之间。砌块的制作流程大致如下：

(1)按照预定配合比拌制混凝土；

(2)把一定的量混凝土填入模具内，并进行初步振捣；

(3)盖上压板，把模具放入千斤顶下进行压制；

(4)待千斤顶读数到10Mpa时候停止受压；

(5)拿出模具，底板向上进行脱模；

(6)脱模后把砌块放入混凝土养护室进行养护。

在上述制作过程中，需要把握好每次混凝土入模量，保证在每次压制完成后混凝土砌块高度相差不大；脱模时轻拿轻放，刚成型的混凝土强度几乎为零，避免造成砌块出模损坏。养护好的混凝土砌块先进行钻孔，然后进行轴压测试，取试块20块，对其编号后进行轴心受压试验，测定其受压强度，试验结果见下表2，由表中数据可知，砌块的抗压强度平均值为22.0Mpa。

表2混凝土砌块受压强度表

种植生态植被

本实施例所用植被为香根草，香根草是一种多年生的禾本科植物，在当今的护坡工程中它的护坡效果最好，它的根系长度可达到5米长，并且根系的抗拉强度在同类植物中非常大，当它的根系直径达到0.22mm以上时，它的根系平均抗拉强度可达到20～50Mpa，和土壤有机结合，对土壤起到加筋的作用。它能够抵抗恶劣的环境，严寒酷暑、干旱少雨的地方香根草都能够生长，且容易种植，不需要太多的栽培技术，容易成活，后期的养护费用非常的低，一般种植完以后三四年内都不需要维护，经济效果非常的明显。种植以后繁衍迅速，其对于防止水土流失和提高边坡稳定性具有非常好的效果。同时它还能吸收土壤中的一些重金属污染物，现在已经广泛应用于大量护坡工程中：南京河西新城区(向阳河护坡工程)、南京城区(秦淮河整治工程)、南京滁河支流(撇洪河工程)、南京化工园(行政服务中心)，这些工程都使用了香根草植被护坡，经过现场走访调查后发现这些工程在使用香根草以后，护坡效果明显的改善。本试验先进行香根草育苗，待幼苗长成后，再对其进行移植到护坡中，根据现有工程经验，移植时4株一簇，三个月后其根系已经完全扎根于土壤中。

锚杆参数设计

利用FLAC^3D有限差分软件模拟了不同的锚杆长度和竖向间距的护坡在地震作用下护坡的终态剪应变增量和水平位移，通过比较得到锚杆长度取600mm，竖向间距取300mm时护坡效果较理想。因此本试验模型中护坡的锚杆长度取600mm，每排锚杆的最优竖向间距为300mm。

制作模型土坡

试验原型护坡为宜兴水库护坡，按照C_l＝5的相似比进行护坡模型设计，试验的土坡模型，坡底长2.2m，宽1.1m，高1.5m，坡角40°。试验所取土样为水库护坡的边坡土，对所取土样进行土样测试，测得土样的有效粘聚力c＝5.533kPa，内摩擦角＝21°，含水率＝32.21％，对所取土样进行颗粒筛分试验，得到的颗粒级配分布曲线。对试验模型土坡采用分层填筑分层夯实的办法，每隔150mm填筑一层后进行夯实，环刀取样，当填筑到设定标高以后，采取人工削坡的方法，把坡度削成40°。

布置传感器

本试验所用到的传感器有加速度传感器、土压力传感器、孔隙水压力传感器和激光位移计。由于土坡模型相对真实模型体积差距明显，土压力传感器和孔隙水压传感器会因为土体体积的减小，出现精确度和灵敏度出现降低的情况，所以在试验前对土压力传感器和孔隙水压力传感器进行标定。通过对不同水深处理论水压力值和利用土压力以及孔隙水压力传感器测出的水压力值进行比较，拟合出一个放大倍数作为最后试验数据分析时的参照。孔隙水压力传感器和土压力传感器标定数据见表3，其中501～510为孔隙水压力压传感器，511～520为土压力传感器。

表3孔隙水压力传感器和土压力传感器标定数据表(单位：kPa)

由表3可知，孔压传感器和土压力传感器的实测值小于理论值，所以在后期试验数 据处理时候应该乘一个放大倍数，根据表3的数据，通过线性拟合后得到每个传感器需要放大的倍数，见表4。

表4传感器放大倍数表

由于箱体边界效应的影响，传感器尽量布置在坡体中部剖面上，加速度传感器布置在坡体中间纵向剖面上，见图4，土压力传感器布置在距离边坡中间纵向剖面300mm一侧的纵向剖面上，见图5，孔隙水压力传感器布置在距离边坡中间纵向剖面300mm的另一侧的纵向剖面上，见图6，激光位移传感器布置在模型中间剖面上，见图7，锚杆的布置如图8所示，图中数值单位为mm，锚杆上应变片的布置如图9所示，应变片之间距离200mm，中间应变片C居中布置，锚杆长度600mm。

在填土的过程中要均匀轻击，以免损坏土层中的传感器。加速度传感器放在用有机玻璃制成的立方体内并将其密封，以免土体中的水进入其中，使得加速度传感器受潮，同时防止加速度传感器在填土过程中被人为压坏。

试验数据的采集与处理

本试验数据采集系统主要有：加速度数据由振动台系统自带的AZ808和AZ332来采集，对于土压力和孔隙水压力由泰斯特公司生产的TST3826F-L动静态应变数据采集仪来采集，位移由激光位移计自带的采集系统来采集。

在振动台试验的过程中，由于存在着各种不确定的因素导致采集到的试验数据存在着一定的偏差，采集系统所采集到的数据中往往会夹杂着一些不真实点，所以试验数据的处理往往显得至关重要，它关系着试验数据是否能够真实的反映结构的受力状态。对于本课题主要的数据就是采集系统所采集的加速度信号，它是后续对护坡进行时域分析和频域分析的基础，对于采集到的加速度时程曲线我们主要通过滤波的方法来消除采集数据时产生的误差和不真实点。现在广泛应用的就是数字滤波器，它首先按照既定的某些条件等技术指标设计出程序，然后把采集到的数据放入设定好的程序中运行得出的结果即是处理过的数据。

根据数学表达式的不同，数字滤波器分为时域滤波方法和频域滤波方法。其中时域滤波方法在差分运算的基础上进行滤波，它又包含IIR数字滤波器和FIR数字滤波器，IIR数字滤波器是一种冲击响应可以不打断的一直延续下去的滤波器，即无限长冲击响应。而FIR滤波器刚好相反，它的冲击响应只可以持续一段有限的时间，即有限长冲击响应。对于频域滤波方法它是一种建立在快速傅里叶变换基础上的一种滤波方法，首先对试验数据进行离散傅里叶变换，将其由时域变换到频域，然后根据试验数据处理的需要，把不需要的频域设置为零，然后对滤波后的数据在进行一次傅里叶逆变换，把处理过的数据再变成时域内的数据。本实施例的试验数据的滤波方法主要是在时域方法中的IIR数字滤波基础上采用带通滤波器来进行滤波处理。

以上结合附图对本发明的实施方式做出详细说明，但本发明不局限于所描述的实施方式。对本领域的普通技术人员而言，在本发明的原理和技术思想的范围内，对这些实施方式进行多种变化、修改、替换和变形仍落入本发明的保护范围内。