一种基于渗透固结方法的倾角可调海底边坡地震响应研究模型实验装置与流程

本实用新型属于地震、岩土、地质和环境等研究技术领域，涉及一种基于渗透固结方法的倾角可调海底边坡地震响应研究模型实验装置。

背景技术：

随着深海油气勘探和深水工程的日益增多，海底滑坡及其引发的海洋地质灾害已经严重危害深水油气钻进平台、海底管线、海底电缆等工程设施的安全。因此迫切需要进行海底软黏土边坡的失稳机制进行研究。研究地震荷载对边坡失稳性影响的根本任务是搞清地震作用下的边坡破坏机制，完成这个任务的主要标志是能够在实验室重演边坡破坏现象。如何实现规模大、可重复性和可操作性强等方面的试验要求成为工程技术人员和科研工作者一直追寻的目标。

将海底边坡模型置于振动台上进行模型试验，是研究斜坡地震动力响应规律的重要手段之一，对于分析边坡在动力荷载作用下响应特征有着独特的优势。目前试验中通常采用压载的方法对土样进行固结，模拟土体自然沉积过程，并采用削坡的方法实现自然坡角的模拟。而真实海底土体参数是随着深度呈现一定规律线性变化的，并且削坡的过程会对粘性土体存在较大的扰动，很大程度上制约了对海底边坡触发机制的研究。因此研究新的能够更加真实并容易实现的模型实验装置，对于海底滑坡触发机制的研究显得尤其迫切。

技术实现要素：

本实用新型针对以往模型试验中模型箱削坡对土体的扰动，以及传统固结方法难以真实实现土体固结过程的不足，在传统模型箱基础上进行改进，实现模型边坡角度在一定范围内根据需要任意调整，结合渗透固结的方法对模型箱内部土体进行固结，使土体参数沿深度线性变化，继而更加接近真实的海底土体自然沉积状态，更加真实的模拟地震作用下海底边坡失稳过程。

本实用新型的技术方案：

一种基于渗透固结方法的倾角可调海底边坡地震响应研究模型实验装置，包括倾角可调节模型箱系统I与渗透加载固结土样系统II两部分；

所述的倾角可调节模型箱系统I包括固定模型箱支座1、固定螺栓2、模型箱转轴3、连接杆7、弧形滑道8、角度调节转轴9、千斤顶24和试验模型箱；固定模型箱支座1固定于振动台表面，由多个固定螺栓2固定；

所述的试验模型箱置于固定模型箱支座1上，为上端开口的箱体结构；所述的试验模型箱底板设有用于固定和安放连接杆7的凹槽，试验模型箱通过连接杆7与角度调节转轴9连接；所述的试验模型箱下部安装有透水钢隔板5，将试验模型箱分为上隔室和下隔室，透水钢隔板5上开有等间距透水孔，用于试验模型箱内土体的排水固结；所述的试验模型箱设有排水口和排气口；所述的试验模型箱顶部盖有盖板11；所述的模型箱转轴3安装在固定模型箱支座1上，位于试验模型箱一侧，在调节试验模型箱角度时，起到限位的作用；

所述的弧形滑道8为预制在固定模型箱支座1上的角度调整滑道，位于试验模型箱另一侧；角度调节转轴9在弧形滑道8上滑动，通过千斤顶24加以控制；待土样固结完成后采用千斤顶24抬升连接杆7，使角度调节转轴9沿弧形滑道8逐渐提升，待试验模型箱调整到试验设计角度，用固定螺丝固定；

渗透加载固结土样系统II包括试验模型箱、排气孔6、盖板11、排水孔13 水管、阀门、储水罐16、气压泵21、储水罐顶盖22和拉杆23；所述的储水罐 16上部通过盖板11密封，通过导水管15与试验模型箱相连通，其上设有导水管阀门14；所述的储水罐16通过导气管20与气压泵21相连通；

所述的储水罐16的侧壁采用有机玻璃制作，储水罐顶盖22采用圆形钢板制作，储水罐顶盖22与储水罐16底部间采用固定拉杆23拉紧；

通过注水管18向储水罐16中加水，待储水罐16装满水，打开导水管阀门 14和储水罐顶盖22上的导气管阀门19，启动气压泵21对储水罐16加压，继而实现对模型箱内泥浆的渗透固结；试验中通过储水罐顶盖22上的压力表17 的读数实时测量试验模型箱内渗透压力变化，通过气压泵21调节渗透固结压力，利用量筒收集排气孔6的单位时间的出水量来掌握固结完成情况；所述的排气孔6为试验中用于排除试验模型箱下隔室中的气体，用于保证下隔室完全充满水；所述的排水孔13用于试验后下隔室排水。

所述的模型箱转轴3选用光圆钢筋，高强度且仅发生转动，不会产生位移；

所述的盖板固定螺栓12为固定盖板11的螺栓，为保证充分的密封，在试验模型箱的盖板11上设有凹槽并且具有一层橡胶垫。

所述的试验模型箱壁板10选用厚钢化玻璃，便于观察在试验模型箱内土体的流动机制。

所用的透水钢隔板5有4*16共计64个透水孔。

本实用新型的有益效果：本实用新型的装置适用于研究海底边坡地震动荷载响应特性研究，并可以揭示地震作用下海底边坡滑动的触发机理和滑动过程，最终对边坡稳定性评价以及滑坡灾害的防治提供参考。采用渗透固结的方法较传统加载固结方法相比，可以使模型土体更加真实的接近自然状态下海洋土体的沉积过程，很大程度上缩短了固结时间，保证了固结的均匀性。倾角可调模型箱可以实现在一定范围内边坡倾角根据需要进行调整，分析不同坡度下边坡的地震动响应特征以及边坡的破坏形式。本实用新型实验装置方便安装和拆卸，配套加速度传感器、孔隙水压力传感器、位移传感器以及PIV技术定量分析不同地震动工况下的坡体内外加速度响应特征、孔隙水压力变化规律以及边坡滑动过程中的位移变化，解释海底边坡的破坏过程与触发机理。

附图说明

图1是本实用新型的系统布局图。

图2是本实用新型储水罐的布局图。

图3(a)是本实用新型模型箱的主视图。

图3(b)是本实用新型模型箱盖板仰视图。

图3(c)是本实用新型模型箱剖面图。

图4(a)是本实用新型储水罐主视图。

图4(b)是本实用新型储水罐盖板剖面图。

图5是本实用新型透水钢隔板示意图。

图中：1固定模型箱支座；2固定螺栓；3模型箱转轴；4底座起重吊索；5 透水钢隔板；6排气孔；7连接杆；8弧形滑道；9角度调节转轴；10模型箱壁板；11盖板；12盖板固定螺栓；13排水孔；14导水管阀门；15导水管；16储水罐；17压力表；18注水管；19导气管阀门；20导气管；21气压泵；22储水罐顶盖；23固定拉杆；24千斤顶。

具体实施方式

以下结合技术方案和附图，详细叙述本实用新型的具体实施方式。

实施例

首先，组装实验装置。将固定模型箱支座1采用固定螺栓2固定于震动台台面，将试验模型箱调整为水平状态并固定，在试验模型箱内壁左右两侧粘贴吸能泡沫；在透水钢隔板5上依次铺设与隔板大小相同的土工布和滤纸，铺好后向试验模型箱内加入搅拌均匀的高岭土泥浆至距模型箱顶面5cm处，加盖盖板11并用螺栓拧紧；将储水罐16加满水、加盖盖板11并用拉杆将储水罐16 密封；关闭注水管18阀门打开导水管阀门14，校核压力表17读数，打开导气管20上的导气管阀门19，连通气压泵21。

然后，对试验模型箱内土体进行渗透固结。启动气压泵21，通过气压泵21 施加气压，并气压传递给储水罐16，储水罐16再通过导水管15将压力传递给试验模型箱并对试验模型箱内部渗流出的水进行补充，继而实现对试验模型箱内泥浆进行加压渗透固结；待储水罐16内压力加载到设计值，用量筒在等间隔的时间内对排水孔13排出的水进行收集并测量其体积，待出水量保持恒定时表示渗透固结完成；加载压力根据模型比尺以及模拟场地土体强度变化规律设定，待固结完成，关闭气压泵21，通过盖板11上的排气孔6卸载气压，随后卸掉模型箱顶盖。

最后，加载地震波进行实验。根据实验需要，将实验需埋设的加速度传感器，孔隙水压力传感器，位移传感器等安装在模型箱内的指定位置；松开角度调节转轴9上的螺丝，利用千斤顶24抬升试验模型箱至设定角度，并用固定螺丝固定；连接传感器数据采集装置，在试验模型箱外侧适当位置架设高清摄像机，对实验过程进行记录；启动震动台，按照试验方案依次输入拟加载地震波，观察试验过程中的现象，实时测量试验中预埋设传感器数据；待试验完成，关闭振动台，清理台面，进行后续试验的数据处理；分析试验现象并及时完善试验中的不足，继续后续的试验工况。