一种模拟冰雹降落的试验方法及装置

1.本发明涉及岩土工程试验技术领域，尤其是涉及一种模拟冰雹降落的试验方法及装置。


背景技术：

2.随着我国高速公路和高速铁路的迅猛发展，山区大挖方高陡边坡越来越多。由极端暴雨、冰雪等恶劣气候所引起的滑坡、泥石流等自然灾害频发，对山区既有边坡和已建成的交通设施产生诸多不利的影响。相关学者对降雨和融雪诱发的边坡失稳机制研究较多，有关冰雹降落对边坡稳定性影响的研究相对较少。在极端冰雹天气条件下，从天而降的冰雹会对边坡产生较大的冲击荷载，冰雹的堆积会对边坡产生较大的重力荷载，冰雹融化后水分入渗会改变边坡土体的性质。冰雹冲击荷载、重力荷载和融化入渗三者共同作用对边坡稳定性的影响不容忽视。
3.当前，研究降雨诱发边坡失稳破坏模式与形成机理最主要的一项手段是通过自制人工降雨系统开展室内模型试验。西北农林科技大学利用ppr管、喷头和调节水阀自制的人工降雨模拟装置，对不同降雨下黄土坡面形态及坡面崩滑特性进行研究。清华大学利用自行研制的离心场降雨模拟设备，研究了边坡的位移场和典型点吸力随降雨量的变化。对融雪诱发边坡失稳破坏的研究多采用数值分析软件，中国地质大学借助有限元软件geostudio模拟计算了冰雪融化过程中松散堆积体渗流场、稳定性及变形三个方面的演化特征。然而，通过自制模型装置来模拟冰雹降落的试验设备目前还尚未发现，利用数值软件研究冰雹降落对边坡稳定性影响的研究也鲜有报道。


技术实现要素：

4.本发明所要解决的技术问题是，提供一种模拟冰雹降落的试验方法及装置，以便通过模拟不同降落密度、不同降落频率、不同降落高度、不同粒径冰雹，来研究冰雹冲击荷载、堆积荷载和融化入渗对边坡应力场、位移场和稳定性演化规律的影响，从而为通过模型试验手段研究冰雪天气对边坡稳定性的影响提供条件。
5.本发明解决其技术问题所采用的技术方案，一种模拟冰雹降落的试验方法，包括如下步骤：
6.获得冰雹降落过程中的收尾速度v
雹
，根据收尾速度v
雹
通过无量纲分析法获得冰球降落过程中的收尾速度v
球
；
7.根据冰球的收尾速度v
球
通过能量守恒定律获得冰球的平均降落高度h
球
；
8.在边坡模型箱中填筑边坡，布置测点，埋设测试元件，连接测试仪器；
9.通过自动升降机构按照平均降落高度h
球
调整好冰球的降落高度；
10.将直径相同或拥有一定粒径级配的冰球装入冰雹收纳箱；
11.打开阀门，冰球落下，观察冰球冲击对边坡面的破坏情况；
12.在冰球融化过程中，监测边坡中土体应力、位移和含水率的变化情况。
13.优选的，在获得冰雹降落过程中的收尾速度v
雹
步骤中：冰雹降落时力的平衡微分方程为：
[0014][0015]
解上述微分方程，令则：
[0016][0017]
对式(2)两边积分，计算出冰雹收尾速度v
雹
：
[0018][0019]
式中：k为风阻系数，其中c为空气阻力系数，对于球体，c＝0.5；ρ为空气密度，标准气压下ρ＝1.29kg/m3；s为球体投影面积；m为冰雹质量，其中，ρ
冰
＝0.9
×
103kg/m3；d为冰雹直径，v
尾
为冰雹收尾速度v
雹
；
[0020]
优选的，在根据收尾速度v
雹
通过无量纲分析法获得冰球降落过程中的收尾速度v
球
的步骤中：考虑应力σ、变形量s、冰雹质量m、冰雹收尾速度v
尾
、土体重度γ，边坡高度h，边坡长度l这七个参数，取力f、长度l、时间t为基本量，列方程(4)得：
[0021]
φ(σ,s,m,v,γ,h,l)＝0
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(4)
[0022]
根据各参数量纲，列矩阵得
[0023][0024]
根据π定量和量纲和谐要求，得方程组(5)：
[0025][0026]
取c、e、f、g为已知量，解方程组(5)得：
[0027][0028]
根据据公式(6)列π矩阵得：
[0029][0030][0031]
解π矩阵得：
[0032][0033]
设几何相似比c
h
＝h
m
:h
p
＝1:λ，c
l
＝l
m
:l
p
＝1:λ；冰球降落试验使用原状砂土，c
γ
＝γ
m
:γ
p
＝1:1；选用等直径冰球来模拟冰雹，c
m
＝m
m
:m
p
＝1:1；代入π关系式解得c
s
＝s
m
:s
p
＝1:λ，c
σ
＝σ
m
:σ
p
＝1:λ，c
v
＝v
m
:v
p
＝1:λ2；式中，下标m代表模型相似比，下标p代表原型相似比，λ为模型几何相似常数；由此可知，冰球收尾速度v＝v
尾
/λ2，即冰球的收尾速度v
球
＝v
雹
/λ2。
[0034]
优选的，在根据冰球的收尾速度v
球
通过能量守恒定律获得冰球的平均降落高度h
球
步骤中：根据能量守恒定律公式(8)计算冰球到地面的降落高度
[0035][0036]
通过v＝v
尾
/λ2，可得到公式(9)：
[0037][0038]
当取边坡中点为边坡平均高度时，冰球的平均降落高度应为：
[0039][0040]
式中：h为冰球距边坡的平均降落高度，即为h
球
；h为边坡高度。
[0041]
优选的，在打开阀门步骤中：根据冰球降落频率和密度首先调节下阀门的打开数量和开孔大小，然后根据下阀门的打开状态调节对应的上阀门。
[0042]
优选的，在冰雹落下的步骤中：打开上阀门后，在冰球落下的同时，推拉冰雹收纳箱驱使冰雹收纳箱前后移动以保证冰球顺利落下。
[0043]
本发明还提供了上述所述的模拟冰雹降落的试验方法的装置，包括由上至下依次设置的冰雹降落机构、支架、自动升降机构和边坡模型箱，所述自动升降机构安装在边坡模型箱上，所述自动升降机构的上端设有支架，所述冰雹降落机构包括冰雹收纳箱和多个漏斗，所述漏斗设于冰雹收纳箱的下端，且与冰雹收纳箱相连通，所述冰雹收纳箱设于支架的上端，且沿支架水平移动，所述漏斗设于支架内。
[0044]
优选的，所述漏斗由上至下依次设有上阀门和下阀门。
[0045]
优选的，所述上阀门和下阀门均为筛网。
[0046]
优选的，所述支架的上端设有导轨，所述导轨内设有多个滚珠，所述冰雹收纳箱的下端开有与滚珠相适配的滚槽，所述滚珠沿导轨滚动，所述导轨的两端开有制动槽。
[0047]
与现有技术相比，本发明获得的有益效果如下：
[0048]
(1)根据能量守恒原理，可以对不同降落高度、不同粒径冰球的降落收尾速度进行计算以及对相似比进行设计，调节冰雹降落模型试验中冰球的落高，实现不同降落高度的冰雹降落模拟试验；
[0049]
(2)可以实现不同降落密度、不同降落频率、不同粒径冰雹降落的模拟，为研究冰雹降落对边坡稳定性的影响提供条件；
[0050]
(3)可以研究冰雹从降落到融化全过程，边坡的应力场、位移场、水分场和稳定性的演化规律；
[0051]
(4)可以透过钢化玻璃观察不同工况下，冰雹降落对边坡坡面的冲击破坏形态。
附图说明
[0052]
图1为本发明工作流程的结构示意图；
[0053]
图2为本发明装置的结构示意图；
[0054]
图3为本发明装置的冰雹降落机构的结构示意图；
[0055]
图4为图2的俯视图；
[0056]
图5为本发明装置的导轨的结构示意图；
[0057]
图6为本发明装置的自动升降机构的俯视图。
[0058]
图中：
[0059]
1.冰雹降落机构，2.支架，3.自动升降机构，4.边坡模型箱，1
‑
1.冰雹收纳箱，1
‑
2.漏斗，1
‑2‑
1.上阀门，1
‑2‑
2.下阀门，5.导轨，6.滚珠，5
‑
1.制动槽。
具体实施方式
[0060]
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仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
[0061]
参照附图1
‑
2，本实施例提供了一种模拟冰雹降落的试验方法，包括如下步骤：
[0062]
步骤一，获得冰雹降落过程中的收尾速度v
雹
：据近年冰雹灾害天气资料统计，冰雹一般从3～5km高空降落，冰雹平均直径2cm，最大直径6cm，持续时长5～50min。忽略风速等次要因素，仅考虑重力和空气阻力的影响，计算冰雹降落过程中的收尾速度。根据相关资料，空气阻力与速度的平方成反比，冰雹降落时力的平衡微分方程为：
[0063][0064]
解上述微分方程，令则：
[0065][0066]
式(1)可写为：
[0067][0068][0069]
对式(4)两边积分，计算出冰雹收尾速度v
雹
：
[0070][0071][0072][0073][0074][0075][0076]
[0077]
式中：k为风阻系数，其中c为空气阻力系数，对于球体，c＝0.5；ρ为空气密度，标准气压下ρ＝1.29kg/m3；s为球体投影面积；m为冰雹质量，其中，ρ
冰
＝0.9
×
103kg/m3；d为冰雹直径，v
尾
为冰雹收尾速度v
雹
；
[0078]
不同尺寸的冰雹从5km高空降落时，收尾速度v
雹
如表1所示：
[0079]
表1不同直径冰雹降落收尾速度
[0080][0081][0082]
降雹过程中，根据冰雹的直径将冰雹分为3级：1)轻雹，多数冰雹直径不超过0.5cm；2)中雹，多数冰雹直径介于0.5～2.0cm之间；3)重雹，多数冰雹直径介于2～6cm之间。考虑最不利因素，取冰雹降落高度为5km，冰雹直径为6cm，解得冰雹的收尾速度为33.07m/s。
[0083]
步骤二，根据收尾速度v
雹
通过无量纲分析法获得冰球降落过程中的收尾速度v
球
：运用无量纲分析法，考虑应力σ、变形量s、冰雹质量m、冰雹收尾速度v
尾
、土体重度γ，边坡高度h，边坡长度l这七个参数，取力f、长度l、时间t为基本量，列方程(12)得：
[0084]
φ(σ,s,m,v,γ,h,l)＝0
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(12)
[0085]
根据各参数量纲，列矩阵得
[0086][0087]
根据π定量和量纲和谐要求，得方程组(13)：
[0088][0089]
取c、e、f、g为已知量，解方程组(13)得：
[0090][0091]
根据据公式(14)列π矩阵得：
[0092][0093]
解π矩阵得：
[0094][0095]
在模拟冰雹降落的试验方法中，设几何相似比c
h
＝h
m
:h
p
＝1:λ，c
l
＝l
m
:l
p
＝1:λ；冰球降落试验使用原状砂土，c
γ
＝γ
m
:γ
p
＝1:1；选用自制等直径冰球来模拟冰雹，c
m
＝m
m
:m
p
＝1:1；代入π关系式解得c
s
＝s
m
:s
p
＝1:λ，c
σ
＝σ
m
:σ
p
＝1:λ，c
v
＝v
m
:v
p
＝1:λ2；式中，下标m代表模型相似比，下标p代表原型相似比，λ为模型几何相似常数；由此可知，当冰雹的收尾速度为v
尾
时，则要求模拟冰雹所用等体积冰球收尾速度v＝v
尾
/λ2，即冰球的收尾速度v
球
＝v
雹
/λ2。当冰雹降落高度为5km，冰雹直径为6cm时，冰雹的收尾速度为33.07m/s，冰球的收尾速度为33.07/λ2m/s。
[0096]
步骤三，根据冰球的收尾速度v
球
通过能量守恒定律获得冰球的平均降落高度h
球
：在模拟冰雹降落的试验中，由于冰球的落距较小，此时空气阻力的影响可忽略不计，根据能量守恒定律公式(16)计算冰球到地面的降落高度
[0097][0098]
代入公式v＝v
尾
/λ2，则：
[0099][0100][0101]
当取边坡中点为边坡平均高度时，冰球的平均降落高度应为：
[0102][0103]
式中：h为冰球距边坡的平均降落高度，即为h
球
；h为边坡高度。
[0104]
步骤四：在边坡模型箱4中填筑边坡，布置测点，埋设测试元件，连接测试仪器；该步骤可得到边坡高度h，从而得到冰球的平均降落高度h
球
。需要说明的是，该步骤可以在步骤一之前完成。
[0105]
步骤五：根据前面步骤获得的冰球的平均降落高度h
球
，通过自动升降机构3将冰雹收纳箱1
‑
1调整到降落高度h
球
上；
[0106]
步骤六：将直径相同或拥有一定粒径级配的冰球装入冰雹收纳箱1
‑
1；本实施例中，我们选取的是直径相同的冰球，即选取的冰球直径与冰雹的直径相同，例如计算冰球的收尾速度步骤中，我们是按照冰雹降落高度为5km，冰雹直径为6cm来计算冰雹的收尾速度和冰球的收尾速度，则本步骤中也应该是选用与冰雹相同直径的冰球(6cm)装入冰雹收纳箱1
‑
1。
[0107]
步骤七：根据对冰球降落密度和频率的要求首先调节下阀门1
‑2‑
2的打开数量和开孔大小，然后根据下阀门1
‑2‑
2的打开状态调节对应的上阀门1
‑2‑
1，使上阀门1
‑2‑
1和下阀门1
‑2‑
2的状态保持一致，冰球落下，与此同时，推拉冰雹收纳箱1
‑
1驱使冰雹收纳箱1
‑
1前后移动以便保证冰球顺利落下。在这个冰球降落过程中观察冰球冲击对边坡面的破坏情况；在冰球融化过程中，监测边坡中土体应力、位移和含水率的变化情况。
[0108]
参照附图3和6，本发明还提供了上述模拟冰雹降落的试验方法的装置，包括由上至下依次设置的冰雹降落机构1、支架2、自动升降机构3和边坡模型箱4，自动升降机构3安装在边坡模型箱4上，边坡模型箱4为顶面无盖的长方体型，其中底面和一组相对的侧面使用钢板焊接，另一组相对的侧面使用透明的钢化玻璃作为观察窗，观察窗的四周放置有标尺，观察窗上画有黑色网格线，便于观察边坡土体的位移变化以及测试元件的埋设与标定。边坡模型箱4下端设置有排水孔，便于收集冰球融化后土体中水分的渗出量。为了保持边坡模型箱4的整体刚度，箱体四周用钢肋条加固。自动升降机构3的上端设有支架2，冰雹降落机构1包括冰雹收纳箱1
‑
1和多个漏斗1
‑
2，漏斗1
‑
2设于冰雹收纳箱1
‑
1的下端，且与冰雹收纳箱1
‑
1相连通，冰雹收纳箱1
‑
1设于支架2的上端，且沿支架2水平移动，冰雹收纳箱1
‑
1的一面为透明钢化玻璃；漏斗1
‑
2设于支架2内。自动升降机构3为由液压驱动的剪叉式升降机，具体为单剪叉升降机。
[0109]
按照冰雹灾害天气资料统计的结果，冰雹的最大直径d为6cm，漏斗1
‑
2的孔径设置不小于2d，上阀门1
‑2‑
1、下阀门1
‑2‑
2上均设置有刻度，用于精准调节漏斗1
‑
2开孔大小，满足不同频率、不同粒径冰雹的降落要求。
[0110]
参照附图4，漏斗1
‑
2由上至下依次设有上阀门1
‑2‑
1和下阀门1
‑2‑
2。
[0111]
上阀门1
‑2‑
1和下阀门1
‑2‑
2均为筛网，具体为具有一定刚度的铁网，上阀门1
‑2‑
1用来控制冰球降落的开始和停止，下阀门1
‑2‑
2用来控制漏斗1
‑
2的开孔大小。
[0112]
参照附图5，支架2的上端设有导轨5，导轨5内设有多个滚珠6，冰雹收纳箱1
‑
1的下端开有与滚珠6相适配的滚槽，滚珠6沿导轨5滚动，以便使冰雹收纳箱1
‑
1在导轨5上左右移动，导轨5的两端开有制动槽5
‑
1，避免因冰雹收纳箱1
‑
1滑动距离过大损坏漏斗1
‑
2。冰雹收纳箱1
‑
1通过滚珠6被支撑在导轨5上，通过推拉冰雹收纳箱1
‑
1使得滚珠6带动冰雹收纳箱1
‑
1前后移动，避免了冰球在漏斗1
‑
2处架空和卡顿。
[0113]
实施例一
[0114]
首先，根据计算得到的冰雹收尾速度和相似比设计的结果，通过自动升降机构3将冰雹收纳箱1
‑
1调节至预设高度。然后，在漏斗1
‑
2的上阀门1
‑2‑
1全部关闭的状态下，控制下阀门1
‑2‑
2打开和关闭的数量，通过该步骤使所有处于打开状态的下阀门1
‑2‑
2的开孔保持一致，并进行固定。随后冰雹收纳箱1
‑
1装入自制冰球，同一时间打开所有上阀门1
‑2‑
1，推拉冰雹收纳箱1
‑
1的把手，使箱体在导轨5上移动，保证自制冰球自由下落时不出现卡顿、架空。在这过程中，采集试验相关数据，拍摄试验过程中坡面自制冰球的堆积情况和受冲击破坏形态，待冰球降落完成后，继续监测冰球融化过程中的相关数据。至此实现了不同降落密度的冰雹降落模拟。
[0115]
实施例二
[0116]
本实施例与实施例一基本相同，不同之处在于：
[0117]
对于不同降落频率的冰雹降落模拟，(1)冰雹连续降落模式中：根据冰雹降落对频率的要求，将下阀门1
‑2‑
2变换成不同大小的开孔，实现冰雹在不同降落频率时的连续降落模拟。(2)冰雹不连续降落模式中：根据冰雹降落对频率的要求，将下阀门1
‑2‑
2变换至不同大小的开孔后，间隔一定的时间切换上阀门1
‑2‑
1打开和关闭的状态，使得自制冰球随着上阀门1
‑2‑
1开合的状态不连续降落，直至试验结束，实现冰雹在不同降落频率时的不连续降落模拟。
[0118]
实施例三
[0119]
本实施例与实施例一基本相同，不同之处在于：
[0120]
根据模拟方案对冰雹直径的设定，在冰雹收纳箱1
‑
1中装入直径相同或拥有一定粒径级配的自制冰球。
[0121]
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，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。