適用于土石邊坡的磁場力-滲透力模型試驗裝置制造方法

適用于土石邊坡的磁場力-滲透力模型試驗裝置制造方法
【專利摘要】本發明公開了一種適用于土石邊坡的磁場力-滲透力模型試驗裝置，主要包括與地面呈20—45°角的坡積體、位于坡積體下方與坡積體平行設置的磁力層、位于坡積體上端與水源連通用于對坡積體施加順坡向滲透力的滲水槽池、位于坡積體下端方向用于收集滲水的集水槽池、位于坡積體下端與集水槽池之間用于維護坡積體坡腳的可變形透水護腳體、位于坡積體上方與水源連通的模擬降雨的降雨管、設置在坡積體上方的位移傳感器和設置在坡積體內的孔壓計。本發明能夠真實地模擬土石邊坡在順坡向滲透力和垂直坡面磁場力協同作用下的坡體內的有效應力和水壓力，解決了土工模型實驗難以同時滿足幾何相似和物理相似的難題，為土石邊坡生態防護提供了一個研究手段。
【專利說明】適用于土石邊坡的磁場力-滲透力模型試驗裝置
【技術領域】
[0001]本發明涉及土石邊坡生態防護【技術領域】，具體來說是涉及一種適用于土石邊坡生態防護模型試驗裝置。
【背景技術】
[0002]在土工模型試驗方面，目前流行的試驗主要有常規模型、磁力地質模型和離心模型試驗。與巖石和混凝土不同，對于土體，正確模擬有效自重應力和水壓力是其土工模型試驗成功的關鍵。大量的土石料室內試驗結果表明，土石料具有以下特點:
[0003]①應力應變關系呈彈塑性和非線性；
[0004]②應力應變關系在不同的應力水平條件下表現不同，土體的變形模量、強度等都與應力水平密切相關，而且這種相關性是非線性的；
[0005]③土是三相體，加上降雨和地下水的作用，就要求土工模型試驗中的自重應力和孔隙水壓力必須與原型一致，才能用模型較為真實地模擬原型。
[0006]常規土工模型試驗在Ig的重力場內，按幾何相似可將原型尺寸縮小η倍，但因其不能滿足土體自重應力水平和水壓力的物理相似，即常規土工模型試驗難以滿足物理相似，因此目前土力學界已很少使用。由于上述原因，即使震動臺可以模擬動應力相似，也限制了其應用于土工建筑物模型試驗。
[0007]目前的磁力地質模型只考慮固相的自重應力相似，不能滿足液相及水壓力相似。
[0008]土工離心模型試驗基于用離心力場模擬重力場的原理，通過施加在模型上的ng離心力使模型中土體的有效應力和孔隙水壓力與原型趨于一致。但實際上所獲得的離心力應力場在同一平面并不勻稱。離心模型雖然可以滿足土工模型和原型的幾何與物理相似，但是由于設備造價昂貴、技術操作復雜、動態模擬操作困難，普遍使用率低，且存在不適宜用于原生植被生態護坡試驗研究的缺點。
[0009]鑒于現有技術的土工模型試驗沒有考慮降雨和地下水的作用，而降雨和地下水的滲透力又改變土體的有效應力和水壓力，不能真實地模擬土石邊坡原型，因此構建能夠真實模擬土石邊坡的實驗模型進行模擬實驗是所屬領域科技工作者共同面臨的課題。

【發明內容】

[0010]針對現有技術的土石邊坡實驗模型進行模擬實驗的技術現狀，本發明的目的旨在提供一種適用于土石邊坡的磁場力-滲透力模型試驗裝置，以解決現有技術的土石邊坡實驗模型不能真實地模擬原型的問題。
[0011]本發明提供的適用于土石邊坡的磁場力-滲透力模型試驗裝置，其構成主要包括與地面呈20— 45°角的坡積體、位于坡積體下方與坡積體平行設置的磁力層、位于坡積體上端與水源連通用于對坡積體施加順坡向滲透力的滲水槽池、位于坡積體下端方向用于收集滲水的集水槽池、位于坡積體下端與集水槽池之間用于維護坡積體坡腳的護腳體、位于坡積體上方與水源連通的模擬降雨的降雨管、設置在坡積體上方的位移傳感器和設置在坡積體內的孔壓計，所述坡積體由混含有鐵質骨料的模擬坡體土構成，坡積體上種植有植物，所述滲水槽池與坡積體相接的一面設計若干滲水孔，所述護腳體由壓縮可變形材質構成的可透水的護腳體，以便滲透水經護腳體進入集水槽池，且保證允許坡積體在滲透力作用下發生滲透變形，所述集水槽池與護腳體相接的一面設計有集水孔。
[0012]在本發明的上述技術方案中，所述磁力層可為整塊的磁力板，也可為由永磁材料組成磁力網，磁力層可直接置于坡積體下方，也可懸于坡積體下方，最好是直接置于坡積體下方；所述磁力層可為電磁磁力層，也可或永磁體磁力層。
[0013]在本發明的上述技術方案中，所述坡積體中的鐵質骨料的重量含量為10% — 40%;所述鐵質骨料可以是鐵屑，也可以是鐵質砂珠，粒徑分布范圍為0.25—2.0_。
[0014]在本發明的上述技術方案中，所述坡積體可通過支架使之與地面呈設定的坡角，也可通過支撐體使之與地面呈設定的坡角，所述支撐體可以是堆積體，也可以是砌壘體等。
[0015]在本發明的上述技術方案中，所述滲水槽池優先考慮設計為密閉結構；與滲水槽池相連接的水源優先選用可調整水頭或壓力的水源。進一步優先選用可上下調整水頭的水箱。
[0016]在本發明的上述技術方案中，坡積體上的植物，可以是直接種植的，也可以是移植的，但不論是那種情況，在進行試驗時，坡積體上的植物，其根系和枝莖分布最好與模擬原型坡積體上的植物接近。
[0017]本發明進一步的技術方案，試驗裝置的主體，即所述坡積體、位于坡積體上端的滲水槽池、位于坡積體下端的護腳體和集水槽池等設置在箱室內，箱室箱體壁中與坡積體平行的兩側箱體壁最好采用透明材質材料制作，例如有機玻璃板制作，以便試驗過程中研究人員通過觀察了解坡積體在順坡向滲透力和垂直坡面磁場力協同作用下位置變化。進一步地，為了便于研究人員觀察，由有機玻璃板制作的兩側箱體壁面上最好設計有觀測標記網格。
[0018]在本發明的上述技術方案中，模擬降雨的降雨管通常設置在箱室的箱體頂壁上。為了使坡積體上的植物加快成長，所模擬的降雨可以加有促進植物生長的營養成分。
[0019]在本發明的上述技術方案中，位于坡積體上方的位移傳感器和在坡積體中埋設的孔壓計，分別與設置在箱室外的記錄顯示二次儀表連接。
[0020]本發明提供的適用于土石邊坡的磁場力-滲透力模型試驗裝置，是基于發明人對粘性粗粒土等土石坡積體的滲透特性和骨架特征深刻理解，提出了對土石邊坡施加順坡向滲透力與垂直坡面磁場力協同作用的土工試驗模型方法及實驗裝置。本發明提供的適用于土石邊坡的磁場力-滲透力模型試驗裝置，以垂直坡面的磁場力模擬原型土石坡積體所受的法向正應力，以順坡施加的滲流模擬土石邊坡在坡內地下水和雨水作用下所受到的順坡滲透力，利用垂直坡面的磁場力和順坡向的滲透力的協同作用，使坡積體模型的有效自重應力和水壓力放大相似比的倍數，與原型坡積體一致，真實地模擬了土石邊坡在雨水順坡滲透力和孔隙水壓力協同作用下的坡體內的有效應力和水壓力，克服了傳統土工模型試驗不能反映土體應力水平的弊端，磁力地質模型只能滿足土骨架自重應力相似比而不能反映水壓力相似比的問題，以及離心模型設備造價昂貴、技術操作復雜、動態模擬操作困難、普遍使用率低、且存在不適宜用于植被生態護坡試驗研究的缺點。本發明的公開解決了土工模型實驗難以同時滿足幾何相似和物理相似的難題，為土石邊坡生態防護提供了一個研究手段，促進了土石邊坡生態防護技術的進步。
[0021]本發明提供的適用于土石邊坡的磁場力-滲透力模型試驗裝置，具有設計合理、工藝簡單、操作方便、成本低、易于推廣的特點，既可以同時保證坡積體土骨架應力和水壓力的應力水平提高相同的相似比倍數，又減小了生態護坡試驗難度，便于試驗操作。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0022]圖1是本發明一個實施例的主視結構示意圖。
[0023]圖2是附圖1實施例的俯視結構示意圖。
[0024]圖3是附圖1中1-1向剖視結構示意圖。
[0025]圖4_a是順坡滲透力模擬不意圖；圖4_b是垂直坡面磁場力模擬不意圖；圖4_(:是本發明的順坡滲透力與垂直坡面磁場力協同作用下的力學模擬示意圖。
[0026]在上述附圖中各圖示標號標識的對象分別為:1-帶角鋼可以拼接的不銹鋼板、
2-有機玻璃板、3-坡積體支撐體、4-護腳體、5-集水槽池、6-排水管、7-磁力層、8-磁力控制裝置、9-觀測標記、10-坡積體、11-坡積體坡面栽種的植物、12-孔壓計、13-位移傳感器、14-滲水槽池、15-進水管、16-外水頭裝置、17-流量計、18-模擬降雨水管。
【具體實施方式】
[0027]下面結合【專利附圖】

【附圖說明】給出本發明的實施例，并通過實施例對本發明作進一步的說明，以便于更加容易地理解本發明。但需要特別指出的是，本發明的【具體實施方式】不限于下面實施例所描述的形式，所屬領域的技術人員在不付出創造性勞動的情況下，還可很容易地設計出其他的【具體實施方式】，因此不應將下面給出的【具體實施方式】的實施例理解為本發明的保護范圍，將本發明的保護范圍限制在所給出的實施例。
[0028]實施例1
[0029]本實施例的適用于土石邊坡的磁場力-滲透力模型試驗裝置，其結構如附圖1、2和3所示，構成包括箱室和位于箱室內與地面呈約20°坡角的坡積體10、直接位于坡積體下方與坡積體平行設置的磁力層7、位于坡積體上端與水源連通用于對坡積體施加順坡向滲透力的滲水槽池14、位于坡積體下端方向用于收集滲水的集水槽池5、位于坡積體下端與集水槽池之間用于維護坡積體坡腳的護腳體4、位于坡積體上方與水源連通的模擬降雨的降雨管18、設置在坡積體上方的位移傳感器13和埋設在坡積體內的孔壓計12 ;所述坡積體由混含有鐵質骨料的模擬坡體土構成，鐵質骨料為粒徑分布范圍為0.25-2.0mm的鋼珠，重量含量約占10% ;坡積體上的植物11為移栽植物；所述滲水槽池為密閉結構，與坡積體相接的一面設計若干滲水孔，滲水槽池所連接的水源為可調整水頭的水箱；所述護腳體由填充于箱體內可壓縮變形的橡膠塊體構成的透水體，以便滲透水經護腳體進入集水槽池，且允許坡積體在滲透力作用下產生滲透變形；所述集水槽池為密閉槽池，與護腳體相接的一面設計有集水孔，設計有排水管6 ;箱室箱壁與坡積體平行的兩側箱體壁由透明的有機玻璃制作，另兩側的箱室箱體壁由不銹鋼材料制作，通過角鋼組織成一體，其中與坡積體平行的由透明有機玻璃制作的兩側箱體壁面設計有觀測標記9，以便試驗過程中研究人員通過觀察了解坡積體在順坡向滲透力和垂直坡面磁場力協同作用下位置變化。所述降雨管18的兩端放置在兩側箱體壁上，測量坡積體位移傳感器13安置在降雨管18下方，安置在降雨管18下方的位移傳感器13和埋設在坡積體內的孔壓計12與位于箱室外的記錄顯示儀器或儀表連接；所述磁力層7為電磁力層，電磁力的強度由磁力控制裝置8調節。
[0030]實施例2
[0031]本實施例的適用于土石邊坡的磁場力-滲透力模型試驗裝置，整體上與實施例1所述試驗裝置的結構基本相同，所不同的地方是試驗裝置為敞開式結構，坡積體10通過機架與地面呈45°坡角設置，坡積體中的鐵質骨料為粒徑分布范圍為0.25-2.0mm的鐵屑，重量含量約占30% ;磁力層7為永磁體材料板，直接置于坡積體下方，與坡積體形成一體；滲水槽池所連接的水源為可調整壓力水泵。
[0032]實施例3
[0033]本實施例的適用于土石邊坡的磁場力-滲透力模型試驗裝置，整體上與實施例1所述試驗裝置的結構基本相同，所不同的地方是坡積體10通過壘砌支撐體與地面呈30°坡角設置，坡積體中的鐵質骨料為粒徑分布范圍為0.25-2.0mm的鐵屑，重量含量約占15% ;磁力層7為永磁體材料板，懸置于坡積體下方；滲水槽池所連接的水源為可調整高度位置的水箱。
【權利要求】
1.一種適用于土石邊坡的磁場力-滲透力模型試驗裝置，其特征在于:主要包括與地面呈20— 45°角的坡積體(10)、位于坡積體下方與坡積體平行設置的磁力層(7)、位于坡積體上端與水源連通用于對坡積體施加順坡向滲透力的滲水槽池(14)、位于坡積體下端方向用于收集滲水的集水槽池(5)、位于坡積體下端與集水槽池之間用于維護坡積體坡腳的護腳體(4)、位于坡積體上方與水源連通的模擬降雨的降雨管(18)、設置在坡積體上方的位移傳感器(13)和設置在坡積體內的孔壓計(12)，所述坡積體由混含有鐵質骨料的模擬坡體土構成，坡積體上種植有植物，所述滲水槽池與坡積體相接的一面設計若干滲水孔，所述護腳體由壓縮可變形材質構成的可透水的護腳體，以便滲透水經護腳體進入集水槽池，且保證允許坡積體在滲透力作用下發生滲透變形，所述集水槽池與護腳體相接的一面設計有集水孔。
2.根據權利要求1所述的適用于土石邊坡的磁場力-滲透力模型試驗裝置，其特征在于:所述磁力層為磁力板，坡積體直接置于磁力板上。
3.根據權利要求2所述的適用于土石邊坡的磁場力-滲透力模型試驗裝置，其特征在于:所述磁力板為電磁磁力板或永磁體磁力板。
4.根據權利要求1所述的適用于土石邊坡的磁場力-滲透力模型試驗裝置，其特征在于:所述坡積體中的鐵質骨料的重量含量為10% — 40%。
5.根據權利要求4所述的適用于土石邊坡的磁場力-滲透力模型試驗裝置，其特征在于:所述鐵質骨料的粒徑分布為0.25—2.0mm。
6.根據權利要求1至5之一所述的適用于土石邊坡的磁場力-滲透力模型試驗裝置，其特征在于:所述坡積體通過支架或支撐體與地面呈設定的坡角。
7.根據權利要求1至5之一所述的適用于土石邊坡的磁場力-滲透力模型試驗裝置，其特征在于:所述滲水槽池(14)為密閉結構，與滲水槽池(14)相連接的水源為可調整水頭或壓力的水源。
8.根據權利要求7所述的適用于土石邊坡的磁場力-滲透力模型試驗裝置，其特征在于:與滲水槽池(14)相連接的水源為可上下調整水頭的水箱。
9.根據權利要求1至5之一所述的適用于土石邊坡的磁場力-滲透力模型試驗裝置，其特征在于:坡積體、位于坡積體上端的滲水槽池、位于坡積體下端的護腳體和集水槽池設置在箱室內，箱室箱體壁中與坡積體平行的兩側箱體壁由透明材質制作。
10.根據權利要求9所述的適用于土石邊坡的磁場力-滲透力模型試驗裝置，其特征在于:與坡積體平行的兩側箱體壁由有機玻璃板制作，箱體壁面上設計有觀測標記網格(9)。
【文檔編號】G01N33/24GK103884827SQ201410014916
【公開日】2014年6月25日 申請日期:2014年1月13日 優先權日:2014年1月13日
【發明者】周成, 陳生水, 何寧, 張桂榮, 陳群, 何建村, 吳艷, 石北嘯, 劉恩龍, 周富強, 周彥章, 戴燦偉, 曾子, 王琛, 趙波 申請人:四川大學, 水利部交通運輸部國家能源局南京水利科學研究院, 新疆水利水電科學研究院