一種抗滑樁加固邊坡可視化模型試驗裝置和試驗方法與流程

本發明屬于巖土工程和地質工程技術領域，涉及一種模型試驗裝置和試驗方法，具體涉及一種抗滑樁加固邊坡可視化模型試驗裝置和試驗方法。

背景技術：

我國西部山區的滑坡災害頻發，嚴重威脅了當地人們的生命和財產安全，因此滑坡的預防和治理尤為重要。滑坡災害的治理措施種類繁多，目前大多采用錨索、錨桿以及抗滑樁等措施，但是對于地質條件復雜且滑面較深的大型滑坡，抗滑樁由于其對邊坡的擾動較小且抗彎性能優良，能提供較大的抗力，因此被廣泛用于滑坡的預防和治理中，而且在滑坡滑面較深、滑體較厚的情況下，抗滑樁可埋入土體一定深度，這樣既能較好的發揮抗滑樁的抗滑性能，又能節省材料費用。國內技術人員對抗滑樁的治理設計主要依據國家規范，由于每個滑坡的復雜性和特殊性，僅依據規范必然會造成抗滑樁的不合理設計，而且浪費了大量的人力、物力和財力。因此研究抗滑樁在邊坡中的受力與變形情況對抗滑樁的設計尤為重要。

目前，國內外學者對抗滑樁的研究主要集中于抗滑樁的內力計算及其優化，抗滑樁受力后的變形與破壞模式，以及樁間土拱的形成與破壞的過程。大部分學者主要通過數值模擬的方法來研究邊坡抗滑樁，一方面是研究其受力、變形情況以及滑裂面的分布情況，另一方面是研究抗滑樁樁間土拱的形成與破壞過程。由于實際滑坡治理工程中地質條件的復雜性與特殊性，數值模擬僅能研究抗滑樁在理想情況下的受力與破壞模式，不能反映實際情況下的變形與破壞過程，因此需要借助室內試驗或現場測試來研究抗滑樁的受力與變形情況以及土拱的形成與破壞過程。部分學者通過1g縮尺模型試驗或ng離心模型試驗研究了抗滑樁的受力、變形以及破壞的模式，但是試驗中所使用的邊坡填土為自然界中的砂土或粘性土，這些土體不透明，只能觀測土體表面的變形和破壞狀況，因此試驗中必須通過埋設多種傳感器來測量土體內部的位移以及樁體的變形情況，而且在試驗過程中只能觀察邊坡表面土體的位移情況，不能觀測每一時刻土體內部的變形與位移情況。

綜上所述，目前在抗滑樁的模擬試驗研究中還存在諸多的局限與不足，為此，本發明提供了一種抗滑樁加固邊坡可視化模型試驗裝置和試驗方法，更加方便、直觀地在實驗室內研究抗滑樁的變形及其破壞過程，樁周土體的位移以及樁間土拱的形成和破壞過程，而且在試驗過程中不需要預埋傳感器便可直觀、便捷地量測樁體以及土體的位移，因此節省了部分試驗費用，并簡化了試驗過程，更加節約時間。

技術實現要素：

本發明的目的，就是為解決現有的關于抗滑樁物理模擬試驗中存在的不可視化缺陷，提供一種抗滑樁加固邊坡可視化模型試驗裝置和試驗方法。

為實現上述技術目的，本發明可以通過以下技術方案來實現：

一種抗滑樁加固邊坡可視化模型試驗裝置，包括模型箱1、邊坡成型裝置2、加載裝置3、透明土4、抗滑樁9、激光發射器12和數碼相機11；所述模型箱1內設有透明土4和抗滑樁9；所述模型箱1為立方體結構，其相對的兩個面上的頂部一側設有箱體滑槽５；所述邊坡成型裝置2由水平鋼板16一端和帶滑槽鋼板17一端通過第二螺桿10連接成一體，用于建造邊坡模型；水平鋼板16的另一端緊靠模型箱1左側內壁，且水平放置于透明土4之上，帶滑槽鋼板17另一端設有邊坡成型裝置滑槽6，邊坡成型裝置滑槽6與箱體滑槽5通過第一螺桿8和第一螺母7相連，通過改變第一螺桿8在箱體滑槽5中的位置，可改變帶滑槽鋼板17與水平面之間的夾角α；所述加載裝置3固定于加載機上，對邊坡坡頂施加荷載；所述加載裝置3由加載機連接桿18、加載裝置鋼架22和加載鋼底板25組成；加載鋼底板25的一端通過第四螺桿23和第三螺母24與加載裝置鋼架22連接，另一端由可轉動的第三螺桿19和兩個第二螺母20連接，第三螺桿19的一端通過螺栓21與加載鋼底板25另一端相連，通過調節兩個第二螺母20來控制加載鋼底板25與水平面之間的夾角；所述激光發射器12分別設置在模型箱1左右兩側；所述數碼相機11分別設置于模型箱1的俯視面和正視面，用于拍攝模型箱1箱頂和箱側的清晰圖像。

本發明中，所述模型箱1是由若干個鋼架13組成的長方體框架結構，其頂端開口，模型箱1底面焊接有一塊鋼板14，模型箱1的四個側面由四塊透明的有機玻璃15拼接而成，且模型鋼鋼架13與有機玻璃15的接觸處用防水膠進行密封。

本發明中，所述的透明土4為高純度熔融石英和與其具有相同折射率的無色孔隙液體在恒定溫度下按比例混合配制而成，該透明土與天然土體的性質相似，無毒且性質穩定。

本發明中，所述的激光發射器12所發射出的光源穿透性強，在透明土中可形成一個明亮的散斑切面，并可調整其散斑切面與水平面之間的角度。

本發明提出的抗滑樁加固邊坡可視化模型試驗裝置的使用方法，具體步驟如下：

（１）準備試驗材料和器材

按照試驗所要求的尺寸分別制作模型箱1、邊坡成型裝置2、加載裝置3、抗滑樁9和用于模擬樁周土的透明土4，并且準備符合試驗要求的兩個激光發射器12，兩臺數碼相機11和一臺電腦；

（２）建造抗滑樁邊坡模型

將配制好的透明土分層填入模型箱1中，夯實填土直至模型箱1內填土達到設計高度，將抗滑樁9的一端埋入透明土體中至預定位置，整平土體；將邊坡成型裝置2的水平鋼板16的左側邊緣緊貼模型箱1的左側內壁，且水平放置于填土表面，另一塊帶滑槽鋼板17通過第一螺桿8和第一螺母7將邊坡成型裝置滑槽6與箱體滑槽5相連，通過改變第一螺桿8在箱體滑槽5中的位置調節水平鋼板16與水平面之間的夾角，以建造具有試驗研究所需坡角的邊坡，擰緊第一螺母7；再次向模型箱1內分層填入并夯實透明土至設計的邊坡高度，整平土體；

（３）安裝并調試試驗設備

將模型箱1移至到加載機上并調整其至合適位置；通過加載機連接桿18將加載裝置3與加載機相連，調節第二螺母20來控制加載鋼底板25與水平面之間的夾角，以對坡頂施加不同形式的荷載；調整加載裝置3的位置使其加載鋼底板25末端剛好接觸邊坡坡頂；在模型箱1的左側和右側分別安裝激光發射器12，調整激光切面的角度，使切面分別水平入射和垂直入射；在模型箱1的俯視面和正視面分別架設數碼相機11，并通過數據線與電腦聯接，調整相機的位置及參數，使其焦平面與模型箱1表面平行且能拍攝到清晰的圖像；

（４）開始試驗

取出邊坡成型裝置2，打開激光發射器12、數碼相機11和電腦，并設定電腦中各個參數，等待試驗加載；通過加載機和加載裝置3對邊坡坡頂施加所需荷載，用數碼相機11分別記錄試驗過程中箱頂和箱側的圖像，持續加載直至邊坡破壞；

（５）試驗結果分析

試驗加載結束后，通過圖像處理軟件對試驗過程中數碼相機所記錄的圖像進行分析，得到不同時刻下的樁體變形和樁周土的位移場；

（６）重復步驟（１）-（５），以研究在不同坡角和不同形式荷載下的不同形式抗滑樁的變形和破壞模式、樁周土體的連續變形情況以及樁間土拱的形成和破壞全過程。

與現有技術相比，本發明具有以下優點：

1.本發明中的模型箱的箱側壁由四塊有機玻璃組裝而成，可從各個角度直接觀測箱內試驗現象。

2.本發明中的邊坡成型裝置可改變其兩塊鋼板之間的夾角，便于建造試驗中所需的不同坡角的邊坡，操作簡便并可重復使用。

3.本發明中的加載裝置可改變其加載鋼底板與水平面之間的夾角，便于研究試驗中不同角度等形式的加載對邊坡和抗滑樁的影響，調節方便并可重復使用。

4.本發明中的透明土可便于在試驗過程中觀測土體內部的連續變形情況，通過架設不同方位的激光發射器可用來觀測抗滑樁的變形和周圍土體的位移情況，并且可觀測樁間土拱的形成和破壞過程，可使試驗研究更加直觀可靠、量測簡便。

5.本發明中的數碼相機通過數據線與電腦相連，可記錄每一時刻的清晰圖像，便于試驗結束后分析不同時間下的抗滑樁和土體的變形和位移情況，并可通過后處理軟件來進行進一步分析位移場情況。

附圖說明

圖1為本發明的主視圖；

圖2為本發明的俯視圖（拆除掉邊坡成型裝置后）；

圖3為本發明的模型箱三維構造示意圖；

圖4為本發明的邊坡成型裝置的主視圖；

圖5為本發明的邊坡成型裝置的俯視圖；

圖6為本發明的加載裝置的主視圖；

圖7為本發明的加載裝置的側視圖；

圖中標號，1為模型箱，2為邊坡成型裝置，3為加載裝置，4為透明土，5為箱體滑槽，6為邊坡成型裝置滑槽，7為第一螺母，8為第一螺桿，9為抗滑樁，10為第二螺桿，11為數碼相機，12為激光發射器，13為模型箱鋼架，14為模型箱底鋼板，15為有機玻璃，16為水平鋼板，17為帶滑槽鋼板，18為加載機連接桿，19為第三螺桿，20為第二螺母，21為螺栓，22為加載裝置鋼架，23為第四螺桿，24為第三螺母，25為加載鋼底板。

具體實施方式

下面結合附圖和具體實施例對本發明進行詳細說明。

實施例1：

一種抗滑樁加固邊坡可視化模型試驗裝置和試驗方法，主體結構如圖1、2所示，模型箱1頂端開口，箱內填土為透明土4；邊坡成型裝置2由水平鋼板16和帶滑槽鋼板17組成，用于建造邊坡模型；加載裝置3固定于加載機上，對邊坡坡頂施加荷載；在模型箱1的左右兩側分別放置激光發射器12，發出的光源穿透透明土體形成明亮的切面，調整其光線的亮度和切面與水平面之間的夾角；在模型箱1的側面和頂面分別架設數碼相機11，將數碼相機用數據線與電腦相連，調整數碼相機的位置和參數。

本實施例中的模型箱1，如圖3所示，其內壁尺寸為55cm×15cm×35cm(長×寬×高)，頂端開口，箱底面焊接一塊模型箱底鋼板14，箱側壁由四塊透明的有機玻璃15拼接而成。

本實施例中的抗滑樁邊坡模型高為15cm，坡頂寬度為20cm，坡角45°，坡腳處的土層厚度為15cm；抗滑樁9的截面尺寸為1cm×1cm，樁長22.5cm,兩根抗滑樁均位于邊坡中部，樁間距為7.5cm，樁頂與坡面齊平，抗滑樁9樁底與模型箱箱底接觸。

本實施例中的邊坡成型裝置2，如圖4、5所示，由水平鋼板16和帶滑槽鋼板17通過第二螺桿10連接成一體，鋼板寬度均為14.9cm；建造邊坡模型時，水平鋼板16的左邊緣緊靠模型箱1的左側內壁，且水平放置于透明土4之上，另一塊帶滑槽鋼板17通過第一螺桿8和第一螺母7將邊坡成型裝置滑槽6與箱體滑槽5相連，調整第一螺桿8和第一螺母7使帶滑槽鋼板17與水平面夾角為45°。

本實施例中的加載裝置3，如圖6、7所示，由加載機連接桿18、加載裝置鋼架22和加載鋼底板25組成；加載鋼底板25的尺寸為16cm×14.5cm（長×寬）,通過調節兩個第二螺母20來控制加載鋼底板25與水平面之間的夾角，為了便于形成一個連續滑面，將加載鋼底板25與水平面的角度調整為15°，試驗過程中的加載裝置3的加載速率為1mm/min。

本實施例中的透明土4為高純度熔融石英砂和無色孔隙液體在室溫25℃條件下混合配制而成，其中熔融石英砂sio2含量為99.99%，顆粒粒徑為1-2mm，孔隙液體由15#白油和3#白油按體積比5:4混合而成，該透明土體與天然土體的性質相似，無毒且性質穩定，其透明深度可達14cm。

本實施例中的激光發射器12的功率為150mw，波長650nm，發射出的光源穿透性強，在透明土4中可形成一個明亮的散斑切面。模型箱1右側的激光發射器12距右側箱壁15cm,其發出的光源所形成的明亮切面與水平面垂直，即與抗滑樁9平行，且該激光發射器12形成的切面穿透透明土并照射在抗滑樁9的樁側，該切面用于研究樁體和周圍土體的變形和破壞過程；模型箱1左側的激光發射器12距左側箱壁10cm,其發出的光源所形成的切面與水平面平行，即與抗滑樁9垂直，且該激光發射器12形成的切面位于抗滑樁9樁頂以下1cm處，該切面用于研究樁間土拱的形成和破壞全過程。

本實施例中的數碼相機11為高分辨率的數碼單反相機，用三腳架將兩臺數碼相機11分別固定在模型箱1的頂面和側面，并調整其參數和位置，確保試驗過程中拍攝到清晰的激光切面圖像，試驗中相機的圖像拍攝間隔為5s。

一種抗滑樁加固邊坡可視化模型試驗方法，其特征是它包括以下步驟：

(1)準備試驗材料和器材

按照試驗所要求的尺寸分別制作模型箱1、邊坡成型裝置2、加載裝置3、抗滑樁9和模擬樁周土的透明土4，并且準備符合試驗要求的兩個激光發射器12，兩臺數碼相機11和一臺電腦；

(2)建造抗滑樁邊坡模型

將配制好的透明土分層填入模型箱1中，夯實填土直至箱內填土達到設計高度，將抗滑樁9的一端埋入透明土體中至預定位置，整平土體；將邊坡成型裝置2的水平鋼板16的左側邊緣緊貼模型箱1的左側內壁，且水平放置于填土表面，另一塊帶滑槽鋼板17通過第一螺桿8和第一螺母7將邊坡成型裝置滑槽6與箱體滑槽5相連，調節帶滑槽鋼板17與水平面之間的夾角，擰緊第一螺母7；再次向模型箱1內分層填入并夯實透明土至設計的邊坡高度，整平土體；

(3)安裝并調試試驗設備

將模型箱1移至到加載機上并調整其至合適位置；通過加載機連接桿18將加載裝置3與加載機相連，調節第二螺母20來控制加載鋼底板25與水平面之間的夾角；調整加載裝置3的位置使其加載鋼底板25末端剛好接觸邊坡坡頂；在模型箱1的左側和右側分別安裝激光發射器12，調整激光切面的角度，使切面分別水平入射和垂直入射；在模型箱1的俯視面和正視面分別架設數碼相機11，并通過數據線與電腦聯接，調整相機的位置及參數，使其焦平面與模型箱表面平行且能拍攝到清晰的圖像；

(4)開始試驗

取掉邊坡成型裝置2，打開激光發射器12、數碼相機11和電腦，并設定電腦中各個參數，等待試驗加載；通過加載機和加載裝置3對邊坡坡頂施加所需荷載，用數碼相機11分別記錄試驗過程中箱頂和箱側的圖像，持續加載直至邊坡破壞；

(5)試驗結果分析

試驗加載結束后，通過圖像處理軟件對試驗過程中數碼相機所記錄的圖像進行分析，得到不同時刻下的樁體變形和樁周土的位移場。

上述方式中未述及的有關技術內容采取或借鑒已有技術即可實現。

需要說明的是,在本說明書的教導下本領域技術人員還可以作出這樣或那樣的容易變化方式,諸如等同方式,或明顯變形方式。上述的變化方式均應在本發明的保護范圍之內。