模擬地震和降雨作用對邊坡穩定性影響的試驗裝置及方法與流程

本發明涉及一種模擬地震和降雨作用對邊坡穩定性影響的試驗裝置及方法。

背景技術：

滑坡是一種常見的自然災害，具有分布范圍廣、爆發頻率高、危害性大等特點。我國的山地面積相當廣闊，占國土總面積的2/3，天然邊坡廣泛存在，并且隨著基礎設施的快速發展，大型邊坡工程也會越來越多。近年來，隨著全球氣候變暖，強降雨及異常極端天氣誘發的滑坡、泥石流等災害越來越多，已經引起各國地質災害研究學者廣泛關注。“中國地質災害數據庫”中記錄了發生在我國的滑坡災害，在其記錄的災害中，絕大部分的滑坡是由降雨誘發的。同時，我國也是一個多震(地處環太平洋地震帶)的國家，多次發生強烈地震，如唐山大地震，營口地震，云南武定縣地震，汶川地震和蘆山地震等，因地震荷載造成的邊坡失穩進而產生的滑坡，造成的人員傷亡和財產損失同樣觸目驚心。從上可知，降雨和地震是誘發滑坡最主要的兩個因素。深入研究降雨條件下、地震條件下以及地震和降雨耦合作用下的邊坡穩定性規律對滑坡的預測以及預報和邊坡工程的設計施工具有理論指導意義。然而，由于多因素作用導致滑坡的形成與發生是一種非常復雜的自然現象，所以僅僅靠室內的常規土工實驗和現場原位實驗無法深入研究其邊坡的破壞模式及其失穩機理。

目前有類似模型箱的實驗，但是模型箱三面側壁為木質，在邊坡模型含水量較大時，木質側壁易腐蝕，不耐久，垂直地震波的兩側壁為木質，對地震波具有反射作用，易形成反射波，造成試驗誤差，并且該試驗裝置只能模擬地震作用，不能實現地震和降雨耦合作用下的邊坡穩定性研究。

技術實現要素：

為了解決上述問題，本發明提供了一種模擬地震和降雨作用對邊坡穩定性影響的試驗裝置及方法。

本發明的目的是這樣實現的：

一種模擬地震和降雨作用對邊坡穩定性影響的試驗裝置，包括人工降雨裝置、模型箱、振動臺、試驗監測系統和電腦終端，

人工降雨裝置包括儲水箱、壓力泵、電子控制閥、流量表、回水管、進水管、供水分管、降雨噴頭和供水主管,儲水箱通過進水管與壓力泵連接，壓力泵連接電子控制閥，電子控制閥連接流量表，流量表連接供水主管，供水主管連接供水分管，供水分管下方連接降雨噴頭，儲水箱與電子控制閥之間通過回水管連接，

模型箱位于降雨噴頭的下方，模型箱與振動臺固定連接，模型箱包括鋼制前側壁、有機玻璃、鋼制后側壁、鋼制左側壁、聚苯乙烯泡沫板、鋼制底板、角鋼斜撐、邊坡模型前置擋板、鋼制右側壁、泄水閥、泄水閥過濾網、傳感器孔、鐵絲網，聚苯乙烯泡沫板分別粘貼在鋼制左側壁和邊坡模型前置擋板上，鐵絲網焊接在鋼制底板上，邊坡模型前置擋板垂直安裝于鋼制前側壁和鋼制后側壁之間，鋼制前側壁和鋼制后側壁有相對應的等距離的若干孔洞，固定螺栓穿過孔洞使邊坡模型前置擋板固定，有機玻璃安裝于鋼制后側壁上方，泄水閥過濾網安裝在泄水閥的一側，泄水閥的另一側穿過聚苯乙烯泡沫板、邊坡模型前置擋板和鋼制右側壁，邊坡模型前置擋板上設置有若干傳感器孔，

試驗監測系統包括傳感器數據線、攝像機、傳感器數據采集儀，孔隙水壓力傳感器、含水量傳感器、吸力傳感器、壓力傳感器和加速度傳感器，孔隙水壓力傳感器、含水量傳感器、吸力傳感器、壓力傳感器和加速度傳感器分別安裝于傳感器孔內，且通過傳感器數據線與傳感器數據采集儀連接，傳感器數據采集儀連接電腦終端，振動臺與電腦終端連接，電子控制閥與電腦終端連接，攝像機放置在模型箱附近。

本發明還采用如下技術特征：采用如上所述的一種模擬地震和降雨作用對邊坡穩定性影響的試驗裝置，其試驗方法，包括如下步驟：

步驟一：邊坡振動臺模型相似比確定的關鍵在于根據振動臺模型箱有效尺寸和原型邊坡斷面尺寸,確定幾何尺寸相似比，根據幾何相似比計算出模型的相似常數，相似關系見表1：

表1模型的相似關系表

通過以上相似比確定邊坡的幾何尺寸，按時間相似比壓縮輸入地震波時間軸，設計地震工況和降雨工況，設計加速度傳感器、土壓力傳感器、孔隙水壓力傳感器、含水量傳感器、吸力傳感器的埋設位置以及相關標志點的埋設位置；

步驟二：模型土拌制及分層鋪設形成邊坡模型，制樣步驟如下：

(2.1)配置試驗用土：根據自己的試驗需求制作相關的試驗方案，試驗方案中要確定試驗邊坡的尺寸和角度以及試驗用土的類型；

(2.2)分層填筑：將邊坡模型在豎直方向按一定的高度劃分若干層，然后逐層夯實填筑邊坡，填筑完一層邊坡時要取樣校核其密度，并且在該層土樣的表面進行打毛處理；

(2.3)鋪設監測點標致：在靠近觀測窗口一側相應分層處均勻撒上一層用油性墨水染成黑色的土樣，為了使分層頂部水平，利用水準尺制作標記線；

(2.4)埋設傳感器：埋入相應的傳感器并避免傳感器在夯實過程中損壞，把加速度傳感器粘貼在密閉的盒子中，盒子與傳感器的共同密度和土的密度相等。

(2.5)調試數據采集系統：將傳感器數據線和傳感器數據采集儀連接，傳感器數據采集儀通過usb數據線和電腦終端連接；

(2.6)調整坡形：借助放線，完成所需坡形并打毛沒分層的表面，通常通過分層填筑后，進行削坡完成所需的邊坡模型，對填筑完的邊坡坡面蓋上塑料布，防止水分蒸發，然后靜止一周使邊坡土體內部應力狀態調整均勻、顆粒之間形成膠結；

(2.7)布設piv分析控制基準點：顆粒圖像技術是通過兩張不同時刻的照片來分析和比較照片中的同一顆粒在不同時刻的位置，從而找出圖片中顆粒的運動軌跡，邊坡模型制作時，需要在有機玻璃內側做一些用來描述顆粒位移的控制點，試驗方案設計時，應根據試驗模型的尺寸和測量的精度來設定控制點的大小與間隔，由于人為誤差的原因，控制點的圓心往往不一定就出現在之前標定好的位置，需要對控制點進行標定；

(2.8)圖像系統調試：將數碼相機對準有機玻璃觀察窗口，并調整焦距使畫面達到最清晰的狀態；選擇最佳位置固定數碼攝像機對邊坡的坡面進行拍攝；

步驟三：按照設計的地震工況，從電腦終端輸入地震波形及相關參數，振動臺振動模擬地震作用；

步驟四：按照設計的降雨工況，通過電子控制閥和壓力泵控制降雨強度的大小進行降雨作用并打開泄水閥門進行排水，通過孔隙水壓力傳感器、含水量傳感器、吸力傳感器測量降雨作用時邊坡土體孔隙水壓力、含水量、基質吸力的變化情況，并且通過數碼相機和數碼攝像機記錄邊坡側面坡面處的裂紋和變形情況；

步驟五：本實驗采用高清數字圖像處理技術對邊坡土體位移變化進行追蹤觀測，利用高清數碼攝像機進行全程攝像的同時，在地震和降雨作用后，利用高清高倍數碼照相機進行圖片采集，對邊坡側面和邊坡表面發生異常情況的部位利用高清數字電子顯微鏡進行觀測、記錄，最終，對采集到的資料進行分類整合、分析得到地震和降雨耦合作用下的邊坡失穩機理。

本發明的效果和益處為：本發明可進行單獨地震、單獨降雨以及地震和降雨耦合作用下的相關實驗，其具有構造簡單，可重復利用，試驗成本低等特點。通過該裝置的模型試驗，可以揭示邊坡地震、降雨以及地震和降雨耦合作用下的失穩機理，為滑坡防災減災、監測和預報提供理論依據。

附圖說明

圖1為本發明的整體結構示意圖。

圖2為本發明的模型箱的結構主視圖。

圖3為本發明的模型箱的結構俯視圖。

圖4為本發明的邊坡模型前置擋板的結構示意圖。

具體實施方式

下面根據說明書附圖舉例對本發明做進一步解釋：

實施例1

結合圖1-4所示，一種模擬地震和降雨作用對邊坡穩定性影響的試驗裝置，包括人工降雨裝置1、模型箱2、振動臺3、試驗監測系統4和電腦終端5，人工降雨裝置1包括儲水箱1-1、壓力泵1-2、電子控制閥1-3、流量表1-4、回水管1-5、進水管1-6、供水分管1-7、降雨噴頭1-8和供水主管1-9,儲水箱1-1通過進水管1-6與壓力泵1-2連接，壓力泵1-2連接電子控制閥1-3，電子控制閥1-3連接流量表1-4，流量表1-4連接供水主管1-9，供水主管1-9連接供水分管1-7，供水分管1-7下方連接降雨噴頭1-8，儲水箱1-1與電子控制閥1-3之間通過回水管1-5連接，模型箱2位于降雨噴頭1-8的下方，模型箱2與振動臺3固定連接，模型箱2包括鋼制前側壁2-1、有機玻璃2-2、鋼制后側壁2-3、鋼制左側壁2-4、聚苯乙烯泡沫板2-5、鋼制底板2-6、角鋼斜撐2-7、邊坡模型前置擋板2-8、鋼制右側壁2-10、泄水閥2-11、泄水閥過濾網2-12、傳感器孔2-13、鐵絲網2-14，聚苯乙烯泡沫板2-5分別粘貼在鋼制左側壁2-4和邊坡模型前置擋板2-8上，鐵絲網2-14焊接在鋼制底板2-6上，邊坡模型前置擋板2-8垂直安裝于鋼制前側壁2-1和鋼制后側壁2-3之間，鋼制前側壁2-1和鋼制后側壁2-3有相對應的等距離的若干孔洞2-9，固定螺栓穿過孔洞2-9使邊坡模型前置擋板2-8固定，有機玻璃2-2安裝于鋼制后側壁2-3上方，泄水閥過濾網2-12安裝在泄水閥2-11的一側，泄水閥2-11的另一側穿過聚苯乙烯泡沫板2-5、邊坡模型前置擋板2-8和鋼制右側壁2-10，邊坡模型前置擋板2-8上設置有若干傳感器孔2-13，試驗監測系統4包括傳感器數據線4-1、攝像機4-2、傳感器數據采集儀4-3，孔隙水壓力傳感器、含水量傳感器、吸力傳感器、壓力傳感器和加速度傳感器，孔隙水壓力傳感器、含水量傳感器、吸力傳感器、壓力傳感器和加速度傳感器分別安裝于傳感器孔2-13內，且通過傳感器數據線4-1與傳感器數據采集儀4-3連接，傳感器數據采集儀4-3連接電腦終端5，振動臺3與電腦終端5連接，電子控制閥1-3與電腦終端5連接，攝像機4-2放置在模型箱2附近。

實施例2

本實施例采用實施例1的試驗裝置得出的實驗步驟如下：

步驟一：模型試驗的首要問題是相似律的確定,以使原型的物理規律能在模型上得到正確反映，模型應該和原型相似,并符合相似理論的要求,相似律規定了模型和原型之間相似必須滿足的條件,同時規定了將模型試驗數據和結果推算到原型上的法則。因此,邊坡振動臺模型相似比確定的關鍵在于根據振動臺模型箱有效尺寸和原型邊坡斷面尺寸,確定幾何尺寸相似比。根據幾何相似比計算出模型的主要相似常數，相似關系見表1：

表1模型的相似關系表

通過以上相似比確定邊坡的幾何尺寸，按時間相似比壓縮輸入地震波時間軸，設計地震工況和降雨工況，設計加速度傳感器、土壓力傳感器、孔隙水壓力傳感器、含水量傳感器、吸力傳感器的埋設位置以及相關標志點的埋設位置。

步驟二：模型土拌制及分層鋪設形成邊坡模型，制樣步驟如下：

(2.1)配置試驗用土：根據自己的試驗需求制作相關的試驗方案，試驗方案中要確定試驗邊坡的尺寸和角度以及試驗用土的類型。為了配置所需的試驗用土，先確定試驗用土的控制干密度(可利用擊實試驗，選擇最優含水量時的密度)，每次取200kg的試驗用土，測定其平均初始含水量，確定干土的質量和水的質量，再由試驗干密度計算需要加入的水的質量，最后利用攪拌機將配置土樣攪拌均勻，得到所需的配置試驗用土。

(2.2)分層填筑：將邊坡模型在豎直方向按10cm的高度劃分若干層，然后逐層夯實填筑邊坡，填筑完一層邊坡時要取樣校核其密度，并且在該層土樣的表面進行打毛處理。夯實可以如下實現，根據每層的體積和控制干密度稱取相應的試驗用土重量，將試驗用土均勻鋪設在模型槽中，然后在土層表面上放置尺寸與土層大小相當的矩形墊板，最后利用行車在板上吊放重1.8t的混凝土重塊，尤其將土壓制設定標高。

(2.3)鋪設監測點標致：在靠近觀測窗口一側相應分層處均勻撒上一層用油性墨水染成黑色的土樣，為了使分層頂部水平，利用水準尺制作標記線。在坡面埋設白色橡皮塞，橡皮塞的密度和土體相近，橡皮塞的橫向和豎向間距均為10cm。以此橡皮塞作為坡面形態變化的標志點，進而有利于坡面的變形分析。

(2.4)埋設傳感器：為了避免傳感器在夯實過程中損壞，相應的夯實層中需要埋設傳感器，先利用pvc管代替傳感器，等到夯實完成后取出pvc管，埋入相應的傳感器。此外，因為加速度傳感器在含水量較高的土體中可能會出現不能正常工作情況，又因為加速度傳感器的密度遠大于邊坡土體的密度，在試驗過程中就會可能出現和土耦合振動的情況，所以需要改裝加速度傳感器克服上述缺陷。為了避免加速度傳感器周圍的含水量過大，可以把加速度傳感器粘貼在密閉的盒子中。同時為了防止出現傳感器和土耦合振動的狀況，使改裝后的盒子與傳感器的共同密度和土的密度相等。

(2.5)調試數據采集系統：將傳感器數據線和數據采集儀連接，數據采集儀通過usb數據線和電腦終端連接，打開數據采集儀電源和電腦終端軟件，看軟件是否有正確數據顯示，以此檢測傳感器線路連接是否正確。

(2.6)調整坡形：借助放線，完成所需坡形并打毛沒分層的表面，通常通過分層填筑后，進行削坡完成所需的邊坡模型。對填筑完的邊坡坡面蓋上塑料布，防止水分蒸發，然后靜止一周使邊坡土體內部應力狀態調整均勻、顆粒之間形成膠結。

(2.7)布設piv分析控制基準點：顆粒圖像技術(piv技術)是通過兩張不同時刻的照片來分析和比較照片中的同一顆粒在不同時刻的位置，從而找出圖片中顆粒的運動軌跡。邊坡模型制作時，需要在有機玻璃內側做一些用來描述顆粒位移的控制點。試驗方案設計時，應根據試驗模型的尺寸和測量的精度來設定控制點的大小與間隔。試驗時，可以將控制點設為黑色實心圓點，具體制作是在觀察窗內壁用油性黑色毛筆點一個直徑10mm左右的黑色圓點，待其風干之后，在其之上覆蓋一個直徑為16mm的白色圓點。黑色和白色增加了控制點的對比度，有效地將其與模型邊坡土體區分開來。此外，由于人為誤差的原因，控制點的圓心往往不一定就出現在之前標定好的位置，這就需要我們對控制點進行標定。控制點標定的具體做法如下：在電腦中畫一張與有機玻璃尺寸相同的圖，在此圖上畫好直徑為10的圓，然后將其打印出來。在有機玻璃上制作控制點時，應先將圖紙貼在有機玻璃的外側，以此黑色圓點來標定控制點，因此這樣的圓就稱為標定點。由于圖紙是通過計算機畫的所以圓的大小和間距都是很精確的，用這樣的圓來標定控制點就會有效地提高控制點的準確度。

(2.8)圖像系統調試：將數碼相機對準有機玻璃觀察窗口，并調整焦距使畫面達到最清晰的狀態；此外選擇最佳位置固定數碼攝像機對邊坡的坡面進行拍攝。

步驟三：按照設計的地震工況，從電腦終端輸入地震波形及相關參數，振動臺振動模擬地震作用。通過加速度傳感器、土壓力傳感器測量得到地震作用的邊坡動力響應，并且通過數碼相機和數碼攝像機記錄邊坡側面、坡面處的裂紋和變形情況。研究表明,與加速度有關的地震慣性力是邊坡產生變形和失穩的主要原因,而邊坡的加速度和動土壓力響應及其分布規律等,是評價邊坡工程地震動力響應性狀的基本資料，通過模型試驗了解邊坡在地震作用下的動力響應規律，以期揭示地震作用下邊坡的失穩機制。

步驟四：按照設計的降雨工況，通過電子控制閥和壓力泵控制降雨強度的大小進行降雨作用并打開泄水閥門進行排水。通過孔隙水壓力傳感器、含水量傳感器、吸力傳感器測量降雨作用時邊坡土體孔隙水壓力、含水量、基質吸力的變化情況，并且通過數碼相機和數碼攝像機記錄邊坡側面坡面處的裂紋和變形情況。

步驟五：本實驗采用高清數字圖像處理技術(piv技術)對邊坡土體位移變化進行追蹤觀測，利用高清數碼攝像機進行全程攝像的同時，在地震和降雨作用后，利用高清高倍數碼照相機進行圖片采集，對邊坡側面和邊坡表面發生異常情況的部位利用高清數字電子顯微鏡進行觀測、記錄。最終，對采集到的資料進行分類整合、分析得到地震和降雨耦合作用下的邊坡失穩機理。

上述試驗步驟中為先進行地震作用后進行降雨作用，實際操作可以根據需要選擇地震和降雨同時作用的工況、先降雨作用后地震作用的工況，單獨降雨作用的工況、單獨地震作用的工況。本實驗采用高清數字圖像處理技術對邊坡土體位移變化進行追蹤觀測，利用高清數碼攝像機4-2進行全程攝像的同時，在地震和降雨作用后，對邊坡側面和邊坡表面發生異常情況的部位利用高清數字電子顯微鏡進行觀測、記錄。最終，對采集到的資料進行分類整合、分析得到地震和降雨耦合作用下的邊坡失穩機理。