土質邊坡在侵蝕剝落情況下抗侵蝕性的測量裝置的制造方法
【專利摘要】本實用新型屬于土木工程領域，涉及一種土質邊坡在侵蝕剝落情況下抗侵蝕性的測量裝置；測量裝置包括變溫變濕箱以及均設置在變溫變濕箱內部的內部圓柱形支撐架、外部圓柱形支撐架、帶網眼金屬方格網、金屬方格板以及天平；內部圓柱形支撐架的頂部設置有帶網眼金屬方格網；外部圓柱形支撐架的頂部設置有金屬方格板；外部圓柱形支撐架罩于天平的外部；內部圓柱形支撐架穿過金屬方格板后置于天平上；內部圓柱形支撐架以及天平的高度之和大于外部圓柱形支撐架的高度；待測量的邊坡坡面土樣置于帶網眼金屬方格網上。本實用新型可有效利用實驗室設備評價土質邊坡坡面抗侵蝕性以及可減少輕現場試驗的工作量和費用。
【專利說明】
土質邊坡在侵蝕剝落情況下抗侵蝕性的測量裝置
技術領域
[0001] 本實用新型屬于土木工程領域，涉及一種土質邊坡抗侵蝕性的測量裝置，尤其涉 及一種土質邊坡在侵蝕剝落情況下抗侵蝕性的測量裝置。
【背景技術】
[0002] 作為邊坡工程、道路工程以及堤防工程等的建筑材料，土體直接暴露于大氣環境 中。土的含水率受環境變化、降水、水位交替等影響，邊坡表層土體易產生侵蝕剝落和沖刷 等病害，以至于破裂以及剝落進而降低工程穩定性。與巖質邊坡不同，目前土質邊坡最普遍 的病害為坡面問題，伴隨著大規模土木工程建設，由土質邊坡坡面抗蝕性能降低而導致的 坡體病害、局部滑坡和整體滑坡越來越多，造成經濟損失嚴重危害人民生命安全。土質邊坡 坡面病害通常深度僅限于氣候影響帶內（約為1.5_2m)，由抗蝕性能不足引起的病害根據與 自然條件的不同可分為侵蝕剝落與沖刷兩種，其形成機理存在一定區別。
[0003] 坡面侵蝕剝落出現于邊坡的任何位置，一般為片狀、鱗片狀和層狀剝落，形成原因 包括坡面水分濕度變化(尤其向陽坡產生的干裂剝落表現更為突出）、坡腳拉壓應力作用和 風化干縮等，通常粉粒含量多、易溶鹽含量高的土容易產生侵蝕剝落。坡面土層易風化剝落 對邊坡穩定不利，特別是古土壤層較厚且位于坡腳時更為不利;坡面剝落破壞除在坡腳形 成凹形的反坡地形對坡體穩定有一定影響，如果不加以防護任由雨水下滲，會對邊坡長期 穩定性造成巨大影響;坡面剝落巖土體堵塞排水溝，影響整體排水性能。
[0004] 坡面沖刷是指降雨及坡表水流破壞坡面表層土體造成沖溝、溜塌等現象。土質邊 坡的工程特性是干燥時強度較高，浸水后結構破壞，粘聚力迅速減小，變化幅度大，易水解 剝落。坡面沖刷會引起大量的水土流失，土質邊坡坡面沖刷與土層、土性、地形地貌條件、水 文條件等有密切的關系。當降雨時間集中或者以暴雨形式出現，土質邊坡極易受雨水及地 表水的破壞;邊坡采用臺階形式修筑時，排水處理不合理時也易引起沖刷破壞；降雨過后， 坡面被分散的小徑流沖成許多細密的小溝，坡度較陡且無植被的坡面上細溝侵蝕發育；當 間歇性坡面流集中侵蝕沖刷，逐步形成淺溝侵蝕破壞坡面及平臺。
[0005] 土質邊坡抗侵蝕性能并不是一個簡單的物理或化學指標，而是一個綜合性因子。 因此，定量測量土質邊坡抗侵蝕性不容易實現。現行的各類規范規程中尚未有評價土質邊 坡抗侵蝕性的試驗方法，僅有土的濕化試驗和邊坡降雨試驗能部分的測量和反映土質邊坡 的抗侵蝕性，并不能完全反映土質邊坡的抗侵蝕性，僅能反映飽水(沖刷)狀態下這一特殊 情況，通過測量坡面土質某一參數作為土質邊坡坡面抗侵蝕性指標。
[0006] 土的濕化試驗的基本原理是測量土體崩解過程中體積的變化，即在試驗過程中將 土樣放入濕化儀中的網板中央，迅速浸入水筒中，開動秒表，測記開始時浮筒齊水面處刻度 的瞬間穩定讀數，然后再按照不同的時間間隔來測記浮筒水面的讀數，計算崩解量與崩解 速度。由于在試驗過程中體積的變化量測誤差比較大，而且需憑借肉眼觀察瞬間讀數，人為 因素比較多，計算結果非常不準確，由于讀數間隔大，并不能對土質邊坡的沖刷特性進行預 測 。
[0007] 邊坡降雨試驗是現場試驗的一種，通過現場工程試驗路段進行人工降雨沖刷試 驗，獲取了不同的邊坡沖刷破壞過程及其抗沖刷效果。一般試驗需要測量4個內容:⑴測量 降雨前、后及過程中邊坡土體的含水量變化;⑵測量形成地表徑流的時間；⑶測量在不同時 段水樣的含泥量;⑷觀測坡面沖蝕溝的形成和演化規律。模擬降雨裝置一般采用仰噴式模 擬降雨機。降雨噴頭的高度可根據實際情況自由調節，與天然降雨的相似性能達到80%。現 場降雨試驗能較真實的完成對邊坡的沖刷問題分析，但降雨機理和降雨大小形式與天然降 雨有一定區別，不能完全正確的反映實際問題，并且試驗復雜繁瑣費用很高。 【實用新型內容】
[0008] 本實用新型針對上述現有技術存在的困難，提供了一種可有效利用實驗室設備評 價土質邊坡坡面抗侵蝕性以及可減少輕現場試驗的工作量和費用的土質邊坡在侵蝕剝落 情況下抗侵蝕性的測量裝置。
[0009] 為了實現上述目的，本實用新型采用如下技術方案：
[0010] 一種土質邊坡在侵蝕剝落情況下抗侵蝕性的測量裝置，其特征在于:所述土質邊 坡在侵蝕剝落情況下抗侵蝕性的測量裝置包括內部圓柱形支撐架、外部圓柱形支撐架、帶 網眼金屬方格網、金屬方格板、天平以及變溫變濕箱;所述內部圓柱形支撐架的頂部設置有 帶網眼金屬方格網；所述外部圓柱形支撐架的頂部設置有金屬方格板;所述外部圓柱形支 撐架罩于天平的外部;所述內部圓柱形支撐架穿過金屬方格板后置于天平上;所述內部圓 柱形支撐架以及天平的高度之和大于外部圓柱形支撐架的高度;所述內部圓柱形支撐架、 外部圓柱形支撐架、帶網眼金屬方格網、金屬方格板以及天平均設置在變溫變濕箱中；待測 量的邊坡坡面土樣置于帶網眼金屬方格網上。
[0011] 作為優選，本實用新型所采用的內部圓柱形支撐架以及天平的高度之和至少大于 外部圓柱形支撐架的高度5cm〇
[0012] 作為優選，本實用新型所采用的天平是分離式稱重裝置;所述天平包括稱重平臺、 數據連接線以及自動采集記錄儀;所述內部圓柱形支撐架穿過金屬方格板后置于天平的稱 重平臺上;所述自動采集記錄儀置于變溫變濕箱外部;所述稱重平臺通過數據連接線與自 動采集記錄儀相連。
[0013] 作為優選，本實用新型所采用的內部圓柱形支撐架的底面積小于天平的稱重平臺 的面積;所述外部圓柱形支撐架的底面積遠大于天平的稱重平臺在變溫變濕箱中的空間占 地面積。
[0014] 作為優選，本實用新型所采用的金屬方格板的面積遠大于帶網眼金屬方格網的面 積。
[0015] 作為優選，本實用新型所采用的帶網眼金屬方格網中的單個網眼的面積不低于 lcm2,所述帶網眼金屬方格網是截面為圓形的金屬鋼絲焊接而成。
[0016] 作為優選，本實用新型所采用的天平的量程為l-10kg;所述天平的精度為O.Olg; 所述自動采集記錄儀的自動記錄時間為7d;所述自動采集記錄儀的自動記錄時間的時間間 隔是l-5min/次。
[0017] 作為優選，本實用新型所采用的變溫變濕箱的溫度控制范圍是-40°C - 100°C;所 述變溫變濕箱的濕度控制范圍是20 % RH-98 % RH。
[0018] 本實用新型的優點是：
[0019] 本實用新型提供了一種土質邊坡在侵蝕剝落情況下抗侵蝕性的測量裝置，其中該 測量裝置包括內部圓柱形支撐架、外部圓柱形支撐架、帶網眼金屬方格網、金屬方格板、天 平以及變溫變濕箱；內部圓柱形支撐架的頂部設置有帶網眼金屬方格網；外部圓柱形支撐 架的頂部設置有金屬方格板;外部圓柱形支撐架罩于天平的外部；內部圓柱形支撐架穿過 金屬方格板后置于天平上；內部圓柱形支撐架以及天平的高度之和大于外部圓柱形支撐架 的高度；內部圓柱形支撐架、外部圓柱形支撐架、帶網眼金屬方格網、金屬方格板以及天平 均設置在變溫變濕箱中；待測量的邊坡坡面土樣置于帶網眼金屬方格網上。本實用新型利 用實驗室條件模擬自然環境下的風化、溫度、濕度等條件的改變，分析坡面土質的侵蝕剝 落。為達到快速試驗得到與實際工程的對比，采用了縮減試驗時間，將工程中一年的溫度濕 度變化規律縮短在一周內施加在試件上，試驗周期與工程要求等因素有關，可以按照相關 條件進行調整。本實用新型結構簡單，原理清晰，試驗可操作性強，所需的配件易加工，成本 低廉，可有效利用實驗室設備評價土質邊坡坡面抗侵蝕性以及可減少輕現場試驗的工作量 和費用，進行了多組試驗，其結果能清晰鑒別出不同土的抗侵蝕性，結果精確，可操作性強， 試驗結果重復性強。
【附圖說明】
[0020] 圖1為本實用新型所提供的土質邊坡在侵蝕剝落情況下抗侵蝕性測量裝置的示意 圖；
[0021] 其中：
[0022] 1-內部圓柱形支撐架；2-外部圓柱形支撐架；3-帶網眼金屬方格網；4-金屬方格 板;5-天平;6-稱重平臺；7-數據連接線;8-自動采集記錄儀;9-變溫變濕箱。
【具體實施方式】
[0023] 為了使本實用新型的目的、技術方案及優點更加清楚明白，以下結合附圖及實施 例，對本實用新型進行進一步詳細說明。此處所描述的具體實施例僅用以解釋本實用新型， 并不用于限定本實用新型。
[0024] 測量土質邊坡在自然條件侵蝕剝落情況下抗侵蝕性的方法，利用實驗室條件模擬 自然環境下的風化、溫度、濕度等條件的改變，分析坡面土質的侵蝕剝落。為達到快速試驗 得到與實際工程的對比，采用了縮減試驗時間，將工程中一年的溫度濕度變化規律縮短在 一周內施加在試件上。試驗周期與工程要求等因素有關，可以按照相關條件進行調整。由于 支架組合部分與天平接觸，天平僅能稱量部分支架的質量，天平去皮歸零。將土樣放在帶網 眼金屬方格網上，天平僅稱量土樣的質量，試驗開始時土樣質量m。當變溫變濕箱內環境變 化時，土樣表面土體剝落至金屬板上，則為剝落體的質量，天平稱重質量為m 2，二者之差代 表了邊坡土質的剝落質量，由于密度相同，則：
[0025]
[0026]
[0027] i以及it分別代表了土體的總抗侵蝕性和瞬時抗侵蝕性。
[0028] mi是待測量的邊坡坡面土樣在試驗開始前的質量；
[0029] mt是待測量的邊坡坡面土樣在試驗進行中的即時質量；
[0030] t是土質邊坡在降雨沖刷情況下的所用的時間；t的函數表達式是：
[0031]公式（3.)
[0032] 其中：
[0033] Μ是長度為L，寬度為W的待測量的邊坡坡面土樣允許剝落體總質量；
[0034] 0?是試驗中即時得到的土樣質量與時間的變化函數，即it對時間t的導數。
[0035] 同時，對上述得到的實驗數據進行分析處理，對于同一工程點參加統計的待測量 的邊坡坡面土樣不小于2塊，當試驗結果的極差不超過其平均值的10%時，待測量的邊坡坡 面土樣在侵蝕剝落情況下的總侵蝕剝落程度i或待測量的邊坡坡面土樣在侵蝕剝落情況下 隨時間的侵蝕剝落程度it取試驗結果的平均值。
[0036] 下面結合附圖對本實用新型所提供的技術方案進行詳細描述。
[0037]參見圖1，本實用新型提供了一種土質邊坡在侵蝕剝落情況下抗侵蝕性的測量裝 置，該土質邊坡在侵蝕剝落情況下抗侵蝕性的測量裝置包括內部圓柱形支撐架1、外部圓柱 形支撐架2、帶網眼金屬方格網3、金屬方格板4、天平5以及變溫變濕箱9;內部圓柱形支撐架 1的頂部設置有帶網眼金屬方格網3;外部圓柱形支撐架2的頂部設置有金屬方格板4;外部 圓柱形支撐架2罩于天平5的外部；內部圓柱形支撐架1穿過金屬方格板4后置于天平5上；內 部圓柱形支撐架1以及天平5的高度之和大于外部圓柱形支撐架2的高度；內部圓柱形支撐 架1、外部圓柱形支撐架2、帶網眼金屬方格網3、金屬方格板4以及天平5均設置在變溫變濕 箱9中；待測量的邊坡坡面土樣置于帶網眼金屬方格網3上。
[0038] 支架組合：由內部圓柱形支撐架和外部圓柱形支撐架組成。其中內部圓柱形支撐 架的高度加上天平的高度需大于外部圓柱形支撐架5cm以上，以保證落下的土質與內部圓 柱形支撐架不接觸；內部圓柱形支撐架的底面積應小于天平承重托盤的面積，外部圓柱形 支撐架的底面積應遠大于天平底面積，從而使得天平可以稱量內部圓柱形支撐架的質量， 卻不能稱量外部圓柱形支撐架的質量。
[0039] 帶網眼金屬方格網：網眼面積一般為lcm2(可以更大，不允許過小），方格網為金屬 鋼絲焊接而成，表面光滑，截面形狀為圓形(不宜為矩形）；
[0040] 圓形金屬板:存在四個圓形孔給予內部圓柱形支撐架穿過。面積需遠大于帶網眼 金屬方格網。
[0041 ]天平:分離式稱重裝置，由稱重平臺6、數據連接線7、自動采集記錄儀8組成，稱重 平臺6通過數據連接線7與自動采集記錄儀8相連。天平5的量程1 一 10kg，精度為O.Olg，自動 記錄時間為7 d，每次記錄時間間隔為5m i η /次。
[0042]變溫變濕箱：為電腦控制式溫度與濕度可調節儀器，可實現溫度與濕度的連續周 期性循環，溫度控制范圍為-40 °C-100 °C，濕度控制范圍20 % - 98 % RH。
[0043] 支架組合的外部支撐架放置于變溫變濕箱內，天平放置于外部支撐架內的中心位 置，內部支撐架放置于天平承重臺上，圓形金屬板放置于外部支撐架頂面，帶網眼金屬方格 網放置于內部支撐架上。
[0044] 本實用新型所提供的土質邊坡在侵蝕剝落情況下抗侵蝕性的測量裝置在具體使 用時，包括以下步驟：
[0045] 首先將圓柱形支撐架2放置于變溫變濕箱內，天平放置于圓柱形支撐架1內，然后 將圓柱形支撐架1放置于天平承重臺上，金屬方格板放置于圓柱形支撐架2頂面，帶網眼金 屬方格網放置于圓柱形支撐架1上。
[0046] 1、采集土體土樣，在取樣過程中土樣不得受壓、受擠和受扭，在運輸過程避免振動 破壞土體結構。在土體土樣上切取土，一般宜取6塊以上，邊長大于50mm的正方體。使用天平 測量土樣時間質量m分別為3058、41(^、3528、368 8、344和3858，將試樣放置于帶網眼金屬 方格網上。
[0047] 2、組裝整套儀器，此時天平讀數歸零或者去皮，然后將土樣放置于帶網眼金屬方 格網上。
[0048] 3、將變溫變濕箱水箱注滿水，打開開關，按照實際情況或試驗要求調整溫濕度變 化規律，為簡化工作量一般推薦快速試驗法，即在一周時間內通過實驗室試驗模擬工程一 年的環境變化，從而實現對土質邊坡在自然條件侵蝕剝落情況下土樣質量變化的測量。快 速試驗法的試驗周期一般為一周，模擬邊坡的長期侵蝕剝落情況試驗周期可適量增加三_ 四個周期，本次試驗周期定為五周。在一個完整周期內，變溫變濕箱最高溫度與邊坡所在區 域歷史最高溫度一致，最低溫度與邊坡所在區域歷史最低溫度一致，溫度隨時間變化圖形 呈正弦形；最高濕度與邊坡所在區域歷史最高濕度一致，最低濕度與邊坡所在區域歷史最 低濕度一致，濕度隨時間變化規律與所在區域一致，對于南方一般為正弦形或者梯形，對于 北方一般為馬鞍形。按照實際情況或試驗要求調整溫濕度變化規律，記錄天平在時間間隔 (一般為5min或者lOmin)的讀數m t分別為263.28、365.38、302.(^、324.(^、303.5 8和 346.6g。待試驗結束讀取數據m2。由于記錄時間較長，而記錄時間間隔為5min/次，數據量巨 大，以周為單位給出部分結果如下。
[0049]
[0050]
[0051] 4、邊坡土質在干濕交替情況的剝落程度可用前述公式（1)、（2)以及(3)計算得到。 [0052]以上所述僅為本實用新型的較佳實施例而已，并不用以限制本實用新型，凡在本 實用新型的精神和原則之內所作的任何修改、等同替換和改進等，均應包含在本實用新型 的保護范圍之內。
【主權項】
1. 一種土質邊坡在侵蝕剝落情況下抗侵蝕性的測量裝置，其特征在于:所述土質邊坡 在侵蝕剝落情況下抗侵蝕性的測量裝置包括內部圓柱形支撐架（1)、外部圓柱形支撐架 (2)、帶網眼金屬方格網（3)、金屬方格板(4)、天平(5)以及變溫變濕箱(9);所述內部圓柱形 支撐架（1)的頂部設置有帶網眼金屬方格網（3);所述外部圓柱形支撐架(2)的頂部設置有 金屬方格板(4);所述外部圓柱形支撐架(2)罩于天平（5)的外部;所述內部圓柱形支撐架 (1) 穿過金屬方格板(4)后置于天平(5)上;所述內部圓柱形支撐架（1)以及天平(5)的高度 之和大于外部圓柱形支撐架（2)的高度；所述內部圓柱形支撐架（1)、外部圓柱形支撐架 (2) 、帶網眼金屬方格網（3)、金屬方格板(4)以及天平(5)均設置在變溫變濕箱(9)中；待測 量的邊坡坡面土樣置于帶網眼金屬方格網（3)上。2. 根據權利要求1所述的土質邊坡在侵蝕剝落情況下抗侵蝕性的測量裝置，其特征在 于:所述內部圓柱形支撐架（1)以及天平(5)的高度之和至少大于外部圓柱形支撐架(2)的 高度5cm 〇3. 根據權利要求1或2所述的土質邊坡在侵蝕剝落情況下抗侵蝕性的測量裝置，其特征 在于:所述天平(5)是分離式稱重裝置;所述天平(5)包括稱重平臺（6)、數據連接線(7)以及 自動采集記錄儀(8);所述內部圓柱形支撐架（1)穿過金屬方格板(4)后置于天平(5)的稱重 平臺（6)上;所述自動采集記錄儀(8)置于變溫變濕箱(9)外部;所述稱重平臺（6)通過數據 連接線(7)與自動采集記錄儀(8)相連。4. 根據權利要求3所述的土質邊坡在侵蝕剝落情況下抗侵蝕性的測量裝置，其特征在 于:所述內部圓柱形支撐架（1)的底面積小于天平(5)的稱重平臺（6)的面積;所述外部圓柱 形支撐架(2)的底面積遠大于天平(5)的稱重平臺（6)在變溫變濕箱(9)中的空間占地面積。5. 根據權利要求4所述的土質邊坡在侵蝕剝落情況下抗侵蝕性的測量裝置，其特征在 于:所述金屬方格板(4)的面積遠大于帶網眼金屬方格網（3)的面積。6. 根據權利要求5所述的土質邊坡在侵蝕剝落情況下抗侵蝕性的測量裝置，其特征在 于：所述帶網眼金屬方格網（3)中的單個網眼的面積不低于lcm 2,所述帶網眼金屬方格網 (3) 是截面為圓形的金屬鋼絲焊接而成。7. 根據權利要求6所述的土質邊坡在侵蝕剝落情況下抗侵蝕性的測量裝置，其特征在 于:所述天平(5)的量程為Ι-lOkg;所述天平(5)的精度為O.Olg;所述自動采集記錄儀(8)的 自動記錄時間為7d;所述自動采集記錄儀(8)的自動記錄時間的時間間隔是1 -5miη/次。8. 根據權利要求7所述的土質邊坡在侵蝕剝落情況下抗侵蝕性的測量裝置，其特征在 于:所述變溫變濕箱(9)的溫度控制范圍是_40°C-100 °C;所述變溫變濕箱(9)的濕度控制 范圍是 20%RH-98%RH。
【文檔編號】G01N17/00GK205607827SQ201620379971
【公開日】2016年9月28日
【申請日】2016年5月1日
【發明人】董立山, 孫志杰, 趙建斌, 隋來才, 籍延青
【申請人】山西省交通科學研究院, 山西交科巖土工程有限公司