大型可活动的侧向抬升复合加载滑坡物理模型试验装置

摘要

一种大型可活动的侧向抬升复合加载滑坡物理模型试验装置，包括试验框架、底部抬升机构、后部加载机构和水位升降模拟机构；所述试验框架前部底端与试验场地表面铰接，它由前部的前面板、至少两块竖向设置的护板和底部的框架底板相互拼接构成，相邻护板的间距可调；所述底部抬升机构设置于试验框架下方，用于驱动试验框架绕前部铰接点转动；所述后部加载机构包括加载钢板、电液伺服加载机和反力墙，反力墙设置于所述试验框架的后方，电液伺服加载机后端与反力墙铰接、前端与加载钢板连接，用于从试验框架后端对试验框架内的滑坡物理模型施加作用力。本装置能够适于较大尺寸的滑坡物理模型，并能建立与真实滑坡相比满足几何相似条件的三维空间模型。

说明书

技术领域

本发明属于地质灾害模型试验领域，涉及滑坡物理模型试验相关的试验仪器，具体的指一种大型可活动的侧向抬升复合加载滑坡物理模型试验装置。

背景技术

我国是滑坡、崩塌、泥石流等地质灾害多发的国家，其中滑坡这类地质灾害占有较大的比重。此外，由于人类工程活动的不断加剧，滑坡地质灾害已经成为了全球性的主要地质灾害之一。目前，为了有效地防治滑坡，国内外学者试图利用实验方法来探求滑坡的形成机制，其中滑坡物理模型试验是对滑坡生成规律进行研究的有效手段之一，它既可以用来检验理论分析和数值模拟计算结果的准确性，又可以直接指导工程实践的设计与施工。自20世纪90年代以来，我国在滑坡物理模型试验的理论研究、相似材料研制、试验技术等研究方面取得了突出的进展。自21世纪以来，在滑坡物理模型制作上，研究者们对模型框架设计取得了一批研究成果，其中具有代表性的滑坡物理模型试验装置试验平台及系统简介如下。

2004年，张均锋等人以箱体、透水板、挡网、插板为主要构件公开了一种水诱发滑坡模拟试验装置，用于模拟库水位涨落、上游供水、地下水位变化对滑坡的影响，并在此基础上提出了具体的试验方法。

同年，李世海等人发展了水诱发滑坡模型试验，该实验装置主要包括试验台、试验箱、供水系统和设置在试验箱上的滑坡体，可对滑坡失稳时的临界孔隙水压力、滑坡体失稳与承压水面积之间的关系开展研究。

2005年，张强勇等提出了一种组合式地质力学模型试验台架装置，主要是通过若干盒式钢台架体和底盘组合而成，适用于大型交通隧道、水电站地下厂房、矿山高陡边坡等的模拟。

2006年，罗先启等人研发了一种可考虑降雨作用的大型滑坡物理模型试验系统，该系统集起降系统、降雨系统、监测系统于一体，实现了系统的集成化、自动化。

2009年，何满潮等人公开了一种滑坡超前滑动力物理模拟实验方法和装置，主要利用应力传感器和位移传感器探测滑床模型倾斜面上内应力的变化及滑体位移，实现了滑坡发生全过程的模拟。

2010年，刘东燕等人提供了一种由敞口实验箱、水平支架、实验箱驱动装置和自动测角仪组成的滑坡模拟试验装置，能够根据试验要求改变实验箱的宽度，还可以自动测量坡角。

2011年，王世梅等人发明了一种由前面板、后面板、左面板、右面板组成的滑坡模型试验装置，其最大优点在于便于调节、拆卸组装、方便搬运移动及试验后的改装。

2011年，范永波等公开了一种包括库水位涨落模拟单元、滑坡实验槽段、人工降雨模拟单元和测量单元在内的多因素作用下的大型滑坡物理模型实验系统。

虽然上述滑坡物理模型试验装置的研发在一定程度上促进了地质力学模型试验研究方法的发展，但综合考虑上述多个模型试验装置或系统，发现均仍存在一定程度的局限或缺陷：

（1）传统模型试验装置规模尺寸较小，导致在试验过程中滑坡物理模型受两侧框架的边界效应影响显著；部分滑坡物理模型试验装置仅适合运用于教学，采用透明材料制作成小型模型框架以展示滑坡形成过程，无法对实际滑坡进行相似模拟；在试验过程中滑坡物理模型对外力响应敏感，细微的扰动都会使试验数据出现明显的偏差；由于尺寸限制，不能对滑坡-防治结构体系相互作用中的防治结构物进行精细研究；滑坡物理模型堆筑空间狭小，不便于成型与监测设备的布置；

（2）传统模型试验装置大都是固定框架，最多只能在非常有限的范围内改变滑坡物理模型框架的宽度，不能够根据研究需要调整框架的几何尺寸，很难满足一个框架适用于不同滑坡物理模型的要求，以致针对不同的研究对象需要研制不同的滑坡物理模型框架，造成了试验成本的极大浪费；

（3）滑坡应力条件变化难以模拟。滑坡在演化过程中外力边界条件往往并非一成不变，因而需要在试验中施加额外的作用力模拟外力条件的变化，现有试验装置往往不能通过施加外荷载，实现非完整滑坡地质力学模型的模拟；

（4）三维滑坡地质模型难以模拟。目前，滑坡物理模型试验主要是依据滑坡野外现场的勘测资料提取滑坡模型关键剖面建立概化的滑坡物理模型，然而受限于传统滑坡模型框架功能的局限，该概化的滑坡物理模型不能真实反应滑坡的受力变形特征，进行平面应变模型的概化处理后，滑坡物理模型与实际滑坡的模拟相比存在误差。

发明内容

本发明所要解决的技术问题就是提供一种大型可活动的侧向抬升复合加载滑坡物理模型试验装置，能够克服上述现有技术问题，适于较大尺寸的滑坡物理模型，并能实现试验框架的大小调节以及滑体后缘加载的模拟，建立与真实滑坡相比满足几何相似条件的三维空间模型。

为解决上述技术问题，本发明提供的一种大型可活动的侧向抬升复合加载滑坡物理模型试验装置，包括试验框架、底部抬升机构、后部加载机构和水位升降模拟机构；所述试验框架前部底端与试验场地表面铰接，它由前部的前面板、至少两块竖向设置的护板和底部的框架底板相互拼接构成，相邻护板的间距可调；所述底部抬升机构设置于试验框架下方，用于驱动试验框架绕前部铰接点转动；所述后部加载机构包括加载钢板、电液伺服加载机和反力墙，反力墙设置于所述试验框架的后方，电液伺服加载机后端与反力墙铰接、前端与加载钢板连接，用于从试验框架后端对试验框架内的滑坡物理模型施加作用力。

上述技术方案中，所述护板中，外端的两块护板内侧分别开有护板滑槽，前面板的两侧设有前面板侧轮，前面板侧轮与护板滑槽配合，用于前面板与外端两块护板的定位。

上述技术方案中，所述框架底板上开有若干底板滑槽，所述护板底端设有与底板滑槽匹配的护板底轮，用于通过护板安装于不同的底板滑槽调整相邻护板的间距；所述前面板由至少一个滑动板和两侧的插板拼接构成，用于通过设置滑动板数量调整前面板宽度与外端两护板的间距一致。

上述技术方案中，所述底部抬升机构一端与试验场地凹槽内设置的底座铰接，另一端与试验框架后部底端铰接。

上述技术方案中，所述底部抬升机构为液压千斤顶。

上述技术方案中，所述试验框架的铰接处设有测斜仪，用于读取试验框架的仰角。

上述技术方案中，所述反力墙上通过地锚和固定螺栓设置有加载机铰座，所述电液伺服加载机后端与铰座连接。

上述技术方案中，所述水位升降模拟机构包括前面板上开设的进水孔和排水孔，进水孔和排水孔连接外置水泵机构，用于实现试验框架内的水位升降。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

（1）本发明的试验装置可适用于长度大于3m、宽度大于1m、高度大于2m尺寸的滑坡物理模型，满足大型滑坡物理模型试验要求，避免了中、小型滑坡物理模型尺寸效应明显、受边界条件影响较大、无法考虑防治工程植入的问题；

（2）本发明试验装置的试验框架可灵活拼装调整，具有结构开放、组装灵活方便、尺寸可调的显著优点，能够适用于多种滑坡物理模型，且实现了试验框架的重复利用，试验完成后可将试验框架拆开回收，有利于节约试验场地及处理破坏后滑坡模型；

（3）该试验装置通过液压千斤顶的伸缩量，自动化调节滑坡物理模型的仰角，具有较高的控制精度，实现了对试验框架仰角的连续、稳定控制，配备测斜仪后，还可实时接收并记录抬升的角度；

（4）实现了完整与非完整地质力学模型的模拟。该试验装置既可实现滑坡完整地质力学模型研究，又可通过底部抬升机构和后部加载机构实现滑坡非完整地质力学模型复杂工况条件下的加载要求，减少了完整地质力学模型的制作强度；

（5）具备侧向抬升复合加载的功能。滑坡物理模型后部应力边界条件的施加通过电液伺服加载机精确控制，能实现复杂外力荷载的施加；传统的滑坡物理模型试验仅通过底部抬升改变滑坡模型的仰角，进而改变滑坡体内部的应力条件，而本试验装置能实现底部抬升与后部加载的复合加载；

（6）与传统滑坡物理模型的试验框架相比，该装置的试验框架可灵活改变护板间距从而调整试验框架宽度，既能根据滑坡关键剖面建立单位宽度概化滑坡模型，又能根据地形起伏变化条件，建立与真实滑坡相比满足几何相似条件的三维空间模型；

（7）该试验装置整体刚度高、稳定性好、耐用性好、可重复使用。由于该装置构件强度高、刚度大，构件偶见出现破坏的可能性非常小，即便出现破损，也易于修理或更换；该装置可广泛运用于包括土质滑坡、岩质滑坡等类型地质力学模型试验研究，应用前景广阔，经济效益显著；

（8）该试验装置能够通过框架底板、多个护板、滑动板和插板的拼接，实现一次试验完成多组平行试验的目的，增加了试验组的对比性，同时省去了大量时间和工作量。

附图说明

图1为本发明一个实施例的立体结构示意图。

图2为图1装置的主视图。

图3为图1装置中框架底板的俯视放大图。

图4为3的横截面图。

图5为图1装置中护板的左视放大图。

图6为图1装置中前面板的一种结构示意图。

图7为图1装置中反力墙的结构示意图。

图8为图1装置的俯视图。

图中：1—试验框架，2—框架转动轴，3—连接块，4—液压千斤顶，5—底座，6—加载钢板，7—电液伺服加载机，8—加载机铰座，9—反力墙，10—框架底板，11—底板滑槽，12—护板，13—护板滑槽，14—护板底轮，15—前面板，16—前面板侧轮，17—进水孔，18—排水孔，19—地锚孔，20—地锚，21—固定螺栓，22—固定螺杆，23—滑动板，24—插板。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的具体实施例作进一步的详细描述。

如图1至图8所示，本发明的一种大型可活动的侧向抬升复合加载滑坡物理模型试验装置，包括试验框架1、底部抬升机构、后部加载机构和水位升降模拟机构。

试验框架1由前部的前面板15、两侧的护板12和底部的框架底板10相互拼接构成。本实施例的前面板15由至少一个滑动板23和两侧的插板24相互插接构成，通过滑动板23的数量可调整前面板15宽度。框架底板10优选采用不锈钢板等具有高强度、不易锈蚀的材料制成，框架底板10上等间距开有若干底板滑槽11，护板12底端设有与底板滑槽11匹配的护板底轮14，通过护板12安装于不同的底板滑槽11能够调整两护板12间距，进而适应不同宽度的滑坡物理模型。两护板12的内侧分别开有护板滑槽13，两护板12间距确定后，拼接好宽度与护板12间距一致的前面板15，插板24的外侧设有前面板侧轮16，前面板侧轮16与护板滑槽13配合，可使前面板15沿两护板12前后移动，能够根据试验要求调节前面板15位置从而改变试验框架1的长度。试验框架1的框架底板10前端与试验场地表面的框架转动轴2铰接，框架转动轴2通过固定螺杆22与试验场地固定，确保试验过程中试验框架1不发生移动。框架底板10后端连接底部抬升机构。

底部抬升机构一端与试验场地凹槽内设置的底座5铰接，另一端与框架底板10后部底端的连接块3铰接。本实施例的底部抬升机构为液压千斤顶4，其伸长量及稳压过程由外置的液压控制系统进行精确控制与调节，以调控试验框架1的仰角。为便于实时读取和记录试验框架1的仰角，可在上述框架转动轴2处设置测斜仪，该处的测斜仪利用其传感器监测试验框架1绕框架转动轴2的转角，实时接收并记录不同时刻试验框架1的仰角信息。

后部加载机构包括加载钢板6、电液伺服加载机7和反力墙9。反力墙9设置于上述试验框架1的后方，反力墙9上通过地锚20和固定螺栓21设置有加载机铰座8，作为电液伺服加载系统的作动器，电液伺服加载机7后端与铰座8连接、前端连接加载钢板6，用于从试验框架1后端对试验框架1内的滑坡物理模型施加作用力。本发明选用电液伺服加载机7而非普通液压缸等是因其在控制系统控制下，能对试件进行多点协调加载，不仅可对过程加以实时控制，而且能很好地控制最后的结果。它具有响应速度快、输出功率大、控制精确性高等显著优点，利用计算机技术实现自由度协调控制，使加载性能得到提高。更具体的说：首先，在非完整滑坡物理模型或外部应力边界条件改变的条件下，电液伺服加载机7能对模型后缘施加不同类型的荷载，如模拟动载荷的正弦简谐波、周期性堆载作用的阶梯型外荷载、滑坡剩余推力的恒定荷载等；其次，由于滑坡破坏过程具有阶段性特征，并非瞬间破坏，设定的压力值不能真正有效的加载到滑坡物理模型上，因此常规的液压加载方式无法精细完成滑坡变形破坏过程中的应力施加，而电液伺服加载机7的控制系统能采集滑坡物理模型后缘土体与电液伺服加载机7之间的作用力并反馈至控制系统后调节施加作用力的大小，并使实际作用到边坡模型上的荷载与试验设计荷载大小一致；最后，电液伺服加载机7的控制系统同步、实时地记录了加载过程中其位移精确值，补充并完善了滑坡物理模型数据采集的数据。

水位升降模拟机构包括前面板15上开设的进水孔17和排水孔18，进水孔17和排水孔18分别连接外置的进水泵和排水泵，用于实现试验框架1内的水位升降，模拟水位涨落和冲刷作用。

应用本发明进行试验的大致过程为：

一、滑坡模型设计及试验装置拼装

1、针对研究需求，依据相似原理，拟定概化后的滑坡相似模型；

2、根据模型宽度，拼接护板12，并以相似材料试验结果为标准，分别配制滑床、滑带、滑体及防治结构物（例如抗滑桩等）的相似材料。根据拟定的滑坡相似模型空间形态准确制作滑坡物理模型并埋设好滑坡内部和表面的监测设备；

3、根据滑坡物理模型宽度拼接滑动板23和插板24，组成满足宽度要求的前面板15；推动前面板15直至靠近滑坡物理模型的前面边界；采用卡具等固定前面板15，并在前面板15与护板12、框架底板10接触处布置止水胶条做密闭防水处理；在滑坡物理模型后部架设加载钢板6，加载钢板6与加载面平行；

二、试验加载

4、开启液压千斤顶4的控制系统，液压千斤顶4长度连续伸长，与此同时试验框架1的仰角也在连续变化；当仰角达到指定角度时即可对液压千斤顶4进行稳压控制，确保其伸长量保持不变，进而确保试验框架1的仰角保持不变；仰角大小由测斜仪实时量测、显示并记录；

5、根据理论计算出的滑坡物理模型后部所需施加的推力大小，通过控制电液伺服加载机7在滑坡后部施加恒定或变化荷载；

6、打开进水泵，向试验框架1内部注水，模拟水位上升；关闭进水泵，向试验框架1外部排水，模拟水位下降；根据模拟工况条件控制进、排水泵的给排水量及工作时间；

三、数据采集

7、通过相关仪器设备采集试验数据，例如采集土压力、滑体内部绝对位移及抗滑桩桩身应变等；

四、数据处理

8、整理、分析试验数据；

五、试验结束

9、将试验框架1内的水通过排水泵抽除；

10、关闭电液伺服加载机7，回收加载钢板6；

11、缓慢释放液压千斤顶4；

12、抽出前面板15，并拆卸成滑动板23和插板24；

13、拆卸护板12，然后采用人工或机械方式移除破坏后的滑坡物理模型；

14、清洗框架底板10、护板12、滑动板23、插板24，回收并等待下次使用。

此外，由于框架底板10上设置了多个底板滑槽11，因此还可根据试验需要，在框架底板10上插入两个以上护板12，其中外端的两个护板12与前述相同，内侧的护板12可不开设护板滑槽13。在拼接滑动板23、插板24后，即在试验框架1内形成多个独立空间。试验时，在各独立空间内分别制备满足不同试验要求的滑坡物理模型，进行相关的平行试验，例如：同一种几何尺寸的滑坡体，改变材料的物理力学参数；同一种物理力学性质的滑坡物理模型，采用不同的几何形态；模拟不同水位升降条件下，同种滑坡的变形情况；抗滑装置设置与否，或者设置不同形式、尺寸的抗滑装置时的模型试验；设置不同滑坡物理模型宽度，研究边界效应对滑坡物理模型的影响等。能够实现一次试验完成多组平行试验的目的，增加了试验组的对比性，同时省去了大量时间和工作量。

本发明的核心在于前面板15、护板12和框架底板10拼接组合而成的试验框架1，能够根据滑坡物理模型尺寸进行调整，从而适用于多种滑坡物理模型的要求，以建立与真实滑坡相比满足几何相似条件的三维空间模型，并实现了试验框架1的重复利用。所以其保护范围并不限于上述实施例。显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变形而不脱离本发明的范围和精神，例如：护板12间距调节方式采用底板滑槽11和护板底轮14配合的结构是便于安装和进行密闭防水处理，但不限于该实施例结构，采用其它常规固定方式也是可行的；类似地，前面板15的拼接方式也不限于实施例中滑动板23和插板24相互插接的形式，只要能够调整前面板15宽度并与两护板12内侧固定即可；底部抬升机构、后部加载机构和水位升降模拟机构也可利用现有机构代替等。倘若这些改动和变形属于本发明权利要求及其等同技术的范围内，则本发明也意图包含这些改动和变形在内。