适用于土石边坡的磁场力-渗透力模型试验装置

摘要

本发明公开了一种适用于土石边坡的磁场力-渗透力模型试验装置，主要包括与地面呈20—45°角的坡积体、位于坡积体下方与坡积体平行设置的磁力层、位于坡积体上端与水源连通用于对坡积体施加顺坡向渗透力的渗水槽池、位于坡积体下端方向用于收集渗水的集水槽池、位于坡积体下端与集水槽池之间用于维护坡积体坡脚的可变形透水护脚体、位于坡积体上方与水源连通的模拟降雨的降雨管、设置在坡积体上方的位移传感器和设置在坡积体内的孔压计。本发明能够真实地模拟土石边坡在顺坡向渗透力和垂直坡面磁场力协同作用下的坡体内的有效应力和水压力，解决了土工模型实验难以同时满足几何相似和物理相似的难题，为土石边坡生态防护提供了一个研究手段。

说明书

技术领域

本发明涉及土石边坡生态防护技术领域，具体来说是涉及一种适用于土石边坡生态防护模型试验装置。 

背景技术

在土工模型试验方面，目前流行的试验主要有常规模型、磁力地质模型和离心模型试验。与岩石和混凝土不同，对于土体，正确模拟有效自重应力和水压力是其土工模型试验成功的关键。大量的土石料室内试验结果表明，土石料具有以下特点： 

①应力应变关系呈弹塑性和非线性； 

②应力应变关系在不同的应力水平条件下表现不同，土体的变形模量、强度等都与应力水平密切相关，而且这种相关性是非线性的； 

③土是三相体，加上降雨和地下水的作用，就要求土工模型试验中的自重应力和孔隙水压力必须与原型一致，才能用模型较为真实地模拟原型。 

常规土工模型试验在1g的重力场内，按几何相似可将原型尺寸缩小n倍，但因其不能满足土体自重应力水平和水压力的物理相似，即常规土工模型试验难以满足物理相似，因此目前土力学界已很少使用。由于上述原因，即使震动台可以模拟动应力相似，也限制了其应用于土工建筑物模型试验。 

目前的磁力地质模型只考虑固相的自重应力相似，不能满足液相及水压力相似。 

土工离心模型试验基于用离心力场模拟重力场的原理，通过施加在模型上的ng离心力使模型中土体的有效应力和孔隙水压力与原型趋于一致。但实际上所获得的离心力应力场在同一平面并不匀称。离心模型虽然可以满足土工模型和原型的几何与物理相似，但是由于设备造价昂贵、技术操作复杂、动态模拟操作困难，普遍使用率低，且存在不适宜用于原生植被生态护坡试验研究的缺点。 

鉴于现有技术的土工模型试验没有考虑降雨和地下水的作用，而降雨和地下水的渗透力又改变土体的有效应力和水压力，不能真实地模拟土石边坡原型，因 此构建能够真实模拟土石边坡的实验模型进行模拟实验是所属领域科技工作者共同面临的课题。 

发明内容

针对现有技术的土石边坡实验模型进行模拟实验的技术现状，本发明的目的旨在提供一种适用于土石边坡的磁场力-渗透力模型试验装置，以解决现有技术的土石边坡实验模型不能真实地模拟原型的问题。 

本发明提供的适用于土石边坡的磁场力-渗透力模型试验装置，其构成主要包括与地面呈20—45°角的坡积体、位于坡积体下方与坡积体平行设置的磁力层、位于坡积体上端与水源连通用于对坡积体施加顺坡向渗透力的渗水槽池、位于坡积体下端方向用于收集渗水的集水槽池、位于坡积体下端与集水槽池之间用于维护坡积体坡脚的护脚体、位于坡积体上方与水源连通的模拟降雨的降雨管、设置在坡积体上方的位移传感器和设置在坡积体内的孔压计，所述坡积体由混含有铁质骨料的模拟坡体土构成，坡积体上种植有植物，所述渗水槽池与坡积体相接的一面设计若干渗水孔，所述护脚体由压缩可变形材质构成的可透水的护脚体，以便渗透水经护脚体进入集水槽池，且保证允许坡积体在渗透力作用下发生渗透变形，所述集水槽池与护脚体相接的一面设计有集水孔。 

在本发明的上述技术方案中，所述磁力层可为整块的磁力板，也可为由永磁材料组成磁力网，磁力层可直接置于坡积体下方，也可悬于坡积体下方，最好是直接置于坡积体下方；所述磁力层可为电磁磁力层，也可或永磁体磁力层。 

在本发明的上述技术方案中，所述坡积体中的铁质骨料的重量含量为10%—40%；所述铁质骨料可以是铁屑，也可以是铁质砂珠，粒径分布范围为0.25—2.0mm。 

在本发明的上述技术方案中，所述坡积体可通过支架使之与地面呈设定的坡角，也可通过支撑体使之与地面呈设定的坡角，所述支撑体可以是堆积体，也可以是砌垒体等。 

在本发明的上述技术方案中，所述渗水槽池优先考虑设计为密闭结构；与渗水槽池相连接的水源优先选用可调整水头或压力的水源。进一步优先选用可上下调整水头的水箱。 

在本发明的上述技术方案中，坡积体上的植物，可以是直接种植的，也可以 是移植的，但不论是那种情况，在进行试验时，坡积体上的植物，其根系和枝茎分布最好与模拟原型坡积体上的植物接近。 

本发明进一步的技术方案，试验装置的主体，即所述坡积体、位于坡积体上端的渗水槽池、位于坡积体下端的护脚体和集水槽池等设置在箱室内，箱室箱体壁中与坡积体平行的两侧箱体壁最好采用透明材质材料制作，例如有机玻璃板制作，以便试验过程中研究人员通过观察了解坡积体在顺坡向渗透力和垂直坡面磁场力协同作用下位置变化。进一步地，为了便于研究人员观察，由有机玻璃板制作的两侧箱体壁面上最好设计有观测标记网格。 

在本发明的上述技术方案中，模拟降雨的降雨管通常设置在箱室的箱体顶壁上。为了使坡积体上的植物加快成长，所模拟的降雨可以加有促进植物生长的营养成分。 

在本发明的上述技术方案中，位于坡积体上方的位移传感器和在坡积体中埋设的孔压计，分别与设置在箱室外的记录显示二次仪表连接。 

本发明提供的适用于土石边坡的磁场力-渗透力模型试验装置，是基于发明人对粘性粗粒土等土石坡积体的渗透特性和骨架特征深刻理解，提出了对土石边坡施加顺坡向渗透力与垂直坡面磁场力协同作用的土工试验模型方法及实验装置。本发明提供的适用于土石边坡的磁场力-渗透力模型试验装置，以垂直坡面的磁场力模拟原型土石坡积体所受的法向正应力，以顺坡施加的渗流模拟土石边坡在坡内地下水和雨水作用下所受到的顺坡渗透力，利用垂直坡面的磁场力和顺坡向的渗透力的协同作用，使坡积体模型的有效自重应力和水压力放大相似比的倍数，与原型坡积体一致，真实地模拟了土石边坡在雨水顺坡渗透力和孔隙水压力协同作用下的坡体内的有效应力和水压力，克服了传统土工模型试验不能反映土体应力水平的弊端，磁力地质模型只能满足土骨架自重应力相似比而不能反映水压力相似比的问题，以及离心模型设备造价昂贵、技术操作复杂、动态模拟操作困难、普遍使用率低、且存在不适宜用于植被生态护坡试验研究的缺点。本发明的公开解决了土工模型实验难以同时满足几何相似和物理相似的难题，为土石边坡生态防护提供了一个研究手段，促进了土石边坡生态防护技术的进步。 

本发明提供的适用于土石边坡的磁场力-渗透力模型试验装置，具有设计合理、工艺简单、操作方便、成本低、易于推广的特点，既可以同时保证坡积体土 骨架应力和水压力的应力水平提高相同的相似比倍数，又减小了生态护坡试验难度，便于试验操作。 

附图说明

图1是本发明一个实施例的主视结构示意图。 

图2是附图1实施例的俯视结构示意图。 

图3是附图1中Ⅰ-Ⅰ向剖视结构示意图。 

图4-a是顺坡渗透力模拟示意图；图4-b是垂直坡面磁场力模拟示意图；图4-c是本发明的顺坡渗透力与垂直坡面磁场力协同作用下的力学模拟示意图。 

在上述附图中各图示标号标识的对象分别为：1-带角钢可以拼接的不锈钢板、2-有机玻璃板、3-坡积体支撑体、4-护脚体、5-集水槽池、6-排水管、7-磁力层、8-磁力控制装置、9-观测标记、10-坡积体、11-坡积体坡面栽种的植物、12-孔压计、13-位移传感器、14-渗水槽池、15-进水管、16-外水头装置、17-流量计、18-模拟降雨水管。 

具体实施方式

下面结合附图说明给出本发明的实施例，并通过实施例对本发明作进一步的说明，以便于更加容易地理解本发明。但需要特别指出的是，本发明的具体实施方式不限于下面实施例所描述的形式，所属领域的技术人员在不付出创造性劳动的情况下，还可很容易地设计出其他的具体实施方式，因此不应将下面给出的具体实施方式的实施例理解为本发明的保护范围，将本发明的保护范围限制在所给出的实施例。 

实施例1 

本实施例的适用于土石边坡的磁场力-渗透力模型试验装置，其结构如附图1、2和3所示，构成包括箱室和位于箱室内与地面呈约20°坡角的坡积体10、直接位于坡积体下方与坡积体平行设置的磁力层7、位于坡积体上端与水源连通用于对坡积体施加顺坡向渗透力的渗水槽池14、位于坡积体下端方向用于收集渗水的集水槽池5、位于坡积体下端与集水槽池之间用于维护坡积体坡脚的护脚体4、位于坡积体上方与水源连通的模拟降雨的降雨管18、设置在坡积体上方的位移传感器13和埋设在坡积体内的孔压计12；所述坡积体由混含有铁质骨料的模 拟坡体土构成，铁质骨料为粒径分布范围为0.25—2.0mm的钢珠，重量含量约占10%；坡积体上的植物11为移栽植物；所述渗水槽池为密闭结构，与坡积体相接的一面设计若干渗水孔，渗水槽池所连接的水源为可调整水头的水箱；所述护脚体由填充于箱体内可压缩变形的橡胶块体构成的透水体，以便渗透水经护脚体进入集水槽池，且允许坡积体在渗透力作用下产生渗透变形；所述集水槽池为密闭槽池，与护脚体相接的一面设计有集水孔，设计有排水管6；箱室箱壁与坡积体平行的两侧箱体壁由透明的有机玻璃制作，另两侧的箱室箱体壁由不锈钢材料制作，通过角钢组织成一体，其中与坡积体平行的由透明有机玻璃制作的两侧箱体壁面设计有观测标记9，以便试验过程中研究人员通过观察了解坡积体在顺坡向渗透力和垂直坡面磁场力协同作用下位置变化。所述降雨管18的两端放置在两侧箱体壁上，测量坡积体位移传感器13安置在降雨管18下方，安置在降雨管18下方的位移传感器13和埋设在坡积体内的孔压计12与位于箱室外的记录显示仪器或仪表连接；所述磁力层7为电磁力层，电磁力的强度由磁力控制装置8调节。 

实施例2 

本实施例的适用于土石边坡的磁场力-渗透力模型试验装置，整体上与实施例1所述试验装置的结构基本相同，所不同的地方是试验装置为敞开式结构，坡积体10通过机架与地面呈45°坡角设置，坡积体中的铁质骨料为粒径分布范围为0.25—2.0mm的铁屑，重量含量约占30%；磁力层7为永磁体材料板，直接置于坡积体下方，与坡积体形成一体；渗水槽池所连接的水源为可调整压力水泵。 

实施例3 

本实施例的适用于土石边坡的磁场力-渗透力模型试验装置，整体上与实施例1所述试验装置的结构基本相同，所不同的地方是坡积体10通过垒砌支撑体与地面呈30°坡角设置，坡积体中的铁质骨料为粒径分布范围为0.25—2.0mm的铁屑，重量含量约占15%；磁力层7为永磁体材料板，悬置于坡积体下方；渗水槽池所连接的水源为可调整高度位置的水箱。