一种土-岩界面滑坡的物理模型试验装置及其制作方法和使用方法

摘要

本发明公开了一种土-岩界面滑坡的物理模型试验装置及其制作和使用方法，该物理模型试验装置包括试验平台、供水装置、喷洒装置、土-岩坡体和数据采集系统，试验平台采用一侧开口的立方体箱型试验槽，试验槽的开口侧设置收集槽，供水装置通过供水管连接到喷洒装置，喷洒装置放置于试验槽上部中，土-岩坡体包括上部土层和下部岩层且放置于试验槽下部中，数据采集系统中的传感器铺设在土-岩坡体中。利用本发明可以对降雨诱发下土-岩接触面滑移机理进行研究，而且本发明的界面滑坡模型试验装置，设计简单、方便操作、成本低廉，可以在模型试验设计中大范围推广应用。

说明书

技术领域

本发明涉及岩土工程技术和边坡稳定性监测预报领域，尤其涉及土-岩界面 滑坡的物理模型试验装置及其制作方法。

背景技术

国内外通过物理模型试验对滑坡的发生发展机理已有过一些成果，如研究 滑坡的孕育、形成机制以及滑动特征等，为滑坡的滑移机理研究以及滑坡灾害 预警、预报及工程防治起到了一定的指导性作用。

土-岩界面滑坡是一种极具隐蔽性的滑坡类型，其中以黄土泥岩界面的滑坡 发生较为频繁。黄土泥岩界面滑坡多发生在晋陕内蒙古接壤区，具有明显地域 性，其发育、形成及活动性质独特，危害严重且多具有崩滑性。黄土地层质地 松散，大孔隙、垂直节理发育，多层古土壤的存在，为滑坡发育提供了良好的 物质基础；黄土地层与下伏基岩幔覆式堆积接触特征，以及黄土地层下广泛分 布着岩性软弱的第三纪泥岩地层为滑坡形成提供了有力条件；黄土的大孔隙垂 直节理发育，使得上部黄土岩层渗透性较好，水分的入渗增加了坡体自重，软 化了坡体的物质，降低了黄土及其古土壤层的强度，而土-岩接触带物质隔水性 较好，下伏泥质岩渗透性较差，使得黄土泥岩接触带附近土体含水量增大，甚 至长时间处于过湿～软塑～饱和状态，改变了黄土与第三纪泥岩接触面的强度 和变形特性，为黄土泥岩界面滑坡带的发育提供了极好的物质条件。目前，对 于降雨诱发下黄土泥岩接触面滑移机理的研究，未曾有文献进行报道。

与本发明最相近似的实现方案：

(1)国内学者中国科学院力学研究所李世海等人(2004)开展了水诱发滑坡 模型试验，该试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。该装置能对滑坡失稳时的临界孔隙水压力、滑坡体失稳与承压水面 积之间的关系等开展了相关研究。

(2)国内学者三峡大学罗先启等人(2006)开展滑坡物理模型试验，主要研 究了雨水及库水位作用下土体滑坡变形破坏机制。该试验系统主要包括平台起 降控制系统、喷洒系统、库水位升降系统、多物理量测试系统、非接触式位移 测试系统、r射线透射法土壤水分测试系统，同时进行了相似材料设计等相关 工作。

(3)国内学者重庆大学刘东燕等人(2010)开展了滑坡物理模型试验，该试 验装置主要包括敞口试验箱、水平支架、试验箱驱动装置、自动测角仪。该试 验装置能够根据不同宽度边坡模型的需要调节试验箱的宽度，同时还可以自动 测量坡角，通过摄像机和照相机对试验过程的全程记录。

(4)国内学者中科院力学所范永波等人(2011)研发了多因素作用下的大型 滑坡物理模型试验系统，考虑多种因素影响如降雨、库水位升降、承压水因素 的滑坡发展全过程物理模型试验装置，用于进行不同雨强、不同库水位升降速 度、不同承压水头下的滑坡不同破坏阶段物理模型试验研究。

上述滑坡模型试验装置都是针对滑坡体整体的运移和失稳，无法对土-岩界 面滑坡问题进行物理模型试验，以揭示其接触面滑移机理。

发明内容

为了克服现有的缺陷，本发明提出一种土-岩界面滑坡的物理模型试验装 置及其制作方法。

根据本发明的一个方面，提出了一种土-岩界面滑坡的物理模型试验装置， 包括试验平台、供水装置、喷洒装置、土-岩坡体和数据采集系统，其中，试验 平台采用一侧开口的立方体箱型试验槽，试验槽的开口侧设置收集槽，供水 装置通过供水管连接到喷洒装置，喷洒装置放置于试验槽的上部中，土-岩坡 体包括上部土层和下部岩层且放置于试验槽的下部中，数据采集系统中的传 感器铺设在土-岩坡体中。

根据本发明的另一个方面，提出一种土-岩界面滑坡的物理模型试验装置 的制作方法，包括：步骤A：制作试验平台，所述试验平台整体为钢架结构， 是一侧开口的立方体箱型试验槽，其内设置土-岩坡体；试验槽的一个侧面采 用钢化玻璃，该侧面的外部设置摄像机以观测和记录试验槽中土体的运动以 及破坏状态，试验槽的开口侧设置收集槽，试验槽的开口侧的底部设置铰支 结构，在试验槽的与所述开口侧相对的侧面的顶部焊接一对挂钩以实现试验 槽的倾斜，试验槽的与所述开口侧相对的侧面设置有垂直于该侧面的千斤顶， 并且千斤顶设置在对应于土层的位置处；步骤B：制作供水装置和喷洒装置， 所述供水装置由水箱、供水管、加压泵组成，供水管的一端设置在水箱中， 供水管的另一端连接到喷洒装置，加压泵连接到供水管；喷洒装置由小孔式 雨滴发生器和控制阀连接组成，小孔式雨滴发生器横跨试验槽的上部设置， 供水管经由控制阀连接到小孔式雨滴发生器中心处，使得小孔式雨滴发生器 通过控制阀的控制将经由供水管供应的水喷洒到所述试验槽内；小孔式雨滴 发生器采用无规共聚聚丙烯管(下面简称为PPR管)打孔制成，PPR管两头封 闭；步骤C：制作土-岩坡体，土-岩坡体放置并充满试验槽的下部，包括土层 和岩层，土层使用测量地的土壤，所述岩层使用相似材料制作；步骤D：在土 -岩接触面上埋设第一层传感器，在土层中再埋设一层或多层传感器，传感器 连接静态电阻应变仪，静态电阻应变仪将从传感器采集的数据传送到计算机。

根据本发明的又一个方面，提出一种使用上述物理模型试验装置的方法， 该方法包括：步骤01：设计降雨方案，实施降雨方案；和步骤02：观测传感 器数据，观测土-岩坡体的状态。

本发明的界面滑坡模型试验装置，设计简单、方便操作、成本低廉，可以 在模型试验设计中大范围推广应用。

附图说明

图1是土-岩界面滑坡的物理模型试验装置示意图；

图2(a)是试验平台装置主视图，图2(b)是试验平台装置侧视图；

图3是测点布置侧视图；以及

图4是测点布置俯视图。

如图所示，为了能明确实现本发明的实施例的结构，在图中标注了特定的 结构和器件，但这仅为示意需要，并非意图将本发明限定在该特定结构、器件 和环境中，根据具体需要，本领域的普通技术人员可以将这些器件和环境进行 调整或者修改，所进行的调整或者修改仍然包括在后附的权利要求的范围中。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明提供的一种土-岩界面滑坡的物理 模型试验装置及其制作和使用方法进行详细描述。

在这里做以说明的是，为了使实施例更加详尽，下面的实施例为最佳、 优选实施例，对于一些公知技术本领域技术人员也可采用其他替代方式而进 行实施；而且附图部分仅是为了更具体的描述实施例，而并不旨在对本发明 进行具体的限定。

如图1所示，图1提供了土-岩界面滑坡的物理模型试验装置，包括试验 平台、供水装置、喷洒装置、土-岩坡体和数据采集系统。

试验平台采用一侧开口的立方体箱型试验槽，整体为钢架结构。根据一 个优选实施例，箱型试验槽的一个侧面可以采用钢化玻璃，以便在该侧面的 外部架设高速摄像机，以用于观测试验槽中土体的运动以及破坏状态，而其 余面均采用钢板。试验槽的开口侧设置收集槽9，收集槽可以和开口侧离开一 定的距离，以便于土体下落后收集。供水装置通过供水管2连接到喷洒装置。 喷洒装置放置于试验槽的上部中。土-岩坡体包括上部土层23和下部岩层22且 放置于试验槽的下部中。数据采集系统中的传感器铺设在土-岩坡体中。

进一步地，试验槽的开口侧的底部设置有铰支结构，从而使试验槽的与 开口侧相对的侧面可以绕着铰支结构自由抬升而向上倾斜。例如，试验槽的 倾斜角度可以在0°～15°的范围内。优选地，铰支结构包括焊接于试验槽底部 钢板上的槽中的一对门轴21，以使试验槽可以绕着所述一对门轴21向上倾斜， 如图2所示。

优选地，试验槽的与开口侧相对的侧面的顶部焊接有一对挂钩25，方便 天车起吊试验槽，从而使试验槽绕着铰支结构倾斜。另一种优选方式为在试 验槽的与开口侧相对的侧面设置垂直于该侧面的千斤顶7。千斤顶7设置在对 应于土层的位置处，以用于顶起试验槽以使试验槽绕着铰支结构倾斜。千斤顶 7的施力端固定在10mm厚的钢板8上，可对坡体施加垂直于侧面的均布荷载， 以模拟来自上方坡体的自重应力。如图2(b)所示，千斤顶7的加载位置如 26所标示。在一个具体实施例中，千斤顶的承载力可以为4t，试验槽的设计 承载力为10t，自由抬升端使用设计承重为20t的天车进行起吊。

接下来，参见图1进一步详细说明供水装置和喷洒装置，在此所做说明 仅为例示性，而非限制性含义。供水装置可以由水箱1、供水管2和加压泵3 组成，供水管2的一端设置在水箱1中，而另一端连接到喷洒装置，加压泵3 连接到供水管2。喷洒装置可以由小孔式雨滴发生器4和控制阀6连接组成。 小孔式雨滴发生器4横跨试验槽的上部设置。供水管2经由所述控制阀6连接 到小孔式雨滴发生器4，使得小孔式雨滴发生器4通过控制阀6的控制将经由供 水管2供应的水喷洒到试验槽内。小孔式雨滴发生器4例如可以采用无规共聚 聚丙烯(PPR)管，在其上打出具有不同形状和直径的孔，PPR管两头封闭。 供水管2从PPR管中心处连入，连接处设置控制阀6，通过改变针孔的直径和 数量，以及用控制阀控制供水装置的供水量来模拟降雨强度。具体地说，水 箱1中的水经加压泵3加压后，经供水管2通过控制阀6控制水量后从小孔 式雨滴发生器4喷洒到覆盖在坡体上表面的下垫面5上。下垫面5用于模拟 实际环境中的工程现场土坡表面植被，主要功能是保水，避免坡面被水流冲 刷。

根据不同的雨强，下垫面可以采用不同的材料，例如棉布、海绵人工草 皮等。喷洒装置的降雨强度、降雨量可以由以下公式计算得出：

其中，t为降雨持续时间，s表示受雨面积，Q为降雨持续时间模型内总 降雨量，它等于供水装置的供水量。例如，雨强、降雨时间可以根据待测地 点的水文资料得出，这样就可以计算出水箱供水量。

由牛顿力学可知，雨滴在下落过程中总会达到一个终点速度，所以需要 确定雨滴发生器产生的雨滴的下落高度。美国学者罗斯等人研究了天然降雨 雨滴的特点：天然降雨雨滴的终点速度为2～2.9mm/s，其所需要的降落高度 集中在7～9m之间。本发明试验装置中，小孔式雨滴发生器4到坡体的上表面 (例如，下垫面5)的距离优选为7-9米，以便能够模拟自然降雨的终点速度， 即实现雨滴动能的相似性。

坡体由土层和岩层组成，放置并充满试验槽的下部。岩层坡度就代表土- 岩坡体的整体坡度。为了模拟实际条件下的岩体，首先测量实际环境中岩层 的渗透系数及相似比C_k，然后选取相似材料，比如粘土，通过控制相似材料 的密实度和渗透系数的关系，采用密度控制法，分层、分段用人工木锤击实 的成型方法将相似材料夯实铺设入试验槽内。下面以清水河县的自然情况为 例说明如何制作岩层。

对于岩层，将渗透系数作为材料相似首要满足的参数。在制作岩层前， 先做“击实功与渗透系数”和“已知击实功下相似材料物理力学性能”两个 试验。已知清水河县泥岩原型材料的渗透系数经验值为4.9×10^-8cm/s，由击 实功与渗透系数的试验(见表1)，得到相应的击实功是15次。在15次击实 功下泥岩材料的物理力学性能见表2，干密度为2.18g/cm³。

表1 击实功与渗透系数的关系

表2 泥岩相似材料的物理力学性质

设定试验槽中岩层的体积，即可算出岩层相似材料所需的质量，这就是 密度控制法。制作时分层击实铺设，每层15击。同时，将泥岩相似材料表面 打磨光滑，模拟真实泥岩表面。

之后，制作土层，还以清水河县的自然情况为例说明如何制作土层。土 层选取原型材料，即原型土，也就是模拟地的自然土。在清水河县取得黄土， 首先测量其天然含水率下的容重(结果为1.32g/cm³)作为标准数据，在制 作时，也是利用模拟地的土壤，由于制作时土壤可能因为放置的原因，与当 地的土壤的含水率等情况不符，因此要让现有的土壤的含水率和容重等于标 准数据，然后根据要铺设的体积计算出土壤和水的质量，然后进行铺设。土 层不击实，以模拟实际中黄土高原披靡式覆盖在泥岩层上的自然状态。

对于较厚的土层，可以分层铺设，每层的铺设的方法与上述方法相同， 每层的土壤表面可以拉毛处理。

坡体类型的设计主要通过改变土坡形状来实现，如波浪形坡体，折线坡 和曲线坡，还可以根据不同坡形调整土层的厚度。

数据采集系统包括传感器和与之连接的静态电阻应变仪，传感器可以是 土压力传感器和水压力传感器。传感器可以有多层，第一层传感器埋设在上 部土层与下部岩层的接触面上，其它层的传感器埋设在土层中。如图3所示， 在距离土-岩接触面垂直距离0mm、100mm、200mm的三个斜面上，每个斜面都 设置若干测点，优选地，测点位于与高速摄像机垂直的坡体中线上。如图4 所示，微型孔隙水压力传感器和土压力传感器分别埋设在距离坡体中线20mm 的同一水平面上。通过静态电阻应变仪将传感器的信号发送和存储在计算机 中，在计算机中进行数据处理、计算等进一步工作。

下面将详细说明根据本发明的制作土-岩界面滑坡的物理模型试验装置的 方法：

步骤A：制作试验平台，试验平台整体为钢架结构，是一侧开口的立方体箱 型试验槽，其内设置土-岩坡体；试验槽的一个侧面采用钢化玻璃，该侧面的外 部设置摄像机以观测和记录试验槽中土体的运动以及破坏状态，试验槽的开口 侧设置收集槽(9)，试验槽的开口侧的底部设置铰支结构，在试验槽的与开口 侧相对的侧面的顶部焊接一对挂钩以实现试验槽的倾斜，试验槽的与开口侧相 对的侧面设置有垂直于该侧面的千斤顶(7)，并且千斤顶设置在对应于土层的 位置处；

步骤B：制作供水装置和喷洒装置，供水装置由水箱(1)、供水管(2)、 加压泵(3)组成，供水管的一端设置在水箱中，供水管的另一端连接到喷洒装 置，加压泵连接到供水管；喷洒装置由小孔式雨滴发生器(4)和控制阀(6) 连接组成，小孔式雨滴发生器(4)横跨试验槽的上部设置，供水管(2)经由 控制阀(6)连接到小孔式雨滴发生器(4)中心处，使得小孔式雨滴发生器(4) 通过控制阀(6)的控制将经由供水管(2)供应的水喷洒到试验槽内；小孔式 雨滴发生器(4)采用无规共聚聚丙烯管打孔制成，无规共聚聚丙烯管两头封闭；

步骤C：制作土-岩坡体，土-岩坡体放置并充满试验槽的下部，包括土层和 岩层，土层使用原型材料(即测量地的土壤)，岩层使用相似材料制作；

步骤D：在土-岩接触面上埋设第一层传感器，在土层中再埋设一层或多层 传感器，传感器连接静态电阻应变仪，静态电阻应变仪将从传感器采集的数据 传送到计算机。

进一步地，在制作土-岩坡体的时候，岩层选用相似材料进行制作，首先测 量实际环境中岩层的渗透系数及相似比C_k，然后通过“击实功与渗透系数”和 “已知击实功下相似材料物理力学性能”两个试验，得到与岩层相同的渗透系 数和相似比一致所需要的击实功，并测定击实功下相似材料的密度，根据设计 的岩层体积，计算出相似材料的质量，然后在击实功下分层击实铺设。

制作土层的时候，首先测量实际环境中的土层的天然含水率和该天然含水 率下的容重，根据要铺设的体积计算出土层所需的总质量，对现场取回的原型 土壤，计算满足天然含水率下的容重所需要的干土质量和水的质量，然后进行 铺设；对于较厚的土层分层铺设，每层的铺设方法相同。

优选地，在土层上覆盖用于模拟工程现场的表面植被的材料，作为试验坡 体的下垫面。

不同坡体类型设计通过改变土层坡形来实现，坡体倾角等于岩层坡角，通 过试验槽上部焊接的挂钩使用吊车或者下部安装的千斤顶来改变坡体倾角。

下面说明如何通过本发明的装置进行试验。在一个根据清水河县自然条 件制作的试验装置中，水箱为直径0.9m、高1.6m的圆柱状，加压泵的扬程为 10m，PPR管的内径为15mm，外径为21.3mm，壁厚为3.15mm，下垫面铺设棉 毛巾以模拟工程现场的表面植被，使降雨均匀入渗到黄土内。

首先，设计人工降雨。可以查阅当地气象资料监测到的日平均降雨量和 最大日降雨量。以降雨量最大的2013年7月份为例，呼和浩特清水河县监测 到的日平均降雨量为3.6mm，最大日降雨量为87.4mm，所以试验采用日降雨 量方案，每24小时为一个降雨周期，每个降雨周期内，前12小时为降雨期， 每次降雨持续15min，每两次降雨之间间隔30min，每次降雨量为1.5mm，即 降雨强度为0.1mm/min；后12小时为降雨间歇期，期间不再降雨，让水分在 土体内充分入渗，然后周期性循环。这样的降雨方案下，模型的最大日降雨 量为18mm。根据降雨强度的相似比Cq＝.＝3.3，可以得到原型的最大日降雨量 为59.4mm，远小于清水河县监测到的最大日降雨量为87.4mm。降雨方案可行。

然后，根据上述的方案降雨并观测土压力器与孔隙水压力传感器变化， 在降雨期，土压力器与孔隙水压力传感器数值都在变化，降雨结束后，坡体 不断产生滑动面，土压力器和水压力传感器的数值也会变化。直到滑动完成 不再出现新的滑动面时，土压力器与孔隙水压力传感器数值将不再有变化。 观察到压力传感器的数值没有变化后，说明土-岩坡体已稳定，试验正式结束。 试验过程中，静态数字电阻应变测试仪传输土压力传感器和孔隙水压力传感 器数据，供数据处理与分析使用。

架设在模型槽钢化玻璃侧面的高速摄像机用于拍摄土体的运动和破坏过 程。

通过本发明的装置，可以得出黄土泥岩地带界面滑移的启动条件：

(1)降雨类型(降雨强度和降雨时间)是发生界面滑坡的主要影响因素。 当降雨类型为大雨、暴雨或持续性强降雨时,降雨对黄土层的侵蚀作用加大； 降雨强度越大，表面径流对于黄土层的搬运能力越强，诱发泥流或者黄土层 内滑坡的可能性越大。当降雨强度小(＜0.5mm/min)且降雨持续时间较长(大 于1d)时，雨水有充分的时间入渗到黄土层内，渗流作用的影响较大，容易 形成塑流软化带，从而产生界面滑坡。

(2)黄土层厚度也是发生界面滑坡的一个重要影响因素。

当黄土层厚度较大(大于5m)时，由于雨水的渗透力有限，塑流软化带一般 产生在黄土层内部而不是界面上。当降雨导致的黄土内滑坡持续发展，在滑 坡力的作用下，黄土层厚度逐渐减小，当黄土层厚度达到3m左右，发生界面 滑坡的几率将大大提高。