一种降雨条件下h型抗滑桩加固岩堆边坡离心模型试验装置及方法

摘要

本发明涉及一种降雨条件下h型抗滑桩加固岩堆边坡离心模型试验装置及方法，属于岩土工程和地质工程技术领域。该装置主要由模型箱、不锈钢铝板、降雨系统、岩堆边坡、h型抗滑桩、相机固定装置、数码相机以及照明装置组成。与现有试验装置和试验方法相比，本发明能够直观地描述降雨条件下h型抗滑桩桩体变形、桩侧土压力以及桩间土拱演化过程；同时，亦可准确记录降雨条件下岩堆边坡内部孔压变化情况；能够在离心场中实现不同强度的均匀降雨，可广泛用于降雨条件下边坡抗滑桩变形破坏机理的研究。

说明书

技术领域：

本发明属于岩土工程和地质工程技术领域，涉及一种离心模试验装置和试验方法，具体涉及一种降雨条件下h型抗滑桩加固岩堆边坡离心模型试验装置及方法。

背景技术：

我国是一个地质条件极为复杂的国家，地质灾害在我国不但发育数量多，而且灾种全，一旦灾害发生将严重威胁当地人民的生命和财产安全。随着近年来我国基础建设的蓬勃开展以及西部大开发战略的实施，国家建设战略重点向西南地区转移，西南地区的高速公路、铁路、隧道和桥梁建设越加频繁，而在此类基建的沿线往往广泛分布有大小规模不等的岩堆边坡，这些岩堆边坡主要由第四系残坡积亚粘土、碎石土以及崩塌堆积块石土组成，结构松散，孔隙度较大，透水性强，加上西南地区属于亚热带季风气候，雨量充沛，一旦岩堆体边坡遭受降雨浸润或外力扰动，细粒成分将向粗大颗粒充填或随降雨流失，改变原岩堆的密实性和粗细粒间的接触状态，导致其力学特性变化和引发岩堆体的变形，进而诱发岩堆边坡发生滑移失稳等不良地质灾害，严重影响工程的进程并威胁施工人员的安全。

岩堆边坡作为一种特殊的边坡，由于其成因复杂，节理裂隙发育，物质形态不仅不规则，且其间充填不足且多未胶结，其稳定性较差。据调查，仅在长江上游地区100万km

目前，国内外学者对h型抗滑桩支护边坡工程的桩体受力变形机理以及桩-土相互作用、桩距、排距、桩径等对支护效果的研究已逐步开展，h型抗滑桩也已渐渐运用到实际工程中，但针对h型抗滑桩加固边坡的研究工作均局限于正常工况下，并未充分考虑其他工况下的桩身受力变形特性以及加固后岩堆体边坡的稳定性。据统计，国内近年来发生的较大规模的岩堆体滑坡大多数由降雨所诱发的，降雨是诱发滑坡的主要因素之一，而降雨条件下h型抗滑桩加固岩堆边坡的桩体受力变形机理与正常条件下有所差异。因此，考虑降雨条件下的h型抗滑桩加固岩堆边坡的桩土相互作用机理以及桩身的受力变形特性的深入研究具有十分重要的现实意义和价值。

综上所述，目前针对降雨条件下h型抗滑桩加固岩堆边坡的作用机理及桩身受力特性的研究基本空白，也不存在关于降雨条件下h型抗滑桩加固岩堆边坡的试验装置。

发明内容：

本发明为本领域首次提供了一种降雨条件下h型抗滑桩加固岩堆边坡的离心模型试验装置及方法，更加直观且有效地研究降雨条件下h型抗滑桩的受力特性及岩堆边坡变形过程，试验过程简便，试验结果准确，同时可以实现多因素条件下的模型试验。

本发明的目的，就是为解决现有针对h型抗滑桩加固岩堆边坡模型试验的不足以及现有降雨系统的不完善，提供一种降雨条件下h型抗滑桩加固岩堆边坡的离心模型试验装置及方法。

一种降雨条件下h型抗滑桩加固岩堆边坡离心模型试验装置，包括模型箱、不锈钢铝板、降雨系统、岩堆边坡、h型抗滑桩、相机固定装置、数码相机以及照明装置组成；所述模型箱由有机玻璃和合金铝板组成的拼装式结构，一侧为可拆卸透明板，可通过螺孔固定，其余侧为合金铝板；所述模型箱内设有h型抗滑桩和岩堆边坡；所述模型箱顶部通过螺孔固定降雨系统和照明装置；所述模型箱放置于不锈钢铝板之上；所述不锈钢铝板布设有多对螺孔；所述相机固定装置放置于不锈钢铝板之上；所述相机固定装置内有滑轨和螺孔；所述数码相机通过螺孔固定于相机固定装置之上；所述照明装置由12V的LED灯条和双芯导线组成；所述照明装置通过螺孔固定于可拆卸透明板顶部。

本发明中，所述降雨系统是由水箱、通气阀、电磁阀、水箱支撑、固定杆、供水管、供气管、水压计、气压计、堵头、喷嘴固定杆、T型三通、直通、直角两通、降雨喷嘴、盖板、气压增压泵、水压增压泵和控制室组成；所述水箱通过水箱支撑固定在盖板之上；所述水箱顶部中心处安装直通，通过直通连接水箱与供水管；所述水箱顶部右侧安装有通气阀，水箱注水过程中打开通气阀；所述水箱底部安装有电磁阀，通过直通电磁阀与供水管相连；所述固定杆布设有螺孔且焊接于盖板上，用于固定供水管和供气管；所述喷嘴固定杆固定于盖板之下，用于固定降雨喷嘴；所述盖板留有多对螺孔，用于安装直通，利用直通将降雨喷嘴与供水管和供气管相连接。

本发明中，所述岩堆边坡依据相似准则原理由2.0～1.6mm、1.6～0.8mm、0.8～0.4mm、0.4～0.2mm、0.2～0.1mm和0.1～0.05mm的石英砂以及上海粘土和水按一定比例配制而成，岩堆边坡表面铺设有无纺土工布，防止降雨强度过大冲刷岩堆边坡表面影响试验结果，与可拆卸透明板接触面布置有示踪粒子，用于记录边坡变形，岩堆边坡内部按竖向间隔10cm，水平间隔15cm埋设孔压传感器。

本发明中，所述h型抗滑桩依据抗弯刚度相似原理选取厚2mm的铝合金空心方管制作而成，前后排桩和横梁的截面尺寸为30mm×30mm，前后排桩和横梁通过螺孔连接为一个整体，h型抗滑桩的前后桩表面贴有多对应变片，且前后排桩的前后侧间隔5cm布设土压传感器。

本发明中，可拆卸透明板由有机玻璃和合金铝板拼装而成，可拆卸透明板外侧画有5cm×5cm的网格，可拆卸透明板四周留有螺孔，内侧嵌有止水条。

本发明中，所述降雨喷嘴的分布方式和数量通过控制降雨均匀度和降雨强度两个指标实现，并控制其降雨均匀度在85％以上。

式中：U-降雨均匀度；Q-降雨强度，mm/min；R

本发明中提出的降雨条件下h型抗滑桩加固岩堆边坡离心模型试验装置及方法，具体步骤如下：

S1，试验相似材料的准备和传感器标定。按离心模型试验相似比准备岩堆边坡和h型抗滑桩的相似材料，h型抗滑桩表面粘贴应变片，并在应变片表面涂抹704透明有机硅密封胶进行保护，静止24h待使用；岩堆边坡相似材料拌合后装桶用保鲜膜密封，养护室内静止24h待边坡填筑用。土压传感器和孔压传感器用水柱进行标定确定各个传感器的转化系数，并作标记。

S2，填筑岩堆边坡和h型抗滑桩。将配制好的岩堆土相似材料按照5cm一层分层填入模型箱中，夯实至相应的密实度，并在对应的位置处埋设传感器。当岩堆土填制预设h型抗滑桩位置时，将粘贴好应变片的h型抗滑桩埋于岩堆边坡中。

S3，示踪粒子布设，固定可拆卸透明版。在可拆卸透明板外侧画有5cm×5cm的网格，在可拆卸透明板内侧涂抹一层凡士林，在5cm×5cm网格的中心位置布设示踪粒子，将可拆卸透明板通过螺孔与模型箱固定为整体。

S4，吊装装置。将不锈钢铝板吊入离心机承台之上，随后将填筑好岩堆边坡模型的模型箱吊至不锈钢铝板之上。

S5，安装降雨系统。利用T型三通、直通和直角两通按照要求连接水箱、供水管、供气管和降雨喷嘴并固定在盖板上，将连接好箱、供水管、供气管和降雨喷嘴的盖板通过螺孔固定在模型箱的顶部。利用直角两通将供水管和供气管连接至水压增压泵和气压增压泵。

S6，安装相机和照明装置。将相机固定装置通过螺孔固定在不锈钢铝板之上，将数码相机安装在相机固定装置上方，通过调整数码相机与可拆卸透明板之间的距离以及相机参数，使数码相机可拍下清晰且完全岩堆边坡。通过反复调整12V的LED灯条数量和位置，获得最佳照明效果的LED灯条数量和位置，将照明装置固定于可拆卸透明板的顶部，并将12V的LED灯条通过单芯导线连接至离心机接线面板。

S7，水箱注水。打开水箱上部通气阀，关闭水箱底部电磁阀，接通水压增压泵向水箱开始注水，待水箱水位达到设定位置时关闭水压增压泵和通气阀。

S8，安装并调试试验设备。将土压传感器、孔压传感器和应变片通过双芯导线连接至离心机接线面板上。

S9，开始试验。打开数码相机和电脑，并设置土压传感器、孔压传感器和应变片相应的各个参数，启动离心机开始加载；整个试验过程分为：加速度由0g逐步加载至50g、50g加速度条件下均速转动180s待岩堆边坡天然状态下固结、50g加速度条件下开始降雨至指定时长、降雨停止后50g加速度条件下均速转动180s、卸载至0g并停机。试验过程中用数码相机记录岩堆边坡的变形。

S10，试验结果分析。通过分析h型抗滑桩不同位置处的土压传感器、孔压传感器和应变片读数，分析降雨条件下h型抗滑桩的受力特性；通过PIV技术处理数码相机拍摄的岩堆边坡照片，分析不同时刻边坡位移场的变化过程。

S11，重复S1～S10实现不同降雨强度、不同降雨时长、不同降雨类型(前锋型、中锋型、后锋型和平均型)以及不同桩参数(桩长、桩间距、桩排距)条件下桩体受力特性以及桩间双排土拱形成演化过程的分析。

本发明中，所述应变片表面涂有704透明有机硅密封胶，并外接单芯导线，应变片的接线方式采用全桥式接线方式，用于测量试验过程中桩身应变变化。

本发明中，所述降雨强度通过气压增压泵控制，降雨强度与气压增压泵(32)之间的关系通过预实验确定。

本发明中，所述单芯导线利用495瞬干胶水粘贴于h型抗滑桩两侧，并延伸至接线盒。

本发明中，所述接线盒用704透明有机硅密封胶密封，防止雨水渗入破坏试验结果。

附图说明：

图1为本发明主视图

图2为本发明模型箱全视图

图3为本发明不锈钢铝板全视图

图4为本发明相机固定装置全视图

图5为本发明h型抗滑桩全视图

图6为本发明照明装置全视图

图7为本发明可拆卸透明板全视图

图8为本发明可拆卸透明板主视图

图中标号，1为模型箱，2为不锈钢铝板，3为可拆卸透明板，4为示踪粒子，5为网格线，6为相机固定装置，7为数码相机，8为无纺土工布，9为螺孔，10为照明装置，11为水箱，12为通气阀，13为电磁阀，14为水箱支撑，15固定杆，16为供水管，17为供气管，18为水压计，19为气压计，20为堵头，21为喷嘴固定杆，22为T型三通，23为直通，24为直角两通，25为降雨喷嘴，26为h型抗滑桩，27为土压传感器，28为孔压传感器，29为岩堆边坡，30为盖板，31为气压增压泵，32为水压增压泵，33为控制室，34为降雨系统，35为滑槽，36为应变片，37为单芯导线，38为接线盒，39为12v的LED灯条，40为双芯导线，41为有机玻璃，42为合金铝板，43为止水条。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

实施例1：

一种降雨条件下h型抗滑桩加固岩堆边坡离心模型试验装置及方法，主体结构如图1、图2所示，模型箱1由有机玻璃41和合金铝板42拼装而成，模型箱内填筑岩堆边坡29；在岩堆边坡29内相应位置埋设h型抗滑桩26、土压传感器27和孔压传感器28；模型箱1顶部安装有照明装置10和降雨系统34；离心机承载上放置不锈钢铝板2，不锈钢铝板2上留有多对螺孔9，整个模型箱1安置于不锈钢铝板2的一端，不锈钢铝板2的另一端用于固定数码相机7；将数码相机7连接至电脑，调整数码相机7的位置和灯条12的数量以拍摄清晰度高的照片。

本实施例中的模型箱1，如图1和2所示，其内径尺寸为90cm×70cm×70cm(长×宽×高)，顶部固定照明装置10和降雨系统34，模型箱一侧为可拆卸透明板3，如图7和8所示，可拆卸透明板3由有机玻璃41和合金铝板42拼装而成，可拆卸透明板的四周留有螺孔9和止水条43。

本实施例中的不锈钢铝板2，如图1和3所示，其尺寸为120cm×100cm×3cm(长×宽×高)，铝板上留有多对螺孔9，螺孔间距为5cm。

本实施例中的可拆卸透明板3，如图2和7所示，透明板外侧画有5cm×5cm的网格，并在透明板的内侧涂抹一层凡士林，在相应位置布设示踪粒子。

本实施例中的相机固定装置6，如图4所示，由三条带滑槽35和螺孔9的金属条块拼组而成，相机固定装置6通过螺孔9固定在不锈钢铝板2上，通过调整固定位置调整相机位置。

本实施例中的照明装置10，如图2和6所示，其灯条采用的12v的LED灯条，通过495瞬干胶水粘贴于照明装置上。

本实施例中的h型抗滑桩26，如图1和5所示，抗滑桩的前桩长22.5cm，后桩长32.5cm，连系梁长7.5cm，桩径长3cm；抗滑桩的前后桩的前后侧均粘贴有应变片36，应变片表面涂有704透明有机硅密封胶，并外接单芯导线。

本实施例中的岩堆边坡29，如图1和2所示，岩堆边坡模型的坡顶高55cm，坡顶宽22.5cm，坡脚高10cm，坡脚宽22.5cm，坡高45cm，坡角45°；岩堆边坡由2.0～1.6mm、1.6～0.8mm、0.8～0.4mm、0.4～0.2mm、0.2～0.1mm和0.1～0.05mm的石英砂以及上海粘土和水按照13.36％、26.31％、14.89％、14.18％、14.48％、9.28％、7.5％、5.0％混合而成；岩堆边坡表面铺设一层无纺土工布。

本实施例中的降雨系统34，如图1所示，由水箱11、通气阀12、电磁阀13、水箱支撑14、固定杆15、供水管16、供气管17、水压计18、气压计19、堵头20、喷嘴固定杆21、T型三通22、直通23、直角两通24、降雨喷嘴25、盖板30、气压增压泵31、水压增压泵32和控制室33组成；降雨喷嘴共计5个，各喷嘴之间的间距为20cm；通过调整气压增压泵31的压力可实现不同的降雨强度。

一种降雨条件下h型抗滑桩加固岩堆边坡离心模型试验方法，其特征具体包括如下步骤：

S1，试验相似材料的准备和传感器标定。按离心模型试验相似比准备岩堆边坡和h型抗滑桩的相似材料，h型抗滑桩表面粘贴应变片，并在应变片表面涂抹704透明有机硅密封胶进行保护，静止24h待使用；岩堆边坡相似材料拌合后装桶用保鲜膜密封，养护室内静止24h待边坡填筑用。土压传感器和孔压传感器用水柱进行标定确定各个传感器的转化系数，并作标记。

S2，填筑岩堆边坡和h型抗滑桩。将配制好的岩堆土相似材料按照5cm一层分层填入模型箱中，夯实至相应的密实度，并在对应的位置处埋设传感器。当岩堆土填制预设h型抗滑桩位置时，将粘贴好应变片的h型抗滑桩埋于岩堆边坡中。

S3，示踪粒子布设，固定可拆卸透明版。在可拆卸透明板外侧画有5cm×5cm的网格，在可拆卸透明板内侧涂抹一层凡士林，在5cm×5cm网格的中心位置布设示踪粒子，将可拆卸透明板通过螺孔与模型箱固定为整体。

S4，吊装装置。将不锈钢铝板吊入离心机承台之上，随后将填筑好岩堆边坡模型的模型箱吊至不锈钢铝板之上。

S5，安装降雨系统。利用T型三通、直通和直角两通按照要求连接水箱、供水管、供气管和降雨喷嘴并固定在盖板上，将连接好箱、供水管、供气管和降雨喷嘴的盖板通过螺孔固定在模型箱的顶部。利用直角两通将供水管和供气管连接至水压增压泵和气压增压泵。

S6，安装相机和照明装置。将相机固定装置通过螺孔固定在不锈钢铝板之上，将数码相机安装在相机固定装置上方，通过调整数码相机与可拆卸透明板之间的距离以及相机参数，使数码相机可拍下清晰且完全岩堆边坡。通过反复调整12V的LED灯条数量和位置，获得最佳照明效果的LED灯条数量和位置，将照明装置固定于可拆卸透明板的顶部，并将12V的LED灯条通过单芯导线连接至离心机接线面板。

S7，水箱注水。打开水箱上部通气阀，关闭水箱底部电磁阀，接通水压增压泵向水箱开始注水，待水箱水位达到设定位置时关闭水压增压泵和通气阀。

S8，安装并调试试验设备。将土压传感器、孔压传感器和应变片通过双芯导线连接至离心机接线面板上。

S9，开始试验。打开数码相机和电脑，并设置土压传感器、孔压传感器和应变片相应的各个参数，启动离心机开始加载；整个试验过程分为：加速度由0g逐步加载至50g、50g加速度条件下均速转动180s待岩堆边坡天然状态下固结、50g加速度条件下开始降雨至指定时长、降雨停止后50g加速度条件下均速转动180s、卸载至0g并停机。试验过程中用数码相机记录岩堆边坡的变形。

S10，试验结果分析。通过分析h型抗滑桩不同位置处的土压传感器、孔压传感器和应变片读数，分析降雨条件下h型抗滑桩的受力特性；通过PIV技术处理数码相机拍摄的岩堆边坡照片，分析不同时刻边坡位移场的变化过程。

S11，重复S1～S10实现不同降雨强度、不同降雨时长、不同降雨类型(前锋型、中锋型、后锋型和平均型)以及不同桩参数(桩长、桩间距、桩排距)条件下桩体受力特性以及桩间双排土拱形成演化过程的分析。