一种可调节滑动面抗滑力的滑坡物理模型试验方法

摘要

本发明公开了一种可调节滑动面抗滑力的滑坡物理模型试验方法，属于地质灾害模型试验技术领域；包括以下步骤：安装滑坡物理模型，调整支撑板的坡面预定角度；根据具体试验设计在模型箱体上画上坡面线、层面线、滑面线和润滑层面线；在支撑板上方布置电热板并连接功率控制器；在支撑板的上方填筑热敏润滑层至润滑层面线并覆盖电热板，将配比好的模拟滑坡体分层填筑，并布置位移传感器和应力传感器；启动加热控制系统、数据采集系统，进行试验。本发明解决了现有滑坡模型试验在滑坡前端主动牵引或后端加载推移中所存在的弊端和局限性，可有效分等级调节滑动面各部段抗滑力，更真实、准确地实现推移式、牵引式和整体式的滑坡模型试验。

说明书

技术领域

本发明涉及一种滑坡物理模型试验方法，具体涉及一种可调节滑动面抗滑力的滑坡物理模型试验方法，属于地质灾害模型试验技术领域。

背景技术

我国地域辽阔，地质条件复杂，存在大量滑坡分布，地质灾害发生极为频繁，其中滑坡是最主要的地质灾害之一，给人民生命财产安全、经济发展与自然环境保护带来了巨大的损失，因此滑坡治理是一个复杂的岩土工程问题。按滑坡受力特征可分为牵引式滑坡、推移式滑坡等，牵引式滑坡是因滑坡前缘由于侵蚀或人工削坡，造成坡面变陡，以致失稳，出现由前往后的渐进破坏，并最终导致形成一个面积较大且相对稳定的坡面。推移式滑坡是由于滑坡后缘力的长期加载，出现由后往前的渐进破坏，并最终导致滑坡整体发生破坏。

目前，室内滑坡模型试验已成为研究滑坡变形机理和演化过程的重要手段，室内滑坡模型试验在国内外得到了广泛应用，但目前的滑坡物理模型试验装置或方法仍存在一定局限性：

1）现有的滑坡物理模型试验装置或方法通常采用“压”或“拉”的手段来对模拟滑坡进行加载，对于牵引式滑坡，目前的模型试验手段均为通过前缘滑坡面机械式牵引模拟，不能真实模拟自然条件下滑坡失稳过程；对于推移式滑坡，目前的模型试验手段多为后援加载推移，通过后援附加外力强制推动滑坡变形破坏，坡体内应力重分布，导致滑坡后缘坡体也相应被压剪破坏，均影响试验结果的真实性。

2）另外，在进行滑坡物理模型试验时不能有效控制模拟滑坡的失稳位置。

发明内容

本发明的目的是：克服现有滑坡模型试验在前缘主动牵引、后缘加载推移中所存在的弊端和局限性，提供一种可调节滑动面抗滑力的滑坡物理模型试验方法，该试验方法可有效分等级调节各部段滑动面的抗滑力，在实现推移式、牵引式和整体式的滑坡模型试验的同时，提高模拟试验的真实性以及实验数据的准确性。

为实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：一种可调节滑动面抗滑力的滑坡物理模型试验方法，包括以下步骤：

S1、安装滑坡物理模型，并对位移传感器和力传感器进行标定；滑坡物理模型包括外壳箱体、支撑升降系统以及温控系统，支撑升降系统由支撑升降装置支撑连接并依次铰接在一起的支撑板一、支撑板二和支撑板三组成；

S2、通过调节支撑升降装置将支撑板一和支撑板二与水平面的夹角分别调整至预定角度，如45°和60°，并将支撑板一和支撑板二的位置进行固定；

S3、根据具体试验设计在外壳箱体的一侧从上到下依次画上坡面线、埋设传感器的层面线、布设模拟滑面的滑面线和润滑层面线；

S4、在支撑板一和支撑板二的上方均匀等距固定多个电热板，并在各个电热板线路上分别连接功率控制器，功率控制器连接温控系统控制其开关与加热温度；

S5、在支撑板一与支撑板二的上方填筑热敏润滑层至润滑层面线并覆盖电热板；将配比好的模拟滑坡体分层填筑，先填筑至滑面线，当填筑至埋设测量仪器的层面线时，按照设计布置上述标定好的位移传感器和应力传感器并连接采集系统，最后再将模拟滑坡体填筑至坡面线；

S6、采用PIV测量系统进行滑坡滑动全过程土体位移图像的采集与分析工作，并将PIV测量系统中的泛光LED灯、CCD高速相机及Cannon Eos700d单反相机放置于外壳箱体的前后位置，使其能够完整清晰地记录坡体变形、裂隙的萌生、拉裂和隆起等图片；

S7、开始试验，调节温控系统，根据热敏润滑层的材料的温感力学性质，对滑面预定段埋设的电热板逐级加热、逐渐降低该部段的抗滑力参数，在逐级加热过程中，每个加热等级的加热温度达到后要维持该温度45min以上，再进行下一等级加热，按上述步骤对支撑板上的电热板依次从低到高按顺序加热，直至模拟滑坡体滑面上下滑力大于其抗滑力时滑坡体发生破坏；

滑坡体试验模型包括三类：1）对于推移式滑坡可以在支撑板上缘一定长度段加热电热板使电热板上部热敏润滑层抗滑性能降低进而使滑面上缘首先发生滑动，推动整个滑体下滑形成推移式滑坡；2）对于牵引式滑坡可以在支撑板下缘一定长度段加热电热板使电热板上部热敏润滑层抗滑性能降低进而使滑面下缘首先发生滑动牵引上部滑体下滑，形成牵引式滑坡；3）对于整体下滑的滑坡模拟，可以同时逐级加热整个支撑板上部的加热电热板，使整个滑面上部的抗滑力整体下降，滑坡体逐渐变形下滑，形成整体下滑式滑坡；

S8、通过采集系统采集位移传感器、力传感器的实时监测记录数据，以及PIV测量系统实时采集的图像数据和分析，得出推移式、牵引式和整体式滑坡的变形破坏表征、演化过程和启动机制；

该滑坡物理模型中支撑升降装置包括立杆一和立杆二，立杆一和立杆二的下端固定连接在外壳箱体的内部底面上；支撑板一的左端铰接在支撑升降装置一上，支撑板二的下端面铰接在支撑升降装置二上，支撑板三设置在外壳箱体的内底面上。

所述步骤S5中，力传感器和位移传感器分上下六层分别埋设于模拟滑坡体的坡顶、坡中和坡脚中，且每层中两种传感器各布设一个，左右均匀布置。

所述步骤S5中，热敏润滑层的材料的温感力学性质随温度升高逐渐降低、由固态变为软塑流动状态，当温度从0℃到70℃，单轴抗压强度由5.0MPa变化为0.005MPa，粘聚力由500KPa变为1KPa。

所述步骤S1中，该滑坡物理模型中外壳箱体为右端、左端和顶端开口的透明模型箱体；外壳箱体的前端面上分别对应立杆一和立杆二设置有刻度线一与刻度线二，其前端面中部固定连接所述温控系统，其底部四角设置有可通过锁片锁紧的万向轮。

所述步骤S1中，该滑坡物理模型中所述立杆一包括螺杆、连接滑块、螺母一和螺母二，螺杆旋转连接在立杆一的本体内部，螺母一和螺母二旋转连接在螺杆上，连接滑块上下滑动连接在螺杆上并设置在螺母一和螺母二之间。

所述步骤S1中，该滑坡物理模型中所述立杆二包括伸缩立杆、螺栓和立杆槽，立杆槽的底部固定连接在外壳箱体的内底面上，伸缩立杆滑动连接在立杆槽的内部，立杆槽的侧壁上螺纹连接有螺栓，螺栓螺旋通过立杆槽的侧壁后顶触伸缩立杆。

所述步骤S6中，PIV测量系统包括硬件系统和软件系统，其中硬件系统主要包括两盏泛光LED灯、CCD高速相机、图像采集及后处理设备，软件系统包括DaVis 8.0系列软件及PIVview2C软件。

本发明的有益效果是：

1）本发明解决了现有滑坡模型试验在前缘主动牵引、后缘加载推移中所存在的弊端和局限性，可有效调节滑动面抗滑力，在实现推移式、牵引式和整体式滑坡模型试验的同时，提高模拟试验的真实性以及实验数据的准确性。

2）本发明方法中采用多个电热板加热的方式，电热板可以快速加热热敏润滑层至预加热温度，使试验过程快速便捷，缩短试验周期；且能够使得温度易控且准确，进而控制热敏润滑层的影响范围与上下位置，以实现精准模拟不同形式的滑坡的发生，根据不同温度下的温感材料力学性质，能够模拟实际滑坡滑面上不同位置上的力学参数差异。

3）本发明方法中采用热敏润滑层调节滑动面的抗滑力，能够更加真实的模拟滑坡变形破坏过程，使得滑坡物理模型能够在自然重力情况下试验，可以实时反应记录所述模拟滑体实时应力变化数据，且本发明中无外力的参与，传感器采集的数据更加准确真实。

4）本发明方法中热敏润滑层的材料的温感力学性质随温度升高逐渐降低、由固态变为软塑流动状态，受加热时间短，能起到骤然减小模拟滑移面处的抗滑力大小，从而促进滑坡发生。

5）本发明方法中PIV测量系统对试验进行监控，可实现对模拟滑体的滑动全过程进行拍摄、量测，能实时、精确地获得滑体滑动位移、滑面变形图像数据并进行采集分析，进一步提高试验的精准性。

附图说明

图1为本发明在重力作用下模拟滑坡物理模型试验方法中试验装置的主视图；

图2为图1中试验装置的立体结构示意图。

图中，1-外壳，101-万向轮，102-刻度线一，103-刻度线二；2-立杆一，201-螺杆，202-连接滑块，203-螺母一，204-螺母二；3-支撑板一， 301-电热板一，302-电热板二，303-电热板三；4-支撑板二，401-电热板四，402-电热板五，403-电热板六；5-支撑板三，6-立杆二，601-伸缩立杆，602-螺栓，603-立杆槽；7-模拟滑坡体，8-热敏润滑层，9-温控系统，10-力传感器，11-位移传感器。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的解释说明。

实施例1：如图1-2所示，本发明提供的一种可调节滑动面抗滑力的滑坡物理模型试验方法，包括以下步骤：

S1、安装滑坡物理模型，并对位移传感器11和力传感器10进行标定；

滑坡物理模型包括外壳箱体1、支撑升降系统以及温控系统9，支撑升降系统由支撑升降装置支撑连接依次铰接在一起的支撑板一3、支撑板二4和支撑板三5组成。

S2、通过调节立杆一2和立杆二6将支撑板一3和支撑板二4与水平面的夹角分别调整至45°和60°，并将支撑板一3和支撑板二4的位置进行固定。

S3、根据具体试验设计在外壳箱体1的一侧从上到下依次画上坡面线、埋设传感器的层面线、布设模拟滑面的滑面线和润滑层面线。

S4、在支撑板一3上方均匀等距安置固定加电热板一301、电热板二302和电热板三303，在支撑板二4的上方均匀等距安置固定加电热板四401、电热板五402和电热板六403，并在各个电热板线路上分别连接功率控制器，功率控制器连接温控系统9控制其开关与加热温度；电热板选用薄层柔性电热板，并安置固定在模拟滑坡面与热敏润滑层之间，如硅胶电热板。

S5、在支撑板一3与支撑板二4的上方填筑准备好的热敏润滑层8至润滑层面线并覆盖电热板；将配比好的模拟滑坡体7分层填筑，先填筑至滑面线，当填筑至埋设测量仪器的层面线时，按照设计布置上述标定好的位移传感器11和应力传感器10并连接采集系统，最后再将模拟滑坡体7填筑至坡面线；

热敏润滑层8的物理力学性质随温度升高逐渐降低、由固态变为软塑流动状态，当温度从0℃到70℃，单轴抗压强度由5.0MPa变化为0.005MPa，粘聚力由500KPa变为1KPa，可减小滑动面抗滑力；力传感器10和位移传感器11分上下六层分别埋设于模拟滑坡体7的坡顶、坡中和坡脚中，且每层中两种传感器各布设一个，左右均匀布置。

S6、采用PIV测量系统进行滑坡滑动全过程土体位移图像的采集与分析工作，并将PIV测量系统中的泛光LED灯、CCD高速相机及Cannon Eos700d单反相机放置于外壳箱体1的前后位置，使其能够完整清晰地记录坡面变形、裂隙萌生演化的过程图片，裂隙萌生演化过程图片包括裂隙的萌生、拉裂和隆起等图片；

PIV测量系统包括硬件系统和软件系统，其中硬件系统主要包括两盏泛光LED灯、CCD高速相机、图像采集及后处理设备，软件系统包括DaVis 8.0系列软件及PIVview2C软件。

S7、开始试验，调节温控系统9，根据热敏润滑层的物理力学性质与温度关系，首先加热电热板一301至预定的低级温度，（低级温度为根据热敏润滑层的性质测定的初始软化温度），使电热板一301加热影响范围的热敏润滑层8受热软化从而减小抗滑力，继续保持加热，开启测量系统进行监测并等待45min，继续控制温控系统9加热电热板一301逐级至50℃、55℃、60℃、65℃，根据滑坡变形破坏情况，可增减加热等级，使电热板一301加热影响范围的热敏润滑层8受热软化至流动，以大幅减小抗滑力，继续保持加热，开启测量系统进行监测并等待45min；依据上述步骤依次按顺序对电热板二302、电热板三303、电热板四401、电热板五402、电热板六403进行操作，直至模拟滑坡体7稳定发生破坏，滑面的下滑力超过了该面的抗滑力，发生滑坡破坏现象。

S8、通过采集系统采集位移传感器11、力传感器10的实时监测记录数据，以及PIV测量系统实时采集的图像数据和分析，得出推移式滑坡的启动机制、演化过程和变形破坏表征的分析结论。

上述试验方法中包括滑坡物理模型，该滑坡物理模型还包括抗滑力调节系统和监测系统，外壳箱体1可塑造坡体，支撑升降系统可调节滑坡体角度，抗滑力调节系统可以模拟牵引式滑坡与推移式滑坡运动形式，监测系统可以对滑坡的应力、位移、形变、滑坡破坏演化过程等指标进行实时精确地量测与记录。

支撑升降装置包括立杆一2和立杆二6，立杆一2和立杆二6的下端固定连接在外壳箱体1的内部底面上；支撑板一3的左端铰接在支撑升降装置一上，支撑板二4的下端面铰接在支撑升降装置二上，支撑板三5设置在外壳箱体1的内底面上。

外壳箱体1为右端和顶端开口的透明模型箱体；外壳箱体1的前端面上分别对应立杆一2和立杆二6设置有刻度线一102与刻度线二103，有益于准确调整支撑板一3与支撑板二4的角度，外壳箱体1的前端面中部固定连接温控系统9，其底部四角设置有可通过锁片锁紧的万向轮101，方便模型的使用和转移。

立杆一2包括螺杆201、连接滑块202、螺母一203和螺母二204，螺杆201旋转连接在立杆一2的本体内部，可固定在立杆一2的本体上，螺母一203和螺母二204均旋转连接在螺杆201上，连接滑块202上下滑动连接在螺杆201上并设置在螺母一203和螺母二204之间，螺母一203在连接滑块202的下方，用于控制连接滑块202的位置，螺母二204在连接滑块202的上方，用于配合螺母一203固定连接滑块202。

立杆二6包括伸缩立杆601、螺栓602和立杆槽603，立杆槽603的底部固定连接在外壳箱体1的内底面上，伸缩立杆601滑动连接在立杆槽603的内部可向上延伸，立杆槽603的侧壁上螺纹连接有螺栓602，螺栓602螺旋通过立杆槽603的侧壁后顶触伸缩立杆601，通过调节伸缩立杆601上下滑动与控制螺栓602螺旋进出可调节立杆二的高度，通过外壳1侧面的刻度线102与刻度线103，可控制支撑板一3与支撑板二4的角度。

抗滑力调节系统包括电热板一301、电热板二302、电热板三303、电热板四401、电热板五402、温控系统9与热敏润滑层8，热敏润滑层8设置在模拟滑坡体7与支撑板一3和支撑板二4之间，热敏润滑层8的物理力学性质随温度升高逐渐降低、由固态变为软塑流动状态，当温度从0℃到70℃，单轴抗压强度由5.0MPa变化为0.005MPa，粘聚力由500KPa变为1KPa，可减小滑动面抗滑力；通过控制温控系统9所控制的加热板，按区域加热热敏润滑层8，使热敏润滑层8受热软化至流动，从而调节模拟滑坡体7与滑床面之间的抗滑力，逐渐增大热敏润滑层8的被加热范围，使坡面上剪应力变化超过了该面的抗剪强度，势必导致模拟滑坡体7平衡条件遭到破坏，发生滑坡，也可结合支撑升降系统加大模拟滑坡的角度，进一步减小模拟滑坡体7与滑床面间的抗滑力，促进滑坡的发生。

监测系统包括力传感器10、位移传感器11与PIV测量系统，力传感器10和位移传感器11与采集系统连接，压力传感器10用于测试土体中的压力，位移传感器11用于测量坡面位移；PIV测量系统包括硬件系统和软件系统两个部分，其中硬件系统主要由两盏泛光LED灯、CCD高速相机、图像采集及后处理设备等组成，软件系统采用德国LaVision公司DaVis8.0系列软件及PIVview2C软件完成滑坡滑动全过程土体位移图像的采集与分析工作，PIV测量系统可实现对模拟滑体的滑动全过程进行拍摄、量测，能实时、精确地获得滑体滑动位移、滑面变形图像数据并进行采集分析。

实施例2：与实施例1不同的是：

依据实施例1中的步骤S7中的试验步骤，首先加热电热板六403至预定的低级温度，使电热板六403加热影响热敏润滑层8受热开始软化从而减小抗滑力，继续保持加热，开启测量系统进行监测并等待45min，继续控制温控系统9加热电热板六403至65℃，使电热板六403加热影响热敏润滑层8受热软化，以大幅减小抗滑力，继续保持加热并开启测量系统进行监测并等待45min，通过温控系统9依次按顺序对电热板五402、电热板四401、电热板三303、电热板二302、电热板一301进行分段加热操作，直至模拟滑坡体7稳定发生破坏发生滑坡现象，可得出牵引式滑坡的启动机制、演化过程和变形破坏表征的分析结论。

上述试验方法和模型可实时模拟滑面前倾角为60°、后倾角45°的自然条件下无外力作用的、可调节滑动面抗滑力的实际滑坡滑动过程，研究通过调节滑面抗滑力并依靠坡体自重引起推移式滑坡启动机制、演化过程、变形破坏表征；然后可通过调整不同的滑面倾角、坡体形状、热敏润滑层的力学性质与温度关系、加热位置，对不同规模、不同倾角、不同软弱面的牵引式滑坡进行模拟；同时加热上下位置上的所有加热板，可实现整体式滑坡的模型试验。

该试验方法中模型装置结构灵活简单，实验数据准确，通过温控系统与热敏润滑层，使模拟坡体与模拟滑坡面的摩擦力减小，以模拟坡体自然条件下的实际滑坡滑动过程；通过温控系统分别精准调节各个电热板的温度，以灵活调控滑动面抗滑力来模拟牵引式滑坡与推移式滑坡；通过调整立杆与支撑板来调整滑坡坡度，以模拟不同倾角滑坡引起的滑坡形态；通过压力传感器、位移传感器与PIV测量系统，以实时准确研究滑坡破坏演化过程，此试验装置结构简单稳定、操作方法简便灵活，易于掌握，便于推广。

本发明解决了现有滑坡模型试验在主动牵引及加载推移中所存在的弊端和局限性，可有效调节滑动面抗滑力，在实现推移式、牵引式和整体式的滑坡模型试验的同时，提高模拟试验的真实性以及实验数据的准确性。

以上所述，仅用以说明本发明的技术方案而非限制，本领域普通技术人员对本发明的技术方案所做的其他修改或者等同替换，只要不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。