[發明專利]一種地震與降雨耦合作用下角度可變邊坡模型試驗裝置及方法

在審

• 申請號: 202010595167.2
• 申請日: 2020-06-28
• 公開（公告）號: CN111679060A
• 公開（公告）日: 2020-09-18
• 發明（設計）人: 姬建;王樂沛;夏嘉誠;姜振;崔紅志;湯耀嵐;張飛;張衛杰
• 申請（專利權）人: 河海大學
• 主分類號: G01N33/24
• 分類號: G01N33/24
• 代理公司: 南京經緯專利商標代理有限公司 32200
• 代理人: 羅運紅

本發明公開了一種地震與降雨耦合作用下角度可變邊坡模型試驗裝置及方法，裝置包括可調節邊坡角度的模型箱、降雨系統、數據采集組件。降雨系統包括儲水箱、水泵、供水主管、電子控制總閥、流量表、供水分管、電子控制分閥、噴頭、水平滑槽、滾輪、噴淋支架、降雨系統支架；模型箱包括底板、前側板、后側板、左側板、右側板和過濾砂網；數據采集組件包括加速度傳感器、孔壓傳感器、高速攝像機、三維激光掃描儀。降雨系統模擬降雨工況；用高速攝像機對邊坡側面進行拍攝，用三維激光掃描儀對坡體表面進行掃描。本發明可有效克服降雨系統無法精確控制的應用局限性，同時能夠有效克服反應加速度時程和模型位移測量的局限性。

技術領域

本發明涉及巖土地震工程技術領域，具體涉及一種地震與降雨耦合作用下角度可變邊坡模型試驗裝置及方法。

背景技術

我國是一個地震多發的國家，因降雨和地震作用造成的邊坡失穩進而產生的滑坡，導致了大量人員傷亡和財產損失。造成山體滑坡災難的主要原因包括降雨和地震，其根本的原因均是由于山體受到極端自然力的作用。對此，邊坡穩定性的研究成為一個十分重要的課題。研究降雨及地震荷載對邊坡失穩性影響的根本任務是搞清降雨及地震作用下的邊坡破壞機制，完成這個任務的主要標志是能夠在實驗室重演邊坡破壞現象。如何實現還原性、可重復性和可操作性強等方面的試驗要求成為工程技術人員和科研工作者一直追尋的目標。并且，針對不同土類、不同固土類型、不同坡度的邊坡、降雨條件以及地震動影響進行分析，也可以為提高邊坡穩定性提供不可缺少的重要數據。當前，還沒有一種簡單實用，可考慮地震降雨耦合影響且改變邊坡坡腳的試驗裝置。

降雨和地震是誘發滑坡最主要的兩個因素。深入研究降雨件下、地震條件下以及地震和降雨耦合作用下的邊坡穩定性規律對滑坡的預測以及預報和邊坡工程的涉及施工具有理論指導意義。然而，由于多因素作用導致滑坡的形成與發生是一種非常復雜的自然現象，所以僅僅靠室內的常規土工實驗無法深入研究其邊坡的破壞模式及其失穩機理。

目前，用于振動臺試驗用模型箱的降雨系統無法實現對降雨的精確控制，如實現局部不均勻降雨等，因此需要提供一種能精確控制降雨的振動臺試驗用模型箱。將邊坡模型置于振動臺上進行模型試驗，是研究邊坡地震動力響應規律的重要手段之一，對于分析邊坡在動力荷載作用下響應特征有著獨特的優勢。迄今為止，試驗中通常采用壓載的方法對土樣進行固結，模擬土體自然沉積過程，并采用削坡的方法實現自然坡角的模擬。但在削坡的過程，對坡腳的控制不好把握，并且在試驗進行過程中很難實時地獲取邊坡的坡腳，很大程度上制約了對邊坡破壞機制的研究。因此研究新的能夠更加真實并容易實現的模型實驗裝置，對于滑坡觸發機制的研究顯得尤其迫切。

盡管有許多類似的模型實驗，但該試驗裝置只能模擬地震作用，不能實現地震和降雨耦合作用下的邊坡穩定性研究，也不能實現任意角度進行削坡的功能。而對于振動模型試驗常在土體中埋設加速度傳感器，記錄不同位置的反應加速度時程。在試驗過程中，加速度傳感器方向應與振動方向一致，才能使記錄數據和實際一致。但在強震作用下，加速度傳感器位姿常常會發生變化，主要為傾斜和下沉，這可以通過將加速度傳感器布置成直角狀或增大與土體的摩擦來減小相對位移，但是卻不能避免這一問題，并且當傳感器位姿發生變化時，也無法獲得變化的角度等信息。

對模型變形和位移的測量可分為點測量和面測量，常用的點測量傳感器有差動式位移計和激光位移計等，需要將傳感器固定在模型箱上或者設置標志物來輔助測量。點測量存在支點固定難，測量點有限等問題。面測量法主要是采用高速攝像系統進行圖像采集并輔以圖像分析方法進行位移量測，例如顆粒圖像測速技術(PIV)。已有的面測量法多側重于測量模型側面的二維位移，忽略了對模型表面的三維位移的監測，然而坡面三維位移和裂縫的發展貫通也是需要監測的重要數據。三維激光掃描技術通過高速激光掃描測距方法獲得大量點云數據，可以快速建立高精度高分辨率的數字高程模型，在靜態形狀測量和動態變形監測方面都得到了應用。該方法已被引入室內滑坡模型監測中，可以檢測到坡面的微小變形，但已有的方法都將掃描儀架設在模型箱外，且設備較大，不適用于強震作用下的模型變化監測。

發明內容