地基与边坡工程模型试验平台.pdf

本发明公开了一种地基与边坡工程模型试验平台。主体结构侧面钢板的长边一侧面上设有仪器埋设孔和数据引出线孔，另一侧面上设有可视窗口；在长方形钢结构模型槽底部的碎石和砂垫层内设有供水水管管网，该管网与水箱、真空抽水装置相连；主体结构侧面钢板的短边一侧面上设有排水孔；在主体钢结构梁柱上长边两侧跨接两端带卡扣的反力梁，反力梁下端面设有液压千斤顶、球形铰接、承压板组成的伺服加载系统；位移传感器、土压力传感器和孔隙水压力传感器等连接组成监测系统。本试验平台可用于开展针对地基与边坡工程多种致灾条件、多种加固方式的模型试验研究。

1.  地基与边坡工程模型试验平台，其特征在于：包括主体钢结构梁柱(1)和主体结构侧面钢板(2)组成的长方形钢结构模型槽，主体结构侧面钢板(2)的长边一侧面上垂直并列设有多排、每排有多个仪器埋设孔(3)和数据引出线孔(4)，主体结构侧面钢板(2)的长边另一侧面上垂直设有多排、每排有多个可视窗口(5)。在长方形钢结构模型槽底部的碎石和砂垫层(16)内设有多排带出水孔的支路水管管网(15)，带出水孔的支路水管管网(15)相互连通后，经数个分别带第一控制阀门(12)的水管与硬质水管(14)连通后分成两路，一路经第二控制阀门(12)后接水箱(7)，另一路经第三控制阀门(12)和第四控制阀门(12)后接真空抽水装置(6)；主体结构侧面钢板(2)的短边一侧面上设有排水孔(17)；在主体钢结构梁柱(1)上面长边两侧跨接反力梁(18)，反力梁(18)两端分别有卡扣(19)，反力梁(18)能沿长边滑动后用卡扣(19)拉紧固定，反力梁(18)下端面设有由液压控制系统(29)控制的数个的液压千斤顶(20)，数个千斤顶(20)滑动端分别用球形铰接(22)与承压板(21)连接组成的伺服加载系统；在主体钢结构梁柱(1)上面长边两侧跨接位移传感器可移动支架(23)，位移传感器可移动支架(23)下方设有数个位移传感器(24)，位移传感器可移动支架(23)、位移传感器(24)、土压力传感器(25)和孔隙水压力传感器(26)等连接组成监测系统。

2、  根据权利要求1所述的地基与边坡工程模型试验平台，其特征在于：所述的水箱(7)悬挂于带手拉葫芦(9)的提升支架(11)的滑动轨道上，水箱(7)内设有保持水位恒定的常水头浮球阀(8)。

地基与边坡工程模型试验平台
技术领域
本发明涉及的是一种用于岩土工程技术领域的模型试验装置，特别是涉及一种适用于地基与边坡工程的模型试验平台。
背景技术
我国是一个山地、丘陵广泛分布的国家，在土木工程建设时往往会遇到各种边坡，包括天然边坡、挖方边坡和填筑边坡。这些边坡在各种自然或人为灾害条件下(如暴雨、水位上升、开挖、堆载等)可能会发生失稳滑动，造成人员伤亡和财产损失。由于边坡的致灾因素复杂多样，其失稳模式、灾变机理非常复杂。为深入认识复杂环境条件下边坡灾变机理，正确评价边坡的稳定性和提出经济、有效的防(减)灾工程措施，需要针对不同地质条件开展大比尺滑坡灾害模拟试验研究，揭示边坡失稳模式和灾变机理，进行危险边坡加固方案的比较，并验证岩土工程数值分析理论与软件。
另外，在基础工程实践中也经常遭遇不良地质条件，如软粘土地基。软弱地基处理方法和技术是当前软土地区重要的岩土工程课题之一。大比尺的地基模型试验既可以进行地基变形及失稳机理的研究，也可以进行软弱地基加固方案的比选。本试验平台可以对软弱地基的堆载预压法、真空预压法、IFCO强制固结法、柔性桩复合地基、刚性桩基础等进行大比尺模型试验研究。
目前国内外常用的土工模型试验手段包括离心模型试验和1g模型试验。离心模型试验优点在于可以用较小的模型重现原型的应力场，其不足之处在于土颗粒尺寸效应，另外由于模型尺寸较小，测量仪器的选型、布置和埋设比较困难。目前有关文献报道的1g土工模型试验系统的尺寸比较小，功能比较单一(即一个试验系统只能用于单因素灾变模拟试验)。
发明内容
本发明的目的在于克服现有土工模型试验技术的不足，提供一种地基与边坡工程模型试验平台，使其能够模拟多种致灾条件、多种加固方式的边坡(或地基)失稳过程，揭示失稳模式和灾变机理，为选择经济、合理的防(减)灾工程措施提供依据。
本发明采用的技术方案是：
包括主体钢结构梁柱和主体结构侧面钢板组成的长方形钢结构模型槽，主体结构侧面钢板的长边一侧面上垂直并列设有多排、每排有多个仪器埋设孔和数据引出线孔，主体结构侧面钢板的长边另一侧面上垂直设有多排、每排有多个可视窗口；在长方形钢结构模型槽底部的碎石和砂垫层内设有多排带出水孔的支路水管管网，带出水孔的支路水管管网相互连通后，经数个分别带第一控制阀门的水管与硬质水管连通后分成两路，一路经第二控制阀门后接水箱，另一路经第三控制阀门和第四控制阀门后接真空抽水装置；主体结构侧面钢板的短边一侧面上设有排水孔；在主体钢结构梁柱上面长边两侧跨接反力梁，反力梁两端分别有卡扣，反力梁能沿长边滑动后用卡扣拉紧固定，反力梁下端面设有由液压控制系统控制的数个液压千斤顶，数个千斤顶滑动端分别用球形铰接与承压板连接组成的伺服加载系统；在主体钢结构梁柱上面长边两侧跨接位移传感器可移动支架，位移传感器可移动支架下方设有数个位移传感器，位移传感器可移动支架、位移传感器、土压力传感器和孔隙水压力传感器连接组成监测系统。
所述的水箱悬挂于带手拉葫芦的提升支架的滑动轨道上，水箱内设有保持水位恒定的常水头浮球阀。
本发明与背景技术相比具有的有益效果是：
(1)可产生多种致灾和加固条件、模拟功能多，包括堆载、开挖、地下水位变动、真空预压、复合地基、桩基等；
(2)可以对多种不同地层组合条件的边坡和地基进行模拟；地基和边坡模型中土层条件、地下水位、初始应力状态及边界条件可控、已知；
(3)模型槽尺寸大(主体模型槽内尺寸为长15m×宽5m×高6m)，可开展大比尺模型试验，模型试验的尺寸效应和边界效应小；
(4)立地式钢结构模型槽设计使其具有很好的可视性(即可视窗口)，且便于仪器设备的埋设；
(5)监测系统全面、综合，可实现多个物理量的自动、实时监测；监测仪器埋设相对容易，试验操作比较简单；
(6)具有可移动的反力梁装置，方便进行不同位置及组合的加载试验。
附图说明
图1是试验平台示意图。
图2是伺服加载装置的示意图。
图中：1、主体钢结构梁柱，2、主体结构侧面钢板，3、仪器埋设孔，4、数据线引出孔，5、可视窗口，6、真空抽水装置，7、水箱，8、常水头浮球阀，9、手拉葫芦，10、软管，11、提升支架，12、控制阀门，13、正负压力表，14、硬质水管，15、带出水孔的支路水管管网，16、碎石和砂垫层，17、排水孔，18、反力梁，19、卡扣，20、液压千斤顶，21、承压板，22、球形铰接，23、位移传感器可移动支架，24、位移传感器，25、土压力传感器，26、孔隙水压力传感器，27、边坡模型，28、液压管路，29、液压控制系统。
具体实施方式
如图1、图2所示，本发明包括主体钢结构梁柱1和主体结构侧面钢板2组成的长方形钢结构模型槽，该槽的内底面和四个内侧面均采取密封措施，做到在使用过程中不漏水、不漏气；主体结构侧面钢板2内壁进行了特殊的光滑处理，可以减小侧面摩擦及边界效应；主体结构侧面钢板2的长边一侧面上垂直并列设有多排、每排有多个仪器埋设孔3和数据引出线孔4，以方便监测仪器埋设和仪器信号线的引出；主体结构侧面钢板2的长边另一侧面上垂直设有多排、每排有多个侧面可视窗口5，透过可视窗口可以观察和量测试验过程中土体的侧向位移，可视窗口周边采取特殊的密封措施；在长方形钢结构模型槽底部的碎石和砂垫层16内设有多排带出水孔的支路水管管网15，该垫层可以使模型槽底部的水头均匀分布；带出水孔的支路水管管网15相互连通后，经数个分别带第一控制阀门12的水管与硬质水管14连通后分成两路，一路经第二控制阀门12和软管10后接水箱7，另一路经第三控制阀门12和第四控制阀门12后接真空抽水装置6，硬质水管14上接有正负压力表13；将第三控制阀门12和第四控制阀门12关闭，开启第二控制阀门12，可以通过控制水箱的高度来控制地下水位高度；主体结构侧面钢板2的短边一侧面上设有排水孔17，通过此孔可以通过排水降低模型槽内的水位；在主体钢结构梁柱1上面长边两侧跨接反力梁18，反力梁18两端分别有卡扣19，反力梁18能沿长边滑动后用卡扣19拉紧固定，反力梁18下端面设有由液压控制系统29经液压管路28控制的数个等分布置的液压千斤顶20，数个千斤顶20滑动端分别用球形铰接22与承压板21连接组成的伺服加载系统，这种卡扣固定方式极大方便了反力梁18的移位，通过变换反力梁的位置，可根据试验需要实施在模型内不同位置加载；在主体钢结构梁柱1上面长边两侧跨接位移传感器可移动支架23，位移传感器可移动支架23下方设有数个等分布置的位移传感器24，位移传感器可移动支架23、位移传感器24、土压力传感器25和孔隙水压力传感器26连接组成监测系统，该监测系统与数据自动采集系统相连用于模型试验过程中多物理量的实时监测和自动记录。
所述的水箱7悬挂于带手拉葫芦9的提升支架11的滑动轨道上，水箱7内设有保持水位恒定的常水头浮球阀8。
实施例：现以一个临河的岸边坡坡顶加载导致滑坡的试验为例来说明本试验平台的使用方法。
在主体钢结构梁柱1和主体结构侧面钢板2组成的试验平台的钢结构模型槽中填筑一定坡度和坡高的边坡模型27。边坡模型27的土层条件可以根据试验需求制备，如均质粉土边坡、多层土质边坡等。边坡模型的填筑方法可以采用砂雨法，也可在填筑后利用夯实机按一定密度压实。边坡模型27填筑过程中在边坡内部若干位置埋设土压力传感器25、孔隙水压力传感器26、含水量探头等监测仪器，埋设仪器数据线从数据线引出孔4引出；边坡模型填筑完成后，在坡面及坡顶若干位置布置位移传感器24、倾斜仪，通过布置在主体结构侧面钢板2上的仪器埋设孔3将张力计插入边坡模型内。
边坡填筑完成后，启动水位控制系统，利用手拉葫芦9将常水头水箱7的水位逐步升高，将第一控制阀门12和第二控制阀门12打开，使边坡模型中水位不断升高，直至边坡模型内达到所需的地下水位。
在边坡模型27顶面的指定区域内布置承压板21和液压千斤顶20，通过液压控制系统对边坡模型分级施加所需的荷载，直至边坡模型发生失稳滑坡。在加载过程中，利用所埋设传感器及数据采集系统对边坡模型应力场和变形场实时监测，同时可通过侧面可视窗口5直接观测土体的侧向变形以及滑动面位置。
上述具体实施方式用来解释说明本发明，而不是对本发明进行限制，在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明作出的任何修改和改变，都落入本发明的保护范围。