[发明专利]一种渗流应力降雨耦合边坡失稳土体位移可视化的试验装置和试验方法

说明书

技术领域

本发明属于工程试验技术领域，尤其涉及一种渗流应力降雨耦合边坡失稳土体位移可视化的试验装置和试验方法。

背景技术

随着全球进入极端自然灾害的高频发时期，人们对于自然灾害的关注也愈来愈高。据统计，边坡失稳及其所引发的自然灾害已成为仅次于地震的地质灾害。相关研究表明，强降雨、边坡上下渗透水头以及边坡旁的堆载是影响边坡稳定的三大重要因素。随着雨水渗入边坡土中、边坡上下游渗透水头抬升，根据土的有效应力原理知，此时土体的抗剪强度下降，当坡外堆载使得土中的应力超过其抗剪强度时，边坡即发生失稳。

包括边坡工程在内的土木工程由于其自身的特殊性，不可能通过等比例模型来模拟其在真实条件下的受力机理，因此，采用模型试验进行研究是常采用的一种方法。传统的研究边坡的稳定的模型试验中，只考虑降雨、渗透水头以及堆载中的一种因素的影响，而实际工程边坡稳定是一个非常复杂的问题，往往是这三种主要影响因素耦合作用下的结果；此外，由于土体的不透明性，传统的模型试验很难对其在试验过程中的应力、应变、位移场等进行测量，尽管当前包括CT、核磁共振等技术手段已应用到边坡工程试验领域，但高昂的设备费以及观测效果的不精确性大大限制这些技术的广泛的应用。

透明土材料是由物理力学性质与天然土颗粒相似的透明颗粒材料混合具有相同折射率的液体制备而成，因固、液两相折射率相同而呈现透明状，并且其物理力学性质与天然土相似；透明土材料因其具备透明可视性好、制备容易、与土的性质相似等优点在岩土工程试验领域得到了广泛的应用。因此，利用透明土材料，提出一种能够考虑渗流应力降雨耦合并可精确测量土体位移的试验装置和试验方法就显得尤为必要了。

发明内容

本发明技术在于克服已有技术存在的不足，利用透明土技术和计算机图像软件，提出了一种能够考虑渗流应力降雨耦合作用下边坡土体位移可视化的试验装置和试验方法，解决了传统试验中很难观测到土体内部位移变化的难题，试验装置简单易懂、可重复使用，试验方法可行性高。

一种渗流应力降雨耦合边坡失稳土体位移可视化的试验装置，其特征在于：该试验装置包括人工降雨系统、渗流系统以及模拟边坡；所述人工降雨系统由供水箱1、智能升降装置3和降雨板7组成；所述的渗流系统与透明模型箱16紧密相连，底部通过止水夹13与透明模型箱16相通；所述透明模型箱16底部预留一定空间，预留空间上方铺设砾石层14，砾石层14上方放置具有一定倾斜面的饱和透明土体17模拟边坡，透明土17边坡的破面上插入抗滑桩8；透明模型箱的正前方安放高速工业相机12，透明模型箱的左侧或者右侧安放激光器15；利用激光器15打入透明土17边坡中形成散斑，通过高速工业相机12对散斑场进行连续拍摄，后借助计算机图像处理软件对所得的散斑场进行分析，从而实现对边坡渗流应力降雨耦合作用下土体内部连续变形的非嵌入式可视化测量；

进一步地，所述的降雨板7可通过智能升降装置3调节与透明模型箱16的垂直高度差；

进一步地，所述的水位调节阀5可以调节降雨板7施加的降雨量；

进一步地，所述的抗滑桩8采用直径5mm-10mm的钢棒；

进一步地，所述透明土17边坡的坡顶放置加载板9；

进一步地，所述的流量计6可以实时监测降雨板7所施加的降雨量；

进一步地，所述的砾石层14铺设在透明模型箱16内部的下层，并且在砾石层14与透明模型箱四周接触处涂有用于减少接触面渗透的防水硅胶，从而防止渗透水流从侧边渗漏影响试验效果；

进一步地，所述的透明模型箱16由有机透明玻璃制成，其尺寸为500mm(长)*500mm(宽)*400mm(高)；

进一步地，所述的渗流系统中包括渗流管11，渗流管11的侧面设由刻度表，可模拟渗透流体在不同渗透水头下对透明土17边坡的冲击；

进一步地，所述的透明土17由熔融石英砂颗粒与正十二烷和十五号白油的混合溶液制备而成；

进一步地，一种渗流应力降雨耦合边坡失稳土体位移可视化的试验方法，其特征在于：具体包括如下技术步骤：

①按试验的参数要求配置好相应的透明土17，并以一定的倾斜坡角放置于透明模型箱16中，将抗滑桩8依次缓慢打入坡面中；

②在供水箱1中注入与透明土17具有相同折射率的孔隙流体，通过智能升降装置3调整降雨板7至一定高度，打开水泵4和某一水位调节阀5，使供水箱1中的孔隙流体通过降雨板7散落到透明模型箱16中；