一种边坡堆载模型结构以及应力变形监测方法

技术领域

本发明属于岩土工程相关试验领域，具体涉及一种边坡堆载模型结构以及应力变形监测方法。

背景技术

自然界中滑坡的诱发因素较多，凡是能增大坡体下滑力或减少坡体抗滑力的因素都可归结为滑坡的诱发因素。常见的诱发因素包括降雨、地震、堆载、开挖、地下水、风化作用等，这些因素或单一出现，或共同作用，通过直接或间接的方式对斜坡稳定性产生影响。坡顶堆载增大了坡体的下滑力，是边坡体滑坡的主要诱因之一。近年来相关工程项目逐渐增多，由于土地紧张等因素，当地居民或政府通常会在边坡顶部直接进行工程建设，修建公路或房屋，这些堆载不仅会诱发老滑坡复活，也会导致新的滑坡出现，因此对堆载诱发型滑坡进行研究具有十分重要的现实意义。模型试验可以更直观地再现堆载诱发滑坡的致灾机理。

发明内容

本发明的目的是提供一种边坡堆载模型结构以及应力变形监测方法，可实现根据不同需求构建出多坡角的模型边坡体，并可在模型边坡体上方不同部位施加不同荷载值监测模型边坡体内部应力和坡体变形情况。本发明可以在该研究领域提供一种物理模型试验装置和研究方法，同样也在相关领域模型试验可适用。

为实现上述目的，本发明采取的技术方案如下：

一种边坡堆载模型结构，包括模型箱体，所述模型箱体的内部自下而上分别设置有边坡模型和堆载装置，所述堆载装置对所述边坡模型施加不同荷载值，所述堆载装置的顶部两端与所述模型箱体的顶部两端活动连接，所述模型箱体的外部设置有监测数据装置，所述边坡模型与所述监测数据装置可拆卸连接，所述监测数据装置实时监测加载过程中所述边坡模型内部应力和坡体变形情况。

优选的，所述模型箱体包括模型箱体框架，所述模型箱体框架内侧固定连接有有机玻璃板，所述模型箱体框架底部固定连接有刚性底板。

优选的，所述堆载装置包括反力梁，所述反力梁设置在所述堆载装置的顶部，所述反力梁下方设置有反力板，所述反力板下方设置有上限位柱，所述上限位柱活动套接在下限位柱上，所述下限位柱下方设置有承压板，所述承压板下方设置有所述边坡模型，所述承压板上方安装有若干个加载装置和若干组量测装置，所述量测装置分别均匀地布置在所述承压板上方外侧周围，加载装置分别均匀地布置在所述承压板上方内侧。

优选的，在所述模型箱体顶部的第一横向龙骨上设置有多组上下贯通的第一螺丝钉固定连接孔，所述反力梁下底板两侧上开设有第二螺丝钉固定连接孔，所述第二螺丝钉固定连接孔贯穿所述反力板，将所述第一螺丝钉固定连接孔与所述第二螺丝钉固定连接孔通过连接螺丝活动连接。

优选的，所述加载装置包括千斤顶，所述千斤顶位于所述承压板上，所述千斤顶一侧通过液压油管线连接数显式液压油泵，所述千斤顶上方设置有传力柱，所述传力柱上方与所述反力板可受力后接触。

优选的，所述量测装置包括磁吸式表支撑夹架，所述磁吸式表支撑夹架的磁吸底座与所述模型箱体中部的第一横向龙骨磁吸连接，所述磁吸式表支撑夹架的支撑夹与数显式位移计活动连接，所述数显式位移计的指针端垂直接触于所述承压板上方。

优选的，所述边坡模型包括模型边坡体，所述模型边坡体等间距分为若干层试验土体，每层试验土体内中间部位等间距埋设有土压力传感器，所述模型边坡体周围外侧试验土体竖直向表面均匀设置高尔球钉，所述模型边坡体周围外侧试验土体坡面上设置有橡胶垫，并用所述高尔夫球钉固定，在所述橡胶垫的临空面向设置有应变片，所述土压力传感器和所述应变片连接有数据连接线，所述数据连接线外接有所述监测数据装置。

优选的，所述监测数据装置包括数据采集终端，所述数据连接线外接所述数据采集终端，所述数据采集终端外接有计算机。

应力变形监测方法，包括以下步骤：

S1，边坡模型准备完成后，安装堆载装置和监测数据装置；

S2，利用堆载装置对边坡模型从0开始逐级加载，直至达到边坡模型所能承受的极限荷载值，监测数据装置实时监测加载过程中边坡模型内部应力和坡体变形情况；

S3，重复步骤S1；

S4，利用堆载装置对边坡模型稳定加载，使边坡模型始终处于极限荷载值以下的某一荷载值作用下，监测数据装置实时监测加载过程中边坡模型内部应力和坡体变形情况；

S5，重复步骤S1；

S6，利用堆载装置对边坡模型从0开始快速加载至边坡模型所能承受的极限荷载值，监测数据装置实时监测加载过程中边坡模型内部应力和坡体变形情况；

S7，根据S2，S4和S6监测到的数据，反演堆载装置10作用下边坡模型25内部应力场变化以及边坡体的演化机制。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

(1)满足模型箱体刚度大，方便移动。有机玻璃板具备可视化、高强度的特点。堆载装置与模型箱体活动连接。

(2)反力梁和反力板相互作用能够大大增加反力作用的强度，反力板与承压板位置保持相对稳定，防止两者出现左右偏移的情况。千斤顶能防止千斤顶静载压力过大，传力柱满足传力需求的同时，空间可操作性增强。数显式液压油泵使操作者更加便捷的根据工作需求进行加压工作。数显式位移计方便操作者根据实际情况做出调整。

(3)可用于监测整个模型边坡体在堆载作用下内部应力发生变化情况。能实时显示应变片所采集到的变形值。

附图说明

图1为本发明的模型箱体结构示意图。

图2为本发明堆载装置结构示意图。

图3为本发明的边坡模型结构示意图。

图4为本发明高尔球钉示意图。

图5为本发明土压力传感器示意图。

图6为本发明应变片和监测数据装置连接示意图。

图7为本发明土压力传感器和监测数据装置连接示意图。

图中：1、模型箱体；2、第一横向龙骨；3、第二横向龙骨；4、第一竖向龙骨；5、第二竖向龙骨；6、有机玻璃板；7、刚性底板；8、第一螺丝钉固定连接孔；9、连接螺丝；10、堆载装置；11、反力梁；12、第二螺丝钉固定连接孔；13、反力板；14、上限位柱；15、下限位柱；16、承压板；17、加载装置；18、千斤顶；19、数显式液压油泵；20、液压油管线；21、传力柱；22、量测装置；23、磁吸式表支撑夹架；24、数显式位移计；25、边坡模型；26、模型边坡体；27、土压力传感器；28、高尔球钉；29、数据连接线；30、数据采集终端；31、计算机；32、橡胶垫；33、应变片。

具体实施方式

为使本发明的技术方案更加清晰，下面将结合本发明的附图和实施例，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述。

如图1-7所示，一种边坡堆载模型结构，包括模型箱体1、堆载装置10、边坡模型25和监测数据装置，模型箱体1的内部自下而上分别有设置边坡模型25和堆载装置10，堆载装置10的顶部两端与模型箱体1的顶部两端活动连接，模型箱体1的外部设置有监测数据装置，边坡模型25与监测数据装置可拆卸连接。

模型箱体1包括模型箱体框架、机玻璃板6、刚性底板7，模型箱体框架由第一横向龙骨2、第二横向龙骨3、第一竖向龙骨4、第二竖向龙骨5固定连接组成，模型箱体框架内侧固定连接有有机玻璃板6，即固定安装在横竖向的龙骨上，模型箱体框架底部固定连接有刚性底板7。

第一横向龙骨2、第二横向龙骨3、第一竖向龙骨4、第二竖向龙骨5均具备刚度大的特点，满足模型箱体1的整体强度需求。第一横向龙骨2较第二横向龙骨3体积、质量、强度较大，并且位于模型箱体1上方直接受力部位，第一竖向龙骨4较第二竖向龙骨5体积、质量、强度较大，并且位于模型箱体1四角，这样的设置使模型箱体既满足使用刚度要求，又能保证模型箱体整体更加轻便性，方便移动。

有机玻璃板6透明且刚度大，具备了可视化和高强度特点，在模型边坡体填筑前，利用标准钢尺、记号笔等工具可以在有机有机玻璃板上标注标准尺度参考线，为后续变形监测提供参考标准。

堆载装置10包括反力梁11、反力板13、限位柱14、下限位柱15、承压板16、上加载装置17、量测装置22。

两根反力梁11设置在堆载装置10的顶部，反力梁11下底板固定连接反力板13，反力板13下方固定连接有上限位柱14，四根上限位柱14分别活动套接在四根下限位柱15上，下限位柱15下方固定连接有承压板16，承压板16下方设置有边坡模型25，承压板16上方安装有两个加载装置17和6组量测装置22，量测装置22分别均匀地布置在承压板16上方外侧周围。加载装置17分别均匀地布置在承压板16上方内侧。

反力梁11和反力板13相互作用增加反力作用的强度，反力板13与承压板16位置保持相对稳定，防止两者出现左右偏移的情况。

在模型箱体1顶部的第一横向龙骨2上设置有多组上下贯通的第一螺丝钉固定连接孔8。反力梁11下底板两侧上开设有第二螺丝钉固定连接孔12，第二螺丝钉固定连接孔12贯穿反力板13。根据试验所需移动堆载装置10使其放置在边坡模型25上方不同部位，将第一螺丝钉固定连接孔8与第二螺丝钉固定连接孔12通过连接螺丝9活动连接，进而实现堆载装置10与模型箱体1活动连接。

加载装置17包括千斤顶18、数显式液压油泵19、液压油管线20和传力柱21，千斤顶18位于承压板16上。千斤顶18一侧通过液压油管线20连接数显式液压油泵19，千斤顶18上方设置有传力柱21，传力柱21上方与反力板13可受力后接触，液压油泵19放置于模型箱体1外部的工作台面上。

首先两台千斤顶18放置在承压板16上，将数显式液压油泵19放置于工作台面上，并用液压油管线20将千斤顶18与数显式液压油泵19连接，千斤顶18上方放置可拼接的传力柱21，使其垂直于反力板18，通过操作数显式液压油泵19，使千斤顶18液压活塞上升，推动传力柱21上升受力接触反力板13，在反力作用下，即能实现了对边坡模型25的加载。模型试验结束后，同样操作数显式液压油泵19，使千斤顶18液压活塞下降，带动传力柱21下降，脱离反力板13，实现对边坡模型25的卸载。

千斤顶18采用100吨位千斤顶，即保证加压极限要求，能防止千斤顶静载压力过大，传力柱21采用可拼接式传力柱，满足传力需求的同时，空间可操作性增强。数显式液压油泵19能够使所施加荷载值直接显示出来，荷载值的可视化特点使操作者更加便捷的根据工作需求进行加压工作。

量测装置22包括磁吸式表支撑夹架23和数显式位移计24，数显式位移计24的测量精度为0.001mm，磁吸式表支撑夹架23的磁吸底座与模型箱体1中部的第一横向龙骨2磁吸连接，起固定作用，磁吸式表支撑夹架23的支撑夹与数显式位移计24活动连接，数显式位移计24的指针端垂直接触于承压板16上方。

通过数显式位移计24显示的数值变化量可直观反应出荷载施加后，承压板16受力是否均匀，操作者可根据实际情况做出适当调整。在这里规定每级荷载施加前后当承压板上方的6个数显式位移计24的变化量相互差值不超过0.01mm时，可判定承压板受力均匀。

边坡模型25包括模型边坡体26、土压力传感器27、高尔球钉28、橡胶垫32、应变片33和数据连接线29。

边坡模型25包括模型边坡体26，模型边坡体26等间距分为5层试验土体，即A、B、C、D、E试验土体，根据物理模型试验所需设计不同坡角，并通过对模型边坡体26坡向一侧进行削坡，进而可形成不同坡角的坡面，A、B、C、D、E试验土体内中间部位等间距埋设土压力传感器27，在竖直和水平方向上保持均匀性，这样可以准确地反应模型边坡体26在堆载作用下的内部受力情况压力，模型边坡体26周围外侧试验土体竖直向表面均匀设置高尔球钉28，配合有机玻璃板6上的标准尺度参考线，可以实时监测模型边坡体26在堆载作用下的竖直向表面变形情况。橡胶垫32具有柔性特征，模型边坡体26周围外侧试验土体坡面上无空隙贴合一层橡胶垫32，并用高尔夫球钉28固定，能够间接地准确反映出坡面在堆载作用下的变形情况，利用应变片33对变形的高敏感性特点，在橡胶垫32的临空面向等间距均匀粘贴有应变片33，土压力传感器27和应变片33连接有数据连接线29，数据连接线29外接有监测数据装置。

在每层土体中间部位等间距埋设土压力传感器，在竖直和水平方向上保持均匀性，这样可以准确地反应模型边坡体在堆载作用下的内部受力情况压力，

橡胶垫具有柔性特征，在坡面上无空隙贴合一层橡胶垫，并用高尔夫球钉固定，能够间接地准确反映出坡面在堆载作用下的变形情况，并利用应变片对变形的高敏感性特点，在橡胶垫的临空面向等间距均匀粘贴应变片，通过数据连接线外接与其相匹配的数据采集终端和计算机，用于数据采集和存储，并能实时显示应变片所采集到的变形值。

数据连接线29贴着模型箱体1后方的有机玻璃6板内侧壁从模型边坡体26上方出来。

监测数据装置包括数据数据采集终端30和计算机31，数据连接线29外接数据采集终端30，数据采集终端30外接计算机31。

等间距埋设土压力传感器27通过数据连接线29外接与其相匹配的数据采集终端30和计算机31，用于数据采集和存储，并能实时显示土压力传感器27所受压力值，用于监测整个模型边坡体26在堆载作用下内部应力发生变化情况。

应变片33通过数据连接线外接29外接与其相匹配的数据采集终端30和计算机31，用于数据采集和存储，并能实时显示应变片所采集到的变形值。

数据采集终端30和计算机31数量根据实际情况决定。

应力变形监测方法，包括以下步骤：

S1，边坡模型25准备完成后，安装堆载装置10和监测数据装置。

边坡模型体26填筑过程中，A、B、C、D、E试验土体内中间部位等间距埋设土压力传感器27，模型边坡体26周围外侧试验土体坡面上无空隙贴合一层橡胶垫32，并用高尔夫球钉28固定，在橡胶垫的临空面向粘贴有应变片33。

边坡模型25上方放置堆载装置10，通过连接螺丝9将第一螺丝钉固定连接孔8与第二螺丝钉固定连接孔12活动连接，进而实现堆载装置10与模型箱体1活动连接。

在橡胶垫的临空面向粘贴有应变片33。

将土压力传感器27和应变片33的数据连接线29，外接到数据采集终端30和计算机31上，进行物理模型试验。

S2，利用堆载装置10对边坡模型25从0开始逐级加载，直至达到边坡模型25所能承受的极限荷载值，监测数据装置实时监测加载过程中边坡模型25内部应力和坡体变形情况。

操作堆载装置10中加载装置17的数显式液压油泵19，使千斤顶18液压活塞上升，推动传力柱21上升受力接触反力板13，在反力作用下，即能实现了对边坡模型25的加载。

加载装置17每一级加载后，通过数显式位移计24显示的数值变化量可直观反应出荷载施加后，承压板16受力是否均匀，每级荷载施加前后当承压板上方的6个数显式位移计24的变化量相互差值不超过0.01mm时，可判定承压板受力均匀。

加载装置17每一级加载增量可根据模型尺寸、试验土体性质、实际边坡体情况进行综合评估确定。加下一级荷载条件为边坡模型25在本级荷载值作用下，模型边坡体26内部应力场以及外部表面变形在1小时内无明显变化时可进行下一级荷载的施加。

监测数据装置实时监测加载过程中的坡体应力与变形情况。其一，用于测试边坡模型25在逐级加载过程中，模型边坡体26内部应力场变化规律以及监测模型边坡体26在此过程中变形特征。其二，用于测试边坡模型25所能承受的极限荷载值，可为后续其他试验提供参考依据。

模型试验结束后，同样操作数显式液压油泵19，使千斤顶18液压活塞下降，带动传力柱21下降，脱离反力板13，实现对边坡模型25的卸载。

S3，重复步骤S1。

每一种场景都需要一个新的边坡模型25，因为每一个场景实施后，边坡模型25已经破坏了。

S4，利用堆载装置10对边坡模型25稳定加载，使边坡模型25始终处于极限荷载值以下的某一荷载值作用下，监测数据装置实时监测加载过程中边坡模型25内部应力和坡体变形情况。

利用堆载装置10对边坡模型25稳定加载，使边坡模型25始终处于极限荷载值以下的某一荷载值作用下，监测数据装置实时监测加载过程中的坡体应力与变形情况，用于测试边坡模型25长期处于某一荷载作用下，模型边坡体26内部应力场变化规律以及监测模型边坡体26长期变形。

S5，重复步骤S1。

每一种场景都需要一个新的边坡模型25，因为每一个场景实施后，边坡模型25已经破坏了。

S6，利用堆载装置10对边坡模型25从0开始快速加载至边坡模型25所能承受的极限荷载值，监测数据装置实时监测加载过程中边坡模型25内部应力和坡体变形情况。

利用堆载装置10对边坡模型25从0开始快速加载至边坡模型25所能承受的极限荷载值，监测数据装置实时监测加载过程中的坡体应力与变形情况，用于测试边坡模型25在瞬时加载至破坏过程中，模型边坡体26内部应力场变化规律以及监测模型边坡体26在此过程中变形特征。

S7，根据S2，S4和S6监测到的数据，反演堆载装置10作用下边坡模型25内部应力场变化以及边坡体的演化机制。

根据S2，S4和S6监测到的数据，反演堆载装置10作用下边坡模型25内部应力场变化以及边坡体的演化机制，总结边坡堆载作用下边坡破坏模式，为岩土工程领域的边坡研究提供理论基础。