本實用新型屬于巖土工程測試技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種側(cè)向非均勻加載條件下降雨邊坡模型實驗裝置，該裝置用于邊坡工程領(lǐng)域中在側(cè)向非均勻加載條件下降雨邊坡的模型試驗研究。

背景技術(shù)：

滑坡是一種常見的地質(zhì)災(zāi)害，其頻發(fā)性與嚴(yán)重性驚人。我國是一個多山國家，滑坡頻繁，給工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)以及人民生活造成巨大損失，有的甚至是毀滅性的災(zāi)難?；卵芯恳恢笔菫?zāi)害領(lǐng)域的研究重點，而降雨是誘發(fā)滑坡的主要因素之一。深入研究降雨條件下邊坡失穩(wěn)規(guī)律對滑坡災(zāi)害預(yù)測和防治具有重要的理論意義和工程實用價值。而室外現(xiàn)場試驗通常受場地、天氣條件以及人為因素等影響，成本較大且費時較長；室內(nèi)邊坡模型試驗具有成本低和易操作性等優(yōu)點，是揭示滑坡形成機理及規(guī)律的重要方法，可直觀的觀測到邊坡變形破壞過程，為滑坡研究提供了重要依據(jù)。

目前，國內(nèi)外降雨滑坡模型裝置功能比較單一，大多數(shù)裝置無法實現(xiàn)多種因素對邊坡穩(wěn)定的影響。在對現(xiàn)有的邊坡降雨模型進(jìn)行破壞試驗時，所考慮的外部影響因素并不全面，其忽略了自然界中邊坡由于側(cè)向荷載產(chǎn)生的側(cè)向位移。而忽略了側(cè)向位移的降雨邊坡模型試驗，所得出的試驗數(shù)據(jù)是不全面的，因為邊坡的穩(wěn)定性必然受到側(cè)向位移的影響。因此，有必要將產(chǎn)生的側(cè)向位移考慮到邊坡模型試驗中，以提高邊坡穩(wěn)定性研究的可靠性。

在對單一的加載試驗裝置的改進(jìn)實踐過程中，也出現(xiàn)了一些實現(xiàn)側(cè)向加載的設(shè)計，但大多都是對模型邊坡一側(cè)土體采用整體均勻加載而使邊坡產(chǎn)生相同的變形位移，不符合邊坡變形的實際情況。對于邊坡降雨試驗，雖然已有一些人工模擬降雨系統(tǒng)，但存在支架固定難以調(diào)節(jié)、動能與天然降雨差異大和降雨強度不易調(diào)控等問題。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本實用新型的目的是解決目前邊坡降雨模型試驗中外部影響因素單一、模擬不符合邊坡實際變形特征、支架固定難以調(diào)節(jié)、動能與實際降雨差異大以及降雨強度不易調(diào)控等問題。

為此，本實用新型提供了一種側(cè)向非均勻加載條件下降雨邊坡模型實驗裝置，包括模型箱，模型箱是由側(cè)板、正面板、擋板和背面板首尾相接圍繞成的立方箱體，模型箱的底部是底板，頂部敞口，還包括降雨模擬系統(tǒng)和側(cè)向非均勻加載系統(tǒng)，降雨模擬系統(tǒng)安裝在模型箱的頂部，側(cè)向非均勻加載系統(tǒng)由位于模型箱外的液壓設(shè)備、油缸支座以及位于模型箱內(nèi)的壓板組成，液壓設(shè)備通過壓力膠管與油缸支座連接，油缸支座安裝在側(cè)板的外壁上，油缸支座上的活塞穿過側(cè)板伸入模型箱內(nèi)與壓板的上端鉸接，壓板的下端與連桿支座鉸接，連桿支座安裝在側(cè)板的下端，連桿支座和活塞均與壓板的同一面鉸接并牽拉壓板，使壓板面向擋板呈傾斜狀置于模型箱內(nèi)，壓板與擋板相對的一面均勻間隔固定有多個電阻式微型土壓力計，電阻式微型土壓力計連接著電阻應(yīng)變測試儀。

所述底板上焊接著立方形的金屬框架，側(cè)板、正面板、擋板和背面板固定貼合在金屬框架的四個面，四個板與金屬框架之間的縫隙采用密封膠填充，正面板和背面板之間設(shè)有豎向支撐，豎向支撐焊接在金屬框架上，所述正面板采用鋼化玻璃制成，在正面板上設(shè)有坐標(biāo)網(wǎng)格。

所述降雨模擬系統(tǒng)包括槽鋼、降雨支架、供水管路、水箱、電磁管路開關(guān)、穩(wěn)壓器、水表以及電動流量調(diào)節(jié)閥；

槽鋼通過螺栓固定扣在金屬框架的頂部，降雨支架焊接在槽鋼的背面，供水管路固定設(shè)置在降雨支架頂部，供水管路上等間距開設(shè)有若干個噴孔，供水管路的末端連接著水泵，水泵伸入水箱內(nèi)，電磁管路開關(guān)、穩(wěn)壓器、水表以及電動流量調(diào)節(jié)閥依次串接在供水管路上，電磁管路開關(guān)設(shè)在靠近水泵一端。

所述液壓設(shè)備包括油箱和安裝在油缸支座上的油缸，油缸通過壓力膠管連接著方向控制閥，方向控制閥和油箱之間設(shè)有兩條管線，分別是進(jìn)油管線和回油管線，進(jìn)油管線上依次串接著粗濾油器、油泵、單向閥、壓力表，粗濾油器安裝在油箱的出口，單向閥安裝在油泵出口，油泵還連接著電動機，回油管線上串接著濾油器，濾油器的入口與進(jìn)油管線之間連接有溢流閥。

所述降雨支架是由多根豎直方鋼和多根水平方鋼通過螺栓連接組成，其中豎直方鋼成對且垂直焊接在槽鋼的背面，且每一根豎直方鋼沿其長度方向開設(shè)有多個小孔，水平方鋼插接在每一對豎直方鋼上的小孔內(nèi)，供水管路固定在水平方鋼上。

所述模型箱的底板上安裝有萬向輪，底板上還開設(shè)有排水孔，排水孔連接有排水管，排水管內(nèi)安裝濾網(wǎng)，排水管的末端安裝排水開關(guān)。

所述壓板與側(cè)板、正面板和背面板接觸處均設(shè)有密封圈。

一種側(cè)向非均勻加載條件下降雨邊坡模型實驗方法，首先將邊坡模型置于模型箱內(nèi)，開啟電磁管路開關(guān)，通過電動流量調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)控制降雨量，開設(shè)降雨試驗；然后開啟電動機，通過壓板對邊坡模型進(jìn)行側(cè)向非均勻加載，電阻式微型土壓力計采集壓力并將壓力數(shù)據(jù)傳輸給電阻應(yīng)變測試儀，降雨試驗結(jié)束，關(guān)閉電磁管路開關(guān)；最后打開排水開關(guān)，排出模型箱內(nèi)的積水。

本實用新型的有益效果：1. 本實用新型裝置操作簡單，功能齊全，能夠模擬側(cè)向非均勻加載條件下的降雨邊坡模型試驗，外部影響因素考慮全面，有效地提高了邊坡穩(wěn)定性研究的可靠性。

2. 本實用新型中側(cè)向非均勻加載方式實現(xiàn)了邊坡變形過程中上部位移大、下部位移小的特點，較真實地模擬了邊坡的實際變形特征，解決了以往整體均勻加載中邊坡變形不符合實際的問題。

3. 本實用新型降雨支架采用可調(diào)高度式設(shè)計，在不同降雨類型條件下，能保證模擬雨滴速度與天然降雨雨滴速度相一致，能較好的模擬天然降雨，能滿足不同高度和不同坡度邊坡模型的降雨邊坡模型試驗。

4. 本實用新型采用電動流量調(diào)節(jié)閥的設(shè)計，能快速調(diào)節(jié)降雨強度，且簡單方便。降雨系統(tǒng)采用管網(wǎng)式設(shè)計，在降雨高度不變時，降雨動能與降雨強度有著很好的線性相關(guān)關(guān)系，降雨動能與天然降雨接近。相比噴嘴式設(shè)計，操作和運行簡便。

5. 本實用新型中側(cè)向非均勻加載采用液壓系統(tǒng)控制，壓板加載速度通過溢流閥調(diào)節(jié)，操作簡便且壓力值穩(wěn)定。

6. 本實用新型中模型箱裝有鋼化玻璃透明的正面板，正面板上設(shè)置有坐標(biāo)網(wǎng)格，在降雨滑坡試驗過程中，能夠以坐標(biāo)網(wǎng)格為參照，準(zhǔn)確觀測邊坡變形破壞過程，記錄邊坡位移、降雨入滲深度及滑動面位置。

7. 本實用新型中降雨支架采用螺栓連接的設(shè)計，有利于降雨支架設(shè)備的組裝、拆卸與運輸。

8. 本實用新型模型箱主體采用焊接處理，強度高，并能有效地防止?jié)B水。

9. 本實用新型模型箱底部裝有萬向輪，便于移動。

以下將結(jié)合附圖對本實用新型做進(jìn)一步詳細(xì)說明。

附圖說明

圖1是側(cè)向非均勻加載條件下降雨邊坡模型試驗裝置的主視圖。

圖2是側(cè)向非均勻加載條件下降雨邊坡模型試驗裝置的右視圖。

圖3是側(cè)向非均勻加載條件下降雨邊坡模型試驗裝置的俯視圖。

圖4是液壓設(shè)備結(jié)構(gòu)示意圖。

圖5是降雨系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。

圖6是降雨支架豎直方鋼示意圖。

附圖標(biāo)記說明：1、模型箱；2、壓板；3、密封圈；4、連桿支座；5、液壓設(shè)備；6、油缸支座；7、豎向支撐；8、萬向輪；9、濾網(wǎng)；10、排水開關(guān)；11、正面板；12、金屬框架；13、坐標(biāo)網(wǎng)格；14、進(jìn)油管線；15、槽鋼；16、降雨支架；17、回油管線；18、供水管路；19、擋板；20、電阻式微型土壓力計；21、背面板；22、側(cè)板；23、電阻應(yīng)變測試儀；24、底板；25、排水孔；26、粗濾油器；27、油泵；28、油箱；29、電動機；30、單向閥；31、濾油器；32、溢流閥；33、壓力表；34、方向控制閥；35、壓力膠管；36、油缸；37、活塞；38、噴孔；39、水泵；40、水箱；41、電磁管路開關(guān)；42、穩(wěn)壓器；43、水表；44、電動流量調(diào)節(jié)閥；45、邊坡模型。

具體實施方式

實施例1：

本實施例提供了一種如圖1所示的側(cè)向非均勻加載條件下降雨邊坡模型實驗裝置，包括模型箱1，模型箱1是由側(cè)板22、正面板11、擋板19和背面板21首尾相接圍繞成的立方箱體，模型箱1的底部是底板24，頂部敞口，其特征在于：還包括降雨模擬系統(tǒng)和側(cè)向非均勻加載系統(tǒng)，降雨模擬系統(tǒng)安裝在模型箱1的頂部，側(cè)向非均勻加載系統(tǒng)由位于模型箱1外的液壓設(shè)備5、油缸支座6以及位于模型箱1內(nèi)的壓板2組成，液壓設(shè)備5通過壓力膠管35與油缸支座6連接，油缸支座6安裝在側(cè)板22的外壁上，油缸支座6上的活塞37穿過側(cè)板22伸入模型箱1內(nèi)與壓板2的上端鉸接，壓板2的下端與連桿支座4鉸接，連桿支座4安裝在側(cè)板22的下端，連桿支座4和活塞37均與壓板2的同一面鉸接并牽拉壓板2，使壓板2面向擋板19呈傾斜狀置于模型箱1內(nèi)，壓板2與擋板19相對的一面均勻間隔固定有多個電阻式微型土壓力計20，電阻式微型土壓力計20連接著電阻應(yīng)變測試儀23。

需要說明的是，以下所述的方向均為參照附圖1進(jìn)行的描述，模型箱1左側(cè)裝有側(cè)向非均勻加載系統(tǒng)，側(cè)向非均勻加載系統(tǒng)包括壓板2、油缸支座6和液壓設(shè)備5。在側(cè)板22外側(cè)上部焊接油缸支座6，在側(cè)板22內(nèi)側(cè)底部焊接連桿支座4。壓板2上端左側(cè)與安裝在油缸支座6上的活塞37鉸接，壓板2下端通過連桿支座4和模型箱1左側(cè)底部鉸接。壓板2右側(cè)固定有若干個電阻式微型土壓力計20。油缸支座6與液壓設(shè)備5通過壓力膠管35相連接。通過液壓設(shè)備5改變壓力膠管35中的油壓，來調(diào)節(jié)油缸支座6上的油缸活塞37，對壓板2進(jìn)行控制。

本實用新型在進(jìn)行側(cè)向非均勻加載條件下的降雨滑坡試驗時步驟如下：

首先準(zhǔn)備好用于制作邊坡模型45的試驗用土，根據(jù)控制的干密度和分層填筑厚度預(yù)先估計需要的土量；在邊坡模型45填筑前，對雨滴粒徑、均勻度和降雨強度等指標(biāo)進(jìn)行率定；根據(jù)試驗設(shè)計的邊坡模型45逐步填土，為了盡最大可能的保持坡體的均質(zhì)性，填筑應(yīng)分層填筑，逐層夯實；開啟降雨模擬系統(tǒng)，并根據(jù)試驗方案中設(shè)定的壓力值，開啟側(cè)向非均勻加載系統(tǒng)，通過壓板2對邊坡模型45進(jìn)行側(cè)向非均勻加載，電阻式微型土壓力計20連接有電阻應(yīng)變測試儀23進(jìn)行采集壓力變化；降雨過程中可通過正面板11上的坐標(biāo)網(wǎng)格13觀測記錄邊坡的變形和破壞情況；降雨試驗結(jié)束，完成側(cè)向非均勻加載條件下的降雨滑坡試驗。

本實用新型中側(cè)向非均勻加載方式實現(xiàn)了邊坡變形過程中上部位移大、下部位移小的特點，較真實地模擬了邊坡的實際變形特征，解決了以往整體均勻加載中邊坡變形不符合實際的問題。側(cè)向非均勻加載采用液壓系統(tǒng)控制，壓板加載速度通過溢流閥調(diào)節(jié)，操作簡便且壓力值穩(wěn)定。

實施例2：

在實施例1的基礎(chǔ)上，如圖1所示，所述底板24上焊接著立方形的金屬框架12，側(cè)板22、正面板11、擋板19和背面板21固定貼合在金屬框架12的四個面，四個板與金屬框架12之間的縫隙采用密封膠填充，正面板11和背面板21之間設(shè)有豎向支撐7，豎向支撐7焊接在金屬框架12上，所述正面板11采用鋼化玻璃制成，在正面板11上設(shè)有坐標(biāo)網(wǎng)格13。

模型箱1的金屬框架12采用焊接處理，側(cè)板22采用鋼板制作，焊接固定在模型箱1側(cè)面，在模型箱1的正面中間設(shè)置有豎向支撐7，焊接在金屬框架12內(nèi)，正面板11用鋼化玻璃制作，在正面板11四周打有若干個孔，用螺栓連接在模型箱1上，四周孔隙用密封膠填充，正面板11上還設(shè)置坐標(biāo)網(wǎng)格13，通過坐標(biāo)網(wǎng)格13觀測邊坡變形破壞過程，記錄邊坡位移及滑動面位置。模型箱1主體采用焊接處理，強度高，并能有效地防止?jié)B水。

實施例3：

在實施例2的基礎(chǔ)上，所述降雨模擬系統(tǒng)包括槽鋼15、降雨支架16、供水管路18、水箱40、電磁管路開關(guān)41、穩(wěn)壓器42、水表43以及電動流量調(diào)節(jié)閥44；

槽鋼15通過螺栓固定扣在金屬框架12的頂部，降雨支架16焊接在槽鋼15的背面，供水管路18固定設(shè)置在降雨支架16頂部，供水管路18上等間距開設(shè)有若干個噴孔38，供水管路18的末端連接著水泵39，水泵39伸入水箱40內(nèi)，電磁管路開關(guān)41、穩(wěn)壓器42、水表43以及電動流量調(diào)節(jié)閥44依次串接在供水管路18上，電磁管路開關(guān)41設(shè)在靠近水泵39一端。

如圖5所示，降雨模擬系統(tǒng)包括降雨支架16、供水管路18、噴孔38、水泵39、水箱40、電磁管路開關(guān)41、穩(wěn)壓器42、水表43以及電動流量調(diào)節(jié)閥44。供水管路18采用Φ25的PVC承壓管，所有管路連接均采用熱熔處理。在供水管路18上打有若干個噴孔38，其中噴孔38直徑1 mm, 相鄰噴孔間距10 cm。水泵39可以給降雨模擬系統(tǒng)提供動力。水箱40用來儲備試驗用水。電磁管路開關(guān)41的作用是自動控制噴孔38開關(guān)，起到避免非降雨過程滴水及調(diào)試過程關(guān)閉的作用。穩(wěn)壓器42的作用是穩(wěn)定水流的壓力。水表43可以顯示試驗用水量。能通過電動流量調(diào)節(jié)閥44調(diào)節(jié)控制降雨量大小。降雨支架16采用方鋼制作，底部焊接在槽鋼15背面，并將槽鋼15扣在模型箱1頂部，并用螺栓穩(wěn)固，保證降雨支架16的穩(wěn)定性。降雨支架16其它部位連接均采用螺栓連接。供水管路18用鐵絲綁扎在降雨支架16頂部。

本實用新型采用電動流量調(diào)節(jié)閥的設(shè)計，能快速調(diào)節(jié)降雨強度，且簡單方便。降雨系統(tǒng)采用管網(wǎng)式設(shè)計，在降雨高度不變時，降雨動能與降雨強度有著很好的線性相關(guān)關(guān)系，降雨動能與天然降雨接近。相比噴嘴式設(shè)計，操作和運行簡便。降雨支架采用螺栓連接的設(shè)計，有利于降雨支架設(shè)備的組裝、拆卸與運輸。

實施例4：

在實施例1的基礎(chǔ)上，所述液壓設(shè)備5包括油箱28和安裝在油缸支座6上的油缸36，油缸36通過壓力膠管35連接著方向控制閥34，方向控制閥34和油箱28之間設(shè)有兩條管線，分別是進(jìn)油管線14和回油管線17，進(jìn)油管線14上依次串接著粗濾油器26、油泵27、單向閥30、壓力表33，粗濾油器26安裝在油箱28的出口，單向閥30安裝在油泵27出口，油泵27還連接著電動機29，回油管線17上串接著濾油器31，濾油器31的入口與進(jìn)油管線14之間連接有溢流閥32。

如圖4所示，液壓設(shè)備5由粗濾油器26、油泵27、油箱28、單向閥30、濾油器31、溢流閥32、壓力表33、方向控制閥34、油缸36、活塞37以及連接這些元件的壓力膠管35組成。壓板2施加非均勻荷載時，油泵27由電動機29驅(qū)動后，從油箱28中吸油。油經(jīng)過粗濾油器26進(jìn)入油泵27，油在泵腔中從入口低壓到出口高壓，壓力值可由精密壓力表33測量。油液經(jīng)過單向閥30，通過溢流閥32對油壓的調(diào)節(jié)，然后經(jīng)過方向控制閥34進(jìn)入油缸36左腔，推動活塞37使壓板2向右移動。這時，油缸36右腔的油經(jīng)壓力膠管35、方向控制閥34和濾油器31排回油箱28。壓板2停止施加不均勻荷載時，調(diào)節(jié)方向控制閥34，壓力膠管35中的油將經(jīng)過方向控制閥34進(jìn)入油缸36右腔、推動活塞37使壓板2向左移動，并使油缸36左腔的油經(jīng)方向控制閥34、壓力膠管35和濾油器31排回油箱28。

本實用新型中側(cè)向非均勻加載采用液壓系統(tǒng)控制，壓板2加載速度通過溢流閥32調(diào)節(jié)，操作簡便且壓力值穩(wěn)定。

實施例5：

如圖2、圖3和圖6所示，所述降雨支架16是由多根豎直方鋼和多根水平方鋼通過螺栓連接組成，其中豎直方鋼成對且垂直焊接在槽鋼15的背面，且每一根豎直方鋼沿其長度方向開設(shè)有多個小孔，水平方鋼插接在每一對豎直方鋼上的小孔內(nèi)，供水管路18固定在水平方鋼上。

降雨支架16上每隔20cm有一個孔徑12mm的孔，通過螺栓將水平方鋼固定于不同孔上，來實現(xiàn)調(diào)整降雨高度。

實施例6：

在實施例1的基礎(chǔ)上，如圖1或圖2所示，所述模型箱1的底板24上安裝有萬向輪8，底板24上還開設(shè)有排水孔25，排水孔25連接有排水管，排水管內(nèi)安裝濾網(wǎng)9，排水管的末端安裝排水開關(guān)10。

模型箱1底部裝有4個萬向輪8，萬向輪8通過螺栓連接在模型箱1底部。模型箱1底部右側(cè)設(shè)有排水孔25，排水孔25下部裝有排水開關(guān)10，并設(shè)置濾網(wǎng)9以防止土樣沖走或堵塞排水孔25。

實施例7：

在實施例1的基礎(chǔ)上，如圖2所示，所述壓板2與側(cè)板22、正面板11和背面板21接觸處均設(shè)有密封圈3。模型箱1右側(cè)未密閉，焊接有擋板19。壓板左側(cè)、下側(cè)和右側(cè)均設(shè)置有密封圈3，并能有效地防止邊坡模型45與模型箱1左側(cè)之間相互滲水。

實施例8：

本實施例提供了一種側(cè)向非均勻加載條件下降雨邊坡模型實驗方法，首先將邊坡模型45置于模型箱1內(nèi)，開啟電磁管路開關(guān)41，通過電動流量調(diào)節(jié)閥44調(diào)節(jié)控制降雨量，開設(shè)降雨試驗；然后開啟電動機29，通過壓板2對邊坡模型45進(jìn)行側(cè)向非均勻加載，電阻式微型土壓力計20采集壓力并將壓力數(shù)據(jù)傳輸給電阻應(yīng)變測試儀23，降雨試驗結(jié)束，關(guān)閉電磁管路開關(guān)41；最后打開排水開關(guān)10，排出模型箱1內(nèi)的積水。

具體的，本實用新型在進(jìn)行側(cè)向非均勻加載條件下的降雨滑坡試驗時步驟如下：

一、首先準(zhǔn)備好用于制作邊坡模型45的試驗用土，根據(jù)控制的干密度和分層填筑厚度預(yù)先估計需要的土量；

二、在邊坡模型45填筑前，對雨滴粒徑、均勻度和降雨強度等指標(biāo)進(jìn)行率定；

三、 根據(jù)試驗設(shè)計的邊坡模型45逐步填土，為了盡最大可能的保持坡體的均質(zhì)性，填筑應(yīng)分層填筑，逐層夯實；

四、完成邊坡模型45的填筑后，根據(jù)試驗設(shè)計降雨量，首先在水箱40儲備好試驗用水，記錄水表43的初始值，打開電磁管路開關(guān)41，通過電動流量調(diào)節(jié)閥44調(diào)節(jié)控制雨量，開始降雨試驗；

五、根據(jù)試驗方案中設(shè)定的壓力值，開啟側(cè)向非均勻加載系統(tǒng)，通過壓板2對邊坡模型45進(jìn)行側(cè)向非均勻加載，電阻式微型土壓力計20連接有電阻應(yīng)變測試儀23進(jìn)行采集壓力變化；

六、降雨過程中可通過正面板11上的坐標(biāo)網(wǎng)格13觀測記錄邊坡的變形和破壞情況；

七、降雨試驗結(jié)束時，關(guān)閉電磁管路開關(guān)41，以避免供水管路18內(nèi)殘余水流對水土流失的影響，為防止噴孔38被雜質(zhì)堵塞影響降雨的均勻性，每次降雨試驗前先排放供水管路18內(nèi)含雜質(zhì)的積水，然后將降雨系統(tǒng)內(nèi)的水壓力調(diào)整到較大值，把積存在供水管路18內(nèi)的雜質(zhì)沖出。

以上例舉僅僅是對本實用新型的舉例說明，并不構(gòu)成對本實用新型的保護(hù)范圍的限制，凡是與本實用新型相同或相似的設(shè)計均屬于本實用新型的保護(hù)范圍之內(nèi)。本實施例沒有詳細(xì)敘述的部件和結(jié)構(gòu)屬本行業(yè)的公知部件和常用結(jié)構(gòu)或常用手段，這里不一一敘述。