測量土體變形及吸力的非飽和土體邊坡裝置製造方法

2023-05-09 20:27:01

測量土體變形及吸力的非飽和土體邊坡裝置製造方法
【專利摘要】本實用新型涉及土工直剪切裝置的【技術領域】，公開了測量土體變形及吸力的非飽和土體邊坡裝置，包括邊坡模型箱、數據採集結構以及環境模擬結構；邊坡模型箱的上端呈傾斜狀，其一側壁呈透明狀，該側壁中設有多個標定點；環境模擬結構包括噴水結構以及乾燥結構；數據採集結構包括攝像機以及吸力傳感器，攝像機位於透明側壁的外側，吸力傳感器插設於邊坡模型箱。非飽和土體裝在其內的容腔中，噴水結構以及乾燥結構進行乾濕循環模擬，攝像機採集非飽和土體的變形，達到宏觀力學性能的測量，利用吸力傳感器採集非飽和土體的吸力數據，達到微觀力學性能的測量，其對深入研究自然條件下，非飽和土體邊坡的水土力學特性和降雨乾濕循環下的穩定性有重要的意義。
【專利說明】
【技術領域】
[0001] 本實用新型涉及非飽和土體變形及吸力測量的【技術領域】，尤其涉及測量土體變形 及吸力的非飽和土體邊坡裝置。 測量土體變形及吸力的非飽和土體邊坡裝置

【背景技術】
[0002] 土體的破壞形式主要是由於剪切破壞引起的，因此準確測定土體的剪切強度參數 在巖土工程中具有重要意義。
[0003] 現有技術中，在試驗室測定土體的抗剪強度參數，一般採用直剪儀進行剪切試驗， 在垂直壓力下，對土體施加水平力進行剪切，以求得土體破壞時的剪應力，然後根據庫侖定 律確定土體的抗剪強度參數、內摩擦角以及凝聚力等參數。
[0004] 但是，在自然界和實際工程中，遇到的土體通常是非飽和土體，非飽和土體的抗剪 強度的理論研究也已有近半個多世紀的歷史。對於飽和土體來說，土體強度受有效應力控 制，而對非飽和土體來說，被公認的基質吸力對非飽和土體2變形和抗剪強度的貢獻很大， 基質吸力所產生的抗剪強度對於非飽和土體的穩定性有很大的影響，因此，研究何種因素 影響非飽和土體的基質吸力變化，以及非飽和土體在剪切過程中吸力的變化，有著非常重 要的意義。
[0005] 天然土體顆粒材料具有剪脹性、壓硬性和各向異性等特殊的力學性質，且這些力 學性質都受控於土體內部的微細結構及其演化，因此，對土體宏觀及微觀參數進行量化，對 於深入研究土體變形機制和力學特性尤為重要。但是，現時，常規的試驗室直剪切試驗或其 它試驗只能測定土體的抗剪強度參數，也就是內摩擦角及凝聚力，其不能實時監測剪切過 程基質吸力的變化，也不能直觀量測剪切帶附近土體的位移，也就是說，現時的直剪切試驗 不能對非飽和土體同時進行宏觀和微觀力學性能的聯合測量。 實用新型內容
[0006] 本實用新型的目的在於提供可視化土工直剪切裝置，旨在解決現有技術中的直剪 切試驗不能同時對非飽和土體進行宏觀及微觀力學性能的聯合測量的問題。
[0007] 本實用新型是這樣實現的，測量土體變形及吸力的非飽和土體邊坡裝置，運用於 模擬降雨環境中，其包括邊坡模型箱、數據採集結構以及環境模擬結構；
[0008] 所述邊坡模型箱的上端呈傾斜狀，形成傾斜面，其內具有用於裝非飽和土體的容 腔，所述容腔貫穿所述邊坡模型箱的上端，形成上部開口；所述邊坡模型箱的一側壁呈透明 狀，形成透明側壁，所述透明側壁中設有多個標定點；
[0009] 所述環境模擬結構包括分別位於所述容腔的上部開口上方的噴水結構以及乾燥 結構，所述噴水結構沿所述傾斜面的傾斜方向延伸布置；
[0010] 所述數據採集結構包括攝像機以及吸力傳感器，所述攝像機位於所述透明側壁的 外側，所述吸力傳感器插設於所述邊坡模型箱的側壁，延伸至所述容腔內。
[0011] 進一步地，所述噴水結構包括水管以及多個連接於所述水管上噴水頭，所述水管 延伸所述邊坡模型箱上端傾斜面的傾斜方向延伸布置，多個所述噴水頭朝向所述容腔的上 部開口布置。
[0012] 進一步地，所述水管平行於所述邊坡模型箱上端的傾斜面布置。
[0013] 進一步地，所述邊坡模型箱傾斜面的最低端設有水箱，所述水箱呈水平布置，且連 通所述邊坡模型箱內的容腔。
[0014] 進一步地，所述數據採集結構還包括體積含水率測量儀，所述體積含水率測量儀 包括探測頭，所述探測頭插設於所述容腔內。
[0015] 進一步地，所述數據採集結構還包括用於對邊坡模型箱周圍溫度及溼度進行監測 的溫度及溼度監測儀。
[0016] 進一步地，所述邊坡模型箱容腔內的非飽和土體為採用石墨夾層形成人工紋理的 土體。
[0017] 進一步地，所述人工紋理採用油性墨汁拌過的土體烘乾碾碎後製成。
[0018] 進一步地，所述邊坡模型箱包括框架體，所述框架體包圍形成上端開口的包圍區 域，所述框架體的側壁上均設有側壁板，多個所述側壁板包圍形成所述具有上部開口的容 腔，其中一所述側壁板為玻璃板，形成所述透明側壁。
[0019] 與現有技術相比，本實用新型提供的非飽和土體邊坡裝置在試驗中，非飽和土體 裝在其內的容腔中，利用噴水結構以及乾燥結構對邊坡模型箱內的非飽和土體進行乾濕循 環模擬，通過攝像機對標定點處的非飽和土體的移動跟蹤，採集非飽和土體的變形，達到宏 觀力學性能的測量，利用吸力傳感器採集非飽和土體的吸力數據，達到微觀力學性能的測 量，也就是說該非飽和土體邊坡裝置可以同時實現對非飽和土體宏觀及微觀力學性能測 量，其對深入研究自然條件下，非飽和土體邊坡的水土力學特性和降雨乾濕循環下的穩定 性有重要的意義。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0020] 圖1是本實用新型實施例提供的測量土體變形及吸力的非飽和土體邊坡裝置的 立體示意圖；
[0021] 圖2是本實用新型實施例提供的邊坡模型箱的立體示意圖；
[0022] 圖3是本實用新型實施例提供的邊坡模型箱的主視示意圖；
[0023] 圖4是本實用新型實施例提供的邊坡模型箱的側視示意圖。

【具體實施方式】
[0024] 為了使本實用新型的目的、技術方案及優點更加清楚明白，以下結合附圖及實施 例，對本實用新型進行進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋 本實用新型，並不用於限定本實用新型。
[0025] 以下結合具體實施例對本實用新型的實現進行詳細的描述。
[0026] 如圖1?4所示，為本實用新型提供的較佳實施例。
[0027] 本實施例提供的測量土體變形及吸力的非飽和土體邊坡裝置1，運用於模擬降雨 循環的環境中，對邊坡中非飽和土體的變形及吸力進行量測，其包括邊坡模型箱108、數據 採集結構以及環境模擬結構；其中，邊坡模型箱108用於裝置1非飽和土體，其上端呈傾斜 狀，形成傾斜面1081，其模擬邊坡傾斜的形狀，邊坡模型箱108中具有容腔，該容腔貫穿邊 坡模型箱108的上端，形成上部開口；本實施例中，邊坡模型箱108呈長條狀，當然，其根據 實際模擬邊坡的形狀不同，也可以設置有其它類型的形狀，具體不限於本實施例中的形狀； 邊坡模型箱108的一側壁為透明狀，形成透明側壁1084,該透明側壁1084上設有多個標定 點 1082。
[0028] 環境模擬結構包括設置在邊坡容腔的上部開口上方的噴水結構102以及乾燥結 構105,該噴水結構102以及乾燥結構105分別設置在容腔的上部開口的上方，並且，噴水 結構102沿著該上部開口的延伸方向延伸布置，這樣，通過噴水結構102的作用，可以實現 朝容腔的上部開口處噴水，模擬降雨環境，並且，通過噴水量的控制，可以實現對降雨量的 控制；利用乾燥結構105對容腔的上部開口進行作用，從而可以使得水分快速蒸發；也就是 說，利用環境模擬結構，可以使得邊坡模型箱108內的土體在乾濕狀態下循環轉換。
[0029] 數據採集結構包括布置在邊坡模型箱108外側的攝像機106以及吸力傳感器，其 中，攝像機106位於透明側壁1084的外側，通過標定點1082,用於對容腔內土體的變形數據 進行採集；吸力傳感器差設在容腔側壁上，且延伸至土體內，其可以對容腔中的土體的吸力 數據進行採集。攝像機106為高解析度照相機。
[0030] 當然，本實施例中，測量土體變形及吸力的非飽和土體邊坡裝置1還可以包括控 制元件101等，其電性連接數據採集結構以及環境模擬結構，從而可以對環境模擬結構進 行控制，並且接受來自數據採集結構的採集信息，使得操作人員可以較為直觀化的觀察數 據，或者，便於對數據進行處理等等一系列操作。
[0031] 具體地，控制元件101可以是電腦或中控機等。
[0032] 利用上述的測量土體變形及吸力的非飽和土體邊坡裝置1在進行試驗中，將非飽 和土體完全填充在整個容腔內，從而形成邊坡的形狀，這樣，通過環境模擬結構的操作，噴 水結構102模擬降雨過程，或者乾燥結構105可以將非飽和土體內的水分蒸發，實現邊坡在 乾濕狀態下循環，並且，在該環境模擬過程中，攝像機106通過透明側壁1084上的標定點 1082,可以採集非飽和土體的變形，實現宏觀力學性能的測量，而吸力傳感器插設在非飽和 土體中，可以採集到非飽和土體的吸力變化，實現微觀力學性能的測量，其對深入研究自然 條件下，非飽和土體邊坡的水土力學特性和降雨乾濕循環下的穩定性有重要的意義。
[0033] 本實施例中，為了更好觀察非飽和土體的變形效果，填充在容腔內的非飽和土體 為採用石墨夾層的人工紋理的土體，當然，其也可以是其它類型分層結構的土體。
[0034] 邊坡模型箱108包括框架體，該框架體包圍形成上端開口的包圍區域，且在框架 體側壁上設置多個側壁板，多個側壁板包圍形成上述具有上部開口的容腔，其中，框架體上 的一側壁板為玻璃板，形成上述的透明側壁1084。本實施例提供的側壁板為鋼板，當然，其 也可以是其它類型的板。
[0035] 並且，上述側壁板中設有插孔，該插孔的設置，可以便於外部元器件的固定，元器 件可以插設在該插孔中，進而延伸至容腔內的非飽和土體中，如上述的吸力傳感器等。
[0036] 在插孔中設有防水螺栓，元器件等通過與防水螺栓的配合，可以防止容腔內的水 分外洩出來。
[0037] 上述框架體由多個橫向布置的橫向鋼條及多個縱向布置的縱向鋼條，橫向鋼條與 縱向鋼條交叉布置，當然，為了使得邊坡模型箱108的強度更大，本實施例中，邊坡模型箱 108的側壁上設置有加固鋼條1083,該加固鋼條1083的兩端側壁的端部，對整個框架體起 到加固的作用。
[0038] 本實施例中，噴水結構102包括水管1021以及多個噴水頭1022,水管1021沿著邊 坡模型箱108上端傾斜面的傾斜方向延伸布置，多個噴水頭1022分別連接在水管1021上， 且朝向容腔的上部開口布置，從而可以實現對容腔內噴水的操作。
[0039] 為了保證噴水的均勻性，多個噴水頭1022與容腔的上部開口的垂直距離一致，也 就是說，可以將水管1021平行於容腔的上部開口布置。
[0040] 具體地，上述的噴水頭1022可以是霧化噴水頭，也可以是其它類型的噴水頭 1022,具體可以視具體模擬降雨情況而定。
[0041] 本實施例中，邊坡模型箱108還包括水箱103,該水箱103設置在邊坡模型箱108 傾斜面1081的最低端，且呈水平放置，其連通邊坡模型箱108的容腔，通過該水箱103,可以 直觀觀測到邊坡模型箱108容腔內的地下水位線以及邊界排水條件，從而實現對容腔內水 量及水位的控制。
[0042] 上述的數據採集結構還包括體積含水率測量儀104,該體積含水率測量儀104包 括探測頭，該探測頭插設在容腔的非飽和土體中，從而方便測試到非飽和土體的體積含水 率的數據。
[0043] 本實施例中，乾燥結構105為吹風機，該吹風機設置在邊坡模型箱108容腔的上部 開口的上方，且朝向上部開口布置，從而起吹出的風流可以對容腔內的非飽和土體進行幹 燥，蒸發水分。
[0044] 該吹風機的吹風口呈垂直於容腔的上部開口布置，這樣，使得其乾燥效果大大提 商。
[0045] 或者，作為其它實施例，該乾燥結構105也可以是其它類型的烘烤設備也可。
[0046] 數據採集結構還包括溫度及溼度監測儀107,其可以對整個邊坡模型箱108周圍 的溫度及溼度進行監控，其電性連接於控制元件101，為整個試驗的實施提供溫度及溼度數 據。
[0047] 上述的測量土體變形及吸力的非飽和土體邊坡裝置1在操作過程中，同時進行試 驗監測控制與數據採集工作。模型邊坡的監測包括體積含水率的監測、吸力的監測、土體變 形的監測以及裂隙的監測。與此同時，降雨量的控制、試驗溫度與溼度監測也同步進行。通 過監測系統，得出各參量在乾濕循環下的響應情況，以便藉此來綜合分析乾濕循環下邊坡 土體變形和破壞模式及其中的機理。
[0048] 本實施例提供的測量土體變形及吸力的非飽和土體邊坡裝置1中各個元件，均由 上述的控制元件101控制。
[0049] 本實施例還提供了測量土體變形及吸力的非飽和土體邊坡裝置1的操作方法，具 體如下：
[0050] 1)、製作試驗用的非飽和土體，可以將取樣土粉碎，並均勻加水，測定後確定非飽 和土體的初始含水率，並放置在邊坡模型箱108的容腔內；
[0051] 2)、待容腔內的非飽和土體團結，插入吸力傳感器，並等待吸力達到平衡；
[0052] 3)、利用環境模擬結構對邊坡模型箱108中的非飽和土體進行乾濕模擬，並進行 循環試驗；溼潤過程是由噴水結構102來實現的，乾燥過程是加速蒸發，具體是使用乾燥結 構105對邊坡表面進行乾燥。
[0053] 4)在步驟3)的過程中，通過攝像機106採集容腔內非飽和土體的變形數據，以及 利用吸力傳感器採集容腔內非飽和土體的吸力數據。
[0054] 在上述步驟1)中，在非飽和土體的製作過程中，為使非飽和土體的變形能夠得到 有效地識別和追蹤，在非飽和土體的土層之間製作人工紋理，人工紋理所需材料是用油性 墨汁拌過的土體烘乾碾碎後製成的。
[0055] 以上所述僅為本實用新型的較佳實施例而已，並不用以限制本實用新型，凡在本 實用新型的精神和原則之內所作的任何修改、等同替換和改進等，均應包含在本實用新型 的保護範圍之內。
【權利要求】
1. 測量土體變形及吸力的非飽和土體邊坡裝置，其特徵在於，運用於模擬降雨環境中， 其包括邊坡模型箱、數據採集結構以及環境模擬結構； 所述邊坡模型箱的上端呈傾斜狀，形成傾斜面，其內具有用於裝非飽和土體的容腔，所 述容腔貫穿所述邊坡模型箱的上端，形成上部開口；所述邊坡模型箱的一側壁呈透明狀，形 成透明側壁，所述透明側壁中設有多個標定點； 所述環境模擬結構包括分別位於所述容腔的上部開口上方的噴水結構以及乾燥結構， 所述噴水結構沿所述傾斜面的傾斜方向延伸布置； 所述數據採集結構包括攝像機以及吸力傳感器，所述攝像機位於所述透明側壁的外 側，所述吸力傳感器插設於所述邊坡模型箱的側壁，延伸至所述容腔內。
2. 如權利要求1所述的測量土體變形及吸力的非飽和土體邊坡裝置，其特徵在於，所 述噴水結構包括水管以及多個連接於所述水管上噴水頭，所述水管延伸所述邊坡模型箱上 端傾斜面的傾斜方向延伸布置，多個所述噴水頭朝向所述容腔的上部開口布置。
3. 如權利要求2所述的測量土體變形及吸力的非飽和土體邊坡裝置，其特徵在於，所 述水管平行於所述邊坡模型箱上端的傾斜面布置。
4. 如權利要求1至3任一項所述的測量土體變形及吸力的非飽和土體邊坡裝置，其特 徵在於，所述邊坡模型箱傾斜面的最低端設有水箱，所述水箱呈水平布置，且連通所述邊坡 模型箱內的容腔。
5. 如權利要求1至3任一項所述的測量土體變形及吸力的非飽和土體邊坡裝置，其特 徵在於，所述數據採集結構還包括體積含水率測量儀，所述體積含水率測量儀包括探測頭， 所述探測頭插設於所述容腔內。
6. 如權利要求1至3任一項所述的測量土體變形及吸力的非飽和土體邊坡裝置，其特 徵在於，所述數據採集結構還包括用於對邊坡模型箱周圍溫度及溼度進行監測的溫度及溼 度監測儀。
7. 如權利要求1至3任一項所述的測量土體變形及吸力的非飽和土體邊坡裝置，其特 徵在於，所述邊坡模型箱容腔內的非飽和土體為採用石墨夾層形成人工紋理的土體。
8. 如權利要求7所述的測量土體變形及吸力的非飽和土體邊坡裝置，其特徵在於，所 述人工紋理採用油性墨汁拌過的土體烘乾碾碎後製成。
9. 如權利要求1至3任一項所述的測量土體變形及吸力的非飽和土體邊坡裝置，其特 徵在於，所述邊坡模型箱包括框架體，所述框架體包圍形成上端開口的包圍區域，所述框架 體的側壁上均設有側壁板，多個所述側壁板包圍形成所述具有上部開口的容腔，其中一所 述側壁板為玻璃板，形成所述透明側壁。
【文檔編號】G01N3/24GK203849117SQ201420201917
【公開日】2014年9月24日 申請日期:2014年4月23日 優先權日:2014年4月23日
【發明者】左人宇, 陸釗, 陳銳, 侯德軍, 馮棟棟, 林國威, 趙家福, 羅錦華 申請人:深圳市工勘巖土集團有限公司