CN113655204B - 一种适用于水动力滑坡模型试验的人工滑床及制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种物理模型试验装置，具体是一种适用于水动力滑坡模型试验的人工滑床及制备方法，包括有固定在试验槽底部的基岩底座，基岩底座上还设有滑床体和滑坡体，所述滑床体由异形滑床层和彩色标准砂组成；所述异形滑床层包括有底座和两处突触体，所述突触体上方均设有突触端头；以及人工滑床的制备方法：1.首先根据拟开展的物理模型试验相似设计，确定滑床的空间尺寸，依据模型试验滑床的设计参数，采用3D打印机打印出异形滑床层；2.然后将制作完成的异形滑床层布设在基岩底座上，并根据基岩的倾角差异分段铺设异形滑床层，铺设完成后再铺设一层彩色标准砂；3.最后在布设完成的异形滑床层顶部继续填筑滑坡体，直至完成整体模型。
Description
技术领域
本发明涉及一种物理模型试验装置，具体涉及一种适用于水动力滑坡模型试验的人工滑床及制备方法，属于地质灾害模型试验领域。
背景技术
滑坡是广泛分布于全球的主要地质灾害类型，滑坡的产生主要是岩土体在重力作用下从高到低运动的过程，而导致上述成灾过程的发生，主要的原因之一是强降雨。为了分析滑坡在降雨作用下失稳的全过程，已有大量的研究工作采用室内缩尺的物理模型试验对降雨型滑坡或其他受水动力作用滑坡的失稳过程进行了模拟。开展上述模型试验，试验结果的准确性被模型整体的相似性控制，包括：滑坡模型的多场相似（重力场和渗流场）、外界诱因的相似（降雨参数、水位波动参数等）、内部诱因的相似（滑床的物理力学和渗流特性）。已有的研究经验表明，以降雨型滑坡为例，其失稳的主要原因是由于降雨入渗引起土体含水率上升，随之引发土体尤其是滑床处土体的孔隙水压力上升和抗剪强度下降，最终导致滑床贯通整体失稳破坏。因此，对于滑坡的合理模型，滑床土在降雨入渗作用下强度降低直至贯通形变的物理过程是整体合理模拟的关键。
当前制备滑床土主要采用原型土或者相似材料两类。常规滑坡物理模型试验采用的原型土或配置模型土，在开展模型试验过程中，短时间内降雨或库水位波动引发的水动力变化，难以引起常规原型土或配置模型土的强度随水流入渗而变化；常规滑坡物理模型试验的相似材料采用滑带土粉末和液蜡混合，或者采用聚乙烯薄膜与土工膜等，能较好反映滑床的初始物理力学特性（如内摩擦角），但是难以反映水入渗过程中滑床物理力学特性逐渐改变的原型状态。因此，根据上述模拟关键点，在开展滑床土制备时，需要提供一种新的适用于水动力滑坡模型试验的人工滑床及其制备方法，用于模拟其在水流入渗作用下强度逐渐降低的真实历程，以及适用于不同尺寸模型大小及不同滑床参数的人工制备方案。
发明内容
本发明目的是提供一种适用于水动力滑坡模型试验的人工滑床及制备方法，使制备的人工滑床在无水状态下具备稳定的强度，在水流从坡体逐步入渗的至滑床土时引起其强度逐渐下降，以及适用于不同尺寸模型大小及不同滑床参数的人工制备方案；解决常规人工滑床土难以引起常规原型土或配置模型土的强度随水流入渗而变化的问题，同时解决常规人工滑床土无法定量控制并模拟其在水流逐渐深入过程中物理力学强度下降的问题。
为解决上述技术问题，本发明采用的适用于水动力滑坡模型试验的人工滑床及制备方法技术手段如下：包括有固定在试验槽底部的基岩底座，所述基岩底座上还设有滑床体和滑坡体；所述滑床体由异形滑床层和彩色标准砂组成；所述异形滑床层包括有底座和突触体，所述底座的上表面连接有两处突触体，所述突触体上方均设有突触端头；所述彩色标准砂填充在两处突触体之间。
优选地，所述底座、突触体、突触端头作为一个整体，采用3D打印一体成型。
优选地，所述突触端头在竖直面的截面呈圆形，所述突触体的竖直面内的截面呈等腰梯形，使突触体与突触端头对滑坡体产生一个“锚固”作用；所述突触体垂直于底座，有利于提升滑床体强度。
优选地，所述突触体与突触端头连接处设有过渡部分，所述过渡部分厚度与突触体连接处的厚度相等，减小局部应力，防止突触体与突触端头撕裂。
水动力滑坡模型试验的人工滑床的制备方法，包括以下步骤：
步骤1，首先根据拟开展的物理模型试验相似设计，确定滑床的空间尺寸，包括滑床的长度、宽度、厚度及布设角度，依据模型试验滑床的设计参数，采用3D打印机打印出异形滑床层；
步骤2，将制作完成的异形滑床层布设在基岩底座上，根据基岩的倾角差异分段铺设异形滑床层，铺设完成后在异形滑床层上铺设一层彩色标准砂；
步骤3，在布设完成的异形滑床层顶部继续填筑滑坡体，直至完成整体模型。
上述步骤1中，异形滑床层以水溶性材料为原料，采用3D打印机打印成单面异形结构。
上述步骤2中，彩色标准砂铺设完成后，用刮板将彩色标准砂刮平，彩色标准砂刮平的水平面以两处突触端头的最高点所在平面为基准。
上述步骤3中，滑坡体采用分层填筑的方式。
上述技术方案的适用于水动力滑坡模型试验的人工滑床及制备方法具有如下的技术优点：研究受水动力变化作用的滑坡物理模型试验，模拟入渗水对滑坡体尤其是滑床材料强度的软化作用，是决定模型试验能否正确反映真实现场宏观现象的关键问题之一。常规滑坡物理模型试验采用的原型土或配置模型土，在开展模型试验过程中，短时间内降雨或库水位波动引发的水动力变化，难以引起常规原型土或配置模型土的强度随水流入渗而变化。因此，采用此类土体模拟滑床土或滑带，难以同时反映滑床体的强度特性和水对材料的软化作用。1.本发明将水溶性材料通过3D打印形成突触体，利用彩色标准砂填充突触体间的间隙形成滑床体。该滑床体具备一定的物理力学强度，并且在孔隙水入渗时突触体逐渐水溶引起整体结构强度下降，可反映出滑床体在水作用下产生材料软化的特性。2.此外，由于采用统一规格的水溶性材料，通过3D打印生成突触体并利用标准砂填充，模拟滑床的材料特性稳定可控，可根据不同的试验需求和模型尺度进行标准化加工，可实现以较低成本开展多工况标准化模型试验研究。适用于不同尺寸模型大小及不同滑床参数的人工制备方案，为模拟降雨型及水库型滑坡失稳模型试验奠定基础。
附图说明
图1为本发明中人工滑床土的模型试验示意图；
图2为本发明中异形滑床层示意图。
图中主要元件符号说明如下：
1、试验槽；2、基岩底座；3、滑床体；4、滑坡体；5、异形滑床层；6、彩色标准砂
51、底座；52、突触体；53、突触端头。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。
如图1所示，人工滑床包括有固定在试验槽1底部的基岩底座2，基岩底座2上还设有滑床体3和滑坡体4，所述滑床体3由异形滑床层5和彩色标准砂6组成；滑床体3与滑坡体4的接触层由彩色标准砂6组成，实现与滑坡体4和异形滑床层5的连接，使模型填筑阶段异形滑床层5不受到含水模型土的影响，并在试验过程中则能让入渗孔隙水渗入异形滑床层5。
如图2所示，异形滑床层5包括有底座51和突触体52，底座51的上表面连接有两处突触体52，突触体52垂直于底座51，突触体52的竖直面内的截面呈等腰梯形；突触体52上方均设有突触端头53，突触端头53在竖直面的截面呈圆形；突触体52与突触端头53连接处设有过渡部分，该过渡部分厚度与突触体52连接处的厚度相等；异形滑床层5采用水溶性材料通过3D打印机打印出，该水溶性材料优选为聚乙烯醇基水溶性热塑性材料；在两处突触体52之间填充彩色标准砂6，在试验过程中可结合摄像设备实现对滑床体3运动状态的直接监测。
水动力滑坡模型试验的人工滑床的制备方法，包括以下步骤：
1、首先根据拟开展的物理模型试验相似设计，确定滑床的空间尺寸，包括滑床的长度、宽度、厚度及布设角度。依据模型试验滑床的设计参数，采用3D打印机，将异形滑床层5用聚乙烯醇基水溶性热塑性材料打印成包含底座51、突触体52、突触端头53的异形结构。
2、将制作完成的异形滑床层5布设在基岩底座2上，可根据基岩底座2的倾角差异分段铺设异形滑床层5，铺设完成后在铺设一层彩色标准砂6，并用刮板将彩色标准砂顶部刮平。
3、在布设完成的异形滑床层5顶部继续分层填筑滑坡体4，直至完成整体模型。
模型完成后开展试验加载，随着水体从滑坡体4表面逐步入渗，滑坡体4内孔隙水逐渐增多。当孔隙水逐步渗入异形滑床层5时，由于采用的聚乙烯醇基材料存在水溶性，当孔隙水渗入时，作为类似“锚固”结构的异形滑床层5逐步水溶，表现为整个滑床体强度逐步降低，因而可较好的反映真实滑坡中水对材料的软化作用。随着滑坡模型受外部水动力持续作用（模拟降雨或库水位升降），滑床结构强度逐步下降，直至引发模型整体失稳破坏。由于采用的聚乙烯醇基水溶性热塑性材料具备稳定的化学特性，在初始及水溶状态下均难以与土体产生化学反应，因而在实现强度变化特性模拟的基础上，对模型本身不会产生额外的扰动。
相似设计：本发明中的相似设计表示按等比例缩小。
综上所述，本发明可用于模拟降雨或水位波动作用下滑坡的失稳，可以及时模拟入渗水对滑坡体尤其是滑床材料强度的软化作用；用彩色标准砂填充异型滑床层的间隙形成滑床体，可以更好的结合摄像设备实现对滑床体运动状态的直接监测；用聚乙烯醇基水溶性热塑性材料3D打印出异形滑床层，在孔隙水入渗时突触体逐渐水溶引起整体结构强度下降，能更好的模拟反映出滑床体在水作用下产生材料软化的特性。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明保护的范围之内。
Claims (8)
1.一种适用于水动力滑坡模型试验的人工滑床，安装在试验槽内，其特征在于：包括有固定在试验槽底部的基岩底座，所述基岩底座上还设有滑床体和滑坡体；所述滑床体由异形滑床层和彩色标准砂组成；所述异形滑床层包括有底座和突触体，所述底座的上表面连接有两处突触体，所述突触体上方均设有突触端头；所述彩色标准砂填充在两处突触体之间，彩色标准砂刮平的水平面以两处突触端头的最高点所在平面为基准；所述异形滑床层采用水溶性材料制成。
2.根据权利要求1所述的一种适用于水动力滑坡模型试验的人工滑床，其特征在于：所述底座、突触体、突触端头作为一个整体，采用3D打印一体成型。
3.根据权利要求1所述的一种适用于水动力滑坡模型试验的人工滑床，其特征在于：所述突触体垂直于底座。
4.根据权利要求1所述的一种适用于水动力滑坡模型试验的人工滑床，其特征在于：所述突触端头在竖直面的截面呈圆形，所述突触体的竖直面内的截面呈等腰梯形。
5.一种如权利要求1所述水动力滑坡模型试验的人工滑床的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1，首先根据拟开展的物理模型试验相似设计，确定滑床的空间尺寸，包括滑床的长度、宽度、厚度及布设角度，依据模型试验滑床的设计参数，采用3D打印机打印出异形滑床层；
步骤2，将制作完成的异形滑床层布设在基岩底座上，根据基岩的倾角差异分段铺设异形滑床层，铺设完成后在异形滑床层上铺设一层彩色标准砂；
步骤3，在布设完成的异形滑床层顶部继续填筑滑坡体，直至完成整体模型。
6.根据权利要求5所述的水动力滑坡模型试验的人工滑床的制备方法，其特征在于：步骤1中的异形滑床层以水溶性材料为原料，采用3D打印机打印成单面异形结构。
7.根据权利要求5所述的一种适用于水动力滑坡模型试验的人工滑床及制备方法，其特征在于：步骤2中的彩色标准砂铺设完成后，用刮板将彩色标准砂刮平，彩色标准砂刮平的水平面以两处突触端头的最高点所在平面为基准。
8.根据权利要求5所述的一种适用于水动力滑坡模型试验的人工滑床及制备方法，其特征在于：步骤3中的滑坡体采用分层填筑的方式。
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| Publication number | Publication date |
|---|---|
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