邊坡滑坡教學(xué)演示裝置及試驗(yàn)方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于一種土木(交通)工程教學(xué)領(lǐng)域，具體是一種應(yīng)用于土力學(xué)教學(xué)使用的邊坡滑坡演示裝置及試驗(yàn)方法。
【背景技術(shù)】
[0002]土力學(xué)作為土木、交通、水利等專業(yè)的基礎(chǔ)學(xué)科，在城市化進(jìn)程愈演愈烈的當(dāng)今時(shí)代，扮演者越來越重要的角色。如何能借助更多的工具，更加有效的提高課堂效率、便于講解土力學(xué)課程中的重點(diǎn)難點(diǎn)已經(jīng)成為目前的一個(gè)重要課題。
[0003]邊坡滑坡是常見的地質(zhì)災(zāi)害之一，影響著土木、公路、鐵路等工程的建設(shè)。由于邊坡的傾斜表面，在巖土自重條件或外力作用，整塊巖土體會(huì)有向下滑動(dòng)的趨勢，從而喪失原有的穩(wěn)定性，最終導(dǎo)致滑坡。引起滑坡的根本原因在于土體內(nèi)部某個(gè)面上的剪應(yīng)力達(dá)到了該面的抗剪強(qiáng)度，其起因有二，其一為由于剪應(yīng)力的增加，其二為土體本身抗剪強(qiáng)度的減少。在課堂教學(xué)過程中，邊坡穩(wěn)定作為重要的章節(jié)內(nèi)容，與工程實(shí)際聯(lián)系緊密。但在教學(xué)過程中，由于缺少相關(guān)的演示性的實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ停瑑H憑借抽象的理論講授并不能很好的對(duì)邊坡滑坡做出完整的展示，導(dǎo)致學(xué)生不易掌握相關(guān)知識(shí)內(nèi)容。
[0004]在本發(fā)明之前，中國專利CN 103728435 A公開了一種邊坡模擬試驗(yàn)裝置，用于闡明降雨入滲與地下水變化耦合作用的邊坡模擬試驗(yàn)裝置，但其裝置系統(tǒng)比較巨大，成本高，不便于課堂演示或教學(xué)試驗(yàn)；同時(shí)也缺少坡頂荷載、地震動(dòng)荷載等其它條件對(duì)邊坡滑坡影響的演示，用于教學(xué)課堂演示并不完善。
[0005]因此需要發(fā)明一種形式簡單、方便操作，能夠模擬降雨入滲、邊坡上部加荷、地震動(dòng)、上部水庫蓄水等各種工況條件下的滑坡，用于教學(xué)的一套裝置及試驗(yàn)方法，用于揭示土力學(xué)基本原理、土力學(xué)中的力學(xué)概念、驗(yàn)證邊坡滑坡的各種計(jì)算方法體系。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]為了克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明公開了一種邊坡滑坡教學(xué)演示裝置及試驗(yàn)方法，其可利用現(xiàn)有的技術(shù)，模擬降雨入滲、邊坡上部加荷、地震動(dòng)荷載、上部水庫蓄水等各種工況條件下的滑坡，系統(tǒng)全面演示邊坡滑坡破壞機(jī)制；并對(duì)不同坡度、不同密實(shí)度、不同土質(zhì)的邊坡漸進(jìn)滑移現(xiàn)象進(jìn)行演示；同時(shí)，利用試驗(yàn)槽上觀測區(qū)的網(wǎng)格線，記錄邊坡的滑坡范圍，計(jì)算滑坡體積，并分析觀測結(jié)果與計(jì)算結(jié)果的不同，對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果與理論結(jié)果的差異。本裝置重在演示土力學(xué)基本現(xiàn)象，揭示土力學(xué)中的力學(xué)原理，對(duì)比畢肖普條分法、瑞典條分法等滑坡方法的實(shí)用性，從而幫助教師在完成在課堂上對(duì)學(xué)生的教學(xué)任務(wù)。
[0007]為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案是:
[0008]一種邊坡滑坡教學(xué)演示裝置，包括PVC試驗(yàn)槽，模擬降水的噴淋設(shè)備，模擬坡頂靜載的試驗(yàn)砝碼，模擬地震動(dòng)荷載的偏心軸輪，蓄水水槽，小型振動(dòng)臺(tái)，其特征在于:模擬降水的噴淋設(shè)備安裝在PVC試驗(yàn)槽上方，模擬坡頂靜載的試驗(yàn)砝碼放置于PVC試驗(yàn)槽中邊坡坡頂處，模擬地震動(dòng)荷載的偏心軸輪安裝在PVC試驗(yàn)槽下方，蓄水水槽通過導(dǎo)管與PVC試驗(yàn)槽的坡后擋水板相連；用來模擬邊坡破壞形式的土體由兩種不同顏色土層分層構(gòu)成，放置于PVC試驗(yàn)槽中，在不涉及模擬地震荷載時(shí)，將試驗(yàn)槽放置于底座之上；用網(wǎng)格在PVC試驗(yàn)槽前后立面劃分形成邊坡觀測區(qū)，并在PVC試驗(yàn)槽左右立面安裝坡后擋水板和坡前擋水板；在演示邊坡上部荷載對(duì)邊坡的破壞作用時(shí)，將質(zhì)量不同的試驗(yàn)砝碼放置于邊坡頂部；在演示地震動(dòng)荷載對(duì)邊坡的破壞作用時(shí)，將試驗(yàn)槽放置于小型振動(dòng)臺(tái)上；在演示邊坡上部水庫對(duì)邊坡的破壞作用時(shí)，在邊坡頂面挖設(shè)大小適當(dāng)?shù)乃?，將蓄水水?8通過導(dǎo)管與坡后擋水板連接。
[0009]所述的坡前擋水板和坡后擋水板與PVC試驗(yàn)槽槽體用橡膠連接；坡前擋水板和坡后擋水板與擋水板升降控制器通過齒輪連接；偏心輪軸與PVC試驗(yàn)槽通過齒輪連接。
[0010]所述的可視化試驗(yàn)槽由PVC材料制成，內(nèi)部容積為80 X 30 X 50cm3，前后相對(duì)的兩個(gè)面分布有間距為5cm的網(wǎng)格線，試驗(yàn)槽兩端部有可上下調(diào)節(jié)的擋水板。
[0011]所述的小型振動(dòng)臺(tái)由彈簧支撐和剛性支撐平臺(tái)組成。
[0012]如前所述的一種邊坡滑坡教學(xué)演示裝置的演示方法，其主要步驟如下；
[0013](I)將制備好的、含有一定含水率的重塑土樣，用染料染成兩種顏色，測量并記錄土樣的含水率、重度等基本參數(shù)指標(biāo)；交替分層放置于試驗(yàn)槽中容器之中，并形成一定的坡度；通過試驗(yàn)前土樣基本參數(shù)以及試驗(yàn)槽的刻度確定試驗(yàn)槽內(nèi)土體體積、土壓力等參數(shù)；如果必要，對(duì)重塑土樣進(jìn)行加壓固結(jié)；
[0014](2)將不同顏色的土樣，交替分層放置于試驗(yàn)槽中容器之中，形成一定的坡度，根據(jù)前后觀測區(qū)的網(wǎng)格線與土體的相對(duì)位置，觀察并記錄邊坡原始形態(tài)，標(biāo)記可能存在的重點(diǎn)破壞位置；
[0015](3)在演示降雨入滲對(duì)邊坡的破壞作用時(shí)，將噴淋設(shè)備與試驗(yàn)槽相結(jié)合，在一定范圍內(nèi)向試驗(yàn)槽中噴灑液體用以模擬降水；通過調(diào)節(jié)擋水板的高低，當(dāng)試驗(yàn)槽內(nèi)水面高于坡前擋水板出水口的高度時(shí)，水從中排出，從而控制坡前水面高低；
[0016](4)在演示邊坡上部荷載對(duì)邊坡破壞作用時(shí)，通過加載不同質(zhì)量的試驗(yàn)砝碼模擬邊坡上的荷載狀況；
[0017](5)在演示地震對(duì)邊坡的破壞作用時(shí)，將試驗(yàn)槽放置于小型振動(dòng)臺(tái)上，通過振動(dòng)用以模擬地震發(fā)生時(shí)的震動(dòng)荷載，直至邊坡破壞；
[0018](6)在演示邊坡上部水庫對(duì)邊坡的破壞作用時(shí)，在布置土層時(shí)挖設(shè)大小適當(dāng)?shù)乃?，通過導(dǎo)管把水從蓄水水槽中導(dǎo)如其中，通過兩側(cè)擋水板，當(dāng)兩側(cè)水面高于擋水板出水口的高度時(shí)，水從中排出，從而控制水位不變，直至邊坡破壞；
[0019](7)在演示更為復(fù)雜的工況對(duì)邊坡的破壞作用時(shí)，利用上述設(shè)備進(jìn)行相關(guān)工況的耦合，直至邊坡破壞；
[0020](8)觀察各種工況下、各種土質(zhì)下的邊坡破壞形式，通過觀察土層變化情況，記錄邊坡破壞面、水體滲流路徑等現(xiàn)象；利用試驗(yàn)槽表面的刻度線以及相關(guān)參數(shù)，觀測邊坡破壞情況，找出邊坡滑裂面；根據(jù)之前測量的土樣含水率、重度等基本參數(shù)指標(biāo)，利用畢肖普條分法、瑞典條分法等計(jì)算邊坡理論破壞面，并對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論結(jié)果相比較，討論其中的差升。
[0021]根據(jù)以上技術(shù)方案，本發(fā)明可實(shí)現(xiàn)的有益效果是:
[0022](I)模型簡單實(shí)用，在演示邊坡滑坡時(shí)可以明顯的觀測邊坡破壞面、滲流路徑情況等具體破壞情況，從整體上展示了邊坡破壞過程。
[0023](2)可實(shí)現(xiàn)降水入滲、邊坡上部靜荷載、地震動(dòng)荷載、上部水庫蓄水等各種工況或多種工況耦合狀態(tài)下的滑坡破壞試驗(yàn)演示。
[0024](3)通過觀察和記錄邊坡破壞情況、滑坡體積等，根據(jù)土體本身相關(guān)參數(shù)，對(duì)畢肖普條分法以及瑞典條分法的安全系數(shù)加以驗(yàn)證。
【附圖說明】
[0025]圖1是本發(fā)明邊坡滑坡教學(xué)演示裝置示意圖。
[0026]圖2是本發(fā)明演示邊坡在非地震動(dòng)荷載作用下對(duì)邊坡的破壞作用示意圖。
[0027]圖3是本發(fā)明模擬降水的噴淋設(shè)備示意圖。
[0028]圖4是本發(fā)明試驗(yàn)槽觀測區(qū)以及邊坡前后擋水板示意圖。
[0029]圖中:1、PVC試驗(yàn)槽；2、坡后擋水板；3、坡前擋水板；4、擋水板升降控制器；5、試驗(yàn)裝置底板；6、坡腳水面；7、顏色不一的分層試驗(yàn)邊坡土體(重塑土樣)；8、模擬降水的噴淋設(shè)備；9、施加坡頂靜載的試驗(yàn)砝碼；10、模擬地震動(dòng)荷載的偏心軸輪；11、帶動(dòng)偏心軸輪轉(zhuǎn)動(dòng)的小型電動(dòng)機(jī)；12、邊坡頂部水槽；13、試驗(yàn)槽底座；14、坡前擋水板排水口 ；15、坡后擋水板進(jìn)水口 ； 16、坡后擋水板排水口 ； 17、邊坡觀測區(qū)；18、蓄水水槽。
【具體實(shí)施方式】
[0030]下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步說明。
[0031]如圖1為本發(fā)明所述的邊坡滑坡教學(xué)演示裝置。包括PVC試驗(yàn)槽1，模擬降水的噴淋設(shè)備8，模擬坡頂靜載的試驗(yàn)砝碼9，模擬地震動(dòng)荷載的偏心軸輪10，蓄水水槽18構(gòu)成，其中，模擬降水的噴淋設(shè)備8安裝在PVC試驗(yàn)槽I上方，模擬坡頂靜載的試驗(yàn)砝碼9放置于