一种基于PIV技术的锁固段边坡失稳模型试验装置

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一种基于piv技术的锁固段边坡失稳模型试验装置
技术领域
1.本发明涉及实验装置，特别是一种基于piv技术的锁固段边坡失稳模型试验装置。

背景技术：

2.边坡在开挖、地震、降雨等作用下一旦失稳发生滑坡，常常造成严重的人员伤亡与财产损失，若能掌握斜坡失稳演化的前兆及其规律，就能提前采取相应措施，减少或避免滑坡灾害造成的损失，研究人员研究发现大型斜坡受潜在滑面上的锁固段控制，称该类斜坡为锁固型斜坡，锁固段具有聚能效应，其在未贯通之前会储存大量弹性应变能，并在锁固段突发脆性断裂时转换为坡体动能，导致滑坡高速启动，故锁固型斜坡失稳后往往具有强烈破坏性，锁固段的地质结构及力学性质是三段式岩石滑坡的关键控制因素，为了进一步了解地震作用下三段式岩石滑坡失稳机制，为边坡地震稳定性分析提供科学依据，首先必须对地震作用下边坡的动力特性和动力响应规律进行研究，现有的实验装置针对边坡稳定性的研究方法都还远未达到成熟的程度，许多问题有待解决，由于地震突发性强、破坏性大，现场试验基本不符合实际，因此如何通过试验装置确定锁固段边坡在地震载荷作用下的稳定性，进而对地震引起的锁固段边坡滑坡的失稳机制进行分析与研究是急需解决的问题。

技术实现要素：

3.针对上述情况，为克服现有技术之缺陷，本发明提供了一种基于piv技术的锁固段边坡失稳模型试验装置，通过设置三段式滑坡的边坡模型与地震模拟振动台内的振动模拟装置模拟了在地震载荷作用下锁固段边坡的稳定性，有利于充分研究地震引起的锁固段边坡滑坡的失稳机制，通过利用piv技术可以方便的对边坡模型进行拍照记录，对模型边坡变形破坏进行对比分析，观察边坡模型变形破裂演化过程，并分析变形破裂的细微结构，达到变形破裂过程再现分析的目的。
4.其解决的技术方案是，包括模型箱，其特征在于，所述模型箱左右两侧内壁均固定连接有橡胶薄板，模型箱纵向前后箱壁为钢化玻璃，模型箱内部底板上粘结有一层碎石，模型箱内部铺筑有边坡模型，模型箱正下方设有与模型箱固定连接的地震模拟振动台，地震模拟振动台内部设有振动模拟装置，模型箱右侧设有piv激光发射器，模型箱纵向前方设有ccd高速相机。
5.作为优选，所述边坡模型为三段式滑坡模型，滑面均是由坡顶拉裂面、锁固段剪断面和前缘滑移面三部分组成，坡度大于35
°
，坡体中下部含一定厚度缓倾坡外的软弱夹层，坡顶有平行于坡面的较陡拉裂缝，沿坡体下部的软弱夹层有蠕滑变形。
6.作为优选，所述边坡模型以重晶石粉、铁粉和石英砂为主料，石膏为辅料，松香酒精溶液为黏结材料混合制成的，软弱夹层的材料采用石英砂、黏土和水配置而成，其中它们三者的质量比为20:66:14。
7.作为优选，所述边坡模型采用自下而上逐渐填筑的方式制作，采用分层压实法进行填筑，每层压实厚度为5cm，为确保层与层之间的连续性，压实前对上一次压实面进行刮
毛，从而保证密实度的一致性，软弱夹层的铺筑与边坡模型坡体铺筑方式相同。
8.作为优选，所述边坡模型坡顶的拉裂缝采用2mm光滑薄板斜插入边坡模型坡顶后形成，待边坡模型干燥后再将薄板抽出。
9.作为优选，所述模型箱采用的是刚性模型箱，尺寸长为150cm，宽为90cm，高为150cm。
10.作为优选，所述振动模拟装置包括边坡模型内部中心最下方设有的上端开口的振动箱，振动箱下端面固定连接有位于地震模拟振动台内部的振动电机，振动电机纵向前后端的输出轴均固定连接有偏心块，振动模拟装置还包括横向位移架和定位架，横向位移架内部固定连接有多个与振动电机滑动连接的竖向滑杆，振动电机上下端面均通过弹簧与横向位移架内部连接，横向位移架左右两侧均固定连接有与定位架滑动连接的横向滑杆，横向位移架左右两端面均通过弹簧与定位架连接，定位架固定连接在地震模拟振动台内部底端。
11.本发明有益效果是：1.通过设置三段式滑坡的边坡模型与地震模拟振动台内的振动模拟装置模拟了在地震载荷作用下锁固段边坡的稳定性，有利于充分研究地震引起的锁固段边坡滑坡的失稳机制；2.通过利用piv技术可以方便的对边坡模型进行拍照记录，对模型边坡变形破坏进行对比分析，观察边坡模型变形破裂演化过程，并分析变形破裂的细微结构，达到变形破裂过程再现分析的目的。
附图说明
12.图1为本发明整体示意图第一视角。
13.图2为本发明模型箱和地震模拟振动台装置内部结构局部剖视图。
14.图3为本发明图2中a部位的局部放大图。
15.图4为锁固段边坡示意图。
16.附图标记1.模型箱，2.橡胶薄板，3.钢化玻璃，4.碎石，5.边坡模型，6.地震模拟振动台，7.piv激光发射器，8.ccd高速相机，9.软弱夹层，10.拉裂缝，11.振动箱，12.振动电机，13.偏心块，14.横向位移架，15.定位架。
具体实施方式
17.以下结合附图1-4对本发明的具体实施方式做出进一步详细说明。
18.本发明在使用时，首先本试验采用的模型箱1是刚性模型箱，尺寸长为150cm，宽为90cm，高为150cm，为了消除模型箱1各个边界对试验结果的影响，在模型箱1两侧沿振动方向两端的箱壁上粘贴厚度为6cm的橡胶薄板2，从而减小地震波在模型箱1侧壁出现的刚性反射，与此同时，模型箱1纵向前后箱壁采用光滑的钢化玻璃3，从而降低箱壁和边坡模型5材料之间的摩擦阻力，在模型箱1底部的底板上粘结一层碎石4，用以增大模型箱1底部接触面上的摩擦阻力，以免激振时边坡模型5与模型箱1底板间发生相对位移，模型箱1两侧采用光滑且透明的钢化玻璃3，一方面能够减小模型箱1侧壁与边坡模型5材料之间的摩擦阻力，
另一方面，试验过程中能够清楚和直观地观察到边坡模型5两侧面的变形破裂情况，利于piv设备的拍照记录，以便于做好进一步数字图像处理分析。
19.然后要制备边坡模型5，边坡模型5为三段式滑坡模型，滑面均是由坡顶拉裂面、锁固段剪断面和前缘滑移面三部分组成，坡度大于35
°
利于拉裂，坡体中下部含一定厚度缓倾坡外的软弱夹层9，坡顶有平行于坡面的较陡拉裂缝10，沿坡体下部的软弱夹层9有蠕滑变形，本试验中边坡模型5的几何尺寸长为140cm，宽为83cm，高为140cm，边坡坡角为60
°
，其上部预制拉裂缝10长35cm，宽2mm，坡体中软弱夹层9厚度为3cm，与水平方向呈20
°
夹角，材料方面边坡模型5以重晶石粉300~400目、铁粉和石英砂40~70目为主料，石膏为辅料，松香酒精溶液为黏结材料混合制成的，而铁粉、重晶石粉、石英砂、石膏、松香以及酒精的质量比为7.4:66.3:31.6:7.1:1:5.7，软弱夹层9的材料采用采用石英砂《1mm、黏土《1mm和水配置而成，其中它们三者的质量比为20:66:14，然后对边坡模型5的材料进行配比备用，为了使配料混合均匀，首先把铁粉、重晶石粉、石英砂和石膏干燥混合均匀，其次再倒入粘结剂酒精松香溶液进行拌料，边坡模型5中软弱夹层9材料的混合，先把黏土和石英砂混合均匀，然后倒入水进行人工拌料，将拌合好的材料迅速倒入模型箱1内，边坡模型5采用自下而上逐渐填筑的方式制作，采用分层压实法进行填筑，用自制击实锤夯实至设计密实度，每层压实厚度为5cm，为确保层与层之间的连续性，压实前对上一次压实面进行刮毛，从而保证密实度的一致性，软弱夹层9的铺筑与边坡模型5铺筑方式相同，边坡模型5坡顶的拉裂缝10的形成采用2mm光滑薄板插入边坡模型5坡顶中，待边坡模型5干燥后再将薄板抽出，随着边坡模型5建筑高度增加，在坡面上进行支模，以达到所要求的坡角，重述上述步骤，直至边坡模型5达到设计的总高度，模型箱1正下方设有与模型箱1固定连接的地震模拟振动台6，地震模拟振动台6内部设有振动模拟装置，振动模拟装置包括边坡模型5内部中心最下方设有的上端开口的振动箱11，振动箱11下端面固定连接有位于地震模拟振动台6内部的振动电机12，振动电机12纵向前后端的输出轴均固定连接有偏心块13，振动模拟装置还包括横向位移架14和定位架15，横向位移架14内部固定连接有多个与振动电机12滑动连接的竖向滑杆，振动电机12上下端面均通过弹簧与横向位移架14内部连接，横向位移架14左右两侧均固定连接有与定位架15滑动连接的横向滑杆，横向位移架14左右两端面均通过弹簧与定位架15连接，定位架15固定连接在地震模拟振动台6内部底端，当地震模拟振动台6开始工作模拟地震波时，振动电机12开始工作带动振动电机12纵向前后端的偏心块13同步开始转动，在两个偏心块13转动产生的离心力的作用下振动电机12做竖向和横向的往复运动，振动电机12做竖向滑动时在横向位移架14内部的竖向滑杆上滑动，振动电机12在其上下端面与横向位移架14内部连接的多个弹簧作用下做竖向往复运动，振动电机12做竖向往复运动带动振动电机12上的振动箱11做同步竖向往复运动，边坡模型5内部的边坡模型材料落入振动箱11内部并随振动箱11做同步竖向往复运动，实现了在边坡模型5内部模拟竖向的地震波作用的效果，振动电机12做横向滑动时带动横向位移架14同步做横向运动，横向位移架14通过横向位移架14左右两侧与定位架15滑动连接的横向滑杆在定位架15内部横向滑动，横向位移架14在其左右两端面与定位架15连接的多个弹簧作用下做横向往复运动，横向位移架14做横向往复运动带动其内部的振动电机12以及振动电机12上的振动箱11做同步横向往复运动，边坡模型5内部的边坡模型材料随振动箱11做同步横向往复运动，实现了在边坡模型5内部模拟横向的地震波作用的效果，在需要改变模拟的地震波强度时，可以通过调整振动
电机12纵向前后端的两个偏心块13之间的相对位置来调整振动电机12的振幅，也可以改变振动电机12的转速调整振动电机12的振幅，从而实现调整振动电机12振幅以模拟不同强度的地震波作用。
20.模型箱1右侧设有piv激光发射器7，模型箱1纵向前方设有ccd高速相机8，对piv激光发射器7和ccd高速相机8进行位置标定后首先通过控制器控制ccd高速相机8对试验前的边坡模型5进行拍照记录，然后再通过控制器打开地震模拟振动台6的开关通过振动模拟装置开始施加模拟地震波进行振动台边坡模型试验，振动模拟装置带动边坡模型5内部的边坡模型材料随振动箱11做横向和竖向的振动模拟地震波对边坡模型5的作用，在试验过程中通过控制器控制振动模拟装置模拟加载不同振幅的地震波，同时ccd高速相机8对试验过程中的边坡模型5不断进行拍照记录，在试验结束后，ccd高速相机8将拍摄的图像信息上传至电脑，通过对边坡模型5施加地震波前后的图像信息进行对比分析展现并观察边坡模型5变形破裂演化过程，并分析变形破裂的细微结构，从而达到变形破裂过程再现分析的目的，有利于进一步了解地震作用下锁固段边坡的失稳机制，为边坡地震稳定性分析提供科学依据。

技术特征：

1.一种基于piv技术的锁固段边坡失稳模型试验装置，包括模型箱（1），其特征在于，所述模型箱（1）左右两侧内壁均固定连接有橡胶薄板（2），模型箱（1）纵向前后箱壁为钢化玻璃（3），模型箱（1）内部底板上粘结有一层碎石（4），模型箱（1）内部铺筑有边坡模型（5），模型箱（1）正下方设有与模型箱（1）固定连接的地震模拟振动台（6），地震模拟振动台（6）内部设有振动模拟装置，模型箱（1）右侧设有piv激光发射器（7），模型箱（1）纵向前方设有ccd高速相机（8）。2.根据权利要求1所述的一种基于piv技术的锁固段边坡失稳模型试验装置，其特征在于，所述边坡模型（5）为三段式滑坡模型，滑面是由坡顶拉裂面、锁固段剪断面和前缘滑移面三部分组成，坡度大于35
°
，坡体中下部含一定厚度缓倾坡外的软弱夹层（9），坡顶有平行于坡面的较陡拉裂缝（10），沿坡体下部的软弱夹层（9）有蠕滑变形。3.根据权利要求2所述的一种基于piv技术的锁固段边坡失稳模型试验装置，其特征在于，所述边坡模型（5）以重晶石粉、铁粉和石英砂为主料，石膏为辅料，松香酒精溶液为黏结材料混合制成的，软弱夹层（9）的材料采用石英砂、黏土和水配置而成，其中它们三者的质量比为20:66:14。4.根据权利要求2所述的一种基于piv技术的锁固段边坡失稳模型试验装置，其特征在于，所述边坡模型（5）采用自下而上逐渐填筑的方式制作，采用分层压实法进行填筑，每层压实厚度为5cm，为确保层与层之间的连续性，压实前对上一次压实面进行刮毛，从而保证密实度的一致性，软弱夹层（9）的铺筑与边坡模型（5）坡体铺筑方式相同。5.根据权利要求2所述的一种基于piv技术的锁固段边坡失稳模型试验装置，其特征在于，所述边坡模型（5）坡顶的拉裂缝（10）采用2mm光滑薄板斜插入边坡模型（5）坡顶后形成，待边坡模型（5）干燥后再将薄板抽出。6.根据权利要求1所述的一种基于piv技术的锁固段边坡失稳模型试验装置，其特征在于，所述模型箱（1）采用的是刚性模型箱，尺寸长为150cm，宽为90cm，高为150cm。7.根据权利要求1所述的一种基于piv技术的锁固段边坡失稳模型试验装置，其特征在于，所述振动模拟装置包括边坡模型（5）内部中心最下方设有的上端开口的振动箱（11），振动箱（11）下端面固定连接有位于地震模拟振动台（6）内部的振动电机（12），振动电机（12）纵向前后端的输出轴均固定连接有偏心块（13），振动模拟装置还包括横向位移架（14）和定位架（15），横向位移架（14）内部固定连接有多个与振动电机（12）滑动连接的竖向滑杆，振动电机（12）上下端面均通过弹簧与横向位移架（14）内部连接，横向位移架（14）左右两侧均固定连接有与定位架（15）滑动连接的横向滑杆，横向位移架（14）左右两端面均通过弹簧与定位架（15）连接，定位架（15）固定连接在地震模拟振动台（6）内部底端。

技术总结

本发明提供的一种基于PIV技术的锁固段边坡失稳模型试验装置，有利于充分研究地震引起的锁固段边坡滑坡的失稳机制，其解决的技术方案是，包括模型箱，模型箱左右两侧内壁均固定连接有橡胶薄板，模型箱纵向前后箱壁为钢化玻璃，模型箱内部底板上粘结有一层碎石，模型箱内部铺筑有边坡模型，模型箱正下方设有与模型箱固定连接的地震模拟振动台，地震模拟振动台内部设有振动模拟装置，模型箱右侧设有PIV激光发射器，模型箱纵向前方设有CCD高速相机，本发明模拟了在地震载荷作用下锁固段边坡的稳定性，有利于充分研究地震引起的锁固段边坡滑坡的失稳机制，并且通过利用PIV技术可以方便的对边坡模型进行拍照记录，对模型边坡变形破坏进行对比分析。坏进行对比分析。坏进行对比分析。