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CN105842418B - 实时量测开挖放坡滑坡坡体位移应力的模型试验装置 - Google Patents

实时量测开挖放坡滑坡坡体位移应力的模型试验装置 Download PDF

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CN105842418B
CN105842418B CN201610176009.7A CN201610176009A CN105842418B CN 105842418 B CN105842418 B CN 105842418B CN 201610176009 A CN201610176009 A CN 201610176009A CN 105842418 B CN105842418 B CN 105842418B
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distance
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Abstract

本发明公开了一种实时量测开挖放坡滑坡坡体位移应力的模型试验装置，包括滑坡模型系统、应力应变测试系统和PIV测试系统，与现有技术相比较，本发明试验装置可以很好地模拟导致滑坡滑动的放坡开挖过程，并且能很好地模拟在不同滑面形态下滑坡的受力以及位移状态；本发明试验装置在滑面上布置有高精度位移、压力以及剪切应力传感器，能实时精确地量测土体的压力、剪切应力以及位移变化情况；在模型上方设置高精度的摄像机，同时用PIV技术可以实时量测滑坡表面全过程坡体位移图像；本发明模型试验装置操作方便，涉及的仪器构造简单，可调性强，易于掌握。

Description

实时量测开挖放坡滑坡坡体位移应力的模型试验装置
技术领域
本发明涉及到一种应用于岩土工程的滑坡模型试验装置，尤其是一种可模拟放坡开挖滑坡过程且对不同滑面形态下滑体位移、应力应变变化规律进行实时量测的模型试验装置。
背景技术
对不同诱因下滑坡滑动时滑体的受力情况以及位移应力变化规律的研究和探索一直是岩土工程中的关键问题。国内外学者在对这一问题进行研究时，一般是采用建立适当的滑坡模型进行模型试验，在对滑坡的诱因进行研究时，一般对推移式滑坡研究的比较深入，对牵引式滑坡的研究较少。在实际中，牵引式滑坡的受力情况以及应力应变变化规律与推移式滑坡不尽相同，因此对牵引式滑坡的受力情况以及坡体应力应变规律的探索对岩土工程具有重要意义，放坡开挖导致的滑坡滑动是一种典型的牵引式滑坡滑动情况。
对滑坡沿一定滑面滑动时滑体受力情况以及位移变化规律进行研究时，采用滑坡模型进行模型试验，试验中对滑坡滑面形态的选定主要集中于采用假定的或相似于实际滑坡的固定滑面。在实际中，滑坡滑面形态存在多样性，不仅存在一般意义上研究的凹形滑面，还有直线形，阶梯形，甚至凸形滑面。具有不同的滑面形态的滑坡，在滑坡发生滑动时，滑体各区域应力应变变化规律以及坡体表面形态的变化形式不尽相同。因此，进行不同滑面形态下滑体位移以及应力应变变化规律的研究对岩土工程具有重要意义。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术存在的不足，提供一种可模拟放坡开挖滑坡过程且对不同滑面形态下滑体位移、应力应变变化规律进行实时量测的模型试验装置，本发明装置仪器构造简单，可调性强，操作方便，易于掌握。
为达到上述目的，本发明采用下述技术方案：
实时量测开挖放坡滑坡坡体位移应力的模型试验装置，包括滑坡模型系统、位移应力测试系统和PIV测试系统；滑坡模型系统包括滑坡滑面和滑坡滑面角度调节装置，滑坡滑面包括斜滑面和水平滑面，滑坡滑面角度调节装置位于斜滑面下方；位移应力测试系统包括位移传感器，压力传感器和剪切应力传感器，位移传感器设置在斜滑面上边缘，压力传感器、剪切应力传感器设置在斜滑面上，位移传感器，压力传感器和剪切应力传感器均与处理器连接；PIV测量系统包括泛光灯光源、CCD高速相机，CCD高速相机设置在模型试验装置前面，泛光灯光源设置在模型试验装置前面的上方，CCD高速相机与处理器连接。
滑坡滑面由第一、二、三、四滑面板铰接连接，第一、二、三、四滑面板分别由两块相同尺寸的滑面板铰接而成。
所述滑坡滑面角度调节装置有三组，第一组位于第一滑面板长度的1/3～2/3的水平中心处，第二组位于第二滑面板长度的1/3～2/3的水平中心处，第三组位于第三滑面板长度的1/3～2/3的水平中心处，三组滑坡滑面角度调节装置均是底端固定，顶端通过万向接头与滑面板相连。
所述滑坡滑面角度调节装置为千斤顶或液压缸或气压缸。
位移传感器至少有四个，水平对称的设置在斜滑面上，位移传感器与滑坡滑面顶端的距离为斜滑面长度的1/12～1/6，最外侧位移传感器与滑坡滑面侧边的距离为滑面宽度的/12～1/8。
位移传感器有五个，水平对称设置在斜滑面上，第一与第五、第二与第四位移传感器关于第三位移传感器对称，五个位移传感器与滑坡滑面顶端的距离均为斜滑面长度的1/12～1/6，第一、第五位移传感器与滑坡滑面侧边的距离为滑面宽度的1/12～1/8；第二、第四位移传感器与滑坡滑面侧边的距离为滑面宽度的1/5～1/3。
五个位移传感器与滑坡滑面顶端的距离均为斜滑面长度的1/10，第一、第五位移传感器与滑坡滑面侧边的距离为滑面宽度的1/9；第二、第四位移传感器与滑坡滑面侧边的距离为滑面宽度的1/4。
压力传感器至少有六个，水平对称的均匀分布在斜滑面上，最外侧压力传感器与滑坡滑面侧边的距离为滑面宽度的1/7～1/6，压力传感器与滑坡滑面顶端的距离分别为斜滑面长度的1/6～1/4，1/3～2/3，3/4～5/6。
压力传感器有九个，水平对称的均匀分布在斜滑面上，第一、二、三压力传感器水平对称的分布在第一滑面板上，第四、五、六压力传感器水平对称的分布在第二滑面板上，第七、八、九压力传感器水平对称的分布在第三滑面板上，第一、四、七和第三、六、九压力传感器分别关于第二、五、八压力传感器对称，第一、四、七和第三、六、九压力传感器与滑坡滑面侧边的距离均为滑面宽度的1/7～1/6，第一、二、三压力传感器与滑坡滑面顶端的距离均为斜滑面长度的1/6～1/4，第四、五、六压力传感器与滑坡滑面顶端的距离均为斜滑面长度的1/3～2/3，第七、八、九压力传感器与滑坡滑面顶端的距离均为斜滑面长度的3/4～5/6。
第一、四、七和第三、六、九压力传感器与滑坡滑面侧边的距离均为滑面宽度的2/13，第一、二、三压力传感器与滑坡滑面顶端的距离均为斜滑面长度的1/5，第四、五、六压力传感器与滑坡滑面顶端的距离均为斜滑面长度的1/2，第七、八、九压力传感器与滑坡滑面顶端的距离均为斜滑面长度的4/5。
剪切应力传感器至少有四个，均匀对称的分布在斜滑面上，剪切应力传感器与滑坡滑面顶端的距离分别为斜滑面长度的1/6～1/4、5/6～3/4。
四个剪切应力传感器与滑坡滑面顶端的距离分别为斜滑面长度的1/5、4/5。
水平方向的上支护挡板距离滑坡滑面顶端的距离为斜滑面长度的1/10-2/5，下支护挡板距离滑坡滑面底端的距离为水平滑面长度的1/3。
采用模型试验装置实时量测开挖放坡滑坡坡体位移应力的试验方法，具体步骤为：
a.安装好模型试验装置，垂直安装支护挡板，调节千斤顶高度，调节斜滑面倾斜角度；
b.将标定好的位移传感器、压力传感器和剪切应力传感器布置在滑坡滑面相应位置；
c.将预先制作好的土样置于滑坡滑面上的支护挡板内，从滑面底端开始分层夯实；
d.在模型试验装置前面对称设置交直流LED泛光灯，打开PIV测试系统，包括硬件部分和软件部分，对PIV测试系统进行标定；
e.放坡开挖土体，只开挖模型试验装置底端水平滑面上的土体，开挖方式为分步开挖，从土体中间开挖，开挖后静止一段时间，然后从土体中间同步向两边开挖，开挖后静止一段时间，直至滑坡发生明显滑动破坏；
f.滑面底部土体放坡开挖的同时，位移应力测试系统和PIV测试系统工作，实时量测滑坡土体位移、压力、剪切应力以及表面形态的变化，滑坡发生明显滑动破坏时结束试验，得出滑坡发生明显滑动破坏过程中的土体位移、压力、剪切应力以及表面形态的变化规律。
步骤e中先拆除支护挡板，然后开始放坡开挖土体。
与现有技术相比较，本发明具有如下优点：
1.本发明试验装置可以很好地模拟导致滑坡滑动的放坡开挖过程，并且能很好地模拟在不同滑面形态下滑坡的受力以及位移状态。
2.本发明试验装置在滑面上布置有高精度压力、位移以及剪切应力传感器，能实时精确地量测土体的压力、剪切应力以及位移变化情况。
3.本发明试验装置在模型上方设置高精度的摄像机，同时用PIV技术可以实时量测滑坡表面全过程坡体位移图像。
4.本发明模型试验装置操作方便，涉及的仪器构造简单，可调性强，易于掌握。
附图说明
图1是本发明模型试验装置结构示意图；
图2是图1的侧视图；
图3是本发明滑坡滑面的结构示意图；
图4是本发明位移应力测试系统的结构示意图；
图5是本发明PIV测试系统的结构示意图；
图6是本发明模型试验装置放坡开挖流程图；
图7是本发明实施例3的结构示意图；
图8是本发明实施例7的结构示意图；
图9是本发明实施例8的结构示意图；
图10是本发明实施例9的结构示意图；
图11是实施例1中土体位移随开挖宽度的变化曲线图；
图12是实施例1中土体压力随开挖宽度的变化曲线图；
图13是实施例1中土体剪应力随开挖宽度的变化曲线图；
图14是实施例2中土体位移随开挖宽度的变化曲线图；
图15是实施例2中土体压力随开挖宽度的变化曲线图；
图16是实施例3中土体位移随开挖宽度的变化曲线图；
图17是实施例3中土体压力随开挖宽度的变化曲线图；
图18是实施例3中土体剪应力随开挖宽度的变化曲线图；
图19是实施例4中土体位移随开挖宽度的变化曲线图；
图20是实施例4中土体压力随开挖宽度的变化曲线图；
图21是实施例4中土体剪应力随开挖宽度的变化曲线图；
图22是实施例5中土体位移随开挖宽度的变化曲线图；
图23是实施例5中土体压力随开挖宽度的变化曲线图；
图24是实施例5中土体剪应力随开挖宽度的变化曲线图；
图25是实施例6中土体位移随开挖宽度的变化曲线图；
图26是实施例6中土体压力随开挖宽度的变化曲线图；
图27是实施例6中土体剪应力随开挖宽度的变化曲线图。
具体实施方式
如图1-2所示，实时量测开挖放坡滑坡坡体位移应力的模型试验装置，包括滑坡模型系统、位移应力测试系统和PIV测试系统；滑坡模型系统包括滑坡滑面1和滑坡滑面角度调节装置4，滑坡滑面包括斜滑面2和水平滑面3，滑坡滑面1由第一、二、三、四滑面板铰接连接，第一、二、三、四滑面板分别由两块相同尺寸的滑面板5铰接而成，见图3，滑坡滑面角度调节装置4位于斜滑面2下方；如图4所示，位移应力测试系统包括位移传感器7，压力传感器8和剪切应力传感器9，位移传感器7设置在斜滑面2上边缘，压力传感器8、剪切应力传感器9设置在斜滑面2上，所属传感器均设在滑面上，铺设土体后与土体相接触，位移传感器7，压力传感器8和剪切应力传感器9均与处理器(图中未显示)连接；如图5所示，PIV测量系统包括泛光灯光源11、CCD高速相机12，CCD高速相机12设置在模型试验装置前面，泛光灯光源11设置在模型试验装置前面的上方，CCD高速相机12与处理器连接；处理器包括数据处理器和图像采集处理器13，位移传感器，压力传感器和剪切应力传感器均与处理器中的数据处理器连接，CCD高速相机与处理器中的图像采集处理器连接。
所述滑坡滑面角度调节装置有三组，为千斤顶或液压缸或气压缸，三组滑坡滑面角度调节装置均是底端固定在地面上或工作台面上，顶端通过万向接头与滑面板5相连第一组位于第一滑面板长度的1/3～2/3的水平中心处，第二组位于第二滑面板长度的1/3～2/3的水平中心处，第三组位于第三滑面板长度的1/3～2/3的水平中心处。
位移传感器至少有四个，水平对称的设置在斜滑面上，位移传感器与滑坡滑面顶端的距离为斜滑面长度的1/12～1/6，最外侧位移传感器与滑坡滑面侧边的距离为滑面宽度的/12～1/8。
位移传感器有五个，水平对称设置在斜滑面上，第一与第五、第二与第四位移传感器关于第三位移传感器对称，五个位移传感器与滑坡滑面顶端的距离均为斜滑面长度的1/12～1/6，最佳距离为斜滑面长度的1/10；第一、第五位移传感器与滑坡滑面侧边的距离为滑面宽度的1/12～1/8，最佳距离为滑面宽度的1/9；第二、第四位移传感器与滑坡滑面侧边的距离为滑面宽度的1/5～1/3，最佳距离为滑面宽度的1/4。
压力传感器至少有六个，水平对称的均匀分布在斜滑面上，最外侧压力传感器与滑坡滑面侧边的距离为滑面宽度的1/7～1/6，压力传感器与滑坡滑面顶端的距离分别为斜滑面长度的1/6～1/4，1/3～2/3，3/4～5/6。
压力传感器有九个，水平对称的均匀分布在斜滑面上，第一、二、三压力传感器水平对称的分布在第一滑面板上，第四、五、六压力传感器水平对称的分布在第二滑面板上，第七、八、九压力传感器水平对称的分布在第三滑面板上，第一、四、七和第三、六、九压力传感器分别关于第二、五、八压力传感器对称，第一、四、七和第三、六、九压力传感器与滑坡滑面侧边的距离均为滑面宽度的1/7～1/6，最佳距离为滑面宽度的2/13，第一、二、三压力传感器与滑坡滑面顶端的距离均为斜滑面长度的1/6～1/4，最佳距离为斜滑面长度的1/5，第四、五、六压力传感器与滑坡滑面顶端的距离均为斜滑面长度的1/3～2/3，最佳距离为斜滑面长度的1/2，第七、八、九压力传感器与滑坡滑面顶端的距离均为斜滑面长度的3/4～5/6，最佳距离为斜滑面长度的4/5。
剪切应力传感器至少有四个，均匀对称的分布在斜滑面上，剪切应力传感器与滑坡滑面顶端的距离分别为斜滑面长度的1/6～1/4、5/6～3/4，最佳距离分别为斜滑面长度的1/5、4/5。
滑坡滑面边缘设有垂直于滑坡滑面的支护挡板6，水平方向的上支护挡板距离滑坡滑面顶端的距离为斜滑面长度的1/10-2/5，下支护挡板距离滑坡滑面底端的距离为水平滑面长度的1/3。
如图6所示，采用模型试验装置实时量测开挖放坡滑坡坡体位移应力的试验方法，具体步骤为：
a.安装好模型试验装置，垂直安装支护挡板，调节千斤顶高度，调节斜滑面倾斜角度；
b.将标定好的位移传感器、压力传感器和剪切应力传感器布置在滑坡滑面相应位置；
c.将预先制作好的土样置于滑坡滑面上的支护挡板内，从滑面底端开始分层夯实；
d.在模型试验装置前面对称设置交直流LED泛光灯，打开PIV测试系统，包括硬件部分和软件部分，对PIV测试系统进行标定；
e.放坡开挖土体，或拆除支护挡板厚，开始放坡开挖土体10，只开挖模型试验装置底端水平滑面上的土体10，开挖方式为分步开挖，从土体中间开挖，开挖后静止一段时间，待各传感器稳定，然后从土体中间同步向两边开挖，开挖后静止一段时间，直至滑坡发生明显滑动破坏，开挖后静止一段时间可以为10-30min，较佳值为10min、15min、20min、25min、30min；
f.滑面底部土体放坡开挖的同时，位移应力测试系统和PIV测试系统工作，实时量测滑坡土体位移、压力、剪切应力以及表面形态的变化，滑坡发生明显滑动破坏时结束试验，得出滑坡发生明显滑动破坏过程中的土体位移、压力、剪切应力以及表面形态的变化规律。
实施例1
实时量测开挖放坡滑坡坡体位移应力的模型试验装置，包括滑坡模型系统、位移应力测试系统和PIV测试系统；滑坡模型系统包括滑坡滑面和三组千斤顶，滑坡滑面包括斜滑面和水平滑面，斜滑面是由由宽度为1300mm，厚度20mm，长度分别是400mm、300mm、300mm的第一、二、三滑面板铰接连接，水平滑面由相同宽度厚度，长度为600mm的第一四滑面板组成，与斜滑面的第三滑面板铰接，且第一、二、三、四滑面板又分别由两块相同尺寸的小滑面板铰接而成，滑面板可以是有机玻璃或玻璃钢板等有一定强度的光滑平板；千斤顶位于斜滑面下方，底端固定在地面上或工作台面上，顶端通过万向接头与滑面板相连，千斤顶顶端能做竖直方向和水平方向的运动，第一组千斤顶在距离滑面顶端200mm，距离滑面两侧边650mm处，调节高度为400mm，第二组千斤顶在距离滑面顶端550mm处，调节高度为225mm，第三组千斤顶在距离滑面顶端800mm处，调节高度为100mm，第二组、第三组千斤顶与第一组千斤顶在同一中心线上。上述千斤顶还可以替换为液压缸或气压缸。
在距滑面顶端200mm和滑面底端200mm处设有垂直于滑面的水平支护挡板，沿滑面两侧边缘设有垂直于滑面的竖直支护挡板，挡板宽度为10mm，高度为60mm，两侧边的挡板长度分别为300mm、300mm、300mm、400mm，横向支护挡板长度为1280mm，支护挡板可以是有机玻璃或玻璃钢板等有一定强度的光滑平板，支护挡板可拆卸。
位移应力测试系统包括位移传感器，压力传感器和剪切应力传感器，压力传感器和剪切应力传感器均与数据处理器连接；位移传感器水平对称的设置在斜滑面的上边缘，第一位移传感器(h1)与第五位移传感器(h5)对称布置，与滑面顶端距离100mm，与滑面两侧边距离均为150mm，第二位移传感器(h2)与第四位移传感器(h4)对称布置，与滑面顶端距离100mm，与滑面两侧边距离均为400mm，第三位移传感器(h3)位于第二与第四位移传感器(h2、h4)的中心点上；
压力传感器水平对称的均匀设置在斜滑面上，第一、二、三压力传感器(P1、P2、P3)水平对称的分布在第一滑面板上，第四、五、六压力传感器(P4、P5、P6)水平对称的分布在第二滑面板上，第七、八、九压力传感器(P7、P8、P9)水平对称的分布在第三滑面板上，第一、四、七(P1、P4、P7)和第三、六、九压力传感器(P3、P6、P9)分别关于第二、五、八压力传感器(P2、P5、P8)对称，第一、四、七(P1、P4、P7)和第三、六、九(P3、P6、P9)压力传感器与滑坡滑面两侧边的距离均为200mm，与滑面顶端的距离分别为200mm、500mm、800mm；
剪切应力传感器均匀对称的设置在斜滑面上，且位于支护挡板内侧，第一和第二剪切应力传感器(S1、S2)水平对称，与滑坡滑面顶端的距离为200mm，第三和第四剪切应力传感器(S3、S4)水平对称，与滑坡滑面顶端的距离为800mm；
位移传感器采用型号MLT-38000201，量程26mm的传感器；压力传感器采用型号P306S-01，直径6mm，高度2.5mm，量程精度为0.1kg/cm2；剪切应力传感器采用型号S10-005，尺寸10mm*10mm，厚度10mm，量程精度为0.05kg/cm2。
PIV测量系统包括泛光灯光源、CCD高速相机，CCD高速相机设置在模型试验装置前面，泛光灯光源设置在模型试验装置前面的上方，CCD高速相机与处理器的图像处理器连接。
泛光灯光源为额定功率30W的交直流LED泛光灯；CCD高速相机为德国LaVision开发，它采用SONY科研级芯片，分辨率为1626pixel×1236pixel，像素尺寸为4.4μm×4.4μm，曝光时间为100μs×80ms，采集速率可达200fps，同时提供了Camlink专用接口；软件系统采用德国LaVision公司DaVis 8.0系列软件及PIVview2C软件完成滑坡滑动全过程土体位移图像的采集分析与展示工作。
采用模型试验装置实时量测开挖放坡滑坡坡体位移应力的试验方法，具体步骤为
a.安装好模型试验装置，调节千斤顶高度使滑面整体呈30°角，滑面为直线型滑面，在滑坡滑面边缘垂直安装支护挡板；
b.将标定好的位移传感器、压力传感器和剪切应力传感器布置在滑坡滑面相应位置；
c.将预先制作好的土样置于滑坡滑面上的支护挡板内，从滑面底端开始分层夯实，夯实后的土层高度为60mm，斜滑面上的土体覆盖范围是900mm；
本试验采用粉粘土，在滑坡滑面上的土体采用木锤分层夯实的方法，每层夯实厚度为2cm，共分3层。土体上表面放置木板，木锤均匀敲击木板，木锤起始高度以及夯击次数严格控制，不同的夯击次数对土体密度的影响如下表1，本实施例中采用土层夯击次数为20次，土体密度为1.74g/cm3的土体；
表1
d.在模型试验装置前面上方对称设置交直流LED泛光灯，打开PIV测试系统，包括硬件部分和软件部分，对PIV测试系统进行标定；
e.放坡开挖土体，只开挖模型试验装置底端水平滑面上的土体，将长度为1300mm，宽度为400mm的土体等分为26条为50*400mm的条状土体，从左到右依次标号为1-26，第一步开挖土体13、14，开挖后静止10-30min，第二步开挖土体12、15，静止10-30min，…，第n步开挖土体(14-n)、(13+n)，其中n为正整数，且n≤13，静止10-30min，直至滑坡发生明显滑动破坏；
f.滑面底部土体放坡开挖的同时，位移应力测试系统和PIV测试系统工作，实时量测滑坡土体位移、压力、剪切应力以及表面形态的变化，滑坡发生明显滑动破坏时结束试验，得出滑坡发生明显滑动破坏过程中的土体位移、压力、剪切应力以及表面形态的变化规律，见表2-4及图11-13。
表2 土体位移随开挖宽度的变化
位移传感器编号 h1 h2 h3 h4 h5
位移传感器数值(mm)
开挖宽度(m)
0 0 0 0.02 0 0
0.1 0 0.01 0.04 0.01 0.01
0.2 0.01 0.03 0.07 0.03 0.01
0.3 0.02 0.05 0.13 0.04 0.01
0.4 0.02 0.08 0.17 0.07 0.01
0.5 0.04 0.11 0.25 0.13 0.02
0.6 0.05 0.14 0.32 0.16 0.03
0.7 0.07 0.18 0.37 0.18 0.04
0.8 0.09 0.23 0.45 0.22 0.06
表3 土体压力随开挖宽度的变化
压力传感器编号 P1 P2 P3 P4 P5 P6 P7 P8 P9
压力传感器数值(N)
开挖宽度(m)
0 336 411 356 756 754 776 1096 986 1111
0.1 345 408 368 768 752 784 1088 982 1169
0.2 341 399 365 771 748 781 1121 973 1204
0.3 359 393 373 776 701 778 1045 881 1304
0.4 353 384 381 781 646 800 1201 783 1198
0.5 368 378 391 769 583 801 1036 650 1265
0.6 369 375 402 776 501 799 1128 569 1241
0.7 371 389 388 789 429 786 1096 444 1209
0.8 377 383 397 795 343 812 1137 384 1249
表4 土体剪应力随开挖宽度的变化
剪应力传感器编号 S1 S2 S3 S4
剪应力传感器数值(Pa)
开挖宽度(m)
0 139 156 288 301
0.1 153 186 286 321
0.2 175 167 274 286
0.3 173 153 246 279
0.4 162 177 253 309
0.5 180 182 297 316
0.6 199 159 261 333
0.7 201 199 241 299
0.8 191 176 266 278
实施例2
实施例2中布置6个压力传感器，对实施例1相比去掉第一二、三压力传感器(P1、P2、P3)，滑坡滑面上水平方向的上支护挡板向下移动，确保斜滑面上的土体覆盖范围是600mm，其余试验条件与实施例1相同，得出滑坡发生明显滑动破坏过程中的土体位移、压力、剪切应力以及表面形态的变化规律，位移传感器设置在土体覆盖范围外，因此位移传感器未测得位移变化，土体压力、剪切应力随开挖宽度的变化见表5-6及图14-15，剪切应力传感器S1、S2位于土体覆盖范围外，因此剪切应力传感器S1、S2未测得数据，在表6及图15中不显示。
表5 土体压力随开挖宽度的变化
压力传感器编号 P4 P5 P6 P7 P8 P9
压力传感器数值(N)
开挖宽度(m)
0 413 601 385 901 736 888
0.1 397 598 398 926 746 899
0.2 389 575 369 913 721 921
0.3 357 516 364 879 648 936
0.4 421 453 356 886 579 901
0.5 377 384 349 849 512 869
0.6 396 312 337 874 423 872
0.7 401 270 340 912 344 934
0.8 367 215 346 853 196 903
表6 土体剪应力随开挖宽度的变化
剪应力传感器编号 S3 S4
剪应力传感器数值(Pa)
开挖宽度(m)
0 398 369
0.1 401 378
0.2 436 369
0.3 368 371
0.4 412 386
0.5 426 383
0.6 399 390
0.7 346 420
0.8 376 401
实施例3
如图7所示，调节千斤顶高度使滑面整体呈50°，其余试验条件与实施例1相同，得出滑坡发生明显滑动破坏过程中的土体位移、压力、剪切应力以及表面形态的变化规律，见表7-9及图16-18。
表7 土体位移随开挖宽度的变化
位移传感器编号 h1 h2 h3 h4 h5
位移传感器数值(mm)
开挖宽度(m)
0 0 0 0 0 0
0.1 0.02 0.03 0.05 0.03 0.01
0.2 0.03 0.08 0.13 0.09 0.03
0.3 0.05 0.12 0.21 0.13 0.04
0.4 0.06 0.16 0.26 0.15 0.06
0.5 0.08 0.23 0.36 0.22 0.07
0.6 0.1 0.26 0.41 0.25 0.09
0.7 0.13 0.32 0.55 0.29 0.11
表8 土体压力随开挖宽度的变化
压力传感器编号 P1 P2 P3 P4 P5 P6 P7 P8 P9
压力传感器数值(N)
开挖宽度(m)
0 261 301 283 587 553 556 808 726 813
0.1 274 296 289 578 551 549 786 719 798
0.2 264 289 306 579 530 568 792 703 789
0.3 259 295 304 567 481 532 812 680 778
0.4 249 298 297 593 423 545 801 645 783
0.5 267 288 289 582 377 463 796 581 801
0.6 259 279 279 568 334 549 809 516 821
0.7 256 2842 96 563 296 575 786 453 784
表9 土体剪应力随开挖宽度的变化
剪应力传感器编号 S1 S2 S3 S4
剪应力传感器数值(Pa)
开挖宽度(m)
0 234 265 405 413
0.1 246 256 399 409
0.2 265 264 423 398
0.3 297 277 375 388
0.4 224 298 408 397
0.5 249 301 416 384
0.6 278 274 396 376
0.7 255 269 376 405
实施例4
调节千斤顶高度使滑面整体呈50°，放坡开挖土体千拆除支护挡板，其余试验条件与实施例1相同，得出滑坡发生明显滑动破坏过程中的土体位移、压力、剪切应力以及表面形态的变化规律见表10-12及图19-21。
表10 土体位移随开挖宽度的变化
位移传感器编号 h1 h2 h3 h4 h5
位移传感器数值(mm)
开挖宽度(m)
0 0 0 0 0 0
0.1 0.03 0.04 0.06 0.02 0.01
0.2 0.05 0.07 0.11 0.04 0.03
0.3 0.08 0.11 0.14 0.07 0.05
0.4 0.1 0.14 0.21 0.1 0.08
0.5 0.12 0.18 0.28 0.15 0.12
0.6 0.14 0.23 0.37 0.22 0.14
0.7 0.17 0.33 0.55 0.31 0.18
表11 土体压力随开挖宽度的变化
压力传感器编号 P1 P2 P3 P4 P5 P6 P7 P8 P9
压力传感器数值(N)
开挖宽度(m)
0 245 286 276 469 589 498 759 699 777
0.1 263 276 273 461 569 486 752 712 795
0.2 259 263 301 468 593 502 754 701 801
0.3 236 289 325 475 554 483 776 653 803
0.4 265 240 316 484 493 496 779 569 809
0.5 274 223 319 489 432 492 782 501 788
0.6 246 269 308 493 399 481 768 435 773
0.7 223 216 304 497 321 487 772 346 784
表12 土体剪应力随开挖宽度的变化
剪应力传感器编号 S1 S2 S3 S4
剪应力传感器数值(Pa)
开挖宽度(m)
0 199 263 375 361
0.1 201 261 381 356
0.2 206 259 377 354
0.3 212 253 369 359
0.4 213 258 363 362
0.5 218 256 368 364
0.6 222 261 366 371
0.7 226 249 369 367
实施例5
调节千斤顶伸长量改变滑面的倾角，使三段滑面从顶端向下依次呈30°、30°、50°，其余试验条件与实施例1相同，得出滑坡发生明显滑动破坏过程中的土体位移、压力、剪切应力以及表面形态的变化规律，土体压力、剪切应力变化规律见表13-15及图22-24。
表13 土体位移随开挖宽度的变化
位移传感器编号 h1 h2 h3 h4 h5
位移传感器数值(mm)
开挖宽度(m)
0 0 0 0 0 0
0.1 0 0.01 0.03 0.02 0.02
0.2 0.01 0.03 0.06 0.04 0.02
0.3 0.02 0.06 0.13 0.05 0.03
0.4 0.02 0.11 0.17 0.07 0.03
0.5 0.04 0.15 0.25 0.11 0.03
0.6 0.06 0.18 0.32 0.15 0.04
0.7 0.08 0.21 0.4 0.17 0.05
0.8 0.11 0.26 0.53 0.23 0.08
表14 土体压力随开挖宽度的变化
压力传感器编号 P1 P2 P3 P4 P5 P6 P7 P8 P9
压力传感器数值(N)
开挖宽度(m)
0 286 330 277 588 607 605 864 812 880
0.1 297 324 269 612 601 615 869 803 889
0.2 269 336 289 576 597 639 886 792 875
0.3 299 319 286 604 559 651 863 730 869
0.4 312 308 321 598 513 598 877 672 899
0.5 288 299 309 608 449 631 926 591 924
0.6 304 287 296 593 410 654 915 509 930
0.7 319 291 306 587 362 613 888 413 901
0.8 309 304 293 603 275 641 904 308 912
表15 土体剪应力随开挖宽度的变化
剪应力传感器编号 S1 S2 S3 S4
剪应力传感器数值(Pa)
开挖宽度(m)
0 253 226 369 342
0.1 259 234 374 361
0.2 237 229 386 379
0.3 221 241 416 349
0.4 236 247 401 375
0.5 189 238 382 363
0.6 219 256 373 336
0.7 243 238 384 368
0.8 197 269 363 377
实施例6
采用土层夯击次数为30次，土体密度为1.83g/cm3的土体，其余试验条件与实施例1相同，得出滑坡发生明显滑动破坏过程中的土体位移、压力、剪切应力以及表面形态的变化规律见表16-18及图25-27。
表16 土体位移随开挖宽度的变化
位移传感器编号 h1 h2 h3 h4 h5
位移传感器数值(mm)
开挖宽度(m)
0 0 0 0 0 0
0.1 0.01 0.01 0.02 0.01 0
0.2 0.02 0.02 0.05 0.03 0.01
0.3 0.02 0.04 0.11 0.05 0.03
0.4 0.04 0.06 0.13 0.07 0.03
0.5 0.05 0.09 0.2 0.08 0.03
0.6 0.06 0.13 0.26 0.13 0.04
0.7 0.08 0.17 0.35 0.16 0.05
0.8 0.11 0.22 0.47 0.24 0.08
表17 土体压力随开挖宽度的变化
压力传感器编号 P1 P2 P3 P4 P5 P6 P7 P8 P9
压力传感器数值(N)
开挖宽度(m）
0 360 500 463 798 851 823 1134 1024 1157
0.1 368 501 456 801 846 846 1156 1011 1163
0.2 363 496 473 813 853 813 1162 989 1177
0.3 379 469 481 796 790 799 1133 912 1183
0.4 387 467 463 791 716 806 1106 826 1201
0.5 397 443 459 788 642 817 1125 721 1219
0.6 413 438 451 784 569 812 1129 634 1222
0.7 407 429 448 779 473 825 1141 540 1199
0.8 401 412 444 777 406 836 1146 439 1207
表18 土体剪应力随开挖宽度的变化
剪应力传感器编号 S1 S2 S3 S4
剪应力传感器数值(Pa)
开挖宽度(m)
0 173 169 302 333
0.1 168 165 299 324
0.2 175 175 306 316
0.3 183 171 296 309
0.4 191 184 288 336
0.5 177 189 264 348
0.6 186 201 289 351
0.7 214 207 322 332
0.8 201 199 312 339
结论：1.从所有试验组的压力数值变化情况中可以明显的发现，压力传感器P5和P8在开挖的过程中压力有明显的减少现象。
2.试验组1与试验组3对比可以发现，开挖宽度在0.7m～0.8m时，土体失稳，随着滑坡角度的增加，最大开挖宽度有变小的趋势。
3.试验组1与试验组2对比发现，当土体覆盖范围从0.8m变为0.6m时，压力值有小幅的减少。
4.试验组3与试验组4对比可以发现，拆除支护挡板以后，压力传感器除P2，P5和P8之外，都有小幅度的压力减少现象。
5.支护挡板上剪应力值随着模型倾角的变大，剪应力值小幅增加；剪应力值随着开挖宽度的增加，变化有小幅波动，但平均值变化较小。
6.在滑坡模型夹角为30°时，坡顶中央位移感应器3出现最大值，最大值为0.45mm；在滑坡模型夹角为50°时，坡顶中央位移感应器3出现最大值，最大值为0.55mm；在滑坡模型夹角为30°转50°时，坡顶中央位移感应器3出现最大值，最大值为0.53mm。最大位移值均出现在土体开挖宽度达到最大值时。
实施例7
如图8所示，通过调节液压千斤顶伸长量改变滑面的倾角，使三段滑面从顶端向下依次呈50°、40°、30°角，滑面为凹型滑面，可用来研究滑坡滑面为凹型时坡体位移、表面形态以及压力变化情况。
实施例8
如图9所示，通过调节液压千斤顶伸长量改变滑面的倾角，使三段滑面从顶端向下依次呈60°、40°、30°角，滑面为凹型滑面，可用来研究同样是凹型滑面时角度变大时，对坡体位移、表面形态以及压力变化的影响。
实施例9
如图10所示，通过调节液压千斤顶伸长量改变滑面的倾角，使三段滑面从顶端向下依次呈50°、0°、50°角，滑面为阶梯形型滑面，可用来研究滑面为阶梯形时，坡体位移、表面形态以及压力变化情况。
上面结合附图和实施例对本发明进行了说明，但并不限于上述实施例，凡依据本发明技术方案、技术原理和发明构思做的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效替换，都属于本发明的保护范围。

Claims (9)

1.实时量测开挖放坡滑坡坡体位移应力的模型试验装置，其特征在于：包括滑坡模型系统、位移应力测试系统和PIV测试系统；滑坡模型系统包括滑坡滑面和滑坡滑面角度调节装置，滑坡滑面包括斜滑面和水平滑面，滑坡滑面角度调节装置位于斜滑面下方；滑坡滑面边缘设有垂直于滑坡滑面的支护挡板；位移应力测试系统包括位移传感器，压力传感器和剪切应力传感器，位移传感器设置在斜滑面上边缘，压力传感器、剪切应力传感器设置在斜滑面上，剪切应力传感器至少有四个，均匀对称的分布在斜滑面两侧边缘处，剪切应力传感器与滑坡滑面顶端的距离分别为斜滑面长度的1/6~1/4、5/6~3/4；位移传感器，压力传感器和剪切应力传感器均与处理器连接；PIV测量系统包括泛光灯光源、CCD高速相机，CCD高速相机设置在模型试验装置前面，泛光灯光源设置在模型试验装置前面的上方，CCD高速相机与处理器连接。
2.根据权利要求1所述实时量测开挖放坡滑坡坡体位移应力的模型试验装置，其特征在于：滑坡滑面由第一、二、三、四滑面板铰接连接，第一、二、三、四滑面板分别由两块相同尺寸的滑面板铰接而成。
3.根据权利要求2所述实时量测开挖放坡滑坡坡体位移应力的模型试验装置，其特征在于：所述滑坡滑面角度调节装置有三组，第一组位于第一滑面板长度的1/3~2/3的水平中心处，第二组位于第二滑面板长度的1/3~2/3的水平中心处，第三组位于第三滑面板长度的1/3~2/3的水平中心处，三组滑坡滑面角度调节装置均是底端固定，顶端通过万向接头与滑面板相连。
4.根据权利要求1所述实时量测开挖放坡滑坡坡体位移应力的模型试验装置，其特征在于：所述滑坡滑面角度调节装置为千斤顶或液压缸或气压缸。
5.根据权利要求1所述实时量测开挖放坡滑坡坡体位移应力的模型试验装置，其特征在于：位移传感器至少有四个，水平对称的设置在斜滑面上，位移传感器与滑坡滑面顶端的距离为斜滑面长度的1/12~1/6，最外侧位移传感器与滑坡滑面侧边的距离为滑面宽度的1/12~1/8。
6.根据权利要求5所述实时量测开挖放坡滑坡坡体位移应力的模型试验装置，其特征在于：位移传感器有五个，水平对称设置在斜滑面上，第一与第五、第二与第四位移传感器关于第三位移传感器对称，五个位移传感器与滑坡滑面顶端的距离均为斜滑面长度的1/12~1/6，第一、第五位移传感器与滑坡滑面侧边的距离为滑面宽度的1/12~1/8；第二、第四位移传感器与滑坡滑面侧边的距离为滑面宽度的1/5~1/3。
7.根据权利要求2所述实时量测开挖放坡滑坡坡体位移应力的模型试验装置，其特征在于：压力传感器至少有六个，水平对称的均匀分布在斜滑面上，最外侧压力传感器与滑坡滑面侧边的距离为滑面宽度的1/7~1/6，压力传感器与滑坡滑面顶端的距离分别为斜滑面长度的1/6~1/4，1/3~2/3，3/4~5/6。
8.根据权利要求7所述实时量测开挖放坡滑坡坡体位移应力的模型试验装置，其特征在于：压力传感器有九个，水平对称的均匀分布在斜滑面上，第一、二、三压力传感器水平对称的分布在第一滑面板上，第四、五、六压力传感器水平对称的分布在第二滑面板上，第七、八、九压力传感器水平对称的分布在第三滑面板上，第一、四、七和第三、六、九压力传感器分别关于第二、五、八压力传感器对称，第一、四、七和第三、六、九压力传感器与滑坡滑面侧边的距离均为滑面宽度的1/7~1/6，第一、二、三压力传感器与滑坡滑面顶端的距离均为斜滑面长度的1/6~1/4，第四、五、六压力传感器与滑坡滑面顶端的距离均为斜滑面长度的1/3~2/3，第七、八、九压力传感器与滑坡滑面顶端的距离均为斜滑面长度的3/4~5/6。
9.根据权利要求1-8任一所述实时量测开挖放坡滑坡坡体位移应力的模型试验装置，其特征在于：水平方向的上支护挡板距离滑坡滑面顶端的距离为斜滑面长度的1/10-2/5，下支护挡板距离滑坡滑面底端的距离为水平滑面长度的1/3。
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