模擬泥石流起動(dòng)的大變形十字板頭剪切流變?cè)囼?yàn)系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及泥石流起動(dòng)試驗(yàn)系統(tǒng)，特別涉及一種模擬泥石流起動(dòng)的大變形十字板頭剪切流變?cè)囼?yàn)系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]滑坡和泥石流是我國近年頻發(fā)的地質(zhì)災(zāi)害，每年因滑坡泥石流導(dǎo)致的傷亡人數(shù)以千計(jì)，使國家遭受上千萬乃至數(shù)十億的財(cái)產(chǎn)損失。起動(dòng)形成泥石流的物源往往是淺表層松散堆積的土體，其圍壓較低，通常圍壓不足lOKPa。降雨滲透作用使得淺表層物源的物理、力學(xué)性能產(chǎn)生變化，進(jìn)而致使物源持續(xù)變形，直至變形不收斂而起動(dòng)形成泥石流。可見滑坡泥石流災(zāi)害的產(chǎn)生是物源在含水量連續(xù)變化過程中，其強(qiáng)度演化，變形發(fā)展的過程，且兩個(gè)作用同時(shí)發(fā)生，相互影響?；履嗍鳛?zāi)害(尤其是泥石流)的起動(dòng)過程，有以下三個(gè)特征:
[0003]1、泥石流起動(dòng)是物源從非飽和一飽和一過飽和的連續(xù)演化過程。
[0004]2、泥石流起動(dòng)物源的深度離散性較大，但通常是淺表層堆積物起動(dòng)、匯流形成具有破壞力規(guī)模的泥石流。
[0005]3、泥石流起動(dòng)物源經(jīng)歷小變形一大變形一起動(dòng)一運(yùn)移的過程。
[0006]由于泥石流起動(dòng)存在上述特征，因此為其起動(dòng)模擬研究帶來了一系列的難題，其中模擬方法、參數(shù)采集、監(jiān)測(cè)設(shè)備等都有許多問題亟待解決，例如:
[0007]1、監(jiān)測(cè)泥石流起動(dòng)的非飽和一飽和一過飽和過程中的變形、抗起動(dòng)力極為困難。
[0008]2、低圍壓條件下測(cè)定土體的強(qiáng)度參數(shù)是泥石流起動(dòng)研究的另一大難點(diǎn)。
[0009]3、通過監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)確定泥石流的起動(dòng)時(shí)點(diǎn)，從而給定嚴(yán)格意義上泥石流起動(dòng)的判定條件又是一大難題。
[0010]4、追蹤大變形及其以后過程的物源阻力特征、運(yùn)移速率也是泥石流起動(dòng)研究的一大難題。
[0011 ]目前，國內(nèi)外針對(duì)滑坡泥石流的起動(dòng)開展了大量的研究，已有學(xué)者從物源特征等方面做了較為系統(tǒng)的研究。但多采用傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)方式:即室內(nèi)試驗(yàn)仍以土體強(qiáng)度試驗(yàn)為主，模型實(shí)驗(yàn)又不能準(zhǔn)確的確定泥石流起動(dòng)時(shí)點(diǎn)，模型實(shí)驗(yàn)對(duì)泥石流起動(dòng)的判定以感觀描述和孔隙水壓力的變化作為依據(jù)。因此尚未能給出起動(dòng)直接判定條件，即位移一速度這一過程的轉(zhuǎn)化的變形、力學(xué)條件。
[0012]在模型試驗(yàn)方面，國內(nèi)外學(xué)者做了一系列探索性工作，崔鵬(1993)等采用了小型槽實(shí)驗(yàn)研究泥石流起動(dòng)，分析提出了泥石流起動(dòng)的突變學(xué)特征。I verson( 1998)等利用模型實(shí)驗(yàn)研究提出了滑坡轉(zhuǎn)化為泥石流的三個(gè)過程:即物源強(qiáng)度因不能滿足庫倫準(zhǔn)則而大面積破壞，破壞后的物源部分或全部液化，液化后物源的平動(dòng)動(dòng)能轉(zhuǎn)化為震動(dòng)內(nèi)能Papa等利用水槽實(shí)驗(yàn)研究徑流起動(dòng)泥沙顆粒的作用，并建立起地表徑流和泥石流起動(dòng)的關(guān)系。陳曉清(2004)等采用坡面松散土體開展降雨模擬實(shí)驗(yàn)，通過監(jiān)測(cè)土體的水勢(shì)、孔隙水壓力、含水量、地溫等物理量據(jù)研究泥石流起動(dòng)的機(jī)理，提出泥石流起動(dòng)時(shí)物源中孔隙水壓力出現(xiàn)突變。Ivan B.Gratchev(2006)、Yasuhiko Okada(2004)等米用環(huán)剪實(shí)驗(yàn)研究粘性土體的剪切液化作用，并用于分析滑坡泥石流等災(zāi)害的研究。陳寧生(2007)利用小型槽實(shí)驗(yàn)?zāi)M了粘土顆粒對(duì)泥石流起動(dòng)的作用。以上實(shí)驗(yàn)方法具有鮮明的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)，小型槽實(shí)驗(yàn)可以很好的模擬泥石流起動(dòng)的天然條件，但是不能準(zhǔn)確的確定泥石流的起動(dòng)時(shí)點(diǎn)，因此不能監(jiān)測(cè)起動(dòng)時(shí)點(diǎn)的物理量。環(huán)剪實(shí)驗(yàn)的條件嚴(yán)格，并能測(cè)定物源的力學(xué)參數(shù)，能夠開展物源大位移實(shí)驗(yàn)研究，但是其條件跟泥石流起動(dòng)的天然條件差別很大，且對(duì)實(shí)驗(yàn)材料的粒徑限制嚴(yán)格，因而不能模擬真實(shí)的物源狀態(tài)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0013]本發(fā)明的目的是提供一種模擬泥石流起動(dòng)的大變形十字板頭剪切流變?cè)囼?yàn)系統(tǒng)，用于模擬泥石流災(zāi)害的起動(dòng)一運(yùn)移一停積等過程實(shí)驗(yàn)?zāi)M。
[0014]為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供了一種模擬泥石流起動(dòng)的大變形十字板頭剪切流變?cè)囼?yàn)系統(tǒng)，包括物源槽，設(shè)置在物源槽上方對(duì)物源槽內(nèi)物源噴水的降雨系統(tǒng)，設(shè)置在物源槽內(nèi)用于測(cè)量物源內(nèi)部含水量、土壓力和孔隙水壓力的多物理量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，伸入物源槽內(nèi)對(duì)物源攪拌的十字板頭剪切流變儀，以及與所述多物理量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)和十字板頭剪切流變儀連接的數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)。
[0015]進(jìn)一步地，所述物源槽的下部設(shè)置有多個(gè)可啟閉的排水孔，所述物源槽的周圍設(shè)置有角柱，所述角柱上設(shè)置有用于支撐所述降雨系統(tǒng)的支撐梁。
[0016]進(jìn)一步地，所述降雨系統(tǒng)包括設(shè)置在所述支撐梁上的噴頭，通過輸水管道與所述噴頭連接的水箱，以及通過總供水管與所述水箱連接為所述水箱供水并調(diào)控水壓的水栗。
[0017]進(jìn)一步地，所述十字板頭剪切流變儀包括設(shè)置在所述物源槽內(nèi)的十字板頭，與十字板頭連接的連接桿，通過連承軸與連接桿連接的力矩電機(jī)，所述力矩電機(jī)通過支撐架固定在設(shè)置在所述物源槽外帶底座的立柱上，所述力矩電機(jī)的前后兩端分別設(shè)置有扭矩傳感器和光電編碼器。
[0018]進(jìn)一步地，所述十字板頭的規(guī)格設(shè)定為直徑X高為20mm X 40mm、30mm X 60mm、40mmX80mm或50mmX100mm。
[0019]進(jìn)一步地，所述多物理量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)包括多個(gè)用于測(cè)量物源含水量變化的含水量傳感器，兩個(gè)用于測(cè)量物源孔隙水壓力的水壓力傳感器、兩個(gè)用于測(cè)量豎向土壓力和水平土壓力的土壓力傳感器。
[0020]進(jìn)一步地，所述多個(gè)含水量傳感器從上往下依次間隔相等距離設(shè)置在物源槽的物源內(nèi)，最上端含水量傳感器距離物源表面一定距離，最下端含水量傳感器設(shè)置到所述十字板頭的底部;所述兩個(gè)水壓力傳感器分別設(shè)置在所述十字板頭的頂部和底部附近;所述兩個(gè)土壓力傳感器分別設(shè)置在所述十字板頭的頂部和底部附近。
[0021]進(jìn)一步地，所述含水量傳感器之間的距離間隔為40-60mm，所述最上端含水量傳感器距離物源表面的距離為40-60mm;所述水壓力傳感器和土壓力傳感器距離所述十字板頭的頂部和底部的距離為10_15mm。
[0022]進(jìn)一步地，所述數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)分別與所述力矩電機(jī)、扭矩傳感器和光電編碼器連接，用于控制所述力矩電機(jī)的扭矩輸出、采集所述光電編碼器測(cè)得的扭轉(zhuǎn)變形和速率數(shù)據(jù)、采集扭矩傳感器在物源起動(dòng)時(shí)點(diǎn)的抵抗力矩變化數(shù)值。
[0023]進(jìn)一步地，所述數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)分別與所述的含水量傳感器、水壓力傳感器和土壓力傳感器連接，用于采集所述含水量傳感器、土壓力傳感器和水壓力傳感器測(cè)量到的物源內(nèi)部的含水量、土壓力和孔隙水壓力數(shù)據(jù)。本發(fā)明提供的模擬泥石流起動(dòng)的大變形十字板頭剪切流變?cè)囼?yàn)系統(tǒng)，具有如下特點(diǎn):
[0024]1、本系統(tǒng)可在實(shí)驗(yàn)過程中模擬降雨，可連續(xù)改變物源水土比，能將物源的力學(xué)性能實(shí)驗(yàn)和模型實(shí)驗(yàn)有效結(jié)合起來。
[0025]2、本系統(tǒng)的核心設(shè)備十字板頭剪切流變儀，可用于開放環(huán)境條件下，測(cè)定物源低圍壓條件的抗剪強(qiáng)度。
[0026]3、本系統(tǒng)通過十字板頭剪切流變儀，可以測(cè)定物源在給定的剪切作用力下，水土比演化過程的變形規(guī)律，可以明確確定變形不收斂的時(shí)點(diǎn)，從而給定土體的變形量為參數(shù)的泥石流起動(dòng)的判據(jù)，即確定物源變形一運(yùn)移的時(shí)點(diǎn)。
[0027]4、本系統(tǒng)的十字板頭剪切流變儀，可對(duì)物源施加環(huán)形剪切作用的作用力，理論上可以產(chǎn)生無限大的變形，可以實(shí)現(xiàn)泥石流起動(dòng)的模擬、并且還可進(jìn)一步用于泥石流運(yùn)移、停積的模擬。
[0028]5、本系統(tǒng)的通過布設(shè)于物源中的多物理量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，可以測(cè)定物源內(nèi)多種物理量的變化規(guī)律，與十字板頭剪切流變儀采集的變形數(shù)據(jù)比照，可以準(zhǔn)確判定物源起動(dòng)時(shí)點(diǎn)物理量數(shù)值及起動(dòng)