模拟泥石流起动的大变形十字板头剪切流变试验系统技术方案

本发明专利技术提供了一种模拟泥石流起动的大变形十字板头剪切流变试验系统，包括物源槽，设置在物源槽上方对物源槽喷水的降雨系统，设置在物源槽内的多物理量监测系统，伸入物源槽内对物源槽内物源搅拌的十字板头剪切流变仪，以及与所述多物理量监测系统和十字板头剪切流变仪连接的数据采集与控制系统。本发明专利技术提供的模拟泥石流起动的大变形十字板头剪切流变试验系统，可用于开放条件下物源的大变形剪切实验以及流动状态下的参数测定，特别适用于土质滑坡、泥石流等地质灾害的起动模拟研究。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及泥石流起动试验系统，特别涉及一种模拟泥石流起动的大变形十字板头剪切流变试验系统。
技术介绍
滑坡和泥石流是我国近年频发的地质灾害，每年因滑坡泥石流导致的伤亡人数以千计，使国家遭受上千万乃至数十亿的财产损失。起动形成泥石流的物源往往是浅表层松散堆积的土体，其围压较低，通常围压不足10KPa。降雨渗透作用使得浅表层物源的物理、力学性能产生变化，进而致使物源持续变形，直至变形不收敛而起动形成泥石流。可见滑坡泥石流灾害的产生是物源在含水量连续变化过程中，其强度演化，变形发展的过程，且两个作用同时发生，相互影响。滑坡泥石流灾害(尤其是泥石流)的起动过程，有以下三个特征：1、泥石流起动是物源从非饱和—饱和—过饱和的连续演化过程。2、泥石流起动物源的深度离散性较大，但通常是浅表层堆积物起动、汇流形成具有破坏力规模的泥石流。3、泥石流起动物源经历小变形—大变形—起动—运移的过程。由于泥石流起动存在上述特征，因此为其起动模拟研究带来了一系列的难题，其中模拟方法、参数采集、监测设备等都有许多问题亟待解决，例如：1、监测泥石流起动的非饱和—饱和—过饱和过程中的变形、抗起动力极为困难。2、低围压条件下测定土体的强度参数是泥石流起动研究的另一大难点。3、通过监测数据确定泥石流的起动时点，从而给定严格意义上泥石流起动的判定条件又是一大难题。4、追踪大变形及其以后过程的物源阻力特征、运移速率也是泥石流起动研究的一大难题。目前，国内外针对滑坡泥石流的起动开展了大量的研究，已有学者从物源特征等方面做了较为系统的研究。但多采用传统的实验方式：即室内试验仍以土体强度试验为主，模型实验又不能准确的确定泥石流起动时点，模型实验对泥石流起动的判定以感观描述和孔隙水压力的变化作为依据。因此尚未能给出起动直接判定条件，即位移—速度这一过程的转化的变形、力学条件。在模型试验方面，国内外学者做了一系列探索性工作，崔鹏(1993)等采用了小型槽实验研究泥石流起动，分析提出了泥石流起动的突变学特征。Iverson(1998)等利用模型实验研究提出了滑坡转化为泥石流的三个过程：即物源强度因不能满足库伦准则而大面积破坏，破坏后的物源部分或全部液化，液化后物源的平动动能转化为震动内能。M.Papa等利用水槽实验研究径流起动泥沙颗粒的作用，并建立起地表径流和泥石流起动的关系。陈晓清(2004)等采用坡面松散土体开展降雨模拟实验，通过监测土体的水势、孔隙水压力、含水量、地温等物理量据研究泥石流起动的机理，提出泥石流起动时物源中孔隙水压力出现突变。IvanB.Gratchev(2006)、YasuhikoOkada(2004)等采用环剪实验研究粘性土体的剪切液化作用，并用于分析滑坡泥石流等灾害的研究。陈宁生(2007)利用小型槽实验模拟了粘土颗粒对泥石流起动的作用。以上实验方法具有鲜明的优点和缺点，小型槽实验可以很好的模拟泥石流起动的天然条件，但是不能准确的确定泥石流的起动时点，因此不能监测起动时点的物理量。环剪实验的条件严格，并能测定物源的力学参数，能够开展物源大位移实验研究，但是其条件跟泥石流起动的天然条件差别很大，且对实验材料的粒径限制严格，因而不能模拟真实的物源状态。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种模拟泥石流起动的大变形十字板头剪切流变试验系统，用于模拟泥石流灾害的起动—运移—停积等过程实验模拟。为解决上述技术问题，本专利技术提供了一种模拟泥石流起动的大变形十字板头剪切流变试验系统，包括物源槽，设置在物源槽上方对物源槽内物源喷水的降雨系统，设置在物源槽内用于测量物源内部含水量、土压力和孔隙水压力的多物理量监测系统，伸入物源槽内对物源搅拌的十字板头剪切流变仪，以及与所述多物理量监测系统和十字板头剪切流变仪连接的数据采集与控制系统。进一步地，所述物源槽的下部设置有多个可启闭的排水孔，所述物源槽的周围设置有角柱，所述角柱上设置有用于支撑所述降雨系统的支撑梁。进一步地，所述降雨系统包括设置在所述支撑梁上的喷头，通过输水管道与所述喷头连接的水箱，以及通过总供水管与所述水箱连接为所述水箱供水并调控水压的水泵。进一步地，所述十字板头剪切流变仪包括设置在所述物源槽内的十字板头，与十字板头连接的连接杆，通过连承轴与连接杆连接的力矩电机，所述力矩电机通过支撑架固定在设置在所述物源槽外带底座的立柱上，所述力矩电机的前后两端分别设置有扭矩传感器和光电编码器。进一步地，所述十字板头的规格设定为直径×高为20mm×40mm、30mm×60mm、40mm×80mm或50mm×100mm。进一步地，所述多物理量监测系统包括多个用于测量物源含水量变化的含水量传感器，两个用于测量物源孔隙水压力的水压力传感器、两个用于测量竖向土压力和水平土压力的土压力传感器。进一步地，所述多个含水量传感器从上往下依次间隔相等距离设置在物源槽的物源内，最上端含水量传感器距离物源表面一定距离，最下端含水量传感器设置到所述十字板头的底部；所述两个水压力传感器分别设置在所述十字板头的顶部和底部附近；所述两个土压力传感器分别设置在所述十字板头的顶部和底部附近。进一步地，所述含水量传感器之间的距离间隔为40-60mm，所述最上端含水量传感器距离物源表面的距离为40-60mm；所述水压力传感器和土压力传感器距离所述十字板头的顶部和底部的距离为10-15mm。进一步地，所述数据采集与控制系统分别与所述力矩电机、扭矩传感器和光电编码器连接，用于控制所述力矩电机的扭矩输出、采集所述光电编码器测得的扭转变形和速率数据、采集扭矩传感器在物源起动时点的抵抗力矩变化数值。进一步地，所述数据采集与控制系统分别与所述的含水量传感器、水压力传感器和土压力传感器连接，用于采集所述含水量传感器、土压力传感器和水压力传感器测量到的物源内部的含水量、土压力和孔隙水压力数据。本专利技术提供的模拟泥石流起动的大变形十字板头剪切流变试验系统，具有如下特点：1、本系统可在实验过程中模拟降雨，可连续改变物源水土比，能将物源的力学性能实验和模型实验有效结合起来。2、本系统的核心设备十字板头剪切流变仪，可用于开放环境条件下，测定物源低围压条件的抗剪强度。3、本系统通过十字板头剪切流变仪，可以测定物源在给定的剪切作用力下，水土比演化过程的变形规律，可以明确确定变形不收敛的时点，从而给定土体的变形量本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种模拟泥石流起动的大变形十字板头剪切流变试验系统，其特征在于：包括物源槽，设置在物源槽上方对物源槽内物源喷水的降雨系统，设置在物源槽内用于测量物源内部含水量、土压力和孔隙水压力的多物理量监测系统，伸入物源槽内对物源搅拌的十字板头剪切流变仪，以及与所述多物理量监测系统和十字板头剪切流变仪连接的数据采集与控制系统。

【技术特征摘要】
1.一种模拟泥石流起动的大变形十字板头剪切流变试验系统，其特征
在于：包括物源槽，设置在物源槽上方对物源槽内物源喷水的降雨系统，
设置在物源槽内用于测量物源内部含水量、土压力和孔隙水压力的多物理
量监测系统，伸入物源槽内对物源搅拌的十字板头剪切流变仪，以及与所
述多物理量监测系统和十字板头剪切流变仪连接的数据采集与控制系统。
2.根据权利要求1所述的试验系统，其特征在于：所述物源槽的下部
设置有多个可启闭的排水孔，所述物源槽四周设置有角柱，所述角柱上设
置有用于支撑所述降雨系统的支撑梁。
3.根据权利要求2所述的试验系统，其特征在于：所述降雨系统包括
设置在所述支撑梁上的喷头，通过输水管与所述喷头连接的水箱，以及通
过总供水管与所述水箱连接为所述水箱供水并调控水压的水泵。
4.根据权利要求1所述的试验系统，其特征在于：所述十字板头剪切
流变仪包括设置在所述物源槽内的十字板头，与十字板头连接的连接杆，
通过连承轴与连接杆连接的力矩电机，所述力矩电机通过支撑架固定在设
置在所述物源槽外带底座的立柱上，所述力矩电机的前后两端分别设置有
扭矩传感器和光电编码器。
5.根据权利要求4所述的试验系统，其特征在于：所述十字板头的规
格设定为直径×高为20mm×40mm、30mm×60mm、40mm×80mm或50mm×
100mm。
6.根据权利要求5所述的试验系统，其特征在于：所述多物理量监测
系统包...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘晓丽，刘中港，王恩志，王芳，赵宜婷，杨志超，颜永国，
申请(专利权)人：清华大学，
类型：发明
国别省市：北京;11