一种针对边坡防治工程中抗滑桩的失效测试系统和方法与流程

本发明涉及边坡防治工程技术领域，特别是涉及一种针对边坡防治工程中抗滑桩的失效测试系统和一种针对边坡防治工程中抗滑桩的失效测试方法。

背景技术：

地震作用下的边坡岩土体和防治工程相互作用十分复杂，了解边坡防治系统在地震作用下的失效过程和状态对边坡防治工程具有重要意义，可为人们实际进行边坡防治提供改进方向和防治基础。

目前对边坡防治工程结构进行研究的主要方法有数值模拟和物理模拟。数值模拟的较为简单，投资较少，但其计算精度主要依赖于桩-土相互作用参数、土体特性等参数的正确选取。

物理模拟试验主要依靠相似理论，将具体的工程条件，边界条件，结构土材料特性，在室内，按照一定的相似比还原，信息量大，可信度高。目前的物理模式试验方法主要包括大型的振动台模拟试验，和离心振动台模型试验，但是两类模型试验，而且对于模型的要求较高试验周期长及操作程序复杂等因素，试验成本较高。

技术实现要素：

本发明提供一种针对边坡防治工程中抗滑桩的失效测试系统和一种针对边坡防治工程中抗滑桩的失效测试方法，实现了首次利用低周往复加载试验对抗滑桩在地质灾害中失效过程的测试，为实际边坡防治工程提供抗震改进方向；且同时解决现有技术试验参数选取要求过高或试验成本较高、试验周期长、操作复杂的问题。

为解决上述技术问题，本发明提供了一种针对边坡防治工程中抗滑桩的失效测试系统，包括：

边坡物理模型，所述边坡物理模型包括固定在第一模型箱中的锚固体，以及设置在第二模型箱中的滑体，所述第二模型箱位于第一模型箱的正上方且与所述第一模型箱之间通过滑轮连接；

抗滑桩模型，所述抗滑桩模型包括多根抗滑桩，所述多根抗滑桩沿竖直方向依次贯穿所述滑体、锚固体后与所述第一模型箱的底面固定；

检测系统，所述检测系统包括多个电阻应变片、土压力计，其中：

所述多个电阻应变片安装在所述抗滑桩的表面且与第一测试仪连接，用于采集所述抗滑桩在失效测试过程中的应变大小；

所述土压力计设置在所述滑体内且与第二测试仪连接，用于采集所述滑体在失效测试过程中所受的土压力大小；

动荷载加载系统，所述动荷载加载系统包括加载作动器，钢筋混凝土反力墙及反力台座，加载操作系统，其中：

所述加载作动器通过连接装置连接所述第二模型箱，用于推动所述第二模型箱不断往复移动；

所述钢筋混凝土反力墙及反力台座与所述加载作动器连接，用于为所述加载作动器在推动所述第二模型箱不断往复移动时提供支撑；

所述加载操作系统与所述加载作动器连接，用于控制所述加载作动器推动所述第二模型箱不断往复移动。

在本发明一优选实施例中，所述钢筋混凝土反力墙及反力台座与所述第一模型箱的底部固定。

在本发明一优选实施例中，所述第二模型箱与所述第一模型箱之间的间距与所述滑轮的直径相等。

在本发明一优选实施例中，所述滑轮的直径为4～6cm。

在本发明一优选实施例中，所述锚固体的顶端面高于第一模型箱的顶端面且低于第二模型箱的底端面。

在本发明一优选实施例中，所述多根抗滑桩包括第一类型抗滑桩和第二类型抗滑桩。

在本发明一优选实施例中，所述电阻应变片沿所述抗滑桩的轴向每间隔10～20cm固定一个。

在本发明一优选实施例中，所述第一模型箱和/或第二模型箱上还设置有温度补偿片。

在本发明一优选实施例中，所述第一测试仪为静态应变测试仪，所述第二测试仪为振弦式测量仪。

为解决上述技术问题，本发明同时提供了一种针对边坡防治工程中抗滑桩的失效测试方法，利用一种针对边坡防治工程中抗滑桩的失效测试系统进行测试，包括以下步骤：

s1：根据地震加速度标准，确定加载作动器推动第二模型箱每次移动的距离；

s2：利用加载操作系统控制所述加载作动器推动所述第二模型箱不断往复移动同样的距离，并逐渐增大所述加载作动器推动所述第二模型箱每次移动的距离；

s3：在所述加载作动器推动所述第二模型箱每次移动完毕时，将电阻应变片所采集的抗滑桩的应变大小，土压力计所采集的滑体所受的土压力大小，以及，边坡物理模型和抗滑桩模型的变形破坏特征进行记录，并保存。

与现有技术相比，本发明包括以下优点：

根据试验目的和实际抗震设计要求，搭建了边坡物理模型，并在边坡物理模型中布置一个用于边坡防治的抗滑桩模型；通过在边坡物理模型和抗滑桩模型中安装检测系统，同时将动荷载加载系统连接边坡物理模型中的滑体，动荷载加载系统用于驱动滑体不断往复移动，以模拟真实地质灾害，如地震发生时，边坡受震移动的震动情况；检测系统用于对抗滑桩模型以及边坡物理模型在震动失效过程中的数据进行采集，生成数据，可探究抗滑桩在边坡防治工程中受震时的失效过程，为实际边坡防治工程提供抗震改进方向；本发明操作简单，试验参数选取要求低，试验成本较低、试验周期较短，相比现有技术，具有显著进步。

附图说明

图1示出了本发明一种针对边坡防治工程中抗滑桩的失效测试系统的立体视图；

图2示出了本发明一种针对边坡防治工程中抗滑桩的失效测试系统的侧视示意图；

图3示出了本发明一种针对边坡防治工程中抗滑桩的失效测试系统的俯视示意图；

图4示出了本发明一种针对边坡防治工程中抗滑桩的失效测试方法的步骤流程图；

图5示出了本发明一种针对边坡防治工程中抗滑桩的失效测试方法的位移加载图。

本发明的附图标记说明：

101-第一模型箱，102-第二模型箱，103-滑轮，104-第一类型抗滑桩，105-第二类型抗滑桩，106-加载作动器，107-连接杆，108-电阻应变片，109-土压力计。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

实施例1：

参照图1～3，示出了本发明一种针对边坡防治工程中抗滑桩的失效测试系统的立体视图、侧视示意图和俯视示意图，包括：

边坡物理模型，所述边坡物理模型包括固定在第一模型箱101中的锚固体，以及设置在第二模型箱102中的滑体，所述第二模型箱102位于第一模型箱101的正上方且与所述第一模型箱101之间通过滑轮103连接；

抗滑桩模型，所述抗滑桩模型包括多根抗滑桩，所述多根抗滑桩沿竖直方向依次贯穿所述滑体、锚固体后与所述第一模型箱101的底面固定；

检测系统，所述检测系统包括多个电阻应变片108、土压力计109，其中：

所述多个电阻应变片108安装在所述抗滑桩的表面且与第一测试仪连接，用于采集所述抗滑桩在失效测试过程中的应变大小；

所述土压力计109设置在所述滑体内且与第二测试仪连接，用于采集所述滑体在失效测试过程中所受的土压力大小；

动荷载加载系统，所述动荷载加载系统包括加载作动器106，钢筋混凝土反力墙及反力台座，加载操作系统，其中：

所述加载作动器106通过连接装置连接所述第二模型箱102，用于推动所述第二模型箱102不断往复移动；

所述钢筋混凝土反力墙及反力台座与所述加载作动器106连接，用于为所述加载作动器106在推动所述第二模型箱102不断往复移动时提供支撑；

所述加载操作系统与所述加载作动器106连接，用于控制所述加载作动器106推动所述第二模型箱102不断往复移动。

低周往复加载试验是目前研究结构或构件抗震性能应用最为广泛的试验方法，通过对结构或构件施加多次往复循环作用，使其在正反两个方向重复加载和卸载，用以模拟地震时结构在往复振动中的受力特征和变形特点。目前的低周往复加载试验通常应用于土木工程中，主要用于对建筑结构等进行抗震测试，如梁体结构等，通过直接对梁体结构进行震动加载，可探究梁体在真实地震时的失效过程，以便为房屋预防地震提供基础。但是已有技术中，并未将低周往复加载试验用于地质灾害中的边坡防治中，因为边坡防治中的抗滑桩失效是在与整个边坡相互作用下失效的，与土木工程中的房屋建筑物不同，目前的低周往复加载试验如果对抗滑桩直接作用，则无法探究到抗滑桩在受震时真实的失效过程，无法为实际边坡防治工程提供抗震改进方向。

针对上述技术问题，在本发明实施例中，搭建了一个边坡防治工程中针对抗滑桩的失效测试系统，可利用低周往复加载试验对抗滑桩在边坡防治工程的失效进行测试和分析。首先搭建一个边坡物理模型，边坡物理模型包括固定在第一模型箱101中的锚固体，以及设置在第二模型箱102中的滑体，然后根据试验目的和实际抗震设计要求，在边坡物理模型中布置一个用于防治的抗滑桩模型；为了研究抗滑桩在边坡防治过程的失效模式，在边坡物理模型和抗滑桩模型中安装检测系统，同时将动荷载加载系统连接滑体所在的第二模型箱102，动荷载加载系统用于驱动第二模型箱102不断往复移动，相当于驱动滑体移动，以模拟真实地质灾害，如地震发生时，边坡滑体移动的震动情况；检测系统用于对抗滑桩模型以及边坡物理模型在震动失效过程中的数据进行采集，生成数据，可探究抗滑桩在边坡防治工程中受震时的失效过程，为实际边坡防治工程提供抗震改进方向，且本发明实施例操作简单，试验参数选取要求低，试验成本较低、试验周期较短，相比现有技术，具有显著进步。

在本发明实施例中，第一模型箱101位于第二模型箱102的正下方，在第一模型箱101内浇筑锚固体，在第二模型箱102内浇筑滑体，可将锚固体和滑体均简化成均质岩体模型，根据相似比的关系选择水泥和砂按照一定的配比混合，然后将混合后砂浆浇筑在各自的模型箱中。在第一模型箱101中浇筑锚固体时，首先将第一模型吊装至预先设定的位置，然后用螺栓和砂浆将第一模型箱101与预先设定的位置固定，以避免第一模型箱101在低周往复加载试验中移动，以使得锚固体保持稳定性，这里的锚固体相当于实际边坡中靠近地平面的稳定岩层。在本发明实施例的一优选实施例中，所述钢筋混凝土反力墙及反力台座与所述第一模型箱101的底部固定。然后将多根抗滑桩分别放置于第一模型箱101中预先标定的抗滑桩安装的位置，然后再将配置好的砂浆浇筑在第一模型箱101中，最后将砂浆表面抹平，形成锚固体。

抗滑桩采用预制桩形式，基于试验目的可研究不同类型的抗滑桩在动荷载作用下的不同失效模式，如剪断和折断，设置了两种不同的桩型，所述多根抗滑桩包括第一类型抗滑桩104和第二类型抗滑桩105。抗滑桩模型在制作时，首先根据第一类型抗滑桩104和第二类型抗滑桩105的尺寸要求来制作钢筋笼在保证抗滑桩成形。进一步的，将主筋穿过所有的箍筋，再将箍筋和主筋通过胶布粘接在一起，并用铁丝绑扎，来形成钢筋笼。将制作好的钢筋笼放入木模具后用砂浆进行浇筑，将表面抹平，待养护5-7天后拆模，形成抗滑桩。箍筋材料可选用铝丝。

在第一模型箱101顶端的相对两侧边设置滑轨，然后将第二模型箱102吊装指第一模型箱101的正上方，此时抗滑桩模型的顶端置于第二模型箱102中，在第一模型箱101的滑轨上安装多个滑轮103，第二模型箱102的底端与所述滑轮103固定，使得第二模型箱102可通过滑轮103在滑轨上滑动，以此与锚固体之间可产生相对移动。这里的滑轮103与第二模型箱102的安装方式属于现有技术，在此不多赘述。第二模型箱102与第一模型箱101之间的滑轮103相当于边坡实际存在的一贯通滑动面。接着，再所述第二模型箱102中填入砂浆，沿着第二模型箱102内壁浇筑，浇筑完成后，压实土体，滑体制作完成，此时抗滑桩模型中的第一类型抗滑桩104和第二类型抗滑桩105顶端要暴露在滑体外，以便观察抗滑桩的顶端位移。

在本发明一优选实施例中，当第一模型箱101与第二模型箱102安装完成后，所述第二模型箱与所述第一模型箱之间的间距与所述滑轮的直径相等。所述滑轮的直径为4～6cm。所述锚固体的顶端面高于第一模型箱的顶端面且低于第二模型箱的底端面，以保证第二模型箱与第一模型箱之间移动顺畅，即滑体相对于锚固体移动顺畅；即锚固体的顶端面与第一模型箱的顶端之间的距离大于0，小于等于4～6cm。

另外，为了消除温度效应的影响，所述第一模型箱和/或第二模型箱上还设置有温度补偿片。即可只在第一模型箱上设置温度补偿片，也可只在第二模型箱上设置温度补偿片，或在第一模型箱和第二模型箱上均设置温度补偿片。

为研究抗滑桩的变形特征，所述电阻应变片108安装在所述抗滑桩的表面且与第一测试仪连接，用于采集所述第一类型抗滑桩104和第二类型抗滑桩105在失效测试过程中的应变大小。在安装电阻应变片108时，首先对抗滑桩表面打磨平整，然后滴上胶水，再贴上电阻应变片108轻轻按压。电阻应变片108安装数量应根据抗滑桩长度确定，在本发明一种优选实施例中，所述电阻应变片沿所述抗滑桩的轴向每间隔10～20cm固定一个。

土压力计109在制作滑体的过程中就埋置在滑体内，且与第二测试仪连接；土压力计109采集的滑体在失效测试过程中所受的土压力大小会在第二测试仪上显示，人们可以在每次加载完毕后记录第二测试仪所显示的数据。针对读取的数据，根据厂家提供的换算公式和参数进行换算可得出当前荷载下的土压力值：

p＝kδf

上式中：p为当前土压力，单位mpa；k为标定系数，由厂家提供，单位mpa/hz；δf＝|f0-fi|，其中f0为原始频率模数；fi为输出频率模数实时测量值。

在本发明一优选实施例中，所述第一测试仪为静态应变测试仪，所述第二测试仪为振弦式测量仪。

所述动荷载加载系统包括加载作动器106，钢筋混凝土反力墙及反力台座，加载操作系统。动荷载加载系统为低周往复加载试验中常用的加载设备，每个部分具体结构在此不多赘述。所述加载作动器106通过连接装置连接第二模型箱102，用于推动所述第二模型箱102不断往复移动；所述连接装置包括承压板、连接杆107，所述承压板与第二模型箱102固定且与所述连接杆107的一端螺接，所述连接杆107的另一端与所述加载作动器106固定。

实施例2：

参照图4，示出了本发明一种针对边坡防治工程中抗滑桩的失效测试方法，利用实施例1中的系统进行测试；具体可以包括以下步骤：

s1：根据地震加速度标准，确定加载作动器106推动第二模型箱102每次移动的距离；

s2：利用加载操作系统控制所述加载作动器106推动所述第二模型箱102不断往复移动同样的距离，并逐渐增大所述加载作动器106推动所述第二模型箱102每次移动的距离；

s3：在所述加载作动器106推动所述第二模型箱102每次移动完毕时，将电阻应变片108所采集的抗滑桩的应变大小，土压力计109所采集的滑体所受的土压力大小，以及，边坡物理模型和抗滑桩模型的变形破坏特征进行记录，并保存。

本发明实施例主要目的是研究边坡防治工程中的抗滑桩在动荷载作用下的失效模式，通过加载操作系统控制加载作动器106对第二模型箱102在两个方向反复的循环加载，以模拟边坡及其抗滑桩结构在动荷载作用下的受力特征。

本发明实施例的加载操作系统控制加载作动器106对第二模型箱102往复加载的方式，可采用位移(或水平推力)加载控制，使第二模型箱102在两个方向不断的正向移动和反向移动。具体的，用户通过加载操作系统输入位移+d，电阻应变片108和土压力计109采集数据，观察边坡物理模型和抗滑桩模型的变形破坏特征；然后在通过加载操作系统输入位移-d，电阻应变片108和土压力计109采集数据，又观察模型变形破坏特征，此时完成一次正向加载。然后输入-d，记录数据，观察模型变形破坏特征，在输入+d，将加载作动器106拉回原位采集数据，观察模型变形破坏特征，此时完成了一次荷载循环。

在本发明实施例的一具体示例中，第一模型箱101的长为180cm，宽为160cm，高为45cm；所述第二模型箱102的长为180cm，宽为100cm，高为150cm；安装在第一模型箱和第二模型箱中间的滑轮的直径为5cm。在边坡物理模型中布置了4根桩体，长为20cm，宽为15cm，高为150cm的第一类型抗滑桩104有两根，标号为1号和4号桩体；长为10cm，宽为7.5cm，高为150cm的第二类型抗滑桩105有两根，标号为2号和3号桩体；所述电阻应变片108沿所述第一类型抗滑桩104或第二类型抗滑桩105的轴向每间隔15cm固定一个。第一测试仪为东华测试dh3818静态应变测试仪，所述第二测试仪为fy-5a振弦式测量仪；加载作动器106可优选为mts电液伺服加载作动器106，加载操作系统可优选为mts电液伺服加载操作系统。

抗滑桩在动荷载作用下的失效测试具体可包括以下步骤：

首先进行预加载，从试验准备完成后开始对第二模型箱102进行加载，通过加载操作系统输入2.5mm的推力，以检查各项仪表的工作状态，再输入-2.5mm将作动器拉回原位。

参照图5，示出了本发明一种针对边坡防治工程中抗滑桩的失效测试方法的位移加载图。采用位移加载控制，根据地震加速度标准确定加载作动器106推动第二模型箱102每次移动的大小，本次加载过程以2.5mm为一个加载级数，正负两个方向均进行加、卸荷。即2.5mm、-2.5mm、5mm、-5mm、7.5mm、-7.5mm、10mm、-10mm、12.5mm、-12.5mm、15mm、-15mm、17.5mm、-17.5mm、20mm、-20mm、25mm、-25mm。

在所述加载作动器106推动所述第二模型箱102每次移动完毕时，即在位移加载点和每次经过原点位置时进行一次滑体土压力值，第一类型抗滑桩104和第二类型抗滑桩105的应变值等数据的采集工作，并且观察边坡模型的变形破坏过程，以及抗滑桩的破坏形态。

通过上述测试可知：刚开始加载的过程中，滑体表面未发生有明显的变形破坏现象。由于试验中抗滑桩的桩体基本全埋在锚固体和滑体中，所以加载过程中无法发现桩体的变行破坏过程，但是当在加载至10mm级的荷载以后，锚固体发出明显的砂浆开裂的声音。

加载结束后，清除滑体部分，来观察抗滑桩模型的破坏形式：1号桩只是桩身混凝土断裂，钢筋还未断裂；2号桩抗滑桩在滑面处剪断；3号桩也在滑面处出现了断裂，并且有钢筋外露；4号桩则是完全断裂，混凝土和钢筋都断开。

本测试在抗滑桩加载过程中进行了土压力值、桩顶位移、桩身应变值以及加载力的监测，由于1、4号桩是模拟抗滑桩折断破坏模式，而2、3号桩是模拟抗滑桩剪断破坏模式，所以可将1、4号桩和2、3号桩的土压力值、以及桩身应变值分别进行分析，通过土压力值判断其破坏位置，桩身应变值分析其变形破坏特征，从而得到抗滑桩在动荷载作用下的失效模式。

本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可。

以上对本发明所提供的一种针对边坡防治工程中抗滑桩的失效测试系统和一种针对边坡防治工程中抗滑桩的失效测试方法，进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。