技术领域
[0001] 本
发明属于地质灾害防控技术领域，涉及一种反倾边坡模型装置，具体涉及一种研究反倾岩质边坡破坏过程的室内模型试验系统。
背景技术
[0002] 中国是一个边坡灾害多发的国家，在现有的边坡灾害研究中，大多是针对顺倾边坡进行研究，关于反倾边坡的研究较少。而在现有的关于反倾边坡的研究中，大多都是进行理论或者数值研究，然后将理论与工程实例进行对比验证。然而理论研究所提出的模型往往是经过大量的简化的，与工程实例的工况和条件相差较大，从而导致了验证结果的不一致性，以及理论与实际不能很好的结合起来。同时，现有的室内试验系统，往往由于加载条件的限制，采用堆载法来施加外部荷载，手段简单且场地限制颇多，并且加载的应
力路径与实际不相符，从而导致边坡破坏模式与实际情况有所偏差。因此，急需一种可以解决上述问题的研究反倾岩质边坡破坏过程的室内模型试验系统及试验方法。
发明内容
[0003] 针对上述反倾边坡研究的问题，本发明要解决的技术问题就是设计了一种研究反倾岩质边坡破坏过程的室内模型试验系统以及试验方法。这个试验系统及试验方法能够依靠自身反力结构实现加载，并能够简单、方便地获取反倾边坡破坏过程的位移和荷载信息。
[0004] 为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案如下：
[0005] 一种研究反倾岩质边坡破坏过程的室内模型试验系统，其特征在于：包括反力
框架、加载装置和高速摄像机，所述反力框架底部设有
底板，反力框架的左右两侧分别设有
挡板，反力框架的前后两侧设有用于观测的透明板，为观测面，在底板、挡板和透明板之间围成的空间内浇注用于试验的反倾边坡模型，在边坡模型的观测面上布置多个与反倾边坡模型本体
颜色差异大的观测点作为位移监测点，所述加载装置设于反力框架内顶部与反倾边坡模型顶部之间，用于施加破坏
载荷，所述高速摄像机位于观测面，用于对边坡模型的观测面连续拍摄图片。
[0006] 作为改进，所述反倾边坡模型由重晶石粉、细
河沙、
石膏粉、甘油和
水按比例搅拌浇注而成，反倾边坡模型分层浇筑，层间采用均匀分布细河沙来模拟节理，反倾边坡模型分层浇筑完成后，在常温条件下养护28天以上。
[0007] 作为改进，所述重晶石粉、细河沙、石膏粉、甘油和水的
质量比为22.5:55.5:25:2:16。
[0008] 作为改进，所述观测点采用黑色颜料涂覆而成。
[0009] 作为改进，所述观测点大小为1-3mm。
[0010] 作为改进，所述反力框架包括立柱、长横梁、短横梁、反力板和多个
垫片，四根立柱分别通过垫片固定在底板上，两个长好横梁分别通过垫片固定在四个立柱顶部，两个短横梁分别固定在两个长横梁两端组成矩形框架，所述反力板固定在矩形框架顶部。
[0011] 作为改进，所述立柱、长横梁和短横梁均采用
角钢制成。
[0012] 作为改进，所述加载装置包括千斤顶和千分表，所述千斤顶安装在反力板底部，千斤顶下端与反倾边坡模型之间设有加载垫板，所述千分表设于千斤顶侧方的加载垫板与反力板之间。
[0013] 本发明有益效果是：
[0014] 本发明室内模型试验系统可以进行非
接触式监测位移试验，清晰完整地获得反倾边坡模型的整体位移及
变形情况，具有
精度高、简单易操作等优点。
[0015] 采用本发明室内模型试验系统进行非接触式测量克服了传统接触式测量由于
传感器安装带来的测量误差和对测量结果的干扰，可以最大程度还原边坡位移真实过程。
[0016] 本发明室内模型试验系统要求其整体结构尺寸适中，适合室内试验；该系统不需要外部反力装置提供荷载，能够依靠自身结构提供反力。并且该结构施加荷载
位置可以自由调节，克服了加载试验所需要单独的反力条件；同时其整体强度足够，能够满足试验所需加载强度，并且该装置采用
螺纹连接，便于拆卸、移动和改装；该装置配有压力表和千分表，可兼顾位移与荷载进行加载试验；模型制作空间足够大，便于制作反倾边坡模型；进行加载试验时，观察面视线良好，便于观察。
附图说明
[0017] 图1为标记有位移监测点的室内模型试验系统图；
[0018] 图2为本发明室内模型试验系统三维示意图；
[0019] 图3为高速摄像机所拍摄初始时刻的照片；
[0020] 图4为荷载作用下反倾边坡模型变形后的位移矢量图。
[0021] 附图标记：1-底部角钢垫片，2-框架立柱角钢，3-底部钢板，4-挡板，5-顶部角钢垫片，6-短框架角钢，7-长框架角钢，8-千斤顶，9-反力板，10-加载垫板，11-压力表，12-千分表，13-反倾边坡模型，14-位移监测点。
具体实施方式
[0022] 为了使本发明所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及
实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
[0023] 如图1和图2所述，一种研究反倾岩质边坡破坏过程的室内模型试验系统，包括反力框架、加载装置和高速摄像机(图中未画出)，所述反力框架底部设有底板，反力框架的左右两侧分别设有挡板，反力框架的前后两侧设有用于观测的透明板，为观测面，在底板、挡板和透明板之间围成的空间内浇注用于试验的反倾边坡模型13，在边坡模型的观测面上布置多个与反倾边坡模型13本体颜色差异大的观测点作为位移监测点14，所述加载装置设于反力框架内顶部与反倾边坡模型13顶部之间，用于施加破坏载荷，所述高速摄像机位于观测面，用于对边坡模型的观测面连续拍摄图片。
[0024] 本实施例中，反力框架包括底部钢板3、四个框架立柱角钢2、两个长框架角钢7和两个短框架角钢6，其中，底部钢板3作为底板，四个框架立柱角钢2通过四个底部角钢垫片1安装在底部钢板3上，其
中底部角钢垫片1与底部钢板3之间采用
螺栓连接；框架立柱角钢2与底部角钢垫片1之间采用
焊接连接；两个长框架角钢7分别通过两个顶部角钢垫片5固定在四个框架立柱角钢2顶部，形成反力框架，两个短框架角钢6固定在两个长框架角钢7两端，分别用于增加框架的
稳定性，其中，框架立柱角钢2与顶部角钢垫片5采用焊接连接；长框架角钢7和短框架角钢6与顶部角钢垫片5三者之间采用螺栓连接，短框架角钢6搭在长框架角钢7之上；反力板9通过螺栓固定于两个长框架角钢7底部，在反力框架的左右两侧分别固定一个挡板4，在反力框架的前后两侧分别安装一个透明的PMMA板(图2中未画出)作为观测面，在左右两个挡板4和前后PMMA板所形成的区域内浇筑边坡模型，挡板4与框架立柱角钢2之间采用螺栓连接；观测面前后的PMMA板与框架立柱角钢2之间也是采用螺栓连接。
[0025] 本实施例中，底部钢板3的数量为1个，起构建反倾边坡搭建平台的作用；底部角钢垫片1的数量为4个，均匀分布在底部钢板3上，起均匀分担并弱化由千斤顶8加载产生的
应力集中，即通过框架立柱角钢2传力至底部钢板3上；框架立柱角钢2的数量为4个，起搭建整个研究反倾岩质边坡破坏过程的室内模型试验系统框架的枢纽作用；顶部角钢垫片5的数量为4个，起连接上部结构与框架立柱角钢2的关键作用；长框架角钢7的数量为2个，起承受反力板9的力的作用；短框架角钢6的数量为2个，起固定和防止系统整体变形的作用；左右挡板4的数量为2个，起约束反倾边坡模型13的侧向位移及变形的作用；反力板9的数量为1个，起提供反力的作用，并且可在该系统内任意位置提供反力；加载垫板10的数量为1个，起将荷载均匀分布在反倾边坡表面的作用；压力表11的数量为1个，起监控和记录加载过程中的荷载的大小的作用；千分表12的作用，起监控和记录加载过程中边坡竖向位移变化的作用。
[0026] 需要指出的是上述反力框架仅仅一个较优举例，上述形状不限于角钢搭建，也可以采用其他定制钢材或者
型材搭建。
[0027] 利用本发明上述搭建的室内模型试验系统可以进行反倾边坡破坏位移监测的模拟实验，具体步骤如下：
[0028] 步骤1、建立反倾边坡模型13，在如图1和图2所示，在上述室内模型试验系统的左右两个挡板4和前后PMMA板所形成的区域内浇筑边坡模型，边坡模型材料由重晶石粉、细河沙、石膏粉、甘油和水按照质量比22.5:55.5:25:2:16搅拌而成。反倾边坡模型13分层浇筑，层间采用均匀分布细河沙来模拟节理。反倾边坡模型13分层浇筑完成后，在常温条件下养护28天，边坡模型浇注完成后，在反力板9底部固定安装带压力表11的千斤顶8，在千斤顶8和边坡模型顶部之间安装加载垫板10，在千斤顶8侧面安装千分表12，在观测面安装高摄像机，最优的高摄像机拍摄角度与观测面垂直。
[0029] 步骤2、如图1所示布置位移监测点14，在待加载的反倾边坡模型13观察面布置大小为2mm左右的黑点作为位移监测点14，具体黑点可以采用颜料标记。
[0030] 步骤3、高速摄像机拍摄实时照片，开始加载时，启动千斤顶8，参照千分表12或者压力表11控制加载速率，通过高速摄像机拍摄并记录室内反倾边坡模型13观察面的位移及变形情况。如图3所示为高速摄像机拍摄的加载初始时刻的照片。
[0031] 步骤4、二值化处理处理拍摄的实时照片，加载完成后，将步骤3中高速摄像机所拍摄的照片转
化成灰度图，再提取每个
像素点的颜色灰度信息。标记有黑点的像素灰度值较小，其他像素的灰度值较大(像素的灰度值范围为0-255)。然后通过二值化处理，提取出位移监测点14。即：对整幅图像选取单一的
阈值T进行二值化，它将图像每个像素的灰度值与阈值T进行比较，若像素的灰度值大于T，则该像素的灰度值更改为255(即为白色)；若像素的灰度值小于T，则该像素的灰度值更改为0(即为黑色)。其公式表达如下：
[0032]
[0033] 公式(1)中，I(i,j)为图片中第i行第j列的像素的灰度值，T为二值化的阈值。
[0034] 当然本发明试验装置不限于上述
[0035] 步骤5、获得反倾边坡模型13的位移矢量图，将经过二值化处理后的高速摄像机拍摄的多组照片，捕捉到每个位移监测点14后，计算每个位移监测点14的水平方向和竖直方向的位移变化值，从而获得每个位移监测点14的位移变化情况，这样就可以在不接触反倾边坡模型13的条件下监测边坡的位移情况。如图4所示为荷载作用下反倾边坡模型13变形后的位移矢量图。位移矢量表达式如下：
[0036]
[0037] 公式(2)中， 为t时刻第n个位移监测点14的位移矢量，a0为单个像素的边长，为初始时刻第n个位移监测点14像素所在的行和列数， 为t时刻第n个位移监测点14像素所在的行和列数， 为第n个位移监测点14从初始时刻到t时刻的单位方向向量，其表示为：
[0038] 当然本发明不限于上述位移监测的模拟实验，还可以是破坏过程形态观察，极限破坏等等各种试验。
[0039] 以上为本发明实施方式举例说明，虽然参考示例性实施例具体地示出并说明了本发明的实施例，但是本领域普通技术人员应该理解，在未脱离通过
权利要求书定义的本发明实施例的宗旨和范围的前提下可以进行在形式上和细节上的多种变化。
