技术领域
[0001] 本
发明属于
土木工程领域，涉及一种土质边坡抗侵蚀性的测量装置及方法，尤其涉及一种土质边坡在侵蚀剥落情况下抗侵蚀性的测量装置及方法。
背景技术
[0002] 作为边坡工程、道路工程以及堤防工程等的
建筑材料，土体直接暴露于大气环境中。土的含
水率受环境变化、降水、水位交替等影响，边坡表层土体易产生侵蚀剥落和冲刷等病害，以至于破裂以及剥落进而降低工程
稳定性。与岩质边坡不同，目前土质边坡最普遍的病害为坡面问题，伴随着大规模土木工程建设，由土质边坡坡面抗蚀性能降低而导致的坡体病害、局部滑坡和整体滑坡越来越多，造成经济损失严重危害人民生命安全。土质边坡坡面病害通常深度仅限于
气候影响带内(约为1.5-2m)，由抗蚀性能不足引起的病害根据与自然条件的不同可分为侵蚀剥落与冲刷两种，其形成机理存在一定区别。
[0003] 坡面侵蚀剥落出现于边坡的任何
位置，一般为片状、鳞片状和层状剥落，形成原因包括坡面水分湿度变化(尤其向阳坡产生的干裂剥落表现更为突出)、坡脚拉压应
力作用和
风化干缩等，通常粉粒含量多、易溶盐含量高的土容易产生侵蚀剥落。坡面土层易风化剥落对边坡稳定不利，特别是古
土壤层较厚且位于坡脚时更为不利；坡面剥落破坏除在坡脚形成凹形的反坡地形对坡体稳定有一定影响，如果不加以防护任由雨水下渗，会对边坡长期稳定性造成巨大影响；坡面剥落岩土体堵塞排水沟，影响整体排水性能。
[0004] 坡面冲刷是指降雨及坡表水流破坏坡面表层土体造成冲沟、溜塌等现象。土质边坡的工程特性是干燥时强度较高，浸水后结构破坏，粘聚力迅速减小，变化幅度大，易
水解剥落。坡面冲刷会引起大量的水土流失，土质边坡坡面冲刷与土层、土性、地形
地貌条件、水文条件等有密切的关系。当降雨时间集中或者以暴雨形式出现，土质边坡极易受雨水及地表水的破坏；边坡采用台阶形式修筑时，排
水处理不合理时也易引起冲刷破坏；降雨过后，坡面被分散的小径流冲成许多细密的小沟，坡度较陡且无植被的坡面上细沟侵蚀发育；当间歇性坡面流集中侵蚀冲刷，逐步形成浅沟侵蚀破坏坡面及平台。
[0005] 土质边坡抗侵蚀性能并不是一个简单的物理或化学指标，而是一个综合性因子。因此，定量测量土质边坡抗侵蚀性不容易实现。现行的各类规范规程中尚未有评价土质边坡抗侵蚀性的试验方法，仅有土的湿化试验和边坡降雨试验能部分的测量和反映土质边坡的抗侵蚀性，并不能完全反映土质边坡的抗侵蚀性，仅能反映饱水(冲刷)状态下这一特殊情况，通过测量坡面土质某一参数作为土质边坡坡面抗侵蚀性指标。
[0006] 土的湿化试验的基本原理是测量土体崩解过程中体积的变化，即在试验过程中将土样放入湿化仪中的网板中央，迅速浸入水筒中，开动秒表，测记开始时浮筒齐水面处刻度的瞬间稳定读数，然后再按照不同的时间间隔来测记浮筒水面的读数，计算崩解量与崩解速度。由于在试验过程中体积的变化量测误差比较大，而且需凭借肉眼观察瞬间读数，人为因素比较多，计算结果非常不准确，由于读数间隔大，并不能对土质边坡的冲刷特性进行预测。
[0007] 边坡降雨试验是现场试验的一种，通过现场工程试验路段进行人工降雨冲刷试验，获取了不同的边坡冲刷破坏过程及其抗冲刷效果。一般试验需要测量4个内容：⑴测量降雨前、后及过程中边坡土体的
含水量变化；⑵测量形成
地表径流的时间；⑶测量在不同时段水样的含泥量；⑷观测坡面冲蚀沟的形成和演化规律。模拟降雨装置一般采用仰喷式模拟降雨机。降雨喷头的高度可根据实际情况自由调节，与天然降雨的相似性能达到80％。现场降雨试验能较真实的完成对边坡的冲刷问题分析，但降雨机理和降雨大小形式与天然降雨有一定区别，不能完全正确的反映实际问题，并且试验复杂繁琐
费用很高。
发明内容
[0008] 本发明针对上述
现有技术存在的困难，提供了一种可有效利用实验室设备评价土质边坡坡面抗侵蚀性以及可减少轻现场试验的工作量和费用的土质边坡在侵蚀剥落情况下抗侵蚀性的测量装置及方法。
[0009] 为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
[0010] 一种土质边坡在侵蚀剥落情况下抗侵蚀性的测量装置，其特征在于：所述土质边坡在侵蚀剥落情况下抗侵蚀性的测量装置包括内部圆柱形
支撑架、外部圆柱形支撑架、带网眼金属方格网、金属方格板、天平以及变温变湿箱；所述内部圆柱形支撑架的顶部设置有带网眼金属方格网；所述外部圆柱形支撑架的顶部设置有金属方格板；所述外部圆柱形支撑架罩于天平的外部；所述内部圆柱形支撑架穿过金属方格板后置于天平上；所述内部圆柱形支撑架以及天平的高度之和大于外部圆柱形支撑架的高度；所述内部圆柱形支撑架、外部圆柱形支撑架、带网眼金属方格网、金属方格板以及天平均设置在变温变湿箱中；待测量的边坡坡面土样置于带网眼金属方格网上。
[0011] 作为优选，本发明所采用的内部圆柱形支撑架以及天平的高度之和至少大于外部圆柱形支撑架的高度5cm。
[0012] 作为优选，本发明所采用的天平是分离式称重装置；所述天平包括称重平台、数据
连接线以及自动采集记录仪；所述内部圆柱形支撑架穿过金属方格板后置于天平的称重平台上；所述自动采集记录仪置于变温变湿箱外部；所述称重平台通过数据连接线与自动采集记录仪相连。
[0013] 作为优选，本发明所采用的内部圆柱形支撑架的底面积小于天平的称重平台的面积；所述外部圆柱形支撑架的底面积远大于天平的称重平台在变温变湿箱中的空间占地面积。
[0014] 作为优选，本发明所采用的金属方格板的面积远大于带网眼金属方格网的面积。
[0015] 作为优选，本发明所采用的带网眼金属方格网中的单个网眼的面积不低于1cm2，所述带网眼金属方格网是截面为圆形的金属
钢丝
焊接而成。
[0016] 作为优选，本发明所采用的天平的量程为1-10kg；所述天平的
精度为0.01g；所述自动采集记录仪的自动记录时间为7d；所述自动采集记录仪的自动记录时间的时间间隔是1-5min/次。
[0017] 作为优选，本发明所采用的变温变湿箱的
温度控制范围是-40℃—100℃；所述变温变湿箱的湿度控制范围是20％RH—98％RH。
[0018] 一种基于如前所述的土质边坡在侵蚀剥落情况下抗侵蚀性的测量装置的测量方法，其特征在于：所述测量方法包括以下步骤：
[0019] 1)根据如前所述的土质边坡在侵蚀剥落情况下抗侵蚀性的测量装置搭建测量装置；
[0020] 2)采集待测量的边坡坡面土样；所述待测量的边坡坡面土样不得受压、受挤以及受扭；所述待测量的边坡坡面土样是在边坡坡面采集大
块状土后在大块状土上切取的土样；所述待测量的边坡坡面土样的边长大于50mm；将待测量的边坡坡面土样置于内部圆柱形支撑架顶部的带网眼金属方格网上，在天平的读数归零或者去皮后，测量待测量的边坡坡面土样在试验开始前的
质量m1；
[0021] 3)打开变温变湿箱
开关，按照拟分析的工程实际情况设计试验条件，周期性的调整变温变湿箱的温度以及湿度并循环变化；在一个完整周期内，所述变温变湿箱的最高温度与边坡所在区域的历史最高温度一致，所述变温变湿箱的最低温度与边坡所在区域的历史最低温度一致，所述变温变湿箱的温度随时间变化的图形呈正弦形；所述变温变湿箱的最高湿度与边坡所在区域的历史最高湿度一致，所述变温变湿箱的最低湿度与边坡所在区域的历史最低湿度一致，所述变温变湿箱湿度随时间变化的图形呈正弦形、梯形或者
马鞍形；
[0022] 4)天平的自动采集记录仪自动记录在相同时间间隔内的待测量的边坡坡面土样在试验进行中的即时质量mt，以及待测量的边坡坡面土样在试验结束后的质量m2，所述待测量的边坡坡面土样在侵蚀剥落情况下的总侵蚀剥落程度i的关系表达式是：
[0023]
[0024] 其中：
[0025] i是待测量的边坡坡面土样在侵蚀剥落情况下的总侵蚀剥落程度；
[0026] m1是待测量的边坡坡面土样在试验开始前的质量；
[0027] m2是待测量的边坡坡面土样在试验结束后的质量；
[0028] 所述待测量的边坡坡面土样在侵蚀剥落情况下随时间的侵蚀剥落程度it关系表达式是：
[0029]
[0030] 其中：
[0031] it是待测量的边坡坡面土样在侵蚀剥落情况下随时间的侵蚀剥落程度；
[0032] m1是待测量的边坡坡面土样在试验开始前的质量；
[0033] mt是待测量的边坡坡面土样在试验进行中的即时质量；
[0034] t是土质边坡在降雨冲刷情况下的所用的时间；所述t的函数表达式是：
[0035]
[0036] 其中：
[0037] M是长度为L，宽度为W的待测量的边坡坡面土样允许剥落体总质量；
[0038] 是试验中即时得到的土样质量与时间的变化函数，即it对时间t的导数。
[0039] 作为优选，本发明在上述测量方法的步骤4)之后还包括：
[0040] 5)对步骤4)得到的实验数据进行分析处理，对于同一工程点参加统计的待测量的边坡坡面土样不小于2块，当试验结果的极差不超过其平均值的10％时，待测量的边坡坡面土样在侵蚀剥落情况下的总侵蚀剥落程度i或待测量的边坡坡面土样在侵蚀剥落情况下随时间的侵蚀剥落程度it取试验结果的平均值。
[0041] 本发明的优点是：
[0042] 本发明提供了一种土质边坡在侵蚀剥落情况下抗侵蚀性的测量装置及方法，其中该测量装置包括内部圆柱形支撑架、外部圆柱形支撑架、带网眼金属方格网、金属方格板、天平以及变温变湿箱；内部圆柱形支撑架的顶部设置有带网眼金属方格网；外部圆柱形支撑架的顶部设置有金属方格板；外部圆柱形支撑架罩于天平的外部；内部圆柱形支撑架穿过金属方格板后置于天平上；内部圆柱形支撑架以及天平的高度之和大于外部圆柱形支撑架的高度；内部圆柱形支撑架、外部圆柱形支撑架、带网眼金属方格网、金属方格板以及天平均设置在变温变湿箱中；待测量的边坡坡面土样置于带网眼金属方格网上。本发明利用实验室条件模拟自然环境下的风化、温度、湿度等条件的改变，分析坡面土质的侵蚀剥落。为达到快速试验得到与实际工程的对比，采用了缩减试验时间，将工程中一年的温度湿度变化规律缩短在一周内施加在试件上，试验周期与工程要求等因素有关，可以按照相关条件进行调整。本发明结构简单，原理清晰，试验可操作性强，所需的配件易加工，成本低廉，可有效利用实验室设备评价土质边坡坡面抗侵蚀性以及可减少轻现场试验的工作量和费用，进行了多组试验，其结果能清晰
鉴别出不同土的抗侵蚀性，结果精确，可操作性强，试验结果重复性强。
附图说明
[0043] 图1为本发明所提供的土质边坡在侵蚀剥落情况下抗侵蚀性测量装置的示意图；
[0044] 其中：
[0045] 1-内部圆柱形支撑架；2-外部圆柱形支撑架；3-带网眼金属方格网；4-金属方格板；5-天平；6-称重平台；7-数据连接线；8-自动采集记录仪；9-变温变湿箱。
具体实施方式
[0046] 为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及
实施例，对本发明进行进一步详细说明。此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
[0047] 测量土质边坡在自然条件侵蚀剥落情况下抗侵蚀性的方法，利用实验室条件模拟自然环境下的风化、温度、湿度等条件的改变，分析坡面土质的侵蚀剥落。为达到快速试验得到与实际工程的对比，采用了缩减试验时间，将工程中一年的温度湿度变化规律缩短在一周内施加在试件上。试验周期与工程要求等因素有关，可以按照相关条件进行调整。由于
支架组合部分与天平
接触，天平仅能称量部分支架的质量，天平去皮归零。将土样放在带网眼金属方格网上，天平仅称量土样的质量，试验开始时土样质量m1。当变温变湿箱内环境变化时，土样表面土体剥落至金属板上，则为剥落体的质量，天平称重质量为m2，二者之差代表了边坡土质的剥落质量，由于
密度相同，则：
[0048]
[0049]
[0050] i以及it分别代表了土体的总抗侵蚀性和瞬时抗侵蚀性。
[0051] m1是待测量的边坡坡面土样在试验开始前的质量；
[0052] mt是待测量的边坡坡面土样在试验进行中的即时质量；
[0053] t是土质边坡在降雨冲刷情况下的所用的时间；t的函数表达式是：
[0054]
[0055] 其中：
[0056] M是长度为L，宽度为W的待测量的边坡坡面土样允许剥落体总质量；
[0057] 是试验中即时得到的土样质量与时间的变化函数，即it对时间t的导数。
[0058] 同时，对上述得到的实验数据进行分析处理，对于同一工程点参加统计的待测量的边坡坡面土样不小于2块，当试验结果的极差不超过其平均值的10％时，待测量的边坡坡面土样在侵蚀剥落情况下的总侵蚀剥落程度i或待测量的边坡坡面土样在侵蚀剥落情况下随时间的侵蚀剥落程度it取试验结果的平均值。
[0059] 下面结合附图对本发明所采用的技术方案进行详细描述。
[0060] 参见图1，本发明提供了一种土质边坡在侵蚀剥落情况下抗侵蚀性的测量装置，该土质边坡在侵蚀剥落情况下抗侵蚀性的测量装置包括内部圆柱形支撑架1、外部圆柱形支撑架2、带网眼金属方格网3、金属方格板4、天平5以及变温变湿箱9；内部圆柱形支撑架1的顶部设置有带网眼金属方格网3；外部圆柱形支撑架2的顶部设置有金属方格板4；外部圆柱形支撑架2罩于天平5的外部；内部圆柱形支撑架1穿过金属方格板4后置于天平5上；内部圆柱形支撑架1以及天平5的高度之和大于外部圆柱形支撑架2的高度；内部圆柱形支撑架1、外部圆柱形支撑架2、带网眼金属方格网3、金属方格板4以及天平5均设置在变温变湿箱9中；待测量的边坡坡面土样置于带网眼金属方格网3上。
[0061] 支架组合：由内部圆柱形支撑架和外部圆柱形支撑架组成。其中内部圆柱形支撑架的高度加上天平的高度需大于外部圆柱形支撑架5cm以上，以保证落下的土质与内部圆柱形支撑架不接触；内部圆柱形支撑架的底面积应小于天平承重托盘的面积，外部圆柱形支撑架的底面积应远大于天平底面积，从而使得天平可以称量内部圆柱形支撑架的质量，却不能称量外部圆柱形支撑架的质量。
[0062] 带网眼金属方格网：网眼面积一般为1cm2(可以更大，不允许过小)，方格网为金属钢丝焊接而成，表面光滑，截面形状为圆形(不宜为矩形)；
[0063] 圆形金属板：存在四个圆形孔给予内部圆柱形支撑架穿过。面积需远大于带网眼金属方格网。
[0064] 天平：分离式称重装置，由称重平台6、数据连接线7、自动采集记录仪8组成，称重平台6通过数据连接线7与自动采集记录仪8相连。天平5的量程1—10kg，精度为0.01g，自动记录时间为7d，每次记录时间间隔为5min/次。
[0065] 变温变湿箱：为电脑控制式温度与湿度可调节仪器，可实现温度与湿度的连续周期性循环，
温度控制范围为-40℃—100℃，湿度控制范围20％—98％RH。
[0066] 支架组合的外部支撑架放置于变温变湿箱内，天平放置于外部支撑架内的中心位置，内部支撑架放置于天平承重台上，圆形金属板放置于外部支撑架顶面，带网眼金属方格网放置于内部支撑架上。
[0067] 本发明所提供的土质边坡在侵蚀剥落情况下抗侵蚀性的测量方法，包括以下步骤：
[0068] 首先将圆柱形支撑架2放置于变温变湿箱内，天平放置于圆柱形支撑架1内，然后将圆柱形支撑架1放置于天平承重台上，金属方格板放置于圆柱形支撑架2顶面，带网眼金属方格网放置于圆柱形支撑架1上。
[0069] 1、采集土体土样，在取样过程中土样不得受压、受挤和受扭，在运输过程避免振动破坏土体结构。在土体土样上切取土，一般宜取6块以上，边长大于50mm的正方体。使用天平测量土样时间质量m1分别为305g、410g、352g、368g、341g和385g，将试样放置于带网眼金属方格网上。
[0070] 2、组装整套仪器，此时天平读数归零或者去皮，然后将土样放置于带网眼金属方格网上。
[0071] 3、将变温变湿箱水箱注满水，打开开关，按照实际情况或试验要求调整温湿度变化规律，为简化工作量一般推荐快速试验法，即在一周时间内通过实验室试验模拟工程一年的环境变化，从而实现对土质边坡在自然条件侵蚀剥落情况下土样质量变化的测量。快速试验法的试验周期一般为一周，模拟边坡的长期侵蚀剥落情况试验周期可适量增加三-四个周期，本次试验周期定为五周。在一个完整周期内，变温变湿箱最高温度与边坡所在区域历史最高温度一致，最低温度与边坡所在区域历史最低温度一致，温度随时间变化图形呈正弦形；最高湿度与边坡所在区域历史最高湿度一致，最低湿度与边坡所在区域历史最低湿度一致，湿度随时间变化规律与所在区域一致，对于南方一般为正弦形或者梯形，对于北方一般为
马鞍形。按照实际情况或试验要求调整温湿度变化规律，记录天平在时间间隔(一般为5min或者10min)的读数mt分别为263.2g、365.3g、302.0g、324.0g、303.5g和346.6g。待试验结束读取数据m2。由于记录时间较长，而记录时间间隔为5min/次，数据量巨大，以周为单位给出部分结果如下。
[0072]
[0073] 4、边坡土质在干湿交替情况的剥落程度可用前述公式(1)、(2)以及(3)计算得到。
[0074] 以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何
修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
