一种模拟水入渗下裂缝场地形变与结构破坏的装置及方法

本发明涉及岩土工程监测与地质灾害防治，尤其是涉及一种模拟水入渗下裂缝场地形变与结构破坏的装置及方法。

背景技术：

1、在全球气候变化的背景下，极端降雨事件的频率和强度显著增加，强降雨诱发的工程地质灾害日趋频发。对于地质条件复杂的区域，土体中普遍发育有构造地裂缝、差异沉降裂缝、干湿循环收缩裂缝等多成因裂隙。这些裂隙构成了地表水入渗的优先通道，从根本上改变了土体的渗流场格局，促使地表水沿裂隙快速下渗至深层土体，进而引发裂隙周边地基土体含水率急剧上升。

2、已有研究表明，裂缝会破坏土体的结构性，形成一定宽度的影响带，使地表水通过裂缝带渗入相对隔水层以下的深层土体。裂缝作为降雨入渗的优势通道，在降雨条件下使渗流场发生改变，湿润锋呈现特殊的漏斗状分布形态，孔隙水压力随之波动，土压力分布也发生明显改变。当裂缝形成后，大气降水和地表水汇集并沿裂缝下渗，使得裂缝带附近地基产生显著的潜蚀、湿陷和软化等复杂的物理化学作用，进一步加剧裂缝发育，使地面产生不均匀的差异沉降，进而引发地面建构筑物倾斜破坏、管道断裂、路基开裂等严重工程事故。

3、现有裂缝模型试验装置仅能模拟裂缝本身的形成，难以模拟建构筑物在不同程度地表水入渗条件下，受裂缝地表形变及湿润锋运移影响的灾变特征与行为。对于极端降雨工况下裂缝作为优势渗流通道引发建构筑物不均匀沉降的预警防范，目前缺乏能够通过室内或原位模拟试验获取定量评价参数的装置和方法，难以为工程防治措施的制定提供科学依据。

4、因此，为了探究水入渗驱动下裂缝场地形变与结构破坏机理，搭建可精准复现全过程的物理模型试验装置，是揭示灾变规律、支撑工程防护的关键研究手段。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供一种模拟水入渗下裂缝场地形变与结构破坏的装置及方法，以解决现有试验装置无法实现多工况裂缝模拟、降雨入渗与结构灾变全过程同步监测、试验数据精度低的技术问题，实现裂缝场地降雨入渗、土体形变、建构筑物破坏的全过程与多维度定量试验研究。

2、为实现上述目的，本发明提供了一种模拟水入渗下裂缝场地形变与结构破坏的装置，包括模型箱、降雨模拟装置和监测装置，所述模型箱为上端敞开的矩形箱体结构，所述模型箱内填充有试验土体，所述降雨模拟装置设置于所述模型箱上方，用于产生可控强度和空间分布的人工降雨；

3、所述监测装置包括tdr探针阵列、地表形变监测系统和数据采集与处理系统，所述地表形变监测系统包括位移传感器阵列和图像采集装置，所述数据采集与处理系统包括多通道数据采集器和计算机控制单元；所述tdr探针阵列包括若干组竖直探针列和水平探针列，所述试验土体上表面设置有试验建构筑物。

4、优选的，所述模型箱包括底板和垂直设置于底板四边的前透明挡板、左挡板、右挡板和后挡板，所述模型箱的尺寸为长度2000~3000mm、宽度1000~1500mm、高度1500~2000mm；所述底板上开设有多个用于排水的出水孔。

5、优选的，所述模型箱内部设置有裂缝模拟组件，所述裂缝模拟组件包括平行设置的固定隔板和活动隔板，所述固定隔板竖直固定于所述底板中部，所述活动隔板通过水平调节螺杆与所述右挡板连接，且所述活动隔板套设于所述水平调节螺杆上；

6、所述固定隔板与所述活动隔板之间的间隙用于模拟裂缝，所述试验土体表面埋设有用于标记裂缝位置的裂缝标记线。

7、优选的，所述前透明挡板采用钢化玻璃制作而成，其表面刻印有坐标网格线；所述底板、左挡板、右挡板和后挡板均采用不锈钢板材质制作而成，所述底板下方设置有用于收集渗水的集水槽，所述活动隔板的下端连接有不同竖直长度的延伸板，所述延伸板可拆卸，用于模拟不同深度的裂缝。

8、优选的，所述降雨模拟装置包括供水箱、水泵、流量控制阀、降雨喷头组和雨量计，所述供水箱的出水口通过管路与所述水泵的进口连通，所述水泵的出口与所述流量控制阀连通，所述降雨喷头组设置于所述模型箱正上方；

9、所述降雨喷头组包括若干均匀排布的雾化喷头，所述流量控制阀出口通过分支管路与所述降雨喷头组的各个雾化喷头相连接；所述雨量计布置在所述模型箱的上方边缘处，所述流量控制阀选用电动调节阀。

10、优选的，所述tdr探针阵列在所述试验土体中沿所述前透明挡板的内侧分层布设，布设方式为在所述裂缝模拟组件两侧对称位置分别设置若干组竖直探针列和水平探针列，所述若干组竖直探针列沿试验土体深度方向等间距埋tdr探针，所述若干组水平探针列沿水平方向在所述裂缝模拟组件两侧不同水平距离处设置tdr探针列。

11、优选的，所述位移传感器阵列包括若干位移传感器，所述位移传感器设置于所述试验土体上方，并沿所述裂缝模拟组件两侧对称布置；所述图像采集装置设置于所述模型箱正上方，用于定时采集所述试验土体及所述试验建构筑物表面图像，识别地表变形与建构筑物开裂情况。

12、优选的，所述多通道数据采集器分别与所述tdr探针阵列、所述地表形变监测系统、所述雨量计的输出端电性连接，用于收集各传感器信号，并将数据输入至所述计算机控制单元；

13、所述计算机控制单元用于接收并存储各传感器数据，其内安装有数据分析处理软件，用于观察各监测点的实时含水率，判别湿润锋的到达时刻和位置，并绘制湿润锋运移时空分布图、地表沉降曲线、差异沉降梯度图以及建构筑物倾斜率变化图。

14、本发明还提供一种模拟水入渗下裂缝场地形变与结构破坏的方法，包括以下步骤：

15、根据需要模拟的场地土体特性铺设试验土体层，并在所述试验土体内埋设tdr探针阵列及位移传感器阵列；

16、根据需要模拟的建构筑物与裂缝的相对位置关系，在试验土体表面砌筑试验建构筑物；

17、根据需要模拟的裂缝宽度和深度，移动所述裂缝模拟组件中的活动隔板并锁定；

18、启动降雨模拟装置进行表水入渗试验，同步启动tdr探针阵列、地表形变监测系统及数据采集与处理系统采集试验数据；

19、根据采集的数据分析湿润锋运移规律、地表形变特征及建构筑物破坏过程。

20、优选的，所述tdr探针阵列包括若干组分层埋设于试验土体的竖直探针列和水平探针列，所述竖直探针列沿试验土体深度方向等间距布设，布设间距为50～100mm；所述裂缝模拟组件两侧分别对称布设3～5组水平探针列，各组水平探针列与模拟裂缝的水平距离不等。

21、因此，本发明采用上述一种模拟水入渗下裂缝场地形变与结构破坏的装置及方法，有益效果如下：

22、（1）本发明设置裂缝模拟组件，可实现裂缝宽度、深度的无级调节与精准定位，能够模拟工程场地各类成因、不同尺度的裂缝工况，工况适配范围广、模拟真实性高。

23、（2）本发明采用可控式降雨模拟装置，可精准模拟不同强度的极端降雨工况，结合雨量计实时反馈校准，保证降雨入渗条件贴合自然实际场景，试验可重复性强。

24、（3）本发明构建了“土体含水率-湿润锋运移-地表点位沉降-全域形变-结构破坏”多维度同步监测体系，突破了现有单一监测的局限，可获取多源耦合试验数据，精准揭示裂缝场地降雨入渗致灾演化规律。

25、（4）本发明可灵活调节试验建构筑物基础形式、与裂缝的相对位置，能够研究不同空间位置、不同基础类型建构筑物的灾变响应差异，为工程选址、结构防护提供数据支撑。

26、（5）本发明试验流程完整、操作简便、数据精度高，可直观复现裂缝场地地表形变引起建构筑物破坏的全过程，有效弥补了现有室内模型试验的技术短板，具有重要的科研价值与工程应用前景。

27、下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。