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(2)学生交互性操作步骤说明:
- 一、体验模块——了解滑坡体典型地形特征,以及滑坡区变形对道路房屋、植被造成的影响。
- 步骤1:现场踏勘,了解滑坡区变形对道路房屋造成的危害。
- ①道路沉降裂缝:下滑力导致路基土体变形,道路出现不均匀沉降及裂缝。
- ②房屋拉裂缝: 下滑力导致地基变形,房屋上部结构出现拉裂。
图 6 滑坡对道路和房屋造成的危害((a):房屋裂缝;(b):道路裂缝)
- 步骤2:了解滑坡典型地形特征及对植被的影响
- ①滑坡前缘堆积体:滑坡体运动到开阔平缓地带停止后,形成的扇状堆积体(滑坡前缘堆积体)。
- ②滑坡平台:滑体在下滑时,由于滑动距离有差异而导致在滑体表面形成的阶梯状错落平台(滑坡平台)。
- ③滑坡后壁:滑坡发生后在后缘形成的坡度较大的陡壁(滑坡后壁)。
- ④马刀树:滑坡体上的树木随土体变形而倾斜,在变形停止后树干的上部又转为直立状态的树木。它的存在是滑坡的明显标志(马刀树)。
(a)
(b)
(c)
(d)
图 7 滑坡地形特征((a) 滑坡后壁;(b)滑坡平台;(c):滑坡前缘堆积体;(d)马刀树)
- 二、实践模块——地质钻孔与岩芯取样
- 步骤3:按照《滑坡防治工程勘查规范》(GBT 32864-2016),沿滑坡轴线设置监测断面,按照每40-80m间距,利用手持GPS选定7个监测孔位(图 6(a)、(b))。
(a)
(b)
(c)
图 8 GPS确定监测孔位((a):手持GPS; (b):监测孔位置;(c):监测点位平面图)
- 步骤4:钻机和泥浆泵进场,建造泥浆池(图 7 (a)、(b))。
(a)
(b)
图 9 钻探装置进场((a):泥浆泵;(b):钻机)
- 步骤5:认识XY-4型钻机基本组成。具体步骤为:
- ①动力机:钻探用动力驱动装置,由电动机和柴油机组成(图 8(a)、(b))。
- ②卷扬机:提升装置,用以提升钻具(图 9(a)、(b))。
(a)
(b)
图 10 动力机与卷扬机((a):动力机;(b):动力机)
- ③立轴:回转器将动力传递给立轴, 带动钻具钻进,立轴在钻进中可起到导正和固定钻具方向的作用(图 10(a)、(b))。
- ④回转器:传递动力,带动转具回转以钻取岩石。
(a)
(b)
图 11 立轴与回转器((a):立轴;(b): 回转器)
- ⑤联通地面钻进设备与地下破岩工具的枢纽。钻杆将压力和扭矩传递给钻头,实现连续钻进,且能为冲洗介质提供输送通道。
- 步骤6:组装转柱。采用直径75mm金刚石空心钻头,依次连接钻杆-异径接头-双层岩芯管-扩孔器-金刚石钻头,形成转柱(图 11(a)、(b))。
(a)
(b)
图 12 组装转柱((a):钻杆;(b):组装钻柱)
- 步骤7:启动钻机与泥浆泵,进行回转钻进。动力机带动钻柱,进行机械回转钻进(图13(a));钻进过程中,钻杆将扭矩传递给钻头,泥浆冲洗液经岩芯内外管间隙流向孔底,以达到维护孔壁,冷却转头的目的(图13 (b))。
图13 钻机钻进
- 步骤8:采取岩芯(图 14(a)、(b))。具体步骤为:
- ①钻进过程中,利用取芯钻具采取岩芯,岩芯进入岩芯管后,通过卡簧将岩芯卡断。
- ②关闭泥浆泵,操作卷扬机提升钻杆,将岩芯管提升至地表。
- ③点击岩芯管,取出岩芯。
图 14 岩芯取样
- 步骤9:地质清孔,完成钻孔(图 15(a)、(b))。具体步骤为:
- ①启动泥浆泵,采用正循环清孔工艺进行地质清孔:钻头在原位继续转动,泥浆冲洗液携带钻渣从钻杆和孔壁之间空隙排出。
- ②清孔完毕后,利用卷扬机小心提升套管至地表,关闭泥浆泵和钻机电源。
图 15 操纵卷扬机进行地质清孔
- ③弹出考核题目,计算基岩RQD值,进行初步地质评价。(计算基岩RQD值,进行初步地质评价。)根据取得岩芯计算每个孔位所取岩芯的RQD值,进行基岩质量等级分类。
图 16 计算基岩RQD值
- 三、科研思维模块—FBG技术滑面监测
- 步骤10:FBG传感器安装(图17(a)、(b))。
- 根据每个孔位深度,确定每个孔位所需PVC管长度。对于每根PVC管,将FBG传感器按1m间距依次安装于PVC管外壁。传感器安装步骤如下:
- ①将FBG裸栅用氰基丙烯酸酯胶粘剂(Cyanoacrylate Adhesive)贴于PVC管外壁,粘贴长度略大于光纤长度。(将FBG裸栅贴于PVC管外壁)
- ②将直径3mm热缩管从中间剪开,罩到FBG上,形成保护套。保护套仅起到保护光纤的作用,并不参与应变传递。用速干胶密封周边缝隙,形成“光纤层—胶结层—PVC管”三层应变传递模型。(将热缩管从中间剪开,罩到FBG上,形成保护套)
图 17 FBG粘贴完成图
- 步骤11:灌注水泥浆和细沙,浇筑水泥墩台, 进行监测装置预埋(图 18)。
- 将安装有FBG传感器的PVC管小心放入孔内,外壁灌水泥浆,水泥浆灌注至2m高度后停止。待水泥浆凝结后,即可将PVC管底部即固定于基岩。灌注细沙,以填充PVC管外壁与钻孔壁之间的空隙。填充完成后,等待一周,使PVC管附近土体完成钻孔开挖造成的应力重分布。浇筑完成后,PVC端头固定于水泥墩台内,避免雨水渗入土体与PVC管之间空隙,且避免附近居民触碰,造成实验数据扰动。
(a)
(b)
图 18 填充钻孔壁与PVC管外壁之间空隙((a):灌注水泥浆;(b):灌注细沙)
- 步骤12:连接解调仪与PC端,设置采样参数。具体步骤如下:
- ①清洁解调仪接口。将洁净棉签蘸满医用酒精消毒液,插入通道接口,并缓慢沿同一方向旋转擦拭。
- ②连接FBG光纤传感器接头小心插入解调仪连接孔,并接通解调仪电源线,指示灯亮起(红)。
- ③匹配解调仪与电脑IP地址。为了保证电脑的IP与解调仪在同一域,必须设置电脑的IP地址。设置方法是:在电脑“本地连接”中点击“属性”,双击Internet协议(TCP/IP),设置IP地址为:10.0.0.10。设置子网掩码为:255.0.0.0,其它保持缺省值,点击确定。
- ④打开数据采集软件,此时解调仪进入采集数据状态。
(a)
(b)
(c)
图 19连接解调仪与PC端((a)清洁解调仪;(b)连接解调仪与PC端;(c)设置采样参数)
- 步骤13:原始数据采集与编程处理。具体步骤如下:
- ①对于监测孔位2-7,依次按照步骤2)-15)进行钻孔、传感器安装等步骤,钻孔1-7中FBG-PVC管传感器全部封装完毕,且光纤接入现场监测室的解调仪之后,即可利用应变解调仪自动实时采集原始数据,并保存于实验用笔记本中。
- ②调用Visual Studio和Intel Visual Fortran将实验采集原始波长数据处理为应变数据,如下图所示(图 23)。
图 20 基于Visual Studio平台利用Fortran语言处理原始数据
- 步骤14:绘制滑面位置监测曲线。
- 首先调用Origin绘制每根FBG-PVC管监测装置应变时程曲线和应变分布曲线,根据每根FBG-PVC管应变分布曲线中应变符号突变之处识别滑面位置。连接每根FBG-PVC管所识别的滑面位置,即可绘制完整的滑面位置曲线。
- 四、自主探究模块——自主设计工程防治措施
- 步骤15:自主设计悬臂式抗滑桩。
- ①学生选择合适地形,自主确定抗滑桩群位置。若地形选择不当,则弹出错误提醒。
(a)
(b)
图 21 学生自主选择抗滑桩位置((a):学生自主选择合适地形;(b):地形选择不当弹出提醒)
- ②抗滑桩群位置确定后,弹出考核题目。
- ③弹出抗滑桩参数对话框,学生根据《T/CAGHP-003-2018抗滑桩治理工程设计规范(试行)》,结合地质勘查数据,自主选择抗滑桩数目、桩长、桩间距、截面尺寸等设计参数。
(a)
(b)
图 22 学生自主设计抗滑桩参数((a):抗滑桩测试题目;(b):填写抗滑桩参数)
- ④按照由两侧到中间的顺序施工,采用间隔开挖方式,每次间隔1个孔。
(a)
(b)
图 23 抗滑桩施工((a):间隔施工提醒;(b):抗滑桩施工)
- ⑤若抗滑桩设置参数不合理,此时将弹出警示“治理工程失效,滑坡即将发生”,然后载入滑坡发生场景。
(a)
(b)
(c)
图 24 抗滑桩失效导致滑坡发生((a):抗滑桩设置失效提醒;(b):滑坡掩埋房屋;(c):滑坡堵塞航道)
- 步骤16:自主设计地表和地下排水设施。
- ①地下设置土工布排水渗沟。首先,学生根据《滑坡防治工程设计与施工技术规范(dzt0219-2006)》,选择地下渗沟布设位置(地形凹陷的区域,呈条带状布设)。进行沟槽开挖,人工找平。第二,沟壁和沟底均铺设渗水土工布,作为反滤层。第三,在垫层上铺设有孔透水波纹管,坑内空间填筑直径3-6cm的洁净碎石。最后,进行压实平整,并在顶部铺设一层土工布,即完成地下排水渗沟制作。
(a)
(b)
图 25 学生自主选择地下渗沟布设位置((a)自主选择渗沟位置;(b):考核题目)
(a)
(b)
(c)
(d)
图 26 土工布排水渗沟((a):地下渗沟开挖 (b):铺设土工布;(c):铺设波纹管;(d):铺设碎石)
- ②地表设置环形截水沟。学生(应设置在滑坡体后缘,远离裂缝5m之外的稳定坡面上)。截水沟断面为矩形,沟壁和沟底采用浆砌片石或水泥砌成,施工时先砌筑沟壁,后砌筑沟底。迎水面设置泄水孔,泄水孔直径100-300mm。
(a)
(b)
图 27 地表排水设施((a)截水沟开挖;(b)截水沟砌筑)
- 步骤17:自主设计土工布岸坡防护方案
- 视角转向江边,学生选择以下两种护坡方式:
- ①采用混凝土板护坡结构型式,施工方法为:首先,清理坡面,先铺置3~5 cm厚的砂层,然后再铺设土工布;土工布上面铺一层2cm厚的砂层,砂层上面现浇10 cm厚的混凝土。
- ②干砌块石护坡结构型式,施工方法为:首先,清理坡面,先铺置3~5 cm厚的砂层,然后再铺设土工布;土工布上面铺一层2cm厚的砂层,砂层上面铺设干砌块石。
图 28 自主设计土工布岸坡防护措施((a)学生自主选择护坡形式(b)混凝土板护坡(c)浆砌块石护坡)
- 步骤18:自主给出未来风险防控建议
- ①建议居民进行搬迁避让,提前做好相应的滑坡撤离、堵江等应急预案。
- ②加强野外巡查工作,及时发现土体裂缝变化情况。
- ③路边设置滑坡警示牌(展示警示牌),提高当地群众地质灾害防治意识。
(a)
(b)
图 29 自主给出未来风险防控建议((a)野外巡查;(b)设置警示牌)