CN103728238A - 一种用于含有软弱夹层的边坡稳定性试验模型 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于含有软弱夹层的边坡稳定性试验模型，它包括上部岩体、下部岩体和软弱夹层，软弱夹层设置在上部岩体和下部岩体之间；软弱夹层的材料的组分主要包括石蜡，软弱夹层内铺设有电加热装置。本发明模型可全过程地动态地模拟实际工程中降雨、风化等因素对边坡潜在滑面缓慢长期的劣化作用，而且减短了试验周期，可控制劣化程度，安全经济成本低。

Description

一种用于含有软弱夹层的边坡稳定性试验模型

技术领域

本发明涉及边坡稳定性试验，特别是用于含有软弱夹层的边坡稳定性试验模型。

背景技术

在工程实际中，边坡及加固边坡的长期稳定性是影响许多重大土木工程安全的重要因素，工程边坡及其加固设计需进行边坡稳定性试验。目前，对于降雨、风化等因素对边坡稳定性影响的模型试验中的软弱夹层模拟，一般是静态地采用填充相关配比材料（可塑性材料）或者设置白铁皮（硬质材料）等接触面来模拟。上述方法事先确定了滑裂面位置以及滑面的力学参数，后施加较大荷载来实现上下坡体滑动，这种模拟方法与工程实际还有较大的出入，无法模拟边坡潜在滑面力学性质从强变弱的动态过程，使得相关岩土实验无法达到预期效果。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：提供一种用于含有软弱夹层的边坡稳定性试验模型，本发明模型可全过程地动态地模拟实际工程中降雨、风化等因素对边坡潜在滑面缓慢长期的劣化作用，而且减短了试验周期，可控制劣化程度，安全经济成本低。

本发明为解决上述提出的问题所采用解决方案为：

一种用于含有软弱夹层的边坡稳定性试验模型，它包括上部岩体、下部岩体和软弱夹层，软弱夹层设置在上部岩体和下部岩体之间；软弱夹层的材料的组分主要包括石蜡，软弱夹层内铺设有电加热装置。

上述方案中，所述软弱夹层的材料组分质量配比为：石蜡90-100%，蜂蜡0-5%，硬脂酸0-5%。

上述方案中，所述软弱夹层内铺设一层铁丝网。

上述方案中，所述电加热装置为电热丝，电热丝均匀铺设在铁丝网上。

上述方案中，所述铁丝网上还铺设有电子温度计探头和温控器探棒。

上述方案中，所述软弱夹层与水平面的夹角为10-75°。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

1、本发明模型的软弱夹层主要为石蜡，软弱夹层内铺设有电加热装置，通过电加热装置加热软弱夹层时，测出软弱夹层在每种温度下的剪切变形曲线和不同温度下的c和

值，发现软弱夹层在温度缓慢逐渐上升时出现弹性材料转变为塑性材料，这与软弱夹层劣化过程相吻合，因此，本发明模型可通过温度控制，全过程地动态地模拟实际工程中降雨、风化等对边坡软弱夹层缓慢长期的劣化作用，模拟边坡潜在滑面力学性质从强变弱的动态过程，使得相关岩土实验达到预期效果。

2、通过本发明模型试验，安全经济成本低，减短了试验周期，通过对温度的控制，可控制劣化程度和速度。

3、石蜡具有遇热软化的特性，但纯石蜡试块强度较低、易脆，可以通过加入少量蜂蜡和硬脂酸的方法，提高石蜡的强度和韧性，使得软弱夹层在温度上升时的变化更加接近于软弱夹层的劣化过程。

4、所述软弱夹层内铺设一层铁丝网，起骨架作用。

附图说明

图1为本发明实施例结构示意图。

图2为电热丝加热控制电路图。

图3为铁丝网上电热丝、电子温度计探头和温控器探棒分布图。

图4-7为不同温度下软弱夹层材料剪切位移关系曲线。

图8为不同温度下软弱夹层材料内摩擦角变化曲线。

图9为不同温度下软弱夹层材料粘聚力变化曲线。

图10为软弱夹层材料65V电压加热速率。

图11为自然冷却速率。

图12为软弱夹层材料25℃控温曲线。

图中：1-上部岩体，2-下部岩体，3-软弱夹层，4-电加热装置，5-铁丝网，6-电子温度计探头，7-温控器探棒，8-垫层，9-位移传感器，10-模拟锚索。

具体实施方式

如图1所示的本发明实施例，它为用于边坡锚固系统设计而进行的边坡稳定性试验模型，它包括上部岩体1、下部岩体2和软弱夹层3；下部岩体2设置在垫层8上，软弱夹层3设置在上部岩体1和下部岩体2之间。试验边坡坡面与水平面夹角60°，软弱夹层厚度为3cm，垫层厚度20cm。边坡一共设置两列锚索10,，每列设置7根锚索10（锚索为直径4mm的紫铜丝模拟）。锚索穿过潜在滑带10cm，即锚固段长度10cm，每根锚索垂直间距12.5cm，两列锚索之间水平间距23cm。在滑块靠近坡脚垫层附近留有10cm空间，方便潜在滑带弱化下滑块的下滑留有空间。

所述软弱夹层3与水平面的夹角一般为10-75°。本实施例软弱夹层3与水平面的夹角为45°。

所述软弱夹层的材料的组分主要包括石蜡，在测定石蜡力学参数试验中，发现纯石蜡的强度、韧性较差，有时不符合试验要求，因此尝试在石蜡中可以添加蜂蜡和硬脂酸等改性材料，以改变石蜡的韧性、脆性和强度。

蜂蜡在常温下呈固体状态。蜂蜡的颜色随着蜂种、加工技术、蜜源及巢脾的新旧而不同。其主要成分有：酸类、游离脂肪酸、游离脂肪醇和碳水化合物。蜂蜡在常温下呈固体状态，添加在石蜡中可以增加石蜡的强度，破坏时的韧性。

硬脂酸是一种高级饱和脂肪酸。纯品为带有光泽的白色柔软小片、或者是小圆颗粒状。相对密度0.9408（20℃），熔点69-70℃，沸点383℃，折射率1.4299(80℃)，工业品为白色或微黄色颗粒状，为硬脂酸与棕榈酸的混合物，并含有少量油酸，微有牛油样气味。极微溶于冷水，易溶于苯、甲苯、氯仿、四氯化碳、二硫化碳、乙酸戊酯等，也溶于乙醇、丙酮，添加在石蜡中可以提高石蜡的溶点，增加石蜡的脆性，提供石蜡的强度。

本发明的所述软弱夹层的材料组分质量配比为：石蜡90-100%，蜂蜡0-5%，硬脂酸0-5%。而本实施例所用软弱夹层的材料组分质量配比为：石蜡90%，蜂蜡5%，硬脂酸5%。

软弱夹层材料制备时，按照配比将石蜡，蜂蜡，硬脂酸融化，搅拌均匀，浇筑试块，冷却到室温，在恒温房里用加热试块与实验仪器，直至试件体内外和铜盒三者温度达到相同的设定温度，方可做直剪试验。试验一共设置9组温度(5℃、10℃、15℃、20℃、25℃、30℃、35℃、40℃、45℃)3种垂直荷载（50kPa、100kPa、150kPa）下做了6到8个石蜡试件（如图4-7），当数据随机性较大时则增加更多组次，当直剪仪达到最大剪切力或者达到最大位移4mm时记录数据，后按照《岩土工程勘察规范GB50021-2001，2009版》14.2.2-1条推荐公式取得平均值，再按摩尔-库伦准则求得粘聚力C和内摩擦角

值（如图8、9）。

从剪切位移曲线可以得出，随着剪切变形的增加，剪切力呈线弹性或弹塑性增长，达到峰值强度破坏后，残余强度继续抵抗变形；随着石蜡温度上升，剪切峰值逐渐降低，温度超过25℃后，石蜡由脆性材料转化为弹塑性材料，继续升温转化塑性材料，直至成为液体，抗剪能力消失。从图8、9中C和

值曲线得出，内摩擦角在25℃前后单调变增减，25℃时出现峰值，是石蜡试件由硬脆性进入软塑性的转折点。粘聚力随着温度上升而降低，在25℃以前，粘聚力保持高值缓降，但在25℃后急剧下降，35℃后低值缓降，强度很弱。

上述软弱夹层材料在温度缓慢逐渐上升时出现弹性材料转变为塑性材料，这与软弱夹层劣化过程相吻合。

如图3所示，软弱夹层3内铺设有电加热装置4，电加热装置4为电热丝，电热丝外皮为进口透明铁氟龙材料。所述软弱夹层3内铺设一层0.75*0.75cm的铁丝网5，电热丝均匀铺设在铁丝网5上。所述铁丝网5上还铺设有电子温度计探头6和温控器探棒7。

如图2所示，通过调压器对电压的控制逐步提高电热丝的加热功率，同时通过电子温度计读取记录软弱夹层中不同位置的温度值。实验表明，在软弱夹层材料在低压缓慢加热的实验过程中，软弱夹层材料体各部位的升温和降温都有着良好的线性关系（如图10、11）；还可以通过反复调节电压，将温度恒定在某个温度不变（如图12所示）；通过对软弱夹层材料的充分加热，使得软弱夹层材料中间电热丝附近石蜡力学特性降到最低，最终能实现沿加热面将上下两张石蜡层层状剥离，从而全过程地、动态地模拟了实际工程中降雨、风化等对边坡缓慢长期的劣化过程。

本发明减短了试验周期，可以控制劣化程度，安全经济成本低，材料回收利用率高。

Claims (6)

1.一种用于含有软弱夹层的边坡稳定性试验模型，它包括上部岩体（1）、下部岩体（2）和软弱夹层（3），软弱夹层（3）设置在上部岩体（1）和下部岩体（2）之间；其特征在于：软弱夹层的材料的组分主要包括石蜡，软弱夹层（3）内铺设有电加热装置（4）。

2.如权利要求1所述的边坡稳定性试验模型，其特征在于：所述软弱夹层的材料组分质量配比为：石蜡90-100%，蜂蜡0-5%，硬脂酸0-5%。

3.如权利要求1所述的边坡稳定性试验模型，其特征在于：所述软弱夹层（3）内铺设一层铁丝网（5）。

4.如权利要求3所述的边坡稳定性试验模型，其特征在于：所述电加热装置（4）为电热丝，电热丝均匀铺设在铁丝网（5）上。

5.如权利要求4所述的边坡稳定性试验模型，其特征在于：所述铁丝网（5）上还铺设有电子温度计探头（6）和温控器探棒（7）。

6.如权利要求1所述的边坡稳定性试验模型，其特征在于：所述软弱夹层（3）与水平面的夹角为10-75°。

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