CN104007246B - 三维耦合可控滑面边坡稳定性相似试验系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及三维耦合可控滑面边坡稳定性相似试验系统，试验系统由水位控制系统、滑面控制系统、表面位移监测系统、深部位移监测系统、滑力补偿私服控制系统、地震效应控制系统、加固方案监测系统和数据采集系统组成。该系统能够实现边坡开挖过程中的表面和深部位移监测，边坡失稳滑面的搜索，岩土体或弱面(结构面)含水量对边坡稳定性的影响，地震效应对边坡稳定性的影响。该系统能够同时研究影响边坡稳定性因素的耦合影响，提供的试验条件更加符合工程实际条件，且能实现参数连续变化对边坡稳定性的影响研究，不需要不同参数分别试验，更不需要同一参数不同值分别试验，能够大大节省材料，提高试验效率和试验精度，试验结果更加真实可靠。

Description

三维耦合可控滑面边坡稳定性相似试验系统

技术领域

本发明涉及铁路、高速公路、建筑物基坑、露天矿山边坡、河流岸边以及自然边坡。按国际发明分类表(IPC)划分属于固定建筑物部，建筑分部，人工开挖边坡、自然边坡的稳定性分析以及加固方案合理性研究技术领域。

背景技术

基础设施、铁路、高速公路的建设以及露天矿山的开采由于开挖岩土体而形成人工边坡。工程建设过程中受周围环境的限制或因考虑施工经济合理的要求，常常会形成不同开挖坡度的边坡体。这些坡体的稳定性相当重要，它的变形和稳定性直接影响道路运营、市政建设工程的安全、露天矿的生产安全和服务年限及产量。只有边坡设计合理加固得当，在工程建成运营期间才会减少维护费用，不会发生滑坡灾害而影响交通和生产，避免人员丧亡和财产损失。为了满足工程安全可靠、经济合理的要求，设计和施工前必须开展相应的试验，研究开挖方案和加固措施的可行性。

目前，边坡相似试验装置都是简易装置，且每次试验只能在特定参数下进行，不能实现参数连续变化和多种影响因素耦合变化对坡体稳定性的影响试验，因而简易试验装置试验既浪费时间又浪费材料，且不能同时对多个参数进行研究，导致试验数据精确性无法保证。因而，开发研制一种可考虑多种影响因素耦合作用并在试验过程中可连续调整参数的试验系统很有必要，可精确分析边坡工程的稳定性，为设计和施工提供科学依据，从而可确保边坡日后运营的稳定性，进而保证了铁路、高速公路的运营安全，露天矿山的有序高效生产和大型基础设施的安全稳定。

发明内容

为了边坡施工设计的科学合理，本发明提供三维耦合可控滑面边坡稳定性试验分析系统。该系统能够实现边坡开挖过程中的表面和深部位移监测，边坡失稳滑面的搜索，岩土体或弱面(结构面)含水量对边坡稳定性的影响，地震效应对边坡稳定性的影响，以及边坡加固方案设计选择。该系统能够同时研究影响边坡稳定性因素的耦合影响，提供的试验条件更加符合工程实际条件，且能实现参数连续变化对边坡稳定性的影响研究，不需要不同参数分别试验，更不需要同一参数不同值分别试验，能够大大节省材料，提高试验效率和试验精度，试验结果更加真实可靠。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

试验系统由水位控制系统、滑面控制系统、表面位移监测系统、深部位移监测系统、滑力补偿私服控制系统、地震效应控制系统、加固方案监测系统和数据采集系统组成。

本发明的有益效果是：

本发明可以为高速公路、铁路、露天矿山、大型基坑开挖形成的人工边坡以及自然边坡的稳定性研究和设计提供试验条件。该试验系统首先通过滑力补偿私服控制系统调节相似试验坡体受力使其与真实地质条件相吻合；通过水位控制系统研究水位变化对边坡稳定性的影响；通过表面位移和深部位移监测系统同时获取整个滑坡体不同部位的变形情况，分析研究其稳定性和加固效果；通过滑面控制系统可以在试验中连续调整潜在滑移面的滑移角度和进行坡体滑移面的搜索。通过地震效应控制系统模拟地震作用效应对坡体稳定性的影响及破坏严重程度；通过加固方案监测系统监测坡体加固体的受力和变形。本系统可以使试验模型在连续改变试验影响参数和多因素耦合作用改变的情况下进行试验，能极大地节约材料和提高试验效率，为边坡工程的稳定性分析提供科学合理的试验条件，科学指导设计和施工，确保工程在施工和运营期间的安全可靠。

附图说明

通过参照附图更详细地描述本发明试验系统的示例性实施例，本试验系统的发明及其优点变得更加清楚，在附图中：

图1为三维耦合可控滑面边坡稳定性相似试验系统侧视示意图；

图2为三维耦合可控滑面边坡稳定性相似试验系统俯视示意图。

1为滑面控制系统示意图，2为水位控制系统示意图，3为表面位移监测系统示意图，4为深部位移监测系统示意图，5为滑力补偿私服控制系统示意图，6为加固方案监测系统示意图，7为地震效应控制系统示意图。

具体实施方式

在下文中，现在将参照附图更充分地描述本发明，在附图中示出了各系统。然而，本发明可以以许多不同的形式来实施，且不应该解释为局限于在此阐述的实施例。相反，提供这些实施例使得本公开将是彻底和完全的，并将本发明的范围充分传达给本领域技术人员。

在下文中，将参照附图更详细地描述本发明的示例性实施例。

参照附图1和图2，整个边坡相似试验系统由滑面控制系统、水位控制系统、表面位移监测系统、深部位移监测系统、滑力补偿私服控制系统、加固方案监测系统、地震效应控制系统和数据采集系统组成。

水位控制系统：该系统由18个沿滑面均匀分布的喷水口、水位显示器、联接管路和补水控制器组成。工作原理为打开补水控制器，水流经由管路到达各个喷水口进入滑面岩层中，待渗流稳定后水面高度可由水位控制器实时动态显示；根据研究需要可以调节补水控制器压力改变地下水位高度，研究地下水位变化对边坡稳定性的影响。

滑面控制系统：该系统由21个顶升千斤顶和置于千斤顶上的柔性面组成，模型在柔性面上浇筑。试验开始前将各个千斤顶的行程调整在中央位置，以便后期有充足的升降调节行程，并按照实际的地质条件浇筑模型和开挖施工，然后分别调节7组千斤顶(每组3个)使坡体倾角缓慢连续不断增大，在这一过程中观察坡体的位移变形情况，直至坡体开始滑移失稳为止，从而可以获得坡体的潜在滑移面和边坡临界开挖角度；整个过程千斤顶的控制是通过数据采集系统中千斤顶控制部分完成并记录数据。

表面位移监测系统：该系统由布置于顶部的35个位移监测探头(根据试验具体要求可调整探头数量)与数据采集系统中的表面位移监测采集部分构成。工作原理为开始试验时，将调节表面位移监测探头的高度，使其与监测岩体接触良好，开启数据采集系统中的位移采集部分，并使其归零进入测试状态。当表面岩体移动时带动与其接触良好的位移监测探头一起移动，这一位移可由采集系统采集并记录。

深部位移监测系统：该系统布置于潜在滑面以上岩体中，同样有35个位移监测探头(根据试验具体要求可调整探头数量)与数据采集系统中的深部位移监测采集部分构成。深部位移监测探头与上部对应的表面位移监测探头在同一平面坐标位置上，以便结合分析滑体位移。工作原理为开始试验时，开启数据采集系统中的深部位移采集部分，并使其归零进入测试状态。当深部岩体移动时带动深部位移监测探头一起移动，这一位移可由采集系统采集并记录。

滑力补偿私服控制系统：该系统由15个私服应力控制千斤顶组成。由于相似材料和选取模型范围有限很难满足实际地质条件的应力要求，所以要采取应力补偿系统来模拟实际应力条件。工作原理为：当试验模型不能满足应力相似的条件时，根据相似理论计算所需补偿的应力，然后试验中开启应力补偿系统，施加相应应力使模型应力条件达到试验要求，从而能够更加真实的进行试验，滑力补偿千斤顶由数据采集系统中的相应部分控制并可实施显示。

地震效应控制系统：该系统由水平地震和竖向地震效应控制系统组成，其中水平地震效应控制系统由16个同步激振器构成，竖向地震效应控制系统由24个同步激振器组成。当需要研究地震作用下边坡的稳定性时，可以开启相应的水平或竖向地震效应激振器，可给模型输入相应的地震模拟振动波形，研究坡体在地震波作用下的稳定性。

加固方案监测系统：该系统由18个装有位移和应力元件连接接口和线路的装置组成。由于受地质条件和周围环境的限制，边坡开挖角度有时很大，不进行加固支护根本无法维持稳定，因而要进行如抗滑桩、锚索等加固措施，而加固效果如何？必须进行监测检验，通常监测加固体的变形和受力状态，故需在加固体上布设相应的应力和位移监测元件，将该元件与加固监测装置连接，可以采集其不同部位受力和变形特性并由采集系统记录，以便分析加固方案的优略。

数据采集系统：该系统是由水位控制系统、滑面控制系统、表面位移监测系统、深部位移监测系统、滑力补偿私服控制系统、地震效应控制系统和加固方案控制系统的数据采集部分集合组成。

本试验系统的工作方法如下：

1)明确研究边坡的地质条件，受力特征和施工工艺，根据地质模型和相似理论确定各个相似量选择合理相似材料。

2)试验系统的滑力补偿私服控制系统复位，滑面控制系统调整到潜在结构面方位，深部位移监测系统复位，然后根据相似比和地质条件浇筑模型。

3)待模型达到试验要求时，调整滑力补偿私服控制系统使模型满足实际受力条件。

4)开启和布置表面位移监测系统，开启深部位移监测系统，并同时调整归零进入监测状态。

5)按照实际施工工艺，进行边坡的开挖和施工，边坡位移可由表面位移监测系统和深部位移监测系统同时监测，获得坡体空间位移特征分析稳定性。

6)如需研究水位变动对坡体稳定性的影响，开启水位控制系统，可以连续改变水位高度研究其对坡体稳定性的影响。

7)如需研究潜在滑面的安全性和搜索滑面方位，开启滑面控制系统，可以连续移动滑面的角度和改变滑面形状，获得坡体滑移面方位与形状。

8)如需研究相应加固方案的合理性，可按实际加固措施进行加固，通过加固监测系统和位移监测系统获得加固体和坡体的受力与位移变形情况。

9)如需研究地震作用对坡体稳定性的影响及破坏严重程度，开启地震效应控制系统，可以同时输入水平和竖向地震波，研究地震影响作用。

10)以上各种或其中几种影响因素共同作用对边坡的影响，只需同时启动相应系统即可研究其耦合作用对坡体稳定性的影响。

11)试验监测数据由数据采集系统采集并保存，以便后续分析研究。

12)试验结束，清理模型，复位各系统。

以上所述仅为本发明的实施例而已，并不用于限制本发明。本发明可以有各种合适的更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.三维耦合可控滑面边坡稳定性相似试验系统，其特征在于：

所述试验系统由水位控制系统、滑面控制系统、表面位移监测系统、深部位移监测系统、滑力补偿私服控制系统、地震效应控制系统、加固方案监测系统和数据采集系统组成；

所述滑面控制系统由21个顶升千斤顶和置于千斤顶上的柔性面组成，模型在柔性面上浇筑；试验开始前将各个千斤顶的行程调整在中央位置，并按照实际的地质条件浇筑模型并开挖施工，然后分别调节7组千斤顶，其中每组3个共21个千斤顶，使坡体倾角缓慢连续不断增大，在这一过程中观察坡体的位移变形情况，直至坡体开始滑移失稳为止，从而可以获得坡体的潜在滑面或边坡临界开挖角度；整个过程千斤顶的控制是通过数据采集系统中千斤顶控制部分完成并记录数据；所述滑面控制系统可通过滑面角度和形态的改变搜索滑面位置；

所述表面位移监测系统由布置于顶部的35个表面位移监测探头与数据采集系统中的表面位移监测采集部分构成；开始试验时，调节表面位移监测探头的高度，使其与监测岩体接触良好，开启数据采集系统中的表面位移监测采集部分，并使其归零进入测试状态；当表面岩体移动时带动与其接触良好的表面位移监测探头一起移动，这一位移可由数据采集系统采集并记录；所述深部位移监测系统布置于潜在滑面以上岩体中，同样由35个深部位移监测探头与数据采集系统中的深部位移监测采集部分构成；开始试验时，开启数据采集系统中的深部位移监测采集部分，并使其归零进入测试状态；当深部岩体移动时带动深部位移监测探头一起移动，这一位移可由数据采集系统采集并记录；深部位移监测探头与上部对应的表面位移监测探头在同一平面坐标位置上，以便结合分析滑体位移。

2.如权利要求1所述的三维耦合可控滑面边坡稳定性相似试验系统，其特征在于：

所述水位控制系统由水位显示器、联接管路、补水控制器和沿滑面均匀分布的18个喷水口组成；打开补水控制器，水流经由管路到达各个喷水口进入滑面岩层中，待渗流稳定后水位高度可由水位显示器实时动态显示；可以调节补水控制器压力改变地下水位高度。

3.如权利要求1所述的三维耦合可控滑面边坡稳定性相似试验系统，其特征在于：

所述滑力补偿私服控制系统由15个私服应力控制千斤顶组成；当试验模型不能满足应力相似条件时，根据相似理论计算所需补偿的应力，然后试验中开启滑力补偿私服控制系统，施加相应应力使模型应力条件达到试验要求，从而能够更加真实的进行试验，私服应力控制千斤顶由数据采集系统中的相应部分控制并可实施显示。

4.如权利要求1所述的三维耦合可控滑面边坡稳定性相似试验系统，其特征在于：

所述地震效应控制系统由水平地震和竖向地震效应控制系统组成，其中水平地震效应控制系统由16个同步激振器构成，竖向地震效应控制系统由24个同步激振器组成；当需要研究地震作用下边坡的稳定性时，可以开启相应的水平或竖向地震效应激振器，可给模型输入相应的地震模拟振动波形，研究坡体在地震波作用下的稳定性。

5.如权利要求1所述的三维耦合可控滑面边坡稳定性相似试验系统，其特征在于：

所述加固方案监测系统由18个装有位移和应力元件连接接口和线路的装置组成；在加固体上布设相应的应力和位移监测元件，将该元件与加固监测装置连接，可以采集其不同部位受力和变形特性并由数据采集系统记录，以便分析加固方案的优略。

6.如权利要求1所述的三维耦合可控滑面边坡稳定性相似试验系统，其特征在于：

所述数据采集系统是由水位控制系统、滑面控制系统、表面位移监测系统、深部位移监测系统、滑力补偿私服控制系统、地震效应控制系统和加固方案监测系统的数据采集部分集合组成。

7.如权利要求1-6任意一项所述的三维耦合可控滑面边坡稳定性相似试验系统，其特征在于：本试验系统的工作方法如下：

1)明确研究边坡的地质条件，受力特征和施工工艺，根据地质模型和相似理论确定各个相似量，选择合理相似材料；

2)试验系统的滑力补偿私服控制系统复位，滑面控制系统调整到潜在结构面方位，深部位移监测系统复位，然后根据相似比和地质条件浇筑模型；

3)待模型达到试验要求时，调整滑力补偿私服控制系统使模型满足实际受力条件；

4)开启和布置表面位移监测系统，开启深部位移监测系统，并同时调整归零进入监测状态；

5)按照实际施工工艺，进行边坡的开挖和施工，边坡位移可由表面位移监测系统和深部位移监测系统同时监测，获得坡体空间位移特征分析稳定性；

6)如需研究水位变动对坡体稳定性的影响，开启水位控制系统，可以连续改变水位高度研究其对坡体稳定性的影响；

7)如需研究潜在滑面的安全性和搜索滑面方位，开启滑面控制系统，可以连续移动滑面的角度和改变滑面形状，获得坡体滑面方位与形状；

8)如需研究相应加固方案的合理性，可按实际加固措施进行加固，通过加固方案监测系统、表面位移监测系统和深部位移监测系统获得加固体和坡体的受力与位移变形情况；

9)如需研究地震作用对坡体稳定性的影响及破坏严重程度，开启地震效应控制系统，可以同时输入水平和竖向地震波，研究地震影响作用；

10)当几种影响因素共同作用于边坡，只需同时启动相应系统即可研究其耦合作用对坡体稳定性的影响；

11)试验监测数据由数据采集系统采集并保存，以便后续分析研究；

12)试验结束，清理模型，复位各系统。