CN104807975A - 一种岩堆边坡冻融循环作用变形物理模型试验装置及试验方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种岩堆边坡冻融循环作用变形物理模型试验装置及试验方法，包括放置在岩堆边坡上的底座，在底座上由下向上依次设置有金属底板和有机玻璃模型箱，在有机玻璃模型箱上设置有前门，在所述前门底部设置有排水孔，在排水孔与前门之间设置有流速流变仪，在有机玻璃模型箱两侧、前部和顶部分别设置有融雪设备，在有机玻璃模型箱顶部设置有温度计，在有机玻璃模型箱后部设置有加载装置，在岩堆边坡内设置有至少1个位移计。本发明能够改善现有岩堆边坡物理模拟装置测试结果单一、测试结果不稳定、且不能模拟冻融循环作用等问题，具有操作方便、测试效率高的特点，适用于冻融循环及隧道洞口边坡坡开挖诱发边坡变形破坏的模拟试验。

Description

一种岩堆边坡冻融循环作用变形物理模型试验装置及试验方法

技术领域

本发明涉及一种岩堆边坡冻融循环作用变形物理模型试验装置及试验方法，属于土木工程及地质工程领域，特别是涉及冻融循环与开挖作用下岩堆边坡的土工试验箱，适用于我国北方极寒地区的岩堆边坡变形破坏机理分析及稳定性研究。

背景技术

岩堆边坡稳定性问题是山区隧道建设过程中人们尤为关注且亟待解决的关键性问题之一,常常给工程造成巨大损失。目前，我国北方地区存在较大面积的岩堆边坡,其中辽宁省本溪地区尤为突出。由于岩堆边坡自身工程特性及变形破坏机理既不同于土质边坡，又异于岩质边坡。当前成熟的边坡稳定性理论计算公式已不适用于岩堆边坡的稳定性评价。因此，急需对岩堆边坡变形破坏机理及稳定性开展深入研究，分析岩堆边坡变形规律，得到岩堆边坡的破坏模式和破坏机理，探明影响岩堆边坡稳定性的主要因素，对岩堆滑坡有效预测预报和防灾减灾具有重要的理论意义和工程实用价值。由于现场试验通常受场地地形地貌、地层岩性、气候条件等影响，无法模拟不同影响因素(如不同岩堆边坡坡度、不同下卧层坡度、多个冻融循环次数、不同人类工程活动等)对岩堆边坡的影响，而岩堆边坡物理模型试验能成功克服上述困难，结合正交试验较好地揭示冻融循环作用下岩堆边坡变形破坏机理及稳定性变化规律。

现有的岩堆边坡稳定性分析及试验研究相关成果较少，仅张辉等针对西南地区水麻高速公路工程某岩堆边坡，通过模型试验研究了降雨作用下的岩堆边坡变形破坏机理，该模型试验装置功能单一，无冻融循环循环装置，故不适用东北地区岩堆变形破坏机理及稳定性分析。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种岩堆边坡冻融循环作用变形物理模型试验装置及试验方法，能够改善现有技术岩堆边坡物理模拟装置测试结果单一、测试结果不稳定、且不能模拟冻融循环作用等问题，具有操作方便、测试效率高的特点，适用于冻融循环及隧道洞口边坡坡开挖诱发边坡变形破坏的模拟试验。

本发明解决上述技术问题的技术方案如下：

一种岩堆边坡冻融循环作用变形物理模型试验装置，包括放置在岩堆边坡上的底座，在所述底座上由下向上依次设置有金属底板和有机玻璃模型箱，在所述有机玻璃模型箱上设置有前门，在所述前门底部设置有排水孔，在所述排水孔与前门之间设置有流速流变仪，在所述有机玻璃模型箱两侧、前部和顶部分别设置有融雪设备，在所述有机玻璃模型箱顶部设置有温度计，在所述有机玻璃模型箱后部设置有加载装置，在所述岩堆边坡内设置有至少1个位移计。

在冻融循环作用下，岩堆边坡会受到损坏，本发明所采用的装置能够进行分段岩堆边(滑)坡模拟，加载主要是模拟分段边(滑)坡受到后部边(滑)坡的推力。

在将底座安装在基岩表面上，按照试验要求在有机玻璃模型箱内填筑模型，并读取位移计数据，进行冰冻试验，读取位移计数据，打开融雪设备，进行试融试验，此过程中可以通过有机玻璃模型箱内的位移计进行数据采集，待位移计读数达到试验要求温度时，说明熔融状态效果明显，读取位移计的实时测量值和温度实时测量值并对数据进行处理即可。

本发明中，通过设置流速流变仪监测排水量，通过加载装置模拟边(滑)坡受力，融雪通过前门底部的排水孔流出。

本发明通过上述设置，能够成功解决野外开展冻融循环边坡模型试验过程中冰雪易冻但不易融化(尤其是在岩堆内)的难题，通过融雪设备实现冰雪融化，同时操作方便，可以方便进行数据的精确采集，管理与控制更加方便，同时可以减少人工记录工作量

进一步地，为更好的实现本发明，每个所述融雪设备均包括至少3个均匀间隔设置在所述有机玻璃模型箱外部的加热装置。通过采用加热装置根据需求控制融雪速度。本发明中，可以再有机玻璃模型箱周围均匀间隔设置3个或多个加热装置，可以选择油汀或其它加热设备。

进一步地，为更好的实现本发明，所述融雪设备还包括设置在所述有机玻璃模型箱外部的保温装置，所述加热装置位于所述保温装置内侧，所述保温装置为透明的双层塑料薄膜。

通过保温装置隔绝冷空气和保证太阳光照射进来节约加热成本，保证融雪过程中室内温度达到30℃以上此时岩堆内部孔隙温度0～10℃，室内外温差近50℃，以确保融熔过程进行完全。

进一步地，为更好的实现本发明，所述在所述有机玻璃模型箱侧壁上设置有坐标网格。

通过设置坐标网格，能够在在冻融滑坡试验中，以坐标网格作为参照，观测边坡边界变形破坏过程，记录滑面位置及记录变形量的大小。再将其记录与位移计监测结果进行对比，提高试验精度。通过设置坐标网格，能够以坐标网格作为参照，直观观测边坡边界变形，结合岩堆内部铺设的位移计，可以监测岩堆内部位移，能够使整个装置能够实现更全方位、多角度变形破坏的监测。

进一步地，为更好的实现本发明，在所述有机玻璃模型箱外壁上设置有金属框架，还包括高速摄像机，所述高速摄像机位于有机玻璃模型箱一侧。

通过设置高速摄像机，能够监测边坡开挖过程中，岩堆边坡的瞬时变形，岩堆边坡局部垮塌及典型岩块的运动特征，以研究冻融循环作用下岩堆边坡开挖的失稳机理。

通过设置金属框架，能够有助于提高有机玻璃模型箱箱体的强度，防止其试验过程中受力倾斜变形。

进一步地，为更好的实现本发明，所述加载装置为重量分别为10Kg、5Kg的岩块。

通过采用标准化质量的岩块作为加载装置，能够方便监测和试验，方便数据统计，提高试验效率和精度。

进一步地，为更好的实现本发明，在所述有机玻璃模型箱内的岩堆边坡表面设置有百分表。

通过设置百分表，可以实时监测岩堆边坡的边坡表面的鼓胀和沉降量。

所述百分表与有机玻璃模型箱刚性连接，在所述百分表上部设置有透明玻璃罩。

本发明中，可以采用设置钢支架的方式将百分表固定安装在有机玻璃模型箱内，将钢支架一端贯穿透明玻璃罩并固定在有机玻璃模型箱上，其另一端固定在百分表上，避免融雪状态下百分表发生移动，影响测试效果。

本发明在岩堆边坡冻融循环作用变形物理模型试验装置的基础上，公开了一种岩堆边坡冻融循环作用变形物理模型试验方法，包括以下步骤：

S1：确定模型试验的相似比：根据野外地质调查及地质勘查资料，确定模型试验的相似比；

S2：模拟岩堆边坡下卧基岩：采用浇筑成型的混凝土来模拟基岩；

S3：设置位移计：在步骤S2设置的基岩表面布置位移计，所述位移计与模拟基岩刚性连接；

S4：填筑模型：从下往上，分段分区填筑岩堆，模拟岩堆边坡结构，并在岩堆边坡内布置位移计；

S5：设置百分表：完成步骤S4之后，确定2个主滑方向，并在主滑方向的岩堆边坡表面设置；

S6：模拟冻融循环作用：完成模型的填筑后，根据试验设计铺设覆雪，并读取位移计的位移基准值F₀和温度基准值T₀，进行冰冻试验，持续10小时左右，待位移计测量温度都达到0℃～-15℃时，读取位移计的实时测量值F₁和温度的实时测量值T₁；紧接打开融雪装置，进行熔融试验，记录边坡的变形和破坏情况以及采集数据；待位移计测量温度都达到10℃时，读取位移计的实时测量值F₂和温度的实时测量值T₂；再次进入冰冻状态，如此往复循环；

S7：计算岩堆边坡变形量：根据如下公式计算：

Lm＝k△F+b△T＝k(F-F₀)+b(T-T₀)；

式中：Lm--被测结构物的变形量，单位为mm；

k--位移计的测量灵敏度，单位mm/F；

△F--位移计实时测量值相对于基准值的变化量，单位为F；

F--位移计的实时测量值，单位为F；

F₀--位移计的基准值，单位为F；

b--位移计的温度修正系数，单位mm/℃；

△T--温度实时测量值相对于基准值的变化量，单位为℃；

T--温度的实时测量值，单位为℃；

T₀--温度的基准值，单位为℃。

本发明采用分区段填筑，为了能够使试验结果更加接近实际待模拟环境，本发明通过步骤S1，分析野外地质调查和勘查资料，确定本试验与待模拟环境地质结构相似程度，提高试验的准确性；

通过步骤S2模拟岩堆边坡下方的基岩结构，基岩为岩堆边坡下方的结构，在常温常压下较为稳定，在模拟试验过程中，基岩层不会发生变形，常规状态下作为岩堆边坡的支撑结构；由地质罗盘和坐标网格确定不同区段混凝土基岩的角度和厚度；

通过步骤S3在基岩表面布置位移计，方便利用位移计监测基岩与岩堆边坡交界面处的剪切位移或岩堆边坡内部较大的相对位移；

通过步骤S4，模拟岩堆边坡结构，为保证岩堆的接触方式(点面接触)及孔隙率的一致性，根据步骤S1确定的相似比选用一定粒径的碎石模拟岩堆体；在模拟基岩的混凝土上逐步填碎石，填筑过程中应使位移计与碎石充分接触并塞实，确保能准确测量碎石体的温度与变形数据；为了尽最大可能的保持坡比的一致性，应从下往上，分段分区填筑；

在步骤S5中，通过在岩堆边坡表面设置百分表，用于测定冻融及开挖作用下岩堆边坡的鼓胀与沉降量；优选地，所述步骤S5中，在主滑方向的岩堆边坡表面设置10个百分表，其中岩堆边坡的前、中、后部各布置1个百分表，另外在开挖面上下分别加密1个百分表，观察冻融及开挖作用下岩堆边坡的鼓胀与沉降效应；

通过步骤S6模拟冻融循环作用，并记录模拟冻融循环作用下岩堆边坡变形，可以通过设置在有机玻璃模型箱侧壁上的坐标网格观察记录岩堆边坡的变形，也可以通过步骤S7计算岩堆边坡变形量。

本发明方法通过在有机玻璃模型箱侧壁上标有坐标网格，能够以坐标网格为参照，直观观测岩堆边坡边界破坏过程；岩堆边坡内部铺设的位移计可监测内部位移；岩堆边坡表面的百分表可以测定岩堆边坡表面的鼓胀与沉降量。可以根据实际情况组合仪器，数据采集更加准确，管理与控制更加方便，解决现有的野外冻融循环边坡模拟试验过程中，冰雪易冻不易化的难题。

进一步地，为更好的实现本发明，所述步骤S4中，在岩堆边坡后缘进行竖向加载，然后继续开展冻融循环试验，直至破坏。

在试验过程中，如果岩堆边坡变形较小，为获取滑坡稳定性系数，在步骤S4进行的同时可在滑坡后缘进行竖向加载，然后继续开展冻融循环试验，直至破坏，通过有机玻璃模型箱侧壁的坐标网格，观测记录岩堆边坡的变形。通过竖向加载力的大小，推算出滑坡稳定性系数。本试验是进行分段岩堆边坡模拟，加载主要是模拟分段岩堆边坡受到后部岩堆边坡的推力，本试验也可根据要求调整相似比来模拟整个岩堆边坡滑坡的变形及稳定性分析。

附图说明

图1为本发明的侧视图；

图2为本发明的后视图；

图3为本发明的主视图(含暖气片、高速摄影机分布图)；

图4位移计布置主视图；

图5开挖前百分表布置主视图；

图6开挖后百分表布置主视图；

图7百分表主视图；

图8主要监测仪器侧视图；

图9为本发明的滑坡试验模拟示意图。

其中：101—底座；102—金属底板；103—焊接缝；104—金属框架；105—有机玻璃模型箱；106—流速流变仪；107—排水孔；108—坐标网格；109—保温装置；110—固定有机玻璃装置；111—加热装置；112—横梁；114—高速摄像机；115—位移计；116—百分表；117—百分表按钮；118—透明玻璃罩；119—开挖槽；120—百分表指针；121—百分表读数盘；122—百分表探针；123—基岩；124—钢支架；125—岩堆边坡；126—地质罗盘；127—加载装置；128—细砂；129—三脚架；130—夯实地面；131—排水沟；132—钢管架；133—前门。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。

岩堆边坡125温度在0℃以上的时间较长，使结构体表面的冰霜融化成水滴，水分将沿着结构表面的孔隙或毛细孔通路向结构内部渗透；温降低为0℃以下时，其中的水分结成冰，产生膨胀，膨胀应力较大时，结构出现裂缝。结构件表面和内部所含水分的冻结和融化的交替出现，称为冻融循环。

冻融循环的反复出现，造成岩堆边坡125的严重破坏。而只冻结不融化也会造成冻胀破坏，致使岩堆边坡125开裂。表面结构脱离，重者可使岩堆边坡125完全失去承载力和保温性能，冻融循环可以造成岩堆边坡125内部的严重风化，失去耐久性。

由于现有设备不能够用于冻融状态下岩堆边坡125变形物理模拟试验，本发明公开了一中能够适用于冻融循环及隧道洞口边坡开挖诱发边坡变形破坏的模拟试验装置，如图1-9所示，该装置能够方便进行试验操作，并且能够模拟冻融循环作用。

实施例1：

本发明中，为了适用于冻融循环作用下岩堆边坡变形物理模型试验，设置了一种岩堆边坡冻融循环作用变形物理模型试验装置，该试验装置包括放置在岩堆边坡125上的底座101，在所述底座101上由下向上依次设置有金属底板102、有机玻璃模型箱105，在所述有机玻璃模型箱105一侧设置有前门133，在所述前门133底部设置有排水孔107，在所述排水孔107与所述前门133之间设置有流速流变仪106，在所述有机玻璃模型箱105两侧、前部和顶部均设置有融雪设备，在所述有机玻璃模型箱105顶部设置有温度计，在所述有机玻璃模型箱105后部设置有加载装置127，在所述岩堆边坡125内至少设置有1个位移计115。

优选地，本实施例中，在岩堆边坡125内部设置5个位移计115，位移计115内含传感器，实时监测边坡的变形，有机玻璃模型箱105后部设置有加载装置127，通过位移计115监测岩堆边坡125的变形量大小。同时，在排水孔107下方设置排水沟131排出融雪产生的水分。

本实施例中，优选地，在有机玻璃模型箱105侧壁上设置有坐标网格108，在冻融滑坡试验中，以坐标网格108作为参照，观测岩堆边坡125边界变形破坏过程，记录滑面位置及记录变形量的大小。本实施例中，可以在有机玻璃模型箱105内设置地质罗盘126与坐标网格108相结合，分别确定不同区段混凝土的角度和厚度。

本实施例中，采用加载装置127保证传力均匀，在加载前，对岩堆边坡125后缘铺设一层细砂128，再铺设一个长1100mm，宽200mm的钢板，根据要求在钢板上加载通过在试验模型中加载重量为10kg、5kg的标准岩块，以测定不同条件下边坡极限平衡状态。从开挖槽119开挖之后，观察冻融及开挖作用下岩堆边坡125的鼓胀与沉降效应。

本实施例中，优选地，在试验装置上还配置有百分表116，用于测定冻融及开挖作用下岩堆边坡125的鼓胀与沉降量，可精确到0.01mm。为保证仪器不受到覆雪影响，本实施例中，所述百分表116与有机玻璃模型箱105刚性连接，可以采用螺栓等连接方式，同时，设置透明玻璃罩118对百分表116进行保护。本实施例中，在百分表116上方设置钢支架124用于将百分表116固定在有机玻璃模型箱105上，使钢支架124贯穿透明玻璃罩118，且钢支架124上端固定在有机玻璃模型箱105上，钢支架124下端固定在百分表116上。如图7所示，通过百分表探针122进行检测，可以通过百分表按钮117进行操作，通过观察百分表读数盘121上的百分表指针120进行读数。

本实施例中，优选地，在所述有机玻璃模型箱105顶部设置横梁112，用于防止顶部错位滑移，以提高箱体整体稳定性，将有机玻璃模型箱105的金属底板102与金属框架104焊接起来，使其整体结构更加牢固。同时，对金属底板102与有机玻璃模型箱105拼接处及有机玻璃模型箱105与金属框架104的拼接处分别作防渗水处理。可以通过固定有机玻璃装置110进行有机玻璃的固定，使有机玻璃模型箱105保持一定的稳定性。

实施例2：

如图1-9所示，本实施例中，为了保证日照时间更长，将本装置安装在南北走向、倾向正西的岩堆边坡125上，在本装置中，所述融雪装置包括加热装置111和保温装置109，并且将所述加热装置111设置在本试验装置中有机玻璃模型箱105外部，在四周均匀间隔设置，加热装置111可以采用功率大小可调节的油汀，均布在有机玻璃模型箱105四周，油汀取暖器是将电热管安装在散热片的腔体内部，在腔体内电热管周围注有导热油。当接通电源后，电热管周围的导热油被加热、升到腔体上部，沿散热管或散热片对流循环，通过腔体壁表面将热量辐射出去，从而加热空间环境。被空气冷却的导热油下降到电热管周围又被加热，开始新的循环。这种取暖器一般都装有双金属温控元件，当油温达到调定温度时，温控元件会自行断开电源。采用油汀来控制融雪速度。

本实施例中，为了实现保温效果，将保温装置109设置在加热装置111外部，使加热装置111完全位于保温装置109内部，保温装置109优选透明的双层塑料薄膜，用于隔绝冷空气和保证太阳光照射进来，节约加热成本，保证融雪过程中室内温度达到30℃以上此时岩堆内部孔隙温度0～10℃，室内外温差近50℃，以确保融熔过程进行完全。通过前门133底部的排水孔107处的流速流变仪106确定边坡融雪速度及覆雪厚度。所述保温装置109可以采用钢管架132支撑透明塑料膜拜形成，通过内外两层钢管架132形成保温装置109的框架支撑结构，并将保温装置109放置在夯实地面130上固定起来。

如图4所示，优选地，本实施例中，在岩堆边坡125内部安装6个位移计115，在有机玻璃模型箱105四周安放3个加热装置111，如图5所示，在岩堆边坡125表面安装6个百分表116，如图9所示在基岩123面上通过人工加雪和水的方式控制加雪速度和水量，进行冰冻试验，观察并记录坐标网格109、位移计115和百分表116初始值，全方位检测滑坡的变形。当冰冻进行的比较彻底时，通过加热装置111对有机玻璃模型箱105均匀加热进行熔融试验，通过流速流变仪106控制融雪速度，观察并记录坐标网格108、位移计115和百分表116的值，对比分析。

优选地，本实施例中，在有机玻璃模型箱105前部设置一台高速摄像机114，通过高速摄像机114监测岩堆边坡125瞬时变形，主要是监测岩堆边坡125开挖工程过程中，岩堆边坡125的局部垮塌以及岩块的运动特性。本实施例中，将高速摄像机114放置在三脚架129上，以调整其高度方便观测。

实施例3：

本实施例中，公开了一种岩堆边坡冻融循环作用变形物理模型试验方法，包括以下步骤：

S1：确定模型试验的相似比：根据野外地质调查及地质勘查资料，确定模型试验的相似比；

本发明采用分区段填筑，为了能够使试验结果更加接近实际待模拟环境，本发明通过步骤S1，分析野外地质调查和勘查资料，确定本试验与待模拟环境地质结构相似程度，提高试验的准确性；

S2：模拟岩堆边坡125下卧基岩123：采用浇筑成型的混凝土来模拟基岩123；

通过步骤S2模拟岩堆边坡125下方的基岩123结构，基岩123为岩堆边坡下125方的结构，在常温常压下较为稳定，在模拟试验过程中，基岩123层不会发生变形，常规状态下作为岩堆边坡125的支撑结构；由地质罗盘126和坐标网格108确定不同区段混凝土基岩123的角度和厚度；

S3：设置位移计：在步骤S2设置的基岩123表面布置位移计，所述位移计115与模拟基岩123刚性连接；

通过步骤S3在基岩123表面布置位移计，方便利用位移计监测基岩123与岩堆边坡125交界面处的剪切位移或岩堆边坡125内部较大的相对位移；

S4：填筑模型：从下往上，分段分区填筑岩堆，模拟岩堆边坡125结构，并在岩堆边坡125内布置位移计；

通过步骤S4，模拟岩堆边坡125结构，为保证岩堆的接触方式(点面接触)及孔隙率的一致性，根据步骤S1确定的相似比选用一定粒径的碎石模拟岩堆体；在模拟基岩123的混凝土上逐步填碎石，填筑过程中应使位移计与碎石充分接触并塞实，确保能准确测量碎石体的温度与变形数据；为了尽最大可能的保持坡比的一致性，应从下往上，分段分区填筑；所述步骤S4中，在岩堆边坡125后缘进行竖向加载，然后继续开展冻融循环试验，直至破坏。

S5：设置百分表：完成步骤S4之后，确定2个主滑方向，并在主滑方向的岩堆边坡125表面设置；

在步骤S5中，通过在岩堆边坡125表面设置百分表，用于测定冻融及开挖作用下岩堆边坡125的鼓胀与沉降量；优选地，所述步骤S5中，在主滑方向的岩堆边坡125表面设置10个百分表116，其中岩堆边坡125的前、中、后部各布置1个百分表116，另外在开挖面上下分别加密1个百分表116，观察冻融及开挖作用下岩堆边坡125的鼓胀与沉降效应；

S6：模拟冻融循环作用：完成模型的填筑后，根据试验设计铺设一定厚度的覆雪，并读取位移计的位移基准值F₀和温度基准值T₀，进行冰冻试验，持续10小时左右，待位移计测量温度都达到0℃～-15℃时，读取位移计115的实时测量值F₁和温度的实时测量值T₁；紧接打开融雪装置，进行熔融试验，记录岩堆边坡125的变形和破坏情况以及采集数据；待位移计115测量温度都达到10℃时，读取位移计115的实时测量值F₂和温度的实时测量值T₂；再次进入冰冻状态，如此往复循环；

通过步骤S6模拟冻融循环作用，并记录模拟冻融循环作用下岩堆边坡125变形，可以通过设置在有机玻璃模型箱105侧壁上的坐标网格108观察记录岩堆边坡125的变形，也可以通过步骤S7计算岩堆边坡125变形量。

本发明方法通过在有机玻璃模型箱105侧壁上标有坐标网格108，能够以坐标网格108为参照，直观观测岩堆边坡125边界破坏过程；岩堆边坡125内部铺设的位移计115可监测内部位移；岩堆边坡125表面的百分表116可以测定岩堆边坡125表面的鼓胀与沉降量。可以根据实际情况组合仪器，数据采集更加准确，管理与控制更加方便，解决现有的野外冻融循环边坡模拟试验过程中，冰雪易冻不易化的难题。

S7：计算岩堆边坡125变形量：根据如下公式计算：

Lm＝k△F+b△T＝k(F-F₀)+b(T-T₀)；

式中：Lm--被测结构物的变形量，单位为mm；

k--位移计的测量灵敏度，单位mm/F；

△F--位移计实时测量值相对于基准值的变化量，单位为F；

F--位移计的实时测量值，单位为F；

F₀--位移计的基准值，单位为F；

b--位移计的温度修正系数，单位mm/℃；

△T--温度实时测量值相对于基准值的变化量，单位为℃；

T--温度的实时测量值，单位为℃；

T₀--温度的基准值，单位为℃。

在试验过程中，如果岩堆边坡125变形较小，为获取滑坡稳定性系数，在步骤S4进行的同时可在滑坡后缘进行竖向加载，然后继续开展冻融循环试验，直至破坏，通过有机玻璃模型箱105侧壁的坐标网格108，观测记录岩堆边坡125的变形。通过竖向加载力的大小，推算出滑坡稳定性系数。本试验是进行分段岩堆边坡125模拟，加载主要是模拟分段岩堆边坡125受到后部岩堆边坡125的推力，本试验也可根据要求调整相似比来模拟整个岩堆边坡125滑坡的变形及稳定性分析。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，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、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种岩堆边坡冻融循环作用变形物理模型试验装置，其特征在于：包括放置在岩堆边坡(125)上的底座(101)，在所述底座(101)上由下向上依次设置有金属底板(102)和有机玻璃模型箱(105)，在所述有机玻璃模型箱(105)上设置有前门(133)，在所述前门(133)底部设置有排水孔(107)，在所述排水孔(107)与前门(133)之间设置有流速流变仪(106)，在所述有机玻璃模型箱(105)两侧、前部和顶部分别设置有融雪设备，在所述有机玻璃模型箱(125)顶部设置有温度计，在所述有机玻璃模型箱(105)后部设置有加载装置(127)，在所述岩堆边坡(125)内设置有至少1个位移计(115)。

2.根据权利要求1所述的岩堆边坡冻融循环作用变形物理模型试验装置，其特征在于：每个所述融雪设备均包括至少3个均匀间隔设置在所述有机玻璃模型箱(105)外部的加热装置(111)。

3.根据权利要求2所述的岩堆边坡冻融循环作用变形物理模型试验装置，其特征在于：所述融雪设备还包括设置在所述有机玻璃模型箱(105)外部的保温装置(109)，所述加热装置(111)位于所述保温装置(109)内侧，所述保温装置(109)为透明的双层塑料薄膜。

4.根据权利要求1-3任一项所述的岩堆边坡冻融循环作用变形物理模型试验装置，其特征在于：在所述有机玻璃模型箱(105)侧壁上设置有坐标网格(108)。

5.根据权利要求1-3任一项所述的岩堆边坡冻融循环作用变形物理模型试验装置，其特征在于：在所述有机玻璃模型箱(105)外壁上设置有金属框架(104)，还包括高速摄像机(114)，所述高速摄像机(114)位于所述有机玻璃模型箱(105)一侧。

6.根据权利要求1-3任一项所述的岩堆边坡冻融循环作用变形物理模型试验装置，其特征在于：所述加载装置(127)为重量分别为10Kg、5Kg的岩块。

7.根据权利要求1-3任一项所述的岩堆边坡冻融循环作用变形物理模型试验装置，其特征在于：在所述有机玻璃模型箱(105)内的岩堆边坡(125)表面至少设置有1个百分表(116)，所述百分表(116)与所述有机玻璃模型箱(105)刚性连接，在所述百分表(116)上部设置有透明玻璃罩(118)。

8.一种岩堆边坡冻融循环作用变形物理模型试验方法，其特征在于：包括以下步骤：

S1：确定模型试验的相似比：根据野外地质调查及地质勘查资料，确定模型试验的相似比；

S2：模拟岩堆边坡下卧基岩：采用浇筑成型的混凝土来模拟基岩；

S3：设置位移计：在步骤S2设置的基岩表面布置位移计，所述位移计与模拟基岩刚性连接；

S4：填筑模型：从下往上，分段分区填筑岩堆，模拟岩堆边坡结构，并在岩堆边坡内布置位移计；

S5：设置百分表：完成步骤S4之后，确定2个主滑方向，并在主滑方向的岩堆边坡表面设置百分表；

S6：模拟冻融循环作用：完成模型的填筑后，根据试验设计铺设覆雪，并读取位移计的位移基准值F₀和温度基准值T₀，进行冰冻试验，持续10小时左右，待位移计测量温度都达到0℃～-15℃时，读取位移计的实时测量值F₁和温度的实时测量值T₁；紧接打开融雪装置，进行熔融试验，记录边坡的变形和破坏情况以及采集数据；待位移计测量温度都达到10℃时，读取位移计的实时测量值F₂和温度的实时测量值T₂；再次进入冰冻状态，如此往复循环；

S7：计算岩堆边坡变形量：根据如下公式计算：

Lm＝k△F+b△T＝k(F-F₀)+b(T-T₀)；

式中：Lm--被测结构物的变形量，单位为mm；

k--位移计的测量灵敏度，单位mm/F；

△F--位移计实时测量值相对于基准值的变化量，单位为F；

F--位移计的实时测量值，单位为F；

F₀--位移计的基准值，单位为F；

b--位移计的温度修正系数，单位mm/℃；

△T--温度实时测量值相对于基准值的变化量，单位为℃；

T--温度的实时测量值，单位为℃；

T₀--温度的基准值，单位为℃。

9.根据权利要求8所述的岩堆边坡冻融循环作用变形物理模型试验方法，其特征在于：所述步骤S4中，在岩堆边坡后缘进行竖向加载，然后继续开展冻融循环试验，直至破坏。

10.根据权利要求8或9所述的岩堆边坡冻融循环作用变形物理模型试验方法，其特征在于：所述步骤S5中，在主滑方向的岩堆边坡表面设置10个百分表，其中岩堆边坡的前、中、后部各布置1个百分表，在开挖面上下分别加密1个百分表。