CN106596294B - 一种模拟顺向边坡动力反应的试验方法 - Google Patents

一种模拟顺向边坡动力反应的试验方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种模拟顺向边坡动力反应的试验装置及方法，该试验装置包括法向加载装置、切向加载装置、剪切盒、测量装置、液压装置和数控装置，所述法向加载装置和切向加载装置分别包括法向油缸、法向负荷传感器和切向油缸、切向负荷传感器；所述剪切盒包括剪切上盒和剪切下盒，所述剪切上盒仅能发生竖向运动，所述剪切下盒仅能发生水平运动；所述测量装置包括法向变形传感器和切向变形传感器。本发明可凭借岩体直接剪切试验系统对不同尺寸和形状的上覆模型和下伏模型施加法向荷载和切向荷载以模拟顺向边坡在地震和爆破等荷载作用下的动力反应从而满足不同的研究需求。

Description

一种模拟顺向边坡动力反应的试验方法
技术领域
本发明涉及岩体动力学室内试验领域，具体涉及一种模拟顺向边坡动力反应的试验方法。
背景技术
边坡是地壳表面具有侧向临空面的地质体，由坡顶、坡面、坡脚及其下部一定深度内的坡体组成。边坡按地层岩性分为岩质边坡、土质边坡和岩土混合边坡。其中，岩质边坡按岩层结构分为层状结构边坡、块状结构边坡和网状结构边坡；层状结构边坡按岩层倾向与坡向的关系又可分为顺向边坡、反向边坡、切向边坡和直立边坡。顺向边坡的岩层倾向与坡向相同，其稳定性问题是工程地质学和岩土力学领域的经典问题之一。
荷载分为静荷载和动荷载。顺向边坡所受的动荷载包括地震荷载、爆破荷载和机械振动荷载等。顺向边坡在动荷载作用下的反应问题已成为工程地质学、岩土力学、地震工程学和爆破工程学的热点问题之一。常规研究手段包括原位测试、室内振动台试验和数值模拟等；其中，振动台试验存在建模较难、试验周期较长、经济成本较高和边界效应等问题，且国内振动台实验室相对较少，开展试验多有不便。
岩体直接剪切试验是认识岩体剪切行为的室内试验方法之一，该试验依托岩体直接剪切试验系统完成，包括法向加载装置和切向加载装置分别对样品施加法向荷载和切向荷载，测量装置获取荷载参数和变形参数并实时反馈给数控装置以调控试验等关键步骤。
本方法通过制作不同尺寸和形状的上覆模型和下伏模型以模拟顺向边坡，凭借岩体直接剪切试验系统对上覆模型和下伏模型施加法向荷载和切向荷载以模拟顺向边坡在地震和爆破等荷载作用下的动力反应。该方法具有建模方便、试验周期短和经济成本低的特点；且国内岩体直接剪切试验系统相对较多，利于开展试验，对于评价顺向边坡工程动态稳定性具有重要的理论和应用价值。
发明内容
为解决上述问题，本发明提供了一种模拟顺向边坡动力反应的试验方法。
为实现上述目的，本发明采取的技术方案为：
一种模拟顺向边坡动力反应的试验方法，通过岩体直接剪切试验系统对顺向边坡的动力反应进行模拟，具体包括如下步骤：
S1、制作不同尺寸和形状的上覆模型和下伏模型以模拟顺向边坡；
S2、通过所述岩体直接剪切试验系统对所述上覆模型和下伏模型施加法向荷载和切向荷载以模拟动力反应。
优选地，根据试验目的，当模拟顺向边坡在爆破荷载作用下的动力反应时，所述上覆模型和下伏模型的接触面与水平面平行，所述上覆模型位于所述剪切下盒内部，所述下伏模型位于所述剪切上盒内部，所述上覆模型和下伏模型的尺寸根据原位顺向边坡与模型的物理量相似关系和所述剪切上盒、剪切下盒的内部尺寸进行匹配；所述上覆模型和下伏模型的水平投影长度与宽度分别等于所述剪切下盒内部和剪切上盒内部的水平投影长度与宽度；所述上覆模型和下伏模型的高度之和大于所述剪切上盒内部和剪切下盒内部的高度之和，其所述高度之和的差值即为所述剪切上盒和剪切下盒的垂直间距。
当模拟爆破动力反应时，通过所述法向加载装置、剪切上盒、液压装置和数控装置对分别位于所述剪切上盒和剪切下盒的所述下伏模型和上覆模型施加法向荷载至预设值并保持恒定，通过所述切向加载装置、剪切下盒、液压装置和数控装置对所述上覆模型和下伏模型施加预设切向荷载；在试验过程中，通过所述法向负荷传感器、切向负荷传感器、法向变形传感器和切向变形传感器实时采集所述上覆模型和下伏模型的负荷值和变形值并实时反馈给数控装置，当加载时间或法向变形值达到预设值时试验停止，导出负荷和变形数据进行分析。
优选地，基于试验目的，当模拟顺向边坡在地震荷载作用下的动力反应时，所述上覆模型和下伏模型的接触面与水平面形成夹角，所述上覆模型位于所述剪切上盒内部，所述下伏模型位于所述剪切下盒内部，所述上覆模型和下伏模型的尺寸根据原位顺向边坡与模型的物理量相似关系和所述剪切上盒、剪切下盒的内部尺寸进行匹配；所述上覆模型的水平投影长度与宽度分别小于和等于所述剪切上盒内部的水平投影长度与宽度，所述下伏模型的水平投影长度与宽度均等于所述剪切下盒内部的水平投影长度与宽度；所述上覆模型和下伏模型的高度之和大于所述剪切上盒内部和剪切下盒内部的高度之和。
当模拟地震动力反应时，通过所述法向加载装置、剪切上盒、液压装置和数控装置对分别位于所述剪切上盒和剪切下盒的所述上覆模型和下伏模型施加法向荷载至预设值并保持恒定，通过所述切向加载装置、剪切下盒、液压装置和数控装置对所述下伏模型和上覆模型施加预设切向荷载；在试验过程中，通过所述法向负荷传感器、切向负荷传感器、法向变形传感器和切向变形传感器实时采集所述下伏模型和上覆模型的负荷值和变形值并实时反馈给数控装置，当加载时间或法向变形值达到预设值时试验停止，导出负荷和变形数据进行分析。
优选地，根据试验要求，通过所述法向加载装置、液压装置和数控装置对所述上覆模型和下伏模型施加法向荷载至预设值并保持恒定，通过所述切向加载装置、液压装置和数控装置对所述上覆模型和下伏模型施加预设切向荷载。
在上述加载技术基础上，切向加载控制方式采用变形控制：首先将加速度-时间数据进行二次积分得到位移-时间数据，然后将位移-时间数据导入数控装置，接着通过所述切向加载装置、剪切下盒、液压装置和数控装置对所述上覆模型和下伏模型施加切向荷载使得模型按照所述位移-时间数据运动。随着试验的进行，在压剪作用下，所述上覆模型和下伏模型的高度之和减小，因此所述剪切上盒和剪切下盒的垂直间距随之减小；当所述上覆模型和下伏模型的接触面与水平面形成夹角时，在试验过程中，出现诸如所述上覆模型滑离所述下伏模型倾斜表面、所述下伏模型顶端接触所述剪切上盒、所述剪切上盒和剪切下盒接触等情况均会影响试验。因此，试验前在数控装置中设定法向变形阈值，当试验达到所述位移-时间数据的时间上限值或者法向变形阈值两个条件之一时，试验停止。
本发明实施例还提供了一种模拟顺向边坡动力反应的试验装置，包括法向加载装置、切向加载装置、剪切盒、测量装置、液压装置和数控装置，所述法向加载装置和切向加载装置分别包括法向油缸、法向负荷传感器和切向油缸、切向负荷传感器；所述剪切盒包括剪切上盒和剪切下盒，所述剪切上盒仅能发生竖向运动，所述剪切下盒仅能发生水平运动；所述测量装置包括法向变形传感器和切向变形传感器,所述法向负荷传感器、切向负荷传感器、法向变形传感器和切向变形传感器实时采集所述上覆模型和下伏模型的负荷值和变形值并实时反馈给数控装置,当加载时间或法向变形值达到预设值时试验停止，导出负荷和变形数据进行分析，原位顺向边坡物理量与模型物理量满足相似理论，原位顺向边坡与模型的尺寸、弹性模量、抗压强度、抗拉强度、黏聚力、应力、位移等物理量的相似关系均为n，原位顺向边坡与模型的密度、加速度、泊松比、内摩擦角、应变、重力加速度等物理量的相似关系为1，原位顺向边坡与模型的速度、时间等物理量的相似关系为n0.5，原位顺向边坡与模型的频率等物理量的相似关系为n-0.5。
优选地，根据试验目的和原位顺向边坡物理量参数，所述上覆模型和下伏模型分别可通过模具制作成以水泥、石膏、石英砂为基础材料的相似材料模型，也可通过数控机床将无规则天然岩体加工成规则模型。
优选地，所述上覆模型的水平投影长度小于所述下伏模型的水平投影长度；所述上覆模型和下伏模型的接触面与水平面平行或形成夹角，且根据试验目的和原位顺向边坡层面情况调整所述夹角的角度和接触面的起伏粗糙程度。
本发明具有以下有益效果：
可凭借岩体直接剪切试验系统对不同尺寸和形状的上覆模型和下伏模型施加法向荷载和切向荷载以模拟顺向边坡在地震和爆破等荷载作用下的动力反应从而满足不同的研究需求。
附图说明
图1为本发明一种优选实施例中接触面水平的上覆模型和下伏模型示意图；
图2为本发明一种优选实施例中岩体直接剪切试验系统对接触面水平的上覆模型和下伏模型加载示意图；
图3为本发明一种优选实施例中接触面倾斜的上覆模型和下伏模型示意图；
图4为本发明一种优选实施例中岩体直接剪切试验系统对接触面倾斜的上覆模型和下伏模型加载示意图；
图5为本发明一种优选实施例中接触面倾斜的上覆模型和下伏模型位于剪切盒内部的示意图；
其中，图1至图5中附图标记与模型及部件名称之间的对应关系为：
1上覆模型；2下伏模型；3液压装置；4数控装置；5法向油缸；6法向负荷传感器；7切向油缸；8切向负荷传感器；9剪切上盒；10剪切下盒；11法向变形传感器；12切向变形传感器；G上覆岩体重量；N上覆岩体作用于层面的法向力；S上覆岩体下滑力；f上覆岩体抗滑力；Fb爆破动荷载；Fd地震动荷载；N’试验法向荷载；Fb’试验爆破动荷载；Fd’试验地震动荷载；W1上覆模型重量；W2下伏模型重量；h1下伏模型顶端和剪切上盒内部顶面的垂直间距；h2上覆模型底端和下伏模型倾斜表面底端的垂直间距；h3剪切上盒内部和剪切下盒内部的垂直间距。
具体实施方式
为了使本发明的目的及优点更加清楚明白，以下结合实施例对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
请参考图1至图5，在一种实施例中，本发明所提供的模拟顺向边坡动力反应的试验方法，包括制作不同尺寸和形状的上覆模型1和下伏模型2以模拟顺向边坡和通过岩体直接剪切试验系统对上覆模型1和下伏模型2施加法向荷载和切向荷载以模拟动力反应。
请参考图1和图3，在静力平衡状态下，原位顺向边坡上覆岩体的下滑力N等于抗滑力f。原位顺向边坡物理量与模型物理量满足相似理论，原位顺向边坡与模型的尺寸、弹性模量、抗压强度、抗拉强度、黏聚力、应力、位移等物理量的相似关系均为n，原位顺向边坡与模型的密度、加速度、泊松比、内摩擦角、应变、重力加速度等物理量的相似关系为1，原位顺向边坡与模型的速度、时间等物理量的相似关系为n0.5，原位顺向边坡与模型的频率等物理量的相似关系为n-0.5；因此，N＝n3·N’。
根据试验目的和原位顺向边坡物理量参数，上覆模型1和下伏模型2分别可通过模具制作成以水泥、石膏、石英砂为基础材料的相似材料模型，也可通过数控机床将无规则天然岩体加工成规则模型。
具体地，请参考图1和图3，上覆模型1的水平投影长度小于下伏模型2的水平投影长度；上覆模型1和下伏模型2的接触面与水平面平行或形成夹角，且基于试验目的和原位顺向边坡层面情况调整夹角的角度和接触面的起伏粗糙程度。
岩体直接剪切试验系统主体包括法向加载装置、切向加载装置、剪切盒、测量装置、液压装置3和数控装置4。
具体地，请参考图2和图4，法向加载装置和切向加载装置分别包括法向油缸5、法向负荷传感器6和切向油缸7、切向负荷传感器8；剪切盒包括剪切上盒9和剪切下盒10，法向加载装置固定于剪切上盒9正上方，切向加载装置固定于剪切下盒10正左侧，剪切上盒9的几何中心和剪切下盒10的几何中心铅垂相对，剪切上盒9仅能发生竖向运动，剪切下盒10仅能发生水平运动；测量装置包括四个法向变形传感器11和两个切向变形传感器12，法向变形传感器11对称分布于法向加载装置的四周，切向变形传感器12对称分布于切向加载装置的前后两侧。
在上述模型尺寸、形状和系统结构基础上，请参考图2和图5，根据试验目的，当模拟顺向边坡在爆破荷载作用下的动力反应时，上覆模型1和下伏模型2的接触面与水平面平行，上覆模型1位于剪切下盒10内部，下伏模型2位于剪切上盒9内部，上覆模型1和下伏模型2的尺寸根据原位顺向边坡与模型的物理量相似关系和剪切上盒9、剪切下盒10的内部尺寸进行匹配；上覆模型1和下伏模型2的水平投影长度与宽度分别等于剪切下盒10内部和剪切上盒9内部的水平投影长度和宽度；上覆模型1和下伏模型2的高度之和大于剪切上盒9内部和剪切下盒10内部的高度之和，其高度之和的差值即为剪切上盒9和剪切下盒10的垂直间距h3。
具体地，请参考图2，当模拟爆破动力反应时，通过法向加载装置、剪切上盒9、液压装置3和数控装置4对分别位于剪切上盒9和剪切下盒10的下伏模型2和上覆模型1施加法向荷载N’—W2并保持恒定，通过切向加载装置、剪切下盒10、液压装置3和数控装置4对上覆模型1和下伏模型2施加预设切向荷载Fb’；在试验过程中，通过法向负荷传感器6、切向负荷传感器8、法向变形传感器11和切向变形传感器12实时采集上覆模型1和下伏模型2的负荷值和变形值并反馈给数控装置4，当加载时间或法向变形值达到预设值时试验停止，导出负荷和变形数据进行分析。
请参考图4和图5，基于试验目的，当模拟顺向边坡在地震荷载作用下的动力反应时，上覆模型1和下伏模型2的接触面与水平面形成夹角，上覆模型1位于剪切上盒9内部，下伏模型2位于剪切下盒10内部，上覆模型1和下伏模型2的尺寸根据原位顺向边坡与模型的物理量相似关系和剪切上盒9、剪切下盒10的内部尺寸进行匹配；上覆模型1的水平投影长度与宽度分别小于和等于剪切上盒9内部的水平投影长度与宽度，下伏模型2的水平投影长度和宽度均等于剪切下盒10内部的水平投影长度和宽度；上覆模型1和下伏模型2的高度之和大于剪切上盒9内部和剪切下盒10内部的高度之和。
具体地，请参考图4，当模拟地震动力反应时，通过法向加载装置、剪切上盒9、液压装置3和数控装置4对分别位于剪切上盒9和剪切下盒10的上覆模型1和下伏模型2施加法向荷载N’—W1并保持恒定，通过切向加载装置、剪切下盒10、液压装置3和数控装置4对下伏模型2和上覆模型1施加预设切向荷载Fd’；在试验过程中，通过法向负荷传感器6、切向负荷传感器8、法向变形传感器11和切向变形传感器12实时采集下伏模型2和上覆模型1的负荷值和变形值并反馈给数控装置4，当加载时间或法向变形值达到预设值时试验停止，导出负荷和变形数据进行分析。
在上述加载技术基础上，切向加载控制方式采用变形控制：首先将采集的原位顺向边坡加速度-时间数据沿层面方向的分量积分得到速度-时间数据，根据原位顺向边坡与模型的速度、时间等物理量的相似关系n0.5，得到模型的速度-时间数据；然后对模型的速度-时间数据进行积分得到位移-时间数据，将模型的位移-时间数据导入数控装置4；接着通过切向加载装置、剪切下盒10、液压装置3和数控装置4对上覆模型1和下伏模型2施加切向荷载使得模型按照位移-时间数据运动以模拟动力反应。随着试验的进行，在压剪作用下，上覆模型1和下伏模型2的高度之和减小，因此剪切上盒9和剪切下盒10的垂直间距随之减小；请参考图5，当上覆模型1和下伏模型2的接触面与水平面形成夹角时，在试验过程中，出现诸如上覆模型1滑离下伏模型2倾斜表面、下伏模型2顶端接触剪切上盒9、剪切上盒9和剪切下盒10接触等情况均会影响试验；因此，试验前在数控装置4中设定法向变形阈值，该法向变形阈值小于h1、h2、h3的最小值。当试验达到模型位移-时间数据的时间上限值或者法向变形阈值两个条件之一时，试验停止。根据原位顺向边坡与模型物理量的相似关系以及负荷和变形数据，计算原位顺向边坡的相关物理量参数。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种模拟顺向边坡动力反应的试验方法，其特征在于，通过岩体直接剪切试验系统对顺向边坡的动力反应进行模拟，所述岩体直接剪切试验系统包括法向加载装置、切向加载装置、剪切盒、测量装置、液压装置（3）和数控装置（4），所述法向加载装置和切向加载装置分别包括法向油缸（5）、法向负荷传感器（6）和切向油缸（7）、切向负荷传感器（8）；所述剪切盒包括剪切上盒（9）和剪切下盒（10），所述剪切上盒（9）仅能发生竖向运动，所述剪切下盒（10）仅能发生水平运动；所述测量装置包括四个法向变形传感器（11）和两个切向变形传感器（12）,法向变形传感器（11）对称分布于法向加载装置的四周，切向变形传感器（12）对称分布于切向加载装置的前后两侧；所述法向负荷传感器（6）、切向负荷传感器（8）、法向变形传感器（11）和切向变形传感器（12）实时采集上覆模型（1）和下伏模型（2）的负荷值和变形值并实时反馈给数控装置（4）；所述试验方法具体包括如下步骤：S1、通过制作不同尺寸和形状的上覆模型（1）和下伏模型（2）以模拟顺向边坡；S2、通过所述岩体直接剪切试验系统对所述上覆模型（1）和下伏模型（2）施加法向荷载和切向荷载以模拟动力反应；施加切向载荷的方法为：将加速度-时间数据进行二次积分得到位移-时间数据，然后将位移-时间数据导入数控装置，通过所述切向加载装置、液压装置（3）和数控装置（4）对所述上覆模型（1）和下伏模型（2）施加预设切向荷载，使得模型按照所述位移-时间数据运动；施加法向载荷的方法为：通过所述法向加载装置、液压装置（3）和数控装置（4）对所述上覆模型（1）和下伏模型（2）施加法向荷载至预设值并保持恒定；S3、试验前在数控装置（4）中设定法向变形阈值，当试验达到模型位移-时间数据的时间上限值或者法向变形阈值两个条件之一时，试验停止；所述法向变形阈值小于h 1、h 2、h 3三者的最小值；其中，h 1为下伏模型顶端和剪切上盒内部顶面的垂直间距、h 2为上覆模型底端和下伏模型倾斜表面底端的垂直间距、h 3为剪切上盒内部和剪切下盒内部的垂直间距；根据试验目的，当模拟顺向边坡在爆破荷载作用下的动力反应时，所述上覆模型（1）和下伏模型（2）的接触面与水平面平行，所述上覆模型（1）位于所述剪切下盒（10）内部，所述下伏模型（2）位于所述剪切上盒（9）内部；所述上覆模型（1）和下伏模型（2）的水平投影长度与宽度分别等于所述剪切下盒（10）内部和剪切上盒（9）内部的水平投影长度与宽度；所述上覆模型（1）和下伏模型（2）的高度之和大于所述剪切上盒（9）内部和剪切下盒（10）内部的高度之和；根据试验目的，当模拟顺向边坡在地震荷载作用下的动力反应时，所述上覆模型（1）和下伏模型（2）的接触面与水平面形成夹角，所述上覆模型（1）位于所述剪切上盒（9）内部，所述下伏模型（2）位于所述剪切下盒（10）内部；所述上覆模型（1）的水平投影长度与宽度分别小于和等于所述剪切上盒（9）内部的水平投影长度与宽度，所述下伏模型（2）的水平投影长度与宽度均等于所述剪切下盒（10）内部的水平投影长度与宽度。
2.如权利要求1所述的模拟顺向边坡动力反应的试验方法，其特征在于，根据试验目的和原位顺向边坡物理量参数，所述上覆模型（1）和下伏模型（2）分别是通过模具制作成以水泥、石膏、石英砂为基础材料的相似材料模型，或者分别是通过数控机床将无规则天然岩体加工成的规则模型。
3.如权利要求2所述的模拟顺向边坡动力反应的试验方法，其特征在于，所述上覆模型（1）的水平投影长度小于所述下伏模型（2）的水平投影长度；所述上覆模型（1）和下伏模型（2）的接触面与水平面平行或形成夹角，且根据试验目的和原位顺向边坡层面情况调整所述夹角的角度和接触面的起伏粗糙程度。
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