CN107255704A

CN107255704A - 顺层岩质边坡地下开挖模型试验系统及试验方法

Info

Publication number: CN107255704A
Application number: CN201710600760.XA
Authority: CN
Inventors: 袁维; 王伟; 赵宝平; 王洪光; 史磊; 李家欣; 李宗鸿; 闻磊; 常江芳
Original assignee: Shijiazhuang Tiedao University
Current assignee: Shijiazhuang Tiedao University
Priority date: 2017-07-21
Filing date: 2017-07-21
Publication date: 2017-10-17
Anticipated expiration: 2037-07-21
Also published as: CN107255704B

Abstract

本发明公开了一种顺层岩质边坡地下开挖模型试验系统及方法，涉及边坡稳定性及地质灾害领域，该试验系统包括边坡模型试验架、恒温控制箱、高速摄像机、侧压力加载装置、数据采集器和电脑，边坡模型试验架内置岩层模型，岩层模型内置开挖体模型，边坡模型试验架置于恒温控制箱内，侧压力加载装置的施力端作用于岩层模型的一侧，数据采集器一端连接位于岩层模型内的传感器，另一端连接电脑，侧压力加载装置受控于电脑，高速摄像机用于拍摄岩层模型的渐进破坏过程并将图像传输至电脑。本发明的目的是为了解决顺层岩质边坡地下开挖条件下进行模型试验的难点，是在于用于揭示地下开挖诱发顺层岩质边坡的失稳破坏机理。

Description

顺层岩质边坡地下开挖模型试验系统及试验方法

技术领域

本发明涉及边坡稳定性及地质灾害领域发明。

背景技术

顺层岩质边坡是自然界中分布范围较为广泛的一种边坡形式，基本特征为坡面产状与岩体层面产状基本一致，其发生失稳破坏时，主要是受自重或外在扰动荷载作用而发生顺层滑移，大量实践表明，顺层岩质边坡失稳是岩土工程面临的重大地质灾害之一。随着社会经济的发展和西部大开发战略的实施，我国越来越多的铁路、公路等大型基础工程将在西部高山区进行建设，不可避免地遇到地下洞室穿越顺层岩质边坡的情况。与其它赋存特征的顺层岩质边坡相比，地下开挖卸荷效应使边坡原有应力场受到极大扰动，损伤了层状岩体原有结构的稳定性，劣化了顺层岩质边坡的赋存环境，进一步增加了其滑塌失稳的风险，极有可能由于不合理的分析和处置而导致边坡失稳，严重影响基础工程建设的顺利进行，甚至给国民经济建设和人们生命财产安全造成重大损失。

当前对顺层岩质边坡稳定性的研究主要集中在降雨、地震及边坡外部开挖等因素对顺层岩质边坡稳定性的影响机制方面，而对地下开挖诱发边坡失稳的研究成果尚少，另外，当前采用模型试验研究边坡的失稳破坏时，绝大部分采用加载的方式达到破坏状态，此种方式提高了模型试验框架的承载要求，因此，发明一种新的顺层岩质边坡地下开挖模型试验系统及方法对于研究顺层岩质边坡的稳定性和失稳破坏机制具有重大的理论意义和工程实用价值。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供提供了一种顺层岩质边坡地下开挖模型试验系统及方法，本发明的目的是为了解决顺层岩质边坡地下开挖条件下进行模型试验的难点，是在于用于揭示地下开挖诱发顺层岩质边坡的失稳破坏机理。

为解决上述问题，本发明采取的技术方案是：一种顺层岩质边坡地下开挖模型试验系统，该试验系统包括边坡模型试验架、恒温控制箱、高速摄像机、侧压力加载装置、数据采集器和电脑，所述边坡模型试验架内置岩层模型，所述岩层模型内置开挖体模型，所述边坡模型试验架置于恒温控制箱内，所述侧压力加载装置的施力端作用于岩层模型的一侧，所述数据采集器一端连接位于岩层模型内的传感器，另一端连接电脑，所述测压力加载装置受控于电脑，所述高速摄像机用于拍摄岩层模型的渐进破坏过程并将图像传输至电脑。

优选的，所述边坡模型试验架由一个矩形框架以及下方的弯折式升降装置组成，所述矩形框架由侧向挡板、底板、反力挡板、顶板围成，所述岩层模型位于矩形框架内，所述弯折式升降装置包括支座，所述支座的一端与矩形框架铰接，另一端通过弯折杆与矩形框架连接，通过所述弯折杆的伸缩可实现矩形框架一端的升降。

优选的，所述岩层模型为采用相似材料预制的长方体，相似材料由石蜡、石膏、水、砂组成，开挖体模型采用与岩层模型相同的相似材料进行预制，并在开挖体模型的前后两侧设置电加热贴片。

优选的，所述测压力加载装置包括位于所述矩形框架的一侧的移动加载板，所述移动加载板用于推顶所述岩层模型，还包括夹在移动加载板和反力挡板之间的加载气囊，所述加载气囊通过高压输气管连接气压控制器，所述气压控制器受控于电脑，所述恒温控制箱用于控制温度变化，其四面由透明有机玻璃构成，所述传感器为拉线式位移传感器。

优选的，所述移动加载板截面为工字型，所述移动加载板的上下侧分别设有定位凸起，所述顶板和底板上分别设有容纳所述定位凸起的长条形的滑槽，所述移动加载板借助于定位凸起沿着滑槽的长度方向移动。

一种顺层岩质边坡地下开挖模型试验系统的试验方法，其特征是:包括以下步骤:1) 根据相似比确定岩层模型的物性参数和几何参数，通过不同温度下的力学试验确定相似材料的配合比，并配置相似材料；

2)在石蜡处于液态的温度下预制岩层模型和开挖体模型，并使其冷凝固结；

3)调整弯折杆使矩形框架与支座的夹角为零，调整气压控制器使加载气囊的气压为零，同时，使移动加载板处于最左端，然后往底板和顶板涂抹润滑油；

4)往矩形框架分层装填预制好的岩层模型和开挖体模型，逐层埋设拉线式位移传感器，并在开挖体模型前后两侧贴上电加热片；

5）架设好高速摄像机，将高速摄像机、气压控制器、数据采集器与电脑进行相连，实现试验装置的最终连接；

6）缓慢调整气压控制器使加载气囊的气压逐渐增大，推动移动加载板往右移动，使边坡模型的侧压力达到预定值，再调整弯折杆使矩形框架与支座的夹角达到预定的坡角；

7）通过电加热片使开挖体模型迅速升温而软化、破碎，并使之从边坡整体模型中剥离；

8）待开挖后边坡变形稳定后，通过恒温控制箱按照一定的温度间隔逐次提高温度，每升高一次温度，将该温度值保持一定的时间，待边坡变形稳定后，再次提升温度，直到边坡发生整体失稳破坏。

9）用数据采集器获取边坡不同位置处的位移曲线，同时，利用高速摄像机直观监测边坡的渐进破坏过程。

地下开挖是通过升高相似材料的温度使其软化、破碎，从而使地下开挖体从边坡整体模型中剥离出来，同时，边坡的渐进破坏不是常规的通过不断加载来实现，而是通过不断升高相似材料的温度使其强度降低，另外，通过调整弯折式升降杆的弯曲程度，可模拟不同坡角的顺层岩质边坡。

本发明具有以下优点和积极效果：

（1）可实现不同坡角、不同岩层厚度、不同地下开挖位置和开挖形状的顺层岩质边坡在地下开挖条件下的变形破坏模拟。

（2）可通过升高温度来模拟边坡的渐进破坏过程，降低了模型框架的承载要求。

总之，该试验系统及对应的试验方法可为研究地下开挖诱发顺层岩质边坡失稳破坏机理提供必备的试验条件。

附图说明

图1为本发明中试验系统的结构示意图；

图2为移动加载板正视图；

图3为移动加载板俯视图；

图4为底板的俯视图；

图5为顶板的正视图；

图6为侧向挡板的示意图：

图7为反力挡板的示意图。

其中，1、边坡模型试验架，2、恒温控制箱，3、高速摄像机，4、气压控制器，5、数据采集器，6、电脑，7、侧向挡板，8、底板，9、反力挡板，10、移动加载板，11、顶板，12、支座，13、弯折杆，14、铰接销钉 15、岩层模型，16、开挖体模型，17、加载气囊，18、移动加载板翼部，19、定向凸起，20、滑槽，21、反力挡板翼部、22、侧向挡板翼部。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明：如图1-图7所示一种顺层岩质边坡地下开挖模型试验系统，该试验系统包括边坡模型试验架1、恒温控制箱2、高速摄像机3、侧压力加载装置、数据采集器5和电脑6，所述边坡模型试验架1内置岩层模型15，所述岩层模型15内置开挖体模型16，所述边坡模型试验架1置于恒温控制箱2内，所述侧压力加载装置的施力端作用于岩层模型15的一侧，所述数据采集器5一端连接位于岩层模型15内的传感器，另一端连接电脑6，所述侧压力加载装置受控于电脑6，所述高速摄像机3用于拍摄岩层模型15的渐进破坏过程并将图像传输至电脑6。

边坡模型试验架1由一个矩形框架以及下方的弯折式升降装置组成，所述矩形框架由侧向挡板7、底板8、反力挡板9、顶板11围成，所述岩层模型15位于矩形框架内，所述弯折式升降装置包括支座12，所述支座12的一端与矩形框架铰接，另一端通过弯折杆13与矩形框架连接，通过所述弯折杆13的伸缩可实现矩形框架一端的升降。

岩层模型15为采用相似材料预制的长方体，相似材料由石蜡、石膏、水、砂组成，开挖体模型16采用与岩层模型15相同的相似材料进行预制，并在开挖体模型16的前后两侧设置电加热贴片。

测压力加载装置包括位于所述矩形框架的一侧的移动加载板10，所述移动加载板10用于推顶所述岩层模型15，还包括夹在移动加载板10和反力挡板9之间的加载气囊17，所述加载气囊17通过高压输气管连接气压控制器4，所述气压控制器4受控于电脑6，所述恒温控制箱2用于控制温度变化，其四面由透明有机玻璃构成，所述传感器为拉线式位移传感器。

移动加载板10截面为工字型，所述移动加载板10的上下侧分别设有定位凸起，所述顶板11和底板8上分别设有容纳所述定位凸起的长条形的滑槽，所述移动加载板10借助于定位凸起沿着滑槽的长度方向移动。

移动加载板10的横截面为工字型，其顶部和底部有定向凸起19，底板8和顶板11为平直板，两者正中间设置有长条形的滑槽20，滑槽20的宽度略大于定向凸起19，便于移动加载板10在底板8和顶板11作平行滑动，侧向挡板7和反力挡板9的横截面为槽型，侧向挡板翼部22与移动加载板翼部18用于固定岩层，反力挡板翼部21与移动加载板翼部18用于固定加载气囊17。

一种顺层岩质边坡地下开挖模型试验系统的试验方法，包括以下步骤:

1) 根据相似比确定岩层模型15的物性参数和几何参数，通过不同温度下的力学试验确定相似材料的配合比，并配置相似材料；

2)在石蜡处于液态的温度下预制岩层模型15和开挖体模型16，并使其冷凝固结；

3)调整弯折杆13使矩形框架与支座12的夹角为零，调整气压控制器4使加载气囊17的气压为零，同时，使移动加载板10处于最左端，然后往底板8和顶板11涂抹润滑油；

4)往矩形框架分层装填预制好的岩层模型15和开挖体模型16，逐层埋设拉线式位移传感器，并在开挖体模型16前后两侧贴上电加热片；

5)架设好高速摄像机3，将高速摄像机3、气压控制器4、数据采集器5与电脑6进行相连，实现试验装置的最终连接；

6)缓慢调整气压控制器4使加载气囊17的气压逐渐增大，推动移动加载板10往右移动，使边坡模型的侧压力达到预定值，再调整弯折杆13使矩形框架与支座12的夹角达到预定的坡角；

7)通过电加热片使开挖体模型16迅速升温而软化、破碎，并使之从边坡整体模型中剥离；

8)待开挖后边坡变形稳定后，通过恒温控制箱2按照一定的温度间隔逐次提高温度，每升高一次温度，将该温度值保持一定的时间，待边坡变形稳定后，再次提升温度，直到边坡发生整体失稳破坏；

9）用数据采集器5获取边坡不同位置处的位移曲线，同时，利用高速摄像机4直观监测边坡的渐进破坏过程。

地下开挖是通过升高相似材料的温度使其软化、破碎，从而使开挖体模型16从边坡整体模型中剥离出来，同时，边坡的渐进破坏不是常规的通过不断加载来实现，而是通过不断升高相似材料的温度使其强度降低，另外，通过调整弯折杆13的弯曲程度，可模拟不同坡角的顺层岩质边坡。

边坡模型试验架由侧向挡板7、顶板11、底板8、移动加载板10、反力挡板9、支座12和弯折杆13组成，用于模拟顺层岩质边坡的加载和开挖；恒温控制箱2四面为透明有机玻璃，用于控制边坡模型的温度变化，实现边坡相似材料的强度随温度升高而降低，模拟边坡模型的渐进破坏过程；高速摄像机3透过恒温控制箱2直接观测边坡模型的渐进破坏过程；侧压力加载装置包括加载气囊17和气压控制器4，通过加载气囊17的膨胀推动移动加载板10对边坡模型施加侧向压力；数据采集器5与埋设在坡体中的拉线式位移传感器相连接，采集边坡渐进破坏过程中的位移数据；数据采集器5、气压控制器4和高速摄像机3均与电脑6相连接，实现加载数据、位移数据和图像数据的自动传输和存储。试验方法包含相似材料配合比的调制、岩层的预制、侧向加载、地下开挖、升温破坏控制和数据采集。

本发明具有以下优点和积极效果：可实现不同坡角、不同岩层厚度、不同地下开挖位置和开挖形状的顺层岩质边坡在地下开挖条件下的变形破坏模拟。

可通过升高温度来模拟边坡的渐进破坏过程，降低了模型框架的承载要求。

Claims

1.一种顺层岩质边坡地下开挖模型试验系统，其特征是：该试验系统包括边坡模型试验架（1）、恒温控制箱（2）、高速摄像机（3）、侧压力加载装置、数据采集器（5）和电脑（6），所述边坡模型试验架（1）内置岩层模型（15），所述岩层模型（15）内置开挖体模型（16），所述边坡模型试验架（1）置于恒温控制箱（2）内，所述侧压力加载装置的施力端作用于岩层模型（15）的一侧，所述数据采集器（5）一端连接位于岩层模型（15）内的传感器，另一端连接电脑（6），所述侧压力加载装置受控于电脑（6），所述高速摄像机（3）用于拍摄岩层模型（15）的渐进破坏过程并将图像传输至电脑（6）。

2.根据权利要求1所述的一种顺层岩质边坡地下开挖模型试验系统，其特征是：所述边坡模型试验架（1）由一个矩形框架以及下方的弯折式升降装置组成，所述矩形框架由侧向挡板（7）、底板（8）、反力挡板（9）、顶板（11）围成，所述岩层模型（15）位于矩形框架内，所述弯折式升降装置包括支座（12），所述支座（12）的一端与矩形框架铰接，另一端通过弯折杆（13）与矩形框架连接，通过所述弯折杆（13）的伸缩可实现矩形框架一端的升降。

3.根据权利要求2所述的一种顺层岩质边坡地下开挖模型试验系统，其特征是：所述岩层模型（15）为采用相似材料预制的长方体，相似材料由石蜡、石膏、水、砂组成，开挖体模型（16）采用与岩层模型（15）相同的相似材料进行预制，并在开挖体模型（16）的前后两侧设置电加热贴片。

4.根据权利要求3所述的一种顺层岩质边坡地下开挖模型试验系统，其特征是：所述侧压力加载装置包括位于所述矩形框架的一侧的移动加载板（10），所述移动加载板（10）用于推顶所述岩层模型（15），还包括夹在移动加载板（10）和反力挡板（9）之间的加载气囊（17），所述加载气囊（17）通过高压输气管连接气压控制器（4），所述气压控制器（4）受控于电脑（6），所述恒温控制箱（2）用于控制温度变化，其四面由透明有机玻璃构成，所述传感器为拉线式位移传感器。

5.根据权利要求4所述的一种顺层岩质边坡地下开挖模型试验系统，其特征是：所述移动加载板（10）截面为工字型，所述移动加载板（10）的上下侧分别设有定位凸起（19），所述顶板（11）和底板（8）上分别设有容纳所述定位凸起（19）的长条形的滑槽（20），所述移动加载板（10）借助于定位凸起（19）沿着滑槽（20）的长度方向移动。

6.根据权利要求5所述的一种顺层岩质边坡地下开挖模型试验系统的试验方法，其特征是:包括以下步骤:

1) 根据相似比确定岩层模型（15）的物性参数和几何参数，通过不同温度下的力学试验确定相似材料的配合比，并配置相似材料；

2)在石蜡处于液态的温度下预制岩层模型（15）和开挖体模型（16），并使其冷凝固结；

3)调整弯折杆（13）使矩形框架与支座（12）的夹角为零，调整气压控制器（4）使加载气囊（17）的气压为零，同时，使移动加载板（10）处于最左端，然后往底板（8）和顶板（11）涂抹润滑油；

4)往矩形框架分层装填预制好的岩层模型（15）和开挖体模型（16），逐层埋设拉线式位移传感器，并在开挖体模型（16）前后两侧贴上电加热片；

5)架设好高速摄像机（3），将高速摄像机（3）、气压控制器（4）、数据采集器（5）与电脑（6）进行相连，实现试验装置的最终连接；

6)缓慢调整气压控制器（4）使加载气囊（17）的气压逐渐增大，推动移动加载板（10）往右移动，使边坡模型的侧压力达到预定值，再调整弯折杆（13）使矩形框架与支座（12）的夹角达到预定的坡角；

7)通过电加热片使开挖体模型（16）迅速升温而软化、破碎，并使之从边坡整体模型中剥离；

8)待开挖后边坡变形稳定后，通过恒温控制箱（2）按照一定的温度间隔逐次提高温度，每升高一次温度，将该温度值保持一定的时间，待边坡变形稳定后，再次提升温度，直到边坡发生整体失稳破坏；

9）用数据采集器（5）获取边坡不同位置处的位移曲线，同时，利用高速摄像机（4）直观监测边坡的渐进破坏过程。