CN107340191A - 一种高陡岩体崩塌机制的物理模型试验系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高陡岩体崩塌机制的物理模型试验系统和方法，该系统包括崩塌试验模型、试验承台、人工反力装置和测试设备；崩塌试验模型放置在试验承台上，人工反力装置设置在崩塌试验模型的上端；在崩塌试验模型底部区域与试验承台结合面、崩塌试验模型底部区域与上部区域结合面分别布设压力传感器；在崩塌试验模型上方和侧面安装激光传感器；在崩塌试验模型底部区域的中间部位设置声波换能器，连接声波测试仪用以监测波速变化；在崩塌试验模型的底部区域和上部区域分别安装用以监测崩塌试验模型崩塌失稳的动态全过程的高速摄像机。本发明填补了目前高陡岩体崩塌模型试验的空白，可为高陡岩体崩塌灾害防灾减灾提供重要数据支撑。

Description

一种高陡岩体崩塌机制的物理模型试验系统及方法

技术领域

本发明属于崩塌灾害试验技术领域，涉及一种物理模型试验系统及方法，尤其是一种高陡岩体崩塌机制的物理模型试验系统及方法。

背景技术

崩塌灾害是我国最为严重的地质灾害之一，造成了大量的人员伤亡和财产损失。尤其是具有较大高径比的塔柱状、板状等大型高陡岩体，分布范围广，且更易在降水、人类工程活动等作用下发生崩塌，对山区的人居安全构成巨大威胁。物理模型试验能较好地模拟崩塌破坏模式、时间效应等，能直观地观察研究高陡岩体崩塌的失稳破坏全过程，因此采用物理模型试验研究高陡岩体的崩塌机制，具有无可比拟的优势。但由于高陡危岩自上而下岩体强度差异大、节理裂隙发育，发生崩塌失稳时岩体变形大、破坏速度快，目前针对高陡危岩崩塌失稳机制的物理模型试验方法仍是研究空白。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供一种高陡岩体崩塌机制的物理模型试验系统及方法。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：

这种高陡岩体崩塌机制的物理模型试验系统，包括崩塌试验模型、试验承台、人工反力装置和测试设备；所述崩塌试验模型放置在试验承台上，所述人工反力装置设置在崩塌试验模型的上端；所述测试设备包括压力传感器、激光传感器、声波换能器、声波测试仪和高速摄像机；在崩塌试验模型底部区域与试验承台结合面、崩塌试验模型底部区域与上部区域结合面分别布设压力传感器；在崩塌试验模型上方和侧面安装激光传感器；在崩塌试验模型底部区域的中间部位设置声波换能器，所述声波换能器连接声波测试仪用以监测波速变化；在崩塌试验模型的底部区域和上部区域分别安装用以监测崩塌试验模型崩塌失稳的动态全过程的高速摄像机。

进一步，在崩塌试验模型的上端，于崩塌试验模型和人工反力装置之间设置有刚性垫板。

进一步，上述崩塌试验模型为用以模拟高陡岩体且高径比为3:1的长方体；所述崩塌试验模型的长×宽×高尺寸为1m×1m×3m，试验相似比设为1:50。

进一步，上述崩塌试验模型划分为底部区域和上部区域两部分，底部区域用以模拟高陡岩体的压裂溃屈区，上部区域用以模拟高陡岩体中上部的自重荷载区。

进一步，上述底部区域长×宽×高尺寸为1m×1m×0.5m；所述上部区域长×宽×高尺寸为1m×1m×2.5m。

本发明还提出一种高陡岩体崩塌机制的物理模型试验方法，包括以下步骤：

1)准备用以模拟高陡岩体的崩塌试验模型：通过材料试验选配石膏矿粉水合物作为崩塌试验模型的底部区域组合块体试验材料，选配石膏水合物为上部区域组合体块体试验材料；

2)根据测试工况，分别采用不同的规则块体来组合为模拟岩体的崩塌试验模型，通过调整块体大小、强度以及组合方式模拟高陡岩体上强下弱的强度差异及自然界中岩体内部节理裂隙的差异分布；

3)崩塌试验模型的底部区域为崩塌破坏的关键测试部位，重点监测该部位的受力；在崩塌试验模型底部区域与试验承台结合面、崩塌试验模型底部区域与上部区域结合面分别布设压力传感器，获取崩塌试验模型底部关键部位在崩塌失稳过程中的应力变化规律；

4)在崩塌试验模型上方和侧面安装激光传感器，获取试验全过程中崩塌试验模型顶部、底部区域的多点位实时位移变形数据；

5)安装高速摄像机，对崩塌试验模型底部区域、上部区域的变形过程分别开展动态测量，监测崩塌试验模型崩塌失稳的动态全过程；

6)在试验前、加载过程中和失稳临界状态三个重点受力阶段分别对崩塌试验模型底部区域开展超声直达波声波测试，测试位置设在底部区域的中间部位，获取底部区域关键部位的波速变化数据，以反演模型的物理力学性态；

7)在崩塌试验模型上方设置伺服反力系统，通过试验承台逐级加载，直至崩塌试验模型发生失稳破坏。

进一步，以上步骤1)中，调配环氧树脂与凡士林为节理、层理块体接触面材料，块体间衔接采用胶结。

进一步，以上步骤1)中，底部区域与上部区域材料强度比值为1：1.5。

进一步，以上步骤2)中，所述不同的规则块体包括长方体、正方体和三棱柱；所述崩塌试验模型包括有一组水平层理、一组垂直节理、一组45°斜节理、一组45°斜节理或一组45°/135°共轭节理。

进一步，以上步骤7)中，试验承台逐级加载时，加载量设为60kPa/次。

本发明具有以下有益效果：

本发明高陡岩体崩塌机制的物理模型试验系统及方法填补了目前高陡岩体崩塌物理模型试验的空白。通过试验块的不同组合模式，可模拟自然界岩体中多种节理裂隙的影响，针对不同的节理裂隙工况开展快速对比试验研究，组合方便、快捷，模拟工况典型、全面。通过该试验方法获得的试验数据真实精确，可为高陡岩体崩塌灾害防灾减灾提供重要数据支撑。

附图说明

图1为本发明的试验系统结构示意图；

图2为本发明崩塌试验模型1组合模式示意图；(a)为含1组水平层理，(b)为含1组垂直节理，(c)为含1组45°斜节理，(d)为含1组45°/135°共轭节理。

其中：1为崩塌试验模型；2为试验承台；3为人工反力装置；4为测试设备；5为刚性垫板。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细描述：

参见图1：本发明的高陡岩体崩塌机制的物理模型试验系统，包括崩塌试验模型1、试验承台2、人工反力装置3和测试设备4；所述崩塌试验模型1放置在试验承台2上，人工反力装置3设置在崩塌试验模型1的上端；测试设备4包括压力传感器4.1、激光传感器4.2、声波换能器4.3、声波测试仪4.4和高速摄像机4.5；在崩塌试验模型1底部区域1.1与试验承台2结合面、崩塌试验模型底部区域1.1与上部区域1.2结合面分别布设压力传感器4.1；在崩塌试验模型1上方和侧面安装激光传感器4.2；在崩塌试验模型底部区域1.1的中间部位设置声波换能器4.3，声波换能器4.3连接声波测试仪4.4用以监测波速变化；在崩塌试验模型1的底部区域1.1和上部区域1.2分别安装用以监测崩塌试验模型1崩塌失稳的动态全过程的高速摄像机4.5。

在崩塌试验模型1的上端，于崩塌试验模型1和人工反力装置3之间设置有刚性垫板5。崩塌试验模型1为用以模拟高陡岩体且高径比为3:1的长方体；所述崩塌试验模型1的长×宽×高尺寸为1m×1m×3m，试验相似比设为1:50。所述崩塌试验模型1划分为底部区域1.1和上部区域1.2两部分，底部区域1.1用以模拟高陡岩体的压裂溃屈区，上部区域1.2用以模拟高陡岩体中上部的自重荷载区。所述底部区域1.1的长×宽×高尺寸为1m×1m×0.5m；所述上部区域1.2的长×宽×高尺寸为1m×1m×2.5m。

本发明的高陡岩体崩塌机制的物理模型试验方法，具体步骤包括：

1)设计崩塌试验模型为高径比3:1的长方体，用以模拟高陡岩体。模型尺寸1m×1m×3m(长×宽×高)，试验相似比设为1:50。将崩塌试验模型划分为底部区域和上部区域两部分，底部区域用以模拟高陡岩体的压裂溃屈区，上部区域用以模拟高陡岩体中上部的自重荷载区。底部区域模型尺寸1m×1m×0.5m(长×宽×高)，上部区域模型尺寸1m×1m×2.5m(长×宽×高)。

2)通过材料试验选配石膏矿粉水合物作为崩塌试验模型底部区域组合块体试验材料，选配石膏水合物为上部区域组合体块体试验材料，底部区域与上部区域材料强度比值为1：1.5。调配环氧树脂与凡士林为节理、层理等块体接触面材料，块体间衔接采用胶结。

3)根据测试工况，分别采用不同的规则块体(长方体(含正方体)、三棱柱)相组合来模拟岩体，通过调整块体大小、强度以及组合方式模拟高陡岩体上强下弱的强度差异及自然界中岩体内部节理裂隙的差异分布(1组水平层理、1组垂直节理、1组斜节理(45°)、1组共轭节理(45°/135°)四种工况，详见表1、图2)。

表1试验块组合模式设计表

4)试验模型底部区域为崩塌破坏的关键测试部位，重点监测该部位的受力。在崩塌试验模型底部区域与试验承台结合面、崩塌试验模型底部区域与上部区域结合面分别布设压力传感器，以获取崩塌试验模型底部关键部位在崩塌失稳过程中的应力变化规律。

5)在崩塌试验模型上方、侧面安装高精度激光传感器，获取试验全过程中崩塌试验模型顶部、底部区域的多点位实时位移变形数据。

6)安装高速摄像机，对崩塌试验模型底部区域、上部区域的变形过程分别开展动态测量，监测高陡岩体崩塌失稳的动态全过程。

7)在试验前、加载过程中、失稳临界状态三个重点受力阶段分别对试验体底部区域开展超声直达波声波测试，测试位置设在底部区域的中间部位，获取底部关键部位的波速变化数据，以反演模型的物理力学性态。

在试验模型上方设置伺服反力系统，通过试验承台逐级加载，加载量设为60kPa/次，直至崩塌试验模型发生失稳破坏。

综上所述，本发明具有以下优势：

(1)设计崩塌试验模型高径比。提出高陡危岩体物理模型尺寸，设计合理、具代表性。

(2)分区设计思路。将试验模型设计为上部区域、下部区域两部分，分别采用不同强度材料，模拟高陡岩体上强下弱的特性，且可针对关键区域加强测试。

(3)试验块组合模式。可模拟一组水平层理、一组垂直节理、一组斜节理(45°)、一组共轭节理(45°/135°)四种工况，以上四种工况进一步组合可涵盖自然界的典型岩体裂隙工况。

(4)声波测试。将声波测试引入崩塌物理模型试验，可在短时间内获取崩塌体关键区域受压条件下的波速变化数据。

Claims (10)

1.一种高陡岩体崩塌机制的物理模型试验系统，其特征在于，包括崩塌试验模型(1)、试验承台(2)、人工反力装置(3)和测试设备(4)；所述崩塌试验模型(1)放置在试验承台(2)上，所述人工反力装置(3)设置在崩塌试验模型(1)的上端；所述测试设备(4)包括压力传感器(4.1)、激光传感器(4.2)、声波换能器(4.3)、声波测试仪(4.4)和高速摄像机(4.5)；在崩塌试验模型(1)底部区域(1.1)与试验承台(2)结合面、崩塌试验模型底部区域(1.1)与上部区域(1.2)结合面分别布设压力传感器(4.1)；在崩塌试验模型(1)上方和侧面安装激光传感器(4.2)；在崩塌试验模型底部区域(1.1)的中间部位设置声波换能器(4.3)，所述声波换能器(4.3)连接声波测试仪(4.4)用以监测波速变化；在崩塌试验模型(1)的底部区域(1.1)和上部区域(1.2)分别安装用以监测崩塌试验模型(1)崩塌失稳的动态全过程的高速摄像机(4.5)。

2.根据权利要求1所述的高陡岩体崩塌机制的物理模型试验系统，其特征在于，在崩塌试验模型(1)的上端，于崩塌试验模型(1)和人工反力装置(3)之间设置有刚性垫板(5)。

3.根据权利要求1所述的高陡岩体崩塌机制的物理模型试验系统，其特征在于，所述崩塌试验模型(1)为用以模拟高陡岩体且高径比为3:1的长方体；所述崩塌试验模型(1)的长×宽×高尺寸为1m×1m×3m，试验相似比设为1:50。

4.根据权利要求3所述的高陡岩体崩塌机制的物理模型试验系统，其特征在于，所述崩塌试验模型(1)划分为底部区域(1.1)和上部区域(1.2)两部分，底部区域(1.1)用以模拟高陡岩体的压裂溃屈区，上部区域(1.2)用以模拟高陡岩体中上部的自重荷载区。

5.根据权利要求4所述的高陡岩体崩塌机制的物理模型试验系统，其特征在于，所述底部区域(1.1)长×宽×高尺寸为1m×1m×0.5m；所述上部区域(1.2)长×宽×高尺寸为1m×1m×2.5m。

6.一种高陡岩体崩塌机制的物理模型试验方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)准备用以模拟高陡岩体的崩塌试验模型(1)：通过材料试验选配石膏矿粉水合物作为崩塌试验模型(1)的底部区域(1.1)组合块体试验材料，选配石膏水合物为上部区域(1.2)组合体块体试验材料；

2)根据测试工况，分别采用不同的规则块体来组合为模拟岩体的崩塌试验模型(1)，通过调整块体大小、强度以及组合方式模拟高陡岩体上强下弱的强度差异及自然界中岩体内部节理裂隙的差异分布；

3)崩塌试验模型(1)的底部区域(1.1)为崩塌破坏的关键测试部位，重点监测该部位的受力；在崩塌试验模型(1)底部区域(1.1)与试验承台(2)结合面、崩塌试验模型底部区域(1.1)与上部区域(1.2)结合面分别布设压力传感器，获取崩塌试验模型(1)底部关键部位在崩塌失稳过程中的应力变化规律；

4)在崩塌试验模型(1)上方和侧面安装激光传感器，获取试验全过程中崩塌试验模型顶部、底部区域的多点位实时位移变形数据；

5)安装高速摄像机，对崩塌试验模型(1)底部区域(1.1)、上部区域(1.2)的变形过程分别开展动态测量，监测崩塌试验模型(1)崩塌失稳的动态全过程；

6)在试验前、加载过程中和失稳临界状态三个重点受力阶段分别对崩塌试验模型(1)底部区域(1.1)开展超声直达波声波测试，测试位置设在底部区域(1.1)的中间部位，获取底部区域(1.1)关键部位的波速变化数据，以反演模型的物理力学性态；

7)在崩塌试验模型(1)上方设置伺服反力系统，通过试验承台逐级加载，直至崩塌试验模型发生失稳破坏。

7.根据权利要求6所述的高陡岩体崩塌机制的物理模型试验方法，其特征在于，步骤1)中，调配环氧树脂与凡士林为节理、层理块体接触面材料，块体间衔接采用胶结。

8.根据权利要求6所述的高陡岩体崩塌机制的物理模型试验方法，其特征在于，步骤1)中，底部区域与上部区域材料强度比值为1：1.5。

9.根据权利要求6所述的高陡岩体崩塌机制的物理模型试验方法，其特征在于，步骤2)中，所述不同的规则块体包括长方体、正方体和三棱柱；所述崩塌试验模型(1)包括有一组水平层理、一组垂直节理、一组45°斜节理或一组45°/135°共轭节理。

10.根据权利要求6所述的高陡岩体崩塌机制的物理模型试验方法，其特征在于，步骤7)中，试验承台逐级加载时，加载量设为60kPa/次。