CN107727424A - 一种顺层岩质边坡稳定性的地质力学模型实验装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明是一种顺层岩质边坡稳定性的地质力学模型实验装置及方法。它包括主框架、支撑脚、滑槽、千斤顶，主框架由（多个）构件、加强板、法兰板和挡板组成，所述构件包括横向构件和纵向构件，构件之间采用加强板和法兰板连接，支撑脚位于主框架下部构件两侧，滑槽包括横向滑槽和竖向滑槽，横向滑槽和竖向滑槽分别位于主框架内部的上侧和左右侧，千斤顶包括横向千斤顶和竖向千斤顶，水平千斤顶和竖向千斤顶分别放置于竖向滑槽和横向滑槽中。并利用该装置进行顺层岩质边坡稳定性的地质力学模型试验。可获取顺层岩质边坡可承受的极限水平荷载、极限竖向荷载及极限水平和竖向荷载组合。

Description

一种顺层岩质边坡稳定性的地质力学模型实验装置及方法

技术领域

本发明属于岩土力学实验技术领域，具体涉及一种顺层岩质边坡稳定性的地质力学模型实验装置及方法，适用于考虑水平荷载、竖直荷载以及水平和竖直联合荷载作用的岩质边坡稳定性研究。

背景技术

和土质边坡相比，岩质边坡由于内部存在大量的节理、裂隙等不连续结构面，其破坏模式和机制得到广泛关注。顺层岩质滑坡不仅是岩质边坡最主要的破坏方式，也是我国历史发生的大型滑坡中占比例最大的滑坡类型，其控制性滑面以软弱夹层最为常见。

顺层岩质滑坡在我国发育的广泛性及其致灾的严重性决定了顺层岩质滑坡的成因机理研究越来越成为研究热点，尤其对于常见的受单一软弱层控制下的顺层岩质边坡，其桥基荷载和地震荷载下岩体的变形、破坏机理及失稳演化机制研究甚少。现有技术中也尚未公开过用于顺层岩质边坡外载作用下的地质力学模型试验。

发明内容

针对现有技术存在的问题和状况，本发明的目的是在于提供了一种用于测试顺层岩质边坡稳定性的地质力学模型试验装置，该装置可为地质力学模型施加水平荷载、竖直荷载以及水平和竖直联合荷载，结构简单，使用方便，可拆卸性强。

本发明的另一个目的是在于提供了一种用于测试顺层岩质边坡稳定性的地质力学模型实验方法，该方法可考虑水平荷载、竖直荷载以及水平和竖直联合荷载作用的顺层岩质边坡稳定性研究。方法易行，加载位置可根据需要适时操作。

为了实现上述的目的，本发明采用以下技术方案：

一种用于测试顺层岩质边坡稳定性的地质力学模型试验装置，

它包括主框架、支撑脚、滑槽、千斤顶，主框架中的构件和支撑脚相连，滑槽与主框架的构件连接板相连，主框架由横向和纵向构件、加强板、法兰板、和挡板构成，其中构件由工字钢和连接板构成，构件之间采用加强板和法兰板连接，加强板与连接板相连，法兰板分别与工字钢、连接板相连，两个构件之间的法兰板采用螺栓连接，支撑脚位于主框架下部构件两侧，滑槽由横向滑槽和竖向滑槽构成，横向滑槽和竖向滑槽分别位于主框架内部的上侧和左右侧，千斤顶由水平千斤顶和竖向千斤顶构成，水平千斤顶和竖向千斤顶分别放置于竖向滑槽和横向滑槽中。

所述的多个横向构件和纵向构件数量是8-12个。

所述的多个加强板数量是4-6个。

所述的多个法兰板数量是8-12个。

所述的挡板数量是4个。

所述的支撑脚数量是4个。

一种顺层岩质边坡稳定性的地质力学模型实验方法，其步骤是：

(1)据工程项目所在位置的岩质边坡的构造情况和室内模型试验的相似比，将组成边坡的各类结构体和结构面（或软弱夹层）进行相似模拟，制备出满足与原型材料的物理和力学性能相似的各类结构体和结构面（或软弱夹层）的模型材料；

（2）根据岩质边坡的模拟范围及地形特点，将准备好的各类结构体和结构面（或软弱夹层）的模型材料在所述的地质力学模型试验装置内进行逐层砌筑，直至完成边坡模型的制作；所述的坡体包括上覆岩层、结构面或软弱夹层、基岩层，坡体中部是结构面或软弱夹层，下部是基岩层，上部是上覆岩层，结构面或软弱夹层两侧排列多组监测传感器，结构面或软弱夹层分别与基岩层、上覆岩层相连，基岩层分别与坡体、结构面相连，上覆岩层分别与结构面或软弱夹层、平台相连，在上覆岩层与结构面或软弱夹层中装有两侧排列监测传感器，监测试验过程中结构面或软弱夹层的应变和应力变化；

（3）一切准备就绪后，即可通过液压稳定系统对试验装置内的液压千斤顶进行供油，通过液压千斤顶的顶升来对模型施加水平和竖向荷载，在试验过程中，采用数据采集系统及时记录软弱夹层上下部的应力、应变数据，并采用连拍相机同时观察记录边坡整体破坏形态和破坏过程，试验直到边坡整体失稳为止，最后根据测试数据对边坡稳定性进行综合评价。

所述的多组监测传感器数量为4-10组，监测传感器包括应变片和压力盒。

所述的平台是根据实际地形对坡表进行切削，并在竖向实际荷载作用的位置砌筑的平台。本发明与现有技术相比，具有以下优点和有益效果：

(1)本发明提供的一种顺层岩质边坡稳定性的实验方法，可以测试水平荷载、竖直荷载以及水平和竖直联合荷载作用的顺层岩质边坡稳定性和破坏机制；

(2) 本发明提供的一种顺层岩质边坡稳定性的装置可以根据试验可为地质力学模型施加水平荷载、竖直荷载以及水平和竖直联合荷载。

(3)本发明的装置可以给地质力学模型在边界任意位置施加荷载。

(4)本发明的装置设计巧妙结构简单，使用方便，可拆卸性强。

(5)本实验方法可获取顺层岩质边坡可承受的极限水平荷载、极限竖向荷载及极限水平和竖向荷载组合。

附图说明

图1为本发明的顺层岩质边坡稳定性的地质力学模型实验装置结构示意图（正视图）。

图2为图1的俯视图。

图3为图1中构件的横截面示意图。

图4 为本发明的实验模型坡体示意图。

图5为在本发明的地质力学模型实验装置结构内放置模型试验坡体示意图。

其中：1－主框架、 1-1－构件、 1-1-1－工字钢、1-1-2－连接板、1-2－加强板、1-3－法兰板、1-4－挡板、2－支撑脚、3－滑槽、3-1－横向滑槽、3-2－竖向滑槽、4－千斤顶（普通）、4-1－横向千斤顶、4-2－竖向千斤顶、5－室内模型坡体、6－上覆岩层、7－结构面（或软弱夹层）、8－基岩层、9－监测传感器（BX120-50AA电阻应变计，BW-0.5型土压力盒）、10－平台。

具体实施方式

下列实施例仅用于说明本发明，而不应视为限定本发明的范围。实施例中未注明具体技术或条件者，按照本领域内的文献所描述的技术或条件或者按照产品说明书进行。所用仪器未注明生产厂商者，均为可以通过购买获得的常规产品。

实施例1：

根据图1－2所示，一种测试顺层岩质边坡稳定性的地质力学模型试验装置，

它包括主框架1、支撑脚2、滑槽3、千斤顶4，主框架1中的构件1-1和支撑脚2相连，滑槽3与主框架1的构件1-1连接板1-1-2相连，主框架1由横向和纵向构件1-1、加强板 1-2、法兰板1-3、和挡板1-4构成，其中构件1-1由工字钢1-1-1和连接板1-1-2构成，构件1-1之间采用加强板1-2和法兰板1-3连接，加强板1-2与连接板1-1-2相连，法兰板1-3分别与工字钢1-1-1、连接板1-1-2相连，两个构件之间的法兰板采用螺栓连接，支撑脚2位于主框架1下部构件1-1两侧，滑槽3由横向滑槽3-1和竖向滑槽3-2构成，横向滑槽3-1和竖向滑槽3-2分别位于主框架1内部的上侧和左右侧，千斤顶4由水平千斤顶4-1和竖向千斤顶4-2构成，水平千斤顶4-1和竖向千斤顶4-2分别放置于竖向滑槽3-1和横向滑槽3-2中。

所述的多个横向和纵向构件1-1数量为8-12个。

所述的多个加强板1-2数量为4-6个。

所述的多个法兰板1-3数量为8-12个。

所述的挡板1-4数量为4个。

所述的支撑脚2数量为4个。

如图4所示，一种顺层岩质边坡稳定性的地质力学模型实验方法为：

（1）根据工程项目所在位置的岩质边坡的构造情况和室内模型试验的相似比，将组成边坡的各类结构体和结构面（或软弱夹层）进行相似模拟，制备出满足与原型材料的物理和力学性能相似的各类结构体和结构面（或软弱夹层）的模型材料；

（2）根据岩质边坡的模拟范围及地形特点，将准备好的各类结构体和结构面（或软弱夹层）7的模型材料在在所述的地质力学模型试验装置的主框架1下部进行逐层砌筑，直至完成边坡模型的制作，形成坡体5。所述的坡体5是多层结构，坡体5包括上覆岩层6、结构面（或软弱夹层）7、基岩层8，坡体5中部是结构面（或软弱夹层）7，下部是基岩层8，上部是上覆岩层6。结构面（或软弱夹层）7两侧排列多组监测传感器9。结构面（或软弱夹层）7分别与基岩层8、上覆岩层6相连，基岩层8分别与坡体5、结构面（或软弱夹层）7相连，上覆岩层6分别与结构面（或软弱夹层）7、平台10相连，在上覆岩层6与结构面（或软弱夹层）7中装有两侧排列多组监测传感器9。所述的两侧排列多组监测传感器9有5组，监测传感器包括应变片和压力盒（BX120-50AA电阻应变计，BW-0.5型土压力盒）。

所述的平台10是根据实际地形对坡表进行切削，并在竖向实际荷载作用的位置砌筑的平台。

(3) 一切准备就绪后，即可通过液压稳定系统对试验装置内的液压千斤顶进行供油，通过液压千斤顶的顶升来对模型施加水平和竖向荷载，在试验过程中，采用数据采集系统及时记录软弱夹层上下部的应力、应变数据，并采用连拍相机同时观察记录边坡整体破坏形态和破坏过程，试验直到边坡整体失稳为止，最后根据测试数据对边坡稳定性进行综合评价。

实例：

1、竖向荷载作用下含软弱夹层的顺层岩质边坡稳定性分析：

某桥基岩质边坡，野外地质勘察表明，桥梁主墩下部含有一条贯通性的软弱夹层，分析竖向荷载的增加对岩质边坡的稳定性影响。根据现场勘察和室内场地分析，确定室内模型试验的几何相似比为200. 上覆岩层10和基岩层12均采用铁粉：重金石粉：水：水泥=30：10：3.5：1.4的比例配置，软弱夹层采用特氟龙材料进行模拟。室内模型的几何尺寸为4.5m（长度）×2.25m（高度）×0.4m（高度），平台尺寸0.2m×0.3m。

在主框架1下部处采用制作预制试块的方法来进行模型上下岩层的砌筑，其中软弱夹层采用特氟龙材料进行模拟。模型制作好后在坡表竖向荷载作用的地方铺设平台。将水平千斤顶4-1移至平台处，采用液压方式进行加载，启动数据采集系统和连拍相机。随着坡顶荷载的增加，坡体内的软弱夹层两侧岩体发生相对变形。

2、水平荷载作用下含软弱夹层的顺层岩质边坡稳定性分析

采用实施例一的工程背景开展分析。在主框架1下部处采用制作预制试块的方法来进行模型上下岩层的砌筑，其中软弱夹层采用特氟龙材料进行模拟。模型制作好后在坡表竖向荷载作用的地方铺设平台。将竖向千斤顶4-2移至软弱夹层以上的岩体，采用液压方式通过千斤顶进行加载，启动数据采集系统和连拍相机。随着水平荷载的增加，坡体内的软弱夹层上部岩体发生相对变形。

上述具体实施方式用来解释说明本发明，而不是对本发明进行限制，在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明作出的任何修改和改变，都落入本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种顺层岩质边坡稳定性的地质力学模型实验装置，其特征在于：它包括主框架（1）、支撑脚（2）、滑槽（3）、千斤顶（4），主框架（1）中的构件（1-1）和支撑脚（2）相连，滑槽（3）与主框架（1）的构件（1-1）的连接板（1-1-2）相连，主框架（1）由横向和纵向构件（1-1）、加强板 （1-2）、法兰板（1-3）、和挡板（1-4）构成，其中构件（1-1）由工字钢（1-1-1）和连接板（1-1-2）构成，构件（1-1）之间采用加强板（1-2）和法兰板（1-3）连接，加强板（1-2）与连接板（1-1-2）相连，法兰板（1-3）分别与工字钢（1-1-1）、连接板（1-1-2）相连，两个构件之间的法兰板采用螺栓连接，支撑脚（2）位于主框架（1）下部构件（1-1）两侧，滑槽（3）由横向滑槽（3-1）和竖向滑槽（3-2）构成，横向滑槽（3-1）和竖向滑槽（3-2）分别位于主框架（1）内部的上侧和左右侧，千斤顶（4）由水平千斤顶（4-1）和竖向千斤顶（4-2）构成，水平千斤顶（4-1）和竖向千斤顶（4-2）分别放置于竖向滑槽（3-1）和横向滑槽（3-2）中。

2.根据权利要求1所述的顺层岩质边坡稳定性的地质力学模型实验装置，其特征在于：所述的横向和纵向构件（1-1）数量为8-12个。

3.根据权利要求1所述的顺层岩质边坡稳定性的地质力学模型实验装置，其特征在于：所述的加强板（1-2）数量为4-6个。

4.根据权利要求1所述的顺层岩质边坡稳定性的地质力学模型实验装置，其特征在于：所述的法兰板（1-3）数量为8-12个。

5.根据权利要求1所述的顺层岩质边坡稳定性的地质力学模型实验装置，其特征在于：所述的挡板（1-4）数量为4个，支撑脚（2）数量为4个。

6.一种顺层岩质边坡稳定性的地质力学模型的实验方法，其特征在于：按以下步骤进行：

(1)依据工程项目所在位置的岩质边坡的构造和室内模型试验相似比，将组成边坡的结构体和结构面或软弱夹层进行相似模拟，制备出与原型材料的物理和力学性能相似的结构体和结构面或软弱夹层的模型材料；

（2）根据岩质边坡的模拟范围及地形，将准备的结构体和结构面或软弱夹层的模型材料在权利要求1所述的顺层岩质边坡稳定性的地质力学模型试验装置内进行逐层砌筑，直至完成边坡模型的制作；所述的坡体（5）包括上覆岩层（6）、结构面或软弱夹层（7）、基岩层（8），坡体（5）中部是结构面或软弱夹层（7），下部是基岩层（8），上部是上覆岩层（6），结构面或软弱夹层（7）两侧排列多组监测传感器（9），结构面或软弱夹层（7）分别与基岩层（8）、上覆岩层（6）相连，基岩层（8）分别与坡体（5）、结构面（7）相连，上覆岩层（6）分别与结构面或软弱夹层（7）、平台（10）相连，在上覆岩层（6）与结构面或软弱夹层（7）中装有两侧排列监测传感器（9），监测试验过程中结构面或软弱夹层的应变和应力变化；

(3)一切准备就绪后，即可通过液压稳定系统对试验装置内的液压千斤顶进行供油，通过液压千斤顶的顶升来对模型施加水平和竖向荷载，在试验过程中，采用数据采集系统及时记录软弱夹层上下部的应力、应变数据，并采用连拍相机同时观察记录边坡整体破坏形态和破坏过程，试验直到边坡整体失稳为止，最后根据测试数据对边坡稳定性进行综合评价。

7.根据权利要求6所述的顺层岩质边坡稳定性的地质力学模型的实验方法，其特征在于：根据实际地形对坡表进行切削，在竖向实际荷载作用的位置砌筑平台（10）。

8.根据权利要求6所述的顺层岩质边坡稳定性的地质力学模型的实验方法，其特征在于：所述的多组监测传感器数量为4-10组，监测传感器包括应变片和压力盒。