CN109374861A - 用于模拟岩体崩塌的试验设备 - Google Patents

Abstract

本发明属于岩体动力学室内试验领域，具体涉及一种用于模拟岩体崩塌的试验设备。为了便于测得岩体发生崩塌破坏的临界坡度，或者进一步测得在不同粗糙度下岩体的水平运动距离，本发明提出的试验设备包括：岩体崩塌模拟装置，其至少包括用于岩体崩塌后滑动的坡面粗糙度模拟板；坡度调节装置，其用于调节坡面粗糙度模拟板相对于水平面的坡度α；岩体崩塌监测装置，其至少用于测量岩体在重力作用下开始沿坡面粗糙度模拟板滑动时的坡度α的值。本发明能够方便地测得岩体发生崩塌破坏的临界坡度。在一些示例中，本发明还可以通过放置不同类型的坡面粗糙度模拟板，从而模拟不同粗糙度下岩体R的崩塌过程，以获得岩体R水平运动距离与斜坡粗糙度的关系。

Description

用于模拟岩体崩塌的试验设备

技术领域

本发明属于岩体动力学室内试验领域，具体涉及一种用于模拟岩体崩塌的试验设备。

背景技术

斜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。斜坡按地层岩性可分为岩质斜坡、土质斜坡和土石混合体斜坡。其中，岩质斜坡在自然条件下经常发生崩塌、滑坡、泥石流等地质灾害。崩塌以速度快，频率高著称，其稳定性是工程地质学和岩体力学领域的经典问题之一。岩体崩塌的临界坡度及崩塌岩体的水平运动距离因其对道路安全、人身生命财产的影响巨大，成为科学界及工程界一直关注的重要问题。

目前，岩体崩塌模拟基本采用数值模拟和室内试验模拟。数值模拟可分为区域崩塌模拟和单体崩塌模拟两部分，其中，在单体崩塌模拟中，岩体的粘聚力、内摩擦角等相关力学参数难以准确获取，造成了模拟结果的不确定性。室内试验模拟中可通过剪切试验测得岩体发生崩塌破坏的临界坡度，但其存在着尺寸效应的缺点，且无法确定崩塌坡度与崩塌岩体水平运动距离的关系。综上所述，不论是数值模拟还是室内试验模拟，都不能准确给出自然条件下岩体发生崩塌破坏的临界坡度，以及不同斜坡粗糙度与崩塌岩体的水平运动距离的关系。

因此，如何测得岩体发生崩塌破坏的临界坡度、不同斜坡粗糙度下崩塌岩体的水平运动距离，已经成为本领域人员亟待解决的问题。

发明内容

为了解决现有技术中的上述问题，即为了便于测得岩体发生崩塌破坏的临界坡度，或者进一步测得在不同粗糙度下岩体的水平运动距离，本发明提出了一种用于模拟岩体崩塌的试验设备，所述试验设备包括：岩体崩塌模拟装置，其至少包括用于岩体崩塌后滑动的坡面粗糙度模拟板；坡度调节装置，其用于调节所述坡面粗糙度模拟板相对于水平面的坡度α；岩体崩塌监测装置，其至少用于测量岩体在重力作用下开始沿所述坡面粗糙度模拟板滑动时的坡度α的值。

在上述用于模拟岩体崩塌的试验设备的优选实施方式中，所述岩体崩塌模拟装置还包括：斜板，所述坡面粗糙度模拟板固定在所述斜板上；岩体槽，所述岩体槽位于所述坡面粗糙度模拟板的上游端；并且，所述岩体槽内还设置有垫板，所述垫板用于使所述岩体槽与所述坡面粗糙度模拟板齐平，并因此使放置于所述岩体槽内的岩体能够平滑地过渡到所述坡面粗糙度模拟板上。

在上述用于模拟岩体崩塌的试验设备的优选实施方式中，所述岩体崩塌模拟装置还包括设置于所述岩体槽处的岩体框，所述岩体框与所述岩体槽形成容纳岩体的腔室，并且，所述岩体框能够以翻转的方式打开/关闭所述腔室以将所述岩体释放出所述腔室或将所述岩体关闭在所述腔室内。

在上述用于模拟岩体崩塌的试验设备的优选实施方式中，所述岩体崩塌模拟装置还包括设置于所述斜板底部的滑轮，所述斜板借助所述滑轮在地面上运动；并且/或者所述斜板包括第一部分和第二部分，所述坡面粗糙度模拟板设置于所述第一部分的上面，所述第二部分位于所述第一部分的底面，所述第一部分的下游端与所述第二部分铰接，并且，所述第一部分在所述斜坡调节装置的作用下能够相对于所述第二部分打开以改变所述坡面粗糙度模拟板相对于水平面的坡度α。

在上述用于模拟岩体崩塌的试验设备的优选实施方式中，所述第二部分的底面还设置有第一控制轮，所述第一控制轮能够将所述岩体崩塌模拟装置固定在目标位置。

在上述用于模拟岩体崩塌的试验设备的优选实施方式中，所述岩体崩塌模拟装置还包括与所述斜板的上游端连接的斜板拉手，所述斜板拉手能够拉动所述斜板在水平方向和/或竖直方向上运动。

在上述用于模拟岩体崩塌的试验设备的优选实施方式中，所述岩体崩塌监测装置包括：坡度测量仪，其用于测量所述坡面粗糙度模拟板滑动时的坡度α；影像记录仪，其用于记录岩体崩塌后沿所述坡面粗糙度模拟板滑动的过程。

在上述用于模拟岩体崩塌的试验设备的优选实施方式中，所述坡度测量仪为罗盘仪；并且/或者所述影像记录仪为高速摄像机；并且/或者所述坡度调节装置为千斤顶；并且/或者所述坡面粗糙度模拟板包括多个不同粗糙度的钢板。

在上述用于模拟岩体崩塌的试验设备的优选实施方式中，所述试验设备还包括拖车，所述拖车包括拖车主体，所述拖车主体上设置有刻度板，所述刻度板的第一端设置有挡板；所述拖车还包括控制杆和设置于所述拖车主体底面的升降杆，所述控制杆能够控制所述升降杆以调节所述拖车主体的高度；当进行岩体崩塌模拟试验时，所述刻度板的第二端抵靠于所述坡面粗糙度模拟板的下游端，并通过所述控制杆调整所述拖车主体的高度以使岩体沿所述坡面粗糙度模拟板平滑地过渡到所述刻度板。

在上述用于模拟岩体崩塌的试验设备的优选实施方式中，所述拖车还包括第二控制轮，所述第二控制轮能够将所述拖车固定在目标位置，或者所述拖车能够借助所述第二控制轮在地面移动。

本发明通过岩体崩塌模拟装置、坡度调节装置和岩体崩塌监测装置实现模拟岩体崩塌的过程，从而测得岩体发生崩塌破坏的临界坡度。在一些示例中，本发明可以通过放置不同类型的坡面粗糙度模拟板，从而模拟不同粗糙度下岩体R的崩塌过程，以获得岩体R水平运动距离与斜坡粗糙度的关系。

附图说明

图1是本发明实施例的用于模拟岩体崩塌的试验设备的结构示意图；

图2是本发明实施例的用于模拟岩体崩塌的试验设备的岩体崩塌模拟装置的结构示意图；

图3是本发明实施例的用于模拟岩体崩塌的试验设备的坡度调节装置的结构示意图；

图4是本发明实施例的用于模拟岩体崩塌的试验设备的拖车的结构示意图；

图5是本发明实施例的用于模拟岩体崩塌的试验设备的坡面粗糙度模拟板的结构示意图。

具体实施方式

为使本发明的实施例、技术方案和优点更加明显，下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例。本领域技术人员应当理解的是，这些实施方式仅仅用于解释本发明的技术原理，并非旨在限制本发明的保护范围。

首先参照图1，本发明的用于模拟岩体崩塌的试验设备主要包括三部分：岩体崩塌模拟装置1、坡度调节装置2和岩体崩塌监测装置3。其中，岩体崩塌模拟装置1至少包括用于岩体崩塌后滑动的坡面粗糙度模拟板11；坡度调节装置2用于调节坡面粗糙度模拟板11相对于水平面的坡度α；岩体崩塌监测装置3至少用于测量岩体在重力作用下开始沿坡面粗糙度模拟板11滑动时的坡度α的值。具体而言，当进行岩体崩塌的模拟试验时，利用坡度调节装置2缓慢地调节粗糙度模拟板11的坡度α，α逐渐增大到临界坡度后，岩体R发生滑动，即在重力作用下沿粗糙度模拟板11向下滑动。岩体崩塌监测装置3包括坡度测量仪31，例如可以是罗盘仪，利用该罗盘仪可以测量出坡面粗糙度模拟板11相对于水平面的坡度α，从而获得岩体R崩塌破坏的临界坡度。

下面结合图2-5详细说明本发明的一个具体实施方式。

参照图2，图2是本发明实施例的用于模拟岩体崩塌的试验设备的岩体崩塌模拟装置的结构示意图。如图2所示，在被实施例中，岩体崩塌模拟装置1还包括斜板12，坡面粗糙度模拟板11固定在斜板12上；坡面粗糙度模拟板11的上游端(图2中左端)设置有岩体槽13，岩体槽13内还设置有垫板131，垫板131用于使岩体槽13与坡面粗糙度模拟板11齐平，并因此使放置于岩体槽13内的岩体R能够平滑地过度到坡面粗糙度模拟板11上，从而避免了岩体R与坡面粗糙度模拟板11之间的高度差而存在的试验偏差。优选地，岩体崩塌模拟装置1还包括设置于岩体槽13处的岩体框14，岩体框14与岩体槽13形成容纳岩体的腔室，并且，岩体框14能够以翻转的方式打开/关闭腔室以将岩体R释放出腔室或将岩体R关闭在腔室。图1中示出了岩体框14打开腔室释放出岩体R的情形。换言之，岩体框14相当于一个保护盖，在不进行试验的时候可以将岩体R保护在岩体框14与岩体槽13形成的腔室内，而在进行试验的时候，将岩体框14打开以释放岩体R。

在一种具体的实施方式中，继续参照图2，岩体崩塌模拟装置1还包括设置于斜板12底部的滑轮15，斜板12借助滑轮15在地面上运动。进一步，斜板12包括第一部分121和第二部分122，坡面粗糙度模拟板11设置于第一部分121的上面(如通过螺栓将坡面粗糙度模拟板11固定到第一部分121的上面)，第二部分122位于第一部分121的底面，第一部分121的下游端(图2中的右端)与第二部分122铰接，并且，第一部分121在斜坡调节装置2的作用下能够相对于第二部分122打开以改变坡面粗糙度模拟板11相对于水平面的坡度α，如图1中示出的第一部分121相对于第二部分122打开坡度为α的状态。

作为示例，第二部分122的底面还设置有第一控制轮16，第一控制轮16能够将岩体崩塌模拟装置1固定在目标位置。具体而言，在进行模拟试验时，当岩体崩塌模拟装置1达到试验位置，则可以锁死第一控制轮16，使得斜板122无法自由移动，从而将岩体崩塌模拟装置1固定在试验位置。优选地，第二部分122的底面还可以设置固定钩17，也可以将岩体崩塌模拟装置1固定在试验位置。

需要说明的是，上述斜板12的第二部分122远短于第一部分121，其结构可以理解为：第二部分122的一端铰接于第一部分121的末端，然后将第二部分122按照顺时针转动，直至第二部分122贴合到第一部分121的底面。这种结构设计，在不使用的情况下，斜板12整体可以处于闭合状态，在使用的情况下，第二部分122维持与地面平行的状态，第一部分121以铰接处(指第一部分121与第二部分122的铰接处)为支点可以方便地沿第二部分122顺时针转动以打开一定角度，直到达到岩体R沿坡面粗糙度模拟板11滑动的临界角度。

优选地，继续参照图2，岩体崩塌模拟装置1还包括与斜板12的上游端(图2的左侧)连接的斜板拉手18，斜板拉手18能够拉动斜板12在水平方向上运动，同时斜板拉手18还能够拉动斜板12的第一部分121的上游段在竖直方向上运动以形成一定坡度的坡面。

参照图3，图3是本发明实施例的用于模拟岩体崩塌的试验设备的坡度调节装置的结构示意图。如图3所示，本实施例的坡度调节装置2为千斤顶，具体地，坡度调节装置2包括基座21、设置于基座21上的千斤顶套管22、设置于千斤顶套管22内的千斤顶23、设置于千斤顶23顶部的上部滚轮24和设置于基座底部的下部滚轮25，该坡度调节装置2还包括加压手柄26和设置于基座底部的第三控制轮27。在进行崩塌模拟试验时，坡度调节装置2借助下部滚轮25移动到试验位置，然后通过第三控制轮26被固定到试验位置(原理与第一控制轮16固定斜板12相同)，此时，千斤顶23顶部的上部滚轮24抵靠于斜板12的第一部分121底面的滑轮处，然后通过按压加压手柄26提高千斤顶套管22以抬升斜板12，从而实现模拟斜坡坡度的目的。

返回参照图1，本发明的模拟岩体崩塌的试验设备还包括拖车4。具体地，参照图4，图4是本发明实施例的用于模拟岩体崩塌的试验设备的拖车的结构示意图。如图4所示，拖车4包括拖车主体40，拖车主体40上设置有刻度板41，刻度板41的第一端(图4中的右端)设置有挡板42；拖车4还包括控制杆43和设置于拖车主体40底面的升降杆44，控制杆43能够控制升降杆44以调节拖车主体40的高度。当进行岩体崩塌模拟试验时，刻度板41的第二端(图4中的左侧)抵靠于坡面粗糙度模拟板11的下游端(如图1中所示的情形)，并通过控制杆43调整拖车主体40的高度以使岩体R沿坡面粗糙度模拟板11平滑地过度到刻度板41。通过刻度板可以测量出岩体R在水平方向上的位移。

本领域技术人员能够理解的是，挡板42的作用可以用来防止岩体R在崩塌试验过程中的水平位移过长。另外，控制杆43控制升降杆44的方式可以是：将控制杆43与升降杆44之间设置为连杆机构，升降杆44的一端铰接于拖车主体40上，另一端抵靠于地面，控制杆43通过连杆驱动升降杆44沿与拖车主体40铰接处转动，另一端沿地面水平移动，从而实现调节拖车主体40高度的目的。

作为示例，继续参照图4，拖车4还包括第二控制轮45，第二控制轮45能够将拖车4固定在目标位置，或者拖车4能够借助第二控制轮45在地面移动。具体而言，当进行岩体崩塌模拟试验时，推动拖车4的第二控制轮45滚动以使拖车4的刻度板41的第二端抵靠于坡面粗糙度模拟板11的下游端，然后锁定该第二控制轮45，使得第二控制轮45无法移动，拖车4即被固定在当前试验位置。

返回参照图1，岩体崩塌监测装置3还包括影像记录仪32，其用于记录岩体R崩塌后沿坡面粗糙度模拟板11滑动的过程。具体而言，摄像记录仪32可以是高速摄影摄像机，该高速摄影摄像机放置在三脚架321上，用以记录岩体R在崩塌试验中的整个过程。

在本实施例中，坡面粗糙度模拟板11包括多个不同粗糙度的钢板。参照图5，图5是本发明实施例的用于模拟岩体崩塌的试验设备的坡面粗糙度模拟板的结构示意图。图5中示出了10种不同粗糙度的钢板。具体而言，Barton和Choubey于1977年提出了10条结构面标准粗糙度曲线(简称Barton标准曲线)，已被广泛应用于结构面粗糙度的刻画，因此，本发明以Barton标准曲线作为轴向剖面模板，制作10块不同粗糙度的钢板，称为Barton钢板(即图5中示出的10种不同粗糙度的钢板)。选取钢材是为了保证在试验过程中不被岩体R的运动破坏。另外，由于本发明给出了10种不同型号的Barton钢板，因此岩体槽13内设置的垫板131也需要有10中不同的替换类型，以使岩体槽13能够与不同类型的Barton钢板齐平，并因此使放置于岩体槽13内的岩体R能够平滑地过度到Barton钢板上，提供试验的准确度。

如上所述，本发明的用于模拟岩体崩塌的试验设备在使用时，首先装配成如图1所示的状态，然后：通过抬升岩体框14释放岩体R，模拟斜坡临空状态；通过调节坡度调节装置的高度模拟斜坡不同初始坡度，抬升至岩体R发生崩塌破坏为止；通过岩体R在刻度板41的停留位置测量崩塌的岩体R的水平运动距离；通过坡度测量仪(如罗盘仪)测量斜坡发生崩塌破坏的临界坡度；通过替换不同Barton钢板模拟斜坡不同粗糙度；通过在岩体槽13放置不同类型的垫板131使岩体槽13与Barton钢板无缝连接。重复上述试验以计算不同粗糙度下岩体的水平运动距离。换言之，本发明可以通过放置不同类型的Barton钢板，从而模拟不同粗糙度下岩体R的崩塌过程，以获得岩体R水平运动距离与斜坡粗糙度的关系。

至此，已经结合附图所示的优选实施方式描述了本发明的技术方案，但是，本领域技术人员容易理解的是，本发明的保护范围显然不局限于这些具体实施方式。在不偏离本发明的原理的前提下，本领域技术人员可以对相关技术特征作出等同的更改或替换，这些更改或替换之后的技术方案都将落入本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种用于模拟岩体崩塌的试验设备，其特征在于，所述试验设备包括：

岩体崩塌模拟装置，其至少包括用于岩体崩塌后滑动的坡面粗糙度模拟板；

坡度调节装置，其用于调节所述坡面粗糙度模拟板相对于水平面的坡度α；

岩体崩塌监测装置，其至少用于测量岩体在重力作用下开始沿所述坡面粗糙度模拟板滑动时的坡度α的值。

2.根据权利要求1所述的用于模拟岩体崩塌的试验设备，其特征在于，所述岩体崩塌模拟装置还包括：

斜板，所述坡面粗糙度模拟板固定在所述斜板上；

岩体槽，所述岩体槽位于所述坡面粗糙度模拟板的上游端；

并且，所述岩体槽内还设置有垫板，所述垫板用于使所述岩体槽与所述坡面粗糙度模拟板齐平，并因此使放置于所述岩体槽内的岩体能够平滑地过渡到所述坡面粗糙度模拟板上。

3.根据权利要求2所述的用于模拟岩体崩塌的试验设备，其特征在于，所述岩体崩塌模拟装置还包括设置于所述岩体槽处的岩体框，所述岩体框与所述岩体槽形成容纳岩体的腔室，

并且，所述岩体框能够以翻转的方式打开/关闭所述腔室以将所述岩体释放出所述腔室或将所述岩体关闭在所述腔室内。

4.根据权利要求2所述的用于模拟岩体崩塌的试验设备，其特征在于，所述岩体崩塌模拟装置还包括设置于所述斜板底部的滑轮，所述斜板借助所述滑轮在地面上运动；并且/或者

所述斜板包括第一部分和第二部分，所述坡面粗糙度模拟板设置于所述第一部分的上面，所述第二部分位于所述第一部分的底面，

所述第一部分的下游端与所述第二部分铰接，并且，所述第一部分在所述斜坡调节装置的作用下能够相对于所述第二部分打开以改变所述坡面粗糙度模拟板相对于水平面的坡度α。

5.根据权利要求4所述的用于模拟岩体崩塌的试验设备，其特征在于，所述第二部分的底面还设置有第一控制轮，

所述第一控制轮能够将所述岩体崩塌模拟装置固定在目标位置。

6.根据权利要求4所述的用于模拟岩体崩塌的试验设备，其特征在于，所述岩体崩塌模拟装置还包括与所述斜板的上游端连接的斜板拉手，

所述斜板拉手能够拉动所述斜板在水平方向和/或竖直方向上运动。

7.根据权利要求1所述用于模拟岩体崩塌的试验设备，其特征在于，所述岩体崩塌监测装置包括：

坡度测量仪，其用于测量所述坡面粗糙度模拟板滑动时的坡度α；影像记录仪，其用于记录岩体崩塌后沿所述坡面粗糙度模拟板滑动的过程。

8.根据权利要求7所述用于模拟岩体崩塌的试验设备，其特征在于，所述坡度测量仪为罗盘仪；并且/或者

所述影像记录仪为高速摄像机；并且/或者

所述坡度调节装置为千斤顶；并且/或者

所述坡面粗糙度模拟板包括多个不同粗糙度的钢板。

9.根据权利要求1至8中任一项所述用于模拟岩体崩塌的试验设备，其特征在于，所述试验设备还包括拖车，

所述拖车包括拖车主体，所述拖车主体上设置有刻度板，所述刻度板的第一端设置有挡板；

所述拖车还包括控制杆和设置于所述拖车主体底面的升降杆，所述控制杆能够控制所述升降杆以调节所述拖车主体的高度；

当进行岩体崩塌模拟试验时，所述刻度板的第二端抵靠于所述坡面粗糙度模拟板的下游端，并通过所述控制杆调整所述拖车主体的高度以使岩体沿所述坡面粗糙度模拟板平滑地过渡到所述刻度板。

10.根据权利要求9所述用于模拟岩体崩塌的试验设备，其特征在于，所述拖车还包括第二控制轮，

所述第二控制轮能够将所述拖车固定在目标位置，或者所述拖车能够借助所述第二控制轮在地面移动。