CN109556951B - 一种板裂化硬岩水下倾倒变形体力学测试装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种板裂化硬岩水下倾倒变形体力学测试装置及方法。该装置至少包括：压力模拟单元、受力模拟单元、试件、箱体、卡座、上盖板，在箱体的下部固定卡座，卡座由一长一短的两个垂直直角边构成，其中一个直角边与箱体的底部固定，试件立放在卡座的两个垂直直角边处，试件上端面靠近垂直直角边的一侧与压力模拟单元受力端连接，试件另一侧下端面与受力模拟单元受力端连接，在压力模拟单元有力传感器，在受力模拟单元连接有位移传感器，箱体通过进水阀内加水至上盖板下平面，箱体的上盖板有盖板千斤顶，位移传感器和力传感器获取加力和位移传感器的位移信息，获取试件不同层面的加力与受力后产生的位移信息。

Description

一种板裂化硬岩水下倾倒变形体力学测试装置及方法
技术领域
本发明涉及一种变形体力学测试技术，特别是一种板裂化硬岩水下倾倒变形体力学测试装置及方法。
背景技术
边坡稳定性问题往往是影响工程建设安全、进度和质量的关键技术问题之一，也是地质灾害环境的潜在风险源，一直也是国内外岩土领域学术界重点研究的重点、难点问题之一。其中边坡的倾倒变形现象作为一种区别于其他类型边坡稳定性的特殊问题，近年来逐渐被广泛关注，在我国大型水电水利工程中均有遇到，比如小湾水电站的饮水沟边坡、龙滩水电站的左岸边坡、小浪底和拉西瓦水电站的库岸边坡及苗尾水电站枢纽区边坡等，除水电水利工程外，在我国大型能源电力工程、道路桥梁工程和其他大型基建工程中也常常遇到，研究其对应的作用机理、分析方法、模型试验及治理措施就凸显迫切性和重要性。
倾倒变形边坡的变形破坏机理软岩与硬岩有较大差异，软岩倾倒变形边坡在上部推力作用下，会向临空方向产生一定的变形，形成弯曲的“点头哈腰”现象，往往“弯而不断”，当变形增大到一定程度会发生断裂破坏；硬岩在上部推力作用下，会向临空方向发生一定的位移，形成“折而立断”现象，更具有突发性和危害性。
比较有代表性的是板裂化硬质岩石倾倒变形体，首先板裂化具备陡倾、反倾等发生倾倒变形的地质条件，其次，硬质岩石往往在上部推力或自身弱化的作用下，发生突发性折断的问题。目前存在大量已完建的水利枢纽工程边坡在水库蓄水后，经过监测发生大量值的位移，由于水库蓄水位以下岩体浸水后自身弱化，其抗力降低，在上部推力作用下安全系数随之降低，发生大变形，形成潜在较大的风险。
目前的尚无有效的、合理的和直观的物理模型测试装置对其作用机理、启动作用进行精确的还原描述。
发明内容
本发明的目的是提供一种板裂化硬岩水下倾倒变形体力学测试装置及方法，以便能获取不同水库水位情况下的水压力值、浸水作用，同时考虑上部边坡体传来的不平衡推力，以至测试到板裂化硬岩在水作用下发生弯折破坏的启动上部推力。
本发明的目的是这样实现的，一种板裂化硬岩水下倾倒变形体力学测试装置，至少包括：压力模拟单元、受力模拟单元、试件、箱体、卡座、上盖板，在箱体的下部固定卡座，卡座由一长一短的两个垂直直角边构成，其中一个直角边与箱体的底部固定，试件立放在卡座的两个垂直直角边处，试件由叠层板材构成，试件上端面靠近垂直直角边的一侧与压力模拟单元受力端连接，试件另一侧下端面与受力模拟单元受力端连接，在压力模拟单元有力传感器，在受力模拟单元连接有位移传感器，箱体上端有进水阀，箱体下端有排水阀，箱体通过进水阀内加水至上盖板下平面，箱体的上盖板有盖板千斤顶，压力模拟单元向试件底部面加力，盖板千斤顶通过上盖板向箱体的水面加力，位移传感器和力传感器获取加力和位移传感器的位移信息，获取试件不同层面的加力与受力后产生的位移信息。
所述的受力模拟单元包括：受力托板、受力托板转轴、受力圆弧、受力斜撑、伸缩缸、受力杆件；受力托板通过受力托板转轴与受力杆件的端部连接，受力杆件轴线上固定伸缩缸，受力杆件另一端连接力传感器，力传感器在箱壁的外侧；受力托板和受力托板转轴之间连接受力斜撑，受力斜撑随受力沿受力圆弧转动。
所述的压力模拟单元包括：压力托板、压力托板转轴、压力斜撑、压力千斤顶、压力杆件，压力托板通过压力托板转轴与压力杆件端部连接，压力杆件轴线上连接压力千斤顶，压力千斤顶通过压力杆件固定在箱体的箱壁上，压力杆件上同时连接位移传感器，位移传感器在箱体的外侧；在压力托板和压力托板转轴之间连接有压力斜撑，压力斜撑随压力沿圆弧转动。
一种板裂化硬岩水下倾倒变形体力学测试方法，至少包括：压力模拟单元、受力模拟单元、试件、箱体、卡座，在箱体的下部固定卡座，卡座由一长一短的两个垂直直角边构成，其中一个直角边与箱体的底部固定，试件立放在卡座的两个垂直直角边处，试件由叠层板材构成，试件上端面靠近垂直直角边的一侧与压力模拟单元受力端连接，试件另一侧下端面与受力模拟单元受力端连接，在压力模拟单元有力传感器，在受力模拟单元连接有位移传感器，箱体上端有进水阀，箱体下端有排水阀，箱体通过进水阀内加水至上盖板下平面，箱体的上盖板有盖板千斤顶，压力模拟单元向试件底部面加力，盖板千斤顶通过上盖板向箱体的水面加力，位移传感器和力传感器获取加力和位移传感器的位移信息，获取试件不同层面的加力与受力后产生的位移信息；
所述的受力模拟单元包括：受力托板、受力托板转轴、受力圆弧、受力斜撑、伸缩缸、受力杆件；受力托板通过受力托板转轴与受力杆件的端部连接，受力杆件轴线上固定伸缩缸，受力杆件另一端连接力传感器，力传感器在箱壁的外侧；利用盖板千斤顶对盖板施加压力，通过压力施加以改变箱体内的水压大小，利用箱体内各向水压力相同的特性，使试件整体处于设定的水头压强条件；压力值通过盖板千斤顶读取或通过压力传感器读取；
压力模拟单元用于向试件提供冲击力，受力模拟单元用于获取试件在压力模拟单元产生的冲击力下的形变，水头压强实现对不同水下和水冲力情况下的岩土变位、弯折、倾倒、破坏的模拟检测。
本发明的有益效果体现在如下几方面：
由于可以根据托板的转轴调节角度，故根据现场踏勘和地质勘测成果，测试试件可以模拟实现不同地质产状、不同类型板裂化硬岩倾倒变形体，整体测试直观、物理概念明确，适用范围更广。
通过进水阀充水，可以模拟实现倾倒变形体整体的水下环境，当然，不进行充水也可进行干燥条件的测试，故既能满足水下条件又能满足干燥条件，其适用性更广。
根据盖板施加压力，在充水条件下，利用了水的各向同性力学性质，可以实现试件整体所处的不同水头压力，对于水库蓄水后，可以反映倾倒变形体所处不同水位高度的情况，更符合实际情况，也更具备实用价值。
测试施加的压力值及对应的位移、受力，结合实际剩余下滑力或推力，可以反映倾倒变形体发生变位、弯折、倾倒、破坏各阶段情况，以此预测和评判实际工程倾倒变形边坡的稳定性、破坏潜在风险及对应阶段情况，更能精细化预测和评判，可为硬岩倾倒变形体治理提供详细依据。
附图说明
下面结合实施例附图对本发明作进一步说明：
图1是本发明的结构示意图。
图中，1、箱体；2、卡座；3、试件；4、受力托板；5、受力托板转轴；6、受力圆弧；7、受力斜撑；8、伸缩缸；9、受力杆件；10、力传感器；11、压力托板；12、压力托板转轴；13、压力圆弧；14、压力斜撑；15、压力千斤顶；16、压力杆件；17、位移测试仪；18、进水阀；19、盖板；20、盖板千斤顶；21、排水阀。
具体实施方式
如图1所示，一种板裂化硬岩水下倾倒变形体力学测试装置，至少包括：压力模拟单元、受力模拟单元、试件3、箱体1、卡座2，在箱体1的下部固定卡座2，卡座2由一长一短的两个垂直直角边构成，其中一个直角边与箱体1的底部固定，试件3立放在卡座2的两个垂直直角边处，试件3由叠层板材构成，试件3上端面靠近垂直直角边的一侧与压力模拟单元受力端连接，试件3另一侧下端面与受力模拟单元受力端连接，在压力模拟单元有力传感器10，在受力模拟单元连接有位移传感器17，箱体1上端有进水阀18，箱体1下端有排水阀21，箱体1通过进水阀18内加水至上盖板19下平面，箱体1的上盖板19有盖板千斤顶20，压力模拟单元向试件3底部面加力，盖板千斤顶20通过上盖板19向箱体1的水面加力，位移传感器17和力传感器10获取加力和位移传感器的位移信息，获取试件3不同层面的加力与受力后产生的位移信息，处理单元对上述信息进行处理。
所述的受力模拟单元包括：受力托板4、受力托板转轴5、受力圆弧6、受力斜撑7、伸缩缸8、受力杆件9；受力托板4通过受力托板转轴5与受力杆件9的端部连接，受力杆件9轴线上固定伸缩缸8，受力杆件9另一端连接力传感器10，力传感器10在箱壁的外侧。
受力托板4和受力托板转轴5之间连接受力斜撑7，受力斜撑7随受力沿受力圆弧6转动。
所述的压力模拟单元包括：压力托板11、压力托板转轴12、压力斜撑14、压力千斤顶15、压力杆件16，压力托板11通过压力托板转轴12与压力杆件16端部连接，压力杆件16轴线上连接压力千斤顶15，压力千斤顶15通过压力杆件16固定在箱体1的箱壁上，压力杆件16上同时连接位移传感器17，位移传感器17在箱壁的外侧。
在压力托板11和压力托板转轴12之间连接有压力斜撑14，压力斜撑14随压力沿圆弧13转动。
所述受力托板4根据受力托板转轴5沿着受力圆弧6进行旋转，旋转设置好角度后，通过受力斜撑7进行固定，进而实现试件3放置角度的调整，所述受力托板4可以通过伸缩缸8进行长度调整，以满足试件3测试宽度的需要。
在试件3右侧上部设置压力托板11，压力托板11可以通过压力托板转轴12沿压力圆弧13旋转，根据试件3的放置角度旋转后，通过压力斜撑14进行固定。压力托板11可以通过压力千斤顶15进行长度调整和施加压力，以适应测试尺寸的需要。
所述受力托板4或压力托板11可根据实验进行大小更换调整。
试件3的压力或受力系统安装完毕后，首先进行预压，使其连接紧密并传力良好。
预压完毕后，将受力测试仪10、压力千斤顶15和位移测试仪17的压力、位移数值清零。
通过进水阀18对试验箱进行充水，将水充至水面没过试件3，充水完毕后关闭进水阀18，在箱体1上部安装盖板19并密封，所述盖板19可以沿箱体1上下滑移，盖板19上设置盖板千斤顶20。同时在箱体1右侧下部设置了排水阀21，测试完成后可以通过排水阀21排水。
利用盖板千斤顶20对盖板19施加压力，通过压力施加以改变箱体1内的水压大小，压力值通过盖板千斤顶20读取或通过压力传感器10读取，利用水各向同性压力的性质，实现试件3整体处于设定的水头压强条件。
在设定的水头压强条件下，静止24h以达到试件3微小裂隙入渗及饱和的要求，通过控制压力千斤顶15缓慢施加压力，同时通过位移测试仪17记录位移，必要时，可以通过受力测试仪量测受力值，故可以得到试件3变位、弯折、倾倒、破坏对应的位移值和压力值大小。所施加的压力模拟倾倒变形体边坡上部剩余下滑力，测量的受力可以模拟倾倒变形体下部抗力，位移可以反映倾倒变形体破坏机理过程的指标。以此推断实际工程中板裂化硬岩倾倒变形体边坡，在上部单位剩余下滑力、单位受力作用下，预测水下发生弯折、倾倒和破坏对应的启动作用及可能性，以此判断水库蓄水后倾倒变形体在水下失稳的风险。
本实施例没有详细叙述的部件和结构属本行业的公知部件和常用结构或常用手段，这里不一一叙述。

Claims (4)

1.一种板裂化硬岩水下倾倒变形体力学测试装置，其特征是：至少包括：压力模拟单元、受力模拟单元、试件（3）、箱体（1）、卡座（2）、上盖板（19），在箱体（1）的下部固定卡座（2），卡座（2）由一长一短的两个垂直直角边构成，其中一个直角边与箱体（1）的底部固定，试件（3）立放在卡座（2）的两个垂直直角边处，试件（3）由叠层板材构成，试件（3）上端面靠近垂直直角边的一侧与压力模拟单元受力端连接，试件（3）另一侧下端面与受力模拟单元受力端连接，在压力模拟单元有力传感器（10），在受力模拟单元连接有位移传感器（17），箱体（1）上端有进水阀（18），箱体（1）下端有排水阀（21），箱体（1）通过进水阀（18）内加水至上盖板（19）下平面，箱体（1）的上盖板（19）有盖板千斤顶（20），压力模拟单元向试件（3）底部面加力，盖板千斤顶（20）通过上盖板（19）向箱体（1）的水面加力，位移传感器（17）和力传感器（10）获取加力和位移传感器的位移信息，获取试件（3）不同层面的加力与受力后产生的位移信息。
2.根据权利要求1所述的一种板裂化硬岩水下倾倒变形体力学测试装置，其特征是：所述的受力模拟单元包括：受力托板（4）、受力托板转轴（5）、受力圆弧（6）、受力斜撑（7）、伸缩缸（8）、受力杆件（9）；受力托板（4）通过受力托板转轴（5）与受力杆件（9）的端部连接，受力杆件（9）轴线上固定伸缩缸（8），受力杆件（9）另一端连接力传感器（10），力传感器（10）在箱壁的外侧；受力托板（4）和受力托板转轴（5）之间连接受力斜撑（7），受力斜撑（7）随受力沿受力圆弧（6）转动。
3.根据权利要求2所述的一种板裂化硬岩水下倾倒变形体力学测试装置，其特征是：所述的压力模拟单元包括：压力托板（11）、压力托板转轴（12）、压力斜撑（14）、压力千斤顶（15）、压力杆件（16），压力托板（11）通过压力托板转轴（12）与压力杆件（16）端部连接，压力杆件（16）轴线上连接压力千斤顶（15），压力千斤顶（15）通过压力杆件（16）固定在箱体（1）的箱壁上，压力杆件（16）上同时连接位移传感器（17），位移传感器（17）在箱体（1）的外侧；在压力托板（11）和压力托板转轴（12）之间连接有压力斜撑（14），压力斜撑（14）随压力沿圆弧（13）转动。
4.一种板裂化硬岩水下倾倒变形体力学测试方法，其特征是：至少包括：压力模拟单元、受力模拟单元、试件（3）、箱体（1）、卡座（2），在箱体（1）的下部固定卡座（2），卡座（2）由一长一短的两个垂直直角边构成，其中一个直角边与箱体（1）的底部固定，试件（3）立放在卡座（2）的两个垂直直角边处，试件（3）由叠层板材构成，试件（3）上端面靠近垂直直角边的一侧与压力模拟单元受力端连接，试件（3）另一侧下端面与受力模拟单元受力端连接，在压力模拟单元有力传感器（10），在受力模拟单元连接有位移传感器（17），箱体（1）上端有进水阀（18），箱体（1）下端有排水阀（21），箱体（1）通过进水阀（18）内加水至上盖板（19）下平面，箱体（1）的上盖板（19）有盖板千斤顶（20），压力模拟单元向试件（3）底部面加力，盖板千斤顶（20）通过上盖板（19）向箱体（1）的水面加力，位移传感器（17）和力传感器（10）获取加力和位移传感器的位移信息，获取试件（3）不同层面的加力与受力后产生的位移信息；
所述的受力模拟单元包括：受力托板（4）、受力托板转轴（5）、受力圆弧（6）、受力斜撑（7）、伸缩缸（8）、受力杆件（9）；受力托板（4）通过受力托板转轴（5）与受力杆件（9）的端部连接，受力杆件（9）轴线上固定伸缩缸（8），受力杆件（9）另一端连接力传感器（10），力传感器（10）在箱壁的外侧；利用盖板千斤顶（20）对上盖板（19）施加压力，通过压力施加以改变箱体（1）内的水压大小，利用箱体（1）内各向水压力相同的特性，使试件（3）整体处于设定的水头压强条件；压力值通过盖板千斤顶（20）读取或通过力传感器（10）读取；
压力模拟单元用于向试件（3）提供冲击力，受力模拟单元用于获取试件（3）在压力模拟单元产生的冲击力下的形变，水头压强实现对不同水下和水冲力情况下的岩土变位、弯折、倾倒、破坏的模拟检测。
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边坡变形监测技术现状及新进展;董文文 等;《工程地质学报》;20161231;第24卷(第6期);第1088-1094页 *

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