CN113281488B - 一种反倾岩质边坡模型试验的模拟地应力试验装置及方法 - Google Patents

一种反倾岩质边坡模型试验的模拟地应力试验装置及方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种反倾岩质边坡模型试验的模拟地应力试验装置，包括模型箱、应力加载系统及监控系统；模型箱内部设有滑动设置的应力加载板，应力加载板与模型箱的一侧面之间形成容置空间；应力加载系统包括至少三个液压伸缩臂及控制器，每一液压伸缩臂的输出端连接应力加载板，控制器分别连接各液压伸缩臂，控制伸缩速率使应力加载板倾斜对反倾岩质边坡模型施加倾斜作用力；监控系统包括高速摄像机、红外摄像仪和普通摄像机。本发明的有益效果：可以通过调节各液压伸缩臂位移及伸缩速率推动应力加载板给反倾岩质边坡模型后部施加围压模拟反倾岩质边坡真实状态下的地应力，同时可以通过调整不同高度的液压伸缩臂位移大小来模拟线性分布的地应力。

Description

一种反倾岩质边坡模型试验的模拟地应力试验装置及方法
技术领域
本发明涉及室内边坡物理模型试验技术领域，尤其涉及一种反倾岩质边坡模型试验的模拟地应力试验装置及方法。
背景技术
随着我国经济快速发展，土木工程活动范围的不断扩大，已经在我国青藏高原区域规划建设了大量水电工程项目，并且暴露出大量反倾岩质边坡。这些边坡形成机理复杂，影响因素众多，往往会演化成大规模滑坡，严重威胁了水电、交通及其他项目的建设及运营。因此，反倾岩质边坡变形演化过程及稳定性分析已经成为了国内外学者主要研究内容。数值模拟、物理模型试验及力学分析方法已经成为反倾岩质边坡稳定性分析的主要手段。由于物理模型试验不仅可以控制边坡的影响因素，还能从全局和局部角度观察边坡变形演化过程，已经成为了反倾岩质边坡变形演化过程及稳定性分析的常规手段。
目前，常规模拟反倾岩质边坡的物理模型试验主要包括倾斜台试验、离心机试验、底摩擦试验及固定框架物理模型试验。由于固定框架物理模型试验简单易行、造价低廉，能够模拟反倾岩质边坡假三维变形特征，使得该种方法已经成为了分析反倾岩质边坡及其他地质灾害最常用的物理模型试验方法。尤其近几年，随着工程建设的不断发展及滑坡边坡地质灾害频发，使得固定框架物理模型试验已经在高校科研及工程单位广泛使用。
采用固定框架物理模型试验往往模拟反倾岩质边坡在自重作用或开挖状态下变形演化机理及稳定性分析。然而现有方式存在以下不足：青藏地区反倾岩质边坡往往受构造运动影响处于高地应力区，常规固定框架物理模型试验无法模拟反倾岩质边坡地应力，也就是说常规固定框架物理模型试验仪器无法反应反倾岩质边坡真实破坏过程；其次，传统固定框架物理模型试验系统在模拟边坡自重作用或开挖状态下变形演化过程中，耗时较长往往无法加速边坡变形演化过程。由于传统固定框架物理模型试验系统仍然存在上述不足，因此急需开发一种较能反应真实应力状态的新型的固定框架物理模型试验系统。
发明内容
有鉴于此，为了解决常规模拟反倾岩质边坡的物理模型试验采用固定框架物理模型的不足之处，本发明的实施例提供了一种反倾岩质边坡模型试验的模拟地应力试验装置及方法。
本发明的实施例提供一种反倾岩质边坡模型试验的模拟地应力试验装置，包括模型箱、应力加载系统及监控系统；
所述模型箱内部设有滑动设置的应力加载板，所述应力加载板与所述模型箱的一侧面之间形成反倾岩质边坡模型的容置空间，且所述模型箱该侧面上部设有缺口；
所述应力加载系统包括沿着竖直方向间隔设置的至少三个液压伸缩臂及控制器，其中所有液压伸缩臂均设置于所述应力加载板背离所述容置空间的一侧，且每一所述液压伸缩臂的输出端连接所述应力加载板，所述控制器分别连接各所述液压伸缩臂，用以控制各所述液压伸缩臂的伸缩速率使所述应力加载板倾斜对反倾岩质边坡模型施加倾斜作用力；
所述监控系统设置于所述模型箱的外部，包括用于监测反倾岩质边坡模型破坏瞬时边坡速度场的高速摄像机、用于监测边坡温度场确定滑坡破坏面位置的红外摄像仪、以及用于监测反倾岩质边坡模型整个变形演化过程的普通摄像机。
进一步地，所述应力加载板靠近所述容置空间一侧的侧面设有沿着竖直方向间隔设置的多个土压力传感器。
进一步地，所述模型箱包括长方体模型框架，所述模型框架的前后侧面均设有透明板，所述应力加载板垂直设置于两所述透明板之间，且所述模型框架上与所述应力加载板相对的一侧面设有后缘挡板，所述后缘挡板高度低于所述模型框架高度，所述后缘挡板上方形成所述缺口。
进一步地，所述应力加载板的底部设有多个主动滑轮，所述主动滑轮支撑于所述模型箱的底面，所述应力加载板的上部为“凸”字形，所述应力加载板上部卡入所述模型框架前后侧之间且可滑动。
进一步地，所述应力加载板的背部设有多个十字交叉架，每一所述液压伸缩臂的输出端连接均力垫板并通过所述均力垫板连接一所述十字交叉架。
进一步地，所述控制器上设有多个伸缩力臂速率调节按钮，每一所述伸缩力臂速率调节按钮用于控制一所述液压伸缩臂的伸缩速率。
进一步地，所述应力加载系统还包括闭式油箱以及与所述闭式油箱连接的高压油泵，所述高压油泵还分别连接各所述液压伸缩臂，所述控制器连接所述高压油泵，通过控制所述高压油泵的泵油量来调节各所述液压伸缩臂的伸缩速率。
进一步地，所述控制器还设有显示屏，用以显示各所述液压伸缩臂的伸缩速率及伸缩位移。
进一步地，所述监控系统还包括计算机，所述计算机分别连接所述高速摄像机、所述红外摄像仪及所述普通摄像机。
本发明的实施例提供的技术方案带来的有益效果是：
1、本发明的一种反倾岩质边坡模型试验的模拟地应力试验装置，可以通过调节各液压伸缩臂位移及伸缩速率推动应力加载板给反倾岩质边坡模型后部施加围压模拟反倾岩质边坡真实状态下的高地应力，同时可以通过调整不同高度的液压伸缩臂位移大小获得线性分布的高地应力；
2、本发明一种反倾岩质边坡模型试验的模拟地应力试验装置与传统固定框架物理模型试验仪器相比，可以通过控制液压伸缩臂位移速率加速反倾岩质边坡变形破坏过程节约时间成本；
3、本发明一种反倾岩质边坡模型试验的模拟地应力试验装置与传统固定框架物理模型试验仪器相比，监测系统使用高速摄像机、普通摄像机及红外摄像仪，可监测反倾岩质边坡变形过程速度场、破坏瞬间速度场及变形过程温度场，扩大了反倾岩质边坡变形演化过程思路；同时本发明将显示屏监控系统及动力加载系统一体化使得仪器更加整洁系统操作较为加简单。
另外，本发明的实施例还提供了一种反倾岩质边坡的高地应力试验方法，使用如上述的反倾岩质边坡模型试验的模拟地应力试验装置，且包括以下步骤：
S1根据实际工程地质调查获得的反倾岩质边坡地形地貌、地质构造及地应力参数，采用相似材料预制反倾岩质边坡模型；
S2将反倾岩质边坡模型装入所述模型箱内的容置空间内；
S3启动各所述液压伸缩臂并调节各液压伸缩臂的伸缩速率，使所述应力加载板倾斜对反倾岩质边坡模型施加围压，直至围压达到满足相似准则下地应力的数值时关停各所述液压伸缩臂，反倾岩质边坡模型在自重作用下或开挖情况下的完成边坡变形演化；
S4通过所述高速摄像机记录反倾岩质边坡模型破坏瞬时的边坡速度场、以及通过所述红外摄像仪记录边坡温度场并据此确定滑坡破坏面位置。
所述反倾岩质边坡的高地应力试验方法对于现有技术所具有的有益效果与上述反倾岩质边坡模型试验的模拟地应力试验装置相同，在此不再赘述。
附图说明
图1是本发明一种反倾岩质边坡模型试验的模拟地应力试验装置的立体示意图；
图2是图1中模型框架的俯视图；
图3是图1中模型框架的主视图；
图4是各液压伸缩臂位移相等时对应力加载板施加的作用力的示意图；
图5是各液压伸缩臂位移不等时对应力加载板施加的作用力的示意图。
图中：1-模型框架、2-液压伸缩臂、3-应力加载板、4-容置空间、5-后缘挡板、6-缺口、7-控制器、8-主动滑轮、9-底板、10-均力垫板、11-十字交叉架、12-伸缩力臂速率调节按钮、13-显示屏、14-高速摄像机、15-红外摄像仪、16-普通摄像机、17-计算机、18-土压力传感器、19-闭式油箱、20-高压油泵、21-输油管路、22-导线。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地描述。
请参考图1、2和3，本发明的实施例提供了一种反倾岩质边坡模型试验的模拟地应力试验装置，包括模型箱、应力加载系统及监控系统。
所述模型箱内部为反倾岩质边坡模型的试验空间。所述模型箱包括长方体模型框架1，其中所述模型框架1的前后侧面均设有透明板，所述透明板为有机玻璃板，通过螺栓安装于所述模型框架1的前后两侧。
所述模型框架1内部设有滑动设置的应力加载板3，所述应力加载板3与所述模型框架的一侧面之间形成反倾岩质边坡模型的容置空间4，且所述模型框架1该侧面上部设有缺口6。具体的，所述应力加载板3垂直设置于两所述透明板之间，所述应力加载板3的底部设有多个主动滑轮8，所述主动滑轮8支撑于所述模型箱的底面，具体支撑于所述模型框架1的底板9上。所述应力加载板3的上部为“凸”字形，所述应力加载板3上部卡入所述模型框架1前后侧之间且可滑动。这样使所述应力加载板3在受力时可以在所述模型框架1内移动。
所述模型框架1上与所述应力加载板3相对的一侧面设有后缘挡板5，所述后缘挡板5高度低于所述模型框架1高度，所述后缘挡板5上方形成所述缺口6。
所述应力加载系统包括沿着竖直方向间隔设置的至少三个液压伸缩臂2及控制器7，其中所有液压伸缩臂2均设置于所述应力加载板3背离所述容置空间4的一侧，且每一所述液压伸缩臂2的输出端连接所述应力加载板3。各所述液压伸缩臂2水平设置于所述应力加载板3的背侧，为了保证所述应力加载板3受力尽量均衡，各所述液压伸缩臂2沿着竖直方向均匀分布。这里每一所述液压伸缩臂2固定于所述模型框架1内，输出端朝向所述应力加载板3并与所述应力加载板3固定连接。
需要着重说明的是，由于各所述液压伸缩臂2的相对位置的确定的，因此只需控制各液压伸缩臂2的伸缩位移，使所述液压伸缩臂2的输出端位于同一倾斜平面上，即可使所述应力加载板3倾斜对反倾岩质边坡模型施加围压。也就说可以通过控制各所述液压伸缩臂2的伸缩速率使所述应力加载板3倾斜对反倾岩质边坡模型施加倾斜作用力。
优选的，所述应力加载板3的背部设有多个十字交叉架11，每一所述液压伸缩臂2的输出端连接均力垫板10并通过所述均力垫板10连接一所述十字交叉架11，通过所述均力垫片10和所述十字交叉架11将液压伸缩臂2的作用力均匀传递至所述应力加载板3。
所述控制器7用于控制各所述液压伸缩臂2的伸缩位移和伸缩速率。所述控制器7固定于所述模型框架1内位于所述容置空间4的邻侧。所述控制器7分别连接各所述液压伸缩臂2。这里所述应力加载系统还包括闭式油箱19以及与所述闭式油箱19连接的高压油泵20，所述高压油泵20还通过输油管路21分别连接各所述液压伸缩臂2，所述控制器7通过导线22连接所述高压油泵20，通过控制所述高压油泵20的泵油量来调节各所述液压伸缩臂2的伸缩速率。
另外所述控制器7上设有多个伸缩力臂速率调节按钮12，每一所述伸缩力臂速率调节按钮12用于控制一所述液压伸缩臂2的伸缩速率。同时所述控制器7还设有显示屏，用以显示各所述液压伸缩臂2的伸缩速率及伸缩位移。
所述应力加载板3靠近所述容置空间4一侧的侧面设有沿着竖直方向间隔设置的多个土压力传感器18，所述土压力传感器18测量所述应力加载板3与反倾岩质边坡模型之间挤压产生的压力。所述土压力传感器18应尽量沿着竖直方向均匀间隔设置，以实现对反倾岩质边坡模型不同高度处的高地应力进行监测。还可以将各所述土压力传感器18与所述显示屏13连接，直接在所述显示屏13上显示倾岩质边坡模型内部的施加应力。
所述监控系统设置于所述模型箱的外部，主要包括高速摄像机14、红外摄像仪15和普通摄像机16，这里将高速摄像机14、红外摄像仪15、普通摄像机16三者集成为一体，设置于所述模型框架1的前侧，所述高速摄像机14、所述红外摄像仪15和所述普通摄像机16均对准所述容置空间4，可以最大程度监测反倾岩质边坡模型的变形演化信息。其中所述高速摄像机14主要是记录反倾岩质边坡模型破坏瞬时边坡速度场，因为边坡在破坏的一瞬间速度是很快的，一般普通相机监测不到短短1秒之内边坡速度场的变化过程。所述红外摄像仪15主要是监测边坡温度场的，因为边坡在变形过程中往往伴随着能量释放，尤其是破坏面部分，由于摩擦生热往往会产生大量的热量使得温度升高，也就是说可以通过红外摄像仪来确定滑坡破坏面位置；普通摄像机16主要是监测边坡整个变形演化过程，是一个长时间尺度的监测。
所述监控系统还包括计算机17，所述计算机17通过数据线分别连接所述高速摄像机14、所述红外摄像仪15及所述普通摄像机16。所述计算机17保存所述高速摄像机14、所述红外摄像仪15及所述普通摄像机16监测的数据，以及对这些数据进行处理，对模拟反倾岩质边坡天然状态及开挖状态变形演化过程进行研究。
另外，本发明的实施例还提供了一种反倾岩质边坡的高地应力试验方法，使用如上述的反倾岩质边坡模型试验的模拟地应力试验装置，且包括以下步骤：
S1利用相似原理，根据实际工程地质调查获得的反倾岩质边坡地形地貌、地质构造及地应力参数，采用相似材料预制长方体土块，并根据调查获得的反倾岩质边坡几何形态参数，将预制长方体土块堆叠成符合要求的反倾岩质边坡模型。
S2将反倾岩质边坡模型装入所述模型箱内的容置空间4内，所述反倾岩质边坡模型堆置于所述应力加载板3的一侧。
S3启动各所述液压伸缩臂2并调节各液压伸缩臂2的伸缩速率，使所述应力加载板3倾斜对反倾岩质边坡模型施加围压，直至围压达到满足相似准则下地应力的数值时关停各所述液压伸缩臂2，关停各所述液压伸缩臂2后速度归零，反倾岩质边坡模型在自重作用下或开挖情况下的完成边坡变形演化，各液压伸缩臂2的伸缩速率决定其伸缩位移，因此可以通过调节各所述液压伸缩臂2的伸缩速率使所述应力加载板3倾斜施加作用力。
请参考图4，各液压伸缩臂2位移相等时(伸缩速率相等)对应力加载板施加的作用力是均匀，也就是说对反倾岩质边坡模型施加的模拟地应力是均匀分布的。
请参考图5，各液压伸缩臂2位移不相等时(伸缩速率不相等)对应力加载板施加的作用力是不均匀，也就是说对反倾岩质边坡模型施加的模拟地应力是不均匀分布的。
因此，可以通过调节各液压伸缩臂2位移及伸缩速率推动应力加载板3给反倾岩质边坡后部施加围压模拟反倾岩质边坡真实状态下的高地应力，同时可以通过调整不同高度的液压伸缩臂2位移大小获得线性分布的高地应力。
S4监测系统的监测数据保存于所述计算机17中，对这些监测数据进行处理，通过所述高速摄像机14监测数据可以获得反倾岩质边坡模型破坏瞬时的边坡速度场、以及通过所述红外摄像仪15记录数据可以获取边坡温度场并据此确定滑坡破坏面位置，试验结束后整理所述模型箱。
在本文中，所涉及的前、后、上、下等方位词是以附图中零部件位于图中以及零部件相互之间的位置来定义的，只是为了表达技术方案的清楚及方便。应当理解，所述方位词的使用不应限制本申请请求保护的范围。
在不冲突的情况下，本文中上述实施例及实施例中的特征可以相互结合。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种反倾岩质边坡模型试验的模拟地应力试验装置，其特征在于：包括模型箱、应力加载系统及监控系统；
所述模型箱内部设有滑动设置的应力加载板，所述应力加载板与所述模型箱的一侧面之间形成反倾岩质边坡模型的容置空间，且所述模型箱该侧面上部设有缺口，所述模型箱包括长方体模型框架，所述模型框架的前后侧面均设有透明板，所述应力加载板垂直设置于两所述透明板之间，且所述模型框架上与所述应力加载板相对的一侧面设有后缘挡板，所述后缘挡板高度低于所述模型框架高度，所述后缘挡板上方形成所述缺口，所述应力加载板的底部设有多个主动滑轮，所述主动滑轮支撑于所述模型箱的底面，所述应力加载板的上部为“凸”字形，所述应力加载板上部卡入所述模型框架前后侧之间且可滑动；
所述应力加载系统包括沿着竖直方向间隔设置的至少三个液压伸缩臂及控制器，其中所有液压伸缩臂均设置于所述应力加载板背离所述容置空间的一侧，且每一所述液压伸缩臂的输出端连接所述应力加载板，所述控制器分别连接各所述液压伸缩臂，用以控制各所述液压伸缩臂的伸缩速率使所述应力加载板倾斜对反倾岩质边坡模型施加倾斜作用力；
所述监控系统设置于所述模型箱的外部，包括用于监测反倾岩质边坡模型破坏瞬时边坡速度场的高速摄像机、用于监测边坡温度场确定滑坡破坏面位置的红外摄像仪、以及用于监测反倾岩质边坡模型整个变形演化过程的普通摄像机。
2.如权利要求1所述的一种反倾岩质边坡模型试验的模拟地应力试验装置，其特征在于：所述应力加载板靠近所述容置空间一侧的侧面设有沿着竖直方向间隔设置的多个土压力传感器。
3.如权利要求1所述的一种反倾岩质边坡模型试验的模拟地应力试验装置，其特征在于：所述应力加载板的背部设有多个十字交叉架，每一所述液压伸缩臂的输出端连接均力垫板并通过所述均力垫板连接一所述十字交叉架。
4.如权利要求1所述的一种反倾岩质边坡模型试验的模拟地应力试验装置，其特征在于：所述控制器上设有多个伸缩力臂速率调节按钮，每一所述伸缩力臂速率调节按钮用于控制一所述液压伸缩臂的伸缩速率。
5.如权利要求1所述的一种反倾岩质边坡模型试验的模拟地应力试验装置，其特征在于：所述应力加载系统还包括闭式油箱以及与所述闭式油箱连接的高压油泵，所述高压油泵还分别连接各所述液压伸缩臂，所述控制器连接所述高压油泵，通过控制所述高压油泵的泵油量来调节各所述液压伸缩臂的伸缩速率。
6.如权利要求4所述的一种反倾岩质边坡模型试验的模拟地应力试验装置，其特征在于：所述控制器还设有显示屏，用以显示各所述液压伸缩臂的伸缩速率及伸缩位移。
7.如权利要求1所述的一种反倾岩质边坡模型试验的模拟地应力试验装置，其特征在于：所述监控系统还包括计算机，所述计算机分别连接所述高速摄像机、所述红外摄像仪及所述普通摄像机。
8.一种反倾岩质边坡的高地应力试验方法，其特征在于：使用如权利要求1～7任意一项所述的一种反倾岩质边坡模型试验的模拟地应力试验装置，且包括以下步骤：
S1根据实际工程地质调查获得的反倾岩质边坡地形地貌、地质构造及地应力参数，采用相似材料预制反倾岩质边坡模型；
S2将反倾岩质边坡模型装入所述模型箱内的容置空间内；
S3启动各所述液压伸缩臂并调节各液压伸缩臂的伸缩速率，使所述应力加载板倾斜对反倾岩质边坡模型施加围压，直至围压达到满足相似准则下地应力的数值时关停各所述液压伸缩臂，反倾岩质边坡模型在自重作用下或开挖情况下的完成边坡变形演化；
S4通过所述高速摄像机记录反倾岩质边坡模型破坏瞬时的边坡瞬时速度场、以及通过所述红外摄像仪记录边坡温度场并据此确定滑坡破坏面位置、以及通过所述普通摄像机记录反倾岩质边坡模型整个变形演化过程。
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