CN214427132U - 测定岩质边坡稳定安全系数的模型试验装置 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开的是岩土力学分析技术领域的一种用于测定岩质边坡稳定安全系数的模型试验装置，该装置包括用于砌筑边坡模型的框架和底座，所述框架底部通过钢绞支座和千斤顶与底座铰接，所述钢绞支座和千斤顶分别位于框架底部两端；利用该装置进行试验时，先设计制作模型，然后砌筑到框架中，最后通过千斤顶来抬升转动框架，使模型失稳，得出实验数据，最后根据试验数据计算出边坡稳定安全系数。本实用新型的装置设计巧妙、结构简单、试验操作容易，利用该装置可任意改变起坡角度，可满足不同岩层倾角岩质边坡的试验要求，且该试验装置前后两侧临空，在试验过程中，可以直观地观察到模型边坡的整个失稳破坏过程和边坡各部位破坏情况。
Description
技术领域
本实用新型涉及岩土力学分析技术领域，具体涉及一种用于测定岩质边坡稳定安全系数的模型试验装置。
背景技术
岩质边坡的稳定性及安全系数计算分析方法是岩土工程领域的重要科学问题。在我国，随着国民经济的发展，特别是水电工程、铁路、公路及矿山工程等基础设施建设方兴未艾，在这些工程中出现了大量的岩质边坡工程，特别是水电工程中的高陡岩质边坡。这类边坡通常既高又陡，地质条件复杂，环境因素恶劣，不仅有强烈的卸荷作用，还有水库蓄水、降水以及开挖等多因素联合作用导致的岩质边坡失事事件，给人们的生命和财产带来了严重的损失，由此引起工期延误而产生的间接损失更是不可估量。
由于岩质边坡内部存在大量不同构造、产状和特性的不连续结构面，且工程中的岩质边坡受到岩体风化、降雨和水库水位升降等多种因素影响，导致其边坡稳定分析和安全系数计算变得更为复杂。在工程实践中，对于这些复杂的岩质边坡稳定性分析，一方面要借助理论分析和计算机数值模拟计算(例如有限元、离散元、块体元和DDA等)，另一方面，更多地要借助模型试验手段。两种研究方法相互验证、互为补充，以更好地研究岩质边坡稳定性问题。对于岩质边坡稳定安全系数的计算和测定，目前还主要靠理论计算和经验分析，还没有特定的模型试验手段来测定岩质边坡稳定安全系数。
实用新型内容
针对现有技术现状，本实用新型所要解决的技术问题是：提供了一种能测定岩质边坡稳定安全系数的模型试验装置以及试验方法。
本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案是：
测定岩质边坡稳定安全系数的模型试验装置，包括用于砌筑边坡模型的框架和底座，所述框架底部通过钢绞支座和千斤顶与底座铰接，所述钢绞支座和千斤顶分别位于框架底部两端。
进一步的是，所述框架为槽钢拼成的矩形结构，包括槽钢底座、左侧竖向槽钢、右侧竖向槽钢和顶端连接槽钢，并在拼接处设有加强斜梁。
进一步的是，所述钢绞支座下端与底座固定，上端与框架铰接，所述千斤顶的上下两端分别与框架和底座铰接。
进一步的是，所述千斤顶为手动或电动的液压千斤顶，或者是直线电机。
进一步的是，所述框架底部内侧设有锯齿状的石膏起坡垫层。
进一步的是，还包括砌筑在框架内的边坡模型，所述边坡模型依据原始边坡岩体结构面砌筑，并在各软弱结构面上敷设有变温相似材料、电升温调控系统和位移应变监测系统。
本实用新型的有益效果是：通过设置框架来砌筑边坡模型，利用千斤顶带动框架绕钢绞支座转动来模拟边坡失稳情况，由此测定出岩质边坡的稳定安全系数，填补了目前尚无这类试验装置的空白，整个装置设计巧妙、装置简单、试验操作容易、使用方便、可拆卸性强；此外，该装置可任意改变起坡角度，可满足不同岩层倾角岩质边坡的试验要求，且该试验装置前后两侧临空，在试验过程中，可以直观地观察到模型边坡的整个失稳破坏过程和边坡各部位破坏情况。
附图说明
图1是本实用新型的试验装置结构示意图。
图2是试验过程初始状态示意图。
图3是试验过程中途状态示意图。
图中标记为，1—框架，1-1—槽钢底座，1-2—左侧竖向槽钢，1-3—右侧竖向槽钢，1-4—顶端连接槽钢，1-5—加强斜梁，1-6—石膏起坡垫层，2—混凝土底座，3—千斤顶，4—活动钢绞支座，5—边坡模型基岩，6—边坡岩层分界线，7—边坡潜在滑动块体，7-1—边坡陡倾裂隙，7-2—软弱结构面，8—边坡模型坡面。
具体实施方式
下面结合附图对本实用新型进一步说明。
如图1所示，本实用新型测定岩质边坡稳定安全系数的模型试验装置，包括用于砌筑边坡模型的框架1和底座2，所述框架1底部通过钢绞支座4和千斤顶3与底座2铰接，所述钢绞支座4和千斤顶3分别位于框架1底部两端。框架1用于砌筑边坡模型，框架1两边临空，便于观察模型破坏情况。其工作原理是，通过千斤顶3将框架1一端抬高，从而增大模型倾角，直到模型损坏，利用抬高的倾斜角度就能计算出边坡稳定安全系数。
对于框架1的具体结构，为了方便制作安装，所述框架1采用槽钢拼成的矩形结构，包括槽钢底座1-1、左侧竖向槽钢1-2、右侧竖向槽钢1-3和顶端连接槽钢1-4，并在拼接处设有加强斜梁1-5。框架1的拼接采用螺栓进行连接，便于拆装，拼接处的加强斜梁1-5用于增强槽钢矩形框架的刚性和稳定性。
在利用千斤顶3抬高框架1的过程中，要避免出现干涉并且保持结构稳定，因此，所述钢绞支座4下端与底座2固定，上端与框架1铰接，所述千斤顶3的上下两端分别与框架1和底座2铰接。各铰接点应尽量增大接触面积以及配合的紧密度，避免在抬升过程中框架1晃动。
对于千斤顶3，可以采用手动或电动的液压千斤顶，或者是直线电机。在安装千斤顶3时可在连接处设置一些缓冲垫，用于降低运行过程中的振动。
为了便于在框架1中砌筑模型，在所述框架1底部内侧设有锯齿状的石膏起坡垫层1-6。石膏起坡垫层1-6根据模拟的原始边坡起坡角度设计，设置成锯齿状可提高模型砌筑的稳定性和便利性。
进一步的，还包括砌筑在框架1内的边坡模型，所述边坡模型依据原始边坡岩体结构面砌筑，并在各软弱结构面上敷设有变温相似材料、电升温调控系统和位移应变监测系统。该边坡模型的试验原理是：利用电升温调控系统加热变温相似材料，使其熔化，来模拟软弱结构面上物理力学参数逐步弱化的力学行为，配合抬高框架1模拟的岩体超重情况，最后通过位移应变监测系统来监测岩体的相对错动情况，从而分析得出真实可靠的岩质边坡稳定安全系数。
采用上述模型试验装置进行岩质边坡稳定安全系数测定的方法，包括以下步骤：
步骤1，确定模型几何比尺及边坡模拟范围：根据边坡的地形特点、软弱结构面构造特性及试验任务要求，同时结合试验场地规模及试验精度要求，确定模型几何比尺及边坡模拟范围；
步骤2，模型材料研制：根据原型边坡岩体和结构面的物理力学参数，按相似关系换算得到模型材料的物理力学参数，并从力学相似的角度开展材料试验，最终选出与原型材料相似的模型材料；
步骤3，砌筑边坡模型：如图2所示，所述岩质边坡模型包括边坡模型基岩5、边坡岩层分界线6、边坡潜在滑动块体7、边坡陡倾裂隙7-1、软弱结构面7-2、边坡模型坡面8；砌筑时根据岩质边坡的模拟范围及地形特点，在模型试验装置的框架1下部沿石膏起坡垫层1-6逐层砌筑，直至完成岩质边坡模型的制作；在砌筑边坡模型时，最好先在结构面起始高程点处起坡，结合相应的地质剖面图确定软弱结构面的产状，再按照结构面的产状走向及倾斜角度进行砌筑；在所述边坡模型潜在滑动块体7中的陡倾裂隙7-1和软弱结构面7-2上敷设有能够通过升高温度降低其结构面力学参数的变温相似材料，该材料可通过后续的加热，在一定温度下熔解，从而模拟出降雨、渗水情况下边坡结构面强度弱化的情形；为了方便对相似变温材料进行加热和温度控制，在敷设变温相似材料时，同时在陡倾裂隙7-1和软弱结构面7-2上制作和埋设电阻丝和相应的变温监控系统组件；
步骤4，进行边坡模型试验：首先通过电升温调控系统升高边坡模型陡倾裂隙7-1和软弱结构面7-2上变温相似材料的温度，使高分子材料逐步熔解，材料的抗剪断强度参数逐步降低，以此模拟软弱结构面的物理力学参数逐步弱化的力学行为，待结构面物理力学参数降低到KS倍数后，保持变温相似材料上的温度不变，通过千斤顶3加载的方式，顶升倾斜框架1，进行边坡超载试验，如图3所示，模拟边坡岩体超重容重增加，直至边坡模型出现失稳破坏为止，并记录下此时框架1的倾斜角度φ；此外，为了便于监测滑动块体移动情况，在影响边坡稳定的潜在滑动块体7上的结构面出露处布置双向变位测点，分别测试水平向变位和竖直向变位，变位量测仪器可采用SP–10A型位移数显仪；在边坡陡倾裂隙7-1和软弱结构面7-2上布置内部相对变位测点，以监测其沿结构面的相对错动，相对变位量测仪器可采用UCAM-70A型万能数字测试装置；
步骤5，计算边坡稳定安全系数：将步骤4中获取的试验数据Ks和φ代入下式中，即可得到该岩质边坡稳定安全系数：
其中，Ksc为岩质边坡稳定安全系数，Ks为试验中边坡结构面力学参数降低倍数，δ为变值参数(取值0.97～1.0)，θ为模型边坡底滑面原始倾角，φ为边坡在试验过程中框架顶升倾斜角度。
利用该装置，结合特定模型材料进行试验，既考虑了降雨、渗水情况下边坡结构面强度弱化，又考虑了边坡岩体超重导致下滑力增大而失稳的情况，该方法能更全面地反映实际工程中的岩质边坡问题，得出的数据真实可靠，能为工程分析提供有力的技术支持，具有很好的实用性和应用前景。
Claims (6)
1.测定岩质边坡稳定安全系数的模型试验装置，其特征是：包括用于砌筑边坡模型的框架(1)和底座(2)，所述框架(1)底部通过钢绞支座(4)和千斤顶(3)与底座(2)铰接，所述钢绞支座(4)和千斤顶(3)分别位于框架(1)底部两端。
2.如权利要求1所述的测定岩质边坡稳定安全系数的模型试验装置，其特征是：所述框架(1)为槽钢拼成的矩形结构，包括槽钢底座(1-1)、左侧竖向槽钢(1-2)、右侧竖向槽钢(1-3)和顶端连接槽钢(1-4)，并在拼接处设有加强斜梁(1-5)。
3.如权利要求1所述的测定岩质边坡稳定安全系数的模型试验装置，其特征是：所述钢绞支座(4)下端与底座(2)固定，上端与框架(1)铰接，所述千斤顶(3)的上下两端分别与框架(1)和底座(2)铰接。
4.如权利要求1所述的测定岩质边坡稳定安全系数的模型试验装置，其特征是：所述千斤顶(3)为手动或电动的液压千斤顶，或者是直线电机。
5.如权利要求1所述的测定岩质边坡稳定安全系数的模型试验装置，其特征是：所述框架(1)底部内侧设有锯齿状的石膏起坡垫层(1-6)。
6.如权利要求1-5任意一项权利要求所述的测定岩质边坡稳定安全系数的模型试验装置，其特征是：还包括砌筑在框架(1)内的边坡模型，所述边坡模型依据原始边坡岩体结构面砌筑，并在各软弱结构面上敷设有变温相似材料、电升温调控系统和位移应变监测系统。
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Cited By (1)
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|---|---|---|---|---|
| CN112798403A (zh) * | 2021-03-05 | 2021-05-14 | 中国电建集团成都勘测设计研究院有限公司 | 测定岩质边坡稳定安全系数的模型试验装置及方法 |
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2021
- 2021-03-05 CN CN202120480671.8U patent/CN214427132U/zh active Active
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