专利名称：一种岩质边坡破坏的平面试验装置及其实验方法
技术领域：
本发明涉及岩土力学实验技术，尤其涉及一种岩质边坡破坏的平面试验装置及其实验方法。
背景技术：
我国是一个滑坡灾害较为频发的国家，每年由于滑坡所造成的损失巨大。随着我国基础建设的大力发展，越来越多的工程建设都会遇到滑坡问题。由于滑坡机制的复杂性，物理模型试验成为一种再现滑坡形成的重要研究手段。物理模型试验就是以相似理论为理论基础，根据相似判据制作与原型成一定比例关系的边坡模型来模拟边坡的破坏过程。现有物理模型试验一般以平面模型为主，但是边界条件不严格，大多采用准平面应变条件。试验过程中向固定尺寸的试验装置内加料，形成预定的边坡模型。主要适用于土质边坡和大尺寸岩质边坡。采用这种方法，在试验装置内的边坡模型加载破坏后，才能继续加料浇筑下一个模型，造成试验装置利用率低，影响试验进程，限制试验次数。
发明内容
本发明的目的在于提供一种岩质边坡破坏的平面试验装置及其实验方法。其一是本试验装置适用于不同模型宽度和长度的岩质边坡模型，严格设置边坡模型的边界条件，充分利用现有加载设备，能够模拟岩质边坡滑裂面贯通过程，揭示边坡失稳规律和灾变机理。其二是本试验方法改进试验流程，提高了试验效率，缩短了试验时间。本发明的目的是这样实现的
先批量制作边坡模型，再依次将其转移至试验装置中进行加载，就可以加快试验进程。采用这种方法要求试验装置的长度和宽度能够根据边坡模型尺寸进行调节，为边坡模型提供严格的边界约束条件。为保证边坡模型能够顺利转移至试验装置，在转移过程中不发生损坏，该方法适用于小尺寸的岩质边坡模型。小尺寸模型有利于节约模型的实验材料，所以可以增加试验次数，将研究重点着眼于边坡失稳关键诱因的变化上，同时也能降低试验装置的造价。1、岩质边坡破坏的平面试验装置
边坡模型放置于基座的凹槽内，左侧挡板固定在基座上，与基座垂直，右侧挡板位于基座凹槽上，也与基座垂直，右侧挡板可以平行左侧挡板沿着基座的导槽活动，左侧挡板和右侧挡板用两排以基座中垂面对称布置的螺杆连接，每排螺杆包括在同一垂直平面上的三根螺杆，上端螺杆和下端螺杆的中间加粗，且有螺孔，用螺钉经螺孔将两块有机玻璃板紧固，有机玻璃板分别位于下端螺杆与中间螺杆以及上端螺杆与边坡模型之间。如果加载装置为伺服材料试验机，将垫块放置于边坡模型顶部，将试验装置放置于伺服材料试验机的承压板上。如果加载装置为土工离心试验机，将试验装置放置于土工离心试验机的模型箱内。试验装置的加载可充分利用现有设备，包括伺服材料试验机或土工离心试验机。
进一步，基座的导槽处设置有刻度。
2、岩质边坡破坏的平面试验方法本试验方法包含以下步骤(I)根据边坡模型与原型之间的比例关系制作边坡模具，将石膏，重晶石粉，细砂和水按比例配制边坡模型材料,各材料的质量配比范围为 石膏10°/Γ50%,重晶石粉10°/Γ50%,细砂109Γ50%，水109Γ50%。浇筑边坡模型，采用云母片、聚合物薄片、肥皂或蜡预置裂纹，模拟节理或断层，模型凝固后脱模。
(2)将干燥后的模型放置于试验装置基座中，将左侧挡板和右侧挡板上的螺母拧紧，再将螺杆和螺杆上的螺钉拧紧。
(3)如果模拟坡顶荷载作用下岩质边坡破坏，此时加载装置为伺服材料试验机，将垫块放置于边坡模型顶部，将试验装置放置于伺服材料试验机的承压板上。如果模拟重力增加作用下岩质边坡破坏，此时加载装置为土工离心试验机，将试验装置放置于土工离心试验机的模型箱内。
(4)启动加载装置，同时启动数码摄像机和连拍相机。随着荷载的增大，坡体内的裂纹开始扩展，直至贯通，形成宏观滑动面。
(5)完成岩质边坡模拟试验后，关闭加载装置，同时关闭数码摄像机和连拍相机。
(6)继续对下一个模型进行加载，重复步骤(2) (5)，直至完成所有试验。
(7)分析数码摄像机和连拍相机中的坡体内滑裂面扩展和贯通情况，确定边坡失稳规律和灾变机理。
本发明与背景技术相比具有的有益效果是(I)试验装置结构简单新颖，造价低。
(2)试验装置的右侧挡板可以沿平行于左侧挡板方向移动，可以根据边坡模型长度调节装置长度，采用6根螺杆固定左侧挡板和右侧挡板，满足模型左右侧面边界条件的法向位移固定要求。
(3)试验装置的正面板和背面板采用透明有机玻璃材料制成，方便摄像机和照相机拍摄滑坡过程，4根螺杆上装有8颗螺母，用于固定正面板和背面板，可以适用于不同模型宽度，使模型正面背面边界条件满足法向位移固定要求。
(4)基座导槽处的刻度可以方便、快速地确定放于实验装置中的边坡模型长度。
(5)试验装置可以充分利用现有设备，包括伺服材料试验机或土工离心试验机；采用伺服材料试验机可以模拟坡顶荷载作用下岩质边坡破坏；采用土工离心机可以模拟重力增加作用下岩质边坡破坏。
(6)采用摄像机和照相机记录滑坡过程，最大程度消除肉眼观察带来的误差，并能反复分析实验过程，提高实验结果的精确性。
(7)试验方法改进了边坡相似模型试验流程，提高了试验装置利用率，加快了试验进程,可增加试验次数。
图1为本发明的结构示意图；图2为图1的俯视图；` 图3为图1的右视图。
具体实施例方式本发明的试验装置中，边坡模型I放置于基座2的凹槽内，左侧挡板3固定在基座2上，与基座2垂直，右侧挡板位于基座2凹槽上，也与基座2垂直，右侧挡板4可以平行左侧挡板3沿着基座2的导槽活动，左侧挡板3和右侧挡板4用两排以基座中垂面对称布置的螺杆连接，每排螺杆包括在同一垂直平面上的螺杆5、螺杆6和螺杆7，螺杆5和螺杆7中间加粗，且有螺孔，用螺钉10经螺孔将有机玻璃板8和机玻璃板9紧固，有机玻璃板8和有机玻璃板9位于螺杆5、螺杆6和螺杆7与边坡模型I之间。作为本发明的进一步改进，可将试验装置的加载装置可充分利用现有设备，包括伺服材料试验机或土工离心试验机。如果加载装置为伺服材料试验机，将垫块11放置于边坡模型I顶部，将试验装置放置于伺服材料试验机的承压板上。如果加载装置为土工离心试验机，将试验装置放置于土工离心试验机的模型箱内。作为本发明的进一步改进，基座2的导槽处设置有刻度。实施例1 :坡顶荷载作用下主控节理倾角对岩质边坡破坏的影响研究
(I)某公路岩质边坡，野外地质勘察表明，坡体内含有一条主控节理，分析坡顶荷载作用下主控节理倾角对岩质边坡破坏的影响，节理倾角从O度变化至90度，倾角增量为15度，即分别取O度、15度、30度、45度、60度、75度以及90度，共7种方案，每种方案浇筑三个相同的模型。根据边坡模型与原型之间的比例关系制作边坡模具，按各材料重量配比，石膏重晶石细砂水=1:1:2:1配制边坡模型材料。浇筑边坡模型，采用云母片模拟主控节理。模型凝固后脱模，再浇筑下一个模型。(2)将干燥后的边坡模型I放置于试验装置的基座2中，将左侧挡板3和右侧挡板4上的螺母拧紧，再将螺杆5和螺杆7上的螺钉10拧紧。(3)将垫块11放置于边坡模型I顶部，将试验装置放置于伺服材料试验机的承压板上。(4)启动伺服材料试验机，同时启动数码摄像机和连拍相机。随着坡顶荷载的增大，坡体内的裂纹开始扩展，直至贯通，形成宏观滑动面。(5)完成岩质边坡模拟试验后，关闭加载装置，同时关闭数码摄像机和连拍相机。( 6 )继续对下一个模型进行加载，重复步骤(2 ) (5 )，直至完成所有试验。(7)分析数码摄像机和连拍相机中的坡体内滑裂面扩展和贯通情况，确定坡顶荷载作用下主控节理倾角对岩质边坡失稳规律和灾变机理的影响。实施例2 :重力增加作用下主控节理倾角对岩质边坡破坏的影响研究
(I)某公路岩质边坡,野外地质勘察表明，坡体内含有一条主控节理,分析重力增加作用下主控节理倾角对岩质边坡破坏的影响，节理倾角从O度变化至90度，倾角增量为15度，即分别取O度、15度、30度、45度、60度、75度以及90度，共7种方案，每种方案浇筑三个相同的模型。根据边坡模型与原型之间的比例关系制作边坡模具，按各材料重量配比，石膏重晶石细砂水=1:1:2:1配制边坡模型材料。浇筑边坡模型，采用云母片模拟主控节理。模型凝固后脱模，再浇筑下一个模型。(2)将干燥后的边坡模型I放置于试验装置的基座2中，将左侧挡板3和右侧挡板4上的螺母拧紧，再将螺杆5和螺杆7上的螺钉10拧紧。
(3)将试验装置放置于土工离心试验机的模型箱内。
(4)启动土工离心试验机，同时启动数码摄像机和连拍相机。随着重力的增大，坡 体内的裂纹开始扩展，直至贯通，形成宏观滑动面。
(5)完成岩质边坡破坏试验后，关闭加载装置，同时关闭数码摄像机和连拍相机。
(6)继续对下一个模型进行加载，重复步骤(2) (5)，直至完成所有试验。
(7)分析数码摄像机和连拍相机中的坡体内滑裂面扩展和贯通情况，确定重力增 加作用下主控节理倾角对岩质边坡失稳规律和灾变机理的影响。
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。
权利要求
1.一种岩质边坡破坏的平面试验装置，其特征在于边坡模型(I)放置于基座(2)的凹槽内，左侧挡板(3)固定在基座上，与基座(2)垂直，右侧挡板位于基座(2)凹槽上，也与基座(2)垂直，右侧挡板(4)可以平行左侧挡板(3)沿着基座(2)的导槽活动，左侧挡板(3) 和右侧挡板(4)用两排以基座中垂面对称布置的螺杆连接，每排螺杆包括在同一垂直平面上的螺杆(5)、螺杆(6)和螺杆(7)，螺杆(5)和螺杆(7)中间加粗，且有螺孔，用螺钉(10) 经螺孔将有机玻璃板(8 )和机玻璃板(9 )紧固，有机玻璃板(8 )和有机玻璃板(9 )位于螺杆 (5 )、螺杆(6 )和螺杆(7 )与边坡模型(I)之间，边坡模型(I)顶部放置有垫块(11)。
2.根据权利要求1所述的岩质边坡破坏的平面试验装置，其特征在于基座(2)的导槽处设置有刻度。
3.根据权利要求1所述的岩质边坡破坏的平面试验装置的实验方法，其特征在于包括如下步骤第一步制作边坡模具，将石膏，重晶石粉，细砂和水按比例配制边坡模型材料，浇筑边坡模型，采用云母片、聚合物薄片、肥皂或蜡预置裂纹，模拟节理或断层，边坡模型凝固后脱模；第二步将干燥后的边坡模型放置于试验装置的基座(2)中，将左侧挡板(3)和右侧挡板(4)上的螺母拧紧，再将螺杆(5)和螺杆(7)上的螺钉(10)拧紧；第三步如果模拟坡顶荷载作用下岩质边坡破坏，此时加载装置为伺服材料试验机，将垫块(11)放置于边坡模型(I)顶部，将试验装置放置于伺服材料试验机的承压板上；如果模拟重力增加作用下岩质边坡破坏，加载装置为土工离心试验机，将试验装置放置于土工离心试验机的模型箱内；第四步启动加载装置，同时启动数码摄像机和连拍相机；第五步完成岩质边坡破坏试验后，关闭加载装置，同时关闭数码摄像机和连拍相机；第六步继续对下一个边坡模型进行加载，重复第二步 第五步，直至完成所有试验；第七步分析数码摄像机和连拍相机中的坡体内滑裂面扩展和贯通情况，确定岩质边坡失稳规律和灾变机理。
全文摘要
本发明公开了一种岩质边坡破坏的平面试验装置及其实验方法。本发明试验装置的结构是，边坡模型放置于基座的凹槽内，用螺钉经螺孔将两块有机玻璃板紧固，有机玻璃板分别位于下端螺杆与中间螺杆以及上端螺杆与边坡模型之间，边坡模型顶部设置有垫块。通过批量制作边坡模型，再依次转移至试验装置中进行加载。本发明的试验装置结构简单，适用于不同宽度和长度的相似模型，并严格满足边界约束条件，加载装置可充分利用现有设备。能有效地加快试验进度，可以实现坡顶荷载或重力增加作用下岩质边坡的破坏过程模拟，提高了试验效率，缩短了试验时间。
文档编号G01M99/00GK103063460SQ20121058798
公开日2013年4月24日 申请日期2012年12月29日 优先权日2012年12月29日
发明者张科, 曹平, 范文臣 申请人:中南大学