一种冻融对顺层岩质边坡变形影响的模型试验装置及方法与流程

本发明涉及一种冻融对顺层岩质边坡变形影响的模型试验装置及方法，属于地质工程领域，特别是冻融循环作用对顺层岩质边坡变形影响的试验方法，适用于分析我国寒冷地区的顺层岩质边坡变形破坏机理及稳定性研究。

背景技术：

顺层岩质边坡稳定性问题是山区铁路建设过程常见的工程地质问题之一，也是铁路施工人员密切关注的重要问题之一。在我国北方地区，由于铁路修建周期长，已开挖的顺层岩质边坡往往要经过多次反复冻融作用，由于冻胀作用对顺层岩质边坡变形及稳定性的影响机理较为复杂，且无类似边坡工程变形特征及稳定性评价的经验可供借鉴，因此研究冻融对顺层岩质边坡变形影响成为一个急需解决的问题。采用物理模拟试验模型研究冻融作用对顺层岩质边坡变形的影响，具有操作方便、监测直观等优点，对指导岩质边坡稳定性评价及工程处治具有重要意义。

目前，关于冻融作用对顺层岩质边坡变形影响的模型试验装置及试验方法的研究相对较少，大部分为天然状态、降雨状态或开挖状态下顺层岩质边坡稳定性的影响研究。如中国实用新型专利“顺层岩质边坡滑移试验系统”(授权公告号：CN204882545U，授权公告日：2015.12.16)，提供了一种顺层岩质边坡滑移试验系统。如中国实用新型专利“顺层岩质边坡轻型加固构造”(授权公告号：CN201099861Y，授权公告日：2008.8.13)，公开了一种顺层岩质边坡轻型加固构造，它包括在坡面上成排、成列布设的抗剪锚杆，各抗剪锚杆由锚孔穿入稳定基岩内且与之锚固连接，设置于坡面上的连接构件与各抗剪锚杆的外锚头固定连接。中国发明专利“一种岩堆边坡冻融循环作用变形物理模型试验装置及试验方法”(授权公告号：CN104807975B，授权公告日：2016-8-17)，公开了一种岩堆边坡冻融循环作用变形物理模型试验装置及试验方法，适应于我国北方极寒地区的岩堆边坡变形破坏机理分析及稳定性研究。

目前，已有顺层岩质边坡模型试验中，未考虑冻融作用对顺层岩质边坡的影响，且不能调整岩质边坡的坡角，故不能开展冻融特殊工况对顺层岩质边坡变形破坏的影响。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是提供一种冻融对顺层岩质边坡变形影响的模型试验装置及方法，能有效改善现有装置不能调整顺层岩质边坡坡角、不能模拟冻融作用对顺层岩质边坡作用等问题。

本发明解决上述技术问题的技术方案如下：一种冻融对顺层岩质边坡变形影响的模型试验装置，包括倾斜设置的U型坡台，所述U型坡台位于水平高端的一端的底部设有用于升降所述U型坡台的千斤顶，所述U型坡台位于水平低端的一端活动连接有用于打开或关闭所述U型坡台端部的缓冲平台，所述缓冲平台上设有贯穿所述缓冲平台的排水孔；所述U型坡台的周边设有加热装置；所述U型坡台的两侧板的顶部均设有沿所述U型坡台的两侧板长度方向延伸的轨道，两个所述轨道上均设有多个可沿所述轨道长度方向滑动且可固定在所述轨道上的滑动座，两个所述轨道上的所述滑动座一一对应通过横梁连接，所述横梁上设有多个百分表。

本发明的有益效果是：本发明能有效改善现有装置不能调整顺层岩质边坡坡角、不能模拟冻融作用对顺层岩质边坡作用等问题，操作方便、监测直观等优点，适用于在东北地区模拟冻融对顺层岩质边坡变形影响的物理模拟实验，对指导寒区顺层岩质边坡稳定性评价及处治具有重要意义。

在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进。

进一步，所述横梁为金属横梁，所述百分表通过电磁铁固定在所述横梁上。

采用上述进一步方案的有益效果是：采用电磁铁将所述百分表进行固定，能方便百分表的安装和拆卸。

进一步，所述加热装置为碘钨灯。

采用上述进一步方案的有益效果是：加热装置采用碘钨灯，根据需要调节加热温度。

进一步，所述U型坡台位于水平高端的一端的底部固定有沿所述U型坡台长度方向设置的千斤顶轨道，所述千斤顶的顶部设在所述千斤顶轨道内，且所述千斤顶的顶部可在所述千斤顶轨道内滑动。

采用上述进一步方案的有益效果是：在U型坡台位于水平高端的一端的底部设置千斤顶轨道，在千斤顶的活塞顶起和下落的过程中，千斤顶的活塞的顶部沿千斤顶轨道滑动，增大千斤顶调节U型坡台倾斜角的范围。

进一步，所述千斤顶轨道的数量为两个，两个所述千斤顶轨道关于所述U型坡台的长度方向的中心线对称设置，两个所述千斤顶轨道对应连接两个所述千斤顶。

采用上述进一步方案的有益效果是：在U型坡台位于水平高端的一端的底部设置两个千斤顶轨道，能确保在顶起U型坡台的过程中U型坡台能保持平稳地升降。

进一步，所述U型坡台位于水平低端的一端的两侧均设有通过混凝土基座固定设置的轴承，两个所述轴承件设有连接轴，所述连接轴的两端分别设在两个所述轴承上，所述连接轴穿过并与所述缓冲平台的一端固定连接。

采用上述进一步方案的有益效果是：通过连接轴带动缓冲平台转动，实现对U型坡台位于水平低端的一端的关闭和开启。

进一步，两个所述轨道分别固定在所述U型坡台的两侧板的顶部，所述轨道上设有T型槽，所述滑动座的底端为与所述T型槽相匹配的“上”形结构，所述滑动座的底端设在所述T型槽内，所述轨道上设有多个沿所述轨道长度方向均匀设置的螺孔，所述螺孔内设有可将所述滑动座的底端固定在所述T型槽内的螺栓。

采用上述进一步方案的有益效果是：在轨道上设置T型槽，将滑动座的底部设置成与T型槽相匹配的“⊥”形结构，滑动座可在T型槽内移动，并通过螺栓进行定位，结构简单，滑动方便。

进一步，所述轨道上设有沿所述轨道长度方向设置的标尺。

采用上述进一步方案的有益效果是：标尺的设置能方便滑动座的定位。

进一步，所述缓冲平台的底部设有用于支承所述缓冲平台的支座，所述缓冲平台的底部设有一端与所述排水孔连通的引流管，所述引流管的另一端连接排水沟。

采用上述进一步方案的有益效果是：引流管的设置能将滑到缓冲平台上的水进行导出，方便水渍的清理。

进一步，所述千斤顶的底部设有用于支撑所述千斤顶的千斤顶底座。

采用上述进一步方案的有益效果是：千斤顶底座的设置能对千斤顶进行支撑，并且能提高千斤顶提升U型坡台的角度。

一种冻融对顺层岩质边坡变形影响的模型试验方法，采用上述所述的冻融对顺层岩质边坡变形影响的模型试验装置进行冻融对顺层岩质边坡变形影响的模型试验，包括以下步骤：

步骤一，开展野外地质调查：通过野外宏观地质调查，测量顺层岩质边坡的岩层产状及岩层厚度；

步骤二，制备石板和饱和粘土：确定模型试验的相似比，确定并预制模型中使用的石板尺寸，预制完成后浸泡在0℃的水中备用，制备饱和的粘土；

步骤三，设置千斤顶：使U型坡台的水平高端的底部的千斤顶的活塞上升，直到U型坡台的坡度等于岩层的倾角为止；

步骤四，设置缓冲平台：使用缓冲平台封堵所述U型坡台的水平低端的端部，并且堵塞排水孔，在缓冲平台朝向所述U型坡台的一面上均匀涂抹黄油；

步骤五，构建顺层岩质边坡：在U型坡台的两侧壁上均匀涂抹黄油，在U型坡台上从下往上布置三层所述石板，石板之间充填饱和的黏土，共同形成顺层岩质边坡模型，并在模型表面至少确定1条监测剖面，并做好标记；

步骤六，设置百分表：调节横梁的位置以及百分表，使得百分表的量测头顶在监测剖面上的岩质边坡表面及顶部岩层的侧面上，并记录初始读数；

步骤七，模拟冻结过程：在岩质边坡上洒水，使石板和粘土充分饱和，，保持模型温度在-5℃～-25℃下，使模型充分冻结，记录各百分表读数；

步骤八，模拟融冰过程：旋转缓冲平台使转缓冲平台水平设置，清除黄油，疏通排水孔，开启加热装置，使室内温度保持在10℃～20℃，使模型中的冰充分融化，记录百分表各读数；

步骤九，模拟冻融循环作用：重复步骤七和步骤八，可完成若干次岩质边坡的冻融循环作用，分析冻融循环作用对岩质边坡变形的影响及破坏特征。

采用上述方案的有益效果是：本方法能有效改善现有装置不能调整顺层岩质边坡坡角、不能模拟冻融作用对顺层岩质边坡作用等问题，操作方便、监测直观等优点，适用于在东北地区模拟冻融对顺层岩质边坡变形影响的物理模拟实验，对指导寒区顺层岩质边坡稳定性评价及处治具有重要意义。

进一步，所述步骤七和步骤八中，当岩质边坡的变形较小时，使U型坡下的千斤顶的活塞逐渐上升，直到岩质边坡失稳后滑动到缓冲平台，同时记录不同坡度下各监测点的百分表读数，研究岩质边坡的变形破坏特征，计算岩质边坡的稳定性系数。

采用上述进一步方案的有益效果是：通过千斤顶的活塞逐渐上升，能使得岩质边坡失稳后滑动到缓冲平台，记录不同坡度下各监测点的百分表读数，研究岩质边坡的变形破坏特征。

附图说明

图1为本发明的俯视图；

图2为本发明的侧视图；

图3为本发明的后视图；

图4为构建顺层岩质边坡前的模型箱主视图；

图5为构建顺层岩质边坡后、冻融实验前的的模型箱主视图；

图6为滑动座及轨道、横梁的主视图；

图7为轴承与U型钢板箱、缓冲平台连接侧视图；

图8为百分表与钢质横梁连接主视图；

附图中，各标号所代表的部件列表如下：

101、U型坡台，102、千斤顶，103、连接轴，104、缓冲平台，105、排水孔，106、滑动座，107、横梁，108、石板，109、千斤顶轨道，110、千斤顶底座，111、标尺，112、百分表，113、加热装置，114、电磁铁，115、量测头，116、百分表表盘，117、轨道，118、混凝土基座，119、支座，120、螺栓，121、方形孔，122、轴承，123、引流管，124、排水沟，125、T型槽，126、螺孔。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。

顺层岩质边坡中的节理裂隙是地下水的运移通道。在北方地区，在冬季温度处于0℃以下，节理裂隙内富有地下水的充填物冻结，体积膨胀，对岩层产生膨胀作用力，使岩层中的裂隙扩张；在夏季温度回升到0℃以上，节理裂隙内冻结的充填物中的冰层融化，膨胀作用力卸荷，岩层中的裂隙回缩，岩质边坡内节理裂隙内填充物中的地下水的冻结与融化的过程称之为岩质边坡的冻融循环。

一年四季春夏秋冬交替出现，产生一次岩质边坡的冻融循环，多年的冻融循环使顺层岩质边坡承受反复的冻胀力加载-卸载作用，岩质边坡必将疲劳损伤，最终边坡破坏失去其稳定性

由于现有顺层岩质边坡模型试验中，未考虑冻融作用对顺层岩质边坡的影响，且不能调整岩质边坡的坡角，本发明公布了一种冻融对顺层岩质边坡变形影响的模型试验装置及试验方法，具有操作方便、监测直观等优点。

实施例一

如图1、图2、图3所示，本实施例包括倾斜设置的U型坡台101，所述U型坡台101位于水平高端的一端的底部设有用于升降所述U型坡台101的千斤顶102，所述U型坡台101位于水平低端的一端活动连接有用于打开或关闭所述U型坡台101端部的缓冲平台104，所述缓冲平台104上设有贯穿所述缓冲平台104的排水孔105；所述U型坡台101的周边设有用于环境融雪的加热装置113；所述U型坡台101的两侧板的顶部均设有沿所述U型坡台101的两侧板长度方向延伸的轨道117，两个所述轨道117上均设有多个可沿所述轨道117长度方向滑动且可固定在所述轨道117上的滑动座106，两个所述轨道117上的所述滑动座106一一对应通过横梁107连接，所述横梁107上设有多个百分表112。

如图2所示，所述U型坡台101位于水平高端的一端的底部固定有沿所述U型坡台101长度方向设置的千斤顶轨道109，所述千斤顶102的顶部设在所述千斤顶轨道109内，且所述千斤顶102的顶部可在所述千斤顶轨道109内滑动，所述千斤顶轨道109的数量为两个，两个所述千斤顶轨道109关于所述U型坡台101的长度方向的中心线对称设置，两个所述千斤顶轨道109对应连接两个所述千斤顶102。

如图4、图5和图7所示，所述U型坡台101位于水平低端的一端的两侧均设有通过混凝土基座118固定设置的轴承122，两个所述轴承122件设有连接轴103，所述连接轴103的两端分别设在两个所述轴承122上，所述连接轴103穿过并与所述缓冲平台104的一端固定连接。

如图6、图8所示，所述横梁107为钢制横梁107，所述百分表112通过电磁铁114固定在所述横梁107上，电磁铁114与百分表表盘116固定连接，百分表112的量测头115朝向U型坡台101内。横梁107上至少设置9个用电磁铁114连接的百分表112

如图6所示，两个所述轨道117分别固定在所述U型坡台101的两侧板的顶部，所述轨道117上设有T型槽125，所述滑动座106的底端为与所述T型槽125相匹配的“⊥”形结构，所述滑动座106的底端设在所述T型槽125内，所述轨道117上设有多个沿所述轨道117长度方向均匀设置的螺孔126，所述螺孔126内设有可将所述滑动座106的底端固定在所述T型槽125内的螺栓120。

本实施例中，为方便辽宁省本溪市桓仁县田师傅-桓仁铁路大前石岭隧道出口施工，从山脚修建一条通往隧道进口的施工便道，由于切坡在施工便道内侧形成长约500m的顺层岩质边坡，通过野外宏观地质调查，测量顺层岩质边坡的岩层的倾角约为30°，厚度约为0.3m石英砂岩。

优选地，在本实施例中，在U型坡台101高度较大的一端附近的箱底面焊接2排并排平行的钢质凹槽轨道117，通过千斤顶102的活塞上升钢板箱的坡度为30°，U型坡台101的底面尺寸为200cm(长)×100cm(宽)×1cm(厚)，两侧壁的尺寸为200cm(长)×2cm(厚)×25cm(高)，钢板箱高度较小的一端通过连接轴103与缓冲平台104连接，缓冲平台104的尺寸为100cm(长)×35cm(宽)×1cm(厚)。

优选地，在本实施例中，在缓冲平台104上离连接轴103约2cm处设置一排共3个直径为1cm的排水孔105，排水孔105下连接有引流管123，将融化后的水引入排水沟124尺寸为5cm(宽)×5cm(深)，同时为排走连接轴103下渗的水，排水沟124在连接轴103方向的侧壁的倾角设为45°

优选的，在岩质边坡上至少设置1个监测剖面，U型坡台101上至少设置4根横梁107，所述横梁107的两端为方形，设置在滑动座106上部的方形孔121内，分别位于U型坡台101的前部、中部、后部及U型坡台101上边界上，其中前部、中部、后部的3根横梁107沿每个剖面用电磁铁114至少连接2个百分表112，用于监测主剖面上岩质边坡表面的鼓胀与沉降变形；U型坡台101上边界上根据岩层的分层数布置百分表112，百分表112的量测头115顶在模型上边界附近的石板108侧面上，用于监测不同岩层的相对滑动位移。

优选地，在本实施例中，缓冲平台104与连接轴103的高度相同，约高于地表20cm为宜。

优选地，在本实施例中，在岩质边坡上设置1个监测剖面，设置4根横梁107，横梁107尺寸为110cm(长)×3cm(宽)×3cm(高)，横梁107与横梁107之间的间距为25cm～35cm为宜，在前部、中部、后部的3根横梁107连接2个百分表112，模型上边界的1根横梁107上连接3个百分表112，共9个百分表112。

优选地，在本实施例中，确定模型试验的相似比为1∶5，即模型中石板108的厚度取为6cm，共铺设3层石板108，石板108之间填充饱和的粘土层。

优选地，在本实施例中，用于融雪的4个加热装置113设置在U型坡台101的前部、两侧、上部，加热装置113水平放置，倾斜角应小于±4°。

优选地，在本实施例中，为了进一步增加千斤顶102的抬升能力，在千斤顶底座110下设置了2层钢垫板。

当实验过程中局部出现较大变形时，可在附近增设百分表112，百分表112均用固定在横梁107或U型坡台101两侧边上。

本实施例能有效改善现有装置不能调整顺层岩质边坡坡角、不能模拟冻融作用对顺层岩质边坡作用等问题，操作方便、监测直观等优点，适用于在东北地区模拟冻融对顺层岩质边坡变形影响的物理模拟实验，对指导寒区顺层岩质边坡稳定性评价及处治具有重要意义。

实施例二

在本实施例中，公开了一种冻融对顺层岩质边坡变形影响的模型试验方法，包括以下步骤：

S1：开展野外地质调查：通过野外宏观地质调查，测量顺层岩质边坡的岩层产状及若层厚度。

S2：制备石板108和饱和粘土：确定模型试验的相似比，确定并预制模型中使用的石板108尺寸，预制完成后浸泡在0℃的水中备用，制备饱和的粘土。

S3：设置千斤顶102：使U型坡台101下千斤顶102的活塞上升，直到钢板箱的坡度等于岩层的倾角为止。

S4：绕连接轴103转动缓冲平台104：在缓冲平台104上均匀涂抹黄油，绕连接轴103转动缓冲平台104，将缓冲平台104旋转至与U型坡台101高度较小的一端相连，并堵塞排水孔105口。

S5：构建顺层岩质边坡：为减少边界效应，在U型坡台101内部两侧壁均匀涂抹黄油，从下往上布置三层石板108，石板108之间充填饱和的黏土，共同形成顺层岩质边坡模拟模型，并在模型表面至少确定1条监测剖面，并做好标记。

S6：安装钢质的横梁107：在U型坡台101两侧板顶面上的轨道117内均匀设置多个滑动座106，通过两侧的标尺111快速对齐滑动座106并用螺孔126固定在轨道117上，将钢质的横梁107穿过滑动座106的方形孔121并用螺孔126固定在钢板上；安装百分表112：在钢质的横梁107上用电磁铁114连接若干百分表112，并使百分表112的量测头115顶在主剖面上的岩质边坡表面及顶部岩层的侧面上，并记录初始读数。

S7：模拟冻结过程：在岩质边坡上缓慢洒水，使石板108和粘土充分饱和，利用东北地区天然的气候环境，保持模型温度在-5℃～-25℃下约12小时，使模型充分冻结，记录各百分表112读数。

S8：模拟融冰过程：旋转缓冲平台104使固定钢支座119放置在地面上，清除黄油，疏通排水孔105，开启室内空调、地暖及碘钨灯等，使室内温度保持在10℃～20℃中间，使模型的冰充分融化，记录百分表112各读数。

S9：模拟冻融循环作用：重复步骤S7-S8，可完成若干次岩质边坡的冻融循环作用，分析冻融循环作用对岩质边坡变形的影响及破坏特征。

在本实施例中，若岩质边坡的变形较小，可使U型坡台101下千斤顶102的活塞逐渐上升，直到岩质边坡失稳后滑动到缓冲平台104，记录不同坡度下各监测点的百分表112读数，研究岩质边坡的变形破坏特征，计算岩堆边坡的稳定性系数。

本实施例能有效改善现有装置不能调整顺层岩质边坡坡角、不能模拟冻融作用对顺层岩质边坡作用等问题，操作方便、监测直观等优点，适用于在东北地区模拟冻融对顺层岩质边坡变形影响的物理模拟实验，对指导寒区顺层岩质边坡稳定性评价及处治具有重要意义。

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。