一种边坡卸荷开挖的物理模拟试验装置及其使用方法

本发明涉及边坡卸荷开挖技术领域，尤其涉及一种边坡卸荷开挖的物理模拟试验装置及其使用方法，是一种模拟高压力边坡开挖过程并检测信息，进而分析的实验制样模具。

背景技术：

受青藏高原持续隆升的影响，中国西南、西北地区，尤其是环青藏高原的东侧地带，河流深切，地形地质条件复杂，自然以及人工开挖高边坡稳定性问题极为突出，构成中国最具特色的工程地质和岩石力学问题之一；

在对斜坡稳定性进行评价时会进行理论计算分析法，主要包括传递系数法、极限平衡分析法等，但任何计算方法都必须建立在深入查明原理特性和做出符合实际情况的演化机制分析的基础上。我们需要从力学模型和数学模型，主导因素和敏感因素中获得为理论计算所必备的信息。

技术实现要素：

为解决上述问题，本发明公开了一种边坡卸荷开挖的物理模拟试验装置及其使用方法，通过模拟分级开挖过程中监测模型内各部位的应力变化和模型中概化后的结构面的应变以及潜在破坏面的应变，可以更加详细的分析开挖后边坡的稳定性。

为了达到以上目的，本发明提供如下技术方案：

一种边坡卸荷开挖的物理模拟试验装置,包括预制模型框、加载系统、反力装置、实验数据监测模块与采集系统、模拟分级开挖系统，所述加载系统和所述反力装置的输出端接与所述预制模型框接触，所述实验数据监测模块与采集系统的输入端均预设在所述预制模型框的监测位，所述加载系统和所述反力装置均受所述模拟分级开挖系统控制。

作为上述技术方案的进一步描述：

所述预制模型框是由厚度2mm的钢板制成，模具宽20cm，正面与开挖面一致，侧面未封板。

作为上述技术方案的进一步描述：

所述加载系统由液压泵、压力表、单向阀、减压阀和液压伺服控制组成，通过手动控制的方式对加卸载进行控制。

作为上述技术方案的进一步描述：

所述反力装置包括反力架、液压伺服控制、连接钢架、垫板，所述液压伺服控制的输出端与所述预制模型框通过垫块连接，所述液压伺服控制安装在所述反力架上，所述液压伺服控制通过所述连接钢架与所述反力架连接。

作为上述技术方案的进一步描述：

所述试验数据监测模块与采集系统主要包括变形破坏监测模块、应力监测模块、应变监测模块、其他监测模块及数据采集系统，所述变形破坏监测模块包括水平位移、竖向位移和裂缝监测，所述应力监测模块包括土压力的监测和数据采集。

作为上述技术方案的进一步描述：

s1：地质原型概化，根据对应的岩性选择强卸荷岩体、弱卸荷岩体和微新岩体；

s2：模拟开挖卸荷方案，对实际开挖进行简化，按实际开挖方案顺序进行开挖；

s3：确定相似常熟与材料配比，采用直剪试验确定材料配比；

s4：进行试验并采集数据，布置监测点；

s5：根据实验结构进行分析并总结方案。

作为上述技术方案的进一步描述：

所述s4中的试验步骤为：

(6)配制相似材料，在预制模型框中填筑形成模型边坡；

(7)在填筑的同时安装、埋设土压力监测仪器；

(8)待模拟边坡固结达到一定的强度后，对模型进行脱模，将模型转移到加载框架中，安装应变监测仪器，设置位移监测；

(9)安装好模拟分级开挖系统，使用加该系统进行模拟分级开挖；

在模拟开挖同时及之后进行各种数据的监测采集。

作为上述技术方案的进一步描述：

所述s4和所述s5之间：在模拟开挖同时及之后进行各种数据的监测采集在初始加载以模拟开挖前原始坡体内部应力后，需要对模型内部的土压力、应变，进行初次采集，作为模型的原始位置和应力情况，用于之后的分析。

综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：

1、通过模拟分级开挖过程中监测模型内各部位的应力变化和模型中概化后的结构面的应变以及潜在破坏面的应变，可以更加详细的分析开挖后边坡的稳定性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为分级开挖结构示意图；

图2为一种边坡卸荷开挖的物理模拟试验装置示意图；

图3为概化结果图；

图4为相似材料物理力学参数表；

图5为相似材料物理力学参数表；

图6为最终配比结果；

图7为应力监测点安装、埋设位置示意图；

图8为应变监测仪器具体安装位置示意图；

图9为试验全过程流程示意图；

图10为卸荷阶段时间流程表。

具体实施方式

为了使本发明的目的，技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明，即所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要说明的是，术语“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”，“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程，方法，物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程，方法，物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程，方法，物品或者设备中还存在另外的相同要素。

以下结合实施例对本发明的特征和性能作进一步的详细描述。

实施例1

本实施例是一种边坡卸荷开挖的物理模拟试验装置的结构，包括预制模型框、加载系统、反力装置、实验数据监测模块与采集系统、模拟分级开挖系统，所述加载系统和所述反力装置的输出端接与所述预制模型框接触，所述实验数据监测模块与采集系统的输入端均预设在所述预制模型框的监测位，所述加载系统和所述反力装置均受所述模拟分级开挖系统控制，所述预制模型框是由厚度2mm的钢板制成，模具宽20cm，正面与开挖面一致，侧面未封板，所述加载系统由液压泵、压力表、单向阀、减压阀和液压伺服控制组成，通过手动控制的方式对加卸载进行控制，所述反力装置包括反力架、液压伺服控制、连接钢架、垫板，所述液压伺服控制的输出端与所述预制模型框通过垫块连接，所述液压伺服控制安装在所述反力架上，所述液压伺服控制通过所述连接钢架与所述反力架连接，所述试验数据监测模块与采集系统主要包括变形破坏监测模块、应力监测模块、应变监测模块、其他监测模块及数据采集系统，所述变形破坏监测模块包括水平位移、竖向位移和裂缝监测，所述应力监测模块包括土压力的监测和数据采集；

值得注意的是：本方案中的加载系统、反力装置、实验数据监测模块与采集系统、模拟分级开挖系统等均为现有技术中的常用电路或实物，本方案的创新不在于单个的电路上，而是数个模块以及电路的配合使用达到模拟分级开挖过程中监测模型内各部位的应力变化和模型中概化后的结构面的应变以及潜在破坏面的应变，可以更加详细的分析开挖后边坡的稳定性的目的；

为解决受青藏高原持续隆升的影响，中国西南、西北地区，尤其是环青藏高原的东侧地带，河流深切，地形地质条件复杂，自然以及人工开挖高边坡稳定性问题极为突出，构成中国最具特色的工程地质和岩石力学问题之一，在对斜坡稳定性进行评价时会进行理论计算分析法，主要包括传递系数法、极限平衡分析法等，但任何计算方法都必须建立在深入查明原理特性和做出符合实际情况的演化机制分析的基础上。我们需要从力学模型和数学模型，主导因素和敏感因素中获得为理论计算所必备的信息的问题；

下面，对本发明进一步地阐述：

s1：地质原型概化，根据对应的岩性选择强卸荷岩体、弱卸荷岩体和微新岩体；

s2：模拟开挖卸荷方案，对实际开挖进行简化，按实际开挖方案顺序进行开挖；

s3：确定相似常熟与材料配比，采用直剪试验确定材料配比；

s4：进行试验并采集数据，布置监测点，在模拟开挖同时及之后进行各种数据的监测采集在初始加载以模拟开挖前原始坡体内部应力后，需要对模型内部的土压力、应变，进行初次采集，作为模型的原始位置和应力情况，用于之后的分析；

(1)配制相似材料，在预制模型框中填筑形成模型边坡；

(2)在填筑的同时安装、埋设土压力监测仪器；

(3)待模拟边坡固结达到一定的强度后，对模型进行脱模，将模型转移到加载框架中，安装应变监测仪器，设置位移监测；

(4)安装好模拟分级开挖系统，使用加该系统进行模拟分级开挖；

(5)在模拟开挖同时及之后进行各种数据的监测采集；

s5：根据实验结构进行分析并总结方案；

下面，根据具体实验为例，进行进一步说明：

s1：某水电站左坝肩出露地层岩性主要为英安岩和花岗岩，岩体卸荷作用总体上表现的较为强烈，边坡岩体有强卸荷岩体、弱卸荷岩体以及微新岩体。为模拟加载地应力方便，不考虑边坡开挖体，试验采用加卸载系统来模拟地应力以及开挖。在结合试验的研究目的，同时考虑到试验的可操作性，将左坝肩边坡适当简化，最终概化结果如图3，边坡岩体分强卸荷岩体、弱卸荷岩体和微新岩体。对左坝肩边坡内结构面进行简化，根据现场地表调查和平硐调查，选择部分控制性结构面fp13-1、ym8、l72，结构面通过宽约2mm的河沙来模拟，为模拟开挖卸荷，试验使用加载系统的加、卸载来模拟开挖前和开挖；

s2：对实际开挖进行简化，按实际开挖方案顺序分四次进行开挖，本次试验使用加卸载系统来模拟地应力和开挖。

根据贵阳院提供的坝址区地应力场数据，坝址区实测最大主地应力总体为ne-nee向，与区域构造地应力场宏观判断基本一致，但坝轴线附近局部存在nww方向。根据孔径变形应力解除法分析，倾伏向为s倾，倾角在13°～78°之间变化，其中50°～60°居多。坝址区地应力总体随埋深有增大的趋势，同时因为受岩体完整程度、构造、地形地貌的影响，有“反常”的现象，表现为裂隙发育、岩体完整性较差的地段，由于应力释放而稍低。在岩体浅部，由于岩体不同程度的卸荷，地应力存在不同程度的释放，岩体完整性较差，最大主应力值多为10mpa左右，相对较低。50～220m范围以内地应力值为10～20mpa(随埋深增大)，属中等地应力；深部(地下厂房等部位，埋深500～600m)，推测地应力值可能在20mpa以上，属高地应力区。对最大主地应力方向合数值进行简化，本次试验采用地应力方向为ne向，倾伏向为s倾，倾角为50°。0～50m范围以内地应力值为0～10mpa(随埋深增大)，50～220m范围以内地应力值为10～20mpa(随埋深增大)。

将简化后的每级开挖线的中间位置的地应力作为该级地应力加载值，依据该点的深度，可以知道一级、二级、三级开挖线处的地应力数值为2、4.4、6mpa。考虑地应力的方向，同时坝轴线方向为n17.27°e，则每级开挖线处地应力在坝轴线方向的分力分别为1.14、2.5、3.42mpa，方向为沿坝轴线方向水平向坡内。试验的应力相似常数cσ则为1000，因此在物理模拟试验中，每级开挖线附近处的应力值为1.14、2.5、3.42kpa，方向为沿坝轴线方向水平向坡内；在沿坝轴线方向垂直开挖线向坡内方向，在每级开挖线附近处的应力值为0.86、1.47、2.54kpa。液压伺服控制活塞的压力大小和开挖线处的应力之间存在：

p液压伺服控制×s活塞面积＝σ开挖线处应力×s垫板面积

上式中，p液压伺服控制为液压伺服控制油缸中的压力，s活塞面积为液压伺服控制活塞的面积，σ开挖线处应力为液压伺服控制通过垫板施加在每级开挖线处的压力，s垫板面积为垫板的面积。其中活塞面积为15.9cm²，s开挖线处应力分别为1.14、2.5、3.42kpa，s垫板面积分别为188、350、574cm²。因此，p液压伺服控制分别为13.5、55.1、123.5kpa。

在初始状态下，通过三级加载系统分别加压至13.5、55.1、123.5kpa，以模拟左坝肩边坡在未开挖前的情况。然后先将第一级加载系统的压力以10kpa/min的速度降低至0，模拟第一级开挖。在本级卸压结束后，观察边坡结构面和裂缝发育情况，在边坡变形稳定后开始下一次开挖。同理，对第二级、第三级开挖使用同样的方法来模拟开挖；

s3：对于岩质材料的物理模拟试验，相似常数的确定及相似材料的选取与配比对材料的物理力学性质具有重大影响，同时也是模拟试验成败的关键。

试验的相似常数主要根据三大相似理论来确定，首先根据左坝肩的实际大小和试验条件，将几何相似比cl定为1000，模型大小即为：水平长65.8cm、竖直高50cm、厚20cm，其次将试验各岩体的重度相似常数cγ定为1，根据相似理论：cσ＝cγ·cl，可得试验的应力相似常数cσ则为1000。本次试验的应力相似主要考虑岩体抗剪强度相似，材料配比试验时主要采用直剪试验确定材料配比，具体的模型试验对相似材料物理力学参数的要求，如图4和图5；

s4：模型试验步骤主要包括：

(1)确定相似常数和相似材料配比系数，如前所述，根据地质原型概化情况和实际物理力学参数确定相似常数为1000，再采用“相似常数与材料配比”中的试验成果来寻找最佳配比，最终得到配比结果如图6；

(2)配制相似材料，在预制模型框中填筑形成模型边坡，人工搅拌配制确定配比的相似材料，根据典型剖面的岩体划分和模型概化情况填筑模型，模型实际边坡主要包括三种岩体：强卸荷岩体、弱卸荷岩体和微新岩体，在预制模型框中填筑试验相似材料，为便于脱模，在预制模型箱低侧和边缘涂抹润滑油进行光滑处理；

(3)在填筑的同时安装、埋设土压力监测仪器，在填筑的同时安装、埋设土压力监测仪器如前所述，试验主要需要监测采集土压力、应变等一系列指标和数据，其中土压力盒在铺设模型时就会在模型中安装、埋设。具体安装、埋设位置如图7。岩体应力监测点，有5个，位于长大裂隙、平硐断层和岩脉下方位置，布置在模型中间位置；

(4)待模拟边坡固结达到一定的强度后，对模型进行脱模，将模型转移到加载框架中，安装应变监测仪器，设置位移监测，待边坡模型固结达到一定的强度后，对模型进行脱模，将模型转移到加载框架中，安装应变监测仪器，设置位移监测如前所述，在填筑好各层模型、安装好各种监测装置后，还需过一段时间，待模拟边坡的强度达到配比材料预设的满足应力相似比的强度后，将模型转移到加载框架中。这时，安装应变监测仪器，具体安装位置如图8，应变监测点，有4个，位于长大裂隙、平硐断层和岩脉上。每个监测点布置2个应变片，成垂直交叉布置；

(5)安装好模拟分级开挖系统，使用加该系统进行模拟分级开挖，使用模拟分级开挖系统进行模拟分级开挖在模拟装置安装完毕后，使用液压伺服控制分别对开挖面上的垫板加载13.5、55.1、123.5kpa，以模拟地应力，待模型内应力应变趋于稳定达到应力平衡时，在模型表面设计的位置贴上应变片，通过对液压伺服控制缓慢卸载，从而模拟开挖过程，按实际开挖方案顺序分三次进行开挖，使用加卸载系统进行模拟分级开挖，在模拟开挖同时及之后进行各种数据的监测采集在初始加载以模拟开挖前原始坡体内部应力后，需要对模型内部的土压力、应变，进行初次采集，作为模型的原始位置和应力情况，用于之后的分析。在进行模拟开挖同时之后会记录采集包括土压力、应变、位移、结构面、裂缝发育分布等数据。土压力、应变在整个试验过程中连续监测采集；位移、结构面、裂隙发育分布情况采用模拟开挖时定时拍照，模拟开挖每5分钟记录一次，对于局部裂隙的发育另外加拍。

s5：对原始边坡简化后，模型有3级开挖体，先模拟开挖至高程2902m，后模拟开挖至高程2810m，最后模拟开挖至高程2587m，在每次模拟开挖完成后，引起的土压力、应变、位移、结构面、裂隙发育分布在连续的数据采集记录时不再变化后，再进行下一步的边坡模拟开挖；

(1)在模拟开挖同时及之后进行各种数据的监测采集，本次试验从9:00:23开始至16:40:00结束，总共耗时7小时40分钟，使用“时间点”表示与9:00:23之间的时间差，以min作为单位。此次试验全过程流程如图9所示。其中0min-220min用于静态数据采集仪器预热并检查测试仪器；220min-240min为模拟地应力加载阶段，加载阶段除加载时间以外为观测时间；240min-380min为模型结构面粘贴应变片，并等待数据仪数据稳定和粘胶凝固的稳定阶段；380min-460min为卸荷阶段，卸载阶段结束即为试验结束；

(2)加载阶段是未分阶段加载，而卸荷阶段按照模拟试验要求，需分三个阶段加载，加载力大小分别为13.5、55.1、123.5kpa，加载方式采用人工驱动加载系统匀速卸载，卸载速率为10kpa，其时间流程表如图10所示；

(3)整个试验阶段主要任务是收集应力-时间变化数据和应变-时间变化数据，并使用相机记录模型在试验中的宏观现象，主要目的是通过office软件分析应力-时间变化规律和应变-时间变化规律，通过整理照片分析破坏现象，并结合应力-应变规律和所存在破坏现象分析卸荷开挖响应的破坏机制；

s6：试验过程中应变仅在卸荷中测量数据，在模拟开挖过程中，fp13-1受模拟三级开挖的影响，其受模拟第一次开挖影响最大，其最终张开1mm左右。在一级开挖面后部锁固段位置，在模拟三级开挖过程中，不断发生着变形，随着时间的发展，可能发生更大的位移。ym8在在模拟三级开挖过程中，其在不断张开，而l72的位移在不断波动中。

综上所述，通过模拟分级开挖过程中监测模型内各部位的应力变化和模型中概化后的结构面的应变以及潜在破坏面的应变，可以更加详细的分析开挖后边坡的稳定性。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，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，等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。