一种粗糙节理可换和节理倾角可变的边坡稳定性试验系统

1.本发明属于边坡稳定性分析以及地质灾害防控技术领域，涉及一种含节理岩质边坡稳定性试验装置，具体涉及一种含粗糙节理岩质边坡稳定性试验系统。


背景技术：

2.随着我国公路、桥梁和隧道等大量建设，尤其穿越山区时涉及大量工程岩体稳定性评价问题，其中，岩质边坡稳定性问题尤为突出。岩体边坡的失稳通常会造成建设工程损坏和人员伤亡。与土体边坡相比，工程岩体中不可避免存在裂隙和断层等不连续节理面，这些不连续节理面成为工程岩体的潜在滑动面。我国发生的大型岩体滑坡中，沿节理面滑动失稳最为常见。
3.在研究边坡滑动失稳问题时，通常采用解析方法、数值仿真模拟方法和物理模型试验方法。物理模型试验方法是科学研究中一种必不可少的方法。正确可靠的物理模型试验不仅可以验证其他方法(数值方法和理论方法)的正确性，更能反映真实物理世界的规律。目前，采用物理模型试验研究节理岩质边坡滑动失稳问题，已存在多种边坡模型试验装置。含节理岩质边坡稳定性的试验装置有专利号201110228856.0《在断层作用下斜坡体稳定性模拟试验装置及其方法》、专利号201711080765.0《一种顺层岩质边坡稳定性的地质力学模型试验装置及方法》、专利号201810100252.x《一种3d打印技术构建非连续体三维边坡室内模型试验的方法》和专利号201910841049.2《一种研究反倾岩质边坡破坏过程的室内模型试验系统》等，这些节理岩质边坡模型的节理倾角和节理力学特性固定，不能实现节理力学特性和节理倾角等参数连续变化以及多因素耦合对节理岩质边坡稳定性的影响试验，势必材料浪费。专利号201810514918.6《一种结构面控制边坡楔形块体失稳滑动物理模型试验平台及其使用方法》设计了一种楔形岩块可在边坡岩体中任意调节其空间位置，自重荷载下预测楔形岩块滑动时临界角度的试验装置。此装置可调节楔形岩块在边坡中位置和角度、预测楔形岩块临界滑动角度以及考虑软弱夹层或节理，但是无法计算边坡安全系数，无法定量评估边坡的稳定性。
4.同时，现有边坡稳定性试验模型均忽略了真实节理面的粗糙特性，粗糙节理的平直处理忽略了滑动节理间的剪胀效应，不能真实反映节理岩质边坡滑动机理。由于受到节理位置和取样设备等条件的限制，节理岩质边坡物理模型中实验室直剪试验获取的节理力学参数会受到试验尺寸的影响。另外，边坡物理模型中节理相似材料选取需要大量实验确定，获取困难。边坡安全系数计算复杂，对于安全系数小于1的边坡，无法实现物理模型试验。这些缺点不仅大大限制了边坡模型的应用，更重要的是不能真实揭示岩质边坡滑动失稳机理。


技术实现要素：

5.针对现有技术存在的问题，本发明的目的是提供一种可考虑节理粗糙特性、可替换粗糙节理、可调节节理倾角和可测试边坡安全系数的岩质边坡稳定性试验系统，能够用
于测试含粗糙节理岩质边坡的安全系数，评价含粗糙节理岩质边坡的稳定性。
6.为实现上述目的，本发明提供技术方案如下：
7.本发明为含粗糙节理岩质边坡稳定性试验系统，包含含粗糙节理边坡模型装置、边坡加载装置以及数据自动采集系统。所述含粗糙节理边坡模型装置包含节理上部岩体(即上覆岩体)、粗糙节理试样、节理倾角控制室和节理倾角测量装置。其中，所述节理倾角控制室包含节理上部岩体、水平导轨、水平滑槽、旋转轴、倾角线、伸缩立柱、节理倾角控制室侧立板、半圆量角器和旋转轴。所述边坡加载装置包含测力计固定平台、加载平台、荷载方向控制平台和加载倾角测量装置。其中，所述测力计固定平台包含u型卡箍、紧固螺栓、数显推拉力计固定板和承力板；所述加载平台包含水平滑轨、滑块、弹簧、反力板、螺纹旋进杆和摇手；所述荷载方向控制平台包含水平滑槽、水平导轨、伸缩立柱、半圆量角器、旋转轴和加载平台基座。所述数据自动采集系统包括数显推拉力计、数据线和电脑。
8.所述节理上部岩体为直角梯形块体，所述直角梯形块体尺寸根据研究对象确定；
9.所述粗糙节理试样具有一定基体厚度，所述粗糙节理试样的粗糙节理形貌可根据研究目的设计；
10.通过黏性剂等将所述粗糙节理试样固定于所述节理上部岩体和所述节理下部岩体之间，可便捷替换粗糙节理试样，能够实现节理粗糙参数连续变化的目的；
11.所述伸缩立柱包含内柱、外柱、竖向滑槽、定位螺栓、定位螺孔；
12.沿所述内柱轴线分布有多个定位螺孔，所述外柱一侧面设有竖向滑槽，并且所述外柱底端侧面设有定位螺孔；
13.所述内柱和所述外柱相配合，内柱能够沿外柱上竖向滑槽滑动，将内柱用定位螺栓和定位螺孔紧固于竖向滑槽，伸缩立柱能够实现伸缩和稳定长度的目的；
14.所述节理下部岩体底面、左端和侧面分布设有水平导轨、套筒和倾角线，所述水平导轨侧面设有水平滑槽，所述倾角线穿过坡面套筒的圆心，倾角线为测量节理倾角提供测量线；
15.所述基岩底板顶面设有水平导轨，在所述水平导轨侧面设有水平滑槽，在所述基岩底板顶面四个角部设有固定螺孔，将含粗糙节理边坡模型装置用紧固螺栓紧固于稳定试验台上；
16.将伸缩立柱的内柱顶端、外柱底端用定位螺栓分别与节理下部岩体底面和基岩底板顶面设置的水平导轨连接；
17.所述基岩立板为一个带边坡坡面的异性厚钢板，边坡坡面设有坡面套筒，基岩立板侧面设有l型钢板，用于加强节理倾角控制室整体刚度；
18.所述基岩立板底端侧面设有固定螺孔，将节理倾角控制室左侧立板侧面用紧固螺栓紧固于所述节理倾角控制室底板端面；
19.所述节理倾角控制室右侧立板、节理倾角调节室前侧立板、节理倾角调节室后侧立板均为薄钢板；
20.所述半圆量角器的0
°
线与倾角线形成不同节理倾角，可实现测量节理倾角的目的；
21.将所述旋转轴穿入节理下部岩体左端套筒、坡面套筒和所述半圆量角器的圆点，粗糙节理试样可绕旋转轴旋转；
22.通过调整伸缩立柱的长度和调整伸缩立柱在节理下部岩体底面和基岩底板顶面水平导轨上的位置，能够实现粗糙节理倾角连续变化的目的；
23.所述节理倾角测量装置与坡面套筒固定，所述半圆量角器不会随节理倾角变化而改变其位置；
24.所述数显推拉力计固定板端面与承力板侧面刚性连接，数显推拉力计固定板底部设有滑块，数显推拉力计固定板顶面设有两排螺纹孔；
25.将所述数显推拉力计用u型卡箍紧固于数显推拉力计固定板；
26.所述加载平台的侧面设有倾角线，倾角线为测量加载倾角的测量线；
27.所述加载平台板端面与反力板侧面刚性连接，在加载平台板顶面设有两道水平滑轨，并在加载平台板底部设有两排水平导轨，所述水平导轨左端侧面和右端侧面分别设有一个紧固螺孔和水平滑槽；
28.将带有滑块的数显推拉力计固定板套设在带有水平滑轨的加载平台板上，数显推拉力计固定板能够沿水平滑轨在加载平台上自由滑动；
29.所述反力板横断面为凸字形，凸起结构可确保螺纹旋进杆旋进时的水平方向稳定性；
30.从反力板凸起到反力板侧面设有贯通旋进螺纹孔，用于螺纹旋进杆旋进；
31.所述螺纹旋进杆一端与摇手固定连接，另一端为半球形，在旋进加载时，半球顶端能够减小螺纹旋进杆顶端与承力板侧面的摩擦；
32.将所述承力板和反力板通过弹簧和挂钩连接，在加载平台存在倾角时，拉结弹簧能够使自重作用下的加载平台不对边坡施加荷载，同时，在加载时弹簧能保持加载稳定，保障测量结果的准确；
33.所述加载平台基座顶面设有两排水平导轨，在所述水平导轨左端和右端侧面设有一个紧固螺孔和水平滑槽；
34.在所述加载平台基座顶面四个角部设有固定螺孔，将边坡加载装置用紧固螺栓紧固于稳定试验台上；
35.将四个伸缩立柱的内柱顶端、外柱底端用定位螺栓分别与加载平台板底面和加载倾角控制平台底板顶面水平导轨连接；
36.将旋转轴穿入半圆量角器的圆心、加载平台的紧固螺孔、内柱顶端定位螺孔，加载平台可绕旋转轴旋转，使倾角线与半圆量角器的0
°
线形成不同倾角；
37.通过调整伸缩立柱的长度和伸缩立柱在加载平台板和加载倾角控制平台底板顶面水平导轨上的位置，能够实现加载倾角连续变化的目的；
38.将所述数显推拉力计用数据线与电脑连接，可实现实时记录数据；
39.所述含粗糙节理岩质边坡稳定性试验系统测试边坡安全系数fos方法如下：
40.(1)边坡安全系数fos》1.00
41.第一步：通过节理面上部岩体重量gg和节理倾角θ，确定节理面上部岩体的下滑力tg＝gg×
sinθ；
42.第二步：通过调节所述伸缩立柱使所述边坡加载试验装置的数显推拉力计与边坡节理倾角平行，并使数显推拉力计测头延长线穿过节理面上部岩体形心，达到形心加载效果；
43.第三步：通过旋转所述摇手旋进所述螺纹杆使所述数显推拉力计向所述节理面上部岩块施加推力。保持匀速缓慢旋转所述摇手旋进所述螺纹旋进杆，模拟静态加载；
44.第四步：在对边坡进行匀速加载过程中，通过所述数显推拉力计实时记录由推力在节理面上产生的抗滑力f的变化；
45.第五步：对于安全系数fos》1.00的边坡，节理面上抗滑力包含两部分：自重作用下节理面上产生的抗滑力和推力作用下节理面上产生的抗滑力，即r
max
＝tg+f。在自重作用下，边坡的节理面上存在与下滑力数值相等但方向相反的抗滑力tg。在推力作用产生的抗滑力f变化曲线中，确定抗滑力f的峰值f
max
。则边坡的安全系数fos计算公式如下
[0046][0047]
当边坡的安全系数fos》1.00时，抗滑力f
max
取正值。
[0048]
(2)边坡安全系数fos《1.00
[0049]
第一步：通过节理上部岩体重量gg和节理倾角θ，确定节理上部岩体的下滑力tg＝gg×
sinθ；
[0050]
第二步：采用刚性片顶住节理处上下两部分岩体，防止节理上部岩体在自重作用下发生滑动；
[0051]
第三步：通过调节所述伸缩立柱使所述边坡加载试验装置的数显推拉力计与边坡节理倾角平行，并使数显推拉力计测头延长线穿过节理面上部岩体形心，达到形心加载效果；
[0052]
第四步：将弹性皮筋或具有一定弹性连接件固定于节理面上部岩体，并使其平行于数显推拉力计测头延长线；
[0053]
第五步：使数显推拉力计的钩状测头勾住弹性皮筋或连接件，并保持测头顶端刚好与节理面上部岩体侧面接触，但不挤压，此刻数显推拉力计的显示值为零；
[0054]
第六步：迅速除去刚性片，在自重作用下节理面上部岩体沿节理面轻微滑动，获得抗滑力f变化曲线；
[0055]
第七步：对于安全系数fos《1.00的边坡，自重作用下节理面上的最大抗滑力r
max
小于下滑力tg，需要拉力为节理面提供额外抗滑力f抵抗下滑，即r
max
＝tg+f。在抗滑力f变化曲线中，确定抗滑力f的峰值f
max
，则边坡的安全系数fos计算公式如下
[0056][0057]
当边坡的安全系数fos《1.00时，抗滑力f
max
取负值。
[0058]
本发明具有以下有益效果：
[0059]
与现有技术相比，本发明的含随机粗糙节理岩质边坡稳定性试验系统具有优点和技术效果：(1)采用实际粗糙节理可以不考虑节理相似材料的选取和制备，边坡模型制备更简单和节省材料；(2)将粗糙节理引入边坡物理模型，可考虑节理间发生的剪胀效应(即岩体沿粗糙节理轮廓的爬坡现象，在垂直节理面方向出现位移)，真实反映实际岩体边坡滑动中存在的多次滑动现象，能真实模拟实际边坡的滑动变形失稳；(3)粗糙节理可便捷替换、节理倾角可调节以及边坡坡角和坡高也可替换，可实现在同一边坡模型中进行不同边坡尺寸和含不同节理的边坡稳定性试验，可大大降低模型试验成本，研究节理粗糙参数和节理
倾角等连续变化以及实现多因素耦合对边坡稳定性的影响；(4)本边坡模型滑动面明确(即粗糙节理面)，滑动面上抗滑力和下滑力可直接测得，不仅边坡安全系数计算方法简单，而且可对安全系数小于1的边坡进行稳定性试验测试；(5)可预测边坡滑动时节理的临界滑动角度。
附图说明
[0060]
图1含粗糙节理岩质边坡稳定性试验系统示意图；
[0061]
图2含粗糙节理边坡模型装置示意图；
[0062]
图3边坡加载装置示意图；
[0063]
图4伸缩立柱示意图；
[0064]
图5节理倾角控制室顶板示意图；
[0065]
图6节理倾角控制室左侧立板示意图；
[0066]
图7节理倾角控制室底板示意图；
[0067]
图8承力板示意图；
[0068]
图9反力板示意图；
[0069]
图10加载倾角控制平台顶板示意图；
[0070]
图11加载倾角控制平台底板示意图；
[0071]
图12特征尺度参数g＝5.00
×
10-7
m和分形维数d下，边坡安全系数fos和节理倾角θ的关系；
[0072]
图中：1.含粗糙节理边坡装置，2.边坡加载装置，3.数据线，4.电脑，5.节理倾角测量装置，6.加载倾角测量装置，7.试验台，11.节理上部岩体，12.粗糙节理试样，13.伸缩立柱，14.节理倾角控制室顶板，15.节理倾角控制室底板，16.节理倾角控制室左侧立板，17.节理倾角控制室右侧立板，18.节理倾角控制室前侧立板，19.节理倾角控制室后侧立板，121.粗糙轮廓，131.内柱，132.外柱，133.竖向滑槽，134.定位螺栓，135.定位螺孔，141.节理下部岩体，142.水平导轨，143.水平滑槽，144.套筒，145.倾角线，151.基岩底板，152.水平导轨，153.水平滑槽，154.固定螺孔，155.固定螺钉，156.紧固螺栓，161.基岩立板，162.l型钢板，163.紧固螺孔，164.坡面套筒，165.固定螺孔，166.固定螺栓，21.数显推拉力计固定平台，22.加载平台，23.加载倾角控制平台基座，24.数显推拉力计，211.数显推拉力计固定板，212.承力板，213.挂钩，214.u型卡箍，221.加载平台板，222.反力板，223.水平导轨，224.水平滑槽，225.倾角线，226.水平滑轨，227.滑块，228.螺纹旋进杆，229.摇手，2210.弹簧，2211.滑道固定螺孔，2212.紧固螺孔，2213.旋进螺纹孔，2214.挂钩，231.加载倾角控制平台底板，232.水平导轨，233.水平滑槽，234.紧固螺孔，235.固定螺孔，236.固定螺栓，241.测头，242.显示屏，243.设置菜单，51.透明半圆量角器，52.旋转轴，61.透明半圆量角器，62.旋转轴。
[0073]
具体实施方法
[0074]
现在结合附图对本发明在含粗糙节理岩质边坡稳定性评价应用实例中作进一步详细的说明。这些附图均为简化的示意图，仅以示意方式说明本发明的基本结构，因此，其仅显示与本发明有关的构成。
[0075]
如图1～11所述，一种含粗糙节理边坡稳定性试验系统，包括含粗糙节理边坡模型
装置 1、边坡加载装置 2、数据线 3、电脑 4、节理倾角测量装置5和加载倾角测量装置6；
[0076]
所述含粗糙节理岩质边坡装置1包含节理上部岩体11、粗糙节理试样12、伸缩立柱 13、节理倾角控制室顶板 14、节理倾角控制室低板 15、节理倾角控制室左侧立板 16、节理倾角控制室右侧立板 17、节理倾角控制室前侧立板 8、节理倾角控制室后侧立板19；
[0077]
节理上部岩体11为根据实际边坡尺寸和节理位置经过相似缩尺后，确定的直角梯形块体；
[0078]
粗糙节理试样12为采用3d打印技术打印的粗糙节理，粗糙轮廓121可根据需要设计，本实例中采用weierstrass-mandelbrot(简称w-m)分形函数描述节理粗糙轮廓；
[0079]
粗糙节理试样12与节理上部岩体11、节理下部岩体141通过黏性剂粘合，可便捷替换粗糙节理试样12，实现节理粗糙参数连续变化的目的；
[0080]
所述伸缩立柱13包含内柱131、外柱132、竖向滑槽133、定位螺栓134、定位螺孔135；
[0081]
沿所述内柱131轴线分布有多个定位螺孔135，所述外柱132一侧面设有竖向滑槽133，并且所述外柱132底端侧面设有定位螺孔135；
[0082]
所述内柱131和所述外柱132相配合，内柱131能够沿外柱132上竖向滑槽133滑动，将内柱131用定位螺栓134和定位螺孔135紧固于竖向滑槽133，伸缩立柱13能够实现伸缩和稳定长度的目的；
[0083]
所述节理倾角控制室顶板14包含节理下部岩体141、水平导轨142、水平滑槽143、套筒144和倾角线145；
[0084]
节理下部岩体141底面、左端和侧面分布设有水平导轨142、套筒144和倾角线145，所述水平导轨142侧面设有水平滑槽143，所述倾角线145穿过坡面套筒164的圆心，倾角线145为测量节理倾角提供测量线；
[0085]
所述节理倾角控制室底板15包含基岩底板151、水平导轨152、水平滑槽153、固定螺孔154、固定螺钉155、紧固螺栓156；
[0086]
基岩底板151顶面设有水平导轨152，在水平导轨152侧面设有水平滑槽153，在基岩底板151顶面四个角部设有固定螺孔154，将含粗糙节理边坡模型装置用紧固螺栓156紧固于稳定试验台7上；
[0087]
将伸缩立柱13的内柱131顶端、外柱132底端用定位螺栓134分别与节理下部岩体141底面和基岩底板151顶面设置的水平导轨142、152连接；
[0088]
所述节理倾角控制室左侧立板16包含基岩立板161、l型钢板162、紧固螺孔163、坡面套筒164、固定螺孔165、固定螺栓166；
[0089]
基岩立板161为一个带边坡坡面的异性厚钢板，边坡坡面设有坡面套筒164，基岩立板161侧面设有l型钢板，用于加强节理倾角控制室整体刚度；
[0090]
基岩立板底端侧面设有固定螺孔165，将节理倾角控制室左侧立板16侧面用紧固螺栓166紧固于节理倾角控制室底板15端面；
[0091]
节理倾角控制室右侧立板 17、节理倾角调节室前侧立板 18、节理倾角调节室后侧立板19均为薄钢板；
[0092]
所述节理倾角测量装置5包含透明半圆量角器51和旋转轴52；
[0093]
使倾角线145与半圆量角器51的0
°
线形成不同节理倾角，可实现测量节理倾角的
目的；
[0094]
将旋转轴52穿入节理下部岩体左端套筒144、坡面套筒164和半圆量角器51圆点，粗糙节理试样12可绕旋转轴52旋转；
[0095]
通过调整伸缩立柱13的长度和调整伸缩立柱13在节理下部岩体141底面和基岩底板151顶面水平导轨142、152上的位置，能够实现粗糙节理倾角连续变化的目的；
[0096]
节理倾角测量装置5与坡面套筒164固定，所述半圆量角器51不会随节理倾角变化而改变其位置；
[0097]
边坡加载装置2包含数显推拉力计固定平台 21、加载平台 22、加载倾角控制平台基座23、数显推拉力计24；
[0098]
所述数显推拉力计固定平台21包含数显推拉力计固定板211、承力板212、挂钩213、u型卡箍214；
[0099]
数显推拉力计固定板211端面与承力板212侧面刚性连接，数显推拉力计固定板211底部设有滑块227，数显推拉力计固定板211顶面设有两排螺纹孔；
[0100]
将数显推拉力计24用u型卡箍214紧固于数显推拉力计固定板211；
[0101]
所述加载平台22包含加载平台板221、反力板222、水平导轨223、水平滑槽224、倾角线225、水平滑轨226、滑块227、螺纹旋进杆228、摇手229、弹簧2210、滑道固定螺孔2211、紧固螺孔2212、旋进螺纹孔2213、挂钩2214；
[0102]
加载平台22的侧面设有倾角线225，倾角线225为测量加载倾角的测量线；
[0103]
加载平台板221端面与反力板222侧面刚性连接，在加载平台板221顶面设有两道水平滑轨223，并在加载平台板221底部设有两排水平导轨223，所述水平导轨223左端侧面和右端侧面分别设有一个紧固螺孔2212和水平滑槽224；
[0104]
将带有滑块227的数显推拉力计固定板211套设在带有水平滑轨226的加载平台板221上，数显推拉力计固定板211能够沿水平滑轨226在加载平台221上自由滑动；
[0105]
反力板222横断面为凸字形，凸起结构可确保螺纹旋进杆228旋进时的水平方向稳定性；
[0106]
从反力板222凸起到反力板222侧面设有贯通旋进螺纹孔2213，用于螺纹旋进杆228旋进；
[0107]
螺纹旋进杆228一端与摇手229固定连接，另一端为半球形，在旋进加载时，半球顶端能够减小螺纹旋进杆228顶端与承力板212侧面的摩擦；
[0108]
将承力板212和反力板222通过弹簧2210和挂钩2214连接，在加载平台存在倾角时，拉结弹簧2210能够使自重作用下的加载平台22不对边坡施加荷载，同时，在加载时弹簧2210能保持加载稳定，保障测量结果的准确；
[0109]
所述加载平台基座23包含加载倾角控制平台底板231、水平导轨232、水平滑槽233、紧固螺孔234、固定螺孔235、固定螺栓236；
[0110]
加载平台基座23顶面设有两排水平导轨232，在所述水平导轨232左端和右端侧面设有一个紧固螺孔234和水平滑槽233；
[0111]
在加载平台基座23顶面四个角部设有固定螺孔235，将边坡加载装置用紧固螺栓236紧固于稳定试验台7上；
[0112]
将四个伸缩立柱13的内柱131顶端、外柱132底端用定位螺栓134分别与加载平台
板221底面和加载倾角控制平台底板231顶面水平导轨223、232连接；
[0113]
将旋转轴62穿入半圆量角器61的圆心、加载平台22的紧固螺孔2212、内柱121顶端定位螺孔135，加载平台22可绕旋转轴62旋转，使倾角线225与半圆量角器61的0
°
线形成不同倾角；
[0114]
通过调整伸缩立柱13的长度和伸缩立柱13在加载平台板221和加载倾角控制平台底板231顶面水平导轨上的位置，能够实现加载倾角连续变化的目的；
[0115]
将所述数显推拉力计24用数据线3与电脑4连接，可实现实时记录数据；
[0116]
按照含粗糙节理岩质边坡稳定性试验系统测试方法即可获取边坡安全系数fos，试验结果如图12所述，其中特征尺度参数g和分形维数d均为节理粗糙参数，θ为节理倾角。
[0117]
以上述依据本发明的理想实施例为启发，通过上述的说明内容，相关人员完全可以在不偏离本项发明技术思想的范围内进行多样变更以及修改。本项发明的技术范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。