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
【技术领域】
[0001]本发明涉及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，属于土木工程及地质工程领域，特别是涉及冻融循环与开挖作用下岩堆边坡的土工试验箱，适用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宄。
【背景技术】
[0002]岩堆边坡稳定性问题是山区隧道建设过程中人们尤为关注且亟待解决的关键性问题之一，常常给工程造成巨大损失。目前，我国北方地区存在较大面积的岩堆边坡，其中辽宁省本溪地区尤为突出。由于岩堆边坡自身工程特性及变形破坏机理既不同于土质边坡，又异于岩质边坡。当前成熟的边坡稳定性理论计算公式已不适用于岩堆边坡的稳定性评价。因此，急需对岩堆边坡变形破坏机理及稳定性开展深入研宄，分析岩堆边坡变形规律，得到岩堆边坡的破坏模式和破坏机理，探明影响岩堆边坡稳定性的主要因素，对岩堆滑坡有效预测预报和防灾减灾具有重要的理论意义和工程实用价值。由于现场试验通常受场地地形地貌、地层岩性、气候条件等影响，无法模拟不同影响因素(如不同岩堆边坡坡度、不同下卧层坡度、多个冻融循环次数、不同人类工程活动等)对岩堆边坡的影响，而岩堆边坡物理模型试验能成功克服上述困难，结合正交试验较好地揭示冻融循环作用下岩堆边坡变形破坏机理及稳定性变化规律。
[0003]现有的岩堆边坡稳定性分析及试验研宄相关成果较少，仅张辉等针对西南地区水麻高速公路工程某岩堆边坡，通过模型试验研宄了降雨作用下的岩堆边坡变形破坏机理，该模型试验装置功能单一，无冻融循环循环装置，故不适用东北地区岩堆变形破坏机理及稳定性分析。
【发明内容】
[0004]本发明所要解决的技术问题是提供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，能够改善现有技术岩堆边坡物理模拟装置测试结果单一、测试结果不稳定、且不能模拟冻融循环作用等问题，具有操作方便、测试效率高的特点，适用于冻融循环及隧道洞口边坡坡开挖诱发边坡变形破坏的模拟试验。
[0005]本发明解决上述技术问题的技术方案如下:
[0006]一种岩堆边坡冻融循环作用变形物理模型试验装置，包括放置在岩堆边坡上的底座，在所述底座上由下向上依次设置有金属底板和有机玻璃模型箱，在所述有机玻璃模型箱上设置有前门，在所述前门底部设置有排水孔，在所述排水孔与前门之间设置有流速流变仪，在所述有机玻璃模型箱两侧、前部和顶部分别设置有融雪设备，在所述有机玻璃模型箱顶部设置有温度计，在所述有机玻璃模型箱后部设置有加载装置，在所述岩堆边坡内设置有至少I个位移计。
[0007]在冻融循环作用下，岩堆边坡会受到损坏，本发明所采用的装置能够进行分段岩堆边(滑)坡模拟，加载主要是模拟分段边(滑)坡受到后部边(滑)坡的推力。
[0008]在将底座安装在基岩表面上，按照试验要求在有机玻璃模型箱内填筑模型，并读取位移计数据，进行冰冻试验，读取位移计数据，打开融雪设备，进行试融试验，此过程中可以通过有机玻璃模型箱内的位移计进行数据采集，待位移计读数达到试验要求温度时，说明熔融状态效果明显，读取位移计的实时测量值和温度实时测量值并对数据进行处理即可。
[0009]本发明中，通过设置流速流变仪监测排水量，通过加载装置模拟边(滑)坡受力，融雪通过前门底部的排水孔流出。
[0010]本发明通过上述设置，能够成功解决野外开展冻融循环边坡模型试验过程中冰雪易冻但不易融化(尤其是在岩堆内)的难题，通过融雪设备实现冰雪融化，同时操作方便，可以方便进行数据的精确采集，管理与控制更加方便，同时可以减少人工记录工作量
[0011]进一步地，为更好的实现本发明，每个所述融雪设备均包括至少3个均匀间隔设置在所述有机玻璃模型箱外部的加热装置。通过采用加热装置根据需求控制融雪速度。本发明中，可以再有机玻璃模型箱周围均匀间隔设置3个或多个加热装置，可以选择油汀或其它加热设备。
[0012]进一步地，为更好的实现本发明，所述融雪设备还包括设置在所述有机玻璃模型箱外部的保温装置，所述加热装置位于所述保温装置内侧，所述保温装置为透明的双层塑料薄膜。
[0013]通过保温装置隔绝冷空气和保证太阳光照射进来节约加热成本，保证融雪过程中室内温度达到30°C以上此时岩堆内部孔隙温度O?10°C，室内外温差近50°C，以确保融熔过程进行完全。
[0014]进一步地，为更好的实现本发明，所述在所述有机玻璃模型箱侧壁上设置有坐标网格。
[0015]通过设置坐标网格，能够在在冻融滑坡试验中，以坐标网格作为参照，观测边坡边界变形破坏过程，记录滑面位置及记录变形量的大小。再将其记录与位移计监测结果进行对比，提高试验精度。通过设置坐标网格，能够以坐标网格作为参照，直观观测边坡边界变形，结合岩堆内部铺设的位移计，可以监测岩堆内部位移，能够使整个装置能够实现更全方位、多角度变形破坏的监测。
[0016]进一步地，为更好的实现本发明，在所述有机玻璃模型箱外壁上设置有金属框架，还包括高速摄像机，所述高速摄像机位于有机玻璃模型箱一侧。
[0017]通过设置高速摄像机，能够监测边坡开挖过程中，岩堆边坡的瞬时变形，岩堆边坡局部垮塌及典型岩块的运动特征，以研宄冻融循环作用下岩堆边坡开挖的失稳机理。
[0018]通过设置金属框架，能够有助于提高有机玻璃模型箱箱体的强度，防止其试验过程中受力倾斜变形。
[0019]进一步地，为更好的实现本发明，所述加载装置为重量分别为10Kg、5Kg的岩块。
[0020]通过采用标准化质量的岩块作为加载装置，能够方便监测和试验，方便数据统计，提高试验效率和精度。
[0021]进一步地，为更好的实现本发明，在所述有机玻璃模型箱内的岩堆边坡表面设置有百分表。
[0022]通过设置百分表，可以实时监测岩堆边坡的边坡表面的鼓胀和沉降量。
[0023]所述百分表与有机玻璃模型箱刚性连接，在所述百分表上部设置有透明玻璃罩。
[0024]本发明中，可以采用设置钢支架的方式将百分表固定安装在有机玻璃模型箱内，将钢支架一端贯穿透明玻璃罩并固定在有机玻璃模型箱上，其另一端固定在百分表上，避免融雪状态下百分表发生移动，影响测试效果。
[0025]本发明在岩堆边坡冻融循环作用变形物理模型试验装置的基础上，公开了一种岩堆边坡冻融循环作用变形物理模型试验方法，包括以下步骤:
[0026]S1:确定模型试验的相似比:根据野外地质调查及地质勘查资料，确定模型试验的相似比；
[0027]S2:模拟岩堆边坡下卧基岩:采用浇筑成型的混凝土来模拟基岩；
[0028]S3:设置位移计:在步骤S2设置的基岩表面布置位移计，所述位移计与模拟基岩刚性连接；
[0029]S4:填筑模型:从下往上，分段分区填筑岩堆，模拟岩堆边坡结构，并在岩堆边坡内布置位移计；
[0030]S5:设置百分表:完成步骤S4之后，确定2个主滑方向，并在主滑方向的岩堆边坡表面设置；
[0031]S6:模拟冻融循环作用:完成模型的填筑后，根据试验设计铺设覆雪，并读取位移计的位移基准值Ftl和温度基准值T 0,进行冰冻试验，持续10小时左右，待位移计测量温度都达到0°C?-15°C时，读取位移计的实时测量值F1和温度的实时测量值T 1;紧接打开融雪装置，进行熔融试验，记录边坡的变形和破坏情况以及采集数据；待位移计测量温度都达到10C时，读取位移计的实时测量值F2和温度的实时测量值T 2;再次进入冰冻状态，如此往复循环；