CN108331042B - 一种模拟***开挖对边坡影响的试验装置及试验方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种模拟***开挖对边坡影响的试验装置及试验方法，所述试验装置包括模拟边坡模型，模拟边坡模型在高度方向上具有多个台阶子坡，在模拟边坡模型的最底部的台阶子坡的台阶面上布设有多个炮孔，每一个炮孔内填装有***包，每一个***包均通过数码电子***与起爆装置连接；为模拟边坡模型还布置有预应力加载试验装置和量测装置。通过本发明，可有效监测岩质边坡时空损伤及位移形变的演化特性与规律，为研究岩质边坡时空损伤和位移形变演化机理、动力失稳机制及其灾变预警方法提供试验资料，为特定岩质高陡边坡***开挖工程的安全、顺利实施提供科学依据。

Description

一种模拟***开挖对边坡影响的试验装置及试验方法
技术领域
本发明涉及***技术领域，更具体地，涉及一种模拟***开挖对边坡影响的试验装置及试验方法。
背景技术
随着国民经济建设的繁荣与发展，各类岩土工程日渐增多，由此衍生出大量人工高陡边坡，***开挖效应对岩质高陡边坡损伤累积及其稳定性的影响问题日益突出，人工维护边坡稳定的难度与费用越来越大。
边坡稳定是露天安全生产的前提，施工过程中，边坡一旦失稳发生滑坡，将产生不可估量的后果。加强***荷载作用下岩质边坡的损伤演化与振动特性研究，探寻岩体动力失稳破坏机制，对我国经济建设持续发展具有重要意义，已成为***工程界与岩石力学界亟待解决的重要研究课题之一。
其中，边坡损伤与振动特性实验研究是验证理论分析结果的重要依据。现阶段，针对岩质边坡损伤与振动特性实验研究主要有现场测试和室内试验两种，前者虽不需要对工程边坡做各种等效简化工作，但存在实验周期长、测试强度大、成本高、影响实际生产等缺点；而后者可将工程实际问题的分析与处理工作转移到室内进行，通过相似模型试验的方式大大降低了工作强度，减小了实验成本，然而迄今得到的边坡损伤与振动特性相关的模型试验研究成果大多只是考虑单一或较少影响因素，综合考虑工程边坡地质赋存环境、几何尺寸、物理力学特性与实际开挖***参数等因素，***研究循环开挖***荷载作用下岩质边坡动力响应机理的相似模型试验方法尚未建立。因此，加强岩质边坡稳定性相关的原创性模型试验方法研究，充分考虑边坡相似模型试验研究的各种影响变量，促进试验研究成果有效指导边坡***开挖工程实践，具有重大的理论与工程实际意义。
发明内容
本发明提供一种克服上述问题或者至少部分地解决上述问题的一种模拟***开挖对边坡影响的试验装置及试验方法。
根据本发明的一个方面，提供一种模拟***开挖对边坡影响的试验装置，所述试验装置包括模拟边坡模型，所述模拟边坡模型在高度方向上具有多个台阶子坡，在所述模拟边坡模型的最底部的台阶子坡的台阶面上布设有多个炮孔，每一个所述炮孔内填装有***包，每一个所述***包均通过数码电子***与起爆装置连接；
为所述模拟边坡模型还布置有预应力加载试验装置和量测装置，其中，所述预应力加载试验装置用于向所述模拟边坡模型施加预应力，所述量测装置用于对所述模拟边坡模型进行***实验时的响应变量进行量测。
在上述技术方案的基础上，本发明还可以作如下改进。
进一步的，所述模拟边坡模型的台阶子坡的数量为3-7个，每一个所述台阶子坡的坡面角度为45°-70°；以及，所述多个炮孔在所述模拟边坡模型的最底部的台阶子坡的台阶面上呈梅花形布置。
进一步的，在所述模拟边坡模型最底部的台阶子坡的四周侧面均布置有所述预应力加载试验装置，对于所述台阶子坡的每一个侧面，所述预应力加载试验装置包括一个橡胶垫片、一个槽钢挡板，多个千斤顶垫片和与所述千斤顶垫片数量相同的多个千斤顶，在所述台阶子坡的每一个侧面由内向外铺设有橡胶垫片和槽钢挡板，每一个所述千斤顶通过一个对应的千斤顶垫片设置于所述槽钢挡板的外侧，通过所述千斤顶为所述台阶子坡的侧面施加预应力。
进一步的，在所述模拟边坡模型的两侧面上涂有等间距的系列水平线和等间距的系列垂直线，将所述模拟边坡模型整体划分为多个空间网格岩体。
进一步的，所述量测装置包括加速度采集模块、摄影模块和声波测量模块；
所述加速度采集模块，用于在模拟***开挖的过程中，采集所述模拟边坡模型的每一个台阶子坡坡脚处质点的加速度；
所述摄影模块，用于拍摄模拟***开挖过程中所述模拟边坡模型在不同位置的影像；
所述声波测量模块，用于测量模拟***开挖后所述模拟边坡模型的每一个所述空间网格岩体的纵波速度。
进一步的，所述加速度采集模块包括多个加速度传感器，在所述模拟边坡模型的每一个台阶子坡坡脚处布置一个加速度传感器，每一个所述加速度传感器的X方向指向所述***包所在的方向，每一个所述加速度传感器均通过数据采集仪与计算机连接。
进一步的，所述摄影模块为高速摄影仪，其架设于所述模拟边坡模型的其中一个侧面的固定距离处，所述高速摄影仪的摄影方向正对所述模拟边坡模型的该侧面的系列水平线和系列垂直线，其摄影范围覆盖所述模拟边坡模型的所述侧面的全部区域，所述高速摄影仪的触发线路通过降压电路与起爆装置连接，以及其视频传输线路通过数据线与计算机连接。
进一步的，所述声波测量模块为声波换能器，所述声波换能器为圆盘型换能器，其包括一个发射换能器和一个接收换能器，所述发射换能器和所述接收换能器分别布设于所述模拟边坡模型上同一个空间网格岩体的两侧面，所述声波换能器通过数据线与声波测试仪连接。
根据本发明的另一个方面，提供了一种模拟***开挖对边坡影响的试验方法，包括：
从实际工程边坡原型中选取典型边坡劣化地质体，根据所述典型边坡劣化地质体，按照相似性原理构造模拟***开挖对边坡影响的试验装置；
对于整个所述试验装置，分为多次模拟***开挖，对于每一次模拟***开挖，采用加速度传感器测量模拟边坡模型的每一个台阶子坡坡脚处质点的加速度，并传输给计算机；
通过起爆装置触发高速摄影仪对模拟***开挖过程中的模拟边坡模型的影像进行拍摄，并将拍摄的所述影像传输给计算机；以及，采用圆盘型声波换能器测量每一次模拟***开挖前以及每一次模拟***开挖后的模拟边坡模型的每一个空间网格岩体的纵波速度，并传输给声波测试仪。
进一步的，从现场边坡中选取典型边坡劣化地质体，根据所述典型边坡劣化地质体，按照相似性原理构造模拟***开挖对边坡影响的试验装置具体包括：
根据现场场地条件及勘探的地形条件，通过互相平行的竖直剖面将实际工程边坡原型划分为多个分区，其中，所述实际工程边坡原型在高程方向上具有多个台阶子坡；
对每一个所述分区按照均匀间隔进行钻孔，形成每一个分区的多个钻孔；
向每一个分区的所有钻孔内注满水，选用柱状声波换能器分别对同一个分区的每相邻两个钻孔进行声波测试，得到每一个分区中每相邻两个钻孔之间的声波测试值，形成多组声波测试值。
对每一个分区的多组声波测试值取平均值，得到每一个分区的声波测试平均值；
选取所有分区中声波测试平均值最低的分区作为典型边坡劣化地质体进行室内相似模型试验。
进一步的，还包括：
根据所述模拟边坡模型每一次模拟***开挖过程中测量的不同空间网格岩体的纵波速度，计算所述模拟边坡模型每一次模拟***开挖后每一个空间网格岩体的损伤增量ΔDi＝1-(Ci/Ci-1)2；
则所述模拟边坡模型的每一个空间网格岩体第i次模拟***开挖后***累积损伤Di与损伤增量的关系为：
其中，Ci和Ci-1分别为第i次和第(i-1)次***后的模拟边坡模型(2)的同一个空间网格岩体的纵波速度，n为模拟***开挖的总次数；
根据高速摄影仪对每一次模拟***开挖过程中的模拟边坡模型拍摄的影像，得到循环***作用下所述模拟边坡模型的不同位置岩体的位移形变演化规律：
其中，Si和ΔSi分别为第i次模拟***开挖后的模拟边坡模型的某一特定位置处岩体累积位移形变量和位移形变增量；以及，
根据加速度传感器对每一次模拟***开挖过程中测量的所述模拟边坡模型的每一个台阶子坡坡脚处质点的加速度，得到加速度时程曲线a(t)，通过对所述加速度时程曲线a(t)进行一次积分可得到所述边坡模型各级台阶子坡坡脚处质点振动速度时程曲线：
进而可读取质点速度峰值Vmax，研究边坡模型沿高程方向的振动传播衰减规律；通过线性回归分析，分别可得到***损伤增量ΔDn与岩***移形变S、振动速度峰值Vmax、***参数(毫秒延期时间Δt与单孔药量Q)之间的非线性相关模型。
本发明提供的一种模拟***开挖对边坡影响的试验装置及试验方法，可有效监测岩质边坡时空损伤及位移形变的演化特性与规律，实现工程岩质边坡的损伤、变形和振动状态模拟，为研究岩质边坡时空损伤和位移形变演化机理、动力失稳机制及其灾变预警方法提供试验资料，为特定岩质高陡边坡***开挖工程的安全、顺利实施提供科学依据。
附图说明
图1为本发明一个实施例的模拟***开挖对边坡影响的试验装置中模拟边坡模型的侧视图；
图2为图1中的模拟边坡模型的俯视图；
图3为布设于模拟边坡模型上的加速度传感器的连接示意图；
图4为设置于模拟边坡模型的高速摄影仪的连接示意图；
图5为设置于模拟边坡模型的声波换能器的连接示意图；
图6为现场工程边坡模型图；
图7为现场边坡模型的声波测试钻孔示意图。
附图中，各部件的标号如下：
1、***包，2、模拟边坡模型，3、炮孔，4、橡胶垫片，5、槽钢挡板，6、千斤顶，7、千斤顶垫片，8、加速度传感器，9、数据采集仪，10、高速摄影仪，11、降压电路，12、声波换能器，13、声波测试仪，14、计算机，15，起爆装置，16、钻孔。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
参见图1，提供了本发明一个实施例的模拟***开挖对边坡影响的试验装置，该试验装置包括模拟边坡模型2，所述模拟边坡模型2在高度方向上具有多个台阶子坡，在所述模拟边坡模型2的最底部的台阶子坡的台阶面上布设有多个炮孔3，每一个所述炮孔3内填装有***包1，每一个所述***包1均通过数码电子***与起爆装置15连接；为所述模拟边坡模型2还布置有预应力加载试验装置和量测装置，其中，所述预应力加载试验装置用于向所述模拟边坡模型2施加预应力，所述量测装置用于对所述起爆装置15起爆模拟边坡模型时的响应变量进行量测。
本实施例中所谓的试验装置是指室内的模拟试验装置，是根据野外的实际工程边坡原型，按照相似性原理构造的，用来模拟室外的工程边坡在***开挖过程中的演变规律。
该试验装置包括模拟边坡模型2，将模拟边坡模型2在高度方向上设置有多个台阶子坡，由于实际工程中的***开挖是在边坡最底部台阶上进行的，因此在模拟边坡模型2的最底部的台阶子坡的台阶面上布设有很多个炮孔3，通过在炮孔3内填装***包1对模拟边坡模拟进行模拟***。其中，每一个炮孔3内填装一个***包1，每一个***包1均通过数码电子***与起爆装置15连接，起爆装置15启动后，引发数码电子***进而引爆***包1对模拟边坡模型2进行***。
在对模拟边坡模型2进行模拟***的过程中，需要对模拟边坡模型2施加一定的预应力，因此，需要为模拟边坡模型2布设预应力加载试验装置，为模拟边坡模型2施加预应力。另外，构造模拟***开挖对边坡的试验装置是为了探究***开挖对边坡模型的影响，因此，还需要在模拟边坡模型2上设置有量测装置，对模拟边坡模型2进行***试验时的响应变量进行测量，以便来研究***开挖过程中边坡模型的演变规律。
本实施例提供的一种模拟***开挖对边坡影响的试验装置及试验方法，可有效监测岩质边坡时空损伤及位移形变的演化特性与规律，实现工程岩质边坡的损伤、变形和振动状态模拟，为研究岩质边坡时空损伤和位移形变演化机理、动力失稳机制及其灾变预警方法提供试验资料，为特定岩质高陡边坡***开挖工程的安全、顺利实施提供科学依据。
在上述实施例的基础上，本发明的一个实施例中，所述多个炮孔3在模拟边坡模型2的最底部的台阶子坡的台阶面上呈梅花形布置。
在上述各实施例的基础上，本发明的另一个实施例中，在所述边坡模型最底部的台阶子坡的四周侧面均布置有所述预应力加载试验装置，对于所述台阶子坡的每一个侧面，所述预应力加载试验装置包括一个橡胶垫片4、一个槽钢挡板，多个千斤顶6垫片和与所述千斤顶6垫片数量相同的多个千斤顶6，在所述台阶子坡的每一个侧面由内向外铺设有橡胶垫片4和槽钢挡板，每一个所述千斤顶6通过一个对应的千斤顶6垫片设置于所述槽钢挡板的外侧，通过所述千斤顶6为所述台阶子坡的侧面施加预应力。
上述已经说明，在模拟边坡模型2***的过程中，需要给模拟边坡模型2施加预应力，其中，预应力通常是施加在模拟边坡模型2的底部四周，因此，本实施例在模拟边坡模型2的最底部的台阶子坡的四周侧面布置预应力加载试验装置。可参见图2，对于模拟边坡模型2的最底部的台阶子坡的每一个侧面，都布置有一套预应力加载试验装置，每一套预应力加载试验装置均包括一个橡胶垫片4、一个槽钢挡板，每一个侧面由内向外铺设有橡胶垫片4和槽钢挡板，其中，橡胶垫片4和槽钢挡板的长度与所在模拟边坡模型2的侧面的长度相近，即一个橡胶垫片4和一个槽钢挡板就可以铺设满整个侧面长度，而模拟边坡模型2的一个侧面需要多个千斤顶6为其施加预应力，因此，对于一个侧面，需要多个千斤顶6和对应的多个千斤顶垫片7，在槽钢挡板的外侧通过千斤顶垫片7布设对应的千斤顶6，其中，千斤顶垫片7的数量与千千斤顶6的数量相同。
在上述各实施例的基础上，本发明的另一个实施例中，在所述边坡模型的两侧面上涂有等间距的系列水平线和等间距的系列垂直线，将所述边坡模型整体划分为多个空间网格岩体。
为了研究***开挖过程中模拟边坡模型2的各个位置的演变规律，可参见图1，在模拟边坡模型2的两侧面上涂上等间距的系列水平线和系列垂直线，将整个模拟边坡模块划分为接近相同大小的多个空间网格岩体。
在上述各实施例的基础上，本发明的一个实施例中，所述量测装置包括加速度采集模块、摄影模块和声波测量模块；所述加速度采集模块，用于在模拟***开挖过程中，采集模拟边坡模型2的每一个台阶子坡坡脚处质点的加速度；所述摄影模块，用于拍摄模拟***开挖过程中模拟边坡模型2的影像；所述声波测量模块，用于测量模拟***开挖后所述模拟边坡模型2的每一个所述空间网格岩体的纵波速度。
其中，加速度采集模块包括多个加速度传感器8，在模拟边坡模型2的每一个台阶子坡坡脚处布置一个加速度传感器8，每一个加速度传感器8的X方向指向***包1所在的方向。参见图3，每一个加速度传感器8均通过数据采集仪9与计算机14连接。其中，每一个加速度传感器8布设于每一个台阶子坡坡脚处，用来测量***过程中每一个台阶子坡坡脚处质点的加速度。
在本发明的一个实施例中，摄影模块为高速摄影仪10，其架设于模拟边坡模型2的其中一个侧面的固定距离处，高速摄影仪10的摄影方向正对模拟边坡模型2的该侧面的系列水平线和系列垂直线，高速摄影仪10的摄影范围覆盖模拟边坡模型2的侧面的全部区域。参见图4，高速摄影仪10的触发线路通过降压电路11与起爆装置15连接，以及所述高速摄影仪10的视频传输线路通过数据线与计算机14连接。
其中，当起爆装置15起爆时，起爆装置15通过触发线路触发高速摄影仪10对模拟边坡模型2的位移形变进行摄影，得到***过程中模拟边坡模型2的影像视频，将并拍摄的影像视频通过数据线上传给计算机14。
本发明的一个实施例中，声波测量模块为声波换能器12，声波换能器12为圆盘型换能器，所述声波换能器12包括一个发射换能器和一个接收换能器，发射换能器和接收换能器分别布设于所述模拟边坡模型上同一个空间网格岩体的两侧面，用于测量每一个空间网格岩体的纵波速度。参见图5，所述声波换能器12通过数据线与声波测试仪13连接。
其中，在对模拟边坡模型2的声波进行测量时，声波换能器12采用圆盘型声波换能器，包括一个发射换能器和一个接收换能器。在模拟边坡模型2***开挖前，利用声波换能器12测量每一个空间网格岩体的初始纵波速度，以及在模拟边坡模型2每一次***开挖后，利用声波换能器测量每一个空间网格岩体的纵波速度，得到每一次***开挖前后，模拟边坡模型的每一个空间网格岩体的纵波速度。
基于上述的模拟***开挖对边坡影响的试验装置，本发明还提供了一种模拟***开挖对边坡影响的试验方法，包括以下步骤：
从实际工程边坡原型中选取典型边坡劣化地质体，根据所述典型边坡劣化地质体，按照相似性原理构造模拟***开挖对边坡影响的试验装置；
对于整个所述模拟试验装置，分为多次模拟***开挖，对于每一次模拟***开挖，采用加速度传感器8测量模拟边坡模型的每一个台阶子坡坡脚处质点的加速度，并传输给计算机14；
通过起爆装置15触发高速摄影仪10对模拟***开挖过程中的模拟边坡模型2的影像进行拍摄，并将拍摄的所述影像传输给计算机14；以及，采用圆盘型声波换能器测量每一次模拟***开挖前以及每一次模拟***开挖后的模拟边坡模型的每一个空间网格岩体的纵波速度，并传输给声波测试仪。
上述已经说明，根据实际工程边坡原型，按照相似性原理构造模拟边坡模型2，由于实际工程边坡原型规模非常大，本实施例从实际工程边坡原型中选取典型的边坡劣化地质体，根据典型的边坡劣化地质体，按照相似性原理构造模拟***开挖对边坡影响的试验装置。
需要说明的是，在对整个模拟边坡模型2进行***开挖的模拟时，是分为多次模拟***开挖的，每一次模拟***开挖时，可以在模拟边坡模型2的部分炮孔3中填装***包1进行***。
在每一次***过程中，采用加速度传感器8测量模拟边坡模型2的每一个台阶子坡坡脚处质点的加速度，采用高速摄影仪10拍摄模拟边坡模型2的影像视频。以及在每一次模拟***开挖后，采用声波换能器12测量模拟边坡模型2的每一个空间网格岩体的纵波速度。
在上述实施例的基础上，本发明的一个实施例中，从现场边坡中选取典型边坡劣化地质体，根据所述典型边坡劣化地质体，按照相似性原理构造模拟***开挖对边坡影响的试验装置的具体方法为，参见图6，为现场边坡模型图，根据现场场地条件及勘探的地形条件，通过互相平行的竖直剖面(图7中虚线为竖直剖面线)将实际工程边坡原型划分为多个分区，其中，所述实际工程边坡原型在高程方向上具有多个台阶子坡，因此，每一个分区在高程方向上也具有多个台阶子坡的一部分。其中，参见图6和图7，每一个分区布置有规则排列的很多个钻孔16，对每一个所述分区按照均匀间隔进行钻孔，形成每一个分区的多个钻孔16，其中，每一个钻孔16向下具有一定的倾斜角度，倾斜角度为5°-7°，相邻两个钻孔16之间的间距为2m-3.5m之间，相邻两个钻孔16之间的间距在声波换能器的测试距离内。当分区划分以及钻孔16布置好后，以分区为单位，向每一个分区的所有钻孔16内注满水，选用柱状声波换能器分别对同一个分区的每相邻两个钻孔16进行声波测试，得到每一个分区中每相邻两个钻孔16之间的声波测试值，形成多组声波测试值；对每一个分区的多组声波测试值取平均值，得到每一个分区的声波测试平均值；选取所有分区中声波测试平均值最低的分区作为典型边坡劣化地质体进行室内相似模型试验。
本实施例通过现场声波测试法确定典型边坡劣化地质体作为室内相似模型试验原型，在有效达到试验目的的基础上，大大减少了相似模型的模拟范围，降低了监测工作量，减小了试验成本。
在构造室内相似性模型试验时，先确定模拟边坡模型2与实际工程边坡原型边坡之间的相似比，根据相似第一理论、第二理论和动力相似准则进行参数设计，确定实际工程边坡原型与模拟边坡模型2几何尺寸的几何相似比为L，根据几何相似比，针对模拟边坡模型2、炮孔3的几何尺寸按原型尺寸的1/L进行设计；重力加速度的相似比Cg＝1，密度相似比Cρ＝1，容重相似比Cγ＝1，在模拟边坡模型2物理力学参数的设计上，以满足模拟边坡模型2岩体弹性模量的相似设计为原则：即相似材料的弹性模量为原型的1/L；同时保证装药量相似、动力相似和静力响应的相似，具体设计原则如下：
确定模拟边坡模型2的相似比：几何相似比CL＝L；容重相似比Cγ＝1；应变、泊松比、摩擦角相似比弹性模量相似比：CE＝1。确定装药量相似比：装药量相似比CQ＝L3。确定动力和静力响应相似比：应力相似比Cσ＝CγCL＝L，位移相似比Cs＝CLCε＝L，加速度相似比Ca＝1，时间相似比Ct＝Cs 0.5/Ca 0.5＝L0.5，速度相似比Cv＝CL/Ct＝L0.5。
确定了各个相似比之后，选用重晶石粉、细砂、碳酸锰、机油及水为岩石相似材料；联合实际边坡岩芯的物理力学参数与相似比计算模型材料物理力学参数，试制标准试件通过声波测试试验、单轴压缩试验、巴西劈裂试验等确定相似材料配比。
根据模拟边坡模型2几何尺寸浇筑模型，待模拟边坡模型2养护完成后，在模拟边坡模型2的两侧面涂上等间距的系列水平线和系列垂直线，将整个模拟边坡模型2划分为多个空间网格岩体。构造了模拟边坡模型2后，为模拟边坡模型2布置预应力加载装置和量测装置，以及在模拟边坡模型2的炮孔3内填装***包1进行多次***模拟。
在具体对模拟边坡模型2进行***时，可调整炮孔3内的***量、爆心距、孔间延期时间等参数，比如，可以固定其中两个参数，改变另外一个参数，充分考虑到实际开挖***参数的复杂多样性，为进一步揭示***荷载作用下岩质边坡的时空损伤演化与振动衰减特性，研究边坡位移形变演化规律提供了试验依据和研究方法，为岩质边坡开挖***参数优化和动力失稳预报提供了科学依据。
另外，本实施例可以产生各种不同尺寸和地质条件下的边坡岩土体应力场，可以实现大、小偏压条件下底部台阶不同预应力条件下的岩质边坡开挖***模型实验。
在上述实施例的基础上，本发明的一个实施例中，还包括：根据所述边坡模型多次***过程中测量的不同空间网格岩体的纵波速度，计算所述边坡模型每一次***的损伤增量ΔDi＝1-(Ci/Ci-1)2；
则模拟边坡模型的每一个空间网格岩体第i次模拟***开挖后***累积损伤Di与损伤增量的关系为：
其中，Ci和Ci-1分别为第i次和第(i-1)次***后的边坡模型的纵波速度。
通过上述方式可以得到多次模拟***后，模拟边坡模型的每一个空间网格岩体的***累积损伤，可以研究在模拟***开挖过程中，模拟边坡模型的非连续损伤的演化规律。
根据高速摄影仪10对每一次模拟***开挖过程中的模拟边坡模型2拍摄的影像，得到循环***作用下所述模拟边坡模型2的不同位置岩体的位移形变演化规律：
其中，Si和ΔSi分别为第i次模拟***开挖后的模拟边坡模型的某一特定位置处岩体累积位移形变量和位移形变增量。
本实施例还根据加速度传感器8对每一次模拟***开挖过程中测量的模拟边坡模型的每一个台阶子坡坡脚处质点的加速度，得到每一个台阶子坡坡脚处质点的加速度时程曲线a(t)。
通过测量模拟边坡模型2在模拟***开挖过程中的响应变量，来分析模拟边坡模型2由于***开挖产生的***累积损伤，以及循环***作用下模拟边坡模型2的不同位置岩体的位移形变演化规律和各级台阶子坡坡脚处质点的振动速度时程曲线，对研究工程边坡稳定性提供有力的数据支持。
其中，通过对加速度时程曲线a(t)进行一次积分可得到模拟边坡模型2的各级子台阶坡脚处质点的振动速度时程曲线：
通过对振动速度时程曲线v(t)进行SST变化与小波包分析可得到振动信号频域细节分布特征与衰减规律；通过读取质点振动速度峰值Vmax，并进行线性回归分析，可得到***振动速度沿坡面的传播衰减公式，从而阐明***振动沿模拟边坡模型2高程方向的传播衰减行为。
通过绘制模拟边坡模型2同一高程处岩体***累积损伤Di与质点振动速度峰值的关系曲线，利用线性拟合即可得到模拟边坡模型2同一高程不同深度处岩体损伤与振动速度峰值间的函数关系。利用同样的方法分别可以得到模拟边坡模型2同一高程不同空间网格处岩体***累积损伤Di与累积位移形变量Si间的函数关系、模拟边坡模型2同一高程不同空间网格处岩体累积位移形变量Si与质点峰值振动速度间的函数关系。
根据前述得到的模拟边坡模型2渐进劣化过程中累积损伤Di、质点振动速度峰值Vi和累积位移形变量Si的演化规律及其之间的函数关系，联合累积损伤与***次数及质点振动速度峰值与***参数间的非线性相关模型，依据《建筑边坡工程技术规范》，研究模拟边坡模型2的振动荷载强度与次数承受能力，作为指导边坡模拟原型***施工的依据。
本发明提供了一种模拟***开挖对边坡影响的试验装置及试验方法，可有效监测岩质边坡时空损伤及位移形变的演化特性与规律，基于弹塑性相似理论，综合考虑实际工程边坡中不同***参数、岩体力学参数、力学特性和边坡几何尺寸等因素，其中，***参数包括单孔药量、孔间延期时间和爆心距等，实现工程岩质边坡的损伤、变形和振动状态模拟，为研究岩质边坡时空损伤和位移形变演化机理、动力失稳机制及其灾变预警方法提供试验资料，为特定岩质高陡边坡***开挖工程的安全、顺利实施提供科学依据。
最后，本申请的方法仅为较佳的实施方案，并非用于限定本发明的保护范围。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。

Claims (6)

1.一种模拟***开挖对边坡影响的试验装置，其特征在于，所述试验装置包括模拟边坡模型(2)，所述模拟边坡模型(2)在高度方向上具有多个台阶子坡，在所述模拟边坡模型(2)的最底部的台阶子坡的台阶面上布设有多个炮孔(3)，每一个所述炮孔(3)内填装有***包(1)，每一个所述***包(1)均通过数码电子***与起爆装置(15)连接；
所述模拟边坡模型(2)还布置有预应力加载试验装置和量测装置，其中，所述预应力加载试验装置用于向所述模拟边坡模型(2)施加预应力，所述量测装置用于对所述模拟边坡模型(2)进行***试验时的响应变量进行量测；
在所述模拟边坡模型(2)的两侧面上涂有等间距的系列水平线和等间距的系列垂直线，将所述模拟边坡模型(2)整体划分为多个空间网格岩体；
所述量测装置包括加速度采集模块、摄影模块和声波测量模块；
所述加速度采集模块，用于在模拟***开挖的过程中，采集所述模拟边坡模型(2)的每一个台阶子坡坡脚处质点的加速度；
所述摄影模块，用于拍摄模拟***开挖过程中所述模拟边坡模型(2)在不同位置的影像；
所述声波测量模块，用于测量模拟***开挖后所述模拟边坡模型(2)的每一个所述空间网格岩体的纵波速度；
在所述模拟边坡模型(2)最底部的台阶子坡的四周侧面均布置有所述预应力加载试验装置，对于所述台阶子坡的每一个侧面，所述预应力加载试验装置包括一个橡胶垫片(4)、一个槽钢挡板(5)，多个千斤顶垫片(7)和与所述千斤顶垫片(7)数量相同的多个千斤顶(6)，在所述台阶子坡的每一个侧面由内向外铺设有橡胶垫片(4)和槽钢挡板(5)，每一个所述千斤顶(6)通过一个对应的千斤顶垫片(7)设置于所述槽钢挡板(5)的外侧，通过所述千斤顶(6)为所述台阶子坡的侧面施加预应力；
所述摄影模块为高速摄影仪(10)，其架设于所述模拟边坡模型(2)的其中一个侧面的固定距离处，所述高速摄影仪(10)的摄影方向正对所述模拟边坡模型(2)的该侧面的系列水平线和系列垂直线，其摄影范围覆盖所述模拟边坡模型(2)的所述侧面的全部区域，所述高速摄影仪(10)的触发线路通过降压电路(11)与起爆装置(15)连接，以及其视频传输线路通过数据线与计算机(14)连接；
所述声波测量模块为声波换能器(12)，所述声波换能器(12)为圆盘型换能器，其包括一个发射换能器和一个接收换能器，所述发射换能器和所述接收换能器分别布设于所述模拟边坡模型(2)上同一个空间网格岩体的两侧面，所述声波换能器(12)通过数据线与声波测试仪(13)连接。
2.如权利要求1所述的试验装置，其特征在于，所述模拟边坡模型(2)的台阶子坡的数量为3-7个，每一个所述台阶子坡的坡面角度为45°-70°；以及，所述多个炮孔(3)在所述模拟边坡模型(2)的最底部的台阶子坡的台阶面上呈梅花形布置。
3.如权利要求1所述的试验装置，其特征在于，所述加速度采集模块包括多个加速度传感器(8)，在所述模拟边坡模型(2)的每一个台阶子坡坡脚处布置一个加速度传感器(8)，每一个所述加速度传感器(8)的X方向指向所述***包(1)所在的方向，每一个所述加速度传感器(8)均通过数据采集仪(9)与计算机(14)连接。
4.一种模拟***开挖对边坡影响的试验方法，其特征在于，包括：
从实际工程边坡原型中选取典型边坡劣化地质体，根据所述典型边坡劣化地质体，按照相似性原理构造如权利要求3所述的模拟***开挖对边坡影响的试验装置；
对于整个所述试验装置，分为多次模拟***开挖，对于每一次模拟***开挖，采用加速度传感器(8)测量模拟边坡模型(2)的每一个台阶子坡坡脚处质点的加速度，并传输给计算机(14)；
通过起爆装置(15)触发高速摄影仪(10)对模拟***开挖过程中的模拟边坡模型(2)的影像进行拍摄，并将拍摄的所述影像传输给计算机(14)；以及，
采用圆盘型声波换能器(12)测量每一次模拟***开挖前以及每一次模拟***开挖后的模拟边坡模型(2)的每一个空间网格岩体的纵波速度，并传输给声波测试仪(13)。
5.如权利要求4所述的试验方法，其特征在于，从实际工程边坡原型中选取典型边坡劣化地质体，根据所述典型边坡劣化地质体，按照相似性原理构造模拟***开挖对边坡影响的试验装置具体包括：
根据现场场地条件及勘探的地形条件，通过互相平行的竖直剖面将实际工程边坡原型划分为多个分区，其中，所述实际工程边坡原型在高程方向上具有多个台阶子坡；
对每一个所述分区按照均匀间隔进行钻孔，形成每一个分区的多个钻孔(16)；
向每一个分区的所有钻孔(16)内注满水，选用柱状声波换能器(12)分别对同一个分区的相邻两个钻孔(16)进行声波测试，得到每一个分区中每相邻两个钻孔(16)之间的声波测试值，形成多组声波测试值；
对每一个分区的多组声波测试值取平均值，得到每一个分区的声波测试平均值；
选取所有分区中声波测试平均值最低的分区作为典型边坡劣化地质体进行室内相似模型试验。
6.如权利要求4所述的试验方法，其特征在于，还包括：
根据所述模拟边坡模型(2)每一次模拟***开挖过程中测量的不同空间网格岩体的纵波速度，计算所述模拟边坡模型(2)每一次模拟***开挖后每一个空间网格岩体的损伤增量ΔDi＝1-(Ci/Ci-1)2；
则所述模拟边坡模型(2)的每一个空间网格岩体第i次模拟***开挖后***累积损伤Di与损伤增量的关系为：
其中，Ci和Ci-1分别为第i次和第i-1次***后的模拟边坡模型(2)的同一个空间网格岩体的纵波速度，n为模拟***开挖的总次数；
根据高速摄影仪(10)对每一次模拟***开挖过程中的模拟边坡模型(2)拍摄的影像，得到循环***作用下所述模拟边坡模型(2)的不同位置岩体的位移形变演化规律：
其中，Si和ΔSi分别为第i次模拟***开挖后的模拟边坡模型(2)的某一特定位置处岩体累积位移形变量和位移形变增量；以及，
根据加速度传感器(8)对每一次模拟***开挖过程中测量的所述模拟边坡模型(2)的每一个台阶子坡坡脚处质点的加速度，得到加速度时程曲线a(t)，通过对所述加速度时程曲线a(t)进行一次积分可得到所述模拟边坡模型各级台阶子坡坡脚处质点振动速度时程曲线：
进而可读取质点振动速度峰值Vmax，研究模拟边坡模型(2)沿高程方向的振动传播衰减规律；
根据累积损伤Di、质点振动速度峰值Vmax和累积位移形变量Si的演化规律及其之间的函数关系，联合累积损伤与***次数及质点振动速度峰值与***参数间的非线性相关模型，依据《建筑边坡工程技术规范》，研究模拟边坡模型的振动荷载强度与次数承受能力，作为指导边坡***施工的依据。
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