CN110514809A - 降雨与地下水耦合作用下顺层岩质边坡模拟试验装置及试验方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种试验装置及试验方法，具体涉及一种降雨与地下水耦合作用下顺层岩质边坡模拟试验装置及试验方法。本发明的技术方案如下：降雨与地下水耦合作用下顺层岩质边坡模拟试验装置，包括边坡试验箱、降雨***、地下水***和加载***；所述边坡试验箱中采用预制块体充当岩块，所述岩块形成的岩层层间铺设黏土与砂的混合物充当软弱夹层，用于模拟顺层岩质边坡状况；所述降雨***用于模拟降雨状况，所述地下水***用于模拟地下水状况；所述加载***通过施加水平荷载，用于模拟顺层岩质边坡自重应力。本发明能够模拟不同降雨强度、地下水位以及开挖前、后的顺层岩质边坡稳定性，揭示降雨与地下水耦合作用下顺层岩质边坡失稳机理。

Description

降雨与地下水耦合作用下顺层岩质边坡模拟试验装置及试验 方法

技术领域

本发明涉及一种试验装置及试验方法，具体涉及一种降雨与地下水耦合作用下顺层岩质边坡模拟试验装置及试验方法。

背景技术

在水利、公路、铁路和矿山等工程建设中常出现边坡，边坡稳定性影响着工程建设期和运行期的安全。顺层岩质边坡是自然界中分布广泛的一种边坡。降雨对顺层岩质边坡稳定产生重要的影响。持续强降雨条件下，地下水位上升。雨水渗入到岩体结构面内形成静水压力和动水压力，增加了边坡的下滑力；同时雨水软化了岩体中软弱夹层；降低了软弱夹层的强度。地下水位的上升也导致地下水压力对边坡岩土体的应力状态发生改变。当持续降雨到一定程度时，顺层岩质边坡将发生失稳破坏。

采用相似模型试验方法可以把实际工程中的复杂问题直观地、方便地呈现出来，采用模型试验方法研究降雨与地下水耦合作用下顺层岩质边坡的失稳机理可为顺层岩质边坡的支护提供技术支持。目前的研究装置只考虑了降雨对顺层岩质边坡稳定影响，没有考虑地下水的影响；并且也没有考虑边坡自重的影响。

发明内容

本发明提供一种降雨与地下水耦合作用下顺层岩质边坡模拟试验装置及试验方法，能够模拟不同降雨强度、地下水位以及开挖前、后的顺层岩质边坡稳定性，揭示降雨与地下水耦合作用下顺层岩质边坡失稳机理。

本发明的技术方案如下：

降雨与地下水耦合作用下顺层岩质边坡模拟试验装置，包括边坡试验箱、降雨***、地下水***和加载***；所述边坡试验箱中采用预制块体充当岩块，所述岩块形成的岩层层间铺设黏土与砂的混合物充当软弱夹层，用于模拟顺层岩质边坡状况；所述降雨***用于模拟降雨状况，所述地下水***用于模拟地下水状况；所述加载***通过施加水平荷载，用于模拟顺层岩质边坡自重应力。

进一步地，所述的降雨与地下水耦合作用下顺层岩质边坡模拟试验装置，其中所述边坡试验箱的左侧和后面为钢板，右侧为可移动的传载钢板，前面为有机玻璃，底面为钢板网；所述边坡试验箱中设有预设倾角块体，用于模拟顺层岩质边坡的倾角，所述岩块依次铺设在所述预设倾角块体上，用于模拟具有该倾角的顺层岩质边坡。

进一步地，所述的降雨与地下水耦合作用下顺层岩质边坡模拟试验装置，其中所述边坡试验箱中，采用位移光纤光栅传感器监测坡体和软弱夹层处的位移变化，采用孔隙水压力传感器测量软弱夹层内孔隙水压力，采用微型土压力盒测量所述加载***对顺层岩质边坡产生的力。

进一步地，所述的降雨与地下水耦合作用下顺层岩质边坡模拟试验装置，其中所述降雨***包括引水箱、PVC引水管、引水流量计、引水节流阀和喷头，PVC引水管的一端放置在所述引水箱中，PVC引水管的另一端与所述喷头相连，所述喷头设置在所述边坡试验箱上面；引水流量计和引水节流阀设置在PVC引水管上，所述引水节流阀用于控制降雨强度。

进一步地，所述的降雨与地下水耦合作用下顺层岩质边坡模拟试验装置，其中所述地下水***包括输水箱、PVC输水管、压力表、输水流量计、输水节流阀和贮水箱，所述贮水箱设置在所述边坡试验箱下面通过所述钢板网与所述边坡试验箱相通，PVC输水管的一端设置在所述贮水箱侧面下部，PVC输水管的另一端放置在所述输水箱中，输水流量计和输水节流阀设置在PVC输水管上，所述压力表设置在所述贮水箱侧面上部。

所述边坡试验箱底面为钢板网，所述钢板网设有密布的通孔，雨水可由钢板网流出，所述地下水***内的水也可以由钢板网流入所述边坡试验箱内。

进一步地，所述的降雨与地下水耦合作用下顺层岩质边坡模拟试验装置，其中所述加载***包含弹簧限位块、加载钢板和千斤顶，多个千斤顶均匀设置在承力墙与所述加载钢板之间，多个弹簧限位块均匀设置在所述加载钢板与所述传载钢板之间。

利用上述的降雨与地下水耦合作用下顺层岩质边坡模拟试验装置进行的试验方法，包括如下步骤：

1)根据相似比原则确定所述岩块的物理和几何参数，通过力学试验确定相似比材料的配合比；

2)在确定顺层岩质边坡倾角后，预制所述预设倾角块体；将所述预设倾角块体贴紧所述传载钢板放置在所述钢板网上，所述岩块依次铺设在所述预设倾角块体上，制成顺层岩质边坡模型；

3)将微型压力盒安装在所述模型与所述钢板网之间，以测量顺层岩质边坡的自重应力；所述岩块间采用混合的黏土和砂填充，在每隔两层的岩层内安装位移光纤光栅传感器和孔隙水压力传感器，以测量边坡受降雨和地下水作用下的岩块位移和软弱夹层内的孔隙水压力，以及边坡开挖后受降雨和地下水作用下的岩块位移和软弱夹层内的孔隙水压力；

4)采用加载***对所述模型施加水平荷载，当微型压力盒测量的压力数值稳定时，安装所述边坡试验箱前面的有机玻璃；

5)采用防水嵌缝密封胶来密封所述有机玻璃周边的缝隙，以及密封所述传载钢板周边的缝隙；然后烘干凝固所述防水嵌缝密封胶；

6)打开输水节流阀，输水箱内的水流入贮水箱，待到达设定地下水位后，关闭输水节流阀；

7)根据设定的降雨强度和降雨时间，打开并调整引水节流阀模拟降雨；

8)实时监测所述模型的压力变化、岩块位移和软弱夹层内孔隙水压力，获取数据；分析边坡未开挖时，降雨与地下水耦合作用对顺层岩质边坡稳定性的影响；

9)试验模拟开挖后的边坡稳定性情况：在所述步骤6)和所述步骤7)之间，增加分级开挖的步骤即可，其余步骤同上；分析边坡开挖后，降雨与地下水耦合作用对顺层岩质边坡稳定性的影响。

上述的降雨与地下水耦合作用下顺层岩质边坡模拟试验装置，可以模拟雨水渗入边坡软弱夹层，并通过钢板网流入地下水***；随着降雨的持续，地下水位上升，地下水压力增大，地下水***内的地下水会通过钢板网渗入边坡软弱夹层；因此所述装置可以模拟降雨与地下水耦合作用下对边坡软弱夹层和岩土体的应力状态的影响，从而揭示所述条件下顺层岩质边坡失稳机理。

本发明的有益效果为：

1、本发明通过建立降雨***、地下水***、边坡试验箱与加载***，可用于模拟降雨与地下水耦合作用下顺层岩质边坡的稳定性，通过钢板网连通了降雨雨水、顺层岩质边坡与地下水之间的联系。

2、本发明通过建立的加载***可以为边坡提供水平荷载，以此模拟边坡自重应力。在此条件下，研究边坡开挖后，降雨与地下水对顺层岩质边坡的失稳机理，为有针对性地对边坡进行支护提供依据。

3、本发明可以研究不同降雨强度、不同地下水位以及边坡不同自重应力情况下边坡稳定性的情况。

附图说明

图1为降雨与地下水耦合作用下顺层岩质边坡模拟试验装置结构图；

图2为降雨与地下水耦合作用下顺层岩质边坡模拟试验装置内部结构示意图；

图3为钢板网结构图。

具体实施方式

实施例1

如图1-3所示，一种降雨与地下水耦合作用下顺层岩质边坡模拟试验装置，包括降雨***1，边坡试验箱2，地下水***3和加载***4；其中降雨***1包含有引水箱5，PVC引水管6，流量计7，控制降雨强度的节流阀8，以及位于边坡试验箱上面的喷头9；边坡试验箱2的左侧为钢板10，右侧为传载钢板11，后面为钢板，前面为有机玻璃，底面为钢板网12，雨水可由此流出，地下水***3内的水也可以由钢板网12流入边坡试验箱2；地下水***3包含压力表13，输水流量计14，输水节流阀15，PVC输水管16，输水箱17和贮水箱；加载***4包含弹簧限位块18，加载钢板19，千斤顶20。

其中：

1)降雨***1中每个喷头的降雨直径范围为0.5m-0.7m。

2)边坡试验箱2的长度为0.7m，高度1.4m，宽度为0.4；边坡试验箱2前面的有机玻璃的厚度为8cm。

3)钢板网12的厚度为2cm，通过钢板网上的通孔24，雨水经软弱夹层可以流入地下水***3，并且随着降雨的持续，地下水位上升，地下水也可以渗入软弱岩层中影响边坡的稳定性。

4)通过加载***4对顺层岩质边坡模型施加水平荷载，以此模拟顺层岩质边坡自重应力。

5)两个微型压力盒22安装在顺层岩质边坡模型的底部，测量加载***施加的水平荷载对边坡产生的作用力，以此模拟顺层岩质边坡自重应力；每隔两层的岩层内安装位移光纤光栅传感器和孔隙水压力传感器23，监测边坡受降雨和地下水作用下的岩块位移和软弱夹层内的孔隙水压力，以及顺层岩质边坡开挖后，受降雨和地下水作用下的岩块位移和软弱夹层内的孔隙水压力。

实施例2

采用降雨与地下水耦合作用下顺层岩质边坡模拟试验装置，分别模拟未开挖边坡和开挖边坡后，降雨与地下水耦合作用对边坡稳定性的影响。模拟方法的步骤如下：

1)根据相似比确定模型中岩块的物理和几何参数，通过力学试验确定相似比材料的配合比，水泥：石膏：水：石英砂＝1:6.5:0.7:0.295:0.008。软弱夹层采用黏土与砂的混合，黏土：砂＝1:1.75。

2)在确定边坡倾角后，首先预制预设倾角块体21，该预设倾角块体21的倾角等于边坡倾角，之后预制其余的岩块。

3)在边坡试验箱2中布置岩块的同时将两个HC-16微型压力盒安装在边坡模型的底部，以此测量边坡的自重应力。岩块间采用混合的黏土和砂填充，在每隔两层的岩层内安装位移FS-X光纤光栅传感器和HC-25孔隙水压力传感器，监测边坡受降雨和地下水作用下的岩块位移和软弱夹层内的孔隙水压力，以及边坡开挖后，受降雨和地下水作用下的岩块位移和软弱夹层内的孔隙水压力。

4)采用加载***4对边坡模型施加水平荷载，当HC-16微型压力盒测量的压力数值稳定时，安装边坡试验箱2的有机玻璃。

5)采用聚氨酯防水嵌缝密封胶来密封玻璃与模型箱的缝隙，以及密封传载钢板11与试验箱2接触处。然后，烘干凝固聚氨酯防水嵌缝密封胶。

6)打开输水节流阀15，输水箱17内的水流入地下水箱，待到达设定地下水位后，关闭输水节流阀15。

7)根据设定的降雨强度和降雨时间，打开并调整引水节流阀8。

8)实时监测边坡模型的压力变化、岩块位移和软弱夹层内孔隙水压力，获取数据；分析边坡未开挖时，降雨与地下水耦合作用对顺层岩质边坡稳定性的影响。

9)试验模拟开挖后的边坡稳定性情况：在所述步骤6)和所述步骤7)之间，增加分级开挖的步骤即可，其余步骤同上；分析边坡开挖后，降雨与地下水耦合作用对顺层岩质边坡稳定性的影响。

Claims (7)

1.降雨与地下水耦合作用下顺层岩质边坡模拟试验装置，其特征在于，包括边坡试验箱、降雨***、地下水***和加载***；所述边坡试验箱中采用预制块体充当岩块，所述岩块形成的岩层层间铺设黏土与砂的混合物充当软弱夹层，用于模拟顺层岩质边坡状况；所述降雨***用于模拟降雨状况，所述地下水***用于模拟地下水状况；所述加载***通过施加水平荷载，用于模拟顺层岩质边坡自重应力。

2.根据权利要求1所述的降雨与地下水耦合作用下顺层岩质边坡模拟试验装置，其特征在于，所述边坡试验箱的左侧和后面为钢板，右侧为可移动的传载钢板，前面为有机玻璃，底面为钢板网；所述边坡试验箱中设有预设倾角块体，用于模拟顺层岩质边坡的倾角，所述岩块依次铺设在所述预设倾角块体上，用于模拟具有该倾角的顺层岩质边坡。

3.根据权利要求2所述的降雨与地下水耦合作用下顺层岩质边坡模拟试验装置，其特征在于，所述边坡试验箱中，采用位移光纤光栅传感器监测坡体和软弱夹层处的位移变化，采用孔隙水压力传感器测量软弱夹层内孔隙水压力，采用微型土压力盒测量所述加载***对顺层岩质边坡产生的力。

4.根据权利要求1所述的降雨与地下水耦合作用下顺层岩质边坡模拟试验装置，其特征在于，所述降雨***包括引水箱、PVC引水管、引水流量计、引水节流阀和喷头，PVC引水管的一端放置在所述引水箱中，PVC引水管的另一端与所述喷头相连，所述喷头设置在所述边坡试验箱上面；引水流量计和引水节流阀设置在PVC引水管上，所述引水节流阀用于控制降雨强度。

5.根据权利要求2所述的降雨与地下水耦合作用下顺层岩质边坡模拟试验装置，其特征在于，所述地下水***包括输水箱、PVC输水管、压力表、输水流量计、输水节流阀和贮水箱，所述贮水箱设置在所述边坡试验箱下面通过所述钢板网与所述边坡试验箱相通，PVC输水管的一端设置在所述贮水箱侧面下部，PVC输水管的另一端放置在所述输水箱中，输水流量计和输水节流阀设置在PVC输水管上，所述压力表设置在所述贮水箱侧面上部。

6.根据权利要求2所述的降雨与地下水耦合作用下顺层岩质边坡模拟试验装置，其特征在于，所述加载***包含弹簧限位块、加载钢板和千斤顶，多个千斤顶均匀设置在承力墙与所述加载钢板之间，多个弹簧限位块均匀设置在所述加载钢板与所述传载钢板之间。

7.利用如权利要求1-6之一所述的降雨与地下水耦合作用下顺层岩质边坡模拟试验装置进行的试验方法，包括如下步骤：

1)根据相似比原则确定所述岩块的物理和几何参数，通过力学试验确定相似比材料的配合比；

2)在确定顺层岩质边坡倾角后，预制所述预设倾角块体；将所述预设倾角块体贴紧所述传载钢板放置在所述钢板网上，所述岩块依次铺设在所述预设倾角块体上，制成顺层岩质边坡模型；

3)将微型压力盒安装在所述模型与所述钢板网之间，以测量顺层岩质边坡的自重应力；所述岩块间采用混合的黏土和砂填充，在每隔两层的岩层内安装位移光纤光栅传感器和孔隙水压力传感器，以测量边坡受降雨和地下水作用下的岩块位移和软弱夹层内的孔隙水压力，以及边坡开挖后受降雨和地下水作用下的岩块位移和软弱夹层内的孔隙水压力；

4)采用加载***对所述模型施加水平荷载，当微型压力盒测量的压力数值稳定时，安装所述边坡试验箱前面的有机玻璃；

5)采用防水嵌缝密封胶来密封所述有机玻璃周边的缝隙，以及密封所述传载钢板周边的缝隙；然后烘干凝固所述防水嵌缝密封胶；

6)打开输水节流阀，输水箱内的水流入贮水箱，待到达设定地下水位后，关闭输水节流阀；

7)根据设定的降雨强度和降雨时间，打开并调整引水节流阀模拟降雨；

8)实时监测所述模型的压力变化、岩块位移和软弱夹层内孔隙水压力，获取数据；分析边坡未开挖时，降雨与地下水耦合作用对顺层岩质边坡稳定性的影响；

9)试验模拟开挖后的边坡稳定性情况：在所述步骤6)和所述步骤7)之间，增加分级开挖的步骤即可，其余步骤同上；分析边坡开挖后，降雨与地下水耦合作用对顺层岩质边坡稳定性的影响。