CN112684147B - 一种多场耦合作用下岩质边坡开挖模型试验装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种多场耦合作用下岩质边坡开挖模型试验装置包括：模型箱体、降雨渗流机构、***振动机构及水平加载机构，模型箱体用于装载边坡模型；降雨渗流机构用于产生降雨到边坡模型上，以模拟降雨状况；***振动机构用于产生振动，并振动作用在边坡模型上，以模拟***状况；水平加载机构用于施加水平荷载到边坡模型上，以模拟岩质边坡的初始应力场。该试验装置可用于进行降雨、***振动及开挖卸荷耦合作用下岩质边坡模型试验研究，边坡变形破坏的外部影响因素考虑全面，有效地提高了矿山边坡稳定性研究的可靠性。

Description

一种多场耦合作用下岩质边坡开挖模型试验装置及方法

技术领域

本发明涉及边坡模型实验设备技术领域，特别涉及一种多场耦合作用下岩质边坡开挖模型试验装置及方法。

背景技术

在露天采矿工程中常出现滑坡灾害，矿山边坡的失稳破坏不仅会影响矿山开采工作的正常进行，也会造成大量的人员伤亡和经济损失。因此，露天开采中滑坡灾害机理、控制、监测预警一直以来是矿业边坡工程领域的研究重点。其中降雨渗流、***振动及开挖卸荷等一种或多种因素共同作用是诱发矿山边坡变形破坏的主要原因，使得深入研究降雨渗流和***振动等多场耦合作用下矿山边坡失稳规律对矿山高效开采具有重要的理论意义和工程实用价值。

边坡模型试验能形象、直观地模拟边坡的受力、变形及破坏的全过程，揭示可控影响因素对滑坡致灾孕育演化过程的影响，一直广受边坡领域的学者青睐，并取得了大量有意义的研究成果，但仍存在一些不足。目前的模型试验装置存在以下几个方面问题：一是边坡模型试验装置功能较单一，只考虑了降雨渗流及***振动等单因素作用下岩质边坡的稳定性影响，无法实现多种因素对边坡稳定性影响的研究；二是考虑边坡初始状态不全面，忽略了初始应力场的影响；三是多因素耦合作用下边坡模型受设备、人为因素干扰大，测试结果与真实情况存在一定的偏差。

因此，考虑降雨渗流、***振动及开挖卸荷等因素共同作用下的边坡模型试验模拟还存在困难，并对后续开展边坡稳定性及滑坡监测预警等研究产生障碍。

发明内容

本申请提供了一种多场耦合作用下岩质边坡开挖模型试验装置及方法，解决或部分解决了现有技术还无法模拟在降雨渗流、***振动及开挖卸荷等因素共同作用下的边坡模型试验的技术问题；实现了提供一种多场耦合作用下岩质边坡开挖模型试验装置，可用于进行降雨、***振动及开挖卸荷耦合作用下岩质边坡模型试验研究，边坡变形破坏的外部影响因素考虑全面，有效地提高了矿山边坡稳定性研究的可靠性。

本申请所提供的一种多场耦合作用下岩质边坡开挖模型试验装置，包括：模型箱体、降雨渗流机构、***振动机构及水平加载机构，其中，

所述模型箱体用于装载边坡模型；所述模型箱体的顶部敞口，底部开设排水孔；所述模型箱体设置有透明材质的前侧板；

所述降雨渗流机构用于产生降雨到所述边坡模型上，以模拟降雨状况；

所述***振动机构用于产生振动，并振动作用在所述边坡模型上，以模拟***状况；

所述水平加载机构用于施加水平荷载到所述边坡模型上，以模拟岩质边坡的初始应力场。

作为优选，所述边坡模型通过重晶石粉、石英砂及铁粉为骨料的预制块体堆砌而成。

作为优选，所述边坡模型设置有开挖块体，通过预留开挖面可在试验过程中随时取出所述开挖块体。

作为优选，所述排水孔设置在所述模型箱体的底板右侧位置，所述排水孔连接有排水管，所述排水管上设置有止水阀；

所述模型箱体的前侧板为钢化玻璃，所述前侧板与所述模型箱体的底板、左侧板及右侧板之间的孔隙通过密封胶填充；

所述前侧板上设置有坐标网格；

所述模型箱体的底部设置若干万向轮。

作为优选，所述降雨渗流机构包括：降雨支架、若干喷头、分管路、供水管路、流量调节阀、流量表、水泵及水桶，

所述降雨支架固定在所述模型箱体的顶部；

若干所述喷头固定在所述降雨支架上；

所述喷头通过所述分管路连通所述供水管路；

所述供水管路通过软管连接所述水泵的输出端；

所述水泵的输入端连通所述水桶；

所述流量调节阀和所述流量表设置在所述供水管路上。

作为优选，所述***振动机构包括：振动底座、多根支柱、振动电机及振动杆，

所述振动底座固定在所述模型箱体的右端下部；

多根所述立柱设置在所述振动底座上，所述立柱为可伸缩结构；

所述振动电机固定在多根所述立柱上；

所述振动杆的一端固定在所述振动电机的输出端，另一端抵靠所述边坡模型的右侧，使所述振动电机产生的不同频率和振幅的振动传递给所述边坡模型。

作为优选，所述水平加载机构包括：液压设备、油缸、压板，

所述液压设备通过固定支座设置在所述模型箱体的左端下部；

所述油缸固定在所述模型箱体的左端上部；所述液压设备通过压力管连接所述油缸，以输送高压油至所述油缸；

所述压板设置在所述模型箱体内，抵靠所述边坡模型的左侧；所述油缸的活塞杆连接所述压板，以带动所述压板向所述边坡模型施加水平压应力。

作为优选，所述压板与所述模型箱体之间设置有密封圈；

所述压板上设置有若干电阻式微型土压力计；

所述电阻式微型土压力计连接有电阻应变测试仪，以发送所述压板加载的水平应力值到所述电阻应变测试仪。

基于同样的发明构思，本申请还提供了一种多场耦合作用下岩质边坡开挖模型试验方法，通过所述多场耦合作用下岩质边坡开挖模型试验装置实现，包括以下步骤：

根据所述边坡模型的尺寸确定骨料的用量，通过力学试验确定骨料的配合比，运用所述骨料制作岩块；

通过所述岩块堆砌出试验设计的所述边坡模型；

根据试验设计的压力值，通过所述水平加载机构对所述边坡模型施加水平应力；

根据试验设计的降雨量，通过所述降雨渗流机构对所述边坡模型进行降雨；

根据试验设计的振动频率、振幅及振动位置，通过所述***振动机构对所述边坡模型施加振动；

根据试验需要适时取出所述边坡模型中的所述开挖块体；

试验过程中，观测记录所述边坡模型的变形和破坏情况，并采集所述边坡模型的变形数据。

作为优选，在堆砌所述边坡模型前，对所述降雨渗流机构中的雨滴粒径、均匀度和降雨强度进行率定；

堆砌所述边坡模型时，所述岩块之间的缝隙采用润滑剂填充，并埋设监测应变传感器、含水率传感器、加速度传感器；

通过所述水平加载机构对所述边坡模型施加水平应力时，通过压板对所述边坡模型进行水平加载，通过电阻式微型土压力计采集压板的应力变化；

通过所述降雨渗流机构对所述边坡模型进行降雨时，首先在水桶储备足量的试验用水，记录流量表的初始值，启动水泵，通过流量调节阀调节控制雨量，开始降雨试验；

通过所述***振动机构对所述边坡模型施加振动时，先开启振动电机，控制振动频率和振幅，并调节支柱以控制振动杆的位置，继而控制边坡模型的振动位置；

试验过程中，通过所述模型箱体的前侧板上的坐标网格观测记录所述边坡模型的变形和破坏情况，通过埋设的传感器随时采集所述边坡模型的变形数据。

本申请实施例中提供的一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果或优点：

本申请的岩质边坡开挖模型试验装置能够进行降雨渗流因素(不同降雨强度、降雨持时)、***振动因素(振幅、频率)及开挖卸荷因素(不同分级开挖、边坡坡态)影响下的岩质边坡模型试验研究，揭示降雨渗流和***振动耦合作用下岩质边坡开挖的失稳机理。通过建立水平加载机构可为边坡提供水平荷载，以此来模拟现场边坡的初始应力场，解决了以往模型试验中边坡初始应力场不符合实际的问题。通过在边坡模型预留开挖面模拟边坡开挖卸荷，操作简单，可避免人为扰动对模型试验的影响。通过***振动机构振击边坡模型，可模拟边坡模型不同振幅、不同频率的***工况。可研究降雨因素(不同降雨强度、降雨持时)、***因素(不同振动振幅、频率)、开挖因素(不同分级开挖、边坡坡态)情况下的矿山边坡稳定性的情况。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，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的附图。

图1为本申请实施例提供的多场耦合作用下岩质边坡开挖模型试验装置的结构主视图；

图2为本申请实施例提供的多场耦合作用下岩质边坡开挖模型试验装置的结构右视图。

(附图中各标号代表的部件依次为：1边坡模型；2开挖块体；3模型箱体；4万向轮；5排水管；6止水阀；7降雨支架；8喷头；9分管路；10供水管路；11流量调节阀；12流量表；13软管；14水泵；15水桶；16振动电机；17振动杆；18支柱；19振动底座；20液压设备；21压力管；22油缸；23固定支座；24压板；25坐标网格；26电阻式微型土压力计；27电阻应变测试仪)

具体实施方式

为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

参见附图1～2，本申请提供的降雨渗流和***振动耦合作用下岩质边坡开挖模型试验装置，包括：模型箱体、模型箱体顶部的降雨渗流机构、模型箱体右侧的***振动机构和模型箱体左侧的水平加载机构。

一种降雨渗流和***振动耦合作用下岩质边坡开挖模型试验装置的总体实施方式：

1.建立了降雨渗流机构，通过流量调节阀11调节不同压力下的喷头8流量来模拟降雨，可满足不同降雨强度和不同降雨持时的降雨渗流工况。

2.建立了***振动机构，通过振动电机16推动振动杆17产生不同振动频率和振幅，可进行边坡模型1的***振动工况模拟。

3.建立了水平加载机构，通过压板24给边坡模型1提供水平推力，较真实地模拟了现场边坡的初始应力场，解决了以往模型试验中边坡初始应力场不符合实际的问题。

4.边坡模型1通过预留开挖面，直接将开挖块体2拿去模拟开挖卸荷工况，操作简便并不受其他工况影响。

5.降雨渗流、***振动等机构相互独立、互不干扰，可根据试验需要开展降雨渗流、***振动或相互耦合作用下的岩质边坡模型试验研究。

6.模型箱体3正面装有透明的钢化玻璃，上面设置有坐标网格25，在降雨滑坡试验过程中，能够以坐标网格25为参照，准确观测边坡模型1变形破坏过程，记录边坡模型1的位移、降雨入渗深度及滑动面位置。

7.模型箱体3底部装有万向轮4，便于移动。

试验设备的组装方式

参加附图1，边坡模型1放置在模型箱体3内，由重晶石粉、石英砂及铁粉为骨料的预制块体堆砌而成。边坡模型1内含开挖块体2，通过预留开挖面可在试验过程中随时取出开挖块体2，实现边坡模型1的开挖卸荷。

模型箱体3采用高强度不锈钢焊接而成，模型箱体3正面用钢化玻璃制作，四周孔隙均用密封胶填充。模型箱体3正面还设置坐标网格25，通过坐标网格25观测边坡模型1变形破坏过程，记录边坡模型1位移及滑动面位置。模型箱体3底部装有若干个万向轮4，万向轮4通过螺栓连接在模型箱体3底部。模型箱体3右侧底部设有排水孔，并在排水孔外侧连接有排水管5，排水管5上设置有止水阀6。

模型箱体3顶部设置有降雨渗流机构，降雨渗流机构由降雨支架7、喷头8、分管路9、供水管路10、流量调节阀11、流量表12、软管13、水泵14以及水桶15组成。降雨支架7采用不锈钢制作，并通过螺栓固定在模型箱体3的顶部。降雨支架7上绑扎有分管路9，分管路9末端设置有喷头8。分管路9和供水管路10均采用的PVC承压管，供水管路10端部分出若干分管路9，所有管路连接均采用热熔处理。供水管路10通过绑扎软管13连接在水桶15内的水泵14上，水泵14可以给降雨渗流机构提供动力，水桶15用来储备试验用水。其中供水管路10上还设置有流量调节阀11和流量表12，可调节降雨量大小。

模型箱体3右侧设置有***振动机构，***振动机构包括振动电机16、振动杆17、支柱18及振动底座19。其中振动电机16通过支柱18焊接在振动底座19上。支柱18采用可伸缩的设计，可通过调节支柱18高度来实现边坡模型1不同位置***振动的模拟。振动底座19固定于模型箱体3的右下侧，与模型箱体3形成整体。振动杆17采用高强度金属钢制作，右端与振动电机16相连。振动电机16提供不同频率和振幅的振动能量，推动振动杆17左端直接作用在边坡模型1右侧，实现***振动模拟。

模型箱体3左侧设置有水平加载机构，水平加载机构由液压设备20、压力管21、油缸22、固定支座23及压板24组成。其中液压设备20通过固定支座23设置在模型箱体3的左下侧，油缸22通过压力管21连接液压设备20上部，油缸22焊接在模型箱体3的左侧上部。通过液压设备20改变压力管21中的油压，来调节油缸22内的活塞，控制压板24向左或右移动，可模拟现场边坡的初始应力场。

参见附图2，压板24四周均设置有密封圈，防止边坡模型1与模型箱体3侧面相互渗水。上述的压板24上安装有若干个电阻式微型土压力计26，通过电阻应变测试仪27读取电阻式微型土压力计26中压力的变化，便于控制加载水平初始应力的大小。

在进行降雨渗流和***振动耦合作用下岩质边坡开挖模型试验方法时，步骤如下：

1.根据边坡模型1的尺寸大小首先准备好用于制作的骨料，并通过力学试验确定骨料的配合比后，制作边坡模型1的岩块。

2.在边坡模型1堆砌前，对降雨渗流机构中雨滴粒径、均匀度和降雨强度等指标进行率定。

3.根据试验设计的边坡模型1堆砌岩块，岩块之间的缝隙采用润滑剂填充，并埋设监测应变、含水率、加速度等变形破坏特征的传感器。

4.完成边坡模型1的堆砌后，根据试验方案中设定的压力值，开启水平加载机构，通过压板24对边坡模型1进行水平加载，模拟边坡的初始应力场，其中电阻式微型土压力计26连接有电阻应变测试仪27进行采集压力变化。

5.根据试验设计降雨量，首先在水桶15储备好试验用水，记录流量表12的初始值，启动水泵14，通过流量调节阀11调节控制雨量，开始降雨试验。

6.开启振动电机16控制振动频率和振幅，并调节支柱18控制振动杆17的位置，精细控制边坡模型1的振动位置。

7.根据试验需要，可适时取出边坡模型1中的开挖块体2，实现开挖卸荷的模拟。

8.试验过程中可通过模型箱体3前面的坐标网格25观测记录边坡模型1的变形和破坏情况，可通过埋设传感器外接输出端口随时采集边坡模型1的变形数据。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种多场耦合作用下岩质边坡开挖模型试验装置，其特征在于，包括：模型箱体、降雨渗流机构、***振动机构及水平加载机构，其中，

所述模型箱体用于装载边坡模型；所述模型箱体的顶部敞口，底部开设排水孔；所述模型箱体设置有透明材质的前侧板；

所述降雨渗流机构用于产生降雨到所述边坡模型上，以模拟降雨状况；

所述***振动机构用于产生振动，并振动作用在所述边坡模型上，以模拟***状况；

所述水平加载机构用于施加水平荷载到所述边坡模型上，以模拟岩质边坡的初始应力场；

所述排水孔设置在所述模型箱体的底板右侧位置，所述排水孔连接有排水管，所述排水管上设置有止水阀；

所述模型箱体的前侧板为钢化玻璃，所述前侧板与所述模型箱体的底板、左侧板及右侧板之间的孔隙通过密封胶填充；

所述前侧板上设置有坐标网格；

所述模型箱体的底部设置若干万向轮；

所述降雨渗流机构包括：降雨支架、若干喷头、分管路、供水管路、流量调节阀、流量表、水泵及水桶，

所述降雨支架固定在所述模型箱体的顶部；

若干所述喷头固定在所述降雨支架上；

所述喷头通过所述分管路连通所述供水管路；

所述供水管路通过软管连接所述水泵的输出端；

所述水泵的输入端连通所述水桶；

所述流量调节阀和所述流量表设置在所述供水管路上；

所述***振动机构包括：振动底座、多根支柱、振动电机及振动杆，

所述振动底座固定在所述模型箱体的右端下部；

多根所述支柱设置在所述振动底座上，所述支柱为可伸缩结构；

所述振动电机固定在多根所述支柱上；

所述振动杆的一端固定在所述振动电机的输出端，另一端抵靠所述边坡模型的右侧，使所述振动电机产生的不同频率和振幅的振动传递给所述边坡模型；

所述水平加载机构包括：液压设备、油缸、压板，

所述液压设备通过固定支座设置在所述模型箱体的左端下部；

所述油缸固定在所述模型箱体的左端上部；所述液压设备通过压力管连接所述油缸，以输送高压油至所述油缸；

所述压板设置在所述模型箱体内，抵靠所述边坡模型的左侧；所述油缸的活塞杆连接所述压板，以带动所述压板向所述边坡模型施加水平压应力；

所述压板与所述模型箱体之间设置有密封圈；

所述压板上设置有若干电阻式微型土压力计；

所述电阻式微型土压力计连接有电阻应变测试仪，以发送所述压板加载的水平应力值到所述电阻应变测试仪；

所述边坡模型设置有开挖块体，通过预留开挖面可在试验过程中随时取出所述开挖块体。

2.如权利要求1所述的多场耦合作用下岩质边坡开挖模型试验装置，其特征在于，所述边坡模型通过重晶石粉、石英砂及铁粉为骨料的预制块体堆砌而成。

3.一种多场耦合作用下岩质边坡开挖模型试验方法，其特征在于，通过权利要求1~2任一项所述多场耦合作用下岩质边坡开挖模型试验装置实现，包括以下步骤：

根据所述边坡模型的尺寸确定骨料的用量，通过力学试验确定骨料的配合比，运用所述骨料制作岩块；

通过所述岩块堆砌出试验设计的所述边坡模型；

根据试验设计的压力值，通过所述水平加载机构对所述边坡模型施加水平应力；

根据试验设计的降雨量，通过所述降雨渗流机构对所述边坡模型进行降雨；

根据试验设计的振动频率、振幅及振动位置，通过所述***振动机构对所述边坡模型施加振动；

根据试验需要适时取出所述边坡模型中的所述开挖块体；

试验过程中，观测记录所述边坡模型的变形和破坏情况，并采集所述边坡模型的变形数据。

4.如权利要求3所述的多场耦合作用下岩质边坡开挖模型试验方法，其特征在于，

在堆砌所述边坡模型前，对所述降雨渗流机构中的雨滴粒径、均匀度和降雨强度进行率定；

堆砌所述边坡模型时，所述岩块之间的缝隙采用润滑剂填充，并埋设监测应变传感器、含水率传感器、加速度传感器；

通过所述水平加载机构对所述边坡模型施加水平应力时，通过压板对所述边坡模型进行水平加载，通过电阻式微型土压力计采集压板的应力变化；

通过所述降雨渗流机构对所述边坡模型进行降雨时，首先在水桶储备足量的试验用水，记录流量表的初始值，启动水泵，通过流量调节阀调节控制雨量，开始降雨试验；

通过所述***振动机构对所述边坡模型施加振动时，先开启振动电机，控制振动频率和振幅，并调节支柱以控制振动杆的位置，继而控制边坡模型的振动位置；

试验过程中，通过所述模型箱体的前侧板上的坐标网格观测记录所述边坡模型的变形和破坏情况，通过埋设的传感器随时采集所述边坡模型的变形数据。