变角度空间块体滑落模型试验平台及其使用方法

摘要

本发明涉及岩土工程技术领域，具体涉及一种变角度空间块体滑落模型试验平台及其使用方法。本发明的平台，包括底板和倾斜台，底板与倾斜台通过旋转轴连接，底板上端设置有丝杆以及与丝杆连接的手轮，通过旋转手轮带动丝杆旋转，使倾斜台以旋转轴为中心旋转，在底板和倾斜台之间设置有角度标尺，准确测量底板与倾斜台之间的夹角，在倾斜台上设置有可以自由旋转的旋转台，在旋转台上设置锁钉，通过锁钉来调整旋转台角度，旋转台可连接不同摩擦系数的模具，底板下端设置有地脚，通过4个地脚的调节使底板保持水平。本发明使试验具有可重复性；针对数值模拟的结果，通过基于该发明基础上的相关试验，补充试验结果，使试验具有补充性与验证性。

说明书

技术领域

本发明涉及岩土工程技术领域，具体涉及一种变角度空间块体滑落模型试验平台及其使用方法。

背景技术

随着我国公路、铁路、隧道等工程的不断发展，岩体、岩块的稳定性和安全性问题成为理论研究和现场施工中重点关注的焦点和难点。碎裂岩体是工程中常见的不良岩体，岩体既不是连续体也不是均匀体，岩石内部存在大量微孔隙、微裂纹等内部缺陷，并在不同程度上存在非连续体。工程开挖扰动过程中极易发生岩体结构损伤，有时甚至诱发工程灾害，均与岩体结构有关。加上由于对岩体扰动区形成、损伤控制和灾害机理认识还不够彻底，这些都给岩石扰动区损伤控制、稳定性和灾害的预测预报带来了极大的困难。因此，对于岩体开挖工作面周围岩体及其内部地质结构的准确把握至关重要。研究岩体工程扰动过程，准确认识真实岩体结构面的时空演变规律，对于地下工程和资源的开发和利用，保护地面建筑物与构筑物、地表均有十分重要的工程价值。

块体稳定性分析模型实验研究现状：通常块体稳定性分析采用方法包括基于极射赤平投影的结构分析方法、基于极射赤平投影的统计分析方法和关键块体分析方法。块体理论认为，坚硬和半坚硬的岩体往往被不同序次、不同类型、不同方向、不同性质的结构面切割成大小不一、形状各异的空间镶嵌块体。在天然状态下，这些空间块体处于静力平衡状态。人类的工程开挖再次切割这些空间块体，并使工程开挖面附近的岩体产生应力重分布。在重分布应力和工程作用力的联合作用下，位于开挖面附近的某些空间块体将失去原有的静力平衡状态，成为关键块体。由于关键块体的失稳运动，导致连锁破坏，从而导致工程岩体的整体破坏。

研究结构面以及块体滑落主要有三种技术路线，一是室外岩体力学试验，二是经验估计方法，三是室内模拟试验。在室内模拟方面，有模拟锯齿结构面的爬坡现象以及水波状结构面剪切滑移，都针对于某一种特定结构面情况，研究结构面的性质，但未对微小的结构面以及在其上面的碎裂岩块有充分的实物模拟方法及可靠性的验证，在基于极限平衡法的数学模型基础上，对处于结构面上的碎裂岩块以某一固定的角度在重力场的作用下可以进行静力方法的分析。本试验的滑落块体所接触的面模拟为Ⅴ级结构面，微小、结构连续性差的小节理，在非贯通的岩体中有着较重要的作用。

目前研究岩体中的可移动块体大都采取数值模拟的分析方法，根据结构面及岩块的一些参数来判定滑落角度以及滑落过程，也有部分专家学者通过实验来块体滑落的过程，但实验平台有着以固定的几个角度转动的不足，由于实际工程中块体的滑落角度有着随机性，因而无法模拟岩块空间任意角度的滑落。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术存在的不足，提供一种变角度空间块体滑落模型试验平台及其使用方法。 

本发明的变角度空间块体滑落模型试验平台，包括底板和倾斜台，底板与倾斜台通过旋转轴连接，底板上端设置有丝杆以及与丝杆连接的手轮，通过旋转手轮带动丝杆旋转，使倾斜台以旋转轴为中心旋转，实现倾斜台与底板的角度范围为0～90°，在底板和倾斜台之间设置有角度标尺，准确测量底板与倾斜台之间的夹角，在倾斜台上设置有可以自由旋转的旋转台，在旋转台上设置锁钉，通过锁钉来调整旋转台角度，旋转台可连接不同摩擦系数的模具，底板下端设置有地脚，通过4个地脚的调节使底板保持水平。

本发明的变角度空间块体滑落模型试验平台的使用方法，步骤如下：

（1）通过调整地脚使变角度空间块体滑落模型试验平台底板保持水平；

（2）将倾斜台和旋转台的角度调为0°，将装有块体的模具放到旋转台上；

（3）先将旋转台旋转到某一角度并用锁钉固定，记录当前的旋转台角度读数，通过转动手轮带动丝杆旋转，使倾斜台以旋转轴为中心缓慢转动，直到碎裂岩块滑落时，立刻停止丝杆的转动，记录角度标尺的刻度读数，得到一组块体滑落时的两个角度；

（4）以等角度差逆时针转动旋转台，重复步骤（3）的试验过程，得到块体滑落时的角度数据，绘制出块体临界滑落曲线；

（5）改变模具的摩擦系数进行试验，重复步骤（1）～（4），得到块体在不同摩擦系数环境下的临界滑落曲线。

 

与现用技术相比，本发明的特点及其有益效果是：

1.本发明可以模拟块体在空间中所处的任意位置，并且通过两个角度的标示读出其所在的空间角度，具有准定量的性质，改善了由于构造等因素造成的有限个角度转动模拟的情况，使角度的改变更加灵活，结构面产状角度的模拟更加贴近实际；

2.本发明针对块体滑落的一系列试验提供了一个平台，使试验具有可重复性；针对数值模拟的结果，通过基于该发明基础上的相关试验，补充试验结果，使试验具有补充性与验证性。

附图说明

图1为变角度空间块体滑落模型试验平台结构示意图，其中1底板，2倾斜台，3旋转台，4地脚，5丝杆，6角度标尺，7锁钉，8手轮，9模具；

图2为角度标尺的结构示意图；

图3为旋转台的结构示意图；

图4为模具的结构示意图。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作详细说明，但本发明的保护范围不仅限于下述的实施例：

下述实施例采用的变角度空间块体滑落模型试验平台，包括尺寸为1200mm×1000mm×5mm的底板1和尺寸为800mm×600mm×5mm倾斜台2，底板1与倾斜台2通过旋转轴连接，底板上端设置有丝杆5以及与丝杆5连接的手轮8，在底板1和倾斜台2之间设置有0～90°的角度标尺6，在倾斜台2上设置有可以自由旋转的尺寸为Φ500mm×5mm的旋转台3，在旋转台3上设置锁钉7，模具9固定在旋转台3上，底板1下端设置有地脚4。

变角度空间块体滑落模型试验平台的使用方法，

实施例1：选用接触面为花岗岩的楔形模具，块体为花岗岩材质，模具与块体的之间的摩擦系数为0.57，

(1)通过调整地脚4使变角度空间块体滑落模型试验平台底板1保持水平；

(2)将倾斜台2与底板的角度调整为0°，同时将旋转台3的角度调为0°，将装有块体的模具9放到旋转台3上；

 (3)先将旋转台3旋转到0°并用锁钉7固定，通过转动手轮8带动丝杆5旋转，使倾斜台2以旋转轴为中心缓慢转动，直到块体滑落时，立刻停止丝杆5的转动，记录角度标尺6的刻度读数为25°；

(4)以10°角度差逆时针转动旋转台3，重复步骤（3）的试验过程，得到块体滑落时的角度数据，绘制出块体临界滑落曲线；

旋转角(°)0102030倾斜角(°)25262429

40506070803237496474

实施例2：选用接触面为砂纸的楔形模具，块体为混凝土材质，模具与块体的之 间的摩擦系数为0.82，

（1）通过调整地脚4使变角度空间块体滑落模型试验平台底板1保持水平；

（2）将倾斜台2与底板的角度调整为0°，同时将旋转台3的角度调为0°，将装有块体的模具9放到旋转台3上；

 （3）先将旋转台3旋转到0°并用锁钉7固定，通过转动手轮8带动丝杆5旋转，使倾斜台2以旋转轴为中心缓慢转动，直到块体滑落时，立刻停止丝杆5的转动，记录角度标尺6的刻度读数为28°；

（4）以10°角度差逆时针转动旋转台3，重复步骤（3）的试验过程，得到块体滑落时的角度数据，绘制出块体临界滑落曲线；

旋转角(°)0102030倾斜角(°)28282733

40506070803536496679