用于岩质边坡水致劣化研究的模型试验装置及方法

摘要

本发明提供的用于岩质边坡水致劣化研究的模型试验装置及方法，涉及岩土力学技术领域，装置包括应力加载装置、裂纹扩展检测装置和注水装置，应力加载装置用于设于岩质边坡模型试样的上方，裂纹扩展检测装置用于设于岩质边坡模型试样上，岩质边坡模型试样设有上端裂缝，上端裂缝与水平面之间具有夹角，应力加载装置能对岩质边坡模型试样进行应力加载，裂纹扩展检测装置用于检测岩质边坡模型试样是否进入裂纹非稳定扩展阶段，注水装置用于向上端裂缝注入液体；方法为：获取岩质边坡模型试样；对岩质边坡模型试样进行应力加载至试样进入裂纹非稳定扩展阶段，向上端裂缝内注入液体。本发明提供的试验装置及方法极大地缩短了试验时间。

说明书

技术领域

本发明涉及岩土力学技术领域，特别是涉及一种用于岩质边坡水致劣化研究的模型试验装置及方法。

背景技术

在各类自然灾害中，滑坡属于其中巨大的地质灾害，而降雨是触发滑坡、泥石流等地质灾害的主要诱因。在我国，每年由于降雨引起的山体滑坡造成的损失非常巨大。对此，边坡稳定性的研究成为一个十分重要的课题。其中，针对不同岩土类型、不同坡度的边坡进行水致劣化模型试验分析，是非常必要的，可以为提高边坡稳定性提供不可缺少的重要数据。常用的研究方法有理论分析、实际观测、数值模拟与物理模型试验四种，其中物理模型试验作为一种形象、直观、准确的物理研究手段，在揭示滑坡演化规律与失稳机制等方面已得到了广泛的应用。

传统的岩质滑坡的物理模型试验中，通常有两种方式来促进其破坏。其中一种方式是通过千斤顶逐级加载促进模型试样破坏的方式来模拟边坡的失稳过程，但是这种方式忽略了水对岩石的劣化作用，不能完全再现该类边坡失稳的机理；另一种是通过人工降雨的方式来模拟真实降雨场景，该方案能够很好的反映降雨对边坡的破坏机理，但由于水岩作用是极其缓慢的过程，导致该方案的实验周期及其漫长。

因此需要研发出一套既能够满足对岩质边坡水致强度劣化下失稳规律的研究需求，也能够满足降低模型试验时长需求的设备及方法。

发明内容

本发明的目的是提供一种用于岩质边坡水致劣化研究的模型试验装置及方法，以解决上述现有技术存在的问题，能够极大地缩短试验时间。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

本发明提供了一种用于岩质边坡水致劣化研究的模型试验装置，包括应力加载装置、裂纹扩展检测装置和注水装置，所述应力加载装置用于设置于所述岩质边坡模型试样的上方，所述裂纹扩展检测装置用于设置于所述岩质边坡模型试样上，所述岩质边坡模型试样的上端设有上端裂缝，所述上端裂缝与水平面之间具有夹角，所述应力加载装置能够对所述岩质边坡模型试样进行应力加载，所述裂纹扩展检测装置用于检测所述岩质边坡模型试样是否进入裂纹非稳定扩展阶段，所述注水装置用于向所述上端裂缝注入液体。

优选的，所述裂纹扩展检测装置包括声发射设备和/或应变检测装置，所述声发射设备和/或所述应变检测装置用于固定连接于所述岩质边坡模型试样的锁固段。

优选的，本发明提供的用于岩质边坡水致劣化研究的模型试验装置还包括模型框架和所述岩质边坡模型试样，所述岩质边坡模型试样设置于所述模型框架内，所述应力加载装置固定连接于所述模型框架的顶端，所述模型框架能够为所述岩质边坡模型试样提供支撑。

优选的，本发明提供的用于岩质边坡水致劣化研究的模型试验装置还包括密封层，所述岩质边坡模型试样具有第一侧面和第二侧面，所述上端裂缝的两端贯穿所述第一侧面和所述第二侧面，所述密封层涂设于所述第一侧面和所述第二侧面，所述裂纹扩展检测装置固定连接于所述密封层远离所述岩质边坡模型试样的一侧，所述密封层能够阻挡所述上端裂缝和所述锁固段内的液体流至所述裂纹扩展检测装置。

优选的，所述岩质边坡模型试样为三段式岩质边坡模型试样。

本发明还提供了一种用于岩质边坡水致劣化研究的方法，包括：

S1、获取岩质边坡模型试样，在所述岩质边坡模型试样上安装裂纹扩展检测装置；所述岩质边坡模型试样的上端设有上端裂缝，所述上端裂缝与水平面之间具有夹角；

S2、对所述岩质边坡模型试样进行应力加载，所述裂纹扩展检测装置检测所述岩质边坡模型试样是否进入裂纹非稳定扩展阶段，当所述裂纹扩展检测装置检测到所述岩质边坡模型试样进入所述裂纹非稳定扩展阶段时向所述上端裂缝内注入液体，直至所述岩质边坡模型试样产生表观裂纹及失稳现象。

优选的，S1还包括：获得与所述岩质边坡模型试样结构和物理力学参数均相同的边坡数值模拟模型，通过对所述边坡数值模拟模型进行有限元分析获得所述边坡数值模拟模型的裂纹非稳定扩展起点所对应的应力值；根据所述边坡数值模拟模型的裂纹非稳定扩展起点所对应的应力值设计应力逐级加载方案，所述应力逐级加载方案中的最大应力值为所述边坡数值模拟模型的裂纹非稳定扩展起点所对应的应力值；

S2还包括：按照所述应力逐级加载方案对所述岩质边坡模型试样进行逐级加载。

优选的，将所述裂纹扩展检测装置安装于所述岩质边坡模型试样的锁固段区域；

所述裂纹扩展检测装置包括声发射设备和/或应变检测装置，所述声发射设备对所述岩质边坡模型试样应力加载过程中的声发射信息进行采集，所述声发射设备采集到所述声发射信息出现能量激增的现象时能够判定为所述岩质边坡模型试样的锁固段部位内部裂纹进入非稳定破裂阶段；所述应变检测装置对所述岩质边坡模型试样应力加载过程中的应变值进行采集，所述应变检测装置采集到所述岩质边坡模型试样的所述应变值出现加速变化时能够判定为所述岩质边坡模型试样的锁固段部位内部裂纹进入非稳定破裂阶段。

优选的，当所述声发射设备采集到所述声发射信息出现能量激增的现象时或所述应变检测装置采集的所述应变值出现加速变化时，加载于所述岩质边坡模型试样的应力值为裂纹非稳定扩展起点的实际应力值；

当所述声发射设备采集到所述声发射信息时出现能量激增的现象或所述应变检测装置采集的所述应变值出现加速变化时，保持以所述裂纹非稳定扩展起点的实际应力值对所述岩质边坡模型试样进行应力加载直至所述岩质边坡模型试样产生表观裂纹及失稳现象。

本发明相对于现有技术取得了以下技术效果：

本发明提供的用于岩质边坡水致劣化研究的模型试验装置和方法，先采用应力加载装置对岩质边坡模型试样进行应力加载，直至裂纹扩展检测装置检测到岩质边坡模型试样进入裂纹非稳定扩展阶段，此时向上端裂缝内注入液体，由于岩质边坡模型试样内部已经形成了大量细小的渗水通道，故能够极大的减少材料遇水劣化的时间，缩短了试验时间。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例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发明的一些实施例，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为实施例1中的用于岩质边坡水致劣化研究的模型试验装置的结构示意图（未加载岩质边坡模型试样）；

图2为实施例1中的用于岩质边坡水致劣化研究的模型试验装置的结构示意图（加载三段式岩质边坡模型试样）；

图3为实施例2中的用于岩质边坡水致劣化研究的方法的流程图；

100、用于岩质边坡水致劣化研究的模型试验装置；1、应力加载装置；2、裂纹扩展检测装置；201、声发射设备；202、应变检测装置；3、注水装置；4、上端裂缝；5、锁固段；6、模型框架；7、岩质边坡模型试样；701、第一侧面；702、第二侧面；8、密封层；9、下端软弱夹层；10、声发射信号采集系统；11、应变采集系统；12、反力盖板；13、导水管。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的目的是提供一种用于岩质边坡水致劣化研究的模型试验装置及方法，以解决上述现有技术存在的问题，能够极大地缩短试验时间。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

实施例1

如图1所示，本实施例提供一种用于岩质边坡水致劣化研究的模型试验装置100，包括应力加载装置1、裂纹扩展检测装置2和注水装置3，应力加载装置1用于设置于岩质边坡模型试样7的上方，裂纹扩展检测装置2用于设置于岩质边坡模型试样7上，岩质边坡模型试样7的上端设有上端裂缝4，上端裂缝4与水平面之间具有夹角，应力加载装置1能够对岩质边坡模型试样7的进行应力加载，裂纹扩展检测装置2用于检测岩质边坡模型试样7是否进入裂纹非稳定扩展阶段，注水装置3用于向上端裂缝4注入液体。其中，应力加载装置1优选为伺服控制装置，如千斤顶；上端裂缝4具有一定的深度且不是水平设置的，能够向上端裂缝4内进行注入液体，一般采用注入清水的方式。本实施例提供的用于岩质边坡水致劣化研究的模型试验装置100，先采用应力加载装置1对岩质边坡模型试样7进行应力加载，直至裂纹扩展检测装置2检测到岩质边坡模型试样7进入裂纹非稳定扩展阶段，裂纹扩展往往经历裂纹闭合阶段、弹性变形阶段、稳定破裂阶段、非稳定扩展阶段和峰后阶段五个阶段，裂纹扩展一旦进入非稳定扩展将对材料使用性能造成不可逆损伤，此时向上端裂缝4内注入液体，由于岩质边坡模型试样7内部已经形成了大量细小的渗水通道，故能够极大的减少材料遇水劣化的时间，缩短了试验时间。

作为本实施例的一种优选实施方式，注水装置3包括控制装置、水箱、水泵和导水管13，控制装置能够与裂纹扩展检测装置2通讯连接，且控制装置与水泵连接；水泵与水箱通过导水管13连通，水泵与上端裂缝4通过导水管13连通。当控制装置接收到裂纹扩展检测装置2检测到的产生初始裂纹的信号时，控制装置控制水泵开始工作，将水箱内的水抽至上端裂缝4内。控制装置能够通过控制水泵的开启与关闭、控制水泵的流量来控制注水量。或采用带有刻度线的水箱，能够通过刻度线控制注水量。

本实施例提供的用于岩质边坡水致劣化研究的模型试验装置100还包括模型框架6和岩质边坡模型试样7，岩质边坡模型试样7设置于模型框架6内，应力加载装置1固定连接于模型框架6的顶端，模型框架6能够为岩质边坡模型试样7提供支撑。模型框架6至少能够为岩质边坡模型试样7的底面和两个相对设置的侧面提供支撑。模型框架6优选为侧限装置，应力加载装置1固定连接于侧限装置的反力盖板12上。

作为本实施例的一种优选实施方式，岩质边坡模型试样7为三段式岩质边坡模型试样7。三段式岩质边坡模型试样7除设有上端裂缝4外，还具有一个下端软弱夹层9，下端软弱夹层9可以由岩质边坡模型试样7的侧面或底面朝上端裂缝4延伸，且上端裂缝4和下端软弱夹层9不相交。上端裂缝4和下端软弱夹层9之间的区域为锁固段5。下端软弱夹层9内可以填充软岩模拟材料，以更加真实地模拟三段式岩质边坡，从而提高实验的准确性。软岩模拟材料主要成分为粗砂或云母粉。需要说明的是，本实施例中的岩质边坡模型试样7还可以为其他任何能够监测或模拟滑坡现象的试样，如顺层直剪式滑坡和挡墙式滑坡等。

裂纹扩展检测装置2包括声发射设备201和/或应变检测装置202，声发射设备201和/或应变检测装置202用于固定连接于岩质边坡模型试样7的锁固段5。优选的，应变检测装置202为应变片。更为优选的，同时采用声发射设备201和应变检测装置202两种检测设备，声发射设备201和应变检测装置202均为多个，锁固段5设有多个声发射设备201和应变检测装置202，以提高检测的准确度，具体为当声发射设备201采集到声发射信息时出现能量激增的现象和/或应变检测装置202采集的应变值出现加速变化时，判定为岩质边坡模型试样7中的锁固段5进入裂纹非稳定扩展阶段。对应地设有声发射信号采集系统10和应变采集系统11，分别用于采集声发射信息和应力信息。

本实施例提供的用于岩质边坡水致劣化研究的模型试验装置100还包括密封层8，岩质边坡模型试样7具有第一侧面701和第二侧面702，第一侧面701和第二侧面702相对设置，上端裂缝4的两端贯穿第一侧面701和第二侧面702，密封层8涂设于第一侧面701和第二侧面702，裂纹扩展检测装置2固定连接于密封层8远离岩质边坡模型试样7的一侧，密封层8能够阻挡上端裂缝4和锁固段5内的液体流至裂纹扩展检测装置2。需要说明的是，可以在设有裂纹扩展检测装置2的第一侧面701和第二侧面702整个侧面涂设密封层8，也可以只在上端裂缝4和锁固段5所对应的部位涂设密封层8，只需保证上端裂缝4的液体不会由上端裂缝4靠近第一侧面701和第二侧面702的一端流出至裂纹扩展检测装置2、且液体由锁固段5的裂纹流出而流至裂纹扩展检测装置2上即可，避免水流浸入裂纹扩展检测装置2导致设备损坏，同时也能避免由于水流冲击而导致裂纹扩展检测装置2掉落而导致试验中断。

实施例2

本实施例提供一种用于岩质边坡水致劣化研究的方法，包括：

S1、获取岩质边坡模型试样7，在岩质边坡模型试样7上安装裂纹扩展检测装置2；岩质边坡模型试样7的上端设有上端裂缝4，上端裂缝4与水平面之间具有夹角；优选的，S1包括：（1）确定模型尺寸及搭建方案，具体为利用与岩质边坡材料相同或相似的材料，结合搭建的模型试验方案，制取岩质边坡模型试样7；（2）完成模型搭建及监测设备的安装，至少包括岩质边坡模型试样7的固定、应力加载装置1的固定及裂纹扩展检测装置2的固定。

S2、对岩质边坡模型试样7进行应力加载，裂纹扩展检测装置2检测岩质边坡模型试样7是否进入裂纹非稳定扩展阶段，当裂纹扩展检测装置2检测到岩质边坡模型试样7进入裂纹非稳定扩展阶段时向上端裂缝4内注入液体，直至岩质边坡模型试样7产生表观裂纹及失稳现象。

通过上述设置，能够极大的减少材料遇水劣化的时间，缩短了试验时间。

S1还包括：获得与岩质边坡模型试样7结构和物理力学参数均相同的边坡数值模拟模型，通过对边坡数值模拟模型进行有限元分析获得边坡数值模拟模型的裂纹非稳定扩展起点所对应的应力值；根据边坡数值模拟模型的裂纹非稳定扩展起点所对应的应力值设计应力逐级加载方案，应力逐级加载方案中的最大应力值为边坡数值模拟模型的裂纹非稳定扩展起点所对应的应力值；

其中，物理力学参数包括岩质边坡模型试样7的密度、弹性模量、泊松比、内摩擦角和单轴抗压强度等。可以通过FLAC/PFC/UDEC软件获得边坡数值模拟模型及边坡数值模拟模型的裂纹非稳定扩展起点所对应的应力值。

S2还包括：按照应力逐级加载方案对岩质边坡模型试样7进行逐级加载。避免首次加载时施加的应力过大而损坏岩质边坡模型试样7。

将裂纹扩展检测装置2安装于岩质边坡模型试样7的锁固段5区域；

裂纹扩展检测装置2包括声发射设备201和/或应变检测装置202，声发射设备201对岩质边坡模型试样7应力加载过程中的声发射信息进行采集，声发射设备201采集到声发射信息出现能量激增的现象时能够判定为岩质边坡模型试样7的锁固段5部位内部裂纹进入非稳定破裂阶段；应变检测装置202对岩质边坡模型试样7应力加载过程中的应变值进行采集，应变检测装置202采集到岩质边坡模型试样7的应变值出现加速变化时能够判定为岩质边坡模型试样7的锁固段5部位内部裂纹进入非稳定破裂阶段。

当声发射设备201采集到声发射信息出现能量激增的现象时或应变检测装置202采集的应变值出现加速变化时，加载于岩质边坡模型试样7的应力值为裂纹非稳定扩展起点的实际应力值；

当声发射设备201采集到声发射信息时出现能量激增的现象或应变检测装置202采集的应变值出现加速变化时，保持以裂纹非稳定扩展起点的实际应力值对岩质边坡模型试样7进行应力加载直至岩质边坡模型试样7产生表观裂纹及失稳现象。通过上述设置，能够准确地判断出岩质边坡模型试样7的锁固段5是否进入裂纹非稳定扩展阶段。

本实施例提供的用于岩质边坡水致劣化研究的方法极大地缩短了实验时间，对于寻找岩质边坡模的临滑前特征、启滑机制以及预防滑坡等具有重要的现实意义。其中，可以采用在岩质边坡模型试样7上设置压力传感器和位移传感器等方式进行压力和位移等的检测，从而获取所需要的数据。此数据获取方法为现有技术，此处不做赘述。

本发明中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。