[发明专利]顺层岩质边坡地下开挖模型试验系统及试验方法

权利要求书

1.一种顺层岩质边坡地下开挖模型试验系统，其特征是：该试验系统包括边坡模型试验架(1)、恒温控制箱(2)、高速摄像机(3)、侧压力加载装置、数据采集器(5)和电脑(6)，所述边坡模型试验架(1)内置岩层模型(15)，所述岩层模型(15)内置开挖体模型(16)，所述边坡模型试验架(1)置于恒温控制箱(2)内，所述侧压力加载装置的施力端作用于岩层模型(15)的一侧，所述数据采集器(5)一端连接位于岩层模型(15)内的传感器，另一端连接电脑(6)，所述侧压力加载装置受控于电脑(6)，所述高速摄像机(3)用于拍摄岩层模型(15)的渐进破坏过程并将图像传输至电脑(6),所述边坡模型试验架(1)由一个矩形框架以及下方的弯折式升降装置组成，所述矩形框架由侧向挡板(7)、底板(8)、反力挡板(9)、顶板(11)围成，所述岩层模型(15)位于矩形框架内，所述弯折式升降装置包括支座(12)，所述支座(12)的一端与矩形框架铰接，另一端通过弯折杆(13)与矩形框架连接，通过所述弯折杆(13)的伸缩可实现矩形框架一端的升降,所述岩层模型(15)为采用相似材料预制的长方体，相似材料由石蜡、石膏、水、砂组成，开挖体模型(16)采用与岩层模型(15)相同的相似材料进行预制，并在开挖体模型(16)的前后两侧设置电加热片,所述侧压力加载装置包括位于所述矩形框架的一侧的移动加载板(10)，所述移动加载板(10)用于推顶所述岩层模型(15)，还包括夹在移动加载板(10)和反力挡板(9)之间的加载气囊(17)，所述加载气囊(17)通过高压输气管连接气压控制器(4)，所述气压控制器(4)受控于电脑(6)，所述恒温控制箱(2)用于控制温度变化，其四面由透明有机玻璃构成，所述传感器为拉线式位移传感器,所述移动加载板(10)截面为工字型，所述移动加载板(10)的上下侧分别设有定位凸起(19)，所述顶板(11)和底板(8)上分别设有容纳所述定位凸起(19)的长条形的滑槽(20)，所述移动加载板(10)借助于定位凸起(19)沿着滑槽(20)的长度方向移动。

2.根据权利要求1所述的一种顺层岩质边坡地下开挖模型试验系统的试验方法，其特征是:包括以下步骤:

1)根据相似比确定岩层模型(15)的物性参数和几何参数，通过不同温度下的力学试验确定相似材料的配合比，并配置相似材料；

2)在石蜡处于液态的温度下预制岩层模型(15)和开挖体模型(16)，并使其冷凝固结；

3)调整弯折杆(13)使矩形框架与支座(12)的夹角为零，调整气压控制器(4)使加载气囊(17)的气压为零，同时，使移动加载板(10)处于最左端，然后往底板(8)和顶板(11)涂抹润滑油；

4)往矩形框架分层装填预制好的岩层模型(15)和开挖体模型(16)，逐层埋设拉线式位移传感器，并在开挖体模型(16)前后两侧贴上电加热片；

5)架设好高速摄像机(3)，将高速摄像机(3)、气压控制器(4)、数据采集器(5)与电脑(6)进行相连，实现试验装置的最终连接；

6)缓慢调整气压控制器(4)使加载气囊(17)的气压逐渐增大，推动移动加载板(10)往右移动，使边坡模型的侧压力达到预定值，再调整弯折杆(13)使矩形框架与支座(12)的夹角达到预定的坡角；

7)通过电加热片使开挖体模型(16)迅速升温而软化、破碎，并使之从边坡整体模型中剥离；

8)待开挖后边坡变形稳定后，通过恒温控制箱(2)按照一定的温度间隔逐次提高温度，每升高一次温度，将该温度值保持一定的时间，待边坡变形稳定后，再次提升温度，直到边坡发生整体失稳破坏；

9)用数据采集器(5)获取边坡不同位置处的位移曲线，同时，利用高速摄像机(3)直观监测边坡的渐进破坏过程。