[发明专利]模拟寒区露天采场边坡失稳的动态扰动试验机系统及方法

权利要求书

1.一种模拟寒区露天采场边坡失稳的动态扰动试验机系统，包括底座和控制装置，其特征在于：还包括可视冻融环境箱、加载装置、降雨加湿装置、图像采集装置以及分布式光纤监测装置，所述分布式光纤监测装置设置在采场边坡物理模型中，所述图像采集装置与所述可视冻融环境箱相对设置，所述可视冻融环境箱设置在底座上，所述采场边坡物理模型通过模型架设置在所述可视冻融环境箱内，所述可视冻融环境箱的顶部设置有降雨加湿装置的出水机构，所述可视冻融环境箱的底部连接有回水管，所述回水管与所述降雨加湿装置的循环机构相连接，所述循环机构安装在底座上，所述加载装置包括爆破地震波加载机构和静力加载机构，所述静力加载机构安装在模型架上并与所述采场边坡物理模型的顶部相对设置用于提供垂直应力的施加，所述爆破地震波加载机构设置在可视冻融环境箱的两侧用于提供震动波，所述可视冻融环境箱、所述加载装置、所述降雨加湿装置、所述图像采集装置以及所述分布式光纤监测装置均与所述控制装置电连接；

箱架内设置有限位机构，所述限位机构包括若干固定螺杆、限位螺母以及刚性分配板，所述刚性分配板设置在若干固定螺杆上，所述刚性分配板两侧的固定螺杆上螺纹连接有限位螺母，所述刚性分配板与所述采场边坡物理模型的坡脚相对设置；

所述模型架包括底板、侧板以及顶板，所述顶板放置在采场边坡物理模型的坡顶，所述侧板垂直设置在底板的一端，所述底板两侧设置有延长部，所述底板底部设置有滑块，所述滑块设置在箱架底部的滑轨上；

所述爆破地震波加载装置用于模拟采场爆破应力波效应，为爆源近场处的高频应力波，加载装置施加的动态荷载为等效缩小的原型地震波或简化的变频幅循环扰动荷载，作用于边坡岩体，诱发局部岩体变形破坏进而导致边坡失稳，所述爆破地震波加载机构包括水平应力加载缸和伺服作动器，所述伺服作动器安装在底座上并穿过箱架一侧与所述刚性分配板相对设置，所述水平应力加载缸安装在底座上，所述水平应力加载缸的伸缩端穿过箱架的另一侧并与所述采场边坡物理模型相对设置，所述水平应力加载缸和伺服作动器均与控制装置相连接；

所述静力加载机构包括龙门架、安装在龙门架顶部的重力加载缸以及辊架，所述辊架放置在顶板上并与所述重力加载缸相对设置，所述龙门架的底部固定在延长部，所述重力加载缸与控制装置相连接。

2.根据权利要求1所述的一种模拟寒区露天采场边坡失稳的动态扰动试验机系统，其特征在于：所述可视冻融环境箱包括箱架、透明侧板、制冷制热一体机以及交换管道，所述交换管道固定在箱架的内侧，所述箱架的顶部固定有制冷制热一体机，所述制冷制热一体机与所述交换管道相连接，所述透明侧板安装在箱架的两侧，所述制冷制热一体机与所述控制装置电连接。

3.根据权利要求2所述的一种模拟寒区露天采场边坡失稳的动态扰动试验机系统，其特征在于：所述出水机构包括喷淋板，所述喷淋板设置在箱架的顶部，所述喷淋板底部开设有阵列分布的出水孔；

所述循环机构包括循环泵和储水箱，所述储水箱内设置有供水泵，所述供水泵通过供水管与所述喷淋板相连接，所述供水管上设置有供水电磁阀，所述循环泵与所述回水管相连接，所述循环泵与所述储水箱相连接。

4.根据权利要求3所述的一种模拟寒区露天采场边坡失稳的动态扰动试验机系统，其特征在于：所述图像采集装置为高速相机或摄像机用于记录台阶边坡渐进失稳过程，通过控制装置对采集的图像进行位移场和应变场分析，再现单台阶破坏后联动多台阶破坏的宏细观物理过程，所述图像采集装置与所述控制装置相通讯。

5.根据权利要求4所述的一种模拟寒区露天采场边坡失稳的动态扰动试验机系统，其特征在于：所述分布式光纤监测装置包括若干分布式光纤机构，所述分布式光纤机构设置在采场边坡物理模型的每个台阶内，用于监测不同位置的震动加速度、应力、应变、温度、湿度以及孔压，所述分布式光纤机构包括若干并列设置的光纤传感器，所述分布式光纤机构通过光纤采集器与所述控制装置相连接。

6.一种基于上述权利要求1-5任意一项的一种模拟寒区露天采场边坡失稳的动态扰动试验机系统的试验方法，其特征在于，具体步骤如下：

步骤S1：制作采场边坡物理模型，参照现场台阶边坡和组合台阶边坡的几何形态确定室内缩尺度的采场边坡物理模型具体几何尺寸，以几何尺寸、密度和弹性模量作为基本量纲，建立采场边坡物理模型与矿山边坡原型的相关系；根据相似原理和原岩物理力学参数，通过材料配比和相关力学试验参数确定采场边坡物理模型相似材料，制备采场边坡物理模型；

步骤S2：针对制备好的采场边坡物理模型，在采场边坡物理模型拍摄表面喷涂耐低温的玻璃微珠漆，制作人工散斑，构建不同的感兴趣观测区域得到带有散斑的采场边坡物理模型；

步骤S3：将带有散斑的采场边坡物理模型放置在模型架上，并将模型架放置在可视冻融环境箱内，调整限位机构，使得采场边坡物理模型的坡脚与刚性分配板接触，刚性分配板与伺服作动器相接触；

步骤S4：根据试验环境和试验要求调整图像采集装置，通过标定设备对调整后图像采集装置进行标定，使采场边坡物理模型在图像采集装置的拍摄范围内；

步骤S5：通过降雨加湿装置对采场边坡物理模型进行喷淋同时实时监测采场边坡物理模型的湿度，直到采场边坡物理模型达到水饱和状态；

步骤S6：设置冻融周期、冻融循环次数以及冻融温度，对采场边坡物理模型进行冻融试验；

步骤S7：通过静力加载机构进行重力加载，通过爆破地震波加载机构对坡脚处进行爆破地震波加载，同时通过图像采集装置进行图像采集，通过控制装置对采集的图像进行位移场和应变场分析，再现单台阶破坏后联动多台阶破坏过程，记录应变局部化带的扩展过程，动态反映组合台阶边坡的失稳过程；通过分布式光纤机构采集采场边坡物理模型内部在频发震动作用下的应力场、位移场、温度场、孔隙水压力场及加速场的变化数据，分析变化规律，并对采集的物理量进行光纤成像处理，反映采场边坡物理模型内部结构劣化致溃的物理过程。