一種凍融對順層巖質邊坡變形影響的模型試驗裝置的制作方法

本實用新型涉及一種凍融對順層巖質邊坡變形影響的模型試驗裝置，屬于地質工程領域，特別是凍融循環作用對順層巖質邊坡變形影響的試驗方法，適用于分析我國寒冷地區的順層巖質邊坡變形破壞機理及穩定性研究。

背景技術：

順層巖質邊坡穩定性問題是山區鐵路建設過程常見的工程地質問題之一，也是鐵路施工人員密切關注的重要問題之一。在我國北方地區，由于鐵路修建周期長，已開挖的順層巖質邊坡往往要經過多次反復凍融作用，由于凍脹作用對順層巖質邊坡變形及穩定性的影響機理較為復雜，且無類似邊坡工程變形特征及穩定性評價的經驗可供借鑒，因此研究凍融對順層巖質邊坡變形影響成為一個急需解決的問題。采用物理模擬試驗模型研究凍融作用對順層巖質邊坡變形的影響，具有操作方便、監測直觀等優點，對指導巖質邊坡穩定性評價及工程處治具有重要意義。

目前，關于凍融作用對順層巖質邊坡變形影響的模型試驗裝置及試驗方法的研究相對較少，大部分為天然狀態、降雨狀態或開挖狀態下順層巖質邊坡穩定性的影響研究。如中國實用新型專利“順層巖質邊坡滑移試驗系統” (授權公告號：CN204882545U，授權公告日：2015.12.16)，提供了一種順層巖質邊坡滑移試驗系統。如中國實用新型專利“順層巖質邊坡輕型加固構造”(授權公告號：CN201099861Y，授權公告日：2008.8.13)，公開了一種順層巖質邊坡輕型加固構造，它包括在坡面上成排、成列布設的抗剪錨桿，各抗剪錨桿由錨孔穿入穩定基巖內且與之錨固連接，設置于坡面上的連接構件與各抗剪錨桿的外錨頭固定連接。中國實用新型專利“一種巖堆邊坡凍融循環作用變形物理模型試驗裝置及試驗方法”(授權公告號：CN104807975B，授權公告日：2016-8-17)，公開了一種巖堆邊坡凍融循環作用變形物理模型試驗裝置及試驗方法，適應于我國北方極寒地區的巖堆邊坡變形破壞機理分析及穩定性研究。

目前，已有順層巖質邊坡模型試驗中，未考慮凍融作用對順層巖質邊坡的影響，且不能調整巖質邊坡的坡角，故不能開展凍融特殊工況對順層巖質邊坡變形破壞的影響。

技術實現要素：

本實用新型所要解決的技術問題是提供一種凍融對順層巖質邊坡變形影響的模型試驗裝置及方法，能有效改善現有裝置不能調整順層巖質邊坡坡角、不能模擬凍融作用對順層巖質邊坡作用等問題。

本實用新型解決上述技術問題的技術方案如下：一種凍融對順層巖質邊坡變形影響的模型試驗裝置，包括傾斜設置的U型坡臺，所述U型坡臺位于水平高端的一端的底部設有用于升降所述U型坡臺的千斤頂，所述U型坡臺位于水平低端的一端活動連接有用于打開或關閉所述U型坡臺端部的緩沖平臺，所述緩沖平臺上設有貫穿所述緩沖平臺的排水孔；所述U型坡臺的周邊設有加熱裝置；所述U型坡臺的兩側板的頂部均設有沿所述U型坡臺的兩側板長度方向延伸的軌道，兩個所述軌道上均設有多個可沿所述軌道長度方向滑動且可固定在所述軌道上的滑動座，兩個所述軌道上的所述滑動座一一對應通過橫梁連接，所述橫梁上設有多個百分表。

本實用新型的有益效果是：本實用新型能有效改善現有裝置不能調整順層巖質邊坡坡角、不能模擬凍融作用對順層巖質邊坡作用等問題，操作方便、監測直觀等優點，適用于在東北地區模擬凍融對順層巖質邊坡變形影響的物理模擬實驗，對指導寒區順層巖質邊坡穩定性評價及處治具有重要意義。

在上述技術方案的基礎上，本實用新型還可以做如下改進。

進一步，所述橫梁為金屬橫梁，所述百分表通過電磁鐵固定在所述橫梁上。

采用上述進一步方案的有益效果是：采用電磁鐵將所述百分表進行固定，能方便百分表的安裝和拆卸。

進一步，所述加熱裝置為碘鎢燈。

采用上述進一步方案的有益效果是：加熱裝置采用碘鎢燈，根據需要調節加熱溫度。

進一步，所述U型坡臺位于水平高端的一端的底部固定有沿所述U型坡臺長度方向設置的千斤頂軌道，所述千斤頂的頂部設在所述千斤頂軌道內，且所述千斤頂的頂部可在所述千斤頂軌道內滑動。

采用上述進一步方案的有益效果是：在U型坡臺位于水平高端的一端的底部設置千斤頂軌道，在千斤頂的活塞頂起和下落的過程中，千斤頂的活塞的頂部沿千斤頂軌道滑動，增大千斤頂調節U型坡臺傾斜角的范圍。

進一步，所述千斤頂軌道的數量為兩個，兩個所述千斤頂軌道關于所述 U型坡臺的長度方向的中心線對稱設置，兩個所述千斤頂軌道對應連接兩個所述千斤頂。

采用上述進一步方案的有益效果是：在U型坡臺位于水平高端的一端的底部設置兩個千斤頂軌道，能確保在頂起U型坡臺的過程中U型坡臺能保持平穩地升降。

進一步，所述U型坡臺位于水平低端的一端的兩側均設有通過混凝土基座固定設置的軸承，兩個所述軸承件設有連接軸，所述連接軸的兩端分別設在兩個所述軸承上，所述連接軸穿過并與所述緩沖平臺的一端固定連接。

采用上述進一步方案的有益效果是：通過連接軸帶動緩沖平臺轉動，實現對U型坡臺位于水平低端的一端的關閉和開啟。

進一步，兩個所述軌道分別固定在所述U型坡臺的兩側板的頂部，所述軌道上設有T型槽，所述滑動座的底端為與所述T型槽相匹配的“⊥”形結構，所述滑動座的底端設在所述T型槽內，所述軌道上設有多個沿所述軌道長度方向均勻設置的螺孔，所述螺孔內設有可將所述滑動座的底端固定在所述T型槽內的螺栓。

采用上述進一步方案的有益效果是：在軌道上設置T型槽，將滑動座的底部設置成與T型槽相匹配的“⊥”形結構，滑動座可在T型槽內移動，并通過螺栓進行定位，結構簡單，滑動方便。

進一步，所述軌道上設有沿所述軌道長度方向設置的標尺。

采用上述進一步方案的有益效果是：標尺的設置能方便滑動座的定位。

進一步，所述緩沖平臺的底部設有用于支承所述緩沖平臺的支座，所述緩沖平臺的底部設有一端與所述排水孔連通的引流管，所述引流管的另一端連接排水溝。

采用上述進一步方案的有益效果是：引流管的設置能將滑到緩沖平臺上的水進行導出，方便水漬的清理。

進一步，所述千斤頂的底部設有用于支撐所述千斤頂的千斤頂底座。

采用上述進一步方案的有益效果是：千斤頂底座的設置能對千斤頂進行支撐，并且能提高千斤頂提升U型坡臺的角度。

一種凍融對順層巖質邊坡變形影響的模型試驗方法，采用上述所述的凍融對順層巖質邊坡變形影響的模型試驗裝置進行凍融對順層巖質邊坡變形影響的模型試驗，包括以下步驟：

步驟一，開展野外地質調查：通過野外宏觀地質調查，測量順層巖質邊坡的巖層產狀及巖層厚度；

步驟二，制備石板和飽和粘土：確定模型試驗的相似比，確定并預制模型中使用的石板尺寸，預制完成后浸泡在0℃的水中備用，制備飽和的粘土；

步驟三，設置千斤頂：使U型坡臺的水平高端的底部的千斤頂的活塞上升，直到U型坡臺的坡度等于巖層的傾角為止；

步驟四，設置緩沖平臺：使用緩沖平臺封堵所述U型坡臺的水平低端的端部，并且堵塞排水孔，在緩沖平臺朝向所述U型坡臺的一面上均勻涂抹黃油；

步驟五，構建順層巖質邊坡：在U型坡臺的兩側壁上均勻涂抹黃油，在 U型坡臺上從下往上布置三層所述石板，石板之間充填飽和的黏土，共同形成順層巖質邊坡模型，并在模型表面至少確定1條監測剖面，并做好標記；

步驟六，設置百分表：調節橫梁的位置以及百分表，使得百分表的量測頭頂在監測剖面上的巖質邊坡表面及頂部巖層的側面上，并記錄初始讀數；

步驟七，模擬凍結過程：在巖質邊坡上灑水，使石板和粘土充分飽和，保持模型溫度在-5℃～-25℃下，使模型充分凍結，記錄各百分表讀數；

步驟八，模擬融冰過程：旋轉緩沖平臺使轉緩沖平臺水平設置，清除黃油，疏通排水孔，開啟加熱裝置，使室內溫度保持在10℃～20℃，使模型中的冰充分融化，記錄百分表各讀數；

步驟九，模擬凍融循環作用：重復步驟七和步驟八，可完成若干次巖質邊坡的凍融循環作用，分析凍融循環作用對巖質邊坡變形的影響及破壞特征。

采用上述方案的有益效果是：本方法能有效改善現有裝置不能調整順層巖質邊坡坡角、不能模擬凍融作用對順層巖質邊坡作用等問題，操作方便、監測直觀等優點，適用于在東北地區模擬凍融對順層巖質邊坡變形影響的物理模擬實驗，對指導寒區順層巖質邊坡穩定性評價及處治具有重要意義。

進一步，所述步驟七和步驟八中，當巖質邊坡的變形較小時，使U型坡下的千斤頂的活塞逐漸上升，直到巖質邊坡失穩后滑動到緩沖平臺，同時記錄不同坡度下各監測點的百分表讀數，研究巖質邊坡的變形破壞特征，計算巖質邊坡的穩定性系數。

采用上述進一步方案的有益效果是：通過千斤頂的活塞逐漸上升，能使得巖質邊坡失穩后滑動到緩沖平臺，記錄不同坡度下各監測點的百分表讀數，研究巖質邊坡的變形破壞特征。

附圖說明

圖1為本實用新型的俯視圖；

圖2為本實用新型的側視圖；

圖3為本實用新型的后視圖；

圖4為構建順層巖質邊坡前的模型箱主視圖；

圖5為構建順層巖質邊坡后、凍融實驗前的的模型箱主視圖；

圖6為滑動座及軌道、橫梁的主視圖；

圖7為軸承與U型鋼板箱、緩沖平臺連接側視圖；

圖8為百分表與鋼質橫梁連接主視圖；

附圖中，各標號所代表的部件列表如下：

101、U型坡臺，102、千斤頂，103、連接軸，104、緩沖平臺，105、排水孔，106、滑動座，107、橫梁，108、石板，109、千斤頂軌道，110、千斤頂底座，111、標尺，112、百分表，113、加熱裝置，114、電磁鐵，115、量測頭，116、百分表表盤，117、軌道，118、混凝土基座，119、支座，120、螺栓，121、方形孔，122、軸承，123、引流管，124、排水溝，125、T型槽， 126、螺孔。

具體實施方式

以下結合附圖對本實用新型的原理和特征進行描述，所舉實例只用于解釋本實用新型，并非用于限定本實用新型的范圍。

順層巖質邊坡中的節理裂隙是地下水的運移通道。在北方地區，在冬季溫度處于0℃以下，節理裂隙內富有地下水的充填物凍結，體積膨脹，對巖層產生膨脹作用力，使巖層中的裂隙擴張；在夏季溫度回升到0℃以上，節理裂隙內凍結的充填物中的冰層融化，膨脹作用力卸荷，巖層中的裂隙回縮，巖質邊坡內節理裂隙內填充物中的地下水的凍結與融化的過程稱之為巖質邊坡的凍融循環。

一年四季春夏秋冬交替出現，產生一次巖質邊坡的凍融循環，多年的凍融循環使順層巖質邊坡承受反復的凍脹力加載-卸載作用，巖質邊坡必將疲勞損傷，最終邊坡破壞失去其穩定性

由于現有順層巖質邊坡模型試驗中，未考慮凍融作用對順層巖質邊坡的影響，且不能調整巖質邊坡的坡角，本實用新型公布了一種凍融對順層巖質邊坡變形影響的模型試驗裝置及試驗方法，具有操作方便、監測直觀等優點。

實施例一

如圖1、圖2、圖3所示，本實施例包括傾斜設置的U型坡臺101，所述 U型坡臺101位于水平高端的一端的底部設有用于升降所述U型坡臺101的千斤頂102，所述U型坡臺101位于水平低端的一端活動連接有用于打開或關閉所述U型坡臺101端部的緩沖平臺104，所述緩沖平臺104上設有貫穿所述緩沖平臺104的排水孔105；所述U型坡臺101的周邊設有用于環境融雪的加熱裝置113；所述U型坡臺101的兩側板的頂部均設有沿所述U型坡臺101的兩側板長度方向延伸的軌道117，兩個所述軌道117上均設有多個可沿所述軌道117長度方向滑動且可固定在所述軌道117上的滑動座106，兩個所述軌道117上的所述滑動座106一一對應通過橫梁107連接，所述橫梁107上設有多個百分表112。

如圖2所示，所述U型坡臺101位于水平高端的一端的底部固定有沿所述U型坡臺101長度方向設置的千斤頂軌道109，所述千斤頂102的頂部設在所述千斤頂軌道109內，且所述千斤頂102的頂部可在所述千斤頂軌道109 內滑動，所述千斤頂軌道109的數量為兩個，兩個所述千斤頂軌道109關于所述U型坡臺101的長度方向的中心線對稱設置，兩個所述千斤頂軌道109 對應連接兩個所述千斤頂102。

如圖4、圖5和圖7所示，所述U型坡臺101位于水平低端的一端的兩側均設有通過混凝土基座118固定設置的軸承122，兩個所述軸承122件設有連接軸103，所述連接軸103的兩端分別設在兩個所述軸承122上，所述連接軸103穿過并與所述緩沖平臺104的一端固定連接。

如圖6、圖8所示，所述橫梁107為鋼制橫梁107，所述百分表112通過電磁鐵114固定在所述橫梁107上，電磁鐵114與百分表表盤116固定連接，百分表112的量測頭115朝向U型坡臺101內。橫梁107上至少設置9 個用電磁鐵114連接的百分表112

如圖6所示，兩個所述軌道117分別固定在所述U型坡臺101的兩側板的頂部，所述軌道117上設有T型槽125，所述滑動座106的底端為與所述 T型槽125相匹配的“上”形結構，所述滑動座106的底端設在所述T型槽 125內，所述軌道117上設有多個沿所述軌道117長度方向均勻設置的螺孔 126，所述螺孔126內設有可將所述滑動座106的底端固定在所述T型槽125 內的螺栓120。

本實施例中，為方便遼寧省本溪市桓仁縣田師傅-桓仁鐵路大前石嶺隧道出口施工，從山腳修建一條通往隧道進口的施工便道，由于切坡在施工便道內側形成長約500m的順層巖質邊坡，通過野外宏觀地質調查，測量順層巖質邊坡的巖層的傾角約為30°，厚度約為0.3m石英砂巖。

優選地，在本實施例中，在U型坡臺101高度較大的一端附近的箱底面焊接2排并排平行的鋼質凹槽軌道117，通過千斤頂102的活塞上升鋼板箱的坡度為30°，U型坡臺101的底面尺寸為200em(長)×100cm(寬)×1cm (厚)，兩側壁的尺寸為200cm(長)×2cm(厚)×25cm(高)，鋼板箱高度較小的一端通過連接軸103與緩沖平臺104連接，緩沖平臺104的尺寸為 100cm(長)×35cm(寬)×1cm(厚)。

優選地，在本實施例中，在緩沖平臺104上離連接軸103約2cm處設置一排共3個直徑為1cm的排水孔105，排水孔105下連接有引流管123，將融化后的水引入排水溝124尺寸為5cm(寬)×5cm(深)，同時為排走連接軸103下滲的水，排水溝124在連接軸103方向的側壁的傾角設為45°

優選的，在巖質邊坡上至少設置1個監測剖面，U型坡臺101上至少設置4根橫梁107，所述橫梁107的兩端為方形，設置在滑動座106上部的方形孔121內，分別位于U型坡臺101的前部、中部、后部及U型坡臺101上邊界上，其中前部、中部、后部的3根橫梁107沿每個剖面用電磁鐵114至少連接2個百分表112，用于監測主剖面上巖質邊坡表面的鼓脹與沉降變形； U型坡臺101上邊界上根據巖層的分層數布置百分表112，百分表112的量測頭115頂在模型上邊界附近的石板108側面上，用于監測不同巖層的相對滑動位移。

優選地，在本實施例中，緩沖平臺104與連接軸103的高度相同，約高于地表20cm為宜。

優選地，在本實施例中，在巖質邊坡上設置1個監測剖面，設置4根橫梁107，橫梁107尺寸為110cm(長)×3cm(寬)×3cm(高)，橫梁107與橫梁107之間的間距為25cm～35cm為宜，在前部、中部、后部的3根橫梁 107連接2個百分表112，模型上邊界的1根橫梁107上連接3個百分表112，共9個百分表112。

優選地，在本實施例中，確定模型試驗的相似比為1∶5，即模型中石板 108的厚度取為6cm，共鋪設3層石板108，石板108之間填充飽和的粘土層。

優選地，在本實施例中，用于融雪的4個加熱裝置113設置在U型坡臺 101的前部、兩側、上部，加熱裝置113水平放置，傾斜角應小于±4°。

優選地，在本實施例中，為了進一步增加千斤頂102的抬升能力，在千斤頂底座110下設置了2層鋼墊板。

當實驗過程中局部出現較大變形時，可在附近增設百分表112，百分表 112均用固定在橫梁107或U型坡臺101兩側邊上。

本實施例能有效改善現有裝置不能調整順層巖質邊坡坡角、不能模擬凍融作用對順層巖質邊坡作用等問題，操作方便、監測直觀等優點，適用于在東北地區模擬凍融對順層巖質邊坡變形影響的物理模擬實驗，對指導寒區順層巖質邊坡穩定性評價及處治具有重要意義。

實施例二

在本實施例中，公開了一種凍融對順層巖質邊坡變形影響的模型試驗方法，包括以下步驟：

S1：開展野外地質調查：通過野外宏觀地質調查，測量順層巖質邊坡的巖層產狀及若層厚度。

S2：制備石板108和飽和粘土：確定模型試驗的相似比，確定并預制模型中使用的石板108尺寸，預制完成后浸泡在0℃的水中備用，制備飽和的粘土。

S3：設置千斤頂102：使U型坡臺101下千斤頂102的活塞上升，直到鋼板箱的坡度等于巖層的傾角為止。

S4：繞連接軸103轉動緩沖平臺104：在緩沖平臺104上均勻涂抹黃油，繞連接軸103轉動緩沖平臺104，將緩沖平臺104旋轉至與U型坡臺101高度較小的一端相連，并堵塞排水孔105口。

S5：構建順層巖質邊坡：為減少邊界效應，在U型坡臺101內部兩側壁均勻涂抹黃油，從下往上布置三層石板108，石板108之間充填飽和的黏土，共同形成順層巖質邊坡模擬模型，并在模型表面至少確定1條監測剖面，并做好標記。

S6：安裝鋼質的橫梁107：在U型坡臺101兩側板頂面上的軌道117內均勻設置多個滑動座106，通過兩側的標尺111快速對齊滑動座106并用螺孔126固定在軌道117上，將鋼質的橫梁107穿過滑動座106的方形孔121 并用螺孔126固定在鋼板上；安裝百分表112：在鋼質的橫梁107上用電磁鐵114連接若干百分表112，并使百分表112的量測頭115頂在主剖面上的巖質邊坡表面及頂部巖層的側面上，并記錄初始讀數。

S7：模擬凍結過程：在巖質邊坡上緩慢灑水，使石板108和粘土充分飽和，利用東北地區天然的氣候環境，保持模型溫度在-5℃～-25℃下約12小時，使模型充分凍結，記錄各百分表112讀數。

S8：模擬融冰過程：旋轉緩沖平臺104使固定鋼支座119放置在地面上，清除黃油，疏通排水孔105，開啟室內空調、地暖及碘鎢燈等，使室內溫度保持在10℃～20℃中間，使模型的冰充分融化，記錄百分表112各讀數。

S9：模擬凍融循環作用：重復步驟S7-S8，可完成若干次巖質邊坡的凍融循環作用，分析凍融循環作用對巖質邊坡變形的影響及破壞特征。

在本實施例中，若巖質邊坡的變形較小，可使U型坡臺101下千斤頂102 的活塞逐漸上升，直到巖質邊坡失穩后滑動到緩沖平臺104，記錄不同坡度下各監測點的百分表112讀數，研究巖質邊坡的變形破壞特征，計算巖堆邊坡的穩定性系數。

本實施例能有效改善現有裝置不能調整順層巖質邊坡坡角、不能模擬凍融作用對順層巖質邊坡作用等問題，操作方便、監測直觀等優點，適用于在東北地區模擬凍融對順層巖質邊坡變形影響的物理模擬實驗，對指導寒區順層巖質邊坡穩定性評價及處治具有重要意義。

以上所述僅為本實用新型的較佳實施例，并不用以限制本實用新型，凡在本實用新型的精神和原則之內，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本實用新型的保護范圍之內。