同一装置模拟地震作用下崩塌落石全过程运动的试验方法与流程

本技术涉及岩土工程和地质工程试验，特别是涉及一种同一装置模拟地震作用下崩塌落石全过程运动的试验方法。

背景技术：

1、地震引发的次生灾害包括滑坡、崩塌落石、泥石流、地裂缝、地面塌陷、砂土液化等地质灾害。以山区地震为例，地震岩崩增长百分比高达617％，是滑坡、泥石流地灾增量的4～5倍，崩塌落石治理的占比达到地震地质灾害治理总量的40％。现有技术中，崩塌落石的研究方法主要包括理论分析、数值模拟、现场试验和模型试验，模型试验相比于其他研究方法具有试验条件相对可控、相对安全、可重复性强等优点，是研究崩塌落石的重要手段。

2、但是，现有技术中涉及崩塌落石模型试验研究的试验装置的结构功能普遍比较单一，可设置的工况条件相对较少，难以真实地还原出地震作用下崩塌落石从下落到停积全过程的运动特性，严重影响了试验精度。

技术实现思路

1、基于此，有必要提供一种模拟地震作用下崩塌落石全过程运动的试验装置，来较为真实地模拟地震作用下崩塌落石下落、与坡体相互作用碰撞破碎、沿坡面运动以及在坡脚处向前滚动滑移直至停积的全过程，且能考虑不同工况条件下如落石不同坠落高度、不同下坠角度、不同坠落位置，不同坡体材料及覆盖层等复杂多因素共同作用下，崩塌落石全过程的运动特征以及坡体的动力响应特征。

2、为此，根据本技术的一个方面，提供了一种模拟地震作用下崩塌落石全过程运动的试验装置，该试验装置包括非规则岩体构造系统、模型箱、堆积体模型、崩塌落石投放系统、振动台以及数据监测与采集系统；其中：

3、非规则岩体构造系统，用于制备落石模型；

4、模型箱，包括箱身和延伸结构，箱身具有试验空间，箱身上至少设置有连通试验空间的侧部开口，延伸结构在侧部开口处与箱身连接，至少部分落石模型在延伸结构上停积；

5、堆积体模型，设置于试验空间内，堆积体模型具有向靠近侧部开口方向倾斜向下延伸的坡面；

6、崩塌落石投放系统，设置于试验空间内并处于堆积体模型的上方，崩塌落石投放系统用于装填落石模型后向坡面投放落石模型；

7、振动台，用于对模型箱、堆积体模型和崩塌落石投放系统施加振动；

8、数据监测与采集系统，用于实时监测试验全过程中落石模型的运动特性、停积位置以及堆积体模型的形变，并收集试验过程中产生的数据信息。

9、可选地，落石模型由多个模拟天然岩样的人造非规则岩块粘结而成，不同种类的落石模型具有不同软硬程度和不同岩体结构特性。

10、可选地，箱身包括：

11、立体框架，由两个矩形边框和四根连接杆拼接而成；

12、底板，安装于立体框架的底部；以及

13、三个侧壁，分别安装于立体框架的三个侧部；

14、立体框架、侧壁与底板围合形成具有侧部开口和顶部开口的试验空间。

15、可选地，相对的两个所述侧壁上均设置有窗口，窗口上安装有透明板。

16、可选地，箱身通过底板可拆卸地连接于振动台的水平台面，堆积体模型安装在底板上，崩塌落石投放系统安装在立体框架上，以使箱身、堆积体模型和崩塌落石投放系统同步振动。

17、可选地，箱身具有垂直于侧部开口第一水平方向和垂直于第一水平方向的第二水平方向，崩塌落石投放系统包括：

18、两个第一滑轨，均设置于坡面上方的立体框架上，两个第一滑轨均沿第一水平方向延伸并沿第二水平方向相互平行设置；

19、第二滑轨，沿第二水平方向设置，第二滑轨的两端分别滑动连接于第一滑轨；以及

20、落石投放箱，滑动连接于第二滑轨，落石投放箱包括箱体和自动启闭门，箱体的侧部和/或顶部设置有装填口，箱体的底部设置有投放口，自动启闭门安装于投放口处的箱体上。

21、可选地，崩塌落石投放系统还包括：

22、连接件，一端滑动连接于第二滑轨，连接件的另一端铰接于箱体的顶部；以及

23、直线运动机构，具有能够沿竖向往复直线运动的运动端，运动端和连接件间隔分布并连接于箱体的顶部；

24、在运动端运动的过程中，运动端能够带动箱体绕连接件和箱体的连接处转动以改变投放口的朝向。

25、可选地，连接件为伸缩杆。

26、可选地，堆积体模型包括填筑而成的地质材料和覆盖于地质材料顶部的覆盖层。

27、可选地，数据监测与采集系统包括：

28、高速相机，用于对试验现象进行逐帧记录；

29、无线加速度传感器，用于获取堆积体模型的振动加速度信号；

30、定位模块，用于获取落石模型的轨迹与姿态数据；

31、激光位移传感器，用于获取试验过程中堆积体模型的竖向沉降变形；

32、电脑控制器，用于控制高速相机、无线加速度传感器、定位模块和激光位移传感器的启闭以及数据互通；以及

33、数据存储器，用于存储电脑控制器的数据。

34、本技术提供的模拟地震作用下崩塌落石全过程运动的试验装置的有益效果在于：与现有技术相比，本技术的试验装置包括非规则岩体构造系统、模型箱、堆积体模型、崩塌落石投放系统、振动台以及数据监测与采集系统，非规则岩体构造系统可以制备落石模型，来模拟真实的崩塌落石，提高试验的准确度；模型箱的试验空间内设置有堆积体模型和崩塌落石投放系统，崩塌落石投放系统向堆积体模型的坡面投放落石模型来进行试验，在模型箱、堆积体模型、崩塌落石投放系统和振动台的相互配合下，本技术的试验装置能够以不同的空间坠落位置、坠落角度、堆积体模型的类型(如坡体材料、坡度、坡高等)、坡面覆盖层类型、地震波类型等工况条件进行地震作用下崩塌落石的全过程运动试验；数据监测与采集系统能够实时监测试验全过程中落石模型的轨迹数据与姿态数据以及堆积体模型的内部加速度信息和沉降变形信息，并收集试验过程中产生的数据信息；如此，通过本试验装置获得的试验结果可靠，能够较好地诠释地震动效应下崩塌落石的全过程运动特征以及堆积体边坡的动力响应特征与变形特征，为地震高发区崩塌落石灾害评估和综合防控提供科学依据与技术支撑。

35、根据本技术的另一个方面，提供了一种同一装置模拟地震作用下崩塌落石全过程运动的试验方法，该装置包括非规则岩体构造系统、模型箱、堆积体模型、崩塌落石投放系统、振动台以及数据监测与采集系统，该试验方法包括如下步骤：

36、确定试验条件；

37、制备落石模型，使用非规则岩体构造系统制备落石模型；

38、安装模型箱、堆积体模型和崩塌落石投放系统，在振动台上安装模型箱，在模型箱内安装堆积体模型和崩塌落石投放系统；

39、安装数据监测与采集系统；

40、投放落石模型，崩塌落石投放系统向堆积体模型投放落石模型；

41、监测和采集试验数据，数据监测与采集系统实时监测并采集试验全过程中落石模型和堆积体模型的数据；以及

42、整理试验设备。

43、可选地，试验条件包括落石模型的相似材料配比、落石模型的投放条件、堆积体模型的材质和振动台的工作参数。

44、可选地，不同相似材料配比的落石模型具有不同的抗压强度。

45、可选地，投放条件包括落石模型的投放高度和落石模型的投放角度。

46、可选地，堆积体模型包括填筑而成的地质材料和覆盖于地质材料顶部的覆盖层，覆盖层的材质为混凝土、土质或草皮。

47、可选地，在整理试验设备步骤之后还包括：

48、更改试验条件，更改落石模型的相似材料配比、落石模型的投放条件和堆积体模型的材质中的一个或多个；以及

49、重复进行试验。

50、可选地，在更改试验条件的步骤中采用控制单一变量法，改变试验条件中的一个，另外的试验条件保持不变。

51、可选地，模型箱包括具有一侧部开口的箱身以及在侧部开口处与箱身连接的延伸结构，堆积体模型具有向靠近侧部开口方向倾斜向下延伸的坡面，在投放落石模型的步骤中，落石模型的运动过程包括下落、碰撞坡面和解体，落石模型解体后形成多个岩块，岩块的运动过程包括沿坡面运动以及在模型箱上或延伸结构上停积，堆积体模型在被落石模型碰撞后产生形变。

52、可选地，延伸结构的顶面贴设有透明网格刻度纸。

53、可选地，在监测和采集试验数据的步骤中，试验数据包括落石模型、岩块和堆积体模型的逐帧图像信息，以及落石模型和岩块的轨迹数据与姿态数据，以及堆积体模型的加速度响应数据、沉降数据和全场变形数据。

54、本技术提供的试验方法的有益效果在于：与现有技术相比，本技术的试验方法能够以不同的空间坠落位置、坠落角度、堆积体模型的类型(如坡体材料、坡度、坡高等)、坡面覆盖层类型、地震波类型等工况条件进行地震作用下崩塌落石的全过程运动试验，该试验方法操作简单、安全、试验结果可靠，能够较好地诠释地震动效应下崩塌落石的全过程运动特征以及堆积体边坡的动力响应特征与变形特征，为地震高发区崩塌落石灾害评估和综合防控提供科学依据与技术支撑。