[发明专利]模拟露天矿排土场边坡可视化破坏过程的试验系统及方法

说明书

本发明提供一种模拟露天矿排土场边坡可视化破坏过程的试验系统及方法，属于岩土工程技术领域。该系统包括CT扫描系统、模型加载系统、图像采集系统，CT扫描系统包括竖直机架、面阵探测器、X射线发射机、X射线发射孔、转台上部、转台下部、连接件、转台底座、传动轨道槽、定位孔及铁垫，模型加载系统包括模型箱框架、钢化玻璃挡板、边坡模型、承压板、反力架、螺旋千斤顶、千分表、手压泵、手压泵杆、螺丝、连接管及液压加载囊，图像采集系统包括高速摄像机、三角支架及云台。该发明模拟物源为土石混合体的排土场边坡，排土场滑坡滑面形态及边坡滑移破坏模式与均质岩土体有着很大的差别，边坡滑移失稳机理更加复杂。

技术领域

本发明涉及岩土工程技术领域，特别是指一种模拟露天矿排土场边坡可视化破坏过程的试验系统及方法。

背景技术

边坡稳定性分析是岩土工程的一个重要应用性研究课题，边坡稳定性问题涉及土木工程、矿山工程、水利水电工程等诸多工程领域，近年来受到越来越多的关注和重视。随着矿产资源的深入开采，矿山废石堆场占地面积越来越大，目前我国排土场占地面积已达到约115-221万平方公里，并每年以约270平方公里的面积增加，且区域分散。矿山排土场接纳、收容露天矿山剥离的废弃物，受传统价值观念影响，矿山企业过于重视经济效益，过分追求少征地、短运输、大容量，逐渐形成矿山排土场高且陡状况，易发生滑坡及泥石流，这使得矿山生产存在安全隐患。排土场一旦发生边坡失稳滑落，可能造成重大人身伤亡及财产损失。因此，保证排土场边坡的稳定性，做到杜绝滑坡事故，对提升矿山经济效益安全性具有重大的现实意义和长远影响。

矿山排土场在自然状态下也会发生滑移破坏，这种破坏征兆往往不明显。此外，排土场边坡物源为土石混合体，土石混合体(Bimrocks)是一种非常复杂的不连续介质，它是由具有一定尺寸的强度较高的岩块、强度较低的土体和孔隙等组成的多相体系，各组分在外荷载作用下的力学性质有很大的差异，且组分间又存在着极其复杂的相互作用。这种岩土材料的力学性能(如应力传递、破坏模式、裂纹扩展、承载能力等)与均质岩土体有着较大的差别，块石的空间分布、级配和含石量等关键因素对土石混合体的宏观力学性质有重要影响。

目前，我国处理排土场边坡问题的主要方法有：(1)极限平衡分析法，包含瑞典法、Bishop法、Janbu法等；(2)数值分析法，包含有限单元法、离散元法、有限差分法等；(3)可靠度分析法，是将概率论及数理统计引入到边坡稳定性，计算边坡失稳的可能性。此外，可以采用ANSYS、3Dmine和FLAC等软件建立了排土场的模型，分析影响边坡稳定性因素。然而，无法对实际边坡内部土石相互作用及结构变化全过程有一个实时观测，无法对实际滑坡面发展演化的空间构型进行探测。

伴随着工业CT的发展，研究土石混合体排土场边坡滑移失稳全过程数字化和可视化表征成为可能，而技术关键在于研发模拟排土场边坡滑移失稳过程与工业CT机配套的加载装置及方法。

基于以上需求，发明了一种模拟露天矿山排土场边坡破坏过程与工业CT机配套的加载系统及方法，模拟自然状态下土石混合体块石空间分布、级配和含石量等关键因素对边坡稳定性和生产安全的影响。此外，运用基于面阵探测器的高能X射线工业CT技术与高速摄像机技术手段，不仅可直观监测边坡土石混合体响应特性和边坡滑移面破坏形态，还能实时获取滑移过程中边坡内部高清CT图像，对边坡进行三维重构进而获知边坡的失稳演变过程，进一步分析块石含量及结构因子参数对排土场边坡失稳影响。结果有助于对土石相互作用及互馈致灾的多尺度物理过程及力学行为的理解，揭示块石结构对排土场坡面裂缝衍生及滑坡滑面形态的影响，为滑坡预测以及边坡工程的支护设计提供依据。