变角度空间块体滑落平台研制及在岩体力学实验教学中的应用

王述红，梁 成，李 诺，汪 江，穆檄江

（东北大学 资源与土木工程学院，辽宁 沈阳 110819）

随着我国公路、铁路、隧道等工程的不断发展，岩体、岩块的稳定性和安全性问题成为理论研究和现场施工中重点关注的焦点和难点［1－6］。工程开挖扰动过程中极易发生岩体结构损伤，有时甚至诱发工程灾害，这均与岩体结构有关。加上由于对岩体扰动区形成、损伤控制和灾害机理认识还不够彻底，这些都给岩石扰动区损伤控制、稳定性和灾害的预测预报带来了极大的困难。因此，对于岩体开挖工作面周围岩体及其内部地质结构的准确把握至关重要。尤其在研究和教学中，如何建立块体滑落平台，直观地开展相关实验，准确认识真实岩体结构面的时空演变规律，对于研究的深入和教学效果具有不可替代的作用。

1 块体理论简述

通常，对块体稳定性分析［7－9］所采用方法包括：基于极射赤平投影的结构分析方法、基于极射赤平投影的统计分析方法和关键块体分析方法［10－12］等。20世纪80年代初，石根华博士与Goodman R.E.教授合著的《Block Theory and Its Application to Rock Engineering》一书的问世，标志着利用块体理论作为岩体工程分析的一种有效方法趋于成熟。块体理论认为，坚硬和半坚硬的岩体往往被不同序次、不同类型、不同方向、不同性质的结构面切割成大小不一、形状各异的空间镶嵌块体。在天然状态下，这些空间块体处于静力平衡状态。人类的工程开挖再次切割这些空间块体，并使工程开挖面附近的岩体产生应力重分布。在重分布应力和工程作用力的联合作用下，位于开挖面附近的某些空间块体将失去原有的静力平衡状态，成为关键块体。由于关键块体的失稳运动，导致连锁破坏，从而导致工程岩体的整体破坏。可见，工程岩体稳定性分析问题可简化为寻找和分析关键块体的问题，只需对关键块体实施加固处理，就能保证整个工程岩体的安全与稳定。因此，在工程岩体稳定性分析评价中，块体理论不失为一种事半功倍的方法。随着国内外学者的不懈努力，该方法已获得越来越广泛的应用，块体理论也得到了较大的发展。Chan将块体理论应用在岩石开挖工程选址及最佳设计方案中；Hoerger应用随机及确定性模型分析研究了地下开挖工程中的关键块体；Kusmaul一直在研究如何估计地下开挖工程中关键块体的大小，提出了若干种方法，如节理间距估计法、数值分析法和随机模型统计法等。我国学者刘锦华、吕祖琦最早将块体理论全面地介绍到中国，对块体理论的基本原理和分析方法，以及在岩石边坡、地下硐室及隧洞岩体工程中进行围岩稳定性分析等作了系统、全面的介绍，推动了块体理论在我国的初步应用，为进一步研究块体理论奠定了基础。

2 变角度空间块体滑落平台研制

传统的块体实验在功能上比较单一，往往只能给定岩体结构面的特定角度，而且目前实验平台尺度和角度适应性十分不灵活，不能完全满足实验要求。本实验平台［13］基于现实岩体工程块体的稳定性问题，模型主体由可以改变竖直方向角度的板（不同材料的不同板）和可以在板上任意改变角度的岩块及其所属的岩体组成。通过模型实验来开展岩块在扰动条件下（板和岩体的转动）滑落的规律及在主体稳定条件下，其他自然环境因素（如雨水渗流、腐蚀性介质、风化等）和岩块本身结构性质（块状结构、层状结构、散体结构）对滑落形态及过程的影响，从而定量的找出岩块滑落规律，研究工程稳定的机理，寻找稳定性的分析方法和防护措施。

本实验平台的设计可以模拟空间块体滑落的任意角度，弥补了现有模型的不足，在实物模型平台的岩块滑落模拟方面，在经过调试的基础上，可以通过实验平台进行2个方向的微小变角度，来模拟实际工程中碎裂岩体机构面的产状；根据摩擦系数以及结构面产状的一些参数的修正，来近似找到块体滑落的临界角度，并以变角度空间块体滑落模型实验平台为基础，开展相关的块体滑落实验，与数值模拟的结果和实际工程中块体滑落的角度比对，作为相互验证与补充。

2.1 平台的基本组成

实验平台（见图1）主体（底板和倾斜台）是1 200 mm×800mm和800mm×600mm的2块钢板；旋转台是直径为500mm的圆形加工钢板，上附0～360°的圆形刻度盘；4个地脚；轴承丝杆；位于底板与倾斜台间的0～90°的角度标尺。

图1 试验平台概念模型

2.2 实验平台特点

（1）以楔块来模拟岩体工程中常见的不稳定块体，以楔体及其基座之间的接触面模拟岩体结构面，以实验平台2次变角模拟工程岩体结构面的倾向和倾角，改变模具和块体的空间角度，开展系列实验。

（2）变角度空间块体滑落模型实验平台的地脚可以调节装置的水平程度，适应不同的场地条件。

（3）可以制作不同的模具与试块，在块体滑落实验中做不同的对比；操作具有可重复性，节约实验的成本。

实验平台主体（见图2）由底板和倾斜台组成，分别是由1 200mm×800mm和800mm×600mm的钢板构成，底板和倾斜台之间通过连接可以实现0°～90°之间的任意角度变换。在倾斜台上设置的固定模具的转盘，可以实现0°～360°之间的角度旋转，均满足实验的预期要求。在对模型平台的平整程度以及模型平台所能达到的2个极限的角度进行了调试检查后，符合实验要求，可以以静荷载的方式进行加载，倾角的精度也符合工程要求。

图2 实验平台主体

3 变角度空间块体滑落平台在教学中的应用

在岩石力学基础理论教学中，配以变角度空间块体滑落物理实验，激发了学生用理论解释实验现象的热情，加深了学生对基本概念的理解，巩固了理论知识。另一方面，教师在实验教学过程中，将一些不太好表述的概念和情况通过具体的模型实物直观地展现出来，方便了教师的教学，加深了学生的印象，为教学提供了强有力的教学工具。

根据相似理论及模型材料选取原则，模型实验的材料应选用低弹性模量、低强度、高容重的材料。比如教学实验中选用水泥砂浆块体以及厂家制作的石材试块来模拟岩块滑落。模具大小主要依据模型实验要求来确定。首先，主要针对不同形态的楔体，先制作1个实验模具和4个实验块体（相同形状尺寸、不同种类材料）；之后又制作了3组配套对应的模具与块体（见图3）。第一种模具由木材和水泥砂浆制成，通过视密度（容重）配合比实验，将试块视密度控制在2.5g/cm3左右，然后进行滑落实验；第二种模具是加工制作成型的石材模具和石材块体，也进行了同样的滑落实验。

通过实验得到块体滑落时2个变角度的数据。先固定其中一个角度，以10°为单位调整另一个角度，直到块体滑落达到临界角度，并在坐标系中描绘滑落曲线，直观地展示变量与滑动的关系，具体实验数据与结果见文献［14］。图4为通过固定转盘角度、改变倾斜台角度使块体达到临界状态的过程。

图4 实验过程示意图

此实验为随机实验，需要做大量的重复性实验，在所得到数据的基础上分析归纳，利用统计原理［15］，分析出块体滑落时的角度规律以及块体滑落的类型的分界。应用极限平衡理论对块体所处稳定位置以及滑落的位置进行后期分析，把理论和实际联系起来，充分调动学生学习的积极性、巩固理论知识。

4 结论

（1）变角度空间块体滑落平台的巧妙设计，使岩块的滑落过程易于展示，利用变角度系统来改变结构面的倾向和倾角，直观地展示解析计算的理论解，是对传统岩石力学实验教学改革的一种尝试。

（2）利用机械制造技术和模具与试块的不同组合搭配，不仅具有通用性强、方便灵活、具有可重复性等特点，而且可以实现与基础岩石力学理论的相互验证。

（3）利用最新的教研成果与巧妙的实验构思，改造传统专业的教学，是一种切实可行、提高学生创新实践能力的重要途径。

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