模拟露天矿排土场边坡可视化破坏过程的试验系统技术方案

本实用新型专利技术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，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。该实用新型专利技术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。

【技术实现步骤摘要】
模拟露天矿排土场边坡可视化破坏过程的试验系统
本技术涉及岩土工程
，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。
技术介绍
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，专利技术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。对比一种岩质边坡滑移试验系统专利技术专利，该专利申请号202010289737.5，申请公布号CN111323561A。其公开一种岩质边坡滑移试验系统，包括底座，底座上设置有安装机构及试验机构，试验机构包括底板及挡板，两挡板之间布置有坡体，坡体上方设置有循环降雨机构，底板的一端开设有滑槽；坡体由外至内依次为上覆岩层、软土夹层和基岩层，底座上设置有收集槽，收集槽底部安装有过滤机构，过滤机构与循环降雨机构连通。该专利技术提供的岩质边坡滑移试验系统，可以在室内实验中模拟自然界中顺层岩质边坡滑移运动，用以研究边坡破坏过程及机理；并可以模拟自然界中不同组合结构面的顺层岩质边坡滑移运动；而且该专利技术可以采用相应的检测仪器得到相应破坏的试验数据，用于对岩质边坡的破坏过程的深入研究。通过对比，本技术具有以下优势：1.上述专利技术可以模拟自然界中不同组合结构面的顺层岩质边坡滑移运动。本技术可以满足此基本功能，且主要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，故本技术更有研究价值与工程意义。2.上述专利技术可通过监测传感器获取边坡破坏的试验数据，但仅可得到滑移破坏过程中应力变化，试验数据过于匮乏，且无法对其内部土石相互作用全过程有一个实时观测。本技术运用基于面阵探测器高能X射线工业CT技术，实时获取动态扰动过程中边坡内部高清CT图像，获得边坡内部土石相互作用及互馈致灾的多尺度物理过程及力学行为，最后借助工业软件处理实现边坡动态失稳全过程的可视化和数字化表征；高速照相机无时间间断连续拍照，实时记录边坡表面变化情况。两技术相结合揭示边坡动态失稳的宏观和微观机理。3.上述专利技术对岩质边坡滑移试验系统进行了详细的解释，但未对其具体使用方法有一个描述。本技术方法给出了模型箱制备以及CT扫描开始到CT扫描结束具体操作方法，对扫描原理及方法有一个详细的阐述。
技术实现思路
本技术为了解决排土场边坡滑移失稳全过程可视化和数字化，揭示不同块石含量及结构因子参数对排土场边坡失稳影响机理，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。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，两个竖直机架对称固定在铁垫上，两个传动轨道槽分别沿垂直方向装配到两个竖直机架上，X射线发射机与面阵探测器分别与两侧传动轨道槽紧密连接，X射线发射孔位于X射线发射机中心位置，转台置于两个竖直机架中间的铁垫上，转台由转台上部、转台下部、连接件和转台底座四部分组成，转台上部与转台下部通过连接件连接在一起，转台下部安装在转台底座上，转台底座固定在铁垫上，用于承载转台主体结构，定位孔沿竖直方向等间距的布置于竖直机架上，用于安装调整面阵探测器和X射线发射机的位置，模型箱框架、钢化玻璃挡板、边坡模型共同构成试验模型箱，边坡模型设置于试验模型箱内部，钢化玻璃挡板安装在模型箱框架周围，试验模型箱设置于转台上方，承压板设置于边坡模型顶部，反力架通过螺丝固定在模型箱框架上方，从空间位置上看，手压泵和螺旋千斤顶分别位于反力架上方和下方，反力架左右两侧各设置一个千分表，千分表穿过预留孔隙与承压板直接接触，液压加载囊前后分别与承压板和试验模型箱壁紧密贴合，手压泵与液压加载囊通过连接管连接起来，手压泵上设置手压泵杆，高速摄像机置于云台上，云台固定在三角支架上。手压泵通过人工操作使液压加载囊膨胀从而向边坡模型施加试验所需载荷。液压加载囊使用柔性材料，液压加载囊内充填低密度液体，一般为低密度液压油，密度为0.85g/cm3；螺旋千斤顶和液压加载囊通过承本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种模拟露天矿排土场边坡可视化破坏过程的试验系统，其特征在于：包括CT扫描系统、模型加载系统和图像采集系统，CT扫描系统包括竖直机架(1)、面阵探测器(2)、X射线发射机(3)、X射线发射孔(4)、转台上部(5)、转台下部(6)、连接件(7)、转台底座(8)、传动轨道槽(9)、定位孔(10)及铁垫(11)，模型加载系统包括模型箱框架(12)、钢化玻璃挡板(13)、边坡模型(14)、承压板(15)、反力架(16)、螺旋千斤顶(17)、千分表(18)、手压泵(19)、手压泵杆(20)、螺丝(21)、连接管(22)及液压加载囊(23)，图像采集系统包括高速摄像机(24)、三角支架(25)及云台(26)，两个竖直机架(1)对称固定在铁垫(11)上，两个传动轨道槽(9)分别沿垂直方向装配到两个竖直机架(1)上，X射线发射机(3)与面阵探测器(2)分别与两侧传动轨道槽(9)连接，X射线发射孔(4)位于X射线发射机(3)中心位置，转台置于两个竖直机架(1)中间的铁垫(11)上，转台由转台上部(5)、转台下部(6)、连接件(7)和转台底座(8)四部分组成，转台上部(5)与转台下部(6)通过连接件(7)连接在一起，转台下部(6)安装在转台底座(8)上，转台底座(8)固定在铁垫(11)上，用于承载转台主体结构，定位孔(10)沿竖直方向等间距布置于竖直机架(1)上，用于安装调整面阵探测器(2)和X射线发射机(3)的位置，模型箱框架(12)、钢化玻璃挡板(13)、边坡模型(14)共同构成试验模型箱，边坡模型(14)设置于试验模型箱内部，钢化玻璃挡板(13)安装在模型箱框架(12)周围，试验模型箱设置于转台上方，承压板(15)设置于边坡模型(14)顶部，反力架(16)通过螺丝(21)固定在模型箱框架(12)上方，手压泵(19)和螺旋千斤顶(17)分别位于反力架(16)上方和下方，反力架(16)左右两侧各设置一个千分表(18)，千分表(18)穿过预留孔隙与承压板(15)直接接触，液压加载囊(23)前后分别与承压板(15)和试验模型箱壁紧密贴合，手压泵(19)与液压加载囊(23)通过连接管(22)连接起来，手压泵(19)上设置手压泵杆(20)，高速摄像机(24)置于云台(26)上，云台(26)固定在三角支架(25)上。/n...

【技术特征摘要】
1.一种模拟露天矿排土场边坡可视化破坏过程的试验系统，其特征在于：包括CT扫描系统、模型加载系统和图像采集系统，CT扫描系统包括竖直机架(1)、面阵探测器(2)、X射线发射机(3)、X射线发射孔(4)、转台上部(5)、转台下部(6)、连接件(7)、转台底座(8)、传动轨道槽(9)、定位孔(10)及铁垫(11)，模型加载系统包括模型箱框架(12)、钢化玻璃挡板(13)、边坡模型(14)、承压板(15)、反力架(16)、螺旋千斤顶(17)、千分表(18)、手压泵(19)、手压泵杆(20)、螺丝(21)、连接管(22)及液压加载囊(23)，图像采集系统包括高速摄像机(24)、三角支架(25)及云台(26)，两个竖直机架(1)对称固定在铁垫(11)上，两个传动轨道槽(9)分别沿垂直方向装配到两个竖直机架(1)上，X射线发射机(3)与面阵探测器(2)分别与两侧传动轨道槽(9)连接，X射线发射孔(4)位于X射线发射机(3)中心位置，转台置于两个竖直机架(1)中间的铁垫(11)上，转台由转台上部(5)、转台下部(6)、连接件(7)和转台底座(8)四部分组成，转台上部(5)与转台下部(6)通过连接件(7)连接在一起，转台下部(6)安装在转台底座(8)上，转台底座(8)固定在铁垫(11)上，用于承载转台主体结构，定位孔(10)沿竖直方向等间距布置于竖直机架(1)上，用于安装调整面阵探测器(2)和X射线发射机(3)的位置，模型箱框架(12)、钢化玻璃挡板(13)、边坡模型(14)共同构成试验模型箱，边坡模型(14)设置于试验模型箱内部，钢化玻璃挡板(13)安装在模型箱框架(12)周围，试验模型箱设置于转台上方，承压板(15)设置于边坡模型(14)顶部，反力架(16)通过螺丝(21)固定在模型箱框架(12)上方，手压...

【专利技术属性】
技术研发人员：王宇，吴云峰，高少华，龙大愚，
申请(专利权)人：北京科技大学，
类型：新型
国别省市：北京;11