专利名称：一种滑坡物理模型试验手动齿条式自重加载装置的制作方法
技术领域：
本发明属于地质灾害模型试验领域，具体地指一种滑坡物理模型试验手动齿条式自重加载装置。
背景技术：
滑坡物理模型试验属于地质力学模型试验的范畴，其理论起源于20世纪初期建立的结构模型试验，目前已逐渐发展并延伸出了滑坡现场模型试验、滑坡底摩擦模型试验、滑坡框架式模型试验、滑坡离心模型试验和滑坡综合模型试验等诸多研究方向。其中，滑坡框架式模型试验是指在通常的重力场内，通过在框架模型槽内采用满足相似判据的相似材料制作模型，在模型满足主要边界条件相似的情况下测量其变形和各力学特性参数。该试验既能直观地观察到滑体在滑动过程中的运动特征，也能定量地获得滑坡的应力、应变、位移等参数，可从定性和定量的角度阐明滑坡孕育和演化的机制。在滑坡框架式模型试验条件下，滑坡物理模型一般是在外力作用条件下发生变形或破坏。外力作用的主要方式有机械震动或爆破形式模拟的地震波；改变框架内部水位高度模拟库水位波动造成的渗流作用；降雨模拟器模拟降雨条件下的渗流作用；人工堆载的方式在滑坡物理模型后缘提供滑坡推力；在滑坡后缘布置钢板，并在液压千斤顶或MTS液压伺服推力装置作用下施加滑坡推力等。其中，对于滑坡物理模型后缘施加推力的方式还存在如下局限或缺陷
(1)现有滑坡物理模型后缘的推力加载与控制系统往往结构复杂、操作繁琐，难以满足快速、稳定、持续的滑坡后缘推力加载要求；
(2)现有采用人工堆载的方式虽然可以在滑坡后缘施加稳定的作用力，但对滑坡推力的大小及方向难以精确控制，所施加外力的边界条件与实际情况不符。
发明内容
本发明所要解决的技术问题就是提供一种滑坡物理模型试验手动齿条式自重加载装置，能够方便、快速地调节滑坡物理模型后缘推力加载的大小和方向，使施加的推力与滑坡实际边界条件相符合，且通过标定重物的自重实现加载，加载力稳定持久。为解决上述技术问题，本发明提供的一种滑坡物理模型试验手动齿条式自重加载装置，包括底板、滑动面调节机构和推力加载机构；所述滑动面调节机构位于底板上，滑动面调节机构包括滑动面板、两组相互啮合的齿条和齿轮、两根传动轴、两组相互啮合的蜗轮和蜗杆、两个摇柄以及导向座，所述导向座固定于底板上，导向座的前部和后部分别设有竖向的导向槽，一组齿条位于导向座前部的导向槽内，另一组齿条位于导向座后部的导向槽内，每组齿轮与一个蜗轮通过传动轴设置在导向座上，每一蜗杆分别与一个摇柄连接，用于在摇柄的带动下转动，所述滑动面板的前端与导向座前部的一组齿条顶部铰接、后端支设在导向座后部的一组齿条上；所述推力加载机构包括用于承载重物的加载平台，加载平台的底面与滑动面板的顶面滑动配合、可沿滑动面板前后滑动。
上述技术方案中，所述加载平台的底面为光滑面，所述滑动面板的顶面两侧设有边棱，用于加载平台的导向，两个边棱分别设有一列孔且孔两两相对，相对的两孔内设置有滑杆，加载平台的底面与滑动面板的顶面通过所述滑杆滑动配合。上述技术方案中，所述加载平台的后端设有插锁，用于加载平台与滑动面板的临时固定。上述技术方案中，所述滑动面板的底面开有滑槽，所述导向座后部导向槽内的一组齿条顶端设有滑动连接块，滑动连接块位于滑槽内，用于滑动连接块的导向。上述技术方案中，所述相互啮合的蜗轮和蜗杆满足自锁条件。上述技术方案中，每组相互啮合的齿条和齿轮包括两根齿条及相应的两个齿轮。上述技术方案中，所述齿条和齿轮、蜗轮和蜗杆满足传动比关系蜗杆转动一周，依次带动蜗轮、齿轮转动，齿条平移一个齿的距离。上述技术方案中，所述底板下方设有若干行走轮。与现有技术相比，本发明的有益效果在于
(1)该加载装置可应用于滑坡框架式模型试验，通过后缘自重式可控加载模拟滑坡内部推力，实现滑坡非完整地质力学模型的研究，极大的减少了完整地质力学模型的制作强度；
(2)该加载装置完全由手动调节实现，结构简单，易于操作，成本低廉；
(3 )该加载装置通过两组齿条实现了加载高度和加载角度的连续、精确、持续控制，使得施加的推力与实际边界条件符合良好；
(4)该加载装置适用于不同高度的滑坡物理模型推力加载，针对不同滑面高度的滑坡模型无需逐一制作不同高度的加载装置；
(5)该加载装置适用于不同滑面角度的滑坡物理模型，无需逐一制作不同角度的加载装置；
(6)该加载装置中加载平台的底面与滑动面板上的滑杆滑动配合使用，极大的减小了加载平台下滑过程中的摩擦阻力作用，有效地将自重荷载转换成推力；
(7)该加载装置中加载平台的后端设有插锁，便捷地实现了加载平台与滑动面板的临时固定；
(8)该加载装置作为一个独立体系，与滑坡物理模型框架分离，耐用性好、可重复使
用；
(9)由于该装置构件强度高、刚度大，构件偶尔出现破坏的可能性非常小，即便出现破损，也易于修理或更换；
(10)底板下方行走轮的设置，便于整个装置的移动及运输；
(11)该自重加载装置可广泛运用于包括岩土质滑坡、边坡等类型的地质力学模型试验中推力的加载，应用前景广阔，经济效益显著。
图1为本发明一个实施例的立体结构示意图。图2为图1装置的主视图。图3为图1装置的后视图。
图4为图1装置的右视图。图5为图1装置旋转后的俯视图。图6为图1装置应用于滑坡框架式模型试验时的使用状态示意图。图中1一插锁,2—加载平台，3—滑动面板，4一滑杆,5—齿条,6—齿轮,7—蜗轮，8—传动轴，9—端面轴承端盖，10—蜗杆，11—侧面轴承端盖，12—导向座，13—摇柄，14 一底板，15一行走轮,16一固定连接块，17一试验框架，18一滑床,19一滑体,20—滑带,21—滑动连接块。
具体实施例方式以下结合附图对本发明的具体实施例作进一步的详细描述。如图1至图5所示，本发明的一种滑坡物理模型试验手动齿条式自重加载装置，包括底板14、滑动面调节机构和推力加载机构，具体来说。底板14下方设有若干行走轮15，以便整个装置的移动。滑动面调节机构位于底板14上，本实施例的滑动面调节机构包括滑动面板3、两组相互啮合的齿条5和齿轮6、两根传动轴8、两组相互啮合的蜗轮7和蜗杆10、两个摇柄13以及导向座12。导向座12固定于底板14上，导向座12的前部和后部分别设有两个竖向的导向槽，一组齿条5位于导向座12前部的导向槽内，另一组齿条5位于导向座12后部的导向槽内，每组齿条5为两根，齿条5可沿导向槽升降运动。每组齿轮6和一个蜗轮7共同固定在一根传动轴8上，传动轴8则通过轴承支设在导向座12上、可绕其轴线转动。每一蜗杆10分别与一个摇柄13固定连接，可在摇柄13的带动下转动。滑动面板3的前端与导向座12前部的一组齿条5顶部通过固定连接块16铰接，滑动面板3的后端底面开有滑槽，导向座12后部导向槽内的两根齿条5顶端设有滑动连接块21，滑动连接块21位于滑槽内，用于滑动连接块21的导向。滑动面板3的高度通过两组齿条5的升降高度调节，滑动面板3的倾角则通过两组齿条5的相对升降高度确定。每组齿条5的升降控制依次通过摇柄13、蜗杆10、蜗轮7、传动轴8和齿轮6联动实现。为确保滑动面板3的便捷固定，每组相互啮合的蜗轮7和蜗杆10满足自锁条件，具备自锁功能。为便于操作和计算滑动面板3的倾角，本实施例中齿条5和齿轮6、蜗轮7和蜗杆10满足这样的传动比关系即蜗杆10转动一周，依次带动蜗轮7、齿轮6转动，齿条5平移一个齿的距离。这样，根据前部和后部齿条的齿数差得到的高度差以及前部和后部齿条的水平间距可换算出滑动面板3的倾角；反过来，当确定了滑动面板3的设置倾角后，也便于计算出摇柄13所需转数。这里，摇柄13转数的读取可以人工读取，也可以通过设置简单记录装置获取，例如跳绳计数器等。本实施例的推力加载机构包括用于承载重物的加载平台2，加载平台2底面的倾角应与滑坡模型的滑带20倾角相同。加载平台2的底面为平整光滑面，上述滑动面板3的顶面两侧设有边棱，起导向作用，两个边棱分别设有一列孔且孔两两相对，相对的两孔内设置有滑杆4，加载平台2的底面与滑动面板3的顶面通过这些滑杆4滑动配合。加载平台2的顶面呈水平面或者凹状，用于承载经标定重量后的物体，使之在自重条件下随加载平台2一起沿滑动面板3下滑，通过加载平台2前面板作用在滑坡模型上，并以上覆堆载的重力沿着滑动面板3水平方向的分量提供相应的水平荷载。在加载平台2的后端还设有插锁1，用于装置使用前加载平台2与滑动面板3的临时固定。
如图6所示，将本发明应用于滑坡框架式模型试验的大致过程为
一、前期准备
1、针对研究需求，依据相似原理，拟定概化后的滑坡相似模型；以相似材料试验结果为标准，分别配制滑床18、滑带20、滑体19相似材料。根据拟定的滑坡相似模型空间形态采用配制均匀、含水率恒定的相似材料制作滑坡模型；
2、测量滑坡模型后缘滑带20的倾角，制作对应的加载平台2；
二、装置的调节与固定
3、将本发明的加载装置推至指定位置，并正对滑坡后缘，将加载装置底板14下方的行走轮15锁死固定；
4、通过转动前部摇柄13，使前部齿条5上升，此时滑动面板3前端与滑坡模型后缘滑带20高度一致，滑动面板3前端高度因蜗轮7与蜗杆10自锁而临时固定；
5、转动后部摇柄13，后部齿条5上升，直至与前部齿条5高度一致；
6、继续转动后部摇柄13，并记录转动次数(齿条5上升齿数)，使后部齿条5上升。当滑动面板3所形成的倾角与滑坡后缘滑带20倾角一致时停止转动。滑动面板3后端高度因蜗轮7与蜗杆10自锁而临时固定；
三、推力加载
7、标定加载平台2重量，并根据推力加载需要，称量所需要的重物；
8、安装加载平台2；
9、打开加载平台2后部的插锁1，手扶加载平台2使其缓慢下滑直至与滑坡后缘接触后，松开双手；
10、在加载平台2上，竖直、缓慢放置标定好的重物，直至滑坡变形或破坏。需要注意的是，为避免加载过程中滑体19从加载平台2上部挤出，加载平台2的顶面应当不低于滑体19顶面高度，相应的，在制作加载平台2时，可适当提高其竖直加载面的高度；
四、试验结束
11、先卸除加载平台2上堆载的重物，然后将加载平台2卸除；
12、反转摇柄13使滑动面板3下降；
13、松开底板14下方行走轮15的制动，将本推力加载装置移动至指定地点。本发明的核心在于滑动面调节机构的设置，使得采用自重加载的推力大小和方向连续、精确可调，并使施加的推力与滑坡实际边界条件相符合，且加载力稳定。所以其保护范围并不限于上述实施例。显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变形而不脱离本发明的范围和精神，例如加载平台2和滑动面板3之间的滑动配合方式不限于实施例中的平整光滑面和滑杆4的结构，只要便于二者的相对前后滑动即可；滑动面板3的倾角通过齿数差换算获得，齿数差直接通过记录摇柄13转数的读数获取，而摇柄13转动引起齿条5上升的运动过程需满足的传动比关系可以根据需要进行不同取值等。倘若这些改动和变形属于本发明权利要求及其等同技术的范围内，则本发明也意图包含这些改动和变形在内。
权利要求
1.一种滑坡物理模型试验手动齿条式自重加载装置，其特征在于包括底板(14)、滑动面调节机构和推力加载机构；所述滑动面调节机构位于底板(14)上，滑动面调节机构包括滑动面板(3)、两组相互啮合的齿条(5)和齿轮(6)、两根传动轴(8)、两组相互啮合的蜗轮(7)和蜗杆(10)、两个摇柄(13)以及导向座(12)，所述导向座(12)固定于底板(14)上，导向座(12)的前部和后部分别设有竖向的导向槽,一组齿条(5)位于导向座(12)前部的导向槽内，另一组齿条(5)位于导向座(12)后部的导向槽内，每组齿轮(6)与一个蜗轮(7)通过传动轴(8)设置在导向座(12)上,每一蜗杆(10)分别与一个摇柄(13)连接,用于在摇柄(13)的带动下转动，所述滑动面板(3)的前端与导向座(12)前部的一组齿条(5)顶部铰接、后端支设在导向座(12)后部的一组齿条(5)上；所述推力加载机构包括用于承载重物的加载平台(2)，加载平台(2)的底面与滑动面板(3)的顶面滑动配合、可沿滑动面板(3)前后滑动。
2.根据权利要求1所述的一种滑坡物理模型试验手动齿条式自重加载装置，其特征在于所述加载平台(2)的底面为光滑面，所述滑动面板(3)的顶面两侧设有边棱，用于加载平台(2)的导向，两个边棱分别设有一列孔且孔两两相对，相对的两孔内设置有滑杆(4)，加载平台(2)的底面与滑动面板(3)的顶面通过所述滑杆(4)滑动配合。
3.根据权利要求1所述的一种滑坡物理模型试验手动齿条式自重加载装置，其特征在于所述加载平台(2)的后端设有插锁(1)，用于加载平台(2)与滑动面板(3)的临时固定。
4.根据权利要求1至3中任一权利要求所述的一种滑坡物理模型试验手动齿条式自重加载装置，其特征在于所述滑动面板(3)的底面开有滑槽，所述导向座(12)后部导向槽内的一组齿条(5)顶端设有滑动连接块(21)，滑动连接块(21)位于滑槽内，用于滑动连接块(21)的导向。
5.根据权利要求1至3中任一权利要求所述的一种滑坡物理模型试验手动齿条式自重加载装置，其特征在于所述相互啮合的蜗轮(7)和蜗杆(10)满足自锁条件。
6.根据权利要求4所述的一种滑坡物理模型试验手动齿条式自重加载装置，其特征在于所述相互啮合的蜗轮(7)和蜗杆(10)满足自锁条件。
7.根据权利要求1至3中任一权利要求所述的一种滑坡物理模型试验手动齿条式自重加载装置，其特征在于每组相互啮合的齿条(5)和齿轮(6)包括两根齿条(5)及相应的两个齿轮(5)。
8.根据权利要求1至3中任一权利要求所述的一种滑坡物理模型试验手动齿条式自重加载装置，其特征在于所述齿条(5)和齿轮(6)、蜗轮(7)和蜗杆(10)满足传动比关系蜗杆(10)转动一周，依次带动蜗轮(7)、齿轮(6)转动，齿条(5)平移一个齿的距离。
9.根据权利要求1所述的一种滑坡物理模型试验手动齿条式自重加载装置，其特征在于所述底板(14)下方设有若干行走轮(15)。
全文摘要
一种滑坡物理模型试验手动齿条式自重加载装置，包括底板、滑动面调节机构和推力加载机构；滑动面调节机构位于底板上，滑动面调节机构包括滑动面板、两组相互啮合的齿条和齿轮、两根传动轴、两组相互啮合的蜗轮和蜗杆、两个摇柄以及导向座，导向座固定于底板上，导向座的前部和后部分别设有竖向的导向槽，一组齿条位于导向座前部的导向槽内，另一组齿条位于导向座后部的导向槽内，每组齿轮与一个蜗轮通过传动轴设置在导向座上，每一蜗杆分别与一个摇柄连接，滑动面板的前端与导向座前部的一组齿条顶部铰接、后端支设在导向座后部的一组齿条上；推力加载机构包括加载平台，加载平台的底面与滑动面板的顶面滑动配合、可沿滑动面板前后滑动。
文档编号G01N33/24GK103033607SQ20121054692
公开日2013年4月10日 申请日期2012年12月17日 优先权日2012年12月17日
发明者唐辉明, 雍睿, 李长冬, 胡新丽, 谭钦文, 易贤龙, 马俊伟, 夏浩 申请人:中国地质大学(武汉)