一种边坡滑坡试验装置的制作方法

本发明涉及边坡工程试验技术领域，尤其涉及一种边坡滑坡试验装置。

背景技术：

滑坡是斜坡岩土体沿着惯通的剪切破坏面所发生的滑移地质现象，随着世界人口的不断增长，人类生产生活的空间不断扩展，以经济和技术条件为支撑的工程活动愈加频繁，加之受全球气候变化的因素的影响，滑坡灾害频发，其中不乏大型滑坡灾害，造成了巨大的人员伤亡及财产损失，迄今为止，但凡有人类生产生活活动的地区，都发生过滑坡灾害。

矿山边坡稳定性是我国露天矿山特别是深部开采露天矿山必须面对的一个重大问题，对滑坡内在破坏机理及特征进行研究，从而提前做出应对措施，是矿山安全生产领域的重要研究方向及关键技术环节。现有技术中的边坡失稳试验，往往采用等比例缩小模型在有限封闭空间水平地面进行堆筑，由于缩尺后边界条件，特别是重力效应，真正通过相似性模拟出现了边坡滑坡现象的几乎没有文献及报道，这大大限制了对边坡工程失稳破坏机理的认识和探索；同时对于传统滑坡试验场，通常也无法同时做到地下水、降水、上覆荷载、坡体材料组成不同变量共同作用下的滑坡模拟，导致模拟误差较大，不能反应实际的滑坡破坏情况。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种边坡滑坡试验装置，上述装置可以进行大型边坡工程室内相似性模拟试验，从而对边坡失稳的动态演化过程进行跟踪、分析及研究，为边坡失稳破坏前起及时准确的预警提供技术支持。

一种边坡滑坡试验装置，所述装置包括模型框架系统、轴向加载装置、地下水及降雨模拟系统和伺服控制系统，其中：

所述模型框架系统包括加载梁、反力梁、承载柱、后墙、侧墙及底板，用于模型试样的制备和各种试验模拟，采用钢结构拼接制造而成；

进一步的，所述加载梁在丝杆升降机的带动下能在一定距离内自由滑动，并能根据滑坡试验时的实际情况调整加载位置，驱动方式为伺服电机驱动；

所述反力梁有两根，安装在所述加载梁的上方，通过螺栓与承载柱连接在一起；

所述承载柱与底板、反力梁相互连接，构成内部受力的反力框架，所述承载柱主要承受轴向加载时的拉力和模型侧鼓时的水平鼓胀力；

所述底板承受模型试样带来的轴向应力；

所述后墙和侧墙均采用50b工字拼焊而成，与所述承载柱和底板相互连接，比所述模型试样的高度要高；

所述后墙和侧墙与所述模型试样相接触的内侧采用透明有机玻璃板，该透明有机玻璃板通过螺钉安装在墙体内侧的型钢上，为所述模型试样提供侧向约束；

所述轴向加载装置采用减速机驱动滚珠丝杆副结构，丝杆旋转螺母垂直运动，螺母前段有应力传感器；

所述伺服控制系统包括计算机、控制器、伺服驱动器和传感器，用于控制所述轴向加载装置来调节力的大小，其中：

所述计算机将控制命令发送到所述控制器，所述控制器根据所述传感器传送回来的数据与所述计算机发出的命令数据进行对比计算，根据计算结果对所述伺服驱动器发出控制指令，所述伺服驱动器驱动丝杆动作，使得所述传感器的数值发生变化；此数值再次传送到所述控制器，形成伺服闭环控制系统；

所述地下水及降雨模拟系统包括储水箱、增压泵、调压阀、供水管路、喷头及压力流量仪表，用于模拟地下水渗水试验和降雨试验，并通过调节系统压力来控制系统流量。

所述加载梁采用100mm优质碳素结构钢q345焊接加工而成，内部设置有加强筋，用于对模型试样施加轴向载荷。

所述地下水及降雨模拟系统的喷头包括三组，红色喷头为第一组，蓝色喷头为第二组，黑色喷头为第三组，每组喷头单独用软塑料管连接，能独立控制各组喷淋装置。

所述喷头采用不锈钢管制成，喷头向上喷水，在顶部设有遮挡，利用遮挡使得水流自然反射下来，形成降雨。

在所述地下水及降雨模拟系统的水源处还安装有增压泵，用来控制降雨压力与水量。

在所述地下水及降雨模拟系统中，位于模型框架系统的底部20cm范围为碎石，右侧底面有进水口，当水位超过所述模型试样坡脚处时，整个水平水位线由下而上整体上升，从而模拟边坡在地下水位上升情况下的失稳情况。

所述伺服控制系统的传感器包括轴向负荷传感器和位移传感器，其中：

所述轴向负荷传感器用于轴向的载荷测量，为轮辐式负荷传感器；

所述位移传感器为拉线式位移传感器。

由上述本发明提供的技术方案可以看出，上述装置可以进行大型边坡工程室内相似性模拟试验，从而对边坡失稳的动态演化过程进行跟踪、分析及研究，获得边坡滑坡破坏从形成、稳定、孕育、发展、破坏的动态时空演化规律及表现形式，并且根据对边坡失稳破坏规律及特征的认识，研究可用于边坡失稳前临滑预警的方法，从而为边坡失稳破坏前起及时准确的预警提供技术支持。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他附图。

图1为本发明实施例所提供的边坡滑坡试验装置整体结构示意图；

图2为本发明实施例所提供的后墙和侧墙的结构示意图；

图3为本发明实施例所提供轴向加载装置的结构示意图；

图4为本发明实施例所述降雨喷头的平面布置示意图；

图5为本发明实施例所提供的地下水及降雨模拟系统的整体示意图；

图6为本发明实施例所提供模拟地下水上升的示意图；

图7为本发明实施例所提供场地布置的整体示意图。

具体实施方式

下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。

下面将结合附图对本发明实施例作进一步地详细描述，如图1所示为本发明实施例所提供的边坡滑坡试验装置整体结构示意图，所述装置包括模型框架系统、轴向加载装置、地下水及降雨模拟系统和伺服控制系统，其中：

所述模型框架系统包括加载梁、反力梁、承载柱、后墙、侧墙及底板，用于模型试样的制备和各种试验模拟，轴向最大加载能力可达20000kn，采用钢结构拼接制造而成；

进一步的，所述加载梁在丝杆升降机的带动下能在一定距离内自由滑动，并能根据滑坡试验时的实际情况调整加载位置，驱动方式为伺服电机驱动；具体实现中，该加载梁采用100mm优质碳素结构钢q345焊接加工而成，内部设置有加强筋，用于对模型试样施加轴向载荷。

所述反力梁有两根，安装在所述加载梁的上方，通过螺栓与承载柱连接在一起；

所述承载柱与底板、反力梁相互连接，构成内部受力的反力框架，所述承载柱主要承受轴向加载时的拉力和模型侧鼓时的水平鼓胀力；

所述底板承受模型试样带来的轴向应力，由于模型试样加载时应力分布不均匀，从靠近后墙位置向前应力逐步减小，因此结构焊接时筋板的分布也是不均匀的，能够最大限度的增加材料的利用率和结构合理性，同时整体底板尺寸过大，运输过程中会有困难，可以采用分体结构设计，到现场后拼装成一体；

所述后墙和侧墙均采用50b工字拼焊而成，与所述承载柱和底板相互连接，比所述模型试样的高度要高；如图2所示为本发明实施例所提供的后墙和侧墙的结构示意图，所述后墙和侧墙与所述模型试样相接触的内侧采用透明有机玻璃板，该透明有机玻璃板通过螺钉安装在墙体内侧的型钢上，为所述模型试样提供侧向约束；利用该有机玻璃观察和记录模型试样在加载过程中的变形及渗水情况；

所述轴向加载装置采用减速机驱动滚珠丝杆副结构，丝杆旋转螺母垂直运动，螺母前段有应力传感器，采用伺服电机驱动；这里，滚珠丝杆为采用大载荷丝杆，其优点在于可以长期加载，稳定性高，无漏油现象，可靠性好，故障率低和维护成本低，如图3所示为本发明实施例所提供轴向加载装置的结构示意图，采用伺服电机可使控制速度，位置精度非常准确，可以将电压信号转化为转矩和转速以驱动控制皮带的运行速度。伺服电机转子转速受输入信号控制，并能快速反应，在自动控制系统中，用作执行元件，且具有机电时间常数小、线性度高、始动电压等特性，可把所收到的电信号转换成电动机轴上的角位移或角速度输出。

所述伺服控制系统包括计算机、控制器、伺服驱动器和传感器，用于控制所述轴向加载装置来调节力的大小，其中：

所述计算机将控制命令发送到所述控制器，所述控制器根据所述传感器传送回来的数据与所述计算机发出的命令数据进行对比计算，根据计算结果对所述伺服驱动器发出控制指令，所述伺服驱动器驱动丝杆动作，使得所述传感器的数值发生变化；此数值再次传送到所述控制器，形成伺服闭环控制系统。

具体实现过程中，上述传感器包括轴向负荷传感器和位移传感器，其中：

所述轴向负荷传感器用于轴向的载荷测量，为轮辐式负荷传感器，精度高，稳定性好，耐腐蚀；所述位移传感器为拉线式位移传感器，量程大、精度高、稳定性高、可靠性高，数字脉冲输出，抗干扰能力极强，功耗低。

所述地下水及降雨模拟系统包括储水箱、增压泵、调压阀、供水管路、喷头及压力流量仪表，用于模拟地下水渗水试验和降雨试验，并通过调节系统压力来控制系统流量。如图4所示为本发明实施例所述降雨喷头的平面布置示意图，该喷头包括三组，红色喷头为第一组，蓝色喷头为第二组，黑色喷头为第三组，每组喷头单独用软塑料管连接，能独立控制各组喷淋装置。

如图5所示为本发明实施例所提供的地下水及降雨模拟系统的整体示意图，所述喷头采用不锈钢管制成，喷头向上喷水，在顶部设有遮挡，利用遮挡使得水流自然反射下来，形成降雨，从而对模型进行模拟降水试验。

在所述地下水及降雨模拟系统的水源处还安装有增压泵，用来控制降雨压力与水量。

如图6所示为本发明实施例所提供模拟地下水上升的示意图，参考图6：位于模型框架系统的底部20cm范围为碎石，右侧底面有进水口，当水位超过所述模型试样坡脚处时，整个水平水位线由下而上整体上升，从而模拟边坡在地下水位上升情况下的失稳情况。另外，还可以通过在水源处安装增压泵，来控制充水压力与水量。

由上述实施例可知：该装置可以模拟不同的滑坡诱发因素，如降雨、冻融、地震、人工工程活动等。另外，在该装置的试验场地布置上主要包括四个区域：设备控制区、材料堆放区、模型区及溃出区。如图7所示为本发明实施例所提供场地布置的整体示意图，参考图7：设备控制区用于安装模型试验用全部设备、机械等；材料堆放区用于堆放模型式样试验用全部材料；模型区用于放置所做模型式样，周围设有排水沟；溃出区为滑坡后的土体提供场地，里面设有三道排水沟，沟宽50cm，深50cm，坡度0.3％，靠场区外侧边墙处排水沟坡度0.3％，可用做沉淀池，并设置有截淤槽，可使泥水自然沉淀。

综上所述，本发明实施例所提供的装置可以进行大型边坡工程室内相似性模拟试验，从而对边坡失稳的动态演化过程进行跟踪、分析及研究，获得边坡滑坡破坏从形成、稳定、孕育、发展、破坏的动态时空演化规律及表现形式，并且根据对边坡失稳破坏规律及特征的认识，研究可用于边坡失稳前临滑预警的方法，从而为边坡失稳破坏前起及时准确的预警提供技术支持；该装置将对于滑坡自然灾害、矿山安全生产、滑坡事故应急救援等工作起到重要的保障作用，具有较为重要的现实意义。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。