一种岩土与环境模拟装置的制作方法

本发明涉及岩土模拟设备技术领域，具体的说，是一种岩土与环境模拟装置。

背景技术：

地质灾害尤其是滑坡、泥石流等由强降雨引发的灾害，危害无穷。且普遍有隐蔽性、突发性。难以准确预报预警，社会普遍关注这一直接影响人民生命财产安全问题。

21世纪以来以来，我国突发地质仍然频繁发生，形式严峻，滑坡、泥石流等常见地质灾害平均每年造成死亡和失踪数千人，直接经济损失100亿元以上。

在现有技术中，对于自然的地质灾害研究需要依靠自然环境变化，存在“靠天吃饭”的问题。使研究存在被动性，而且一地的地质环境是特定的，研究结果推广到不同地区的可行性不大。计算机辅助对岩土灾害发生的仿真可以对研究大有帮助但还是代替不了实物的研究。且新开发出的灾害监测方法和仪器缺少用于检验其正确性和可靠性的平台；研究的分散性很强，影响灾害发生的因子很多，当下的研究往往只考虑一两个因子，没法构成系统的监测网络，也就无法得出科学全面的结论。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种岩土与环境模拟装置，能够有效的实现模拟边坡滑坡等自然灾害。

本发明通过下述技术方案实现：

一种岩土与环境模拟装置，包括用于装载岩土的箱体、用于实现箱体倾斜的翻转装置、用于对箱体支撑的支撑装置以及安装在箱体正上方的模拟降雨机构；所述箱体包括底板、分别垂直安装底板上在的前板、后板、左板和右板；所述前板和后板的一端与后板的两端固定连接；所述前板和后端远离后板的一端与前板滑动连接；前板和后端远离后板的一端设置有用于打开箱体或关闭箱体的驱动机构。

工作原理：使用前按照要求在箱体内装载一定量的岩土，然后通过翻转装置使得底板与水平形成一定的夹角，当夹角的角度与需要模拟的边坡角度一致时，翻转装置停止驱动；此时控制模拟降雨机构降雨，当降雨量满足试验需要后，控制驱动机构打开前板，从而实现边坡滑坡的模拟。

进一步地，为了更好的实现本发明，所述底板上均匀的设置有多个摩擦件；所述左板和右板远离底板的一侧还安装有角度测量传感器，在左板、右板处于水平状态时，角度测量传感器的读数为0°。

进一步地，为了更好的实现本发明，所述驱动机构包括结构相同且对称安装在底板远离模拟降雨机构一侧的两个驱动装置，两个所述驱动装置分别与前板靠近左板的一侧、前板靠近右板的一侧连接。

进一步地，为了更好的实现本发明，所述驱动装置与前板连接的丝杠螺母、与丝杠螺母配合使用的丝杠、用于驱动丝杠转动的丝杠驱动电机。

进一步地，为了更好的实现本发明，所述丝杠靠近驱动电机的一侧设置有伞齿轮；所述丝杠驱动电机的输出端设置有与伞齿轮配合使用的主齿轮；所述驱动电机与底板固定连接。

进一步地，为了更好的实现本发明，所述翻转装置为液压油缸，所述翻转装置的数量至少为两个且均匀的与底板远离前板的一侧，所述支撑装置设置在底板靠近前板的一侧；所述支撑装置靠近底板的一端与底板铰接。

进一步地，为了更好的实现本发明，所述翻转装置与支撑装置之间设置有支撑架，所述支撑架靠近底板的一侧设置有缓冲层；所述缓冲层采用橡胶材料制成。

进一步地，为了更好的实现本发明，所述箱体内还设置有用于计算模拟降雨机构降雨量的雨量计、安装在箱体内的含水率传感器以及用于对箱体内岩体位移测量的位移传感器。

设置雨量计的目的是为了降雨实验过程中一些降雨为无效降雨，为了确定最终降雨的效率，通过记录好实验总用水量便于后面进行分析时作参考数据。

位移传感器主要用于地表裂缝的监测，根据拉簧、拉线和轮盘带动多圈电位器原理，采用高强度、低温度系数的防锈合金丝，转轮采用合金材料数控机床加工，回拉弹簧采用不锈钢高弹力材料，多圈电位器采用误差为0.25%高精度多圈电位器，以输出电阻的形式连接主机。置于箱体内加以防水处理可实现。

含水率传感器要直接跟岩土体接触尤其是在含水的环境中工作，其工作基于介电常数原理，土壤含水率发生变化的时候，电极板间的土壤的介电常数会发生变化，则其容抗也会变化，根据传感器内部的处理电路得出变化结果。其以上特性和耐腐蚀的外部包装适合于工作于实验岩土体上。对实验岩土体表层土状态变化的监测。

进一步地，为了更好的实现本发明，还包括用于支撑翻转装置、支撑装置、支撑架的底座；所述底座靠近箱体一侧设置为两个对称的坡面，两个坡面以前板和后板中心点的连线为对称线。

进一步地，为了更好的实现本发明，所述底板靠近箱体的一侧设置及有积水沟槽；所述积水沟槽与模拟降雨机构的水量供应槽连通。

综上所述：本发明具有较强的免维护性。

由于大型的装置要在较大的工厂车间才能进行完全的生产和组装，加上用于做实验的周期较长期间不允许装置出现问题，基于以上原因，装置要满足可靠性高，充分考虑整套装置的免维护性。

具有良好的动力性。

承载岩土的机械翻斗箱体自重和负载的实验岩土的重量很大，设计通过液压举升装置进行举升操作，为了保证安全性和控制的准确性需要液压装置动力充足，除能自如达到设计最大倾角的任意角度外，还要适当留有一些动力余量以保证装置处于绝对安全可控状态。

具有良好的平稳性。

要求整套装置在举升作业过程中具有较好的平稳性，不得有较大的动力冲击，一方面，避免外力干扰实验过程；另一方面，降低机构各部件受损伤概率，保证装置的使用寿命。

具有良好的协调性。

装置设计后好，实际使用过程中必须满足在外力作用下，机构各部件能沿自己的铰支点按设计意图转动，不得出现传动角小于许用传动角的情况，更不能有死点位置的存在。

本发明与现有技术相比，具有以下优点及有益效果：

（1）本发明通过翻转装置与支撑装置能够有效的实现模拟边坡滑坡等自然灾害；

（2）本发明设置有角度测量传感器，通过角度测量传感器能够有效的控制翻转装置按照设定的角度，模拟边坡的角度；

（3）本发明通过位移传感器和含水率传感器，能够有效的为试验的准确度提供参数支撑；

（4）本发明结构简单、实用性强。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明中箱体与支撑装置、翻转装置的连接结构示意图；

图3为本发明中箱体的内部结构示意图；

图4为本发明中前板与驱动机构的连接示意图；

图5为本发明中模拟降雨机构的工作原理图；

图6为本发明中实施例8的结构示意图；

其中1、箱体；11、前板；2、支撑装置；4、翻转装置；5、模拟降雨机构；61、丝杠；62、伞齿轮；63、主齿轮；64、驱动电机；65、丝杠螺母；71、拉撑杆；72、导轨；20、支撑架；201、缓冲层；101、摩擦件；102、位移传感器；103、含水率传感器；104、角度测量传感器；30、底座；301、积水沟槽。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步地详细说明，但本发明的实施方式不限于此。

实施例1：

本发明通过下述技术方案实现，如图1-图6所示，一种岩土与环境模拟装置，包括用于装载岩土的箱体1、用于实现箱体1倾斜的翻转装置4、用于对箱体1支撑的支撑装置2以及安装在箱体1正上方的模拟降雨机构5；所述箱体1包括底板、分别垂直安装底板上在的前板11、后板、左板和右板；所述前板11和后板的一端与后板的两端固定连接；所述前板11和后端远离后板的一端与前板11滑动连接；前板11和后端远离后板的一端设置有用于打开箱体1或关闭箱体1的驱动机构。

需要说明的是，通过上述改进，使用前按照要求在箱体1内装载一定量的岩土，然后通过翻转装置4使得底板与水平形成一定的夹角，当夹角的角度与需要模拟的边坡角度一致时，翻转装置4停止驱动；此时控制模拟降雨机构5降雨，当降雨量满足试验需要后，控制驱动机构打开前板11，从而实现边坡滑坡的模拟。

优选的，前板11、左板、后板、右板分别安装在底板上，前板11、左板、后板、右板、前板11依次连接与底板形成一个用于装载岩土的腔室。

所述翻转装置4使得箱体1的倾斜的角度为0°~60°。

实施例2：

本实施例在上述实施例的基础上做进一步优化，如图3所示，进一步地，为了更好的实现本发明，所述底板上均匀的设置有多个摩擦件101；所述左板和右板远离底板的一侧还安装有角度测量传感器104，在左板、右板处于水平状态时，角度测量传感器104的读数为0°。

需要说明的是，通过上述改进，所述摩擦件101为钢柱。设置钢柱的目的是为了增大岩土体与底板之间的摩擦力，使得岩土体的下滑不是由于试验岩土体与底板的摩擦力过小而实现的下滑。

本实施例的其他部分与上述实施例相同，故不再赘述。

实施例3：

本实施例在上述实施例的基础上做进一步优化，如图1-图2、图6所示，进一步地，为了更好的实现本发明，所述驱动机构包括结构相同且对称安装在底板远离模拟降雨机构5一侧的两个驱动装置，两个所述驱动装置分别与前板11靠近左板的一侧、前板11靠近右板的一侧连接。

需要说明的是，通过上述改进，在进行前板11打开腔室时，控制两个驱动装置同时运动即可。

本实施例的其他部分与上述实施例相同，故不再赘述。

实施例4：

本实施例在上述实施例的基础上做进一步优化，如图4所示，进一步地，为了更好的实现本发明，所述驱动装置与前板11连接的丝杠螺母65、与丝杠螺母65配合使用的丝杠61、用于驱动丝杠61转动的丝杠61驱动电机64。

进一步地，为了更好的实现本发明，所述丝杠61靠近驱动电机64的一侧设置有伞齿轮62；所述丝杠61驱动电机64的输出端设置有与伞齿轮62配合使用的主齿轮63；所述驱动电机64与底板固定连接。

需要说明的是，通过上述改进，丝杆与底板安装摩擦件101的一面始终保持垂直状态；在使用时，控制两个丝杆驱动电机64同时实现转动，从而带动主齿轮63转动，由于主齿轮63与伞齿轮62啮合，使得在主齿轮63转动的情况下伞齿轮62将转动，从而带动丝杠61转动；再者由于丝杠61通过丝杠螺母65与前板11实现连接，在丝杠61转动的情况下将使得丝杠螺母65沿丝杠61的长方向进行移动；由于采用的是两套结构相同的驱动装置，将使得前板11无法实现绕丝杠61转动，只能带丝杠螺母65的带动下沿丝杠61的长方向移动。

本实施例的其他部分与上述实施例相同，故不再赘述。

实施例5：

本实施例在上述实施例的基础上做进一步优化，如图1、图2、图6所示，进一步地，为了更好的实现本发明，所述翻转装置4为液压油缸，所述翻转装置4的数量至少为两个且均匀的与底板远离前板11的一侧，所述支撑装置2设置在底板靠近前板11的一侧；所述支撑装置2靠近底板的一端与底板铰接。

需要说明的是，通过上述改进，液压油缸外接液压站；液压油缸属于直推式机构；选用直推式机构的目的在于：是因为这种机构简单紧凑、举升效率高、工艺简单、便于实现，成本也相对较低，油缸下置时，其推力直接作为箱体1举升力，由此需要的油缸功率较小。

在实际使用过程中，箱体1会长时间保持一种状态，且箱体1长期保持一倾角使支撑靠支撑机构完成，不会对油缸产生压力导致其密闭性受损伤，出现渗漏现象，因此，采取直推式举升机构能够满足实际使用要求。这里的支撑机构包括支撑装置2、支撑架20。

本实施例的其他部分与上述实施例相同，故不再赘述。

实施例6：

本实施例在上述实施例的基础上做进一步优化，如图1所示，进一步地，为了更好的实现本发明，所述翻转装置4与支撑装置2之间设置有支撑架20，所述支撑架20靠近底板的一侧设置有缓冲层201；所述缓冲层201采用橡胶材料制成。

需要说明的是，通过上述改进，设置缓冲层201的目的在于避免底板与支撑架20硬性接触，对底板造成损伤，减少使用寿命。

本实施例的其他部分与上述实施例相同，故不再赘述。

实施例7：

本实施例在上述实施例的基础上做进一步优化，如图2所示，进一步地，为了更好的实现本发明，所述箱体1内还设置有用于计算模拟降雨机构5降雨量的雨量计、安装在箱体1内的含水率传感器103以及用于对箱体1内岩体位移测量的位移传感器102。

需要说明的是，通过上述改进，设置雨量计的目的是为了降雨实验过程中一些降雨为无效降雨，为了确定最终降雨的效率，通过记录好实验总用水量便于后面进行分析时作参考数据。

位移传感器102主要用于地表裂缝的监测，根据拉簧、拉线和轮盘带动多圈电位器原理，采用高强度、低温度系数的防锈合金丝，转轮采用合金材料数控机床加工，回拉弹簧采用不锈钢高弹力材料，多圈电位器采用误差为0.25%高精度多圈电位器，以输出电阻的形式连接主机。置于箱体1内加以防水处理可实现。

含水率传感器103要直接跟岩土体接触尤其是在含水的环境中工作，其工作基于介电常数原理，土壤含水率发生变化的时候，电极板间的土壤的介电常数会发生变化，则其容抗也会变化，根据传感器内部的处理电路得出变化结果。其以上特性和耐腐蚀的外部包装适合于工作于实验岩土体上。对实验岩土体表层土状态变化的监测。

本实施例的其他部分与上述实施例相同，故不再赘述。

实施例8：

本实施例在上述实施例的基础上做进一步优化，如图1所示，进一步地，为了更好的实现本发明，还包括用于支撑翻转装置4、支撑装置2、支撑架20的底座30；所述底座30靠近箱体1一侧设置为两个对称的坡面，两个坡面以前板11和后板中心点的连线为对称线。

进一步地，为了更好的实现本发明，所述底板靠近箱体1的一侧设置及有积水沟槽301；所述积水沟槽301与模拟降雨机构5的水量供应槽连通。

需要说明的是，通过上述改进，坡面的坡度为1%~3%。设置坡面的目的在于，在模拟降雨装置实现降雨后，由于底座30存在坡度，水将流入到积水沟槽301内，通过积水沟槽301在回收到水量供应槽内供下次循坏使用。采用上述设置的目的在于有效的节约水资源。

本实施例的其他部分与上述实施例相同，故不再赘述。

实施例8：

本实施例在上述实施例的基础上做进一步优化，还包括与液压缸、角度测量传感器104、含水率传感器103、位移传感器102连接的控制系统。控制系统上设置有存储模块，该模块实时收集试验过程中的相关参数数据；例如含水率、倾斜角度、位移等等。

如图5所示；所述模拟降雨装置包括与控制系统连接的mcu、阀门、与mcu连接的阀门控制机构、与mcu连接的水泵；控制系统与mcu之间设置有a/d模块模块，控制信号通过a/d转换模块实现信号转换并传递给mcu；在mcu与阀门执行机构之间依次设置有d/a转换模块、阀门电机驱动模块，mcu对接收到控制信号进行处理依次通过d/a转换模块进行信号转换传递阀门电机驱动模块再通过阀门执行机构，阀门执行机构在得到命令后执行相关操作，如：开阀、关阀；在水泵与mcu之间设置有信号处理电路与继电器，mcu发出的指令依次通过信号处理电路和继电器，从而使得水泵进行相关工作的执行。雨量计与mcu连接，并通过mcu将采集数据传递给控制系统。

综上所述：本发明具有较强的免维护性。

由于大型的装置要在较大的工厂车间才能进行完全的生产和组装，加上用于做实验的周期较长期间不允许装置出现问题，基于以上原因，装置要满足可靠性高，充分考虑整套装置的免维护性。

具有良好的动力性。

承载岩土的机械翻斗箱体1自重和负载的实验岩土的重量很大，设计通过液压举升装置进行举升操作，为了保证安全性和控制的准确性需要液压装置动力充足，除能自如达到设计最大倾角的任意角度外，还要适当留有一些动力余量以保证装置处于绝对安全可控状态。

具有良好的平稳性。

要求整套装置在举升作业过程中具有较好的平稳性，不得有较大的动力冲击，一方面，避免外力干扰实验过程；另一方面，降低机构各部件受损伤概率，保证装置的使用寿命。

具有良好的协调性。

装置设计后好，实际使用过程中必须满足在外力作用下，机构各部件能沿自己的铰支点按设计意图转动，不得出现传动角小于许用传动角的情况，更不能有死点位置的存在。

为了加强支撑，本发明还可以安装拉撑机构，拉撑机构设置在底板远离前板11的一侧，包括两根平行设置的导轨72、与两根导轨72配合使用且一端滑动安装在导轨72上的拉撑杆71，两根导轨72与左板、右板平行设置；两根拉撑杆71远离导轨72的一端与底板铰接。

边坡模拟装置用于模拟边坡，自然和人工边坡都是带有坡度的，但稳定情况下的坡体坡度一般不变，而液压缸一般举升保持时间不宜超过5分种，且实际可能出现的情况是当箱体1负载的实验岩土体随着运动，可能将箱体1以上总体的质心产生偏转，油缸的举升力后期可能会转变为拉力，这对装置本身危害巨大，也容易产生安全隐患，基于以上考虑，为达到可长时间将箱体1维持在一倾角上，必须设计一套机械拉撑机构，即可保护油缸，又能保证足够的强度的安全，如图6所示，拉撑机构由拉撑杆71和导轨72及杆底座30构成，安装位置在油缸后方，当箱体1倾角确定后待箱体1通过举升机构上升到合适的位置，然后通过在导轨72上以钻好的孔通过大口径螺丝固定好位置，使箱体1可长时间保持这一状态，解放油缸。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明做任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化，均落入本发明的保护范围之内。