多因素耦合模型箱、模拟实验装置、系统及其实验方法与流程

本发明涉及一种实验装置，尤其是涉及一种多因素耦合模拟实验箱、实验装置、系统及其实验方法，尤其是考虑降雨、温度、错动协同控制的多因素耦合模拟实验装置、系统及其实验方法。

背景技术：

1、随着我国建设快速发展，建设于山区的大型、特大型水电工程、交通、市政等工程等与日俱增。有研究表明，全球降雨量从赤道向两极逐渐递减，主要地震分布区域雨量十分充沛。西南川藏地区山区地质、地形条件较为复杂，存在大量季节粗颗粒冻土区域，粗颗粒冻土高陡边坡在季节冻融作用下发生缓慢滑移或流动。结合西南川藏地区特有的地质、气候特点，开展降雨、冻融循环耦合作用下高烈度地震区高陡边坡的振动台模型试验，进行高陡边坡失稳过程研究，具有重要的学术价值与广泛的社会经济效益。

2、在这种大背景下，对高陡边坡在地震、降雨和冻融循环耦合作用下的动力响应研究突显出了重要的理论意义和实践意义，不仅能推动地震高陡边坡稳定性理论的发展和创新，还能够为岩土工程建设的决策、设计和施工提供理论支撑，对地震高陡边坡灾害做到防患于未然。

3、目前，振动试验已经成为一类重要的抗震性、可靠性、耐久性试验方法，并在航空、航天、航海、武器装备、车辆、轨道交通、土木建筑、核电等诸多国防工业及民用工业领域有着广泛的应用。

4、如cn110160725b，公开一种模拟地层不均匀沉降和地震引发断层三维错动的试验装置及方法，其错动模拟试验装置：参数指标：

5、1)内部尺寸：长1.8米*宽0.3米*0.8米

6、2)推动速度范围：0.05-10mm/min

7、3)推动角度：30°、45°、60°、75°

8、4)最大推动力：2吨。

9、cn113390463b公开一种储粮模拟多场耦合试验平台，粮仓模拟试验装置：参数指标：

10、1)模型尺寸：直径1.5m、高3m

11、2)最大压力：250kpa，控制精度1％

12、3)侧壁温度调节范围：0～60℃

13、4)通风方式：底部鼓风，可调风速。

14、然而，上述现有技术存在如下缺陷：

15、(1)目前试验的相似性分析方法主要采用传统量纲分析法，但在利用传统方法推导模型试验的相似关系时，所有的参数都被一个特征方程所包含，推导结果要求每个参数在模型相似设计时均满足相似比要求，这在一个复杂的物理模型试验中几乎不能实现；

16、(2)在具体的相似设计中，一般缺少高陡边坡与基岩的接触面相似设计，故无法确保其模型试验的科学性、准确性。

技术实现思路

1、为了解决现有技术中存在的缺陷，本发明公开一种考虑降雨、温度、错动协同控制的多因素耦合模拟实验装置，其技术方案如下：

2、一种多因素耦合模型箱，该模型箱是基于考虑降雨、温度、错动协同控制的多因素耦合的模型箱，包括主体模块(1)、错动模块(2)、温度调节模块(3)、降雨调节模块(4)以及振动台，

3、其特征为：

4、主体模块(1)：控制所述错动模块、温度调节模块以及降雨调节模块协同作用，方便各模块更换；

5、错动模块(2)：在实验装置中与振动台联合使用，模拟断层蠕滑错动；

6、温度调节模块(3)：在实验装置模拟冻融循环温度控制指标时，用于控制所述模型箱内部环境温度；

7、降雨调节模块(4)：在实验装置中模拟降雨需要保障与原型降雨的雨滴粒径、降雨强度和降雨均匀性等效三大指标，以精确控制降雨强度和降雨历时；

8、振动台：在实验装置中模拟地震功能。

9、优选为：所述的主体模块(1)包括底座板(5)、底座(6)和固定端箱体(7)；所述固定端箱体(7)下焊接底座(6)，底座下焊接底座板(5)。

10、优选为：所述的错动模块(2)包括1号错动端(8)、2号错动端(9)；其中，1号错动端(8)与2号错动端(9)之间通过对称的四块错动导向块(11)锁紧连接；2号错动端(9)与主体模块(1)之间通过对称的六块错动导向快锁紧连接；所述1、2号错动端由立柱和伺服液压缸组成，立柱上端自由，立柱下端与底座板(5)焊接，伺服液压缸两端与底座板(5)上端和错动导向块下端通过铰接支座铰接。

11、优选为：所述1、2号错动端对应的错动角度分别为75°、45°，错动行程均为150mm；错动剪切力为180t。

12、优选为：所述的温度调节模块(3)包括防水膜(12)、高温照射板(13)、制冷器(14)、鼓风机(15)；模型箱内部以及顶部的边框设置防水膜(12)；防水膜(12)上方设置由计算机控制的高温照射板(13)作为高温的来源；模型箱外设置的制冷器(14)与鼓风机(15)形成的制冷系统通过管道与模型箱顶端的高温照射板(13)上的两个孔相连。

13、优选为：模型箱内部设置pt100型号的温度传感器来为计算机提供反馈调节；在冻融循环模拟试验中，该温度调节模块模拟-20℃—40℃的冻融温度。

14、优选为：所述降雨调节模块(4)包括防水膜和降雨喷头阵列(17)；模型箱内部、顶部边框设置防水膜；防水膜上设置降雨喷头阵列来模拟降雨；所述降雨喷头阵列外接水箱、计算机控制的水路流通管路、循环水处理系统。

15、本发明还公开一种多因素耦合模拟实验装置，包括上述的多因素耦合模型箱、控制器，其特征为：所述模型箱通过控制器实现对其控制；所述模型箱分别通过管道与压力泵、温控箱连接；所述控制器通过控制设置在压力泵输出管道上流量控制阀以及与模型箱连接的温控箱实现模拟降雨、温度、错动协同控制的多因素耦合模拟实验装置。

16、本发明还公开一种多因素耦合模拟实验系统，包括上述的多因素耦合模拟实验装置、控制室；其特征为：所述多因素耦合模拟实验装置与控制室中控制设备实现数据通信以实现实验装置的远程控制；所述数据通信包括无线或有线通信；所述控制室包括主控计算机以及驱动柜；通过主控计算机控制驱动柜实现对所述实验装置中控制器的驱动控制。

17、本发明还公开一种考虑降雨、温度、错动协同控制的多因素耦合模拟实验方法。

18、有益效果

19、本发明集降雨模拟、高低温控制、断层错动等功能于一体的高陡边坡振动台协同控制模型试验系统，形成基于地震动模拟试验平台的高陡边坡多因素耦合协同控制模型试验技术，能够实现剧烈内外动力作用下高陡边坡多场演化与失稳滑塌全过程物理模拟。

技术特征：

1.一种多因素耦合模型箱，该模型箱是基于考虑降雨、温度、错动协同控制的多因素耦合的模型箱，包括主体模块(1)、错动模块(2)、温度调节模块(3)、降雨调节模块(4)以及振动台，

2.根据权利要求1所述的多因素耦合模型箱，其特征为：所述的主体模块(1)包括底座板(5)、底座(6)和固定端箱体(7)；所述固定端箱体(7)下焊接底座(6)，底座下焊接底座板(5)。

3.根据权利要求2所述的多因素耦合模型箱，其特征为：所述的错动模块(2)包括1号错动端(8)、2号错动端(9)；其中，1号错动端(8)与2号错动端(9)之间通过对称的四块错动导向块(11)锁紧连接；2号错动端(9)与主体模块(1)之间通过对称的六块错动导向快锁紧连接；所述1、2号错动端由立柱和伺服液压缸组成，立柱上端自由，立柱下端与底座板(5)焊接，伺服液压缸两端与底座板(5)上端和错动导向块下端通过铰接支座铰接。

4.根据权利要求3所述的多因素耦合模型箱，其特征为：所述1、2号错动端对应的错动角度分别为75°、45°，错动行程均为150mm；错动剪切力为180t。

5.根据权利要求1所述的多因素耦合模型箱，其特征为：所述的温度调节模块(3)包括防水膜(12)、高温照射板(13)、制冷器(14)、鼓风机(15)；模型箱内部以及顶部的边框设置防水膜(12)；防水膜(12)上方设置由计算机控制的高温照射板(13)作为高温的来源；模型箱外设置的制冷器(14)与鼓风机(15)形成的制冷系统通过管道与模型箱顶端的高温照射板(13)上的两个孔相连。

6.根据权利要求5所述的多因素耦合模型箱，其特征为：模型箱内部设置pt100型号的温度传感器来为计算机提供反馈调节；在冻融循环模拟试验中，该温度调节模块模拟-20℃—40℃的冻融温度。

7.根据权利要求1所述的多因素耦合模型箱，其特征为：所述降雨调节模块(4)包括防水膜和降雨喷头阵列(17)；模型箱内部、顶部边框设置防水膜；防水膜上设置降雨喷头阵列来模拟降雨；所述降雨喷头阵列外接水箱、计算机控制的水路流通管路、循环水处理系统。

8.多因素耦合模拟实验装置，包括权利要求1所述的多因素耦合模型箱、控制器，其特征为：所述模型箱通过控制器实现对其控制；所述模型箱分别通过管道与压力泵、温控箱连接；所述控制器通过控制设置在压力泵输出管道上流量控制阀以及与模型箱连接的温控箱实现模拟降雨、温度、错动协同控制的多因素耦合模拟实验装置。

9.多因素耦合模拟实验系统，包括权利要求8所述的多因素耦合模拟实验装置、控制室；其特征为：所述多因素耦合模拟实验装置与控制室中控制设备实现数据通信以实现实验装置的远程控制；所述数据通信包括无线或有线通信；所述控制室包括主控计算机以及驱动柜；通过主控计算机控制驱动柜实现对所述实验装置中控制器的驱动控制。

10.考虑降雨、温度、错动协同控制的多因素耦合模拟实验方法，该方法基于权利要求9所述的多因素耦合模拟实验系统；其特征为：包括模拟实验装置的准备步骤以及功能实验的实验方法；

技术总结
一种多因素耦合模拟实验箱、实验装置、系统及其实验方法，包括模型箱主体模块：控制错动模块、温度调节模块以及降雨调节模块协同作用，方便各模块更换；模型箱错动模块：在实验装置中与振动台联合使用，模拟断层蠕滑错动；温度调节模块：在实验装置模拟冻融循环温度控制指标，控制模型箱体内部环境温度；降雨调节模块：模拟降雨需要保障与原型降雨的三大指标，即雨滴粒径、降雨强度和降雨均匀性的等效，控制降雨强度和降雨历时；振动台：在实验装置中模拟地震功能。本发明集降雨模拟、高低温控制、断层错动功能于一体形成高陡边坡多因素耦合协同控制模型试验装置，实现剧烈内外动力作用下高陡边坡多场演化与失稳滑塌全过程物理模拟。

技术研发人员：叶阳升,尧俊凯,李泰灃,闫鑫,梁经纬,苏珂
受保护的技术使用者：中国铁道科学研究院集团有限公司铁道建筑研究所
技术研发日：
技术公布日：2024/4/22