一种能多维运动的多功能滑坡模型试验装置

1.本发明属于土木工程领域，涉及一种滑坡工程试验研究技术，特别涉及一种能多维运动的多功能滑坡模型试验装置。


背景技术：

2.滑坡、崩塌、泥石流等地质灾害严重威胁人类生成生活安全，其中滑坡的发生常常具有突发性、高频性、破坏性的特点，是公认的仅次于地震的第二大自然灾害，也是人类面临的范围最广、破坏最终和时间最长的地质灾害之一。由于现场滑坡模型试验受场地、人为因素等影响，成本较大且费时较长，而模型试验是作为发展滑坡相关技术的重要手段，具有成本低和操作简易等优点，是研究滑坡受力机理的有效方法，能够直观地观测到滑坡变形破坏过程，为滑坡研究提供重要依据。
3.虽然滑坡物理模型试验装置的研发一定程度上促进了地质力学模型试验研究的发展，但仍然存在一定程度的局限或缺陷，滑坡应力条件变化难以模拟，滑坡在演化过程中外力边界条件往往并非一成不变，而现有试验装置往往不能通过施加外荷载，实现完整滑坡地质力学模型的模拟。
4.另外对于铁路两侧滑坡，由于长期受到火车经过产生振动影响，其滑坡稳定性要远差于其他类型滑坡，因此研究地震环境对滑坡的影响对能够保证铁路运行安全具有重要意义。


技术实现要素：

5.为解决上述问题，本发明设计了一种能多维运动的多功能滑坡模型试验装置，能有效地模拟实际滑坡不同方向受力情况，并同时监测对应方向上滑坡模型的应力、变形情况，从而进一步探究滑坡的受力作用规律。与此同时，还可以恢复其初始状态，继续模拟新的受力工况以探究其他的受力作用规律。
6.为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案如下：
7.一种能多维运动的多功能滑坡模型试验装置，其特征在于，包括
8.外框架，作为试验装置的承力框架；
9.内框架，通过三维移动机构安装在外框架内，并能通过三维移动机构驱动相对于外框架在x、y、z方向运动，所述内框架中心处设有轴线水平设置的圆形安装槽；
10.滑坡试验台架，能自由转动的安装在圆形安装槽内，并能绕圆形安装槽的轴心旋转；所述滑坡试验台架中心处设有正方形的滑坡试验槽，所述滑坡试验槽内上、下、左、右四个侧面分别设有若干加载千斤顶；若干加载千斤顶所围成用于安装滑坡模型的试验空间；
11.所述滑坡模型包括模型箱和设置于模型箱内的滑坡土，所述模型箱包括前后两块固定板和将两块固定板相连的四个侧板，所述固定板采用刚性材料制成，所述侧板采用具有一定变形能力的柔性材料制成，在设计滑坡处，所述侧板设计有缺口。
12.进一步地，所述加载千斤顶通过轴向滑动副安装在滑坡试验槽内壁，所述轴向滑
动副与圆形安装槽的轴线平行，使得能够调整加载千斤顶的轴向位置。
13.进一步地，所述加载千斤顶的前端设有通过球铰安装的加载头。
14.进一步地，所述滑坡试验槽的每个侧面均设有1-5个安装点位，每个安装点位设有x向分布的1-4个加载千斤顶。
15.进一步地，所述三维移动机构包括中间框架、x向千斤顶、y向千斤顶和z向千斤顶；所述内框架安装在中间框架内，内框架左右两侧分别通过若干水平设置的y向千斤顶与中间框架相连，通过左右两侧y向千斤顶的伸缩能调整内框架相对于中间框架在y方向上的位置；
16.所述中间框架安装在外框架内，中间框架上下两侧分别通过若干竖直方向的z向千斤顶与外框架相连；通过上下两侧z向千斤顶的伸缩能调整中间框架相对于外框架在z方向上的位置；
17.所述z向千斤顶通过x向滑动副与中间框架或者外框架相连；
18.所述中间框架和外框架之间还设有若干水平安装且能x向自由伸缩的x向千斤顶，通过 x向千斤顶的伸缩能调整中间框架相对于外框架在x方向上的位置；所述x方向与圆形安装槽的轴向相同，所述x向千斤顶通过z向滑动副与中间框架或者外框架相连。
19.进一步地，所述滑坡试验台架的外壁与内框架的内壁之间设有若干用于减小转动摩擦力的第一滚动体。
20.进一步地，所述内框架上下两侧与中间框架之间设有若干能减少y向运动摩擦力的第二滚动体。
21.进一步地，所述中间框架的左右两侧与外框架内壁之间设有若干能减少z向运动摩擦力的第三滚动体。
22.进一步地，所述外框架由两个间隔平行设置的矩形框固定相连组成，所述中间框架左右两侧设有向外侧延伸的承力部，所述x向千斤顶设置于中间框架的承力部和相应侧的矩形框之间，并且所述x向千斤顶与矩形框或者中间框架通过z向滑动副相连。
23.进一步地，所述内框架为钢筋混凝土结构或钢结构的立方体框架；所述中间框架为钢结构的矩形框架；所述外框架的矩形框为四根十字交叉的钢筋混凝土柱组成。
24.本发明装置的基础原理为：先通过控制xyz轴作用千斤顶以调整滑坡模型位置于理论中心，利用内部上下左右4个方向千斤顶对滑坡模型进行施加对应方向荷载模拟其工况受力并同时进行动态变形监测，并通过控制xyz轴作用千斤顶作用模拟地震，通过不同方向的千斤顶作用模拟方向性地震波，从而检测滑坡在地震环境下的稳定性。其中变形监测的实现是由于内部4个方向千斤顶装置均与滑坡表面紧密相连，当滑坡发生变形时，千斤顶会进行动态调节，主动进行伸长/压缩，从而通过有线或无线观测并记录变形数据。
25.本发明的有益效果：
26.本发明所设计的一种能多维运动的多功能滑坡模型试验装置有显著的优势和社会经济效益，以下列举了五点其主要的有益效果：
27.(1)模型试验装置组装拼接较为容易，可操作性强。
28.(2)可模拟滑坡模型在4个方向的受力情况，并对应可进行变形监测。
29.(3)内部4个方向千斤顶自带变形监测功能，可通过有线或无线控制和观测数据并进行保存，极大降低人工工作强度和工作成本。
30.(4)通过内部嵌入环形滑轨，不仅可进行滑坡模型位置的细微调整，还增加了模型可旋转功能以便于更好查看加载过程中滑坡四周变形情况。
31.(5)通过可三维移动加载系统装置，更加便于滑坡模型在xyz方向进行位置调整，并且可以模拟特定方向的地震波，研究地震或者其他振动环境对滑坡的影响，特别是可以模拟研究铁路振动对两侧滑坡的影响。
附图说明
32.图1为本发明多功能滑坡模型试验装置的三维示意图；
33.图2为本发明多功能滑坡模型试验装置的正视图；
34.图3为图2中局部放大示意图；
35.图4为本发明多功能滑坡模型试验装置的右视图
36.图5为本发明多功能滑坡模型试验装置的内框架和中间框架上三维移动机构示意图；
37.图6为本发明多功能滑坡模型试验装置的外框架上三维移动机构示意图。
38.图中：1-滑坡模型，110-模型箱，111-固定板，112-侧板，120-滑坡土，130-设计滑坡， 2-加载千斤顶，3-滑坡试验台架，31-滑坡试验槽，4-内框架，41-圆形安装槽，5-中间框架， 51-承力部，6-外框架，61-矩形框，7-加载头，8-轴向滑动副，9-第一滚动体，10-x向千斤顶， 11-y向千斤顶，12-z向千斤顶，13-第二滚动体，14-第三滚动体，15-x向滑动副，16-z向滑动副。
具体实施方式
39.下面结合附图和实施例对本发明的实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不能用来限制本发明的范围。
40.为了更好地理解本发明的技术方案，下面将结合附图和具体实施例，对本发明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。基于本发明中的实施例，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，都属于本发明保护的范围。
41.在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明的技术方案和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
42.如图1至图6所示，本发明提高了一种能多维运动的多功能滑坡模型试验装置，包括外框架6，作为试验装置的承力框架；
43.内框架4，通过三维移动机构安装在外框架6内，并能通过三维移动机构驱动相对于外框架6在x、y、z方向运动，所述内框架4中心处设有圆形安装槽41；
44.滑坡试验台架3，能自由转动的安装在圆形安装槽41内，所述滑坡试验台架3中心处设有正方形的滑坡试验槽31，所述滑坡试验槽31内上、下、左、右四个侧面分别设有若干加载千斤顶2；若干加载千斤顶2所围成用于安装滑坡模型1的试验空间；
45.所述滑坡模型1包括模型箱110和设置于模型箱110内的滑坡土120，所述模型箱110 包括前后两块固定板111和将两块固定板111相连的四个侧板112，所述固定板111采用刚性材料制成，所述侧板112采用具有一定变形能力的柔性材料制成，在设计滑坡130处，所述侧板112设计有缺口。
46.作为一种优选实施例，所述滑坡试验台架3和内框架4之间设有定位夹持机构，可以是定位销轴孔，也可以是制动器，当旋转好滑坡试验台架3的方位后，能够将滑坡试验台架3 的方位进行固定，以满足不同滑坡模型姿态调整要求。
47.作为一种优选实施例，为了便于观察所述固定板111可以采用透明的玻璃板或者有机玻璃板制成，所述侧板112可以采用透明的塑料板制成，侧板112无需非常大的弹性，不采用刚性或者脆性塑料板就行，比如pp、pe塑料板均可。
48.作为一种公知常识，为了完成滑坡模型1试验，模型箱110内还安装有土压力传感器、应变传感器等滑坡模型1常用传感器，本发明不再一一举例赘述。
49.本发明通过设置转动副，使得滑坡试验台架3能够自由旋转，从而调整滑坡模型1的方向，减少或者消除自重对其结构构成的影响。本发明通过三维移动机构能够调整滑坡模型1 的位置，使得滑坡模型1的轴心一致处于设计的轴心线上，即位于理论中心，或者通过三维移动机构模拟地震来检测滑坡抗震性。
50.本发明通过在滑坡试验台架3的滑坡试验槽31内设置均布的加载千斤顶2，使得能够从滑坡模型1四周全方位加载，若干加载千斤顶2可以是均布，也可以是非均布，以模拟不同滑坡模型1受力需求。
51.作为一种优选实施例，如图2和图4所示，所述加载千斤顶2通过轴向滑动副8安装在滑坡试验槽31内壁，轴向滑动副8的方向与圆形安装槽41的轴线平行，使得能够轴向调整加载千斤顶2的位置，本实施例中，所述轴向滑动副8包括设于滑坡试验槽31侧壁的轴向燕尾滑槽和设置于加载千斤顶2上与轴向燕尾滑槽配合的轴向燕尾滑块。
52.作为一种更优选实施例，如图1所示，每个轴向滑动副8的方向上可以设置多个加载千斤顶2，比如，一个轴向燕尾滑槽内可以设置多个轴向燕尾滑块，每个轴向燕尾滑块上安装一个加载千斤顶2，这样可以模拟对于滑坡模型1不同厚度方向应力差异。
53.作为一种优选实施例，所述加载千斤顶2的前端设有通过球铰安装的加载头7，通过球铰自适应，以便当滑坡模型1发生微变型或者变形时，加载千斤顶2还能正常施加均一作用力。
54.作为一种优选实施例，所述千斤顶上还设有伸缩量传感器或者距离传感器，用于独立检测每个千斤顶的加载量。
55.作为一种优选实施例，每个千斤顶前端设有压力传感器，用于检测每个千斤顶的精准加载力。
56.作为一种优选实施例，所述加载千斤顶22的数量根据实际滑坡模型1大小和要进行试验类别相关，一般滑坡试验槽31的每个侧面均设有1-5个安装点位，每个安装点位设有x向分布的1-4个加载千斤顶2。
57.作为一种优选实施例，如图1至图6所示，所述三维移动机构包括中间框架5、x向千斤顶10、y向千斤顶11和z向千斤顶12；所述内框架4外侧为正方形框架，安装在中间框架5内，内框架4左右两侧分别通过若干水平设置的y向千斤顶11与中间框架5相连，通过左右两
侧y向千斤顶11的伸缩能调整内框架4相对于中间框架5在y方向上的位置；
58.所述中间框架5安装在外框架6内，中间框架5上下两侧分别通过若干竖直方向的z向千斤顶12与外框架6相连；通过上下两侧z向千斤顶12的伸缩能调整中间框架5相对于外框架6在z方向上的位置；
59.所述z向千斤顶12通过x向滑动副15与中间框架5或者外框架6相连；
60.所述中间框架5和外框架6之间还设有若干水平安装且能x向自由伸缩的x向千斤顶 10，通过x向千斤顶10的伸缩能调整中间框架5相对于外框架6在x方向上的位置；所述 x方向与滑坡试验台架3的旋转轴轴心方向相同，所述x向千斤顶10通过z向滑动副16与中间框架5或者外框架6相连。
61.作为一种优选实施例，所述x向千斤顶10、y向千斤顶11和z向千斤顶12上均设有伸缩量传感器或者距离传感器，用于独立检测每个千斤顶的加载量，以及前端均设有压力传感器，用于检测每个千斤顶的精准加载力。
62.作为一种优选实施例，所述滑坡试验台架3为外圆内方的类铜钱结构板，内方为滑坡试验槽31；所述内框架4为内圆外方板状结构，内圆为圆形安装槽41；滑坡试验台架3的外壁与内框架4的圆形安装槽41内壁之间设有若干用于减小转动摩擦力的第一滚动体9；所述内框架4上下两侧与中间框架5之间设有若干能减少y向运动摩擦力的第二滚动体13；所述中间框架5和外框架6均为方形框架，中间框架5的左右两侧与外框架6内壁之间设有若干能减少z向运动摩擦力的第三滚动体14。所述第一滚动体9、第二滚动体13和第三滚动体14 均为滚珠或者滚轴。
63.作为一种优选实施例，如图1和图3所示，所述外框架6由两个间隔平行设置的矩形框 61固定相连组成或者将两个矩形框61固定在试验台上组成，所述中间框架5左右两侧设有向外侧延伸的承力部51，所述x向千斤顶10设置于中间框架5的承力部51和相应侧的矩形框61之间，并且所述x向千斤顶10与矩形框61或者中间框架5通过z向滑动副16相连。
64.作为一种优选实施例，如图1所示，所述内框架4为钢筋混凝土结构或钢结构的立方体框架；所述中间框架5为钢结构的矩形框架；所述外框架6的矩形框为四根十字交叉的钢筋混凝土柱组成。
65.作为一种优选实施例，所述多功能滑坡模型试验装置还包括一控制器，用于接收各个传感器的检测数据和控制各个千斤顶的动作。
66.对于本发明多功能滑坡模型试验装置的使用方法，模拟滑坡模型1的抗震性，如图1所示，具体操作步骤如下：
67.s1：放置滑坡模型1：控制滑坡试验台架3内的加载千斤顶2回收，以便预留足够的空间放入滑坡模型1，放置好后，再伸长内部的加载千斤顶2与滑坡模型1恰好接触，起临时固定作用。
68.滑坡模型1的设计滑坡130设置在右上角，因此，模型箱110的右侧板112上侧设置有缺口，为滑坡崩溃预留空间，模型箱110的上侧板112采用柔性板，或者不设置上侧板112，滑坡模型1内预置应力传感器和应变传感器。
69.s2：滑坡模型1位置调节：通过可三维移动机构，不断调整各侧千斤顶的伸长量，使其滑坡模型1发生xyz三个方向移动，直至滑坡模型1位置位于理论中心。
70.s2：监测设备安装与开启：在滑坡模型1内布设所需研究领域的应变传感器并启
动，并将加载千斤顶2的压力和应变监测系统开启。其中为了把滑坡模型1卡住，同时其滑坡模型 1本身也具有重力，此时若干加载千斤顶2压力有初始力，试验时假定为零，加载终点力即为力增量。
71.s3：施加对应工况作用力：调节位于滑坡处的加载千斤顶2加载，模拟在该方向下对滑坡模型1的应力，通过应变传感器判断加载程度，此时滑坡模型1会产生相应的应力变形，此时各加载千斤顶2正在进行动态监测记录数据，在加载到所需应力后，启动三维移动机构模拟振动或者地震，直至模型箱110内右上角滑坡土120崩溃，发生滑坡。
72.s4：隧道装置调整归位：试验结束后，监测数据自动保存，通过后期分析即可得出在该工况下滑坡模型1的变形特征。
73.需要说明的是，根据研究对象不同，可以将上述的应变传感器替换为应力传感器，或者增加应力传感器，以便进行相关研究。
74.以上实施方式仅用于说明本发明，而非对本发明的限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行各种组合、修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。