一种室内可模拟多种致滑因素的边坡失稳动态演化装置的制作方法

1.本实用新型涉及工程试验技术领域，尤其涉及一种室内可模拟多种致滑因素的边坡失稳动态演化装置。


背景技术：

2.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。
3.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：

4.有鉴于此，本实用新型的目的在于提出一种室内可模拟多种致滑因素的边坡失稳动态演化装置，以解决无法进行相似性模拟滑坡灾害发生的问题。
5.基于上述目的，本实用新型提供了一种室内可模拟多种致滑因素的边坡失稳动态演化装置，包括：模型框架单元、上覆荷载加载单元和冲击单元，其中：
6.所述模型框架单元由上横梁、底梁、后墙、前挡板和左右侧墙围成，所述左右侧墙内部设有所述左右双侧立柱，所述上横梁两端与所述左右双侧立柱上端固定连接，所述左右双侧立柱底端与所述底梁固定连接，所述后墙两侧与所述左右侧墙固定连接，所述前挡板底端与所述底梁固定连接，所述前挡板两侧与所述左右侧墙侧边固定连接；
7.所述上覆荷载加载单元设置在所述模型框架单元上方，所述上覆荷载加载单元包括加载油缸和加载板，所述加载板与所述加载油缸伸出端下表面固定连接；
8.所述冲击单元固设在所述模型框架单元后方，所述冲击单元包括冲击安装座、提升驱动机构、提升链条、提升横梁、导向柱、抓取释放机构、砝码机构、锤头、底板和冲击臂，所述冲击安装座和所述后墙上表面固定连接，所述提升驱动机构固设在所述冲击安装座上面，所述导向柱固定安装在所述底板与所述冲击安装座之间，所述提升驱动机构通过所述提升链条带动所述提升横梁沿所述导向柱上下移动，所述提升横梁下方依次连接所述抓取释放机构、砝码机构和锤头，所述冲击臂中间设有铰支点，所述冲击臂的一端设置在所述锤
头下方，所述冲击臂的另一端设置在所述模型框架单元内部。
9.进一步的，所述上横梁与所述左右双侧立柱上端通过销轴连接，所述底梁与所述左右双侧立柱下端通过销轴和螺栓螺母进行连接。
10.进一步的，所述上覆荷载加载单元包括两组加载缸，每组所述加载缸包括若干个所述加载油缸，所述加载油缸通过比例伺服阀控制。
11.进一步的，所述加载油缸周围设有4个导向杆。
12.进一步的，所述加载油缸还配置了力传感器和位移传感器。
13.进一步的，所述加载油缸外围设有防护罩。
14.进一步的，所述冲击臂与所述后墙连接处设有硅胶板。
15.进一步的，所述冲击安装座上方设有防护栏。
16.进一步的，所述冲击单元的所述底板上安装有防护门，所述防护门设有保护开关。
17.进一步的，所述装置还包括地下水及降雨模拟单元，所述地下水及降雨模拟单元包括降雨模拟机构和地下水渗水机构，所述降雨模拟机构和所述地下水渗水机构分别通过水管与外接储水箱连接。
18.从上面所述可以看出，本实用新型提供的一种室内可模拟多种致滑因素的边坡失稳动态演化装置，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到及时准确的预警提供技术支持。
附图说明
19.为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术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实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，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的附图。
20.图1为本实用新型实施例的边坡失稳动态演化装置结构示意图1；
21.图2为本实用新型实施例的边坡失稳动态演化装置结构示意图2；
22.图3为本实用新型实施例的上覆荷载加载单元结构示意图；
23.图4为本实用新型实施例的边坡失稳动态演化装置左侧结构示意图；
24.图5a为本实用新型实施例的冲击单元结构主视图；
25.图5b为本实用新型实施例的冲击单元结构左视图；
26.图5c为本实用新型实施例的冲击单元结构放大示意图；
27.图5d为本实用新型实施例的图5c的e
‑
e处剖视图；
28.图6a为本实用新型实施例的边坡失稳动态演化装置前视图；
29.图6b为本实用新型实施例的图6aⅰ处放大图；
30.图6c为本实用新型实施例的图6aⅱ处放大图；
31.图7为本实用新型实施例的边坡失稳动态演化装置左视图；
32.图8为本实用新型实施例的边坡失稳动态演化装置上横梁和加载缸移开位置示意图；
33.图9为本实用新型实施例的自动穿销器结构示意图；
34.图10a为本实用新型实施例的加载油缸结构示意图；
35.图10b为本实用新型实施例的加载油缸防护罩结构示意图；
36.图11a为本实用新型实施例的冲击臂与后墙连接结构示意图；
37.图11b为本实用新型实施例的图11aⅰ处放大图；
38.图12为本实用新型实施例的渗水管路排布图。
39.附图标记：1、模型框架单元；101、上横梁；102、左右双侧立柱；103、底梁；104、后墙；105、前挡板；106、pc硬化板；107、销轴；108、左右侧墙；2、上覆荷载加载单元；201、加载油缸；202、加载板；203、加载缸；204、自动穿销器；2041、液压马达；2042、安装座；2043、丝杠；2044、丝母；2045、联轴器；2046、转动轴承；205、导向杆；206、力传感器；207、位移传感器；3、冲击单元；301冲击安装座；302、提升驱动机构；303、提升链条；304、提升横梁；305、导向柱；306、抓取释放机构；3061、气缸；3062、挂钩杠杆；3063、挂钩铰轴；307、砝码机构；3071、挂轴；3072、砝码拖杆；3073、锁紧螺母；3074、砝码；3075、砝码拖；3076、导向；308、锤头；309、底板；310、冲击臂；311、防护栏；312、防护门；4、硅胶板；5、地下水及降雨模拟单元；501、降雨模拟机构；502、渗水管路。
具体实施方式
40.为使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本实用新型进一步详细说明。
41.需要说明的是，除非另外定义，本实用新型实施例使用的技术术语或者科学术语应当为本公开所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。“包括”或者“包含”等类似的词语意指出现该词前面的元件或者物件涵盖出现在该词后面列举的元件或者物件及其等同，而不排除其他元件或者物件。“连接”或者“相连”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接，而是可以包括电性的连接，不管是直接的还是间接的。“上”、“下”、“左”、“右”等仅用于表示相对位置关系，当被描述对象的绝对位置改变后，则该相对位置关系也可能相应地改变。
42.如背景技术所述，对滑坡灾害进行模拟和还原，能够对其破坏机理进行研究，提前做出预警，大幅度降低滑坡灾害带来的损失。但是限于有限空间难以真正模拟自然滑坡灾害，大大限制了对边坡工程失稳破坏机理的认识和探索。
43.为解决上述问题，本公开的实施例提供了一种室内可模拟多种致滑因素的边坡失稳动态演化装置，参考图1和图2，所述装置包括模型框架单元1、上覆荷载加载单元2和冲击单元3，所述模型框架单元1由上横梁101、底梁103、后墙104、前挡板105和左右侧墙108围成，构成试样的容器。所述左右侧墙108内部设有左右双侧立柱102，所述上横梁101两端与所述左右双侧立柱102上端固定连接，所述左右双侧立柱102底端与所述底梁103固定连接，所述后墙104两侧与所述左右侧墙108侧边固定连接，所述前挡板105底端和侧边分别与所述底梁103和所述左右侧墙108固定连接。
44.作为一可选实施例，所述左右侧墙108内部镶嵌pc硬化板106，保证强度和透明度，可观察渗水情况和滑坡情况。用于滑坡试验的试样装载在所述模型框架单元内部，可装载的最大试验模型空间为长6500mm
×
宽5000mm
×
高5000mm。所述模型框架单元1整体采用拼
接式结构，运输方便，单个部装重量轻，起吊方便，拼接快捷，方便后期维护。边坡试验装置所有结合拼接面均压实心硅胶条，装配后模型框架单元内部所有结合部缝隙处涂刷水晶防水胶，防止渗水。整体设备采用海防漆，保证设备防锈防腐等级。
45.参考图3，所述上覆荷载加载单元2设置在所述模型框架单元1上方，所述上覆荷载加载单元2包括加载油缸201和加载板202，所述加载板202与所述加载油缸201的伸出端下表面固定连接。所述加载板202与模型框架单元1内的试样顶部对齐，按试验要求所述加载油缸201对试样施加垂直荷载，直至发生滑坡现象，观察滑坡面形状、滑坡距离，滑坡方量等。
46.参考图4、图5a和图5b，所述冲击单元3固设在所述模型框架单元1后方，所述冲击单元3包括冲击安装座301、提升驱动机构302、提升链条303、提升横梁304、导向柱305、抓取释放机构306、砝码机构307、锤头308、底板309和冲击臂310。所述冲击安装座301和所述后墙上表面104固定连接，所述提升驱动机构302固设在所述冲击安装座301上面，所述导向柱305固定安装在所述底板309与所述冲击安装座301之间，所述提升驱动机构302通过所述提升链条303带动所述提升横梁304沿所述导向柱305上下移动。所述提升横梁304下方依次连接所述抓取释放机构306、砝码机构307和锤头308，所述抓取释放机构306由气缸驱动，通过检测气缸活塞位置能够判断抓取释放机构306的松开和夹紧状态。
47.参考图5c和图5d，抓取释放机构306包括气缸3061、挂钩杠杆3062、挂钩铰轴3063，所述气缸3061和所述挂钩铰轴3063固设在所述提升横梁304上，所述气缸3061的安装方式为前铰轴。所述气缸3061的柱塞杆端部与所述挂钩杠杆3062的一端转动连接，所述挂钩铰轴3063穿设在所述挂钩杠杆3062的中部，所述挂钩杠杆3062的挂钩端部与所述砝码机构307连接。所述砝码机构307包括挂轴3071、砝码拖杆3072、锁紧螺母3073、砝码3074、砝码拖3075和导向3076。挂轴3071与砝码拖杆3072上端固定连接，砝码拖3075与挂轴3071底端固定连接，砝码3074穿过所述挂轴3071放置在所述砝码拖3075上，砝码3074单面开口，上下都有定位止口，依次放置在砝码拖3075上时可实现自动定位，砝码3074的数量可以根据冲击能量要求选择。当砝码3074放置后，锁紧螺母3073通过砝码拖杆3072表面设置的螺纹进行锁紧。当砝码处于非下落状态时，挂轴3071挂在所述挂钩杠杆3062的挂钩端部。锤头308设置在砝码拖3075底部。砝码拖杆3072外围还固设有导向3076，当砝码机构307下落时，导向3076能够沿导向柱305表面下滑。当气缸3061的柱塞杆向下伸出时，挂钩杠杆3062的挂钩端上摆，挂钩端与挂轴3071脱离，砝码3074连同锤头308自由下落，导向3076与导向柱305之间导向，防止倾斜，锤头308冲击时与冲击臂310接触，完成冲击。
48.提升链条303带动提升横梁304下落，气缸3061的柱塞杆带动挂钩杠杆3062上摆重新与挂轴3071连接，再通过提升链条303带动提升横梁304，提升横梁304带动抓取释放机构306、砝码机构307和锤头308上升，等待完成下一次冲击。
49.所述冲击臂310中间设有铰支点，所述冲击臂310的一端设置在所述锤头308下方，所述冲击臂310的另一端设置在所述模型框架单元1的试样内部。当所述锤头308下落对冲击臂310一端进行冲击，通过铰支点带动冲击臂310另一端转动，随之对试样施加冲击振动。冲击单元3可以对试样施加单次冲击振动，模拟爆破振动。
50.本实施例中，冲击单元3的提升驱动机构302的最大提升高度为5.5m，提升的最小重量为50kg，最大重量为150kg。冲击臂310对试样的最大冲击能量为5000j。提升驱动机构
302采用伺服电机带动涡轮蜗杆减速机和链条机构驱动，可以实时测量锤头308高度。
51.作为一可选实施例，参考图6a、图6b、图6c和图7，所述上横梁101与所述左右双侧立柱102通过销轴107连接，所述底梁103与所述左右双侧立柱102通过销轴107和螺柱进行连接。上横梁101与加载缸203可以相对于模型框架单元1移动，装载试样时上横梁101与加载缸203移开，方便顶部装样和夯实试样。上横梁101移动采用两个油缸推拉控制，油缸通过电磁阀控制，外加同步马达保证双缸同步。所述上横梁101与所述左右侧墙108上表面能够相对滑动，所述左右侧墙108上表面设有与所述上横梁101匹配的滑槽，所述上横梁101能够带动所述加载缸203沿着所述左右侧墙108上表面的滑槽实现往复运动。图8为上横梁101与加载缸203移开示意图，当上横梁101需要移开时，自动穿销器204拔出销轴，上横梁101能够向外侧滑动，完成试样的填充与夯实，上横梁101复位后，自动穿销器204再插入销轴，上横梁101不会再产生滑动。上横梁101与左右双侧立柱102连接处采用销轴承载，这种结构可靠安全，并可通过手动控制自动穿销器穿销拔销，组装方便快捷。底梁103与左右双侧立柱102连接处采用销轴和螺柱连接更安全可靠。
52.作为一可选实施例，参考图9，所述自动穿销器204包括液压马达2041、安装座2042、丝杠2043和丝母2044，所述液压马达2041一端与所述安装座2042固定连接，所述丝杠2043通过联轴器2045和转动轴承2046与所述液压马达2041一端固定连接且所述丝杠2043设置在所述安装座2042内部，所述丝母2044与所述丝杠2043配合，所述丝母2044前端与所述销轴107固定连接，所述丝杠2043套设在所述销轴107内部，所述销轴107套设在所述安装座内2042部。所述销轴通过自动穿销器204实现销轴的插入和拔出，自动穿销器204上设有销的极限位置检测开关，可以判断销的穿入和拔出状态。液压马达2041旋转带动丝杠2043旋转，丝杠2043带动丝母2044旋转，丝母2044沿丝杠2043带动销轴107相对安装座2042向外移动，进行穿销动作，液压马达2041反转带动丝杠2043旋转，丝杠2043带动丝母2044旋转，丝母2044沿丝杠2043带动销轴107相对安装座2042向内移动，进行拔销动作。
53.作为一可选实施例，如图8所示，所述上覆荷载加载单元2包括两组加载缸203，每组所述加载缸203包括10个所述加载油缸201，所述加载油缸201通过比例伺服阀控制。每个比例伺服阀控制10个加载油缸201，共设置两个所述比例伺服阀。本实施例中上覆荷载加载单元2的垂直最大加载力为20000kn，最大过载能力10％，精度为0.3％fs，垂向加载最大行程为400mm，垂向最大加载速度为240mm/min。
54.作为一可选实施例，参考图10a，每组所述加载油缸201设有4个导向杆205，以防止加载过程中或滑坡时加载油缸201和传感器受到侧向载荷影响。
55.作为一可选实施例，参考图10a，所述加载油缸201还配置了力传感器206和位移传感器207，力传感器206采用柱式高精度传感器，位移传感器207采用拉线式光电编码器。
56.作为一可选实施例，参考图10a和图10b，所述加载油缸203还配备有防护罩208，所述防护罩208固设在所述加载油缸203外围，非加载状态下所述加载板202与所述防护罩208下表面相接触，能够有效防止土体对传感器造成污染，加载过程中所述加载油缸203带动所述加载板202下移能够伸出所述防护罩208下端。
57.作为一可选实施例，参考图11a和图11b，所述冲击臂310与所述后墙104连接处设有硅胶板4，能够防止渗水的同时可满足冲击变形需求。
58.作为一可选实施例，参考图5b，所述冲击安装座301上方设有防护栏311，对维修人
员提供安全防护。
59.作为一可选实施例，参考图5a，所述底板309上安装有防护门312，所述防护门312设有保护开关，防护门312为开门状态时，锤头308不允许释放。
60.作为一可选实施例，参考图1、图2和图4，所述装置还包括地下水及降雨模拟单元5，所述地下水及降雨模拟单元5包括降雨模拟机构501和地下水渗水机构。
61.参考图4，所述降雨模拟机构501和所述地下水渗水机构分别通过水管与外接储水箱连接。降雨模拟机构501能够模拟人工降雨，最大程度还原自然灾害发生时的状况。降雨模拟机构501主要是在验区建成降雨区，模拟人工降雨的效果。降雨管路采用不锈钢管，降雨点布置间距为500
‑
800mm。降雨模拟机构501包括设置在所述模型框架单元1顶部的降雨管路和喷头。
62.所述地下水渗水机构设置在所述底梁103上，地下水渗水机构设有流量和压力监测，水压力大于101kpa，出水流量大于1m3/h。地下水渗水机构包括渗水管路502，渗水管路502可采用不锈钢管或ppr管。渗水管路502布置在底梁103上，要求固定牢固。采用管上打孔的方式，每隔200mm布置一根6500mm的水管，参考图12，共布置25根。在打孔的水管上方缠绕“过滤网”以防止试样颗粒阻塞管路上的孔洞，防止堵塞渗水口，且留有管道冲洗专用水口可进行定期清理维护。所述渗水管路502配有增压水反冲洗装置，能够冲洗渗水口，防止堵塞。渗水管路502可承载上方试样土方最大重量为245吨，渗水管路502的布置需保证在最大试验载荷下不产生塑性变形和破坏。渗水管路502安装后进行水压试验，渗水管路502进出水口明确标注，避免与其他设备干涉。
63.作为一可选实施例，所述装置还包括电器单元，电器单元包括主机电器部分和冲击装置电器部分。所述主机电器部分包括计算机、伺服控制器、压力变送器、比例伺服阀、负荷传感器及测量单元、位移传感器及测量单元、电气柜、控制软件等。所述冲击装置电器部分包括计算机、交流伺服系统、运动控制卡、数据采集卡、输入输出卡、振动传感器、限位开关等。
64.可以看出，通过以上边坡试验装置能够进行不同灾害组合的滑坡试验，分别为上覆荷载条件下滑坡试验、上覆荷载与降雨组合工况的滑坡试验、上覆荷载与地下水位上升组合工况的滑坡试验、上覆荷载与冲击振动组合工况下的滑坡试验。
65.所属领域的普通技术人员应当理解：以上任何实施例的讨论仅为示例性的，并非旨在暗示本公开的范围(包括权利要求)被限于这些例子；在本实用新型的思路下，以上实施例或者不同实施例中的技术特征之间也可以进行组合，步骤可以以任意顺序实现，并存在如上所述的本实用新型的不同方面的许多其它变化，为了简明它们没有在细节中提供。
66.本实用新型的实施例旨在涵盖落入所附权利要求的宽泛范围之内的所有这样的替换、修改和变型。因此，凡在本实用新型的精神和原则之内，所做的任何省略、修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。