CN104406760B - 一种测试崩滑体对建筑物冲击作用的模拟实验系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种测试崩滑体对建筑物冲击作用的模拟实验系统及方法，该模拟实验系统包括崩滑体模拟件、模拟崩滑体轨迹的滑槽装置、设置在滑槽装置的下方，且用于支撑滑槽装置的支撑装置，建筑物模拟装置和记录装置；滑槽装置包括滑槽本体和位于其上的滑面，滑槽本体包括自左而右依次连接的第一斜滑槽、第二斜滑槽和水平滑槽；滑槽装置与水平面具有夹角、崩滑体模拟件设置在位于第一斜滑槽的滑面上，位于第一斜滑槽的滑面上设有用于阻挡崩滑体模拟件下滑的挡板；建筑物模拟装置设置在第二斜滑槽上。滑面与滑槽装置可拆卸连接，因此，可以将滑面设置为不同的材质，从而更有利于研究和模拟不同地质中，崩滑体对地面建筑物冲击作用的大小。

Description

一种测试崩滑体对建筑物冲击作用的模拟实验系统及方法

技术领域

本发明涉及一种模拟实验系统和方法，具体指一种测试崩滑体对建筑物冲击作用的模拟实验系统及方法。

背景技术

滑坡体是一种突发性地质灾害，其体积大、速度快和运动距离远，往往会引发灾难性事故 ，例如1903 年加拿大Frank滑坡，4×10⁷m³的碎屑在30 s内运动了2.5 km，造成超过10000人遇难。我国西南山区也是滑坡体多发地区，华蓥溪口、头寨沟、鸡尾山以及汶川地震触发的牛圈沟、文家沟、东河口、大光包等滑坡体均造成重大的人员、财产损失。滑坡体的概念1882 年由 Heim 命名碎屑状、高速、远程、流态化的 Elm 滑坡类型时首次提出，之后100余年学者们提出了很多种经验性的假设来解释滑坡的高速远程机制。

近几十年里国内外学者包括Manzell、Okura、 Anjia、Ugai、Zhou、Valentino等对其进行了大量的现场调查、室内实验，却对其运动机制知之甚少，准确预测其致灾范围还非常困难。他们中间具有代表性的观点主要有 3 类：（1）滑坡体内碎屑的孔隙被空气、粉尘、水等流体介质充填，降低了滑坡与滑床的作用；（2）滑坡体内部碎屑通过碰撞进行能量传递，使得前端碎屑的运动距离更远；（3）滑坡在消散压力的作用下体积膨胀，碎屑间距离增大，粒间作用减弱。

针对上述三种观点，业界人士做了很多相关的实验，虽然这些实验虽然为滑坡体的发展做出了很大的贡献。但是仍然存在一定程度的限制或不足，主要为：（1）模拟山体滑坡的滑坡面都为同一种滑坡面，缺少对照组。（2）研究山体滑坡对建筑物的危害程度时，缺少和没有建筑物的情况下，山体滑坡对建筑物冲击影响范围作为空白对照，不能准确反应山体滑坡对建筑物冲击地质灾害影响范围的大小。（3）研究山体滑坡体对建筑物的危害程度时，缺少通过改变建筑物离滑坡山体的距离和建筑物的分布格局，来研究建筑物的建造地点和建筑物的分布对山体滑坡对建筑物冲击造成的地质灾害的影响程度。

发明内容

针对现有技术存在的上述问题，本发明的一个目的是提供一种测试崩滑体对建筑物冲击作用的模拟实验系统。

另一个目的是利用上述系统测试崩滑体对建筑物冲击作用的方法，进而根据该方法确定可以进行建筑物建设的安全位置。

为实现上述第一个目的，本发明采用如下技术方案：一种测试崩滑体对建筑物冲击作用的模拟实验系统，其特征在于：包括崩滑体模拟件、模拟崩滑体轨迹的滑槽装置、设置在滑槽装置的下方，且用于支撑滑槽装置的支撑装置，建筑物模拟装置和记录装置；所述滑槽装置包括滑槽本体和位于滑槽本体上方，且与滑槽本体可拆卸连接的滑面；所述滑槽本体包括自左而右依次连接的第一斜滑槽、第二斜滑槽和水平滑槽，其中，第一斜滑槽和第二斜滑槽分别与水平面具有大于零的夹角；所述崩滑体模拟件设置在位于第一斜滑槽的滑面上，位于第一斜滑槽的滑面上设有用于阻挡崩滑体模拟件下滑的挡板；所述建筑物模拟装置包括固定件和滑动件，所述固定件为U形结构，该U形结构的开口朝向第一斜滑槽，固定件的底部固定连接在第二斜滑槽上，滑动件设置在固定件的左侧，滑动件可沿U形结构的固定件的两条平行侧壁滑动；所述记录装置包括计时器、第一高清照相机和测力器；所述第一高清照相机通过第一照相机固定架安装，且位于滑槽装置的上方，第一高清照相机的镜头朝向测力器和计时器的数显部分，所述测力器的检测端通过活塞杆与滑动件连接。

作为优化，所述记录装置还包括第二高清照相机和第一高清摄像机；所述第二高清照相机通过第二高清照相机固定架安装，且位于滑槽装置的上方，第二高清照相机的镜头朝向测力器和计时器的数显部分；第一高清摄像机通过第一高清摄像机固定架安装，且位于滑槽装置的上方，第一高清摄像机的镜头朝向滑槽装置。

为实现上述第二目的，本发明采用如下技术方案：一种测试崩滑体对建筑物冲击作用的方法，采用上述的测试崩滑体对建筑物冲击作用的模拟实验系统；具体步骤如下：

步骤1：通过调整支撑装置，设置第一斜滑槽和第二斜滑槽相对于水平面的夹角；

步骤2：设滑槽装置包括I个滑道，每个滑道位于第二斜滑槽的部分上，均设有J排建筑物模拟装置，设相邻两排建筑物模拟装置中固定件的间距为L；

步骤3：打开记录装置，设置第一高清照相机和第二高清照相机连续拍照的间隔，用力快速抽走挡板，崩滑体模拟件沿滑道从第一斜滑槽向第二斜滑槽滑动；

设i表示滑道数, i=1,2,3…I，j表示建筑物模拟装置的排数，j=1,2,3…J，p表示建筑物模拟装置的数，p=1,2,3…P，k表示实验次数，k=1,2,3…K，s表示建筑物模拟装置距第一斜滑槽与第二斜滑槽连接处的距离，s的最大取值为S；

S1：令k=1，i=1，j=1，s=a；

S2：选取第一高清照相机拍摄的位于时间t_start 与t_end之间，测力器和计时器数显部分的读数，然后，以时间为横坐标，以受力为纵坐标绘制建筑物模拟装置的受力曲线；t_start表示崩滑体与建筑物模拟装置p_ij中的滑动体接触的时刻，t_end表示崩滑体与建筑物模拟装置p_ij中的滑动体分离的时刻；

S3：令k=k+1；

S4：当k≤K时，返回步骤S2，当k＞K时，执行步骤S5;

S5：对建筑物模拟装置p_ij对应的k条受力曲线上，每个时间点所对应的受力值求平均，得到建筑物模拟装置p_ij 在每个时间点上的平均受力，然后，再以时间为横坐标，以受力值为纵坐标绘制建筑物模拟装置p_ij的平均受力曲线；

S6：令i=i+1，j=j+1；

S7：当i≤I或j≤J时，返回步骤S2，i＞I或j＞J时，执行步骤S8;

S8：计算每个建筑物模拟装置p_ij对应的平均受力曲线上，各个点的切线的斜率，然后，根据公式（A），计算每条平均受力曲线上所有点的切线的斜率之和，并选出平均受力曲线上所有点的切线的斜率之和最小的一条平均受力曲线，将该条平均受力曲线记为标志受力曲线；

其中，式（A）中R_pn表示第p个建筑物模拟装置对应的平均受力曲线上第n个点的切线的斜率，N表示第p个建筑物模拟装置对应的平均受力曲线上点的总数；

S9：s=s+a；

S10：当s≤S时，返回步骤S2，当s＞S时，执行步骤S11;

S11：选取所有标志受力曲线中值最小的一个条，该条标志受力曲线对应的建筑物模拟装置的位置则为崩滑体冲击作用最小的位置。

相对于现有技术，本发明具有如下优点：

1、本发明提供的测试崩滑体对建筑物冲击作用的模拟实验系统中，滑面与滑槽装置可拆卸连接，因此，可以将滑面设置为不同的材质，从而更有利于研究和模拟不同地质中，崩滑体对地面建筑物冲击作用的大小。

2、本发明提供的测试崩滑体对建筑物冲击作用的方法，通过在每个滑道上设置多排建筑物模拟装置，可以有效地测试不同滑道内的建筑物模拟装置受到的冲击力的情况和位于不同排的建筑物模拟装置受到的冲击力的情况，从而更有利于人们选择安全的位置建设建筑物。

3、本发明通过控制支撑滑槽装置的支撑装置来改变第一斜滑槽的角度，可以有效模拟不同滑坡角度下建筑物受到的冲击力的大小，从而可以根据不同的滑坡角度选择建筑物的建造地点。

4、本发明采用计时器作为时间的记录单元，用摄像机和照相机同时采取实验数据，提高了实验记录和观测的准确性。

5、本发明通过研究不同的对照组组，从而使得结论更加有说服力。

附图说明

图1为实施例1中模拟实验系统的结构示意图。

图2为实施例1中建筑物模拟装置与滑面的配合结构示意图（透视图）。

附图标记说明：崩滑体模拟件10，挡板11；第一斜滑槽21、第二斜滑槽22、水平滑槽23，滑面24；支撑装置30；建筑物模拟装置40，固定件41、滑动件42、活塞杆43、通孔44；计时器51、第一高清照相机52、第一照相机固定架安装52-1，测力器53、第二高清照相机54、第二高清照相机固定架安装54-1、第一高清摄像机55、第一高清摄像机固定架安装55-1。

具体实施方式

在本发明的描述中，需要理解的是，术语 “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。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

下面对本发明作进一步详细说明。

实施例1：参见图1和图2，一种测试崩滑体对建筑物冲击作用的模拟实验系统，包括崩滑体模拟件、模拟崩滑体轨迹的滑槽装置、设置在滑槽装置的下方，且用于支撑滑槽装置的支撑装置，建筑物模拟装置和记录装置。

滑槽装置包括滑槽本体和位于滑槽本体上方，且与滑槽本体可拆卸连接的滑面；滑面可以是石膏面、硫酸纸面或砂纸面等，滑面与滑槽本体可拆卸连接的方式有利于根据不同的实验要求，方便快捷地更换滑面。滑槽本体的横截面为U形，U形的横街面的设置主要是为了防止崩滑体模拟件向下流动时洒落至滑槽本体外侧。

滑槽本体包括自左而右依次连接的第一斜滑槽、第二斜滑槽和水平滑槽，其中，第一斜滑槽和第二斜滑槽分别与水平面具有大于零的夹角；一般地，第一斜滑槽相对于水平面的夹角小于第二斜滑槽相对于水平面的夹角，在第一斜滑槽与第二斜滑槽的连接处，第二斜滑槽与水平滑槽的连接处采用接缝技术处理，使得两处连接处平滑过渡，可以采用腻子刀、灰板、抹子、宽腻子刀设置接缝带，再用接缝腻子处理。具体地用腻子嵌埋接缝带，然后涂刮3层接缝腻子进行处理，其中，一二层为找平作用，第三层为装饰作用。

用于支撑滑槽装置的支撑装置为三角铁（型号为1L）点焊成的铁支架，其中用于支撑第一斜滑槽的支撑装置的高度可以升降。

崩滑体模拟件设置在位于第一斜滑槽的滑面上，位于第一斜滑槽的滑面上设有用于阻挡崩滑体模拟件下滑的挡板。为了方便固定挡板，可以在第一斜滑槽上设置凹槽，挡板的底部设置在凹槽中。

建筑物模拟装置包括固定件和滑动件，固定件为U形结构，该U形结构的开口朝向第一斜滑槽，固定件的底部固定连接在第二斜滑槽上，滑动件设置在固定件的左侧，即滑动件位于第二斜滑槽靠近第一斜滑槽部分的滑面上，滑动件可沿U形结构的固定件的两条平行侧壁滑动；滑动件的左侧面为受冲击面，当滑动件的左侧面受到崩滑体模拟件的冲击，滑动件则沿U形结构的固定件的两条平行侧壁滑动，直至与固定件最右侧侧壁接触，在固定件的阻挡作用下，滑动件停止移动，崩滑体模拟件从滑动件的两侧继续沿第二斜滑槽上的滑面滑动。

具体地，参见图2，建筑物模拟装置可采用四块普通平板玻璃（厚度3mm），用玻璃胶粘结成的长方体，其中，朝向靠近第一斜滑槽的侧壁可滑动，即滑动件，其他三个侧壁通过玻璃粘胶相互粘结固定，形成U形结构的固定件，固定件的右侧壁即与滑动件平行的侧壁上具有通孔，还通孔用于活塞杆穿过，活塞杆与该通孔间隙配合。

记录装置包括计时器、第一高清照相机、测力器、第二高清照相机和第一高清摄像机；第一高清照相机通过第一照相机固定架安装，且位于滑槽装置的上方，第一高清照相机的镜头朝向测力器和计时器的数显部分，第一高清照相机主要用于对测力器和计时器的数显部分的读数进行拍照，第二高清照相机的作用是为了辅助和验证第一高清照相机确实拍到了从崩滑体与滑动体接触时刻到崩滑体与滑动体分离时刻中，测力器和计时器的数显部分的读数，第二高清照相机通过第二高清照相机固定架安装，且位于滑槽装置的上方，第二高清照相机的镜头朝向测力器和计时器的数显部分；第一清摄像机用于记录整个崩滑体滑动的过程，第一高清摄像机通过第一高清摄像机固定架安装，且位于滑槽装置的上方，第一高清摄像机的镜头朝向滑槽装置。其中第一清摄像机可采用XXRapidFrame型号，第一高清照相机和第二高清照相机采用佳能70d照相机，测力器采用DFE Ⅱ型号的数字测力器，计时器采用TIMER型号。

测力器的检测端通过活塞杆与滑动件连接。活塞杆可采用镀锌钢丝连接，镀锌钢丝的一端通过点焊的方式与测力器的检测端连接，另一端通过AB胶与滑动件连接。

实施例2：一种测试崩滑体对建筑物冲击作用的方法，利用实施例1中测试崩滑体对建筑物冲击作用的模拟实验系统；具体步骤如下：

步骤1：通过调整支撑装置，设置第一斜滑槽和第二斜滑槽相对于水平面的夹角；

步骤2：设滑槽装置包括I个滑道，每个滑道位于第二斜滑槽的部分上，均设有J排建筑物模拟装置，设相邻两排建筑物模拟装置中固定件的间距为L；

步骤3：打开记录装置，设置第一高清照相机和第二高清照相机连续拍照的间隔，用力快速抽走挡板（此处的快速主要是为了防止抽走挡板的速度过慢，挡板对崩滑体的倾斜起到阻碍，影响最终的实验效果），崩滑体模拟件沿滑道从第一斜滑槽向第二斜滑槽滑动；崩滑体可以选择细砂或沙土混合物等。

设i表示滑道数, i=1,2,3…I，I为自然数，可以根据实验需要选择，这主要是因为崩滑体倾斜时路线并不完全规整，多个滑道可以最大程度地模拟崩滑体向下倾斜时的实际情况，I一般取3，4，5，6。j表示建筑物模拟装置的排数，j=1,2,3…J，J为自然数，不同排的建筑物模拟装置主要是为了模拟崩滑体向下倾斜过程中，受到阻碍后，对建筑物的冲击作用大小。p表示建筑物模拟装置的数，p=1,2,3…P，P表示建筑物模拟装置的总数，k表示实验次数，k=1,2,3…K，K为自然数，为了提高试验的准确性，试验次数自然是越多越好。s表示建筑物模拟装置距第一斜滑槽与第二斜滑槽连接处的距离，s的最大取值为S；

S1：令k=1，i=1，j=1，s=a（a表示建筑物模拟装置在第二斜滑槽的初始位置和每次实验时，建筑物模拟装置移动的距离，具体可以根据经验设置）；

S2：选取第一高清照相机拍摄的位于时间t_start 与t_end之间，测力器和计时器数显部分的读数，然后，以时间为横坐标，以受力为纵坐标绘制建筑物模拟装置的受力曲线；t_start表示崩滑体与建筑物模拟装置p_ij中的滑动体接触的时刻，t_end表示崩滑体与建筑物模拟装置p_ij中的滑动体分离的时刻；

S3：令k=k+1；

S4：当k≤K时，返回步骤S2，当k＞K时，执行步骤S5;

S5：对建筑物模拟装置p_ij对应的k条受力曲线上，每个时间点所对应的受力值（测力器数显部分的读数即为建筑物模拟装置p_ij的受力值）求平均，得到建筑物模拟装置p_ij在每个时间点（“每个时间点”指的是第一高清照相机拍摄在t_start 与t_end的拍摄时间段内的每个时间点，时间点的数量由第一高清摄像机的拍摄间隔决定）上的平均受力，然后，再以时间为横坐标，以受力值为纵坐标绘制建筑物模拟装置p_ij的平均受力曲线；

S6：令i=i+1，j=j+1；

S7：当i≤I或j≤J时，返回步骤S2，i＞I或j＞J时，执行步骤S8;

S8：计算每个建筑物模拟装置p_ij对应的平均受力曲线上，各个点的切线的斜率，然后，根据公式（A），计算每条平均受力曲线上所有点的切线的斜率之和，并选出平均受力曲线上所有点的切线的斜率之和最小的一条平均受力曲线，将该条平均受力曲线记为标志受力曲线；

其中，式（A）中R_pn表示第p个建筑物模拟装置对应的平均受力曲线上第n个点的切线的斜率，N表示第p个建筑物模拟装置对应的平均受力曲线上点的总数；

S9：s=s+a；

S10：当s≤S时，返回步骤S2，当s＞S时，执行步骤S11;

S11：选取所有标志受力曲线中值最小的一个条，该条标志受力曲线对应的建筑物模拟装置的位置则为崩滑体冲击作用最小的位置。

为了能更加准确的模拟崩滑体对建筑物的冲击作用，可以适当的调整第一斜滑槽和第二斜滑槽相对于水平面的夹角，比如可以将第一斜滑槽相对于水平面的夹角调整25°，30°，35°，40°，45°，50°等，分别进行实验。另外为了模拟不同的地貌中崩滑体对建筑物的冲击作用，还可以更还滑面的材质，分别进行实验，滑面的可以选择石膏面、硫酸纸面或砂纸面。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳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，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (1)

1.一种测试崩滑体对建筑物冲击作用的模拟实验系统，其特征在于：包括崩滑体模拟件、模拟崩滑体轨迹的滑槽装置、设置在滑槽装置的下方，且用于支撑滑槽装置的支撑装置，建筑物模拟装置和记录装置；

所述滑槽装置包括滑槽本体和位于滑槽本体上方，且与滑槽本体可拆卸连接的滑面；

所述滑槽本体包括自左而右依次连接的第一斜滑槽、第二斜滑槽和水平滑槽，其中，第一斜滑槽和第二斜滑槽分别与水平面具有大于零的夹角；

所述崩滑体模拟件设置在位于第一斜滑槽的滑面上，位于第一斜滑槽的滑面上设有用于阻挡崩滑体模拟件下滑的挡板；

所述建筑物模拟装置包括固定件和滑动件，所述固定件为U形结构，该U形结构的开口朝向第一斜滑槽，固定件的底部固定连接在第二斜滑槽上，滑动件设置在固定件的左侧，滑动件可沿U形结构的固定件的两条平行侧壁滑动；

所述记录装置包括计时器、第一高清照相机和测力器；所述第一高清照相机通过第一照相机固定架安装，且位于滑槽装置的上方，第一高清照相机的镜头朝向测力器和计时器的数显部分，所述测力器的检测端通过活塞杆与滑动件连接；

所述记录装置还包括第二高清照相机和第一高清摄像机；

所述第二高清照相机通过第二高清照相机固定架安装，且位于滑槽装置的上方，第二高清照相机的镜头朝向测力器和计时器的数显部分；第一高清摄像机通过第一高清摄像机固定架安装，且位于滑槽装置的上方，第一高清摄像机的镜头朝向滑槽装置；

采用上述系统测试崩滑体对建筑物冲击作用的具体步骤如下：

步骤1：通过调整支撑装置，设置第一斜滑槽和第二斜滑槽相对于水平面的夹角；

步骤2：设滑槽装置包括I个滑道，每个滑道位于第二斜滑槽的部分上，均设有J排建筑物模拟装置，设相邻两排建筑物模拟装置中固定件的间距为L；

步骤3：打开记录装置，设置第一高清照相机和第二高清照相机连续拍照的间隔，用力快速抽走挡板，崩滑体模拟件沿滑道从第一斜滑槽向第二斜滑槽滑动；

设i表示滑道数,i＝1,2,3…I，j表示建筑物模拟装置的排数，j＝1,2,3…J，p表示建筑物模拟装置的数，p＝1,2,3…P，k表示实验次数，k＝1,2,3…K，s表示建筑物模拟装置距第一斜滑槽与第二斜滑槽连接处的距离，s的最大取值为S；

S1：令k＝1，i＝1，j＝1，s＝a；

S2：选取第一高清照相机拍摄的位于时间t_start与t_end之间，测力器和计时器数显部分的读数，然后，以时间为横坐标，以受力为纵坐标绘制建筑物模拟装置的受力曲线；t_start表示崩滑体与建筑物模拟装置p_ij中的滑动体接触的时刻，t_end表示崩滑体与建筑物模拟装置p_ij中的滑动体分离的时刻；

S3：令k＝k+1；

S4：当k≤K时，返回步骤S2，当k＞K时，执行步骤S5；

S5：对建筑物模拟装置p_ij对应的k条受力曲线上，每个时间点所对应的受力值求平均，得到建筑物模拟装置p_ij在每个时间点上的平均受力，然后，再以时间为横坐标，以受力值为纵坐标绘制建筑物模拟装置p_ij的平均受力曲线；

S6：令i＝i+1，j＝j+1；

S7：当i≤I或j≤J时，返回步骤S2，i＞I或j＞J时，执行步骤S8；

S8：计算每个建筑物模拟装置p_ij对应的平均受力曲线上，各个点的切线的斜率，然后，根据公式(A)，计算每条平均受力曲线上所有点的切线的斜率之和，并选出平均受力曲线上所有点的切线的斜率之和最小的一条平均受力曲线，将该条平均受力曲线记为标志受力曲线；

$R_{\min }=\left\{\underset{n=1}{\overset{n=N}{\Σ}}{R}_{pn,}n=1,1,2,\mathrm{3...}N,p=1,2,\mathrm{3...}P\right\},---\left(A\right);$

其中，式(A)中R_pn表示第p个建筑物模拟装置对应的平均受力曲线上第n个点的切线的斜率，N表示第p个建筑物模拟装置对应的平均受力曲线上点的总数；

S9：s＝s+a；

S10：当s≤S时，返回步骤S2，当s＞S时，执行步骤S11；

S11：选取所有标志受力曲线中值最小的一条，该条标志受力曲线对应的建筑物模拟装置的位置则为崩滑体冲击作用最小的位置。