CN106225805A - 一种测量滚石运动参数的边坡模型实验装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种测量滚石运动参数的边坡模型实验装置，通过三个可伸缩凹槽连接构成一个三段坡的模型试验装置，可在实验室用来模拟滚石在松散体边坡上的运动。凹槽下部由两个可变高度支架支撑，通过支架高度变化来模拟坡高。调节每个凹槽下部的两个支架，由两个支架产生高度差来使凹槽倾斜，倾斜角度模拟边坡坡角。凹槽内部可以铺设松散体材料，如硬土、水泥砂浆砌体板、人工草皮等，用来模拟不同的坡面特征。在使用此装置时，使岩石从凹槽上部滚下，由两台高速摄像机记录得到滚石运动的轨迹与速度，通过计算可以得到滚石运动时的恢复系数。也可以直接用此装置模拟滚石在典型三段坡中坡角公路平直段的运动距离，用于与运动学计算作为对比。

Description

一种测量滚石运动参数的边坡模型实验装置

技术领域

本发明涉及一种测量滚石运动参数的边坡模型实验装置，应用于模拟松散体边坡下滚石的运动并记录其运动轨迹和运动距离或测量滚石运动时的恢复系数，属于岩土工程领域。

背景技术

滚石，是指物源区的石块由于受到某种扰动，由静止开始，通过下滑、碰撞弹跳、滚动等运动方式到达坡底，最后在平缓的地带静止下来的动力学过程。在土木工程建设中，滚石对在其影响范围内的基础设施和正在进行中的工程建设等的安全是极为不利的。在山区，较大的滚石会堵塞或破坏公路，如2008年5月12日，由汶川地震引起的多处山体崩塌，导致都汶公路沿线路面破坏，工程严重受损。因此对于边坡上部物源区滚石较为丰富的公路路段要进行合理绕避来防止滚石对道路的损害。于是绕避距离便成为了问题的关键，需要对滚石的运动轨迹和距离进行研究。

目前，国内外滚石的运动轨迹和距离的计算方法主要有经验公式计算和运动学计算两种。这两种计算方法的相同点是其需要的计算公式或者经验参数都要通过试验获得。不同点是：经验公式计算很大程度上决定于坡面角度等几个参数，简化滚石运动过程，但经验性强、使用方便；而运动学计算方法更偏向于对滚石局部的运动特征进行计算，公式中含有试验参数（例如恢复系数等），因此计算结果更趋于实际。所以，当采用运动学计算方法时，对滚石运动的恢复系数的测量是非常重要的，目前关于恢复系数的测量大部分基于现场试验测量，在实验室中还没有一种装置可以快速方便的测量滚石运动的恢复系数。

而且，对于工程实际中的典型坡面，即坡面分为三段：①是陡坡段，基本上都是基岩裸露，坡角一般较大；②是缓坡段，是由上部崩塌而堆积的松散堆积体构成，坡度一般较为平缓，恢复系数比较小；③是坡角公路平直段。目前还没有一种实验室装置可以方便快捷的模拟滚石在这种典型三段坡上的运动。而这种坡面在实际情况中又占比较大，所以有必要通过对这种典型坡面进行实验室的模型试验研究，来模拟滚石在不同坡度坡高坡面特征下的三段坡上的运动，记录滚石在模型试验中的运动轨迹与运动距离，为研究滚石运动轨迹与运动距离提供帮助。

发明内容

针对现有技术存在的不足，本发明的目的在于提供一种测量滚石运动参数的边坡模型实验装置，可以用来模拟滚石在典型三段坡情况下，在不同坡度、不同高度及不同坡面特征下的运动。由高速摄像机记录其运动轨迹与距离，然后通过计算可以得出滚石的恢复系数，用于实际工程中计算滚石运动距离。也可以直接采用此装置模拟滚石在松散体边坡下的运动距离，可用于与运动学公式计算所得出的结论进行对比研究。

为达到上述目的，本发明所采用的技术方案是这样的：

一种测量滚石运动参数的边坡模型实验装置，包括第一凹槽、第二凹槽、第三凹槽、第一支架、第二支架、第三支架、第四支架、第五支架、第六支架，所述第一凹槽的一端与第二凹槽的一端采用连杆螺栓连接，两个凹槽能够相对转动；所述第二凹槽的另一端与第三凹槽的一端采用连杆螺栓连接，两个凹槽能够相对转动，三个凹槽连接为一体形成滑道，实验中所需要的材料铺垫于凹槽内部；所述第一支架和第二支架与第一凹槽铰接，所述第三支架和第四支架与第二凹槽铰接，所述第五支架和第六支架与第三凹槽铰接，两台摄像机的一台正对三个凹槽形成的滑道，另一台正对滑道侧面。

三个凹槽底面为金属材料制成，底面的内表面有粗糙纹路，凹槽侧壁为有机玻璃制成。

所述第二凹槽的宽度小于第一凹槽和第三凹槽的宽度，保证凹槽在相对转动时槽壁不碰撞。

铺垫于凹槽内部的材料为水泥砂浆铺砌面、人工草皮、软土或硬土。

六个支架的高度能够调节，其中第一支架完全伸长的高度高于第二支架，第二支架完全伸长的高度高于第三支架，第三支架完全伸长的高度高于第四支架，第四支架完全伸长的高度高于第五支架，第五支架完全伸长的高度高于第六支架，每个支架下部装有滚轮。

当采用上述技术方案时，上部的3个凹槽可调整其倾斜角度与长度来模拟不同的坡度与坡高，即可以模拟三段坡。凹槽内可以铺设水泥砂浆制成的平板（模拟裸露基岩），人工草坪（模拟植被覆盖）以及软土、硬土等松散体材料，用来模拟不同情况下的坡面特征。当滚石在模型试验装置上滚落时，高速摄像机可以记录其运动轨迹与速度等数据，通过计算可以得出滚石在三段坡上运动时的恢复系数。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明一种测量滚石运动参数的边坡模型实验装置为实验室研究滚石在典型三段坡上的运动提供了一种有效的模拟装置，与传统的模型箱实验相比，更加省时快捷，并且可以重复利用。

本发明一种测量滚石运动参数的边坡模型实验装置在使用时，使用者可以自己选用凹槽内的松散体材料，用来模拟不同的坡面特征，比如软土、硬土、人工草皮等，便于研究各种情况。

本发明一种测量滚石运动参数的边坡模型实验装置的三个凹槽采用连杆螺栓连接，使三个凹槽连成一个滑道。通过调节每个凹槽下部的两个支架高度，使凹槽倾斜一定角度，可以用来模拟三段坡每段坡不同的坡角，方便使用。

本发明一种测量滚石运动参数的边坡模型实验装置的三个凹槽下部的支架采用可调节高度支架，用来改变凹槽高度，可以方便模拟三段坡的不同坡高。

附图说明

图1为本发明一种测量滚石运动参数的边坡模型实验装置的侧视图。

图2为本发明一种测量滚石运动参数的边坡模型实验装置的凹槽连接处示意图。

图3为本发明一种测量滚石运动参数的边坡模型实验装置的俯视图。

图4为本发明一种测量滚石运动参数的边坡模型实验装置的A-A剖面图。

具体实施方式

下面结合附图，下面对本发明的使用进行进一步说明。

如图1、图2、图4所示，一种测量滚石运动参数的边坡模型实验装置，包括第一凹槽1、第二凹槽2、第三凹槽3、第一支架4、第二支架5、第三支架6、第四支架7、第五支架8、第六支架9，所述第一凹槽1的一端与第二凹槽2的一端采用连杆螺栓连接，两个凹槽能够相对转动；所述第二凹槽2的另一端与第三凹槽3的一端采用连杆螺栓连接，两个凹槽能够相对转动，三个凹槽连接为一体形成滑道，实验中所需要的材料铺垫于凹槽内部；所述第一支架4和第二支架5与第一凹槽1铰接，所述第三支架6和第四支架7与第二凹槽2铰接，所述第五支架8和第六支架9与第三凹槽3铰接，两台摄像机的一台正对三个凹槽形成的滑道，另一台正对滑道侧面。

如图3所示，所述第二凹槽2的宽度小于第一凹槽1和第三凹槽3的宽度，保证凹槽在相对转动时槽壁不碰撞。

六个支架的高度能够调节，其中第一支架4完全伸长的高度高于第二支架5，第二支架5完全伸长的高度高于第三支架6，第三支架6完全伸长的高度高于第四支架7，第四支架7完全伸长的高度高于第五支架8，第五支架8完全伸长的高度高于第六支架9，每个支架下部装有滚轮。

实施例一

在本实例中进行模拟松散体边坡下滚石的运动并记录其运动轨迹和运动距离。装置使用如下：根据现场测定的边坡数据，将实际边坡简化成典型三段坡模型。其中模型坡高和模型坡长与现场边坡成一定比例，如1:50缩小，模型坡角与现场坡角保持一致。首先调节第一支架4和第二支架5的高度，使两个支架产生一定的高度差，使第一凹槽1与水平方向成一定的倾斜角度，此角度即为三段坡模型中一个坡的坡角。同理，分别调节第二支架5、第三支架6、第四支架7、第五支架8、第六支架9的高度，使第二凹槽2和第三凹槽3的与水平方向的倾斜角为三段坡模型中另外两段坡坡角。之后调整支架的高度，使三个凹槽分别达到三段坡的模型坡高。再调整三个凹槽长度，移动支架，使其达到三段坡模型的坡长。最后在实验室制备与现场相似的坡面材料。如典型三段坡，第一段坡为裸露基岩，可在实验室通过水泥砂浆制备的砌体板块模拟，放入第一凹槽1模拟第一段坡。第二段坡为有植被覆盖的坡段，可以在实验室选用人工草皮放入第二凹槽2模拟第二段坡。最后一段坡为公路，可在实验室制备水泥砌体板放入第三凹槽3模拟第三段坡。实验室选用的岩石块体，可与现场的岩石按照一定比例缩小。然后将岩石放入模型装置最高一端，使岩石沿三个凹槽所形成的滑道滚落。

整个运动过程完成后，两个对着凹槽的高速摄像机可以记录下岩石整个运动轨迹与岩石滚动的瞬时速度。如Photron公司生产的FASTCAM SA1.1高速摄像系统，其最大拍摄频率675 000fps(每秒钟拍摄675000幅照片)，所拍摄落石运动过程的影片可在电脑上逐帧回放。再通过配套的软件，可以记录下滚石在整个模型装置上运动的轨迹与其最后的运动距离。

在本实例中，进行滚石运动的恢复系数测量。上述的滚石运动完成后，高速摄像系统可以记录下滚石运动中的速度，之后进行恢复系数的计算。

当滚石在边坡坡脚在60°以下时表现为滚动状态。一般情况下，典型三段坡的陡坡段（即三段坡中坡角最大的坡段），其坡角不超过65°。若第一凹槽1模拟陡坡段，则滚石在在第一凹槽1中运动时，滚石进行滚动。此时的恢复系数为滚动恢复系数，其定义为单位距离损失的能量，其公式定义为：，其中S为滚石滚动的单位距离，m为岩石质量，h为滚石滚动的坡高，v₀为滚动的初始速度，v_t为滚动的末速度。而滚石运动过程中的速度可由高速摄像机得到。如要计算滚石第一凹槽1（模拟陡坡段）运动时的滚动恢复系数，可测出第一凹槽1的长度与高度，由于滚石从静止开始滚动，初始速度v₀为0，滚石运动出第一凹槽1的速度v_t由高速摄像机得到。带入公式即可得到滚石在陡坡段的运动的滚动恢复系数。

当滚石由第一凹槽1运动进入第二凹槽2时，即模拟由陡坡段运动进入缓坡段时，滚石在其运动过程中可能发生弹跳，即与坡面发生碰撞。此时的恢复系数为坡面碰撞系数，采用能量法定义，碰撞恢复系数按如下公式定义：，其中v₁为碰撞前速度，v₂为碰撞后速度，两个速度也可由高速摄像机得到，便可计算其碰撞恢复系数。碰撞恢复系数也可分为法向恢复系数与切向恢复系数。其中法向恢复系数定义为：，v_n1为滚石碰撞前法向速度，v_n2为滚石碰撞后法向速度。切向恢复系数定义为：，v_t1为滚石碰撞前切向速度，v_t2为滚石碰撞后切向速度。在滚石碰撞前后，由高速摄像机可得到滚石碰撞前后的入射速度与反射速度，入射角与反射角，通过速度分解即可得到滚石碰撞前后的法向与切向速度，便可计算滚石的法向恢复系数与切向恢复系数。

实施例二

本实施例与实施例一的装置使用方法基本相同，特别之处在于：将第三凹槽3调整使其水平，可用来模拟滚石在松散体坡面下的运动，测量出滚石在第三凹槽3中的运动距离，即在典型三段坡面坡角平直段滚石的滚动距离。可与运动学计算结果作为对比参照。

Claims (5)

1.一种测量滚石运动参数的边坡模型实验装置，其特征在于：包括第一凹槽（1）、第二凹槽（2）、第三凹槽（3）、第一支架（4）、第二支架（5）、第三支架（6）、第四支架（7）、第五支架（8）、第六支架（9），所述第一凹槽（1）的一端与第二凹槽（2）的一端采用连杆螺栓连接，两个凹槽能够相对转动；所述第二凹槽（2）的另一端与第三凹槽（3）的一端采用连杆螺栓连接，两个凹槽能够相对转动，三个凹槽连接为一体形成滑道，实验中所需要的材料铺垫于凹槽内部；所述第一支架（4）和第二支架（5）与第一凹槽（1）铰接，所述第三支架（6）和第四支架（7）与第二凹槽（2）铰接，所述第五支架（8）和第六支架（9）与第三凹槽（3）铰接，两台摄像机的一台正对三个凹槽形成的滑道，另一台正对滑道侧面。

2.根据权利要求1所述的测量滚石运动参数的边坡模型实验装置，其特征在于：三个凹槽底面为金属材料制成，底面的内表面有粗糙纹路，凹槽侧壁为有机玻璃制成。

3.根据权利要求1所述的测量滚石运动参数的边坡模型实验装置，其特征在于：所述第二凹槽（2）的宽度小于第一凹槽（1）和第三凹槽（3）的宽度，保证凹槽在相对转动时槽壁不碰撞。

4.根据权利要求1所述的测量滚石运动参数的边坡模型实验装置，其特征在于：铺垫于凹槽内部的材料为水泥砂浆铺砌面、人工草皮、软土或硬土。

5.根据权利要求1所述的测量滚石运动参数的边坡模型实验装置，其特征在于：六个支架的高度能够调节，其中第一支架（4）完全伸长的高度高于第二支架（5），第二支架（5）完全伸长的高度高于第三支架（6），第三支架（6）完全伸长的高度高于第四支架（7），第四支架（7）完全伸长的高度高于第五支架（8），第五支架（8）完全伸长的高度高于第六支架（9），每个支架下部装有滚轮。