CN107764496A - 用于模拟边坡滚石运动对明洞冲击的装置、方法及应用 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于模拟边坡滚石运动对明洞冲击的装置、方法及应用，属于岩土工程相关技术领域。装置部分主要包括：底座，底座上部设置有主体框架、边坡土体及边坡背部挡土墙；主体框架内侧设置有可视护板；主体框架和边坡内部挡土墙将边坡土体环绕；边坡土体底部具有明洞；所述主体框架顶部设置有定位机构及滚石释放机构。本装置通过设计全新的结构，可以定向投掷滚石，并能够在试验过程中和试验完成后对滚石移动轨迹进行准确记录，提高后期分析计算的准确性。

Description

用于模拟边坡滚石运动对明洞冲击的装置、方法及应用

技术领域

本发明涉及岩土工程相关技术领域，具体的说，是涉及一种用于模拟边坡滚石运动对明洞冲击的装置、方法及应用。

背景技术

伴随着我国经济的高速发展，国家向基础设施建设的投资越来越多，在我国西南地区建设的水利水电工程，隧道工程等越来越多，由高陡边坡危岩体崩塌造成的灾害事故日趋严重。滚石是指个别块石因某种原因从边坡和崖面失稳后经下落、回弹、跳跃、滚动或滑动等运动方式中的一种或几种的组合沿着坡面向下快速运动，最后在较平缓的地带或障碍物附近静止下来的一个动力学过程。当滚石运动范围内有人类活动或人类构筑的设施并引起一定的损失时，就构成了滚石灾害。特殊的地质地貌条件以及频繁的地震活动、特殊的气候条件、人类活动等直接或间接地成为滚石事件的触发因素。

对滚石灾害防控过程中，对滚石运动规律的分析是非常必要的研究方向。滚石运动形式主要分为滑落、碰撞弹跳、竖直坠落三种。而获得滚石运动轨迹和速度分析是设计相关防护措施的必要依据。同时模拟滚石对明洞的冲击获得冲击力数据分析对实际工程有重要指导意义。

以往的实验装置较为简单，功能也较为单一，不能实现试验过程可视化和滚石空间三维定位定向自动投放，更多的模拟滚石在边坡上的运动规律，不能满足滚石运动规律和明洞冲击荷载分析双重实验需要，缺乏高效性、准确性及实用性。

发明内容

本发明的目的是为克服上述现有技术的不足，提供一种用于模拟边坡滚石运动对明洞冲击的装置。本装置通过设计全新的结构，可以定向投掷滚石，并能够在试验过程中和试验完成后对滚石移动轨迹进行准确记录，提高后期分析计算的准确性。

为了达成上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种用于模拟边坡滚石运动对明洞冲击的装置，包括：底座，底座上部设置有主体框架、边坡土体及边坡背部挡土墙；主体框架内侧设置有可视护板；主体框架和边坡内部挡土墙将边坡土体环绕；边坡土体底部具有明洞；所述主体框架顶部设置有定位机构及滚石释放机构；所述的滚石释放机构通过定位机构进行定位后，投放滚石，进而模拟边坡滚石对明洞冲击试验。

其中，所述明洞为圆筒结构。

优选的，所述定位机构包括置于主体框架上的纵向滑轨；在所述的纵向滑轨上设有横向滑轨，所述的横向滑轨通过纵向滑块与纵向滑轨形成滑动配合，横向滑轨可以沿着纵向滑轨移动；在所述横向滑轨上具有横向滑块，横向滑块上设置有滚石释放机构，进而实现了滚石释放机构的横向和纵向移动。

优选的，所述滚石释放机构包括支撑杆及液压缸，支撑杆下部与横向滑块固定连接，液压缸下部与横向滑块铰接，液压缸和支撑杆的上部均与同一滚石投放箱铰接。

优选的，所述可视护板为玻璃钢护板。

优选的，所述可视护板上具有刻度。

优选的，所述主体框架包括外侧支撑架及与外侧支撑架固定连接的护栏，可视护板固定连接于护栏上。

优选的，所述外侧支撑架为钢架。

优选的，所述边坡土体和/或明洞上具有多个钻孔，每个钻孔中均设置有监测元件。

在提供上述结构方案的同时，本发明还提供了一种利用上述装置进行试验的方法，主要包括如下步骤：

(1)固定底座，完成主体框架和边坡背部挡土墙的安装，在主体框架内侧安装可视挡板；

(2)在主体框架上方布设两条纵向滑轨，并在纵向滑轨上方安装纵向滑块，其上布设一条横向滑轨；

(3)液压缸上部连接在滚石投放箱上，下部安装于横向滑块上，支撑杆下部安装于横向滑块上，顶部安装于滚石投放箱上。横向滑块与横向滑轨滑动配合，横向滑轨安装在纵向滑块上，纵向滑块与纵向滑轨滑动配合；

(4)用钻头开挖边坡土体，将预制的明洞安置在土体坡脚；

(5)在滚石投放箱上放置滚石；移动滚石投放箱至设定位置；投放滚石；

(6)通过监测元件记录滚石的运动数据。

本发明还要求保护上述的装置在模拟滚石运动过程中的应用。

本发明的有益效果是：

1、带刻度的可视护板实现了边坡试验全过程的可视化，可清晰观察滚石运动过程中坐标位置的变化。

2、释放箱可以进行二轴自由移动，方便定位。

3、释放箱可沿轴自由翻转，释放箱后方连接液压缸，控制释放箱的翻转角度。

4、通过相似理论和研制相似材料按照相似比填料筑成边坡，与实际边坡具有相同的力学物理性质，并可通过刀具切削改变边坡坡角，提高了试验的效率和准确性。

5、采用圆筒结构近似模拟隧道四心圆，预制明洞模型。

6、在明洞表面钻孔布设监测元件，监测明洞表面应力应变变化，反馈落石对隧道洞口的冲击。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。

图1是本发明的正面结构示意图；

图2是本发明的背面结构示意图；

图3是本发明中滚石释放机构的结构示意图；

图中：

外侧支撑架1；护栏2；滚石释放机构3，滚石投放箱3-1；边坡土体4；横向滑轨5；纵向滑轨6；明洞7；可视挡板8；底座9；边坡背部挡土墙10；液压缸11；纵向滑块12；支撑杆13，横向滑块14。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明进行详细说明。

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

正如背景技术所介绍的，以往的实验装置较为简单，功能也较为单一，不能实现试验过程可视化和滚石空间三维定位定向自动投放，更多的模拟滚石在边坡上的运动规律，不能满足滚石运动规律和明洞冲击荷载分析双重实验需要，缺乏高效性、准确性及实用性；本申请提出了一种用于模拟边坡滚石运动对明洞冲击的装置。

实施例：一种用于模拟边坡滚石运动对明洞冲击的装置，其结构如图1-3所示，包括：

(1)边坡系统。其具有底座9和构筑于底座9上方的边坡土体4。边坡土体4可以通过切削改变坡体角度。

(2)外部可视化系统。在边坡土体4的左右两侧分别设置外侧支撑架1，后侧设置边坡背部挡土墙10。外侧支撑架1的底部与底座9固定连接。外侧支撑架1之间设置有护栏2。护栏2内侧固定连接有可视挡板8。可视挡板8上带有刻度，准确记录试验过程中滚石的坐标位置。

(3)空间三维投石系统：在外侧支撑架1和护栏2的顶部，固定连接有纵向滑轨6，纵向滑轨6上具有纵向滑块12，纵向滑块12上部具有横向滑轨5，横向滑轨5与横向滑块14滑动配合；横向滑块14上设置有滚石释放机构3。

滚石释放机构3包括支撑杆13及液压缸11，支撑杆13的下部与横向滑块14固定连接，液压缸11的基座与横向滑块14铰接，支撑杆13的上部与滚石投放箱3-1后侧铰接，液压缸11的杆部与滚石投放箱3-1的前部铰接。

通过纵向滑块12和横向滑块14的移动，可以带动滚石投放箱3-1移动到设定位置。通过液压缸11的活塞杆伸缩，可以实现滚石投放箱3-1倾角的改变，利用进行多种观察。

(4)明洞系统：明洞7置于边坡土体4的一侧，在明洞7和/或边坡土体4的表面钻孔，并布设监测元件，可以监测明洞表面应力应变变化，反馈落石对隧道洞口的冲击。

上述的装置，组装方法包括：

一种用于岩土工程边坡振动扰动模拟模型试验装置，操作方法包括以下几步：

(1)固定底座9，完成外侧支撑架1、护栏2和边坡背部挡土墙10的安装，在护栏2内侧安装可视挡板8。

(2)在外侧支撑架1上方布设两条纵向滑轨6，并在纵向滑轨6上方安装纵向滑块12，其上布设一条纵向滑轨6。

(3)液压缸11上部连接在滚石投放箱3-1上，下部安装于横向滑块14上，支撑杆13下部安装于横向滑块14上，顶部安装于滚石投放箱3-1上。横向滑块14与横向滑轨5滑动配合，横向滑轨5安装在纵向滑块12上，纵向滑块12与纵向滑轨6滑动配合。

(4)用钻头开挖边坡土体4，将预制的明洞7安置在土体坡脚。

利用上述装置进行试验的方法主要包括如下步骤：

A、在滚石投放箱3-1上放置滚石；

B、移动滚石投放箱3-1至设定位置；

C、降低液压缸11的活塞杆长度，实现投放滚石；

D、记录滚石对边坡土体4和明洞7冲击的各项数据。

本实施例还要求保护上述的装置在模拟滚石运动过程中的应用。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现，未予以详细说明和局部放大呈现的部分，为现有技术，在此不进行赘述。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和特点相一致的最宽的范围。

Claims (10)

1.一种用于模拟边坡滚石运动对明洞冲击的装置，其特征在于，包括：

底座，底座上部设置有主体框架、边坡土体及边坡背部挡土墙；所述的主体框架内侧设置有可视护板；主体框架和边坡内部挡土墙将边坡土体环绕；边坡土体底部具有明洞；在所述主体框架顶部设置有滚石释放机构，所述的滚石释放机构通过定位机构进行定位后，投放滚石，进而模拟边坡滚石对明洞冲击试验。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述定位机构包括置于主体框架上的纵向滑轨；在所述的纵向滑轨上设有横向滑轨，所述的横向滑轨通过纵向滑块与纵向滑轨形成滑动配合，横向滑轨可以沿着纵向滑轨移动；在所述横向滑轨上具有横向滑块，横向滑块上设置有滚石释放机构，进而实现了滚石释放机构的横向和纵向移动。

3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述滚石释放机构包括支撑杆及液压缸，支撑杆下部与横向滑块固定连接，液压缸下部与横向滑块铰接，液压缸和支撑杆的上部均与同一滚石投放箱铰接。

4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述可视护板为玻璃钢护板。

5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述可视护板上具有刻度。

6.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述主体框架包括外侧支撑架及与外侧支撑架固定连接的护栏，可视护板固定连接于护栏上。

7.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述外侧支撑架为钢架。

8.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述边坡土体和/或明洞上具有多个钻孔，每个钻孔中均设置有监测元件。

9.一种利用权利要求1-8任一项所述的装置进行试验的方法，其特征在于，步骤如下：

(1)固定底座，完成主体框架和边坡背部挡土墙的安装，在主体框架内侧安装可视挡板；

(2)在主体框架上方布设两条纵向滑轨，并在纵向滑轨上方安装纵向滑块，其上布设一条横向滑轨；

(3)液压缸上部连接在滚石投放箱上，下部安装于横向滑块上，支撑杆下部安装于横向滑块上，顶部安装于滚石投放箱上。横向滑块与横向滑轨滑动配合，横向滑轨安装在纵向滑块上，纵向滑块与纵向滑轨滑动配合；

(4)用钻头开挖边坡土体，将预制的明洞安置在土体坡脚；

(5)在滚石投放箱上放置滚石；移动滚石投放箱至设定位置；投放滚石；

(6)通过监测元件记录滚石的运动数据。

10.如权利要求1-8任一项所述的装置在模拟滚石运动过程中的应用。