CN108469402B - 一种松散堆积体结构分析试验设备 - Google Patents

一种松散堆积体结构分析试验设备 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种松散堆积体结构分析试验设备，采样管顶连接件的下部连接到采样管的顶部，管封和橡皮圈用于采样后封闭采样管的管口；导向滑轮的底板连接到采样管顶连接件的上部；连杆设置有滑槽，导向滑轮的顶板通过第一滚轴穿过滑槽后连接到底板，第一滚轴还套装有第一滚轮；连杆两端的连杆滑轮分别架设在矩形框架两个相对的侧边上，连杆滑轮的内侧板、第二滚轮和外侧板分别位于矩形框架侧边的内侧、上侧和外侧。本发明填补了针对起伏地形区域内滑坡类物理模型试验中松散体精细化堆积结构分析的空白，为此类型物理模型试验中松散体堆积机理的深入探讨提供了可能。并且，试验设备结构简单、装卸方便，性价比高。

Description

一种松散堆积体结构分析试验设备
技术领域
本发明涉及滑坡地质灾害相关的试验技术领域，特别是一种松散堆积体结构分析试验设备。
背景技术
巨型岩崩-碎屑流属于滑坡灾害之一，高陡岩质山体在地震、降雨或人工破坏等外在因素诱发下发生岩体失稳破坏，在受重力作用下向下高速运动过程中发生破碎，形成碎屑流，最终堆积在山体坡脚，往往会对下游重要结构物以及人员安全形成极大威胁，造成灾难性事件。高速碎屑流的堆积过程一直是国内外学者的研究热点，且物理模型试验目前是揭示碎屑体堆积机理的重要手段，然而试验技术的实施受设备的限制较大，有效且合理的试验设备对试验结果尤为重要。
已有的巨型岩崩-碎屑流的研究成果表明，碎屑流高速远程过程中与运动路径相互作用，并受制于堆积区地形地貌的影响，形成不同的堆积地貌及堆积结构，而堆积体内部结构差异是研究碎屑流运动机理的重要地质证据，同时对后续次生灾害演化具有重要影响。例如，碎屑体中“下部颗粒细、上部颗粒粗”这种反粒序结构可能促进碎屑流运动更远的距离；又例如碎屑流常堵塞河谷，形成滑坡坝，导致河流中断形成堰塞湖，而碎屑流堆积体不同位置，不同深度的颗粒大小、粒径级配等内部结构直接控制滑坡坝稳定性，影响坝体内部渗流场及溃坝模式。因此，对碎屑流堆积体在不同关键位置进行竖向堆积结构的取样分析尤为重要。
目前室内斜槽试验中，对碎屑流模拟中松散堆积体的分析主要是堆积体表面肉眼观察，以及进行粗略的分区域、分层筛分，获取其粒径级配，无法直接观察堆积体内部真实堆积结构及竖向粒径分布特征。且粗略的分区域、分层筛分无法获取堆积体内部结构特征，不能对关键位置的碎屑进行精细取样和粒径分析，远远无法满足试验需求。此外,当室内试验对象的堆积区为河谷等特殊地形时,等长、平口采样管无法与场地严密贴合，即当平口管端置于斜坡上时，当移去采样管周围的散粒体后，管内颗粒体会从管口流出，无法满足试验采样需要。
发明内容
本发明的目的在于提供一种专用于起伏地形区域内滑坡物理模型试验中松散堆积体细观结构分析的试验设备，来解决如何有效采集松散体样本并直观展示松散体内部竖向堆积结构特征，进一步精确得到松散体不同位置处的粒径级配。
实现本发明目的的技术方案如下：
一种松散堆积体结构分析试验设备，包括采样管、采样管顶连接件、管封和橡皮圈，采样管顶连接件的下部连接到采样管的顶部，管封和橡皮圈用于采样后封闭采样管的管口；还包括导向滑轮，导向滑轮包括底板和顶板，底板连接到采样管顶连接件的上部；还包括连杆，连杆设置有滑槽，导向滑轮的顶板通过第一滚轴穿过滑槽后连接到导向滑轮的底板，第一滚轴还套装有第一滚轮；连杆两端还设置有连杆滑轮，连杆滑轮包括依次套装在第二滚轴上的内侧板、第二滚轮和外侧板；还包括矩形框架，连杆两端的连杆滑轮分别架设在矩形框架两个相对的侧边上，连杆滑轮的内侧板、第二滚轮和外侧板分别位于矩形框架侧边的内侧、上侧和外侧。
进一步地，所述采样管底部为倾斜切口；所述管封包括与采样管的倾斜切口相配合的封闭片，封闭片边缘连接有与采样管侧面相配合的半圆环状固定片。
进一步地，所述连杆和矩形框架均为铁质；还包括，用于定位导向滑轮的第一磁石，用于定位连杆滑轮第二磁石。
进一步地，所述采样管顶连接件设有通气孔。
进一步地，所述采样管为透明采样管，并设置有刻度线。
进一步地，所述连杆和矩形框架均设置有刻度线。
本发明的有益效果为：
(1)填补了针对起伏地形区域内滑坡类物理模型试验中松散体精细化堆积结构分析的空白，为此类型物理模型试验中松散体堆积机理的深入探讨提供了可能。
(2)试验设备结构简单、装卸方便，在满足试验操作的同时在很大程度上简化了设备制作和操作难度。
(3)试验设备性价比高，所采用的原材料均为常见低价材料，取材方便，自制容易，可重复使用，且操作灵活性大，能够以低廉的成本满足试验的功能需求，便于批量生产并广泛推广使用。
附图说明
图1为本发明的整体结构俯视轴测图。
图2为本发明的整体结构仰视轴测图。
图3为本发明的分解示意图。
图4为采样管顶连接件的结构示意图。
图5为导向滑轮的分解示意图。
图6为导向滑轮底板的结构示意图。
图7为连杆滑轮的分解示意图。
图8-1、图8-2和图8-3为采样装置在水平位置上自由调节，以及采样管口方向上自由调节的示意图。
图中：1-采样装置，11-采样管(含刻度)，12-管封，13-橡皮筋，14-橡皮筋卡槽，2-连接装置，21-采样管顶连接件，211-矩形通气孔1，212-矩形通气孔2，213-螺纹螺栓孔(连接采样管)，214-螺纹螺栓孔(连接导向滑轮)，22-螺栓，23-导向滑轮，231-底板，2311-内嵌轴孔，2312-螺纹孔，232-滚轮，233-顶板，234-滚轴，235-插销，236-螺栓，24-U形强力磁石，3-采样点控制装置，31-方形铁质框架(含刻度)，32-连杆，33-连杆滑轮，331-内侧板，332-滚轮，333-外侧板，334-滚轴，335-插销，34-U形强力磁石。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的具体实施方式作进一步描述。
参阅图1和图2，一种专用于起伏地形的松散堆积体结构分析试验设备，包括采样装置1、连接装置2和采样点控制装置3三个组成单元，三个组成单元的详细结构如下：
参阅图3，采样装置1包括采样管(含刻度)11、管封12以、橡皮圈(筋)13以及管端侧壁橡皮筋卡槽14。管封12沿倾斜坡面由下向上插入管口并将其封闭，橡皮圈(筋)13将采样管(含刻度)11和管封12紧固，保证管封12不能脱落。采样管(含刻度)11顶部留有螺栓孔与连接装置2中的采样管顶部连接件21通过螺栓22连接。采样管下部为倾斜切口状，倾斜角度、方向及采样管长度可根据实际试验需要制作。管封为倾斜带壁钢片，管封内径大小等于采样管外径大小，管封倾斜角与采样管倾斜角相同。采样管倾斜管封底面与采样管倾斜口背面侧壁处设有卡槽，卡槽呈多层均匀分布，便于橡胶圈或高强度皮筋将管封与管口密闭，避免滑落。管封上部圆环的最佳形状为半圆环状，可以保证水平插入管底的同时与橡皮圈之间有充分的接触面积。管封为强度和高度较高但质量较小的不锈钢片。橡皮圈包括高强度橡皮圈或高强度橡皮筋两种：橡皮圈可提前套在采样管顶部位置，当采样管完成取样并水平插入管封后，将橡皮圈从顶部移至底部，以此固定管封；橡皮筋则是在插入管封后，用其多次缠绕管封并打结实现管封紧固在采样管管口处。
参阅图3-图6，连接装置2包括采样管顶连接件21、螺栓22、导向滑轮23、U形强力磁石24。采样管顶连接件21包含2对矩形通气孔211和212(共4个)，两对矩形通气孔中心连线相互垂直而不再同一平面，在管轴方向上呈上下错位状态，可防止连接件的开孔位置处强度被较大削减。2对矩形通气孔可以使采样管内与管外实现气压互通，保证采样管下压时可及时排除管内气体，减小下压阻力。同时，采样管顶连接件21包含4个螺纹状螺栓孔213，螺栓孔213与采样管(含刻度)11顶部螺栓孔的位置一一对应，且螺栓孔213的螺纹与螺栓22相匹配，可通过改锥旋转安装和拆卸。导向滑轮23包含底板231、滚轮232、顶板233、滚轴234、插销235以及4根螺栓236。其中底板231中包含一个内嵌轴孔2311和4个螺孔2312，内嵌轴孔2311可将滚轴234的轴帽藏于底板内部，同理，顶板及连杆滑轮两侧板均有相同设计。导向滑轮23中底板231、滚轴232和顶板233由滚轴234相连，且由插销235卡住轴头，避免脱落。导向滑轮23与采样管顶连接件21通过4根螺栓236相连接，其中导向滑轮23底板螺孔2312为无螺纹孔，而采样管顶连接件顶部螺孔214为螺纹孔，且与螺栓235相匹配。U形强力磁石24可将导向滑轮23固定在采样点控制装置3中的连杆32上。
参阅图3和图7采样点控制装置3由方形铁框架(含刻度)31、连杆32、连杆滑轮33和U形强力磁石。连杆滑轮33包含内侧板331、滚轮332、外侧板333、滚轴334和插销335。连杆32与连杆滑轮33刚接，及连杆32与连杆滑轮内侧板331刚接。连杆滑轮33安置于方形铁框架(含刻度)31上方，U型强力磁铁34用于固定连杆滑轮33。
采样管使用方法为：首先将管封12取开，透明采样管11竖向插入松散堆积体内，且保证其端口与起伏地面完全贴合,待所有关键位置点处的采样管均插入后，通过连接装置2将采样管11与采样点控制装置3连接，然后清除采样管外松散体，将管封12沿坡面由下向上倾斜插入采样管11下端，用橡皮筋13紧固封闭端口，完成采样。
试验设备中采样点位置控制及调节操作为：连杆滑轮33安置于方形铁框架(含刻度)31上方，且连杆滑轮可在方形铁框架上沿一定方向自由滑动，导向滑轮23安置于连杆32上方，且在与连杆32运动方向相垂直的方向上自由滑动，U型强力磁石34和24分别用于固定连杆滑轮33及导向滑轮23；当采样点位置发生变化时，通过移开U型强力磁石34和24使得连杆滑轮23和导向滑轮33自由移动，以此满足任意关键点的定位及松散样本采集，参阅图8-1、图8-2和图8-3，可实现采样装置1在方形铁框架(含刻度)31范围内的自由水平移动及任意形状的排布，同时，采样管长度、管口倾斜角度及方向均可调节。当然，可实现的排布状态不局限于上述展示的3种状态。
由上述技术方案可知，一种松散堆积体细观结构分析的试验设备，其主要的功能如下：
(1)适用于起伏地形区域内的松散堆积体：采样管端部采用与地形倾角一致的倾斜管口，且采样管管口倾斜方向和管体长度由试验设计需要来确定，以此满足起伏地形区域内散粒体取样的要求。
(2)对松散堆积体定点取样：针对不同松散堆积体可通过采样点控制装置来定点选取关键位置点的松散体样本，进而为堆积结构的精细化分析提供基础数据。
(3)直观展示松散堆积体细观结构：采样管本身带有刻度，且刻度尺寸可根据试验粒径级配进行选择，对此，提取出的某个点位处堆积体的竖向细观结构可直接呈现在试验者面前，并利用摄像等技术进行记录，同时也可通过电镜技术进一步深入分析。
(4)精确分析松散堆积体的粒径级配：完成松散堆积体细观结构的直接分析之后，可通过控制采样管管封将采样管内的松散体在高度上等分为若干份，然后对每一份分别进行筛分分析，以此深入分析松散堆积体各关键点在竖向的粒径级配分布规律。
本发明主要的技术创新点包括：采样点位置可自由调节、采样管管端可与起伏地形贴合、采样管口可有效封闭、采样管可方便装卸，具体如下：
(1)采样点位置可自由调节，对于不同形态的堆积体而言，试验人员关注的采样点不同，因此需要采样管在采样点控制装置中连杆滑轮与连接装置导向滑轮的配合使用实现水平自由移动，本发明中磁石与铁质框架之间具有较强的吸力，可实现采样点的有效固定连接同时实现自由移动；
(2)采样管管端可与起伏地形贴合，对于不同地势中的堆积体而言，采样点可能不为水平地面，因此需要采样管根据采样点地形倾斜角度以及倾斜方向而进行特殊订制，本发明中的采样管可根据实际所需长度、倾角及倾斜方向进行定制，以满足采样点起伏地形的特殊需求，保证采样管端口的密封性；
(3)采样管口可有效封闭，由于松散体与采样管侧壁之间的摩擦力较小，需要采完样品之后进行有效的封口处理，采样装置中将管封设置为与采样管倾角相同，尽量避免松散体过多漏出，然后利用多条强力橡皮筋将其紧固；
(4)采样管可方便装卸，采样管插入时可整体插入也可单独插入，最终采样完成后可整体提起也可单独提起，因此要求采样管与连接装置之间可方便装配与拆卸，本发明中采用2对穿孔螺丝将采样管有效固定，并方便装卸。

Claims (6)

1.一种松散堆积体结构分析试验设备，其特征在于，包括采样管、采样管顶连接件、管封和橡皮圈，采样管顶连接件的下部连接到采样管的顶部，管封和橡皮圈用于采样后封闭采样管的管口；还包括导向滑轮，导向滑轮包括底板和顶板，底板连接到采样管顶连接件的上部；还包括连杆，连杆设置有滑槽，导向滑轮的顶板通过第一滚轴穿过滑槽后连接到导向滑轮的底板，第一滚轴还套装有第一滚轮；连杆两端还设置有连杆滑轮，连杆滑轮包括依次套装在第二滚轴上的内侧板、第二滚轮和外侧板；还包括矩形框架，连杆两端的连杆滑轮分别架设在矩形框架两个相对的侧边上，连杆滑轮的内侧板、第二滚轮和外侧板分别位于矩形框架侧边的内侧、上侧和外侧。
2.如权利要求1所述的一种松散堆积体结构分析试验设备，其特征在于，所述采样管底部为倾斜切口；所述管封包括与采样管的倾斜切口相配合的封闭片，封闭片边缘连接有与采样管侧面相配合的半圆环状固定片。
3.如权利要求1所述的一种松散堆积体结构分析试验设备，其特征在于，所述连杆和矩形框架均为铁质；还包括，用于定位导向滑轮的第一磁石，用于定位连杆滑轮第二磁石。
4.如权利要求1所述的一种松散堆积体结构分析试验设备，其特征在于，所述采样管顶连接件设有通气孔。
5.如权利要求1所述的一种松散堆积体结构分析试验设备，其特征在于，所述采样管为透明采样管，并设置有刻度线。
6.如权利要求1所述的一种松散堆积体结构分析试验设备，其特征在于，所述连杆和矩形框架均设置有刻度线。
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