CN108717107A - 边坡物理实验模型 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种边坡物理实验模型，属于边坡物理实验技术领域，包括模型框架，模型框架包括平行设置的两根下横梁和两根上横梁，两根下横梁的两端均设有垂直立柱；两根下横梁之间设有底板，底板的上表面中部垂直设有加载板，加载板能够沿上横梁和下横梁移动，所述的一端设有与加载板平行的侧板，加载板与侧板之间设有用于进行边坡物理实验的边坡模型；加载板的另一侧设有用于对加载板施力的施力机构和用于检测施力机构施力大小的测力元件，测力元件连接所述施力机构和所述加载板，边坡模型的两侧分别设有前挡板和后挡板。本发明提供的边坡物理实验模型，可以完成边坡开挖和边坡注浆加固等多种边坡物理实验，并能够准确获得每项试验的试验结果。

Description

边坡物理实验模型

技术领域

本发明属于边坡物理试验技术领域，更具体地说，是涉及一种边坡物理实验模型。

背景技术

随着相似理论的提出，物理模型试验在岩土工程领域的应用越来越广泛，其具有直观性，可定量地分析物理模型的变形规律和特征。在边坡稳定性分析中，物理模型试验应用广泛，利用物理模型试验模拟边坡在降水、地震、开挖等条件下的破坏状态，通过实验器材测得模型内部位移、应力等参数，判断边坡的稳定性，或者利用物理模型试验模拟边坡的加固过程，检测加固方案的可行性。物理模型试验可以作为数值模拟的对照，增加结果的准确性。

在边坡物理模型试验中，不仅需要考虑边坡的自重应力，还需要考虑边坡的构造应力。在相似模型实验中，材料的容重相似比是一个定值，因此自重力可以直接由模拟材料自重解决，边坡的构造应力是水平应力，故需要施加水平载荷，以模拟该应力。在进行边坡物理模型试验时，有时需要针对平面模型分析，有时需要针对空间三维模型分析，这不仅需要试验设备的空间足够灵活，还需要能够调整作用力的相对位置。目前的物理实验设备只针对某一种试验，当进行一种新的试验时，需要更换设备，即带来不便，也造成了极大的资源浪费。

发明内容

本发明的目的在于提供一种边坡物理实验模型，以解决现有技术中存在的物理模型效果单一的技术问题。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种边坡物理实验模型，包括模型框架，所述模型框架包括平行间隔设置的两根下横梁和两根上横梁，两根所述下横梁与两根所述上横梁等间距设置，两根所述下横梁的两端均设有立柱，所述立柱垂直所述下横梁设置，所述立柱的顶部与所述上横梁的端部连接；两根所述下横梁之间设有底板，所述底板的上表面中部垂直设有加载板，所述加载板与所述上横梁和所述下横梁垂直设置、且所述加载板的顶部与所述上横梁滑动连接，所述底板的一端设有与所述加载板平行的侧板，所述加载板与所述侧板之间设有用于进行边坡物理实验的边坡模型；所述加载板的另一侧设有用于对所述加载板施力的施力机构和用于检测所述施力机构施力大小的测力元件，所述测力元件连接所述施力机构和所述加载板，所述边坡模型的两侧分别设有前挡板和后挡板。

进一步地，所述加载板为双层板，分为内外两层，包括贴近所述边坡模型的外层板及靠近所述测力元件的内层板，所述内层板和所述外层板的宽度均小于所述底板的宽度，所述内层板的顶部和底部均设有第一滑槽，所述外层板的顶部和底部分别设于所述第一滑槽内、且所述外层板能够沿所述第一滑槽相对所述内层板滑动。

进一步地，两根所述上横梁之间设有用于连接两根所述上横梁的第一连接杆，所述第一连接杆的下表面间隔设置若干条导轮槽，所述导轮槽与所述上横梁平行设置，所述加载板的顶部设有用于沿着所述导轮槽滚动的导轮。

进一步地，所述模型框架一侧的所述上横梁和所述下横梁之间对应所述加载板的位置设有用于连接所述上横梁和所述下横梁的第二连接杆，所述第二连接杆朝向所述模型框架内部的一侧间隔设置若干条第二滑槽，所述第二滑槽与所述上横梁和所述下横梁平行设置，所述内层板的侧壁设有用于沿着所述第二滑槽滑动的滑块。

进一步地，所述施力机构包括液压千斤顶和用于固定所述液压千斤顶的底座，所述加载板一侧的两根所述立柱之间水平设置第三滑槽，所述底座的端部与所述第三滑槽滑动连接。

进一步地，所述前挡板和后挡板均为透明挡板。

进一步地，所述前挡板和后挡板均为有机玻璃板。

进一步地，所述测力元件为测力环，所述测力环的一侧与所述液压千斤顶的活塞杆固定连接、另一端能够与所述加载板接触。

进一步地，所述底板的底部设有脚轮和支脚，所述脚轮和支脚均与所述底板活动连接。

本发明提供的边坡物理实验模型的有益效果在于：与现有技术相比，本发明边坡物理实验模型可以建造边坡平面模型和三维物理模型，可以进行分层砌筑类型和整体现浇类型的边坡物理模型试验，可以进行边坡开挖，注浆加固等物理模型试验，可以通过不同组合完成多种试验，减少资源浪费，并获得较好的试验效果，具体来说：

可以通过框架周围挡板的多种组合以及开挖方式的选择进行预制式和散粒式边坡模型的开挖模拟；

可以将侧板卸掉，从侧板处对边坡坡面打孔注浆，进行注浆加固试验研究。

总之，本发明可以完成多种试验，可以准确地获得相应的试验结果。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，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发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的边坡物理实验模型的结构示意图；

图2为图1中A向视图；

图3为图2中B处放大示意图；

图4为图2中C处放大示意图；

图5为本发明实施例提供的边坡物理试验模型的施力机构和测力元件示意图；

其中，图中各附图标记：

1-下横梁；2-上横梁；3-立柱；4-底板；5-液压千斤顶；6-测力环；7-底座；8-第三滑槽；9-第二滑槽；10-滑块；11-前挡板；12-后挡板；13-加强格栅；14-脚轮；15-脚轮槽；16-支脚；17-支脚槽；18-侧板；19-第一连接杆；20-第二连接杆；21-第一滑槽；22-内层板；23-外层板；24-导轮槽；25-导轮。

具体实施方式

为了使本发明所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者间接在该另一个元件上。当一个元件被称为是“连接于”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或间接连接至该另一个元件上。

需要理解的是，术语“长度”、“宽度”、“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”、“若干个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

请一并参阅图1至图5，现对本发明提供的边坡物理实验模型进行说明。边坡物理实验模型，外侧为槽钢组成的模型框架，模型框架的底部为两根平行设置的下横梁1、顶部为两根平行设置的上横梁2，两根下横梁1位于同一水平面，两根上横梁2位于同一水平面，每根下横梁1的两端部分别设置两根立柱3，立柱3竖直设置，即立柱3与下横梁1垂直，立柱3的底部与下横梁1的端部用螺钉连接，立柱3的顶部与上横梁2也用螺钉连接。在两根下横梁1之间平铺一块矩形底板4，底板4的长度与下横梁1的长度相同、宽度稍大于两根下横梁1之间的间距，使底板4能够与下横梁1完成搭接，底板4与下横梁1搭接后，用螺钉将底板4固定在下横梁1上。在底板4的上表面设置一块矩形加载板，加载板的表面与上横梁2和下横梁1均垂直，加载板的高度与立柱3的高度相同，在底板3的一端设置一块矩形侧板18，侧板18与加载板平行设置，且侧板18的高度与立柱3的高度相同，侧板18的宽度与底板4的宽度相同，侧板18通过螺钉固定在两根立柱3上，加载板与侧板18之间的位置用于放置进行边坡物理实验的边坡模型，加载板能够沿上横梁2移动，即加载板能够相对侧板18垂向运动，通过加载板的运动对位于加载板和侧板18之间的边坡模型施加压力，并检测边坡模型的受力情况。加载板的另一侧设置施力机构和测力元件，施力机构对加载板施加压力，测力元件设置在施力机构和加载板之间，用于检测施力机构对加载板施加的压力，以便检测边坡模型的受力情况，边坡模型的两侧还设置有前挡板11和后挡板12，加载板、前挡板11、侧板18、后挡板12以及底板共同围成槽状结构，在制作散粒式边坡模型时，将散粒置于槽状结构内，进行振捣成型，方便快捷。前挡板11和后挡板12均通过螺钉固定在模型框架上。

本发明提供的边坡物理实验模型，与现有技术相比，本发明边坡物理实验模型可以建造边坡平面模型和三维物理模型，可以进行分层砌筑类型和整体现浇类型的边坡物理模型试验，可以进行边坡开挖，注浆加固等物理模型试验，可以通过不同组合完成多种试验，减少资源浪费，并获得较好的试验效果，具体来说：

可以通过框架周围挡板的多种组合以及开挖方式的选择进行预制式和散粒式边坡模型的开挖模拟；

可以将侧板卸掉，从侧板处对边坡坡面打孔注浆，进行注浆加固试验研究。

总之，本发明可以完成多种试验，可以准确地获得相应的试验结果。

整个模型框架和固定在模型框架上的侧板、底板均采用螺钉连接的连接方式，在需要使用模型时，将模型快速组装，边坡物理实验完成后，可以将模型拆卸，方便运输和存放。

进一步地，请一并参阅图1和图2，作为本发明提供的边坡物理实验模型的一种具体实施方式，加载板为双层板，且两层加载板宽度均小于底板4的宽度，两层加载板中靠近边坡模型的一层为外层板23，靠近测力元件的一层为内层板22，在内层板22的顶部和底部均设置第一滑槽21，外层板23的顶部和底部均嵌在第一滑槽21内，外层板23能够沿第一滑槽21相对内层板22运动，运动方向为内层板22的宽度方向，在进行预制边坡模型摆放时，不需要对放置边坡模型的区域进行封闭，将预制边坡模型一层层码放，然后通过施力机构对加载板施加压力；当需要在边坡物理实验模型内通过混凝土浇筑方式制作边坡模型时，将外层板23相对内层板22滑出，使外层板23和内层板22共同对边坡模型靠近加载板的一侧进行封闭，将散粒混凝土倒入形成的槽状结构内进行振捣成型，再对成型的边坡模型进行加载试验。将加载板设置成宽度可调，通过调整加载板的宽度，并通过改变施力机构的施力点，分别模拟边坡的空间应力状态和平面应力状态，得到的试验数据更加全面。

进一步地，请参阅图1至图3，作为本发明提供的边坡物理实验模型的一种具体实施方式，加载板能够相对上横梁2和下横梁1运动，具体实现方式为：在两根上横梁2之间相对加载板的位置搭设一段连接杆，作为第一连接杆19，第一连接杆19与两根上横梁2通过螺钉连接，在第一连接杆19的下表面间隔设置两条导轮槽24，在第一滑槽21的顶部对应导轮槽24的位置设置导轮25，通过导轮25沿导轮槽24的滚动实现加载板的运动。导轮槽24与导轮25以及导轮25的轮轴之间保持足够的润滑，尽量减少加载板运动过程中的摩擦阻力，使测力元件测得的力更准确，且导轮槽24的长度大于加载板的运动行程，防止加载板运动过程中导轮25脱离导轮槽24。

进一步地，参阅图1、图2及图4，作为本发明提供的边坡物理实验模型的一种具体实施方式，为了使加载板的底部与底板4的间距不至于过大，在加载板的底部不设置导轮，采用在加载板的侧面设置支撑点的方式支撑加载板，具体实现方式为：在加载板后侧的下横梁1和上横梁2之间设置一段竖向连接杆，作为第二连接杆20，第二连接杆20的位置对应加载板的位置，在第二连接杆20朝向加载板的一侧间隔设置四条第二滑槽9，第二滑槽9与上横梁2和下横梁1平行设置，即第二滑槽9与加载板的运动方向相同，加载板的内层板22的侧壁对应第二滑槽9的位置设置滑块10，滑块10与第二滑槽9相匹配，且滑块10与内层板22焊接固定，将滑块10置于第二滑槽9内后，加载板与底板分离，即第二滑槽9起到对加载板的支撑作用，将第二滑槽9内润滑充分，时加载板运动过程中，滑块10与第二滑槽9的摩擦阻力尽量小，使测力元件测得的力更准确，第二滑槽9的长度大于加载板的运动行程，防止加载板运动过程中滑块10脱离第二滑槽9。

进一步地，请参阅图1和图5，作为本发明提供的边坡物理实验模型的一种具体实施方式，从模型框架的顶部到底部共包括三组施力机构，三组施力机构从上到下依次并排排列，每组施力机构包括液压千斤顶5以及固定液压千斤顶5的底座7，在底座7的端部设第三滑槽8，第三滑槽8的两端部通过螺钉分别固定在两根立柱3上，底座7的端部与第三滑槽8相匹配，使底座能够带动液压千斤顶5沿第三滑槽8水平运动，通过调整底座7的位置调整液压千斤顶5的施力点。

进一步地，作为本发明提供的边坡物理实验模型的一种具体实施方式，前挡板11和后挡板12均为透明挡板，在进行边坡物理实验时，可以通过前挡板11和后挡板12观察边坡的应变情况。

进一步地，参阅图1，作为本发明提供的边坡物理实验模型的一种具体实施方式，前挡板11和后挡板12均采用有机玻璃材质，在保证前后挡板的透明度的同时，增加前后挡板的强度，防止边坡模型受力变形过程中对前后挡板造成损坏。在用混凝土散粒制作边坡模型的过程中，可以在前挡板11和后挡板12的外侧个加装一块加强格栅13，加强格栅13采用金属材质，保证强度。

进一步地，请参阅图1和图5，作为本发明提供的边坡物理实验模型的一种具体实施方式，测力元件为测力环6，测力环6的为圆环结构，测力环6的外圈连接液压千斤顶5的活塞杆端部，且测力环6能够随液压千斤顶5的活塞杆一起运动，液压千斤顶5的活塞杆向外延伸，当延伸到测力环6与加载板接触时，液压千斤顶5开始对加载板施力，同时测力环6实时显示所施加的力。

进一步地，请参阅图1，作为本发明提供的边坡物理实验模型的一种具体实施方式，底板4的底部设置脚轮14，脚轮14固定在脚轮槽15中，脚轮槽15为一段水平设置在两根下横梁1底部的槽钢，脚轮槽15与下横梁1垂直，脚轮14共设置两组，两组脚轮14分别设置在底板4的两端，每组脚轮14对称设置在底板4的两侧，脚轮14作为整个边坡物理实验模型的支撑，带脚轮14后，边坡物理模型能够移动位置。在混凝土散粒制作边坡模型过程中，需要对混凝土散粒进行震荡成型，这需要施加很大的力，而此时若仍然将脚轮14作为整个边坡物理实验模型的支撑，会破坏脚轮，所以在两组脚轮槽15的一侧各设置一点支脚槽17，支脚槽17采用与脚轮槽15相同的槽钢，每组支脚槽17内对称安装两个支脚16。脚轮14能够相对脚轮槽15进行拆装，支脚16能够相对支脚槽17进行拆装，在震荡成型时，将脚轮14拆下，安装支脚16，在需要移动位置时，将支脚16拆下，安装脚轮16。

进一步地，作为本发明提供的边坡物理实验模型的一种具体实施方式，根据边坡模型的宽度调整加载板的宽度，即将外层板23相对内层板22滑动，同时移动用于固定液压千斤顶5的底座7，调整液压千斤顶5的施力点，操作液压千斤顶5，使固定在液压千斤顶5活塞杆端部的测力环6与加载板接触，液压千斤顶5继续施力，挤压边坡模型。边坡模型可以使用预制模型和散粒，当使用预制模型时，卸掉前挡板11或者后挡板12，将预制模型沿保留的后挡板12或者前挡板11一层层码好；在使用散粒进行模拟实验时，卸掉前挡板11或者后挡板12，同时将加载板的外层板23相对内层板22滑出，使加载板对放置边坡模型的一侧实现封闭，用液压千斤顶5抵住加载板，在底板4上表面放置实验材料，放置一定高度后，将卸下的挡板装回，并在前挡板11和后挡板12的外侧加装加强格栅13，由模型上方倒入剩余材料，将脚轮14卸下，安装支脚16，对材料进行振捣，使模型成型。材料成型后，测力环6装在液压千斤顶5的活塞杆的端部，调整液压千斤顶的压力，对加载板均匀施压，三组施力机构的液压千斤顶5施加同样的压力，保证加载板受力平衡，当三组施力机构对应的三个测力环6读数一致后，采用人工钻机或者加热等方式进行边坡开挖模拟实验。

除了进行边坡开挖模拟实验外，还可以卸掉侧板18，用钻机由侧板18处伸入边坡模型的坡面一定的深度，将装有浆液的管道由钻孔伸入，进行灌浆，通过前挡板11和后挡板12观察浆液的流动路径，观察加固效果。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.边坡物理实验模型，其特征在于：包括模型框架，所述模型框架包括平行间隔设置的两根下横梁和两根上横梁，两根所述下横梁与两根所述上横梁等间距设置，两根所述下横梁的两端均设有立柱，所述立柱垂直所述下横梁设置，所述立柱的顶部与所述上横梁的端部连接；两根所述下横梁之间设有底板，所述底板的上表面中部垂直设有加载板，所述加载板与所述上横梁和所述下横梁垂直设置、且所述加载板的顶部与所述上横梁滑动连接，所述底板的一端设有与所述加载板平行的侧板，所述加载板与所述侧板之间设有用于进行边坡物理实验的边坡模型；所述加载板的另一侧设有用于对所述加载板施力的施力机构和用于检测所述施力机构施力大小的测力元件，所述测力元件连接所述施力机构和所述加载板，所述边坡模型的两侧分别设有前挡板和后挡板。

2.如权利要求1所述的边坡物理实验模型，其特征在于：所述加载板为双层板，分为内外两层，包括贴近所述边坡模型的外层板及靠近所述测力元件的内层板，所述内层板和所述外层板的宽度均小于所述底板的宽度，所述内层板的顶部和底部均设有第一滑槽，所述外层板的顶部和底部分别设于所述第一滑槽内、且所述外层板能够沿所述第一滑槽相对所述内层板滑动。

3.如权利要求1所述的边坡物理实验模型，其特征在于：两根所述上横梁之间设有用于连接两根所述上横梁的第一连接杆，所述第一连接杆的下表面间隔设置若干条导轮槽，所述导轮槽与所述上横梁平行设置，所述加载板的顶部设有用于沿着所述导轮槽滚动的导轮。

4.如权利要求2所述的边坡物理实验模型，其特征在于：所述模型框架一侧的所述上横梁和所述下横梁之间对应所述加载板的位置设有用于连接所述上横梁和所述下横梁的第二连接杆，所述第二连接杆朝向所述模型框架内部的一侧间隔设置若干条第二滑槽，所述第二滑槽与所述上横梁和所述下横梁平行设置，所述内层板的侧壁设有用于沿着所述第二滑槽滑动的滑块。

5.如权利要求1所述的边坡物理实验模型，其特征在于：所述施力机构包括液压千斤顶和用于固定所述液压千斤顶的底座，所述加载板一侧的两根所述立柱之间水平设置第三滑槽，所述底座的端部与所述第三滑槽滑动连接。

6.如权利要求1所述的边坡物理实验模型，其特征在于：所述前挡板和后挡板均为透明挡板。

7.如权利要求6所述的边坡物理实验模型，其特征在于：所述前挡板和后挡板均为有机玻璃板。

8.如权利要求5所述的边坡物理实验模型，其特征在于：所述测力元件为测力环，所述测力环的一侧与所述液压千斤顶的活塞杆固定连接、另一端能够与所述加载板接触。

9.如权利要求1-8任一项所述的边坡物理实验模型，其特征在于：所述底板的底部设有脚轮和支脚，所述脚轮和支脚均与所述底板活动连接。