CN110296881B - 一种适用于岩土边坡、路基路堤的土体模型试验系统及方法 - Google Patents

Abstract

一种适用于岩土边坡、路基路堤的土体模型试验系统及方法。试验系统包括加载框架、加载装置、模型箱、油源、主机。加载装置由伺服作动器以及液压传动多关节式机械臂组成，伺服作动器通过机械臂连接在加载框架的横梁上，机械臂可移动并调整伺服作动器的位置。伺服作动器的加载头上安装有倾角传感器以及位置传感器，实时调整加载头位置，保证加载头在试验中始终水平和居中。针对试验制样过程中分层填埋砂子时抹平不方便以及无法保证每层砂子层面的水平问题，设置砂子抹平装置。模型箱内安装可拆卸的任意边坡形成装置，且安装位置传感器以及倾角传感器，可保证水平位置以及坡面角度精确度，该装置配有挡板，挡板上安装有铰链可保证角度固定。

Description

一种适用于岩土边坡、路基路堤的土体模型试验系统及方法

技术领域

本发明属于试验设备技术领域，涉及了一种试验设备，具体涉及一种适用于岩土边坡、路基路堤的土体模型试验系统及方法，主要是用于边坡、路基路堤的试验。

背景技术

近年来，随着土木工程的发展，人们对边坡、路基路堤稳定性的研究日益增多，模型试验成为了研究边坡、路基路堤稳定性的重要手段之一。现有的模型箱类型主要有层状剪切变形模型箱，固壁式刚性模型箱，柔性模型箱等。现有的试验系统在试验过程中往往会存在加载头无法准确的处于模型箱居中位置，以及加载头在试验过程中无法确保水平的情况，这些因素会大大影响试验结果的有效性；而且现有的试验系统的加载位置往往比较单一，在试验时往往只能通过移动试样的方式才能达到更换加载位置的目的，这不但增大了试验过程中的工作量，也大大限制了试验系统的试验范围。同时在边坡试验中制样时，边坡的尺寸以及角度也很难精准的控制，从而影响试验结果；现有的试验系统在进行边坡试验时，只能形成固定角度的边坡，不能依据依据各种情况形成任意的坡角，大大限制了试验设备的适用范围。在制样分层填砂时，往往无法确保每层砂子层面的平整，特别是在试样上表面无法保证砂子的平整，最终影响试验结果。

发明内容

本专利的目的在于针对已有技术存在的缺陷提供一种适用于岩土边坡、路基路堤的土体模型试验系统及方法。

为达到上述目的，本发明采用下述技术方案：

一种适用于岩土边坡、路基路堤的土体模型试验系统，包括：加载框架、加载装置、模型箱、油源和控制器。其特征在于：所述加载装置安装于加载框架的横梁上，模型箱放置于加载框架的底座上，油源以及控制器依次放置在加载框架旁边，控制器通过电线与加载装置相连，油源通过油管与加载装置相连；所述加载装置主要由连接在加载框架横梁上的液压传动多关节式机械臂，以及连接在液压传动多关节式机械臂上的伺服作动器和安装在作动器加载头上的4个位置传感器和1个倾角传感器组成，所述模型箱内部安装有可拆卸的抹平装置和任意角度边坡形成装置。

进一步，所述液压传动多关节式机械臂下端通过螺丝与伺服作动器相连。伺服作动器由电液伺服阀、作动筒以及加载头组成；加载头位于伺服作动器的最底部，并且加载头上安装1个倾角传感器，在加载头四个方向安装4个位置传感器，倾角传感器以及位置传感器的信号通过电线传输至控制器的采集器采集；伺服作动器通过油管与油源的油箱相连，通过电线与控制器相连。伺服作动器通过液压传动多关节式机械臂与加载框架的横梁相连，液压传动多关节式机械臂由上部连接底座、三根连杆、两个液压千斤顶以及下部连接底座组成，液压传动多关节式机械臂的上部连接底座通过螺丝与横梁相连，下部连接底座通过螺丝与伺服作动器相连。液压传动多关节式机械臂最上部的连杆可绕z轴转动；液压传动多关节式机械臂由电线与控制器相连，并且由控制器控制；控制器采集加载头上的倾角传感器和位置传感器的数据，并通过软件自动控制机械臂，调整伺服作动器的位置，实现加载头的居中和水平；而且还可以通过控制器中的软件，控制机械臂移动伺服作动器，达到增加加载头加载位置的目的。

进一步，所述任意角度边坡形成装置由沿模型箱立柱上布置的竖直导轨、平行于模型箱壁的水平导轨、垂直于水平导轨的凹槽、接头和挡板组成；水平导轨可沿竖直导轨滑动，接头可沿水平导轨滑动，凹槽与接头之间通过转轴相连，凹槽上有螺孔可通过螺丝卡住挡板，凹槽可绕y轴360°旋转形成任意角度的坡面；导轨的接头上有螺丝孔，可通过螺丝将导轨固定在竖直导轨上；接头上安装一个小型位置传感器，试验制样过程中通过接头上位置传感器数据的数据精准定位接头的位置，最终精确的确定试验所需坡面的坡顶面宽度；挡板上有铰链，铰链一端与挡板相连，另一端为接头，接头可沿水平导轨滑动，并通过螺丝固定在水平导轨上，挡板上有圆环，可用铁钩或绳子钩住调节挡板与水平面的夹角；挡板上安装倾角传感器，在制样过程中通过倾角传感器的数据精准确定边坡的角度，结合接头上位置传感器的数据，达到精确的形成试验所需坡面的目的。

进一步，所述抹平装置由模型箱立柱布置的竖直导轨、平行于模型箱壁的水平导轨(25)、可伸缩铁杆、接头、可伸缩铁杆铁杆末端为圆孔组成，竖直导轨与竖直导轨相同，水平导轨与水平导轨相同；水平导轨可沿导轨滑动，可伸缩铁杆通过相连的接头沿水平导轨滑动，可伸缩铁杆通过转轴与接头相连，可伸缩铁杆可以转轴为圆心绕z轴进行180°转动。可伸缩铁杆末端为圆孔，在试验制样时可用铁杆在圆孔中移动伸缩铁杆；在试验制样分层填砂的过程中，调节伸缩铁杆的位置和长度，然后转动伸缩铁杆达到对砂子抹平的目的。

一种适用于岩土边坡、路基路堤的土体模型试验方法，采用上述步骤进行操作试验，其特征在于具体操作步骤如下：

(1)加载框架Ⅰ、底座3以及模型箱Ⅲ尺寸可根据试验需求进行调整、设计，制作框架、底座以及模型箱的材料必须选用强度足够的钢结构焊件。

(2)横梁2与立柱1之间采用螺丝进行铆固连接，以方便调整横梁2高度，模型箱Ⅲ右侧门14关闭时采用螺丝进行固定。

(3)模型箱前侧玻璃12必须采用透明度高且强度足够的有机玻璃，为防止玻璃被刮花，在有机玻璃内侧覆盖高清膜进行保护。

(4)装样时，旋转脚轮7上方的铁杆，降下脚轮7使之与移箱导轨8接触，推动模型箱Ⅲ至预定位置并升起脚轮7，拧紧右侧门14上的螺丝，关紧右侧门14进行装样、传感器埋设等操作。

(5)在装样过程中砂子采用分层装填时，每一层装填完毕后调整水平导轨25的高度、接头75的位置以及伸缩铁杆26的长度，将铁杆插入圆孔28中，转动铁杆24对砂子进行抹平。

(6)进行边坡试验时，在装样过程中可按照试验要求的高度、宽度，通过接头20上的位置传感器，精准确定水平导轨18及凹槽19的位置，然后按照试验要求的坡度，以及挡板21上倾角传感器的数据，精准确定挡板21与水平面的夹角，并用螺丝卡住接头20以及接头23，使其固定。分层填埋砂子，并重复过程(5)的操作进行抹平即可。

(7)装样结束后将模型箱推动Ⅲ至试验位置，并升起脚轮。

(8)根据前侧玻璃外侧的刻度尺贴条，确定加载板位置7。

(9)拉动安装于顶梁10上的油葫芦4，调整横梁2的高度，以此调节伺服作动器5的位置。当横梁2调节至合适高度时，采用螺丝进行铆固，以保证加载过程中的安全性和稳定性。控制器Ⅴ采集加载头上位置传感器以及倾角传感器的信号，并通过控制器Ⅴ的软件控制机械臂11自动调整加载头的位置，以保证加载头能够准确居中并保持水平。

(10)试验前，先将控制器Ⅴ的信号输出端连接在数据采集仪上，然后进入操作软件，并设置好试验信息。打开油源Ⅳ先将油源Ⅳ维持在低压状态，在操作软件中打开控制阀台，设置加载头高度与加载板接触。

(11)试验中，在操作软件中设置试验过程的保护数据，根据试验的需求，设置作动器5的加载方式，并根据实际情况将油源Ⅳ的低压状态转换为高压。

(12)试验结束后，点击退出试验并关闭阀台，然后关闭油源Ⅳ以及控制器Ⅴ电源。拉高伺服作动器5的位置，推出模型箱Ⅲ，之后挖出试验土体，回收传感器。

(13)开展下一组试验时只需重复(4)—(12)即可。

(14)以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换，均应包含在本发明的保护范围之内。

本发明与现有技术相比较，具体如下显而易见的突出实质性特点和显著技术进步：

本发明伺服作动器通过液压传动多关节式机械臂，与加载框架相连接，加载头上安装了倾角传感器以及位置传感器，不但实现了加载头的准确居中，还克服了加载头在试验中无法确保水平的问题；而且机械臂除了可以通过主机程序控制进行自动调整位置外，还可以通过主机程序控制进行大范围的位置移动，使得加载头可以被移动到试样上表面的任意位置，不但提高了试验的便利程度，还增加了加载头的加载位置，增大了试验系统的试验范围。针对形成坡面时坡面角度单一，以及边坡角度和尺寸不准确的问题，增加了任意角度边坡形成装置，并且安装了位置传感器和倾角传感器确保了边坡形成的准确；另外还安装了铰链来进行固定挡板，以确保在制样过程中边坡角度不会发生改变。针对制样过程中砂子表面平整的问题，增加了抹平装置，方便在试验制样中进行抹平，确保了试样表面的平整。

进一步，所述加载框架由两根立柱1、横梁2、顶梁10和底座3组成，且加载框架为钢结构焊件。立柱1通过螺栓将其与底座3连接，两根立柱间的距离应考虑到试验过程中受力特性及变形情况，应既能满足尺寸要求，又能改善试验过程中立柱1的受力和变形。立柱上每隔一段距离开有连接孔，利用螺栓将横梁2与顶梁10固定在立柱1上，且横梁2可在立柱1上进行高度调节。

进一步，为保证整个加载框架的稳定性，采用膨胀螺栓将底座3和地面固定；底座3上方有导轨8，利用螺钉连接固定在底座3上。

进一步，所述模型箱4尺寸为钢结构焊件，三面采用焊接防止漏水；右侧门14可以开关，采用密封圈密封防止漏水。前侧玻璃12为高强度有机玻璃，方便对试验过程进行观察。前侧玻璃外侧贴有水平和竖直两条刻度尺贴条，前侧玻璃内侧贴有透明的防爆玻璃膜。为保证模型箱在大荷载条件下的安全性，在前侧玻璃前加上挡板13。采用螺钉与模型箱边框连接，需要的时候可以装上，不需要的时候可以拆卸。

进一步，为方便调整模型箱位置，在模型箱底部装有四个可升降的脚轮7，需要将模型箱推出的时候将脚轮降下，压在移箱导轨8上，将模型箱顶起，模型箱就可以沿移箱导轨8滚动。

进一步，所述模型箱底板开有四个注/放水口15，底部有一根注水管和一根放水管。注水管可与水龙头连接，以便人为控制进水量，以此来控制试验土体的含水率，若有需要，也可在试验过程中打开放水管阀门排水。

进一步，模型箱右侧门和模型箱之间的缝隙处插有钢板，可通过调节钢板数量控制泄砂量。

进一步，在模型箱立柱上布置了竖直导轨16，平行于模型箱壁的水平导轨18可沿竖直导轨16滑动。垂直于水平导轨18的凹槽19，通过相连的接头20可沿水平导轨18滑动。凹槽19与接头之间通过转轴相连，凹槽19上有螺孔可通过螺丝卡住挡板21，凹槽19可绕y轴360°旋转形成任意角度的坡面。接头20上安装有小型位置传感器，试验制样过程中通过接头20上位置传感器数据的数据精准定位接头20的位置，最终精确的确定试验所需坡面的坡顶面宽度。

进一步，挡板21上有铰链22，铰链一端与挡板相连，另一端为接头23，接头23可沿水平导轨18滑动，并通过螺丝固定在水平导轨18上。挡板上有圆环24，可用铁钩或绳子钩住调节挡板21与水平面的夹角。挡板21上安装有倾角传感器，在制样过程中通过倾角传感器的数据精准确定边坡的角度，结合接头20上位置传感器的数据达到精确的形成试验所需坡面的目的。

进一步，在模型箱立柱上布置了竖直导轨17，平行于模型箱壁的水平导轨25，水平导轨25与水平导轨18剖面相同。水平导轨25可沿导轨17滑动，垂直于导轨25的可伸缩铁杆26通过相连的接头27可沿水平导轨25滑动。伸缩铁杆26通过转轴与接头27相连，铁杆可以以转轴为圆心绕z轴进行180°转动。铁杆末端为圆孔28，在试验制样时可用铁杆在圆孔28中移动伸缩铁杆。在试验制样分层填砂的过程中，调节伸缩铁杆26的位置和长度，然后转动伸缩铁杆26达到对砂子抹平的目的。

进一步，所述伺服作动器5由电液伺服阀、作动筒以及加载头组成，并通过液压传动多关节式机械臂11固定于横梁2上。机械臂11由上部连接底座29、连杆30、连杆31、连杆32、液压千斤顶33以及下部连接底座34组成，且连杆30可绕z轴转动，机械臂所选用的液压千斤顶的承载力应大于伺服作动器可以施加的最大荷载。在试验前通过拉动固定于顶梁10上的油葫芦4铁链来调节横梁2的位置，达到调整伺服作动器高度的目的。

进一步，所述伺服作动器5在加载的过程中，可以以位移或力为控制标准，给试验对象加载静荷载或动荷载；伺服作动器5除了给试验对象施加循环力以外，还可以施加循环位移。

进一步，所述伺服作动器可通过软件控制实现三角波、方波、半正弦波或用户自定义波等。

进一步，所述伺服作动器加载头上装有倾角传感器，在加载头四个方向布有位置传感器，倾角传感器以及位置传感器与主机9相连。主机9采集倾角传感器和位置传感器的数据，并通过软件自动控制机械臂11调整加载头位置，实现加载头的居中和水平。

进一步，为伺服作动器提供动力的油源6有低压和高压两档，当作动器加载静载且荷载较小时，可采用低压，在加载动载或荷载较大时可采用高压，油源与伺服作动器之间用油管相连。

进一步，所述土体模型系统操作由主机9进行控制操作，机械臂11、伺服作动器5、油源6以及加载头上安装的传感器，均通过电线与主机相连，并且试验过程中，数据除了可以储存在主机的硬盘中，还可以通过主机上的信号输出端口，将数据输出到其他数据采集器上。

附图说明

图1为本发明模型试验系统的结构示意图

图2为液压传动多关节式机械臂结构示意图

图3为任意角度边坡形成装置，其中图a为布置在立柱上的导轨剖面图、图b为水平导轨俯视图、图c为水平导轨剖面图、图d为凹槽侧视图、图e为凹槽剖面图、图f为挡板侧视图、图g为铰链接头剖面图

图4为抹平装置俯视图

图5为本发明加载框架的俯视图

图6为本发明模型箱的正立面结构示意图

图7为本发明模型箱俯视图

图8为本发明控制系统图

图中：Ⅰ.加载框架，Ⅱ.加载装置，Ⅲ.模型箱，Ⅳ.油源，Ⅴ.控制器，1.立柱，2.横梁，3.底座，4.油葫芦，5.伺服作动器，6.油源，7.脚轮，8.移箱导轨，9.主机，10.顶梁，11.机械臂，12.前侧玻璃，13.挡板，14.右侧门，15.注/出水孔，16.竖直导轨，17.竖直导轨，18.水平导轨，19.凹槽，20.接头，21.挡板，22.铰链，23.接头，24.圆环，25.水平导轨，26.伸缩铁杆，27.接头，28.圆孔，29.上部连接底座，30.连杆，31.连杆，32.连杆，33.液压千斤顶，34.下部连接底座，35.油管，36.电线，37.电线。

具体实施方式

本发明的优选实施例结合附图详述如下：

实施例一：

参见图1～图8，本是用于适用于岩土边坡、路基路堤的土体模型试验系统，包括：加载框架Ⅰ、加载装置Ⅱ、模型箱Ⅲ、油源Ⅳ和控制器Ⅴ。其特征在于：所述加载装置Ⅱ安装于加载框架Ⅰ的横梁2上，模型箱Ⅲ放置于加载框架Ⅰ的底座3上，油源Ⅳ以及控制器Ⅴ依次放置在加载框架Ⅰ旁边，控制器Ⅴ通过电线与加载装置Ⅱ相连，油源Ⅳ通过油管35与加载装置Ⅱ相连；所述加载装置Ⅱ主要由连接在加载框架Ⅰ横梁2上的液压传动多关节式机械臂11，以及连接在液压传动多关节式机械臂11上的伺服作动器5和安装在作动器加载头上的4个位置传感器和1个倾角传感器组成，所述模型箱Ⅲ内部安装有可拆卸的抹平装置和任意角度边坡形成装置。

实施例二，本实施例与实施例一基本相同，特征之处如下：

所述液压传动多关节式机械臂11下端通过螺丝与伺服作动器5相连。伺服作动器5由电液伺服阀、作动筒以及加载头组成；加载头位于伺服作动器5的最底部，并且加载头上安装1个倾角传感器，在加载头四个方向安装4个位置传感器，倾角传感器以及位置传感器的信号通过电线36传输至控制器Ⅴ的采集器9采集；伺服作动器5通过油管35与油源Ⅳ的油箱6相连，通过电线36与控制器Ⅴ相连。伺服作动器5通过液压传动多关节式机械臂11与加载框架Ⅰ的横梁2相连，液压传动多关节式机械臂11由上部连接底座29、连杆Ⅰ30、连杆Ⅱ31、连杆Ⅲ32、两个液压千斤顶33以及下部连接底座34组成，液压传动多关节式机械臂11的上部连接底座29通过螺丝与横梁2相连，下部连接底座34通过螺丝与伺服作动器5相连。液压传动多关节式机械臂11的连杆Ⅰ30可绕z轴转动；液压传动多关节式机械臂11由电线37与控制器Ⅴ相连，并且由控制器Ⅴ控制；控制器Ⅴ采集加载头上的倾角传感器和位置传感器的数据，并通过软件自动控制机械臂11，调整伺服作动器5的位置，实现加载头的居中和水平；而且还可以通过控制器Ⅴ中的软件，控制机械臂11移动伺服作动器5，达到增加加载头加载位置的目的。

所述任意角度边坡形成装置由沿模型箱Ⅲ立柱上布置的竖直导轨16、平行于模型箱壁的水平导轨18、垂直于水平导轨18的凹槽19、接头20和挡板21组成；水平导轨18可沿竖直导轨16滑动，接头20可沿水平导轨18滑动，凹槽19与接头20之间通过转轴相连，凹槽19上有螺孔可通过螺丝卡住挡板21，凹槽19可绕y轴360°旋转形成任意角度的坡面；导轨18的接头上有螺丝孔，可通过螺丝将导轨18固定在竖直导轨16上；接头20上安装一个小型位置传感器，试验制样过程中通过接头20上位置传感器数据的数据精准定位接头20的位置，最终精确的确定试验所需坡面的坡顶面宽度；挡板21上有铰链22，铰链22一端与挡板21相连，另一端为接头23，接头23可沿水平导轨18滑动，并通过螺丝固定在水平导轨18上，挡板21上有圆环24，可用铁钩或绳子钩住调节挡板21与水平面的夹角；挡板21上安装倾角传感器，在制样过程中通过倾角传感器的数据精准确定边坡的角度，结合接头20上位置传感器的数据，达到精确的形成试验所需坡面的目的。

所述抹平装置由模型箱Ⅲ立柱布置的竖直导轨17、平行于模型箱壁的水平导轨25、可伸缩铁杆26、接头27、可伸缩铁杆26铁杆末端为圆孔28组成，竖直导轨17与竖直导轨6相同，水平导轨25与水平导轨18相同；水平导轨25可沿导轨17滑动，可伸缩铁杆26通过相连的接头27沿水平导轨25滑动，可伸缩铁杆26通过转轴与接头27相连，可伸缩铁杆26可以转轴为圆心绕z轴进行180°转动。可伸缩铁杆26末端为圆孔28，在试验制样时可用铁杆在圆孔28中移动伸缩铁杆26；在试验制样分层填砂的过程中，调节伸缩铁杆26的位置和长度，然后转动伸缩铁杆26达到对砂子抹平的目的。

实施例三

如图1-8所示，本适用于岩土边坡、路基路堤的土体模型试验系统，包括：加载框架Ⅰ、模型箱Ⅲ，其安装在所述底座3上部，以及油源Ⅳ与控制器Ⅴ；所述加载框架Ⅰ包括：铆固在底座3上平行排列的立柱1，铆固于立柱上平行排列的横梁2和顶梁10，顶梁10上的油葫芦4与横梁2相连；所述底座3包括：钢结构平台及其上的移箱导轨8；所述模型箱Ⅲ包括：钢结构主体，前侧玻璃12，右侧门14，前侧玻璃挡板13，前侧玻璃12为有机玻璃，右侧门14内侧采用密封圈密封防止漏水；所述伺服作动器5，包括：电液伺服阀、作动筒以及加载头，并通过一个液压传动多关节式机械臂11固定于横梁2上；所述液压传动多关节式机械臂11包括：上部连接底座29、与上部连接底座29连接的连杆30、与连杆30下端相连的连杆31、与连杆31下端相连的连杆32、安装在连杆30、31、32两侧的两个完全相同的液压千斤顶33以及与连杆32下端相连的下部连接底座34，上部连接底座29与横梁2相连，下部连接底座34与伺服作动器5相连；有一个任意角度边坡形成装置，包括：平行于箱壁的水平导轨18、通过接头20与水平导轨18相连的凹槽19、挡板21通过螺丝安装在凹槽18上以及通过螺丝固定在挡板21上的铰链22，任意角度边坡形成装置安装在模型箱Ⅲ内测立柱16上；有一个抹平装置，包括：平行于箱壁的水平导轨25、通过接头27与水平导轨25相连接的可伸缩铁杆26，抹平装置安装在模型箱Ⅲ内测立柱17上。

加载框架Ⅰ和模型箱Ⅲ均为钢结构铸件，且应具有较大的强度，以保证在试验过程中的安全性。液压传动多关节式机械臂11应具有较大抓重能力，且连杆应具有较大的强度；由于伺服作动器可加载的极限荷载为100KN，因此液压千斤顶应选用15t的电动液压千斤顶，以保证在试验过程中试验仪器的安全性以及稳定性。加载头和任意角度边坡形成装置上的位置传感器、倾角传感器应具有较高的精度。模型箱Ⅲ底部安装的脚轮7应具有较高的强度和承载力；模型箱Ⅲ前侧玻璃12用采用透明度和强度均较高的有机玻璃，且应在前侧玻璃12内侧贴有透明的玻璃防爆膜防止前侧玻璃被刮花。模型箱Ⅲ右侧门14内部的密封圈应采用橡胶材料，且应具有较好的弹性以保证右侧门14的密封性。

试验系统由控制器Ⅴ控制，并通过连接在横梁2上的伺服作动器5进行加载，伺服作动器通过管线与油源Ⅳ相连。在试验前通过拉动安装在顶梁10上的油葫芦4调节作动器5的高度，采集加载头上的位置传感器以及倾角传感器的信号，然后通过软件自动控制机械臂11，实时调整加载头位置，保证加载头水平以及精准居中。在试验过程中油源Ⅳ可输出低压或者高压来满足试验需求，而且作动器5可实现三角波、方波、半正弦波或用户自定义波等。在试验前制样时分层填砂时可通过抹平装置抹平；在边坡试验中制样时可通过任意角度边坡形成装置精准的形成任意角度的边坡。

本适用于岩土边坡、路基路堤的土体模型试验方法，采用上述系统进行包括以下操作步骤：

(1)加载框架Ⅰ、底座3以及模型箱Ⅲ尺寸可根据试验需求进行调整、设计，制作框架、底座以及模型箱的材料必须选用强度足够的钢结构焊件。

(2)横梁2与立柱1之间采用螺丝进行铆固连接，以方便调整横梁2高度，模型箱Ⅲ右侧门14关闭时采用螺丝进行固定。

(3)模型箱前侧玻璃12必须采用透明度高且强度足够的有机玻璃，为防止玻璃被刮花，在有机玻璃内侧覆盖高清膜进行保护。

(4)装样时，旋转脚轮7上方的铁杆，降下脚轮7使之与移箱导轨8接触，推动模型箱Ⅲ至预定位置并升起脚轮7，拧紧右侧门14上的螺丝，关紧右侧门14进行装样、传感器埋设等操作。

(5)在装样过程中砂子采用分层装填时，每一层装填完毕后调整水平导轨25的高度、接头75的位置以及伸缩铁杆26的长度，将铁杆插入圆孔28中，转动铁杆24对砂子进行抹平。

(6)进行边坡试验时，在装样过程中可按照试验要求的高度、宽度，通过接头20上的位置传感器，精准确定水平导轨18及凹槽19的位置，然后按照试验要求的坡度，以及挡板21上倾角传感器的数据，精准确定挡板21与水平面的夹角，并用螺丝卡住接头20以及接头23，使其固定。分层填埋砂子，并重复过程(5)的操作进行抹平即可。

(7)装样结束后将模型箱Ⅲ推动至试验位置，并升起脚轮7。

(8)根据前侧玻璃12外侧的刻度尺贴条，确定加载板位置。

(9)拉动安装于顶梁10上的油葫芦4，调整横梁2的高度，以此调节伺服作动器5的位置。当横梁2调节至合适高度时，采用螺丝进行铆固，以保证加载过程中的安全性和稳定性。控制器Ⅴ采集加载头上位置传感器以及倾角传感器的信号，并通过控制器Ⅴ的软件控制机械臂11自动调整加载头的位置，以保证加载头能够准确居中并保持水平。

(10)试验前，先将控制器Ⅴ的信号输出端连接在数据采集仪上，然后进入操作软件，并设置好试验信息。打开油源Ⅳ先将油源Ⅳ维持在低压状态，在操作软件中打开控制阀台，设置加载头高度与加载板接触。

(11)试验中，在操作软件中设置试验过程的保护数据，根据试验的需求，设置作动器5的加载方式，并根据实际情况将油源Ⅳ的低压状态转换为高压。

(12)试验结束后，点击退出试验并关闭阀台，然后关闭油源Ⅳ以及控制器Ⅴ电源。拉高伺服作动器5的位置，推出模型箱Ⅲ，之后挖出试验土体，回收传感器。

(13)开展下一组试验时只需重复(4)—(12)即可。

(14)以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换，均应包含在本发明的保护范围之内。

实施例四：

如图1-8所示，本适用于岩土边坡、路基路堤的土体模型试验系统，包括：加载框架Ⅰ、模型箱Ⅲ，其安装在所述底座3上部，以及油源Ⅳ与控制器Ⅴ；所述加载框架Ⅰ包括：平行排列的立柱1，铆固于立柱上的横梁2和顶梁10，顶梁10上的油葫芦4与横梁2相连；所述底座包括：钢结构平台以及移箱导轨8；所述模型箱Ⅲ包括：钢结构主体，前侧玻璃12，右侧门14，前侧玻璃挡板13，前侧玻璃为有机玻璃，右侧门内侧采用密封圈密封防止漏水；所述伺服作动器5包括：电液伺服阀、作动筒以及加载头，并通过液压传动多关节式机械臂11固定于横梁2上；所述液压传动多关节式机械臂11包括：上部连接底座29、连杆30、连杆31、连杆32、液压千斤顶33以及下部连接底座34；所述任意角度边坡形成装置包括：平行于箱壁的水平导轨18、凹槽19、挡板21、铰链22；所述抹平装置包括：平行于箱壁的水平导轨25、可伸缩铁杆26。

加载框架Ⅰ和模型箱Ⅲ均为钢结构铸件，且应具有较大的强度，以保证在试验过程中的安全性。液压传动多关节式机械臂应具有较大抓重能力，且连杆应具有较大的强度；由于伺服作动器可加载的极限荷载为100KN，因此液压千斤顶应选用15t的电动液压千斤顶，以保证在试验过程中试验仪器的安全性以及稳定性。加载头和任意角度边坡形成装置上的位置传感器、倾角传感器应具有较高的精度。模型箱Ⅲ底部安装的脚轮7应具有较高的强度和承载力；模型箱Ⅲ前侧玻璃12用采用透明度和强度均较高的有机玻璃，且应在前侧玻璃12内侧贴有透明的玻璃防爆膜防止前侧玻璃被刮花。模型箱Ⅲ右侧门14内部的密封圈应采用橡胶材料，且应具有较好的弹性以保证右侧门14的密封性。

试验系统由控制器Ⅴ控制，并通过连接在横梁2上的伺服作动器5进行加载，伺服作动器5通过管线与油源Ⅳ相连。在试验前通过拉动安装在顶梁10上的油葫芦4调节作动器5的高度，采集加载头上的位置传感器以及倾角传感器的信号，然后通过软件自动控制机械臂11，实时调整加载头位置，保证加载头水平以及精准居中。在试验过程中油源可输出低压或者高压来满足试验需求，而且作动器可实现三角波、方波、半正弦波或用户自定义波等。在试验前制样时分层填砂时可通过抹平装置抹平；在边坡试验中制样时可通过任意角度边坡形成装置精准的形成任意角度的边坡。

本适用于岩土边坡、路基路堤的土体模型试验方法，采用上述系统进行操作实验包括以下操作步骤：

加载框架Ⅰ、底座3以及模型箱Ⅲ尺寸可根据试验需求进行调整、设计，制作框架、底座以及模型箱的材料必须选用强度足够的钢结构焊件。

横梁2与立柱1之间采用螺丝进行铆固连接，以方便调整横梁2高度，模型箱Ⅲ右侧门12关闭时采用螺丝进行固定。

模型箱Ⅲ前侧玻璃12必须采用透明度高且强度足够的有机玻璃，为防止玻璃被刮花，在有机玻璃内侧覆盖高清膜进行保护。

在本发明专利的实施方案三中，在进行路基试验时的操作步骤为：

(1)旋转脚轮7上方的铁杆，降下脚轮7使之与移箱导轨16接触，推动模型箱Ⅲ至预定位置并升起脚轮7，拧紧右侧门14上的螺丝，关紧右侧门14进行装样、传感器埋设等操作。

(2)在装样过程中砂子采用分层装填，先将水平导轨25安装在竖直导轨17上。每一层装填完毕后调整水平导轨25的高度、接头75的位置以及伸缩铁杆26的长度，将铁杆插入圆孔28中，转动铁杆24对砂子进行抹平。

(3)装样结束后拆除水平导轨25，降下脚轮7使之与移箱导轨16接触，将模型箱Ⅲ推动至试验位置升起脚轮7使模型箱Ⅲ位置固定。

(4)根据前侧玻璃12外侧的刻度尺贴条，确定加载板位置。

(5)拉动安装于顶梁10上的油葫芦4，调整横梁2的高度，以此调节伺服作动器5的位置。当横梁2调节至合适高度时，采用螺丝进行铆固，以保证加载过程中的安全性和稳定性。控制器Ⅴ采集加载头上位置传感器以及倾角传感器的信号，进入控制器Ⅴ程序控制机械臂11自动调整位置的模块，通过软件控制机械臂11自动调整加载头的位置，以保证加载头能够准确居中并保持水平。

(6)试验前，先将控制器Ⅴ的信号输出端连接在数据采集仪上，然后进入操作软件，并设置好试验信息。打开油源Ⅳ先将油源Ⅳ维持在低压状态，在操作软件中打开控制阀台，设置加载头高度与加载板接触。

(7)试验中，在操作软件中设置试验过程的保护数据，根据试验的需求，设置作动器5的加载方式，并根据实际情况将油源Ⅳ的低压状态转换为高压。

(8)试验结束后，点击退出试验并关闭阀台，然后关闭油源Ⅳ以及控制器Ⅴ电源。拉高伺服作动器5位置，推出模型箱Ⅲ，之后挖出试验土体，回收传感器。

在本发明专利的实施方案1中，在进行边坡和路基试验时的操作步骤为：

(9)先重复步骤(1)。

(10)在装样过程中先将水平导轨18安装在竖直导轨16上，将水平导轨25安装在竖直导轨17上。然后按照试验要求的坡面高度确定水平导轨18的位置，滑动水平导轨18至要求位置处并用螺丝将导轨18固定。根据主机9采集的接头20上位置传感器的数据，将接头滑动至试验要求所需的宽度处，用螺丝固定接头20。然后转动凹槽19，并根据控制器Ⅴ采集挡板21上倾角传感器的数据，精准确定挡板21与水平面的夹角，然后螺丝卡住接头20以及接头23，使其固定。分层填埋砂子，并重复过程(2)的操作进行抹平即可。

(11)重复步骤(3)-(4)即可。

(12)拉动安装于顶梁10上的油葫芦4，调整横梁2的高度，以此调节伺服作动器5的位置。当横梁2调节至合适高度时，采用螺丝进行铆固，以保证加载过程中的安全性和稳定性。进入控制器Ⅴ程序控制机械臂进行大范围移动的模块，输入确定试验所需加载头位置的必要数据，然后控制机械臂11移动到该位置。最后进入控制器Ⅴ程序控制机械臂11自动调整位置的模块，通过软件控制机械臂11自动调整加载头的位置，以保证加载头能够准确的处于坡顶面居中的位置并保持水平。

(13)重复步骤(7)-(8)即可完成试验。

(14)以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种适用于岩土边坡、路基路堤的土体模型试验系统，包括加载框架（Ⅰ）、加载装置（Ⅲ）、模型箱（Ⅱ）、油源（Ⅳ）和控制器（Ⅴ）；其特征在于：所述加载装置（Ⅲ）安装于加载框架（Ⅰ）的横梁（2）上，模型箱（Ⅱ）放置于加载框架（Ⅰ）的底座（3）上，油源（Ⅳ）以及控制器（Ⅴ）依次放置在加载框架（Ⅰ）旁边，控制器（Ⅴ）通过电线与加载装置（Ⅲ）相连，油源（Ⅳ）通过油管（35）与加载装置（Ⅲ）相连；所述加载装置（Ⅲ）主要由连接在加载框架（Ⅰ）横梁（2）上的液压传动多关节式机械臂（11），以及连接在液压传动多关节式机械臂（11）上的伺服作动器（5）和安装在作动器加载头上的4个位置传感器和1个倾角传感器组成，所述模型箱（Ⅱ）内部安装有可拆卸的抹平装置和任意角度边坡形成装置；

所述任意角度边坡形成装置由沿模型箱（Ⅱ）立柱上布置的第一竖直导轨（16）、平行于模型箱（Ⅱ）的箱壁的第一水平导轨（18）、垂直于第一水平导轨（18）的凹槽（19）、第一接头（20）和挡板（21）组成；第一水平导轨（18）可沿第一竖直导轨（16）滑动，第一接头（20）可沿第一水平导轨（18）滑动，凹槽（19）与第一接头（20）之间通过转轴相连，凹槽（19）上有螺孔可通过螺丝卡住挡板（21），凹槽（19）可绕y轴360°旋转形成任意角度的坡面；第一水平导轨（18）的接头上有螺丝孔，可通过螺丝将第一水平导轨（18）固定在第一竖直导轨（16）上；第一接头（20）上安装一个小型位置传感器，试验制样过程中通过第一接头（20）上位置传感器数据的数据精准定位第一接头（20）的位置，最终精确的确定试验所需坡面的坡顶面宽度；挡板（21）上有铰链（22），铰链（22）一端与挡板（21）相连，另一端为第二接头（23），第二接头（23）可沿第一水平导轨（18）滑动，并通过螺丝固定在第一水平导轨（18）上，挡板（21）上有圆环（24），可用铁钩或绳子钩住调节挡板（21）与水平面的夹角；挡板（21）上安装倾角传感器，在制样过程中通过倾角传感器的数据精准确定边坡的角度，结合第一接头（20）上位置传感器的数据，达到精确的形成试验所需坡面的目的；

所述抹平装置由模型箱（Ⅱ）立柱布置的第二竖直导轨（17）、平行于模型箱（Ⅱ）的箱壁的第二水平导轨（25）、可伸缩铁杆（26）、第三接头（27）、可伸缩铁杆（26）铁杆末端为圆孔（28）组成，第二竖直导轨（17）与第一竖直导轨（16）相同，第二水平导轨（25）与第一水平导轨（18）相同；第二水平导轨（25）可沿第二竖直导轨（17）滑动，可伸缩铁杆（26）通过相连的第三接头（27）沿第二水平导轨（25）滑动，可伸缩铁杆（26）通过转轴与第三接头（27）相连，可伸缩铁杆（26）可以转轴为圆心绕z轴进行180°转动；可伸缩铁杆（26）末端为圆孔（28），在试验制样时可用铁杆在圆孔（28）中移动伸缩铁杆（26）；在试验制样分层填砂的过程中，调节伸缩铁杆（26）的位置和长度，然后转动伸缩铁杆（26）对砂子进行抹平。

2.根据权利要求1所述的一种适用于岩土边坡、路基路堤的土体模型试验系统，其特征在于：所述液压传动多关节式机械臂（11）下端通过螺丝与伺服作动器（5）相连；伺服作动器（5）由电液伺服阀、作动筒以及加载头组成；加载头位于伺服作动器（5）的最底部，并且加载头上安装1个倾角传感器，在加载头四个方向安装4个位置传感器，倾角传感器以及位置传感器的信号通过第一电线（36）传输至控制器（Ⅴ）的采集器（9）采集；伺服作动器（5）通过油管（35）与油源（Ⅳ）的油箱（6）相连，通过第一电线（36）与控制器（Ⅴ）相连；伺服作动器（5）通过液压传动多关节式机械臂（11）与加载框架（Ⅰ）的横梁（2）相连，液压传动多关节式机械臂（11）由上部连接底座（29）、连杆Ⅰ（30）、连杆Ⅱ（31）、连杆Ⅲ（32）、两个液压千斤顶（33）以及下部连接底座（34）组成，液压传动多关节式机械臂（11）的上部连接底座（29）通过螺丝与横梁（2）相连，下部连接底座（34）通过螺丝与伺服作动器（5）相连；液压传动多关节式机械臂（11）的连杆Ⅰ（30）可绕z轴转动；液压传动多关节式机械臂（11）由第二电线（37）与控制器（Ⅴ）相连，并且由控制器（Ⅴ）控制；控制器（Ⅴ）采集加载头上的倾角传感器和位置传感器的数据，并通过软件自动控制机械臂（11），调整伺服作动器（5）的位置，实现加载头的居中和水平；而且还可以通过控制器（Ⅴ）中的软件，控制机械臂（11）移动伺服作动器（5），达到增加加载头加载位置的目的。

3.一种适用于岩土边坡、路基路堤的土体模型试验方法，采用权利要求1所述适用于岩土边坡、路基路堤的土体模型试验系统进行操作试验，其特征在于：具体操作步骤如下：

a.加载框架（Ⅰ）、底座（3）以及模型箱（Ⅱ）尺寸可根据试验需求进行调整、设计，制作框架、底座以及模型箱（Ⅱ）的材料必须选用强度足够的钢结构焊件；

b.横梁（2）与立柱（1）之间采用螺丝进行铆固连接，以方便调整横梁（2）高度，模型箱（Ⅱ）右侧门（14）关闭时采用螺丝进行固定；

c.模型箱（Ⅱ）的前侧玻璃（12）采用透明度高且强度足够的有机玻璃，为防止玻璃被刮花，在有机玻璃内侧覆盖高清膜进行保护；

d.装样时，旋转脚轮（7）上方的铁杆，降下脚轮（7）使之与移箱导轨（8）接触，推动模型箱（Ⅱ）至预定位置并升起脚轮（7），拧紧右侧门（14）上的螺丝，关紧右侧门（14）进行装样、传感器埋设等操作；

e.在装样过程中砂子采用分层装填时，每一层装填完毕后调整第二水平导轨（25）的高度、第四接头（75）的位置以及伸缩铁杆（26）的长度，将另一个铁杆插入圆孔（28）中，转动伸缩铁杆（26）对砂子进行抹平；

f.进行边坡试验时，在装样过程中可按照试验要求的高度、宽度，通过第一接头（20）上的位置传感器，精准确定第一水平导轨（18）及凹槽（19）的位置，然后按照试验要求的坡度，以及挡板（21）上倾角传感器的数据，精准确定挡板（21）与水平面的夹角，并用螺丝卡住第一接头（20）以及第二接头（23），使其固定；分层填埋砂子，并重复步骤e的操作进行抹平即可；

g.装样结束后将模型箱（Ⅱ）推动至试验位置，并升起脚轮（7）；

h.根据前侧玻璃（12）外侧的刻度尺贴条，确定加载板位置；

i.拉动安装于顶梁（10）上的油葫芦（4），调整横梁（2）的高度，以此调节伺服作动器5的位置；当横梁（2）调节至合适高度时，采用螺丝进行铆固，以保证加载过程中的安全性和稳定性；控制器（Ⅴ）采集加载头上位置传感器以及倾角传感器的信号，并通过控制器（Ⅴ）的软件控制机械臂（11）自动调整加载头的位置，以保证加载头能够准确居中并保持水平；

j.试验前，先将控制器（Ⅴ）的信号输出端连接在数据采集仪上，然后进入操作软件，并设置好试验信息；打开油源（Ⅳ）先将油源（Ⅳ）维持在低压状态，在操作软件中打开控制阀台，设置加载头高度与加载板接触；

k.试验中，在操作软件中设置试验过程的保护数据，根据试验的需求，设置作动器（5）的加载方式，并根据实际情况将油源（Ⅳ）的低压状态转换为高压；

l.试验结束后，点击退出试验并关闭阀台，然后关闭油源Ⅳ以及控制器（Ⅴ）电源；拉高伺服作动器（5）的位置，推出模型箱（Ⅱ），之后挖出试验土体，回收传感器；

m.开展下一组试验时只需重复步骤d-步骤l即可。

Images