CN111189602B - 一种用于模拟崩塌滚石撞击墙体的试验系统及试验方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及崩塌地质灾害研究技术领域，具体涉及一种用于模拟崩塌滚石撞击墙体的试验系统及试验方法。系统包括主支架、副支架、滚石、滚动平台和受荷墙体，滚动平台包括斜架和可折叠木板，斜架一端搭接在主支架上，另一垂直抵在受荷墙体上，斜架与主支架的搭接高度可调，斜架的底部通过若干副支架进行支撑，在斜架上拼接铺设有若干的可折叠木板，在可折叠木板上铺设有用于限制滚石滚动方向的滚动轨道，所述滚动轨道从斜架的顶端沿斜架延伸到受荷墙体，在受荷墙体上设有冲击力传感器，在受荷墙体周围和主支架上均设置有影像记录仪。本发明可以进行模拟斜坡的坡角、坡高和坡型调整，且系统安装与拆卸方便、快捷，模拟工况典型、全面。

Description

一种用于模拟崩塌滚石撞击墙体的试验系统及试验方法

技术领域

本发明涉及崩塌地质灾害研究技术领域，具体涉及一种用于模拟崩塌滚石撞击墙体的试验系统及试验方法。

背景技术

崩塌是指陡峻山坡上的岩土体在重力作用下，发生突然的倾落运动，是山区常见的地质灾害之一，它发生频率高，突发性强，随机性大，滚石运动形式多样，轨迹复杂，防治难度大，经常给影响区内的建筑物带来极大的破坏，危及山区内人民的生命财产安全，是山区重点防范的地质灾害类型，而模拟研究崩塌滚石的撞击情况则可为地质灾害风险评价与防治提供可靠理论依据。

目前，崩塌滚石研究方法主要包括理论分析、数值模拟、现场试验和模型试验。而其中物理模型试验能较好地模拟崩塌滚石对墙体的破坏情况，能直观地观察研究墙体从出现裂缝到完全破坏的全过程，同时物理模型试验中的参数取值和试验结果也能为后续的理论分析与数值模拟提供数据基础，因此采用物理模型试验研究崩塌滚石撞击墙体，具有无可比拟的优势。但是现有的崩塌滚石模拟实验装置功能单一，坡角不可变化、坡型单一不可变、坡高只可有限调整，而且试验装置笨重，不易安装及拆卸，操作性较差。

发明内容

针对现有技术存在的不足，本发明提供了一种用于模拟崩塌滚石撞击墙体的试验系统及试验方法，其应用时，可以进行模拟斜坡的坡角、坡高和坡型调整，且系统安装与拆卸方便、快捷，模拟工况更典型、全面。

本发明所采用的技术方案为：

一种用于模拟崩塌滚石撞击墙体的试验系统，包括主支架、副支架、滚石、滚动平台和受荷墙体，所述滚动平台包括斜架和可折叠木板，所述斜架一端搭接在主支架上，另一垂直抵在受荷墙体上，使得斜架从搭接主支架的一端到抵接受荷墙体的一端形成从高到低的斜坡，斜架与主支架的搭接高度可调，斜架的底部通过若干副支架进行支撑，在斜架上拼接铺设有若干的可折叠木板，在可折叠木板上铺设有用于限制滚石滚动方向的滚动轨道，所述滚动轨道从斜架的顶端沿斜架延伸到受荷墙体，在受荷墙体上设有冲击力传感器，在受荷墙体周围和主支架上均设置有影像记录仪。

作为上述技术方案的优选，所述斜架包括两条平行的钢轨，在两条平行钢轨之间架设有若干钢轨横梁，钢轨横梁与钢轨相互垂直。

作为上述技术方案的优选，所述钢轨由若干分段拼接组成，每个分段的两端分别设有固定螺栓孔和可伸缩连接件，可伸缩连接件上设有对接螺栓孔，相邻分段之间通过固定螺栓孔和对接螺栓孔对位后插入螺栓进行连接，与主支架搭接的分段设有钢轨挂钩，并通过钢轨挂钩挂在主支架上。

作为上述技术方案的优选，所述可折叠木板包括前板和后板，且前板和后板之间通过合页连接器连接，在前板和后板的底部均设有木板挂钩，前板和后板通过木板挂钩挂设在钢轨横梁上。

作为上述技术方案的优选，所述滚动轨道的两侧设有栏杆。

作为上述技术方案的优选，所述主支架上设有用于将滚石提升至滚动平台上的滑轮装置。

作为上述技术方案的优选，所述影像记录仪包括照相机和高速摄像机，且在受荷墙体周围还设有测速仪，在靠近受荷墙体的滚动轨道上标有刻度标记。

作为上述技术方案的优选，所述受荷墙体外部设有墙体约束框，在受荷墙体的背面设有与墙体约束框对接的墙体支撑架，在地面上设有墙体固定装置，墙体支撑架固定在墙体固定装置对受荷墙体进行支撑。

一种用于模拟崩塌滚石撞击墙体的试验方法，包括以下步骤：

S1、进行试验系统的组装，调整斜架与主支架搭接高度、斜架的坡角以及各可折叠木板的折叠角度，完成试验系统的组装，选取设定材料和尺寸的滚石；

S2、将滚石置于滚动轨道的设定位置，让滚石沿滚动轨道自然滚下撞击受荷墙体；

S3、通过影像记录仪对滚石的滚落过程和撞击过程以及受荷墙体受撞后的情况进行图像记录，通过冲击力传感器对受荷墙体受撞时的冲击力进行采集，同时还设置测速仪对滚石的滚落速度信息进行采集，设置三维激光扫描仪对受撞后的受荷墙体进行点云数据采集；

S4、利用采集到图像信息、冲击力信息、滚落速度信息和点云数据进行滚石撞击墙体的模拟研究。

作为上述技术方案的优选，在步骤S3中，若受荷墙体未被完全撞坏，则记录受荷墙体的裂缝分布与发展情况，若受荷墙体被完全撞坏，则记录受荷墙体的破坏情况以及滚石撞坏受荷墙体后继续运动的距离。

本发明的有益效果为：

本发明通过斜架的长度调整设置以及斜架与主支架的搭接高度调整，可以进行模拟斜坡的坡角和坡高的调整，通过对可折叠木板进行折叠角度调整可以模拟斜面坡型在平面坡、上凹坡和下凹坡之间的转换，可通过滚石的材料和大小的选择来更真实的模拟自然界中各种岩体对建筑物的冲击，同时可通过调整受荷墙体强度等特征来针对不同的墙体类型开展快速对比试验研究。整个试验系统坡角、坡高和坡型可以调整，安装与拆卸方便、快捷，模拟工况典型、全面。通过该试验方法获得的试验数据真实准确，可为岩体崩塌灾害防灾减灾提供重要数据支撑。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，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为本发明的试验系统结构示意图；

图2为滚动轨道的设置结构示意图；

图3为实施例2中斜架的结构示意图；

图4为实施例2中钢轨分段的结构示意图；

图5为实施例2中可折叠木板的连接结构示意图；

图6为实施例2中设置木板挂钩的第一视角示意图；

图7为实施例2中设置木板挂钩的第二视角示意图；

图8为实施例2中受荷墙体的支撑固定结构示意图。

图中：1a、主支架；1b、副支架；2、滚动平台；3、栏杆；4、滚石；5、影像记录仪；6、滑轮装置；7、受荷墙体；8、墙体固定装置；9、冲击力传感器；10、可折叠木板；10a、前板；10b、后板；11、合页连接器；12、滚动轨道；13、木板挂钩；14、斜架；15、钢轨横梁；16、固定螺栓孔；17、对接螺栓孔；18、钢轨挂钩；19、墙体支撑架；20、墙体约束框。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步阐述。在此需要说明的是，对于这些实施例方式的说明用于帮助理解本发明，但并不构成对本发明的限定。本文公开的特定结构和功能细节仅用于描述本发明的示例实施例。然而，可用很多备选的形式来体现本发明，并且不应当理解为本发明限制在本文阐述的实施例中。

应当理解，术语第一、第二等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。尽管本文可以使用术语第一、第二等等来描述各种单元，这些单元不应当受到这些术语的限制。这些术语仅用于区分一个单元和另一个单元。例如可以将第一单元称作第二单元,并且类似地可以将第二单元称作第一单元，同时不脱离本发明的示例实施例的范围。

应当理解，本文中术语“和/或”，仅仅是一种描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，A和/或B，可以表示：单独存在A，单独存在B，同时存在A和B三种情况，本文中术语“/和”是描述另一种关联对象关系，表示可以存在两种关系，例如，A/和B，可以表示：单独存在A，单独存在A和B两种情况，另外，本文中字符“/”，一般表示前后关联对象是一种“或”关系。

应当理解，在本发明的描述中，术语“上”、“竖直”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系，是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，或者是本领域技术人员惯常理解的方位或位置关系，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。

应当理解，当将单元称作与另一个单元“连接”、“相连”或“耦合”时，它可以与另一个单元直相连接或耦合，或中间单元可以存在。相対地，当将单元称作与另一个单元“直接相连”或“直接耦合”时，不存在中间单元。应当以类似方式来解释用于描述单元之间的关系的其他单词(例如，“在……之间”对“直接在……之间”,“相邻”对“直接相邻”等等)。

在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

本文使用的术语仅用于描述特定实施例，并且不意在限制本发明的示例实施例。如本文所使用的，单数形式“一”、“一个”以及“该”意在包括复数形式，除非上下文明确指示相反意思。还应当理解术语“包括”、“包括了”、“包含”、和/或“包含了”当在本文中使用时,指定所声明的特征、整数、步骤、操作、单元和/或组件的存在性,并且不排除一个或多个其他特征、数量、步骤、操作、单元、组件和/或他们的组合存在性或增加。

还应当注意到在一些备选实施例中，所出现的功能/动作可能与附图出现的顺序不同。例如,取决于于所涉及的功能/动作,实际上可以实质上并发地执行,或者有时可以以相反的顺序来执行连续示出的两个图。

在下面的描述中提供了特定的细节,以便于对示例实施例的完全理解。然而,本领域普通技术人员应当理解可以在没有这些特定细节的情况下实现示例实施例。例如可以在框图中示出系统，以避免用不必要的细节来使得示例不清楚。在其他实施例中，可以不以非必要的细节来示出众所周知的过程、结构和技术，以避免使得示例实施例不清楚。

实施例1：

本实施例提供了一种用于模拟崩塌滚石撞击墙体的试验系统，如图1至图2所示：

包括主支架1a、副支架1b、滚石4、滚动平台2和受荷墙体7，所述滚动平台2包括斜架14和可折叠木板10，所述斜架14一端搭接在主支架1a上，另一垂直抵在受荷墙体7上，使得斜架14从搭接主支架1a的一端到抵接受荷墙体7的一端形成从高到低的斜坡，斜架14与主支架1a的搭接高度可调，斜架14的底部通过若干副支架1b进行支撑，在斜架14上拼接铺设有若干的可折叠木板10，在可折叠木板10上铺设有用于限制滚石4滚动方向的滚动轨道12，所述滚动轨道12从斜架14的顶端沿斜架14延伸到受荷墙体7，在受荷墙体7上设有冲击力传感器9，在受荷墙体7周围和主支架1a上均设置有影像记录仪5。

具体实施时，通过斜架14的长度调整设置以及斜架14与主支架1a的搭接高度调整，可以进行模拟斜坡的坡角和坡高的调整，通过对可折叠木板10进行折叠角度调整可以模拟斜面坡型在平面坡、上凹坡和下凹坡之间的转换，可通过滚石的材料和大小的选择来更真实的模拟自然界中各种岩体对建筑物的冲击，同时可通过调整受荷墙体7强度等特征来针对不同的墙体类型开展快速对比试验研究。整个试验系统坡角、坡高和坡型可以调整，安装与拆卸方便、快捷，模拟工况典型、全面。通过该试验方法获得的试验数据真实准确，可为岩体崩塌灾害防灾减灾提供重要数据支撑。

实施例2：

作为对上述实施例的优化，如图3所示，所述斜架14包括两条平行的钢轨，在两条平行钢轨之间架设有若干钢轨横梁15，钢轨横梁15与钢轨相互垂直。如图4所示，所述钢轨可由若干分段拼接组成，每个分段的两端分别设有固定螺栓孔16和可伸缩连接件，可伸缩连接件上设有对接螺栓孔17，相邻分段之间通过固定螺栓孔16和对接螺栓孔17对位后插入螺栓进行连接，与主支架1a搭接的分段设有钢轨挂钩18，并通过钢轨挂钩18挂在主支架1a上。如图5所示，所述可折叠木板10包括前板10a和后板10b，且前板10a和后板10b之间通过合页连接器11连接，如图6至图7所示，在前板10a和后板10b的底部均设有木板挂钩13，前板10a和后板10b通过木板挂钩13挂设在钢轨横梁15上。所述滚动轨道12的两侧设有栏杆3。所述主支架1a上设有用于将滚石4提升至滚动平台2上的滑轮装置6。所述影像记录仪5包括照相机和高速摄像机，且在受荷墙体7周围还设有测速仪，在靠近受荷墙体7的滚动轨道12上标有刻度标记。

主支架1a和副支架1b由长度1m到3m不等的钢管搭接而成，钢管可根据试验需求切割或拼接调节。滚动平台2主要由可折叠木板10构成的木制滚动台以及分段钢架拼接而成的钢轨组成，并由主支架1a与副支架1b提供支撑；钢轨用于铺设于木制滚动台下方作为支撑；首个钢制框架上带有钢轨挂钩18，将钢轨挂钩18于主支架1a上，由其余支架提供支撑，便于调整钢架角度；分段钢架之间通过后一个分段钢架中的可伸缩连接件伸入前一个分段钢架中，使固定螺栓孔16和对接螺栓孔17对位，两孔对齐后用螺栓插入拧紧便可以完成多个分段钢架的拼接。木制滚动台由多个1.2m×3m×0.02m尺寸的可折叠木板10拼接而成，可折叠木板10包括前板10a和后板10b，且前板10a和后板10b之间通过合页连接器11连接，前板10a和后板10b可绕合页连接器11的中心轴全角度自由转动，通过前板10a和后板10b底部的木板挂钩13分别挂在相应的钢轨横梁15上完成前板10a和后板10b之间折叠角度固定，进而使斜面坡型可在平面坡、上凹折线坡、下凹折线坡之间自由转换，同时将木板挂钩13挂于钢轨横梁15处，便使其能固定在钢轨上不下滑，且挂钩位置可根据钢轨横梁15位置自由选取。在木制滚动台上铺设木条作为滚动轨道12，防止滚石4向侧面滚动偏离试验设计路线，轨道间可铺设铁皮，用于使滚动面平整与减少摩擦。在临近受荷墙体9的轨道处标出刻度，可用于计算冲击墙体时球体运动的瞬时速度；同时在滚动台两侧设置有栏杆3，防止滚石4滚出坡道；滑轮装置6设置在滚动台顶端上方的主支架1a上，可以与尼龙网结合吊起滚石4，使滚石4到达试验所需高度处。

如图8所示，所述受荷墙体7外部设有墙体约束框20，在受荷墙体7的背面设有与墙体约束框20对接的墙体支撑架19，在地面上设有墙体固定装置8，墙体支撑架19固定在墙体固定装置8对受荷墙体7进行支撑。滚动装置搭建完成后，将受荷墙体7置于固定装置8上，设置在木制滚动台的末端，固定装置8为钢管连接组成的支架，可利用螺栓槽板调整角度使受荷墙体7表面与冲击力方向垂直。在受荷墙面7受冲击中心布设冲击力传感器9；在受荷墙体背面和左右侧面共设置三台高速摄像机5；在滚动平2台顶端的主支架1a钢架上固定一台高速摄像机5，对受荷墙体7前方区域、后方区域及侧方区域的变形破坏过程分别开展动态测量，监测墙体从裂缝发展到完全破坏的动态全过程。待试验系统安装完毕后，用滑轮装置6配合尼龙网拉起滚石4至预定位置，此时撤开尼龙网，可用钢管先拦挡滚石4，其余人员调整好摄像机机位与拍摄角度后开始摄像，试验开始后放开钢管使滚石4向下滚动，使其撞击受荷墙体7；撞击过程完成并储存影像资料后，现场人用使用照相机拍摄描述并记录墙体裂缝分布与发展情况；记录工作完成后，相关人员撤离并使用三维激光扫描仪在受荷墙体7的后方，左前方与右前方三个方向扫描现场墙体获取点云数据，用于后期的三维建模。受荷墙体7可用砖块和水泥预先制成，砖块采用240mm×115mm×53mm的实心标准砖，配置水泥砂浆后砌成试验所需规格墙体，并按相关规范进行养护。常见的砌体结构冲撞破坏，一般是沿着灰缝破坏，因此待养护完成，砂浆体强度达标后，需要对砂浆进行抗压抗剪强度测试，最终确定强度，受荷墙体7的长和高均为1.2m，墙体厚度可分别选取0.12m和0.24m，用于模拟山区常见的砌体结构。

实施例3：

本实施例提供一种用于模拟崩塌滚石撞击墙体的试验方法，包括以下步骤：

S1、进行试验系统的组装，调整斜架14与主支架1a搭接高度、斜架14的坡角以及各可折叠木板10的折叠角度，完成试验系统的组装，选取设定材料和尺寸的滚石4；

S2、将滚石4置于滚动轨道12的设定位置，让滚石4沿滚动轨道12自然滚下撞击受荷墙体7；

S3、通过影像记录仪5对滚石4的滚落过程和撞击过程以及受荷墙体7受撞后的情况进行图像记录，通过冲击力传感器9对受荷墙体7受撞时的冲击力进行采集，同时还设置测速仪对滚石4的滚落速度信息进行采集，设置三维激光扫描仪对受撞后的受荷墙体7进行点云数据采集；

S4、利用采集到图像信息、冲击力信息、滚落速度信息和点云数据进行滚石撞击墙体的模拟研究。

在步骤S3中，若受荷墙体7未被完全撞坏，则记录受荷墙体7的裂缝分布与发展情况，若受荷墙体7被完全撞坏，则记录受荷墙体7的破坏情况以及滚石4撞坏受荷墙体7后继续运动的距离。

本发明不局限于上述可选的实施方式，任何人在本发明的启示下都可得出其他各种形式的产品。上述具体实施方式不应理解成对本发明的保护范围的限制，本发明的保护范围应当以权利要求书中界定的为准，并且说明书可以用于解释权利要求书。

Claims (8)

1.一种用于模拟崩塌滚石撞击墙体的试验系统，其特征在于：包括主支架(1a)、副支架(1b)、滚石(4)、滚动平台(2)和受荷墙体(7)，所述滚动平台(2)包括斜架(14)和可折叠木板(10)，所述斜架(14)一端搭接在主支架(1a)上，另一垂直抵在受荷墙体(7)上，使得斜架(14)从搭接主支架(1a)的一端到抵接受荷墙体(7)的一端形成从高到低的斜坡，斜架(14)与主支架(1a)的搭接高度可调，斜架(14)的底部通过若干副支架(1b)进行支撑，在斜架(14)上拼接铺设有若干的可折叠木板(10)，在可折叠木板(10)上铺设有用于限制滚石(4)滚动方向的滚动轨道(12)，所述滚动轨道(12)从斜架(14)的顶端沿斜架(14)延伸到受荷墙体(7)，在受荷墙体(7)上设有冲击力传感器(9)，在受荷墙体(7)周围和主支架(1a)上均设置有影像记录仪(5)，所述斜架(14)包括两条平行的钢轨，在两条平行钢轨之间架设有若干钢轨横梁(15)，钢轨横梁(15)与钢轨相互垂直，所述可折叠木板(10)包括前板(10a)和后板(10b)，且前板(10a)和后板(10b)之间通过合页连接器(11)连接，在前板(10a)和后板(10b)的底部均设有木板挂钩(13)，前板(10a)和后板(10b)通过木板挂钩(13)挂设在钢轨横梁(15)上。

2.根据权利要求1所述的一种用于模拟崩塌滚石撞击墙体的试验系统，其特征在于：所述钢轨由若干分段拼接组成，每个分段的两端分别设有固定螺栓孔(16)和可伸缩连接件，可伸缩连接件上设有对接螺栓孔(17)，相邻分段之间通过固定螺栓孔(16)和对接螺栓孔(17)对位后插入螺栓进行连接，与主支架(1a)搭接的分段设有钢轨挂钩(18)，并通过钢轨挂钩(18)挂在主支架(1a)上。

3.根据权利要求1所述的一种用于模拟崩塌滚石撞击墙体的试验系统，其特征在于：所述滚动轨道(12)的两侧设有栏杆(3)。

4.根据权利要求1所述的一种用于模拟崩塌滚石撞击墙体的试验系统，其特征在于：所述主支架(1a)上设有用于将滚石(4)提升至滚动平台(2)上的滑轮装置(6)。

5.根据权利要求1所述的一种用于模拟崩塌滚石撞击墙体的试验系统，其特征在于：所述影像记录仪(5)包括照相机和高速摄像机，且在受荷墙体(7)周围还设有测速仪，在靠近受荷墙体(7)的滚动轨道(12)上标有刻度标记。

6.根据权利要求1所述的一种用于模拟崩塌滚石撞击墙体的试验系统，其特征在于：所述受荷墙体(7)外部设有墙体约束框(20)，在受荷墙体(7)的背面设有与墙体约束框(20)对接的墙体支撑架(19)，在地面上设有墙体固定装置(8)，墙体支撑架(19)固定在墙体固定装置(8)对受荷墙体(7)进行支撑。

7.根据权利要求1-6任一所述的一种用于模拟崩塌滚石撞击墙体的试验系统，提供一种用于模拟崩塌滚石撞击墙体的试验方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、进行试验系统的组装，调整斜架(14)与主支架(1a)搭接高度、斜架(14)的坡角以及各可折叠木板(10)的折叠角度，完成试验系统的组装，选取设定材料和尺寸的滚石(4)；

S2、将滚石(4)置于滚动轨道(12)的设定位置，让滚石(4)沿滚动轨道(12)自然滚下撞击受荷墙体(7)；

S3、通过影像记录仪(5)对滚石(4)的滚落过程和撞击过程以及受荷墙体(7)受撞后的情况进行图像记录，通过冲击力传感器(9)对受荷墙体(7)受撞时的冲击力进行采集，同时还设置测速仪对滚石(4)的滚落速度信息进行采集，设置三维激光扫描仪对受撞后的受荷墙体(7)进行点云数据采集；

S4、利用采集到图像信息、冲击力信息、滚落速度信息和点云数据进行滚石撞击墙体的模拟研究。

8.根据权利要求7所述的一种用于模拟崩塌滚石撞击墙体的试验方法，其特征在于：在步骤S3中，若受荷墙体(7)未被完全撞坏，则记录受荷墙体(7)的裂缝分布与发展情况，若受荷墙体(7)被完全撞坏，则记录受荷墙体(7)的破坏情况以及滚石(4)撞坏受荷墙体(7)后继续运动的距离。

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