CN112924129A - 高位危岩体防护结构冲击响应多维度大型模拟试验设备 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种高位危岩体防护结构冲击响应多维度大型模拟试验设备，包括人工坡面、起吊设备、设置于人工坡面上的多角度坡面振动响应装置和设置于人工坡面底部平面上的多方向冲击响应装置，起吊设备的悬臂位于响应装置上方，悬臂上的行走吊钩上挂有冲击质量块，冲击质量块上设有无线智能倾角仪；人工坡面上设有高速摄像机和闪光测速仪；多方向冲击响应装置外周设有高速摄像机。本发明具备随着不确定环境、坡面角度、不同结构面和地表条件变化实时调整试验参数，分析高位危岩体崩塌落石动力冲击特征，刻画崩塌落石启动、运移、冲击全过程的功能，实现对崩塌落石运动各个过程的块体‑坡面‑工程结构物系统的耦合作用研究。

Description

高位危岩体防护结构冲击响应多维度大型模拟试验设备
技术领域
本发明属于岩土工程技术领域，尤其涉及一种高位危岩体防护结构冲击响应多维度大型模拟试验设备。
背景技术
复杂地质环境中，高位危岩体病害具有数量多、规模大、类型复杂、易发频率高、危害程度高等特点，对铁路工程(桥梁、隧道、路基)的危害极大，严重影响铁路工程的建设。例如：川藏铁路是在青藏高原东南沿喜马拉雅造山带规划修建的世界上海拔最高、地质最复杂、工程最困难的铁路，该区域是我国大陆新构造运动最为强烈的地区，崩塌(危岩)主要分布在雅鲁藏布江沿米林-朗县、两桥一洞-拉萨段，而且多为崩塌(危岩)密集带。在地质环境复杂的条件下，铁路工程建设的技术性难题大，特别是建设运营面临的沿线重大高位危岩体病害十分突出对铁路工程造成的潜在危害难以预估，因此，高位危岩体病害的防治是复杂地质区域铁路工程建设中亟需解决的核心问题之一。
目前国内外高位危岩体病害防治的研究成果的应用较为局限，不适用于复杂地质环境中的铁路建设，亟需开展复杂高位危岩体病害与铁路工程相关的技术研究，以实现对铁路高位危岩体-崩塌地质灾害的有效防控。
发明内容
针对上述背景技术中指出的不足，本发明提供了一种高位危岩体防护结构冲击响应多维度大型模拟试验设备，旨在解决上述背景技术中现有技术存在的问题。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种高位危岩体防护结构冲击响应多维度大型模拟试验设备，包括人工坡面、起吊设备、多角度坡面振动响应装置和多方向冲击响应装置，所述人工坡面包括预制混凝土坡面，预制混凝土坡面的顶部设置有高速摄像机，预制混凝土坡面上设置多角度坡面振动响应装置，预制混凝土坡面底部的平面上设有多方向冲击响应装置，所述起吊设备的悬臂设置于多角度坡面振动响应装置和多方向冲击响应装置的上方，所述悬臂上设有多个行走吊钩，行走吊钩上挂有冲击质量块，冲击质量块上设置有无线智能倾角仪；所述多角度坡面振动响应装置包括滑轨和滑槽，沿预制混凝土坡面坡度方向横向锚固多组平行的滑轨，每组滑轨上通过滑块均连接滑槽，且相邻滑槽的倾斜角度不同，每组滑轨之间设置有高速摄像机和闪光测速仪；所述多方向冲击响应装置包括TMD阻尼台座、承重台、旋转台和模型箱，所述TMD阻尼台座支撑于承重台下方，承重台上设置旋转台，旋转台上设置模型箱，模型箱内设置第一试验模型，所述第一试验模型上设有光纤光栅加速度传感器；所述多方向冲击响应装置外周设有高速摄像机。
优选地，所述每组滑轨包括上下两条平行滑轨，所述滑槽的上边通过滑块与上方的滑轨滑动连接，滑槽的下边连接有全自动液压升降器，全自动液压升降器的底部通过滑块与下方的滑轨滑动连接。通过全自动液压升降器实现滑槽倾斜角度的自动调节。
优选地，所述预制混凝土坡面的坡面角度60°，所述滑槽与预制混凝土坡面的夹角角度范围为10°～60°。
优选地，所述承重台的底部周向间隔设有多个TMD阻尼台座，TMD阻尼台座包括减震弹簧和液压系统。减震弹簧用以缓冲冲击质量块能量，防止旋转台被砸坏；液压系统用以调节承重台高度而适应不同试验模型和方便进行试验模型不同高度部位的冲击试验。
优选地，所述模型箱采用拼装式结构，模型箱的边框设有调节模型箱高度的收缩轨道，以满足不同的试验要求。
优选地，所述模型箱的边框采用铝合金材质，模型箱的侧壁采用钢化玻璃，方便观察试验模型和保护试验人员安全。
优选地，所述预制混凝土坡面的一侧设有浇筑空平台，所述浇筑空平台上设置第二试验模型。第二试验模型可结合现场的工程实际进行模型试验设计、填筑岩土体，可开展山岭隧道崩塌落石影响区划研究。
优选地，所述浇筑空平台的周围设有砌筑墙体。
优选地，所述预制混凝土坡面外侧设有防护网。实现模拟崩塌落石在坡面设置有防护网条件下对工程结构物的影响。
相比于现有技术的缺点和不足，本发明具有以下有益效果：
(1)本发明根据崩塌落石体冲击工程结构过程的多样性和复杂性，提出了可进行多维度多角度多方式的冲击模拟试验设备；和现有崩塌落石冲击试验装置相比，本发明的崩塌落石大型模拟试验设备可进行多项试验，如利用多个不同倾角的滑槽形成的“折线形坡面”模拟崩塌落石在多个不同角度坡面的作用下对工程结构物的影响；利用多方向冲击响应装置模拟冲击质量块对试验模型多方向冲击的情况；本发明可实现对崩塌落石运动各个过程的块体-坡面-工程结构物系统的耦合作用研究。
(2)本发明的大型模拟试验设备可选择就近的场地修建，各装置安装简便、所需材料成本低、自动化程度高，所需人力小，并可根据试验要求灵活调整各装置参数。
附图说明
图1是本发明实施例提供的一种高位危岩体防护结构冲击响应多维度大型模拟试验设备的结构示意图。
图2是图1中A处的放大图。
图3是图1中B处的放大图。
图中：1、人工坡面；101、预制混凝土坡面；102、浇筑空平台；2、起吊设备；201、悬臂；202、行走吊钩；3、滑轨；4、滑块；5、滑槽；6、高速摄像机；7、闪光测速仪；8、三角架；9、全自动液压升降器；10、TMD阻尼台座；11、承重台；12、旋转台；13、模型箱；14、收缩轨道；15、光纤光栅加速度传感器；16、无线智能倾角仪；17、冲击质量块；18、第一试验模型；19、第二试验模型；20、砌筑墙体。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，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。
如图1-3所示：一种高位危岩体防护结构冲击响应多维度大型模拟试验设备，包括人工坡面1、起吊设备2、多角度坡面振动响应装置和多方向冲击响应装置，人工坡面1包括位于左侧的预制混凝土坡面101和位于右侧的浇筑空平台102，预制混凝土坡面101坡体高40m，坡体底部厚度29m，坡面角度60°；浇筑空平台102长25m，宽25m，空平台5周围设有砌筑墙体20，可根据试验需求在浇筑空平台102上设计放置第二试验模型19试验模型13(隧道、桥梁、路基、棚(明)洞)，填筑岩土体等，用于开展山岭隧道崩塌落石影响区划研究。预制混凝土坡面101上设置多角度坡面振动响应装置，预制混凝土坡面101底部的平面上设有多方向冲击响应装置，起吊设备2的悬臂201设置于多角度坡面振动响应装置和多方向冲击响应装置的上方，起吊设备2高50m，悬臂201长50m，吨位25t，悬臂201上设有多个行走吊钩202以及可控制行走吊钩202定位的自动限位装置，每个行走吊钩202间距1m，行走吊钩202上挂有冲击质量块17，可一次性或持续性释放冲击质量块17，行走吊钩202上安装有远距离遥控脱钩装置及静力、动力释放保护装置，可远程控制冲击质量块17的释放及一次性释放量；冲击质量块17上设置有无线智能倾角仪16，以监测冲击质量块17在运动过程中的倾角变化。
多角度坡面振动响应装置包括滑轨3和滑槽5，沿预制混凝土坡面101坡度方向横向锚固3组平行的滑轨3，两条滑轨3为一组，每组滑轨3间距8m，每条滑轨3上设两个滑块4，两滑块4间隔4m，每组滑轨3上通过滑块4均连接滑槽5，每组滑轨3包括上下两条平行滑轨3，滑槽5的上边通过滑块4与上方的滑轨3滑动连接，滑槽5的下边连接有全自动液压升降器9，全自动液压升降器9的底部通过滑块4与下方的滑轨3滑动连接，通过全自动液压升降器9实现滑槽5倾斜角度的自动调节，滑槽5与预制混凝土坡面101的夹角角度调整范围为10°～60°，以实现模拟实际不同坡度的坡体的效果。试验时，可根据试验要求通过滑轨3及全自动液压升降器9改变滑槽5的位移或角度，多个滑槽5的不同角度就形成“折线形坡面”，然后在最上方的滑槽5上空通过起吊设备2释放冲击质量块17，达到多角度，分能级的冲击效果。
多方向冲击响应装置包括TMD阻尼台座10、承重台11、旋转台12和模型箱13，承重台11的底部周向间隔设有多个TMD阻尼台座10，TMD阻尼台座10包括减震弹簧和液压系统。减震弹簧用以缓冲冲击质量块能量，防止旋转台被砸坏；液压系统用以调节承重台高度而适应不同试验模型和方便进行试验模型不同高度部位的冲击试验。承重台11上通过滚轴轴承设置旋转台12，旋转台12上设置模型箱13，模型箱13采用拼装式结构，长15m，宽15m，高10m，模型箱13的边框采用铝合金材质，模型箱13的侧壁采用钢化玻璃，方便观察试验模型和保护试验人员安全。模型箱13的边框设有调节模型箱13高度的收缩轨道14，以满足不同的试验要求。模型箱13内设置第一试验模型18，根据第一试验模型18大小通过TMD阻尼台座10改变承重台11的高度以及通过收缩轨道14调整可拼装式模型箱13的高度，通过滚轴轴承转动旋转台12，以进行试验模型不同高度和不同角度的冲击试验。
预制混凝土坡面101上设置5台高速摄像机6，1台设置于预制混凝土坡面101的顶部，以捕捉冲击质量块17从行走吊钩202释放时的动态图像数据；预制混凝土坡面101一侧边沿其坡度依次设置4台高速摄像机6，其中3台分别位于每组滑轨3之间，另一台设置于最上方滑轨3的上方，以捕捉冲击质量块17砸向滑槽5及通过每一个滑槽5时的动态图像数据，预制混凝土坡面101一侧边的4台高速摄像机6旁分别设有闪光测速仪7，以测试记录冲击质量块17通过每一个滑槽5时的速度。多方向冲击响应装置外周通过三角架8间隔支撑设有4台高速摄像机6，高度离地面10m，以捕捉冲击质量块17砸向第一试验模型18时的动态图像数据；第一试验模型18上设有光纤光栅加速度传感器15；以监测冲击质量块19下落引起的试验模型的振动响应。
预制混凝土坡面101外侧还可布设防护网，实现模拟崩塌落石在坡面设置有防护网条件下对工程结构物的影响。
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)

1.一种高位危岩体防护结构冲击响应多维度大型模拟试验设备，其特征在于，包括人工坡面、起吊设备、多角度坡面振动响应装置和多方向冲击响应装置，所述人工坡面包括预制混凝土坡面，预制混凝土坡面的顶部设置有高速摄像机，预制混凝土坡面上设置多角度坡面振动响应装置，预制混凝土坡面底部的平面上设有多方向冲击响应装置，所述起吊设备的悬臂设置于多角度坡面振动响应装置和多方向冲击响应装置的上方，所述悬臂上设有多个行走吊钩，行走吊钩上挂有冲击质量块，冲击质量块上设置有无线智能倾角仪；所述多角度坡面振动响应装置包括滑轨和滑槽，沿预制混凝土坡面坡度方向横向锚固多组平行的滑轨，每组滑轨上通过滑块均连接滑槽，且相邻滑槽的倾斜角度不同，每组滑轨之间设置有高速摄像机和闪光测速仪；所述多方向冲击响应装置包括TMD阻尼台座、承重台、旋转台和模型箱，所述TMD阻尼台座支撑于承重台下方，承重台上设置旋转台，旋转台上设置模型箱，模型箱内设置第一试验模型，所述第一试验模型上设有光纤光栅加速度传感器；所述多方向冲击响应装置外周设有高速摄像机。
2.如权利要求1所述的高位危岩体防护结构冲击响应多维度大型模拟试验设备，其特征在于，所述每组滑轨包括上下两条平行滑轨，所述滑槽的上边通过滑块与上方的滑轨滑动连接，滑槽的下边连接有全自动液压升降器，全自动液压升降器的底部通过滑块与下方的滑轨滑动连接。
3.如权利要求2所述的高位危岩体防护结构冲击响应多维度大型模拟试验设备，其特征在于，所述预制混凝土坡面的坡面角度60°，所述滑槽与预制混凝土坡面的夹角角度范围为10°～60°。
4.如权利要求1所述的高位危岩体防护结构冲击响应多维度大型模拟试验设备，其特征在于，所述承重台的底部周向间隔设有多个TMD阻尼台座，TMD阻尼台座包括减震弹簧和液压系统。
5.如权利要求1所述的高位危岩体防护结构冲击响应多维度大型模拟试验设备，其特征在于，所述模型箱采用拼装式结构，模型箱的边框设有调节模型箱高度的收缩轨道。
6.如权利要求5所述的高位危岩体防护结构冲击响应多维度大型模拟试验设备，其特征在于，所述模型箱的边框采用铝合金材质，模型箱的侧壁采用钢化玻璃。
7.如权利要求1所述的高位危岩体防护结构冲击响应多维度大型模拟试验设备，其特征在于，所述预制混凝土坡面的一侧设有浇筑空平台，所述浇筑空平台上设置第二试验模型。
8.如权利要求7所述的高位危岩体防护结构冲击响应多维度大型模拟试验设备，其特征在于，所述浇筑空平台的周围设有砌筑墙体。
9.如权利要求1所述的高位危岩体防护结构冲击响应多维度大型模拟试验设备，其特征在于，所述预制混凝土坡面外侧设有防护网。
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