CN113178121B - 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，包括底座、左侧板、右侧板、前侧板、底板、后侧板、加载顶板、第一加载钢丝绳以及钢丝绳牵拉机构等，左侧板下端固定于底座上；右侧板下端固定于底座上；前侧板下端固定于底座上并与左侧板以及右侧板均固定连接；底板固定于左侧板的下端和右侧板之间；后侧板倾斜设置，与前侧板、左侧板、右侧板以及底板之间可拆卸连接；加载顶板与左侧板和右侧板均沿竖直方向滑动连接；加载顶板的四个角均与一第一加载钢丝绳的上端连接，各第一加载钢丝绳均穿过底板上开设的对应的第一加载钢丝绳通道与钢丝绳牵拉机构连接。本发明能够同时牵拉与加载顶板四个角相连接的钢丝绳，实现加载顶板稳定施力。

Description

边坡物理实验模型

技术领域

本发明涉及边坡试验设备领域，特别是一种边坡物理实验模型。

背景技术

由于我国地形地质条件复杂，使得滑坡问题尤为突出，目前大多采用锚索、锚杆、抗滑桩等措施进行滑坡灾害的治理。目前对于抗滑桩加固边坡稳定的问题所采用的室内模型试验的试验对象是边坡模型，边坡模型可以极大的减少边坡试验所需试验材料等的用量，且耗资较少，同时边坡模型所处的受力状况也可以人为控制。而在模型试验时，如何精准模拟滑坡推力是保证试验准确的关键因素，目前的千斤顶加载装置在土体发生位移时在竖直方向上难以继续保持恒定的荷载，不能契合实际工况。

发明内容

本发明的目的是克服上述现有技术中存在的问题，提供一种边坡物理实验模型，通过钢丝绳牵拉机构能够同步竖直牵拉与加载顶板四个角相连接的钢丝绳，同时由于加载顶板与左侧板和右侧板之间在竖直方向滑动连接，因此能够实现钢丝绳牵拉机构使加载顶板始终沿竖直方向向下施加加载力。

本发明的技术方案是：边坡物理实验模型，包括：

底座；

左侧板，下端固定于底座上，与水平面相垂直；

右侧板，下端固定于底座上，与水平面相垂直且与左侧板相平行；

前侧板，为透明板体，下端固定于底座上，并与左侧板以及右侧板均固定连接；

底板，固定于左侧板的下端和右侧板的下端之间；

后侧板，倾斜设置，与前侧板、左侧板、右侧板以及底板之间可拆卸连接，用于使填充于前侧板、左侧板、右侧板以及底板之间的土体形成坡体的坡面；

加载顶板，与左侧板和右侧板的内侧壁均沿竖直方向滑动连接，用于对形成坡体的土体向下进行力的加载；

第一加载钢丝绳，数量为4条，加载顶板的四个角均与一第一加载钢丝绳的上端连接，各第一加载钢丝绳均穿过底板上开设的对应的第一加载钢丝绳通道；

钢丝绳牵拉机构，设于底板下方，与各第一加载钢丝绳的下端连接，用于同时牵拉各第一加载钢丝绳。

上述钢丝绳牵拉机构包括：

主动轴，左端与左侧板转动连接，右端穿过右侧板并与右侧板转动连接，中部固定套接有主动齿轮，主动轴的右端设有手摇把；

第一从动轴，左端与加载顶板后端左侧角相连接的第一加载钢丝绳连接；右端与加载顶板后端右侧角相连接的第一加载钢丝绳连接；第一从动轴的中部固定套接有第一从动齿轮，第一从动齿轮与主动齿轮相啮合；

第二从动轴，左端与加载顶板前端左侧角相连接的第一加载钢丝绳连接；右端与加载顶板前端右侧角相连接的第一加载钢丝绳连接；第二从动轴的中部固定套接有第二从动齿轮，第二从动齿轮与主动齿轮相啮合。

上述加载顶板的下表面开设有多个凹槽，各凹槽内均沿加载顶板厚度方向滑动连接一局部施力加载块，各局部施力加载块完全进入对应的凹槽时，局部施力加载块的下端面与加载顶板的下表面相齐平，此时各局部施力加载块能够通过对应的连接螺栓固定于加载顶板内，其中各连接螺栓穿过开设于加载顶板上的螺栓孔伸入对应的凹槽内，并与对应的局部施力加载块顶部的螺孔螺纹连接；各局部施力加载块的下端面均与一第二加载钢丝绳的上端连接，各第二加载钢丝绳的下端均设有挂钩，所述主动轴上还套设有多个不同直径的缠绕轮，缠绕轮均能够沿主动轴滑动，且主动轴位于左侧板和右侧板之间的部分的横截面为多边形，缠绕轮套接主动轴的套接通道的横截面与主动轴的横截面相匹配，也为多边形；各缠绕轮上还设有用于将第二加载钢丝绳缠绕在其上后与第二加载钢丝绳下端的挂钩想挂接的挂环上还设有用于锁定缠绕轮和主动轴之间相对位置的锁定螺栓。

上述加载顶板的厚度为30cm-35cm；所述凹槽的深度为20-25cm。

上述各第二加载钢丝绳的上端均通过固定于对应的局部施力加载块下端面中心的第二连接环与局部施力加载块相连接。

上述各第一加载钢丝绳的上端均通过固定于加载顶板下表面的第一连接环与加载顶板相连接。

上述各第一加载钢丝绳均通过设于对应的从动轴上的第二连接环与对应的从动轴相连接。

本发明的有益效果：本发明提供了一种边坡物理实验模型，通过钢丝绳牵拉机构能够同步竖直牵拉与加载顶板四个角相连接的钢丝绳，同时由于加载顶板与左侧板和右侧板之间在竖直方向滑动连接，因此能够实现钢丝绳牵拉机构使加载顶板始终沿竖直方向向下施加加载力。而通过本发明的加载顶板上所设的多个局部施力加载块，能够实现滑坡模拟时边坡土样模型上方某处局部受力力量更大的状况。

附图说明

图1为本发明装置整体结构示意图；

图2为本发明的钢丝绳牵拉机构结构示意图；

图3为本发明的含有局部施力加载块的加载顶板仰视结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明的一个具体实施方式进行详细描述，但应当理解本发明的保护范围并不受具体实施方式的限制。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“轴向”、“径向”、“周向”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的技术方案和简化描述，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。

参见图1-图3，本发明提供了一种边坡物理实验模型，包括底座1、左侧板2、右侧板3、前侧板、底板6、后侧板、加载顶板4、第一加载钢丝绳15以及钢丝绳牵拉机构等，其中左侧板2下端固定于底座1上，与水平面相垂直；右侧板3下端固定于底座1上，与水平面相垂直且与左侧板2相平行；前侧板为透明板体，下端固定于底座1上，并与左侧板2以及右侧板3均固定连接或通过连接结构可拆卸式固定连接；底板6固定于左侧板2的下端和右侧板3的下端之间；后侧板倾斜设置，与前侧板、左侧板2、右侧板3以及底板6之间可拆卸连接，用于使填充于前侧板、左侧板2、右侧板3以及底板6之间的土体形成坡体的坡面；加载顶板4与左侧板2和右侧板3的内侧壁均沿竖直方向滑动连接，用于对形成坡体的土体模型向下进行力的加载，其中加载顶板4滑动到最上方可脱离左侧板2和右侧板3；第一加载钢丝绳15数量为4条，加载顶板4的四个角均与一第一加载钢丝绳15的上端连接，各第一加载钢丝绳15均穿过底板6上开设的对应的第一加载钢丝绳通道6-1；钢丝绳牵拉机构设于底板6下方，与各第一加载钢丝绳15的下端连接，用于同时牵拉各第一加载钢丝绳15。本发明的左侧板2、右侧板3、底板6、后侧板以及加载顶板4均为钢板，前侧板可以是钢化玻璃板。

本发明边坡物理实验模型在试验时，首先安装调整好左侧板2、右侧板3、底板6、前侧板、后侧板，形成土体模型腔，将加载顶板4升至最顶部，也可拆卸掉(保证土壤样品能够被顺利装入土体模型腔并被压实即可，同时保持各第一加载钢丝绳15基本竖直即可，此时对各第一加载钢丝绳15的竖直度要求不严格，后面还要进行调整)，将准备好的土样材料装入、整平，在填土的过程中避免土样的边坡与边坡面板处出现空隙，填土过程中可进行土压力检测件的埋设，然后通过钢丝绳牵拉机构对各第一加载钢丝绳15进行牵拉，使各第一加载钢丝绳15保持竖直，在牵拉的过程中保持加载顶板4处于土体模型腔正上方位置，以利于各第一加载钢丝绳15被牵拉至竖直状态；随后将试验土样静置一周以上使其自然固结沉降；将加载顶板4与左侧板2和右侧板3滑动连接起来并降落至土样模型上，并拆卸掉后侧板，调整钢丝绳牵拉机构，使得各第一加载钢丝绳15被进一步向下牵拉，直至加载顶板4恰好开始对土体模型能够施加力为止，则整个试验准备阶段结束。通过进一步启动钢丝绳牵拉机构即可开始对土体模型进行加载试验，试验过程中在不同的加载力程度下，进行试验数据采集。本发明通过钢丝绳牵拉机构能够同步竖直牵拉与加载顶板四个角相连接的钢丝绳，同时由于加载顶板与左侧板和右侧板之间在竖直方向滑动连接，因此能够实现钢丝绳牵拉机构使加载顶板始终沿竖直方向向下施加加载力。

进一步地，所述钢丝绳牵拉机构包括主动轴12、第一从动轴11以及第二从动轴14，主动轴12左端与左侧板2转动连接，右端穿过右侧板3并与右侧板3转动连接，中部固定套接有主动齿轮7，主动轴12的右端设有手摇把13；第一从动轴11左端与加载顶板4后端左侧角相连接的第一加载钢丝绳15连接；右端与加载顶板4后端右侧角相连接的第一加载钢丝绳15连接；第一从动轴11的中部固定套接有第一从动齿轮8，第一从动齿轮8与主动齿轮7相啮合；第二从动轴14左端与加载顶板4前端左侧角相连接的第一加载钢丝绳15连接；右端与加载顶板4前端右侧角相连接的第一加载钢丝绳15连接；第二从动轴14的中部固定套接有第二从动齿轮9，第二从动齿轮9与主动齿轮7相啮合。本发明的钢丝绳牵拉机构不需要电动动力，通过主动轴12的右端设有手摇把13的手动转动即可实现各个转轴的同步转动，从而实现各条长度相等的第一加载钢丝绳15同步向下运动，从而实现加载顶板竖直的向土体模型向下施加加载力。通过将手摇把13的转动力臂设计的足够长即可很省力的实现手摇输出加载力的目的。

进一步地，由于自然环境中的滑坡现象发生时受力状况比较复杂，例如在滑坡的过程中，由于滑坡坡体上方的压力施加土体会发生一定的位移或者会有一些局部土体运动的不均匀冲击，导致滑坡的坡体上方受到的局部压力可能会发生一定的增大，本实施例的目的在于提供一种在滑坡整体加载力的状况下，模拟自然界的上述滑坡出现的局部压力变化的状况，进一步提供一种在土体模型受到滑坡力加载的整体受力环境下同时对其局部进一步施加加载力的方法。具体地，在本实施例的加载顶板4(将加载顶板制作的比较厚)的下表面开设多个凹槽4-1，各凹槽的位置对应所要加载的局部加载力的位置，各凹槽4-1内均沿加载顶板4厚度方向滑动连接一局部施力加载块4-2，各局部施力加载块4-2进入对应的凹槽4-1时，局部施力加载块4-2的下端面与加载顶板4的下表面相齐平，此时各局部施力加载块4-2能够通过对应的连接螺栓4-4固定于加载顶板4内，在加载试验前可通过连接螺栓4-4将各局部施力加载块4-2固定在加载顶板4内，避免其滑出对试验准备阶段造成不便，其中各连接螺栓4-4穿过开设于加载顶板4上的螺栓孔4-3伸入对应的凹槽4-1内，通过与对应的局部施力加载块4-2顶部的螺孔螺纹连接的方式来固定各局部施力加载块4-2；各局部施力加载块4-2的下端面均与一第二加载钢丝绳10的上端连接(加载试验准备阶段对各第二加载钢丝绳10的竖直度调整方法和上述对第一加载钢丝绳15的竖直度调整方法相同)，各第二加载钢丝绳10的下端均设有挂钩10-1，所述主动轴12上还套设有多个不同直径的缠绕轮5，缠绕轮5的不同直径对应各缠绕轮5转动时的不同线速度，从而将不同的线速度对应上了所缠绕的第二加载钢丝绳10的运动速度，从而也对应了相应的牵拉速度(该牵拉速度对应相应力度的局部施加力，也即对应局部施力加载块4-2与加载顶板之间的相对运动速度)，缠绕轮5均能够沿主动轴12左右滑动，且主动轴12位于左侧板2和右侧板3之间的部分的横截面为多边形，避免缠绕轮5绕主动轴12相对转动，其中缠绕轮5套接主动轴12的套接通道的横截面与主动轴12的横截面相匹配，也为多边形；各缠绕轮5上还设有用于将第二加载钢丝绳10缠绕在其上后与第二加载钢丝绳10下端的挂钩10-1想挂接的挂环5-1，从而保证试验加载时第二加载钢丝绳10不会从缠绕轮上松脱；各缠绕轮5上还设有用于锁定缠绕轮5和主动轴12之间相对位置的锁定螺栓5-2，以使得试验中所用到的缠绕轮在主动轴上被稳定固定。当试验中需要在整个加载顶板实时加载力时还需要加载顶板某个局部同时对土样模型进一步加载局部力的时候，将加载顶板上需要加载局部力的地方的局部施力加载块4-2所对应的第二加载钢丝绳10缠绕在需要加载局部力所对应直径的缠绕轮5上，并通过挂钩10-1和挂环5-1予以固定，然后可开始对土体模型进行力的加载试验。

进一步地，所述加载顶板4的厚度为30cm-35cm；所述凹槽4-1的深度为20-25cm，保证加载局部力时局部施力加载块从加载顶板4上具有一定的伸出纵深度。

进一步地，各第二加载钢丝绳10的上端均通过固定于对应的局部施力加载块4-2下端面中心的第二连接环4-2-1与局部施力加载块4-2相连接，其中第二加载钢丝绳10与对应的第二连接环4-2-1可拆卸连接，当不需要局部加载力试验时，可将第二加载钢丝绳10从相应的局部施力加载块4-2上拆除。

进一步地，各第一加载钢丝绳15的上端均通过固定于加载顶板4下表面的第一连接环16与加载顶板4相连接，在试验准备阶段可拆卸开第一加载钢丝绳15和加载顶板4之间的连接，以方便填充、压实土样。

进一步地，各第一加载钢丝绳15均通过设于对应的从动轴上的第二连接环与对应的从动轴11相连接，以实现可拆卸连接。

综上所述，本发明提供了一种边坡物理实验模型，通过钢丝绳牵拉机构能够同步竖直牵拉与加载顶板四个角相连接的钢丝绳，同时由于加载顶板与左侧板和右侧板之间在竖直方向滑动连接，因此能够实现钢丝绳牵拉机构使加载顶板始终沿竖直方向向下施加加载力。而通过本发明的加载顶板上所设的多个局部施力加载块，能够实现滑坡模拟时边坡土样模型上方某处局部受力力量更大的状况，滑坡模拟时，将需要加载顶板某处的加载力在滑坡时加载更大时，将该处的局部施力加载块上的钢丝绳的下端缠绕在钢丝绳牵拉机构的主动轴上的相应直径(对应相应的牵拉速度、力度)的缠绕轮缠绕并固定，当模拟滑坡时，断开与该局部施力加载块螺纹连接的螺栓，则当转动主动轴时会实现该局部施力加载块相对于加载顶板向下出现相对运动，从而实现滑坡时边坡局部受到更大向下的更大力的模拟，以模拟自然界中滑坡现象发生时，滑坡局部可能承受更多向下压力的不均匀加载力现象。

以上公开的仅为本发明的几个具体实施例，但是，本发明实施例并非局限于此，任何本领域的技术人员能思之的变化都应落入本发明的保护范围。

Claims (5)

1.边坡物理实验模型，其特征在于，包括：

底座；

左侧板，下端固定于底座上，与水平面相垂直；

右侧板，下端固定于底座上，与水平面相垂直且与左侧板相平行；

前侧板，为透明板体，下端固定于底座上，并与左侧板以及右侧板均固定连接；

底板，固定于左侧板的下端和右侧板的下端之间；

后侧板，倾斜设置，与前侧板、左侧板、右侧板以及底板之间可拆卸连接，用于使填充于前侧板、左侧板、右侧板以及底板之间的土体形成坡体的坡面；

加载顶板，与左侧板和右侧板的内侧壁均沿竖直方向滑动连接，用于对形成坡体的土体模型向下进行力的加载；

第一加载钢丝绳，数量为4条，加载顶板的四个角均与一第一加载钢丝绳的上端连接，各第一加载钢丝绳均穿过底板上开设的对应的第一加载钢丝绳通道；

钢丝绳牵拉机构，设于底板下方，与各第一加载钢丝绳的下端连接，用于同时牵拉各第一加载钢丝绳；所述钢丝绳牵拉机构包括：主动轴，左端与左侧板转动连接，右端穿过右侧板并与右侧板转动连接，中部固定套接有主动齿轮，主动轴的右端设有手摇把；第一从动轴，左端与加载顶板后端左侧角相连接的第一加载钢丝绳连接；右端与加载顶板后端右侧角相连接的第一加载钢丝绳连接；第一从动轴的中部固定套接有第一从动齿轮，第一从动齿轮与主动齿轮相啮合；第二从动轴，左端与加载顶板前端左侧角相连接的第一加载钢丝绳连接；右端与加载顶板前端右侧角相连接的第一加载钢丝绳连接；第二从动轴的中部固定套接有第二从动齿轮，第二从动齿轮与主动齿轮相啮合；

所述加载顶板的下表面开设有多个凹槽，各凹槽内均沿加载顶板厚度方向滑动连接一局部施力加载块，各局部施力加载块进入对应的凹槽时，局部施力加载块的下端面与加载顶板的下表面相齐平，此时各局部施力加载块能够通过对应的连接螺栓固定于加载顶板内，其中各连接螺栓穿过开设于加载顶板上的螺栓孔伸入对应的凹槽内，并与对应的局部施力加载块顶部的螺孔螺纹连接；各局部施力加载块的下端面均与一第二加载钢丝绳的上端连接，各第二加载钢丝绳的下端均设有挂钩，所述主动轴上还套设有多个不同直径的缠绕轮，缠绕轮均能够沿主动轴滑动，且主动轴位于左侧板和右侧板之间的部分的横截面为多边形，缠绕轮套接主动轴的套接通道的横截面与主动轴的横截面相匹配，也为多边形；各缠绕轮上还设有用于将第二加载钢丝绳缠绕在其上后与第二加载钢丝绳下端的挂钩相挂接的挂环，还设有用于锁定缠绕轮和主动轴之间相对位置的锁定螺栓。

2.如权利要求1所述的边坡物理实验模型，其特征在于，所述加载顶板的厚度为30cm-35cm；所述凹槽的深度为20-25cm。

3.如权利要求1所述的边坡物理实验模型，其特征在于，各第二加载钢丝绳的上端均通过固定于对应的局部施力加载块下端面中心的第二连接环与局部施力加载块相连接。

4.如权利要求1所述的边坡物理实验模型，其特征在于，各第一加载钢丝绳的上端均通过固定于加载顶板下表面的第一连接环与加载顶板相连接。

5.如权利要求1所述的边坡物理实验模型，其特征在于，各第一加载钢丝绳均通过设于对应的从动轴上的第二连接环与对应的从动轴相连接。

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