CN113758951A - 模拟地震作用对库岸边坡岩体损伤作用的实验装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了模拟地震作用对库岸边坡岩体损伤作用的实验装置及方法，底座基台的上部设置有用于模拟地震的地震模拟设备，所述底座基台的顶部固定有顶部箱体，所述顶部箱体为六面体形状，顶部设置有复合气象模拟设备；所述顶部箱体的内部，并位于复合气象模拟设备的下部设置有试验舱；所述试验舱的正下方设置有用于装置内部模拟气象的水气循环系统；所述试验舱侧壁与顶部箱体外壁之间设置有用于岩石检测的CT扫描系统和整个装置的控制系统，试验舱顶部设置有用于走内部水电的圆形顶盖。可以研究单一某种极端气象对库岸岩体的影响，也可以模拟降雪，暴风等复合气象条件对库岸岩体的影响。
Description
技术领域
本发明属于土建科研装置领域，特别涉及一种模拟地震作用对库岸边坡岩体损伤作用的实验装置及方法，尤其涉及一种自带CT检测功能的模拟复杂气象条件下地震作用对库岸边坡岩体损伤作用实验装置及方法。
背景技术
在现有的实验装置中，涉及地震作用对库岸边坡岩体损伤作用的实验装置和设备还比较少，尤其是在考虑各类复杂极端气候条件作用下，并同时加入检测损伤系统的实验装置更是寥寥无几。本装置的设计可以较为直接的模拟并且检测出各类气象条件下，地震作用下对于库岸边坡岩体的损伤作用，从而进一步探究极端气候条件下，地震作用对于库岸边坡岩体的损伤机理，评价地震带地区库岸边坡的稳定性及找出对应的治理措施。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种模拟地震作用对库岸边坡岩体损伤作用的实验装置及方法，此装置能够较好模拟库区气候条件，可以研究单一某种极端气象对库岸岩体的影响，也可以模拟降雪，暴风等复合气象条件对库岸岩体的影响，还可以加入地震作用从而进一步去研究他们综合作用对于库岸岩体的损伤破坏，并且能够直接通过CT探伤扫描技术去直接得出岩体的物理性质及力学特征。
为了实现上述的技术特征，本发明的目的是这样实现的：模拟地震作用对库岸边坡岩体损伤作用的实验装置，它包括底座基台，所述底座基台的上部设置有用于模拟地震的地震模拟设备，所述底座基台的顶部固定有顶部箱体，所述顶部箱体为六面体形状，顶部设置有复合气象模拟设备；所述顶部箱体的内部，并位于复合气象模拟设备的下部设置有试验舱；所述试验舱的正下方设置有用于装置内部模拟气象的水气循环系统；所述试验舱侧壁与顶部箱体外壁之间设置有用于岩石检测的CT扫描系统和整个装置的控制系统，试验舱顶部设置有用于走内部水电的圆形顶盖。
所述地震模拟设备包括设置在底座基台内部的振动底座和驱动装置，所述振动底座的顶部固定有多个驱动液压臂；所述驱动液压臂与驱动装置相连，并调节模拟振动方向、频率和振幅。
所述试验舱上用于CT扫描的三侧为透明钢化玻璃；所述试验舱上连接气温模拟设备，以及检测和调节内部温度的温控系统的一侧以及底板均为不透水的抗高温不锈钢板，顶部为固定连接复合气象模拟设备的钢板。
所述复合气象模拟设备包括设置在顶部箱体的降雨模拟设备、降雪模拟设备、日照模拟设备、风场模拟设备、冻雨模拟设备和气温模拟设备；
其中所述降雨模拟设备、降雪模拟设备、日照模拟设备和冻雨模拟设备分别设置于所述试验舱的上方；
风场模拟设备和气温模拟设备设置在试验舱的侧壁。
所述降雨模拟设备包括固定在试验舱顶部的多根水管，水管上等距离设置有雨滴喷头，与底部水气循环系统的水管相连；
所述冻雨模拟设备包括设置在顶部箱体侧壁的冷凝管，在冷凝管上端连接降雨模拟设备的水管，下端连接水气循环系统的水管；
所述降雪模拟设备包括安置在顶部箱体的人造雪设备，推动雪的气泵以及试验舱顶部的多根输雪管；
所述日照模拟设备由多个可调节光源组成，固定在试验舱顶部，用于模拟日照，昼夜变化以及太阳的位置移动；
所述风场模拟设备由可调送风机组成，一组安装在试验舱侧壁，一组安装在试验舱顶部。
所述气温模拟设备包括电热膜与冷却管，所述电热膜布设在试验舱与不锈钢侧壁相交的两侧钢化玻璃外侧，所述冷却管通过支撑杆安置在所述试验舱不锈钢侧壁上，所述气温模拟设备安装高度不低于实验台的最高端，所述电热膜是通过红外线辐射向所述试验舱内进行传热，所述冷却管用于通过冷盐水循环实现所述试验舱内实验环境快速降温。
所述温控系统安装在试验舱底部耐高温钢板上，用以仿真深部岩体温度及地震可能释放的高温。
所述试验舱的侧壁钢板开有一槽口，连接到底部的水气循环系统，以控制库水位的升降，槽口内部覆盖一层柔性滤网；
所述CT扫描系统的CT扫描仪安装在滑轨上，启动时CT扫描仪沿着滑轨移动对岩体进行CT扫描；
所述水气循环系统顶部连接复合气象模拟设备，用以提供降雨，降雪所需水，空气，将底部水气分离系统与试验舱侧壁槽口连接，水气分别进入到水循环箱和气体循环箱用以控制库水位的过度提升以及控制仿真库区的空气洁净。
所述控制系统包括供电系统、供水系统和供气系统，供电系统外接电源，供水系统外接水源并控制每次模拟降雨量所需的水量；
所述地震模拟设备、复合气象模拟设备、水气循环系统和CT扫描系统均与位于顶部箱体侧壁内的控制系统相连，控制系统与外置工控计算机相连。
采用所述模拟地震作用对库岸边坡岩体损伤作用的实验装置进行库岸边坡岩体损伤作用的实验方法，包括以下步骤：
Step1：根据所需模拟库区环境在试验舱中将岩体边坡模型建立起来，按库水位比例注入水，关闭实验舱顶门，接入电源，启动装置总开关；
Step2：通过工控计算机打开CT扫描仪对初始岩体情况进行扫描，判定岩体初始状态；
Step3：根据所需要的气象条件，通过工控计算机分别或者同时打开降雨，降雪，风场，日照，气温模拟设备，设定好所需降雨量，降雪量，风级，日照时长，光照强度，设定好作用时长及循环次数；
Step4：打开底部水气循环系统，温控系统，启动试验舱，复杂气象条件下的库区环境开始运行；
Step5：达到作用时长后通过工控计算机启动地震模拟设备，用不同震级大小的地震进行仿真；
Step6：地震模拟结束后，再次打开CT扫描仪对库岸边坡岩体进行扫描，即可得出岩体在复杂气象条件下地震作用后岩体的损伤情况。
本发明有如下有益效果：
1、本发明针对所需模拟的不同气象条件，本装置中的不同气象模拟设备可以进行各种自由组合的单一或多种气象条件，并且可对降雨的大小，温度，日照强度，时长等进行调节，设定循环次数。
2、本装置可通过地震模拟装置进行地震不同震级的模拟，通过液压机械臂可以控制震动的频率，强度和角度等，从而最真实的模拟出地震的效果。
3、本装置内部水气循环系统既能将模拟降雨的水量精确控制住，又实现了降雨流水的循环利用，节约水资源。
4、本装置设置了岩石CT扫描系统，实现了试验检测一体化，不用取样检测，从而确保实验对象只受到实验设置的变量作用，而不再受到取样施加的破坏。
5、本装置试验舱底部的温控系统模拟深部地热或者地震作用释放的热量，较为真实的还原库区地底的温度情况。
6、 本装置弥补了在室内条件下模拟复杂气象条件下地震对库岸边坡岩体影响的试验设备空白，减小了对库岸边坡岩体研究的难度。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
图1为本发明侧方位整体结构图。
图2为本发明前方位整体结构图。
图3为本发明复合气象设备结构图。
图4为本发明底部水气循环系统结构图。
图中：圆形顶盖1、复合气象模拟设备2、输水管3、温控系统4、地震模拟设备5、底座基台6、水气循环系统7、控制系统8、水气分离系统9、冷凝管10、柔性滤网11、CT扫描系统12、试验舱13；
降雨模拟设备201、日照模拟设备202、风场模拟设备203；
驱动液压臂501、振动底座502；
气体循环系统701、702，水循环系统703、704；
供电系统801、供水系统802、供气系统803；
水循环箱901、气体循环箱902。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的实施方式做进一步的说明。
实施例1：
参见图1-4，模拟地震作用对库岸边坡岩体损伤作用的实验装置，它包括底座基台6，所述底座基台6的上部设置有用于模拟地震的地震模拟设备5，所述底座基台6的顶部固定有顶部箱体，所述顶部箱体为六面体形状，顶部设置有复合气象模拟设备2；所述顶部箱体的内部，并位于复合气象模拟设备2的下部设置有试验舱13；所述试验舱13的正下方设置有用于装置内部模拟气象的水气循环系统7；所述试验舱13侧壁与顶部箱体外壁之间设置有用于岩石检测的CT扫描系统12和整个装置的控制系统8，试验舱13顶部设置有用于走内部水电的圆形顶盖1。通过采用上述结构的实验装置，能够实现在单一或者复杂气象条件下模拟地震作用对库岸边坡岩体的损伤及检测出损伤作用。
进一步的，所述地震模拟设备包括设置在底座基台6内部的振动底座502和驱动装置，所述振动底座502的顶部固定有多个驱动液压臂501；所述驱动液压臂501与驱动装置相连，并调节模拟振动方向、频率和振幅。通过采用上述的地震模拟设备可以模拟不同震级，不同地方震源所产生的地震作用对岩体所产生的影响。
通过所述顶部箱体能够模拟地震作用对岩体产生的破坏以及对岩体进行检测。
进一步的，所述试验舱13上用于CT扫描的三侧为透明钢化玻璃；所述试验舱13上连接气温模拟设备，以及检测和调节内部温度的温控系统4的一侧以及底板均为不透水的抗高温不锈钢板，顶部为固定连接复合气象模拟设备2的钢板。通过上述材料组成的试验舱13既能满足实时实验观察与检测，又能满足实验设备的安装及试验条件。
进一步的，所述复合气象模拟设备2包括设置在顶部箱体的降雨模拟设备201、降雪模拟设备、日照模拟设备202、风场模拟设备203、冻雨模拟设备和气温模拟设备；其中所述降雨模拟设备201、降雪模拟设备、日照模拟设备202和冻雨模拟设备分别设置于所述试验舱13的上方；风场模拟设备203和气温模拟设备设置在试验舱13的侧壁。通过所述系统即能满足单一气象模式模拟实验，又能实现复合气象模式实验，从而实现一机多用的作用。
进一步的，所述降雨模拟设备201包括固定在试验舱13顶部的多根水管，水管上等距离设置有雨滴喷头，与底部水气循环系统7的水管相连；进一步的，所述冻雨模拟设备包括设置在顶部箱体侧壁的冷凝管10，在冷凝管10上端连接降雨模拟设备201的水管，下端连接水气循环系统7的水管。通过此设计可以实现简化装置结构的效果。
进一步的，所述降雪模拟设备包括安置在顶部箱体的人造雪设备，推动雪的气泵以及试验舱13顶部的多根输雪管；通过上述的降雪模拟设备能够模拟降雪过程。
进一步的，所述日照模拟设备202由多个可调节光源组成，固定在试验舱13顶部，用于模拟日照，昼夜变化以及太阳的位置移动；通过日照模拟设备202
进一步的，所述风场模拟设备203由可调送风机组成，一组安装在试验舱13侧壁，一组安装在试验舱13顶部。
进一步的，所述气温模拟设备包括电热膜与冷却管，所述电热膜布设在试验舱13与不锈钢侧壁相交的两侧钢化玻璃外侧，所述冷却管通过支撑杆安置在所述试验舱不锈钢侧壁上，所述气温模拟设备安装高度不低于实验台的最高端，所述电热膜是通过红外线辐射向所述试验舱13内进行传热，所述冷却管用于通过冷盐水循环实现所述试验舱内实验环境快速降温。
进一步的，所述温控系统4安装在试验舱13底部耐高温钢板上，用以仿真深部岩体温度及地震可能释放的高温。
进一步的，所述试验舱13的侧壁钢板开有一槽口，连接到底部的水气循环系统7，以控制库水位的升降，槽口内部覆盖一层柔性滤网11；通过此槽口设置滤网的构造，既能保证库水位正常又能保证杂质不会进入水气循环系统。
进一步的，所述CT扫描系统12的CT扫描仪安装在滑轨上，启动时CT扫描仪沿着滑轨移动对岩体进行CT扫描；启动时扫描仪沿着滑轨移动对岩体进行扫描通过此装置能够实现第一时间检测出岩体出现的破坏情况。
进一步的，所述水气循环系统7顶部连接复合气象模拟设备2，用以提供降雨，降雪所需水，空气，将底部水气分离系统9与试验舱侧壁槽口连接，水气分别进入到水循环箱901和气体循环箱902用以控制库水位的过度提升以及控制仿真库区的空气洁净。用以提供降雨，降雪等所需水，通过此设计可以控制库水位的过度提升以及控制仿真库区的空气洁净。
进一步的，所述控制系统8包括供电系统801、供水系统802和供气系统803，供电系统外接电源，供水系统外接水源并控制每次模拟降雨量所需的水量；
进一步的，所述地震模拟设备5、复合气象模拟设备2、水气循环系统7和CT扫描系统12均与位于顶部箱体侧壁内的控制系统8相连，控制系统8与外置工控计算机相连。
实施例2：
采用所述模拟地震作用对库岸边坡岩体损伤作用的实验装置进行库岸边坡岩体损伤作用的实验方法，包括以下步骤：
Step1：根据所需模拟库区环境在试验舱13中将岩体边坡模型建立起来，按库水位比例注入水，关闭实验舱顶门，接入电源，启动装置总开关；
Step2：通过工控计算机打开CT扫描仪对初始岩体情况进行扫描，判定岩体初始状态；
Step3：根据所需要的气象条件，通过工控计算机分别或者同时打开降雨，降雪，风场，日照，气温模拟设备，设定好所需降雨量，降雪量，风级，日照时长，光照强度，设定好作用时长及循环次数；
Step4：打开底部水气循环系统7，温控系统，启动试验舱，复杂气象条件下的库区环境开始运行；
Step5：达到作用时长后通过工控计算机启动地震模拟设备5，用不同震级大小的地震进行仿真；
Step6：地震模拟结束后，再次打开CT扫描仪对库岸边坡岩体进行扫描，即可得出岩体在复杂气象条件下地震作用后岩体的损伤情况。
本发明的原理为：
通过精准控制各项环境变量，从而可以弄清楚在各项各种等级气象条件下，例如小雨，中雨，暴雨，冻雨，或者雨夹雪，暴风雨，暴风雪等各种气象条件，地震作用对于库区边坡稳定性的影响，而且在不进行取样就可以直接进行扫描检测，从而减小了二次破坏对岩体带来的损伤，从而更有针对性的找出治理由此带来的地质灾害的防治措施。
Claims (10)
1.模拟地震作用对库岸边坡岩体损伤作用的实验装置，其特征在于，它包括底座基台（6），所述底座基台（6）的上部设置有用于模拟地震的地震模拟设备（5），所述底座基台（6）的顶部固定有顶部箱体，所述顶部箱体为六面体形状，顶部设置有复合气象模拟设备（2）；所述顶部箱体的内部，并位于复合气象模拟设备（2）的下部设置有试验舱（13）；所述试验舱（13）的正下方设置有用于装置内部模拟气象的水气循环系统（7）；所述试验舱（13）侧壁与顶部箱体外壁之间设置有用于岩石检测的CT扫描系统（12）和整个装置的控制系统（8），试验舱（13）顶部设置有用于走内部水电的圆形顶盖（1）。
2.根据权利要求1所述模拟地震作用对库岸边坡岩体损伤作用的实验装置，其特征在于：所述地震模拟设备包括设置在底座基台（6）内部的振动底座（502）和驱动装置，所述振动底座（502）的顶部固定有多个驱动液压臂（501）；所述驱动液压臂（501）与驱动装置相连，并调节模拟振动方向、频率和振幅。
3.根据权利要求1所述模拟地震作用对库岸边坡岩体损伤作用的实验装置，其特征在于：所述试验舱（13）上用于CT扫描的三侧为透明钢化玻璃；所述试验舱（13）上连接气温模拟设备，以及检测和调节内部温度的温控系统（4）的一侧以及底板均为不透水的抗高温不锈钢板，顶部为固定连接复合气象模拟设备（2）的钢板。
4.根据权利要求1所述模拟地震作用对库岸边坡岩体损伤作用的实验装置，其特征在于：所述复合气象模拟设备（2）包括设置在顶部箱体的降雨模拟设备（201）、降雪模拟设备、日照模拟设备（202）、风场模拟设备（203）、冻雨模拟设备和气温模拟设备；
其中所述降雨模拟设备（201）、降雪模拟设备、日照模拟设备（202）和冻雨模拟设备分别设置于所述试验舱（13）的上方；
风场模拟设备（203）和气温模拟设备设置在试验舱（13）的侧壁。
5.根据权利要求4所述模拟地震作用对库岸边坡岩体损伤作用的实验装置，其特征在于：所述降雨模拟设备（201）包括固定在试验舱（13）顶部的多根水管，水管上等距离设置有雨滴喷头，与底部水气循环系统（7）的水管相连；
所述冻雨模拟设备包括设置在顶部箱体侧壁的冷凝管（10），在冷凝管（10）上端连接降雨模拟设备（201）的水管，下端连接水气循环系统（7）的水管；
所述降雪模拟设备包括安置在顶部箱体的人造雪设备，推动雪的气泵以及试验舱（13）顶部的多根输雪管；
所述日照模拟设备（202）由多个可调节光源组成，固定在试验舱（13）顶部，用于模拟日照，昼夜变化以及太阳的位置移动；
所述风场模拟设备（203）由可调送风机组成，一组安装在试验舱（13）侧壁，一组安装在试验舱（13）顶部。
6.根据权利要求4所述模拟地震作用对库岸边坡岩体损伤作用的实验装置，其特征在于：所述气温模拟设备包括电热膜与冷却管，所述电热膜布设在试验舱（13）与不锈钢侧壁相交的两侧钢化玻璃外侧，所述冷却管通过支撑杆安置在所述试验舱不锈钢侧壁上，所述气温模拟设备安装高度不低于实验台的最高端，所述电热膜是通过红外线辐射向所述试验舱（13）内进行传热，所述冷却管用于通过冷盐水循环实现所述试验舱内实验环境快速降温。
7.根据权利要求4所述模拟地震作用对库岸边坡岩体损伤作用的实验装置，其特征在于：所述温控系统（4）安装在试验舱（13）底部耐高温钢板上，用以仿真深部岩体温度及地震可能释放的高温。
8.根据权利要求1所述模拟地震作用对库岸边坡岩体损伤作用的实验装置，其特征在于：所述试验舱（13）的侧壁钢板开有一槽口，连接到底部的水气循环系统（7），以控制库水位的升降，槽口内部覆盖一层柔性滤网（11）；
所述CT扫描系统（12）的CT扫描仪安装在滑轨上，启动时CT扫描仪沿着滑轨移动对岩体进行CT扫描；
所述水气循环系统（7）顶部连接复合气象模拟设备（2），用以提供降雨，降雪所需水，空气，将底部水气分离系统（9）与试验舱侧壁槽口连接，水气分别进入到水循环箱（901）和气体循环箱（902）用以控制库水位的过度提升以及控制仿真库区的空气洁净。
9.根据权利要求1所述模拟地震作用对库岸边坡岩体损伤作用的实验装置及方法，其特征在于：所述控制系统（8）包括供电系统（801）、供水系统（802）和供气系统（803），供电系统外接电源，供水系统外接水源并控制每次模拟降雨量所需的水量；
所述地震模拟设备（5）、复合气象模拟设备（2）、水气循环系统（7）和CT扫描系统（12）均与位于顶部箱体侧壁内的控制系统（8）相连，控制系统（8）与外置工控计算机相连。
10.采用权利要求1-9任意一项所述模拟地震作用对库岸边坡岩体损伤作用的实验装置进行库岸边坡岩体损伤作用的实验方法，其特征在于包括以下步骤：
Step1：根据所需模拟库区环境在试验舱（13）中将岩体边坡模型建立起来，按库水位比例注入水，关闭实验舱顶门，接入电源，启动装置总开关；
Step2：通过工控计算机打开CT扫描仪对初始岩体情况进行扫描，判定岩体初始状态；
Step3：根据所需要的气象条件，通过工控计算机分别或者同时打开降雨，降雪，风场，日照，气温模拟设备，设定好所需降雨量，降雪量，风级，日照时长，光照强度，设定好作用时长及循环次数；
Step4：打开底部水气循环系统（7），温控系统，启动试验舱，复杂气象条件下的库区环境开始运行；
Step5：达到作用时长后通过工控计算机启动地震模拟设备（5），用不同震级大小的地震进行仿真；
Step6：地震模拟结束后，再次打开CT扫描仪对库岸边坡岩体进行扫描，即可得出岩体在复杂气象条件下地震作用后岩体的损伤情况。
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