CN115112472A - 滑坡碎屑流冲击承灾体的模型试验装置和试验方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种滑坡碎屑流冲击承灾体的模型试验装置和试验方法，装置包括传动控制装置、固定钢架、承灾体支撑板、楔形体支架板、滑坡碎屑流前缘楔形体模型、承灾体模型和测试记录装置。制作滑坡碎屑流楔形体和承灾体模型，液压千斤顶用于调节楔形体坡度，并起到支撑作用。装置与常规斜槽模拟滑坡碎屑流冲击承灾体试验相反，根据物体间相互作用力大小相等的原理，通过传动控制装置驱动承灾体模型冲击滑坡碎屑流前缘楔形体模型。本发明结构简单，易于操作，方便布置传感器和数据采集；能有效控制滑坡碎屑流前缘楔形体形态参数、颗粒粒径组成和分布、孔隙参数等；能开展不同楔形体坡度、冲击速度和冲击方向等参数下滑坡碎屑流冲击承灾体模型试验。
Description
技术领域
本发明涉及滑坡承灾体模拟技术领域，特别涉及一种滑坡碎屑流冲击承灾体的模型试验装置和试验方法。
背景技术
滑坡是一类常见的地质灾害，其运动形成的碎屑流灾害常导致山区建筑、桥梁及防护工程等承灾体损毁，造成严重的人员伤亡和财产损失、道路中断等灾害后果。滑坡碎屑流对建筑、桥梁及防护工程等承灾体的冲击作用、岩土体运动作用于承灾体的力学效应是研究滑坡碎屑流防灾减灾机制的重要技术手段和方法，可为山区建筑规划、桥梁及防护工程的设计与建造、人员安全保障等提供技术参考和科学依据。
研究滑坡碎屑流与承灾体之间冲击作用的主要方法有：现场勘察、理论分析、数值模拟和模型试验。其中，模型试验能较好地模拟滑坡碎屑流对承灾体的破坏情况，可以较为客观地反映承灾体受冲击的破坏模式、破坏程度和破坏全过程，在实验室内便可完成，减少人力、物力和财力的投入，同时模型试验中的参数取值和试验结果能为后续的理论分析和数值模拟提供数据基础和参照对比。目前有关滑坡的模型试验主要是研究滑坡碎屑流运动过程、运动特性和运动机理，而分析承灾体的防灾减灾机制，需要考虑滑坡碎屑流对承灾体的冲击作用，开展承灾体模型与滑坡碎屑流楔形体冲击作用下的破坏过程、破坏模式和破坏特性等方面的研究。
为揭示滑坡碎屑流对承灾体的致灾机理，常规的试验方案采用高位释放试验物料，在下部布置承灾体开展试验。试验方案存在以下不足：(1)真实滑坡碎屑流灾害的规模与承灾体存在几个数量级的差异，采用一致的相似比模型试验存在困难；(2)这些滑坡碎屑流灾害都具有高速冲击特征，为获得岩土体高速运动，模型试验需要尽可能增加物料的原始高度和模型尺寸，试验难度大；(3)岩土体作用承灾体时的形态参数、颗粒粒径组成和分布、孔隙参数等因素对冲击机制具有重要影响，常规试验方案不能有效控制岩土体的这些参数。
发明内容
本发明针对现有技术的缺陷，提供了一种滑坡碎屑流冲击承灾体的模型试验装置。与常规斜槽模拟滑坡碎屑流冲击承灾体试验相反，根据物体间相互作用力大小相等的原理，通过传动控制装置驱动承灾体模型冲击滑坡碎屑流前缘楔形体模型。其应用时，系统安装方便、快捷，易于操作，可以有效控制滑坡碎屑流前缘楔形体形态参数、颗粒粒径组成和分布、孔隙参数，能开展不同楔形体坡度、不同冲击速度、不同冲击方向参数下滑坡碎屑流冲击承灾体模型试验。
为了实现以上发明目的，本发明采取的技术方案如下：
一种滑坡碎屑流冲击承灾体的模型试验装置，包括：传动控制装置、固定钢架1、承灾体支撑板2、楔形体支架板3、滑坡碎屑流楔形体模型4、承灾体模型5。
所述传动控制装置由主动滑轮6、从动滑轮7、驱动电机8、变速器9、驱动链条10、合页型推板11、滑轨12组成；
所述固定钢架1由不锈钢空心矩管焊接而成，固定钢架1上安装承灾体支撑板2、主动滑轮6、从动滑轮7、驱动电机8和变速器9，驱动电机8和变速器9带动主动滑轮6与从动滑轮7，从而带动连在主动滑轮6和从动滑轮7上的驱动链条10，驱动链条10上固定合页型推板11，承灾体模型5下表面安装滚轮18，承灾体支撑板2安装在固定钢架1上，滑轨12安装在承灾体支撑板2上，滚轮18安装在滑轨12上与滑轨滑动配合；
固定合页型推板11安装在驱动链条10上，固定合页型推板11与承灾体模型5接触，能够推动承灾体模型5沿着滑轨12滑动；
所述楔形体支架板3架设在传动控制装置末端，楔形体支架板3上表面高度与滑轨12表面平齐，楔形体支架板3上方放置滑坡碎屑流楔形体模型4，楔形体支架板3底部前端采用两根支架柱15支撑，支架柱15通过合页16与楔形体支架板3连接，楔形体支架板3底部后端采用液压千斤顶17支撑，千斤顶1起到调节楔形体支架板3坡度的作用；
进一步地，所述模型试验装置的实验结果由测试记录装置记录，所述测试记录装置包括：高清摄像机13、高清照相机14、冲击力传感器、测速仪、三维激光扫描仪；
所述承灾体模型5上安装冲击力传感器，模型试验装置周围安装高清摄像机13、高清照相机14、测速仪和三维激光扫描仪。
进一步地，所述滑坡碎屑流楔形体模型4是模拟斜坡岩土体由于各种原因在重力作用下，沿一定软弱面整体呈楔形体分布向下运动的滑坡碎屑流，按照形态参数、颗粒粒径分布、孔隙参数制作。
进一步地，孔隙参数用于控制滑坡碎屑流运动的固相体积分数，相应孔隙采用泡沫颗粒材料填充。
进一步地，所述承灾体模型5是承受滑坡碎屑流冲击作用实体模型，包括各类建筑物及构筑物，
进一步地，建筑物及构筑物包括：房屋建筑、桥梁隧道、公路铁路、堤坝挡墙、防护网。
本发明还公开了一种承灾体冲击滑坡碎屑流楔形体的模型试验方法，包括以下步骤：
步骤1，进行试验装置的组装，按靠近从动滑轮7端位置架设好楔形体支架板3，将滑坡碎屑流楔形体模型4放置在楔形体支架板3上，调节液压千斤顶17支撑的高度以确定滑坡碎屑流楔形体模型4的坡度；将承灾体模型5置于靠近主动滑轮6端，通过改变承灾体模型5下18滚轮的位置来调整承灾体模型5与冲击方向的角度；
步骤2，按照变速器9预设档位启动驱动电机8带动驱动链条10和合页型推板11，合页型推板11推动承灾体模型5沿着滑轨12滑动，继而冲击滑坡碎屑流楔形体模型4；
步骤3，通过测试记录装置对承灾体模型5冲击滑坡碎屑流楔形体模型4全过程以及承灾体模型5结构冲击后的情况进行图像记录，通过冲击力传感器对承灾体模型5受荷结构冲击时的冲击力进行采集，同时设置测速仪对承灾体模型5在驱动链条10上的运动速度信息进行采集，设置三维激光扫描仪对冲击后的承重结构面进行点云数据采集；
步骤4，利用采集到的图像信息、冲击力信息、传动速度信息和点云数据等进行数据处理和研究分析。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
(1)本发明所述试验装置可实现开展滑坡碎屑流前缘楔形体与承灾体冲击作用的室内模型试验，有利于探讨在不同楔形体坡度、冲击速度、冲击方向等因素影响下，滑坡碎屑流楔形体与承灾体的冲击作用过程、承灾体的破坏模式和破坏程度，不仅有助于完善滑坡碎屑流与承灾体冲击作用过程的相关认识，而且对滑坡等地质灾害承灾体易损性评价具有重要现实帮助；
(2)本发明所述试验装置可以直观地观察承灾体受冲击破坏的全过程，可以加深承灾体受冲击破坏的相关理解，对实际滑坡等地质灾害防灾减灾具有重要意义；
(3)本发明所述试验装置可以有效解决滑坡碎屑流规模与承灾体体积存在数量级的差异，采用一致的相似比开展模型试验，并且可以根据试验需求设置相应的相似比；
(4)本发明所述试验装置通过驱动承灾体冲击滑坡碎屑流前缘楔形岩土体，可以有效实现滑坡碎屑流高速冲击特征，解决了为获得滑坡碎屑流高速运动，需增大模型试验高度，导致模型试验难度大和运动速度失真的问题；
(5)本发明具有结构简单、易于操作和实施成本低等优点，方便布置传感器和数据采集，能有效控制滑坡碎屑流前缘楔形体形态、颗粒粒径组成和分布、孔隙参数等。
附图说明
图1是本发明所述模型试验装置的正面结构示意图。
图2是本发明所述模型试验装置的背面结构示意图。
图3是本发明所述楔形体支架板、支架柱和液压千斤顶的结构示意图。
图4是本发明所述承灾体模型、滚轮和滑轨的结构示意图。
图5是本发明所述合页型推板与驱动链条连接的结构示意图。
附图标记说明：1固定钢架；2承灾体支撑板；3楔形体支架板；4滑坡碎屑流楔形体模型；5承灾体模型；6主动滑轮；7从动滑轮；8驱动电机；9变速器；10驱动链条；11合页型推板；12滑轨；13高清摄像机；14高清照相机；15支架柱；16合页；17液压千斤顶；18滚轮。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下根据附图并列举实施例，对本发明做进一步详细说明。
请参考图1-5，本发明的实施例提供了一种滑坡碎屑流冲击承灾体的模型试验装置，包括：传动控制装置、固定钢架1、承灾体支撑板2、楔形体支架板3、滑坡碎屑流楔形体模型4、承灾体模型5和测试记录装置。
所述传动控制装置由主动滑轮6、从动滑轮7、驱动电机8、变速器9、驱动链条10、合页型推板11、滑轨12组成；
所述测试记录装置包括：高清摄像机13、高清照相机14、冲击力传感器、测速仪、三维激光扫描仪；
所述固定钢架1由不锈钢空心矩管焊接而成，固定钢架1上安装承灾体支撑板2、主动滑轮6、从动滑轮7、驱动电机8和变速器9，驱动电机8和变速器9带动主动滑轮6与从动滑轮7，从而带动连在主动滑轮6和从动滑轮7上的驱动链条10，驱动链条10上固定合页型推板11，承灾体模型5下表面安装滚轮18，承灾体支撑板2安装在固定钢架1上，滑轨12安装在承灾体支撑板2上，滚轮18安装在滑轨12上与滑轨滑动配合；
固定合页型推板11安装在驱动链条10上，固定合页型推板11与承灾体模型5接触，能够推动承灾体模型5沿着滑轨12滑动；
所述楔形体支架板3架设在传动控制装置末端，楔形体支架板3上表面高度与滑轨12表面平齐，楔形体支架板3上方放置滑坡碎屑流楔形体模型4，楔形体支架板3底部前端采用两根支架柱15支撑，支架柱15通过合页16与楔形体支架板3连接，楔形体支架板3底部后端采用液压千斤顶17支撑，千斤顶1起到调节楔形体支架板3坡度的作用；
所述承灾体模型5上安装冲击力传感器，模型试验装置周围安装高清摄像机13、高清照相机14、测速仪和三维激光扫描仪。
在上述实施例中，所述滑坡碎屑流楔形体模型4是模拟斜坡岩土体由于各种原因在重力作用下，沿一定软弱面整体呈楔形体分布向下运动的滑坡碎屑流，按照一定的形态参数、颗粒粒径组成和分布、孔隙参数等制作。其中，形态参数、颗粒粒径分布、孔隙参数根据现场调查、数值模拟和模型试验等现有资料确定，孔隙参数用于控制滑坡碎屑流运动的固相体积分数，相应孔隙采用泡沫颗粒材料填充。
在上述实施例中，所述承灾体模型5是承受滑坡碎屑流冲击作用实体模型，包括各类建筑物及构筑物，如房屋建筑、桥梁、拦挡结构、防护网等。
本实施例提供一种承灾体冲击滑坡碎屑流楔形体的模型试验方法，包括以下步骤：
步骤1，进行试验装置的组装，按靠近从动滑轮7端位置架设好楔形体支架板3，将滑坡碎屑流楔形体模型4放置在楔形体支架板3上，调节液压千斤顶17支撑的高度以确定滑坡碎屑流楔形体模型4的坡度；将承灾体模型5置于靠近主动滑轮6端，通过改变承灾体模型5下18滚轮的位置来调整承灾体模型5与冲击方向的角度；
步骤2，按照变速器9预设档位启动驱动电机8带动驱动链条10和合页型推板11，合页型推板11推动承灾体模型5沿着滑轨12滑动，继而冲击滑坡碎屑流楔形体模型4；
步骤3，通过测试记录装置对承灾体模型5冲击滑坡碎屑流楔形体模型4全过程以及承灾体模型5结构冲击后的情况进行图像记录，通过冲击力传感器对承灾体模型5受荷结构冲击时的冲击力进行采集，同时设置测速仪对承灾体模型5在驱动链条10上的运动速度信息进行采集，设置三维激光扫描仪对冲击后的承重结构面进行点云数据采集；
步骤4，利用采集到的图像信息、冲击力信息、传动速度信息和点云数据等进行数据处理和研究分析。
本发明所述的模型试验装置和方法，可实现以下模拟试验：
(1)通过调节液压千斤顶的支撑高度改变滑坡碎屑流楔形体的倾斜角度，模拟滑坡碎屑流楔形体坡度，研究滑坡碎屑流楔形体不同坡度对承灾体模型的冲击损毁特征；
(2)通过调节驱动电机功率改变驱动速度模拟冲击速度，研究不同冲击速度对承灾体模型的冲击损毁特征；
(3)通过调节承灾体模型与冲击方向的角度模拟冲击作用方向，研究不同冲击方向对承灾体模型的冲击损毁特征；
(4)通过改变滑坡碎屑流楔形体形态参数、颗粒粒径分布、孔隙参数来模拟滑坡碎屑流楔形体不同岩土体参数，研究不同滑坡碎屑流楔形体参数对承灾体模型的冲击损毁特征；
(5)通过改变承灾体模型的结构形式来模拟承灾体的不同结构形式，研究不同承灾体结构形式对承灾体模型的冲击损毁特征。
本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的实施方法，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。
Claims (7)
1.一种滑坡碎屑流冲击承灾体的模型试验装置，其特征在于，包括：传动控制装置、固定钢架(1)、承灾体支撑板(2)、楔形体支架板(3)、滑坡碎屑流楔形体模型(4)、承灾体模型(5)；
所述传动控制装置由主动滑轮(6)、从动滑轮(7)、驱动电机(8)、变速器(9)、驱动链条(10)、合页型推板(11)、滑轨(12)组成；
所述固定钢架(1)由不锈钢空心矩管焊接而成，固定钢架(1)上安装承灾体支撑板(2)、主动滑轮(6)、从动滑轮(7)、驱动电机(8)和变速器(9)，驱动电机(8)和变速器(9)带动主动滑轮(6)与从动滑轮(7)，从而带动连在主动滑轮(6)和从动滑轮(7)上的驱动链条(10)，驱动链条(10)上固定合页型推板(11)，承灾体模型(5)下表面安装滚轮(18)，承灾体支撑板(2)安装在固定钢架(1)上，滑轨(12)安装在承灾体支撑板(2)上，滚轮(18)安装在滑轨(12)上与滑轨滑动配合；
固定合页型推板(11)安装在驱动链条(10)上，固定合页型推板(11)与承灾体模型(5)接触，能够推动承灾体模型(5)沿着滑轨(12)滑动；
所述楔形体支架板(3)架设在传动控制装置末端，楔形体支架板(3)上表面高度与滑轨(12)表面平齐，楔形体支架板(3)上方放置滑坡碎屑流楔形体模型(4)，楔形体支架板(3)底部前端采用两根支架柱(15)支撑，支架柱(15)通过合页(16)与楔形体支架板(3)连接，楔形体支架板(3)底部后端采用液压千斤顶(17)支撑，千斤顶(1)起到调节楔形体支架板(3)坡度的作用。
2.根据权利要求1所述的一种滑坡碎屑流冲击承灾体的模型试验装置，其特征在于：所述模型试验装置的实验结果由测试记录装置记录，所述测试记录装置包括：高清摄像机(13)、高清照相机(14)、冲击力传感器、测速仪、三维激光扫描仪；
所述承灾体模型(5)上安装冲击力传感器，模型试验装置周围安装高清摄像机(13)、高清照相机(14)、测速仪和三维激光扫描仪。
3.根据权利要求1所述的一种滑坡碎屑流冲击承灾体的模型试验装置，其特征在于：所述滑坡碎屑流楔形体模型(4)是模拟斜坡岩土体由于各种原因在重力作用下，沿一定软弱面整体呈楔形体分布向下运动的滑坡碎屑流，按照形态参数、颗粒粒径分布、孔隙参数制作。
4.根据权利要求3所述的一种滑坡碎屑流冲击承灾体的模型试验装置，其特征在于：孔隙参数用于控制滑坡碎屑流运动的固相体积分数，相应孔隙采用泡沫颗粒材料填充。
5.根据权利要求1所述的一种滑坡碎屑流冲击承灾体的模型试验装置，其特征在于：，所述承灾体模型(5)是承受滑坡碎屑流冲击作用实体模型，包括各类建筑物及构筑物。
6.根据权利要求5所述的一种滑坡碎屑流冲击承灾体的模型试验装置，其特征在于：建筑物及构筑物包括：房屋建筑、桥梁隧道、公路铁路、堤坝挡墙、防护网。
7.一种承灾体冲击滑坡碎屑流楔形体的模型试验方法，其特征在于：模型试验方法是在权利要求1所述的模型试验装置的基础上实现的；
模型试验方法包括以下步骤：
步骤1，进行试验装置的组装，按靠近从动滑轮(7)端位置架设好楔形体支架板(3)，将滑坡碎屑流楔形体模型(4)放置在楔形体支架板(3)上，调节液压千斤顶(17)支撑的高度以确定滑坡碎屑流楔形体模型(4)的坡度；将承灾体模型(5)置于靠近主动滑轮(6)端，通过改变承灾体模型(5)下(18)滚轮的位置来调整承灾体模型(5)与冲击方向的角度；
步骤2，按照变速器(9)预设档位启动驱动电机(8)带动驱动链条(10)和合页型推板(11)，合页型推板(11)推动承灾体模型(5)沿着滑轨(12)滑动，继而冲击滑坡碎屑流楔形体模型(4)；
步骤3，通过测试记录装置对承灾体模型(5)冲击滑坡碎屑流楔形体模型(4)全过程以及承灾体模型(5)结构冲击后的情况进行图像记录，通过冲击力传感器对承灾体模型(5)受荷结构冲击时的冲击力进行采集，同时设置测速仪对承灾体模型(5)在驱动链条(10)上的运动速度信息进行采集，设置三维激光扫描仪对冲击后的承重结构面进行点云数据采集；
步骤4，利用采集到的图像信息、冲击力信息、传动速度信息和点云数据进行数据处理和研究分析。
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