[发明专利]用于模拟边坡滚石运动对明洞冲击的装置、方法及应用

说明书

技术领域

本发明涉及岩土工程相关技术领域，具体的说，是涉及一种用于模拟边坡滚石运动对明洞冲击的装置、方法及应用。

背景技术

伴随着我国经济的高速发展，国家向基础设施建设的投资越来越多，在我国西南地区建设的水利水电工程，隧道工程等越来越多，由高陡边坡危岩体崩塌造成的灾害事故日趋严重。滚石是指个别块石因某种原因从边坡和崖面失稳后经下落、回弹、跳跃、滚动或滑动等运动方式中的一种或几种的组合沿着坡面向下快速运动，最后在较平缓的地带或障碍物附近静止下来的一个动力学过程。当滚石运动范围内有人类活动或人类构筑的设施并引起一定的损失时，就构成了滚石灾害。特殊的地质地貌条件以及频繁的地震活动、特殊的气候条件、人类活动等直接或间接地成为滚石事件的触发因素。

对滚石灾害防控过程中，对滚石运动规律的分析是非常必要的研究方向。滚石运动形式主要分为滑落、碰撞弹跳、竖直坠落三种。而获得滚石运动轨迹和速度分析是设计相关防护措施的必要依据。同时模拟滚石对明洞的冲击获得冲击力数据分析对实际工程有重要指导意义。

以往的实验装置较为简单，功能也较为单一，不能实现试验过程可视化和滚石空间三维定位定向自动投放，更多的模拟滚石在边坡上的运动规律，不能满足滚石运动规律和明洞冲击荷载分析双重实验需要，缺乏高效性、准确性及实用性。

发明内容

本发明的目的是为克服上述现有技术的不足，提供一种用于模拟边坡滚石运动对明洞冲击的装置。本装置通过设计全新的结构，可以定向投掷滚石，并能够在试验过程中和试验完成后对滚石移动轨迹进行准确记录，提高后期分析计算的准确性。

为了达成上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种用于模拟边坡滚石运动对明洞冲击的装置，包括：底座，底座上部设置有主体框架、边坡土体及边坡背部挡土墙；主体框架内侧设置有可视护板；主体框架和边坡内部挡土墙将边坡土体环绕；边坡土体底部具有明洞；所述主体框架顶部设置有定位机构及滚石释放机构；所述的滚石释放机构通过定位机构进行定位后，投放滚石，进而模拟边坡滚石对明洞冲击试验。

其中，所述明洞为圆筒结构。

优选的，所述定位机构包括置于主体框架上的纵向滑轨；在所述的纵向滑轨上设有横向滑轨，所述的横向滑轨通过纵向滑块与纵向滑轨形成滑动配合，横向滑轨可以沿着纵向滑轨移动；在所述横向滑轨上具有横向滑块，横向滑块上设置有滚石释放机构，进而实现了滚石释放机构的横向和纵向移动。

优选的，所述滚石释放机构包括支撑杆及液压缸，支撑杆下部与横向滑块固定连接，液压缸下部与横向滑块铰接，液压缸和支撑杆的上部均与同一滚石投放箱铰接。

优选的，所述可视护板为玻璃钢护板。

优选的，所述可视护板上具有刻度。

优选的，所述主体框架包括外侧支撑架及与外侧支撑架固定连接的护栏，可视护板固定连接于护栏上。

优选的，所述外侧支撑架为钢架。

优选的，所述边坡土体和/或明洞上具有多个钻孔，每个钻孔中均设置有监测元件。

在提供上述结构方案的同时，本发明还提供了一种利用上述装置进行试验的方法，主要包括如下步骤：

(1)固定底座，完成主体框架和边坡背部挡土墙的安装，在主体框架内侧安装可视挡板；

(2)在主体框架上方布设两条纵向滑轨，并在纵向滑轨上方安装纵向滑块，其上布设一条横向滑轨；

(3)液压缸上部连接在滚石投放箱上，下部安装于横向滑块上，支撑杆下部安装于横向滑块上，顶部安装于滚石投放箱上。横向滑块与横向滑轨滑动配合，横向滑轨安装在纵向滑块上，纵向滑块与纵向滑轨滑动配合；

(4)用钻头开挖边坡土体，将预制的明洞安置在土体坡脚；

(5)在滚石投放箱上放置滚石；移动滚石投放箱至设定位置；投放滚石；

(6)通过监测元件记录滚石的运动数据。

本发明还要求保护上述的装置在模拟滚石运动过程中的应用。

本发明的有益效果是：

1、带刻度的可视护板实现了边坡试验全过程的可视化，可清晰观察滚石运动过程中坐标位置的变化。

2、释放箱可以进行二轴自由移动，方便定位。

3、释放箱可沿轴自由翻转，释放箱后方连接液压缸，控制释放箱的翻转角度。

4、通过相似理论和研制相似材料按照相似比填料筑成边坡，与实际边坡具有相同的力学物理性质，并可通过刀具切削改变边坡坡角，提高了试验的效率和准确性。

5、采用圆筒结构近似模拟隧道四心圆，预制明洞模型。