一种边坡模型试验加载装置及方法

1.本发明属于边坡加载领域，具体为一种边坡模型试验加载装置及方法。


背景技术：

2.在现行技术的条件下，边坡滑坡模型试验采用的加载方式均为坡顶放置水平加载板，用千斤顶进行竖向加压。而由于土体的离散性较大，土体强度较高，竖向加压的方式使土体产生的几乎都是鼓胀变形而非滑动。


技术实现要素：

3.本发明的目的在于针对现有技术的不足之处，提供一种既能满足加压对边坡产生滑动的要求，又能分级稳定加载的边坡模型试验加载装置及方法。
4.本发明提供的这种边坡模型试验加载装置，包括楔形块、支撑装置、加载垫梁、加载器和位移传感器，夹角可调的楔形块置于边坡模型顶部，可伸缩的支撑器固定于楔形块的顶面，加载垫梁固定于支撑器的上端，加载器的加载头作用于加载垫梁的中心位置处，位移传感器设置于楔形块的顶面。
5.上述装置的一种实施方式中，所述楔形块包括通过铰链铰接的两块钢板及两钢板之间连接的螺杆调节组件。
6.上述装置的一种实施方式中，所述螺杆调节组件包括螺杆、限位螺母和调节螺母，螺杆的下端与楔形块的下板固接，上端穿过楔形块的上钢板，螺杆上对应上钢板的下侧和上侧分别连接限位螺母和调节螺母。
7.上述装置的一种实施方式中，所述支撑器和加载器分别采用千斤顶。
8.本发明提供的这种利用上述边坡模型试验加载装置进行边坡滑移试验的方法，包括以下步骤：
9.(1)根据需要通过调节好楔形块上、下钢板之间的夹角；
10.(2)将楔形块放置于边坡顶部指定位置，使下钢板与边坡贴合，上钢板处于水平状态；
11.(3)在楔形块顶面的指定位置固定至少两组支撑器；
12.(4)在楔形块顶面的近支撑装置处固定位移传感器，并将位移传感器连接至控制系统；
13.(5)在支撑器上端固定加载垫梁；
14.(6)在加载垫梁的上方固定加载器，使加载器的加载头对应加载垫梁的中心位置处；
15.(7)加载器加载，加载垫梁将竖向压力稳定的传递至楔形块上，楔形块上钢板受到的压力通过螺栓传至下钢板，下钢板将竖向压力转换为推力；
16.(8)当坡顶土体产生前后不均匀沉降时，楔形块随之发生倾斜，楔形块上方的支撑器和加载垫梁同时倾斜，此时位移传感器采集支撑器的偏移高度反馈至控制系统，控制系
统给支撑器发送信号，使其顶升加载垫梁来其保持水平，从而使加载器的加载头始终竖向作用于加载垫梁的中心位置处。
17.本发明在边坡模型顶部设置角度可调的楔形块时，将楔形块的下钢板与坡面贴合，上钢板处于水平状态。在楔形块的上钢板上固定可伸缩的支撑装置，在支撑装置上端固定加载垫梁，通过加载装置在加载垫梁的中心位置处加载竖向压力。竖向压力通过楔形块作用于坡面后转变为沿坡面方向的下滑推力。当竖向压力加大，边坡土体产生不均匀沉降时，可通过控制系统使支撑装置实时伸缩调节，使加载梁一直保持水平，使记载装置的竖向压力准确的加载于加载垫梁上，更有利于使边坡滑动，又能分级稳定的加载。对于不同角度的边坡，则调节契形块的角度至相应角度来满足加载要求。
附图说明
18.图1为本发明中加载装置在边坡坡顶设置的示意图。
19.图2为图1中加载装置的放大示意图。
20.图3为加载器加压时的受力分析示意图。
21.图4为坡顶土体发生不均匀沉降时加载装置的状态示意图。
22.图5为通过支撑装置调整加载垫梁回复水平状态的示意图。
具体实施方式
23.从图1、图2可以看出，本实施例公开的这种边坡模型试验加载装置，其特征在于：本装置包括楔形块1、支撑器2、加载垫梁3、加载器4、位移传感器5和控制系统6。
24.楔形块1包括通过铰链16铰接的上钢板11、下钢板12和它们之间连接的螺杆调节组件。
25.螺杆调节组件包括螺杆13、限位螺母14和调节螺母15，螺杆的下端与楔形块的下钢板12固接，上端穿过楔形块的上钢板11，螺杆上对应上钢板的下侧和上侧分别连接限位螺母14和调节螺母15。
26.本实施例将上、下钢板之间的铰链选择板式合页铰链，上下钢板分别与板式合页铰链的两转动板连接。
27.楔形块1放置于边坡顶部时，其下钢板12与边坡贴合，上钢板11处于水平状态。
28.支撑器2和加载器4应为可直线伸缩的装置，如千斤顶/液压缸/电动推杆等，本实施例将支撑器和加载器均采用千斤顶。
29.支撑器2固定于楔形块的上钢板上，加载垫梁3水平固定于支撑器2上。
30.加载器4固定于加载垫梁3的上方，其加载头作用于加载垫梁3的中心位置处施加竖向力。
31.楔形块1上对应支撑器3的附近设置位移传感器5，通过位移传感器实时采集支撑器2之间的高度差值，并将采集值传至控制系统6。
32.本加载装置既能满足加压对边坡产生滑动的要求，有又能分级稳定加载，具体原理如下：
33.如图3所示，本加载装置在边坡顶部设置好后加载器给加载垫梁施加竖向压力时，形成一个平行于边坡坡面的作用力p促使边坡产生滑动以模拟边坡在自重作用下的破坏。
34.契形块两钢板之间的夹角α＝90
‑
β
‑
φ。其中β为坡度，下钢板与土体相互作用时，与土体产生摩擦力f，摩擦力和推力的合力p与推力t的夹角为外摩擦角φ，φ值大小通常在20
‑
30
°
之间。
35.加载器4加载时，加载垫梁3将竖向压力稳定地传递至契形块1的上钢板上，上钢板通过螺杆传至下钢板，下钢板将竖向压力转换为推力t。所以当契形块角度α为90
‑
β
‑
φ时，下滑推力p与坡面平行，使得推力产生的滑坡效果最好。
36.由于加载器4给加载垫梁3施加竖向力时，坡顶土体将产生不均匀沉降，而土体的不均匀沉降将使坡顶的楔形块1发生倾斜，楔形块1上的支撑器2也将随之倾斜。而为了保证加载器4每次加载的效果不变，必需使加载垫梁3始终处于水平状态，所以在楔形块1上对应支撑器3的附近设置位移传感器5，通过位移传感器实时采集支撑器2之间的高度差值，并将采集值传至控制系统6，通过控制系统给支撑器发出指令，各支撑装置实时顶升加载垫梁3，使加载垫梁始终保持水平状态。
37.如图4、图5所示，位移传感器5实时采集到支撑装置b、c、d端点与a端点的高度差传给控制系统6，控制系统6根据收到各位移值指令各支撑装置顶升相应的高度，以保证使abcd四点处于同一水平面上，从而保持加载梁水平，以保证千斤顶每次压力都准确加载在加载梁上，使加载垫梁可将加载装置的竖向压力稳定的传递。
38.利用上述装置进行边坡滑移模拟试验的具体步骤如下：
39.(1)根据需要通过调节好楔形块上下板之间的夹角；
40.(2)将楔形块放置于边坡顶部指定位置；
41.(3)在楔形块顶面的指定位置固定至少两组支撑装置；
42.(4)在楔形块顶面的近支撑装置处固定位移传感器，并将位移传感器连接至控制系统；
43.(5)在支撑装置上端固定加载垫梁；
44.(6)在加载垫梁的上方固定加载装置，使加载装置的加载头对应加载垫梁的中心位置处；
45.(7)加载装置加载，加载垫梁将竖向压力稳定的传递至楔形块上，楔形块上班受到的压力通过螺栓传至下板，下板将竖向压力转换为推力；
46.(8)当坡顶土体产生前后不均匀沉降时，楔形块随之发生倾斜，楔形块上方的支撑装置和加载垫梁同时倾斜，此时，位移传感器采集支撑装置的偏移高度反馈至控制系统，控制系统给支撑装置发送信号，使其顶升加载垫梁来其保持水平，从而使加载装置的加载头始终作用于加载垫梁的中心位置处。