离心场边坡采空模拟设备的制造方法
【专利摘要】本发明公开了一种离心场边坡采空模拟设备，所述离心场边坡采空模拟设备包括：带有观察窗口的模型箱、采空模拟装置、水箱和水槽，其中，模型箱内适于填装土体；采空模拟装置位于模型箱内底部，采空模拟装置包括消防管，消防管的一端连接有进水防漏堵头且另一端连接有出水防漏堵头，消防管内填充有硝酸钾；水箱与进水防漏堵头相连，且水箱与进水防漏堵头之间串接有电磁阀；水槽位于模型箱的外面，且出水防漏堵头连接至水槽，电磁阀打开时，水箱中的水通入消防管并溶解硝酸钾后排至水槽。根据本发明的离心场边坡采空模拟设备，结构简单，适用性广，可以实现边坡下土体的采空过程的模拟，以及采空作用下的边坡变形破坏模拟。
【专利说明】
离心场边坡采空模拟设备
技术领域
[0001] 本发明涉及边坡土工离心模型技术领域，尤其是涉及一种离心场边坡采空模拟设 备。
【背景技术】
[0002] 边坡采空是工程中经常遇到的问题。不合理的采空设计和施工会对工程的安全产 生重要影响。因此，研究边坡条件下地下采空模拟技术，对于工程的设计和施工都具有重要 的指导作用。离心模型试验能够实现模型与原型应力应变相同，变形相似，在边坡工程问题 中已经得到了较广泛的应用。在地下采空方面也有很多学者进行了研究。地下采空过程是 边坡变形破坏的重要影响因素，为了保证固结过程和开挖过程中模型地基的应力路径和侧 压状态与实际工程一致，需要在离心场条件下实现采空的模拟。
【发明内容】
[0003] 本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明在于提出一 种离心场边坡采空模拟设备，所述离心场边坡采空模拟设备可以实现边坡离心模型试验中 地下采空过程的模拟。
[0004] 根据本发明的离心场边坡采空模拟设备，包括:带有观察窗口的模型箱，所述模型 箱内适于填装土体;采空模拟装置，所述采空模拟装置位于所述模型箱内底部，所述采空模 拟装置包括消防管，所述消防管的一端连接有进水防漏堵头且另一端连接有出水防漏堵 头，所述消防管内填充有硝酸钾;水箱，所述水箱与所述进水防漏堵头相连，且所述水箱与 所述进水防漏堵头之间串接有电磁阀；水槽，所述水槽位于所述模型箱的外面，且所述出水 防漏堵头连接至所述水槽，所述电磁阀打开时，所述水箱中的水通入所述消防管并溶解硝 酸钾后排至所述水槽。
[0005] 根据本发明的离心场边坡采空模拟设备，可以实现边坡下土体的采空过程的模 拟，以及采空作用下的边坡变形破坏模拟，并且在离心加速过程和地下采空过程中保持与 模型地基的应力路径和侧压状态与实际相符。此外，采空形式可以为一个或多个圆柱形采 空区逐次采空，且结构简单，适用性广，可用于粘土、粉土等多种土质边坡；同时，操作简单， 可实时监控，材料安全，可靠性强。
[0006] 在本发明的一些实施例中，所述观察窗口由镶嵌在所述进水防漏堵头上的第一有 机玻璃块和固定所述进水防漏堵头延伸部分的第二有机玻璃块组成，所述采空模拟装置通 过镶嵌在所述进水防漏堵头上的所述第一有机玻璃块和固定所述进水防漏堵头延伸部分 的所述第二有机玻璃块以及所述模型箱后壁上固定所述出水防漏堵头的孔固定至所述模 型箱底部。
[0007] 在本发明的一些实施例中，所述水箱高于所述消防管，且所述消防管高于所述水 槽。
[0008] 在本发明的一些实施例中，所述消防管与所述模型箱的底壁之间间隔5厘米到10 厘米。
[0009] 在本发明的一些实施例中，所述模型箱内填充有土体，且所述土体的至少一部分 布置成斜坡状，且所述土体的坡脚与所述模型箱近侧边壁保留预定距离。
[0010] 在本发明的一些实施例中，所述消防管包括多个。
[0011] 进一步地，多个所述消防管水平间隔布置、竖向间隔布置或沿倾斜方向间隔布置。
[0012] 可选地，多个所述消防管相互并联或串联。
[0013] 在本发明的一些实施例中，多个所述消防管中的每一个均串接有所述电磁阀，或 多个所述消防管分为多组，且每组所述消防管并联并串接电磁阀。
[0014] 本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变 得明显，或通过本发明的实践了解到。
【附图说明】
[0015] 图1是根据本发明实施例的离心场边坡采空模拟设备的示意图；
[0016] 图2是图1中所示的采空模拟装置的示意图。
[0017]附图标记：
[0018]离心场边坡采空模拟设备100，
[0019]模型箱1，观察窗口 11，第一有机玻璃块111，第二有机玻璃块112,土体12，
[0020]采空模拟装置2,消防管21，硝酸钾211，进水防漏堵头22,出水防漏堵头23，
[0021] 水箱3,电磁阀31，进水管32，
[0022] 水槽4,出水管41。
【具体实施方式】
[0023]下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终 相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附 图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
[0024]下文的公开提供了许多不同的实施例或例子用来实现本发明的不同结构。为了简 化本发明的公开，下文中对特定例子的部件和设置进行描述。当然，它们仅仅为示例，并且 目的不在于限制本发明。此外，本发明可以在不同例子中重复参考数字和/或字母。这种重 复是为了简化和清楚的目的，其本身不指示所讨论各种实施例和/或设置之间的关系。此 外，本发明提供了的各种特定的工艺和材料的例子，但是本领域普通技术人员可以意识到 其他工艺的可应用于性和/或其他材料的使用。
[0025] 下面参考图1和图2描述根据本发明实施例的离心场边坡采空模拟设备100。
[0026] 如图1所示，根据本发明实施例的离心场边坡采空模拟设备100,包括:模型箱1、采 空模拟装置2、水箱3和水槽4。
[0027]具体地，模型箱1内适于填装土体12,模型箱1带有观察窗口 11，以便于实验中直接 观察和记录模型箱1内的土体12的破坏过程。采空模拟装置2位于模型箱1内底部，采空模拟 装置2包括消防管21，消防管21的一端(例如图2中所示的消防管21的左端)连接有进水防漏 堵头22且另一端(例如图2中所示的消防管21的右端)连接有出水防漏堵头23,进水防漏堵 头22和出水防漏堵头23用于密封消防管21的左右两端，以提高采空模拟装置2的密封性能。
[0028]消防管21内填充有硝酸钾211;水箱3与进水防漏堵头22相连，且水箱3与进水防漏 堵头22之间串接有电磁阀31，电磁阀31用于控制水箱3与进水防漏堵头22之间是否连通;水 槽4位于模型箱1的外面，且出水防漏堵头23连接至水槽4,电磁阀31打开时，水箱3中的水通 入消防管21并溶解硝酸钾211后排至水槽4,由此，可以实现边坡下土体12的采空过程的模 拟，以及采空作用下的边坡变形破坏模拟，并且在离心加速过程和地下采空过程中保持与 模型地基的应力路径和侧压状态与实际相符。
[0029]根据本发明实施例的离心场边坡采空模拟设备100,可以实现边坡下土体12的采 空过程的模拟，以及采空作用下的边坡变形破坏模拟，并且在离心加速过程和地下采空过 程中保持与模型地基的应力路径和侧压状态与实际相符。此外，采空形式可以为一个或多 个圆柱形采空区逐次采空，且结构简单，适用性广，可用于粘土、粉土等多种土质边坡；同 时，操作简单，可实时监控，材料安全，可靠性强。
[0030]此外，通过控制电磁阀31的开口控制水的流速，可以实现控制地下采空速度、地下 采空时间的模拟;通过改变消防管21的数量和截面面积可以实现控制采空范围的模拟；另 外通过将采空模拟装置2设在不同的位置，设置不同的边坡坡度，可以实现不同采空位置和 不同坡度的边坡采空模拟。
[0031 ]在本发明的一个实施例中，如图2所示，观察窗口 11可以由镶嵌在进水防漏堵头22 上的第一有机玻璃块111和固定进水防漏堵头22延伸部分(例如图1中所示的进水防漏堵头 22向左延伸的部分)的第二有机玻璃块112组成，由此，可以在满足模型箱1密封性能的前提 下，便于实验人员观察土体12的破坏情况。采空模拟装置2通过镶嵌在进水防漏堵头22上的 第一有机玻璃块111和固定进水防漏堵头22延伸部分的第二有机玻璃块112以及模型箱1后 壁上固定出水防漏堵头23的孔固定至模型箱1底部，由此，可以便于采空模拟装置2的安装 和固定，简化离心场边坡采空模拟设备100的结构。
[0032]在本发明的一些实施例中，如图1所示，水箱3高于消防管21，且消防管21高于水槽 4。由此，当电磁阀31打开时，水箱3内的水可以在重力作用下流向消防管21，消防管21内溶 解后的硝酸钾211溶液也可以在重力的作用下自动流向水槽4,从而使离心场边坡采空模拟 设备1 〇〇的结构更加合理。
[0033]在本发明的一些实施例中，如图1所示，消防管21可以与模型箱1的底壁之间间隔5 厘米到10厘米。由此，消防管21下部的土体12可以支撑消防管21的中间部分，同时减小模型 箱1底部对土坡的影响。
[0034]在本发明的一些实施例中，如图1所示，模型箱1内填充有土体12,且土体12的至少 一部分布置成斜坡状，以模拟边坡形状，且土体12的坡脚与模型箱1近侧边壁保留预定距 离。由此，可避免土坡临空面自由变形受到模型箱1边壁的影响。
[0035] 在本发明的一些实施例中，模型箱1的观察窗口 11的内表面上涂覆有硅油层，且模 型箱1的内表面的至少一部分上设有聚四氟乙烯薄膜，由此，可以减小边坡土体12与模型箱 1侧壁的摩擦。
[0036] 在本发明的一些实施例中，消防管21可以包括多个。由此，通过设置不同数量的消 防管21可以改变地下采空的范围，从而可以实现控制不同地下采空范围的模拟。
[0037] 当消防管21包括多个时，多个消防管21可以水平间隔布置、竖向间隔布置或沿倾 斜方向间隔布置。由此，可以在实现不同地下采空范围模拟的前提下，实现不同采空角度和 不同采空方向的模拟。
[0038] 当然，多个消防管21可以相互并联或串联。例如，当多个消防管21串联时，通过向 消防管21内通入水逐步溶解多个消防管21内的硝酸钾211时，可以实现多个圆柱形采空区 的逐次采空模拟；当多个消防管21并联时，水箱3中的水可以同时通入多个消防管21内，进 而同时溶解多个消防管21内的硝酸钾211，从而可以实现多个圆柱形采空区的同时采空模 拟。
[0039] 优选地，多个消防管21中的每一个均可以串接有电磁阀31，或多个消防管21分为 多组，且每组消防管21并联并串接电磁阀31。由此，每个消防管21或每组并联的消防管21均 可以独立控制是否通入水、通入水流的流速以及通入水的时间，从而可以实现控制地下采 空顺序、地下采空速度、地下采空时间以及地下采空范围的模拟。
[0040] 下面将参考图1和图2描述根据本发明一个具体实施例的离心场边坡采空模拟设 备 100〇
[0041 ]参照图1，离心场边坡采空模拟设备100包括模型箱1、采空模拟装置2、水箱3、水槽 4和控制模块。
[0042]具体地，如图1所示，模型箱1由错合金制成，箱内尺寸为60cm X 20cm X 52cm，其中， 模型箱1还可以包括必要的铝合金支架。
[0043]模型箱1的内部填装土体12,土体12的至少一部分布置成斜坡状，且斜坡的坡脚与 模型箱1近侧边壁保留一定距离，以避免土坡临空面自由变形受到模型箱1边壁的影响。
[0044] 在模型箱1前端(例如图2中所示的模型箱1的左端)放置内外层叠的第一有机玻璃 块111和第二有机玻璃块112作为观察窗口 11，以便实验中观察和记录模型的破坏过程。且 第一有机玻璃块111的内侧(例如图2中所示的第一有机玻璃块111的右侧)涂硅油，模型箱1 的与第一有机玻璃块111的相对的另一侧涂硅油并贴上聚四氟乙烯薄膜，以减小边坡土体 12与模型箱1侧壁的摩擦。
[0045] 采空模拟装置2用于模拟采空区采空的进行，采空模拟装置2包括模拟圆柱形式采 空区的消防管21，消防管21位于模型箱1内底部，消防管21内填充有硝酸钾211，消防管21的 两端分别设有与模型箱1连接的进水防漏堵头22和出水防漏堵头23,进水防漏堵头22的右 端镶嵌在第一有机玻璃块111上且左端固定在第二有机玻璃块112,出水防漏堵头23固定在 模型箱1的后壁上。消防管21的下部与模型箱1的底壁之间是7cm厚的土体12,用于支撑起消 防管21的中间部分，并减小模型箱1底部对土坡的影响。
[0046] 水箱3位于模型箱1的上方，用于向采空模拟装置2通水，水箱3还包括与进水防漏 堵头22相连接的进水管32和控制进水开关的电磁阀31，电磁阀31串接在水箱3和进水防漏 堵头22之间。
[0047] 控制模块用于控制电磁阀31的开闭，主要包含位于离心机室的下部控制箱和位于 操控室的上部控制箱，主要通过处理器向电磁阀31输出控制信号。
[0048] 水槽4位于模型箱1的下方，用于收集从采空模拟装置2中流出的硝酸钾211溶液。 水槽4通过出水管41与出水防漏堵头23相连。
[0049]当接通电磁阀31电源时，电磁阀31打开，水箱3中的水通过进水管3 2进入到模型箱 1当中的采空模拟装置2中去，并使得硝酸钾211融化，得到的硝酸钾211溶液从出水管41路 排出至水槽4，完成采空的模拟。
[0050]根据本发明实施例的离心场边坡采空模拟设备100,可以实现了边坡离心模型试 验过程中的地下采空，包括模型地基固结，边坡采空，边坡变形和破坏，能够保持固结过程 和开挖过程中模型地基的应力路径和侧压状态符合实际。
[0051 ]根据本发明实施例的离心场边坡采空模拟设备100，采用离心场自动开挖模拟方 式，与传统边坡采空模拟方法(例如，重力场（lg环境下)将拟采空土体挖掉后再增大离心加 速度进行试验的停机采空模拟方式)相比具有显著的优势，可以更好地模拟了地下采空过 程中土体12的应力和应变结果。
[0052]如表1所示为本发明实施例的离心场边坡采空模拟设备100的自动采空方式与两 种较常用的传统采空模拟方式的详细比较。由表1可知，与传统采空模拟设备相比，本发明 的采空模拟设备100具有操作性强、安全性高、应力路径和侧压状态符合实际等显著的优 势。
[0053]表1不同模拟开挖方法的比较
[0055] 在本发明的描述中，需要理解的是，术语"长度"、"宽度"、"厚度"、"上"、"下"、 "前"、"后"、"左"、"右"、"竖直"、"水平"、"顶"、"底"、"内"、"外"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。
[0056] 此外，术语"第一"、"第二"仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性 或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有"第一"、"第二"的特征可以明示或者 隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，"多个"的含义是两个或两个以上， 除非另有明确具体的限定。
[0057]在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语"安装"、"相连"、"连接"、"固定"等 术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体;可以是机械连 接，也可以是电连接，还可以是通信;可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以 是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可 以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
[0058] 在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征"上"或"下"可以 是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在 第二特征"之上"、"上方"和"上面"可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示 第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征"之下"、"下方"和"下面"可以是第 一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
[0059] 在本说明书的描述中，参考术语"一个实施例"、"一些实施例"、"示例"、"具体示 例"、或"一些示例"等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特 点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不 必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任 一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技 术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结 合和组合。
[0060] 尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解:在不 脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本 发明的范围由权利要求及其等同物限定。
【主权项】
1. 一种离心场边坡采空模拟设备，其特征在于，包括： 带有观察窗口的模型箱，所述模型箱内适于填装土体； 采空模拟装置，所述采空模拟装置位于所述模型箱内底部，所述采空模拟装置包括消 防管，所述消防管的一端连接有进水防漏堵头且另一端连接有出水防漏堵头，所述消防管 内填充有硝酸钾； 水箱，所述水箱与所述进水防漏堵头相连，且所述水箱与所述进水防漏堵头之间串接 有电磁阀； 水槽，所述水槽位于所述模型箱的外面，且所述出水防漏堵头连接至所述水槽， 所述电磁阀打开时，所述水箱中的水通入所述消防管并溶解硝酸钾后排至所述水槽。2. 根据权利要求1所述的离心场边坡采空模拟设备，其特征在于，所述观察窗口由镶嵌 在所述进水防漏堵头上的第一有机玻璃块和固定所述进水防漏堵头延伸部分的第二有机 玻璃块组成， 所述采空模拟装置通过镶嵌在所述进水防漏堵头上的所述第一有机玻璃块和固定所 述进水防漏堵头延伸部分的所述第二有机玻璃块以及所述模型箱后壁上固定所述出水防 漏堵头的孔固定至所述模型箱底部。3. 根据权利要求1所述的离心场边坡采空模拟设备，其特征在于，所述水箱高于所述消 防管，且所述消防管高于所述水槽。4. 根据权利要求1所述的离心场边坡采空模拟设备，其特征在于，所述消防管与所述模 型箱的底壁之间间隔5厘米到10厘米。5. 根据权利要求1所述的离心场边坡采空模拟设备，其特征在于，所述模型箱内填充有 土体，且所述土体的至少一部分布置成斜坡状，且所述土体的坡脚与所述模型箱近侧边壁 保留预定距离。6. 根据权利要求1所述的离心场边坡采空模拟设备，其特征在于，所述消防管包括多 个。7. 根据权利要求6所述的离心场边坡采空模拟设备，其特征在于，多个所述消防管水平 间隔布置、竖向间隔布置或沿倾斜方向间隔布置。8. 根据权利要求6所述的离心场边坡采空模拟设备，其特征在于，多个所述消防管相互 并联或串联。9. 根据权利要求6所述的离心场边坡采空模拟设备，其特征在于，多个所述消防管中的 每一个均串接有所述电磁阀， 或多个所述消防管分为多组，且每组所述消防管并联并串接电磁阀。
【文档编号】G01N33/24GK105911245SQ201610210672
【公开日】2016年8月31日
【申请日】2016年4月6日
【发明人】张嘎, 于京池, 石睿杰
【申请人】清华大学