用于滚石释放、滚动、碰撞过程进行物理模拟的实验系统的制作方法

1.本实用新型涉及工程建设技术领域，尤其涉及一种用于滚石释放、滚动、碰撞过程进行物理模拟的实验系统。


背景技术：

2.滚石实验是研究边坡危岩体失稳后运动特征、力学特征和恢复系数的有效手段，有着其它方法不可比拟的优点。目前在实际实验中，主要分为野外现场实验及室内模型实验。野外现场实验通过在选定自然边坡上人工滚落岩石，记录岩石滚落过程中运动时间、速度、弹跳高度等参数进行研究。室内模型实验多模拟滚石释放后与材料板碰撞以研究冲击力，或是模拟滚石不同释放方式后在模拟坡面的运动特征。滚石运动是一种随机性极强的地质灾害，滚石的运动与冲击在自身材质、形状、大小、坡面材料、坡度等众多因素影响下会表现得截然不同。因此不管是野外实验还是室内实验大多采用正交实验法探究不同影响因子的权重。野外实验的不足之处在于：正交实验要求在多个影响因子的多种组合情况下进行实验，野外实验难以根据实验要求提供适合滚落实验坡面材料及坡度的边坡，灵活性较差；在一个实验场地的实验结果也难以应用于其他工程项目。室内模型实验不足之处在于：虽然在坡面材料及坡度变化方面避免了野外实验的因素不变性，但目前的实验装置在坡面材料铺设厚度及坡度调节过于随意，精确性不高，难以达到预期效果；此外实验过程多为失稳
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滚动、失稳
‑
碰撞型，缺乏滚石失稳
‑
滚动
‑
碰撞全过程实验系统，所述实用新型模拟实验系统不仅能模拟滚石失稳
‑
滚动
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碰撞运动全过程，同时也能拆分模拟失稳
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滚动或失稳
‑
碰撞过程分别来研究滚石的滚动恢复系数和碰撞恢复系数，功能性十分全面。


技术实现要素：

3.本实用新型针对现有技术的缺陷，提供了一种用于滚石释放、滚动、碰撞过程进行物理模拟的实验系统，能有效的解决上述现有技术存在的问题。
4.为了实现上述目的，本实用新型采用了如下技术方案：一种用于滚石释放、滚动、碰撞过程进行物理模拟的实验系统，包括滚动模拟实验系统、释放模拟系统、碰撞模拟实验装置、摄影系统和角度定位尺；所述释放模拟系统设置在滚动模拟实验系统的滑槽上端，所述碰撞模拟实验装置设置在滚动模拟实验系统的滑槽下端；所述摄影系统设置在滚动模拟实验系统的滑槽下端的前方；所述角度定位尺设置在滚动模拟实验系统的滑槽上。
5.进一步地，所述滚动模拟实验系统包括滑槽、第一垫层、可拆卸钢架、可伸缩支架、扶梯、螺栓和操作平台，其中滑槽由第一铁板、防滑格网和结构钢管；
6.所述操作平台两侧连接用于人员上下的扶梯和用于滚石滑动实验的滑槽，在所述滑槽与操作平台连接处有用于转动的螺栓；
7.所述滑槽下部有可伸缩支架，根据滚石实验坡度要求进行角度调节；
8.所述滑槽中第一铁板下部采用3根结构钢管进行加固稳定，内部底层是用钢筋焊接的防滑格网，防滑格网上根据实验要求铺设不同实验材料的垫层；
9.所述滑槽、扶梯、操作平台均由可拆卸钢架进行搭建；
10.所述滑槽表面固定有角度定位尺，用于精确调节滑槽角度。
11.进一步地，所述释放模拟系统包括释放槽、转动把手、抽插门、第一角度定位尺、第一可伸缩杆、第一底座和拉线；
12.所述释放槽上部开口，其前面为一可在拉线拉扯下上下活动的抽插门，以控制滚石的释放；
13.所述第一可伸缩杆两侧前段都开有圆孔，释放槽通过圆孔与第一可伸缩杆连接，所述转动把手通过第一可伸缩杆前段圆孔与释放槽固定连接，所述释放槽可在转动把手控制下进行转动，所述释放槽外部安装有第一角度定位尺以精确控制释放槽转动角度，通过转动释放槽来模拟坠落式、滑移式、倾倒式危岩体；
14.所述第一可伸缩杆能上下伸缩控制释放高度，下部与第一底座连接固定。
15.进一步地，所述碰撞模拟实验装置包括第二垫层、第二铁板、第二角度定位尺、第二可伸缩杆、第二底座和力传感器。
16.所述碰撞模拟实验装置左侧面及上面开口，其余面均由第二铁板围成，其底部铺设力传感器，以测定实验时滚石碰撞冲击力；力传感器上面铺设不同实验材料的第二垫层；
17.所述碰撞模拟实验装置外部固定安装有第二角度定位尺，用于精确调节碰撞角度；
18.所述碰撞模拟实验装置下部由4根第二可伸缩杆支撑并调节装置高度，并排两根第二可伸缩杆固定于第二底座。
19.进一步地，所述摄影系统包括三脚架组成和设置在三脚架组成上的高速摄影机。
20.进一步地，所述角度定位尺由指针、角刻度盘组成；
21.进一步地，所述角刻度盘上标有角度刻度，中部为0
°
，其两侧底部均为 90
°
；指针通过螺栓与角刻度盘中部连接，始终保持垂直于地面，在角刻度盘随其他装置转动时指针将指向不同刻度。
22.进一步地，所述滚动模拟实验系统总高度4.5m，所述操作平台高度4m、宽0.5m；所述扶梯宽度1m；滑槽总长度6m、宽度0.5m；所述铁板高20cm；所述防滑格网厚2cm；所述第一垫层厚8cm；所述结构钢管与滑槽同长6m，其直径8cm。
23.进一步地，所述释放模拟系统中的释放槽长30cm、宽20cm、高20cm；所述转动把手长28cm，其与释放槽连接段长7cm；单根所述第一可伸缩杆宽4cm、其圆孔直径4cm、其折弯处角度125
°
；所述抽插门宽19cm、高20cm；所述拉线长10cm；所述第一底座长50cm、宽30cm。
24.进一步地，所述碰撞模拟实验装置长0.5m、宽0.5、高0.3m；所述第二垫层厚度5cm；单个第二底座宽25cm，长0.5m。
25.进一步地，所述角度定位尺中角刻度盘直径20cm，所述指针总长25cm、上部长7cm、下部长18cm。
26.本实用新型具有如下有益效果：
27.本实用新型可以对危岩体不同失稳方式
‑
滚动
‑
碰撞全过程进行模拟实验，具有结构简单，操作方便，灵活性高，可调范围大，调节精度高，适用范围广，数据采集全面等优点，全过程模拟能更真实反应滚石运动特征及力学特征，能有效提高模型实验的可信度。
附图说明
28.图1为本实用新型实施例滚石模拟实验系统示意图；
29.图2为本实用新型实施例滚动模拟实验系统ⅰ结构侧视示意图；
30.图3为本实用新型实施例滚动模拟实验系统ⅰ结构俯视结构及滑槽断面结构示意图；
31.图4为本实用新型实施例释放模拟系统ⅱ结构示意图；
32.图5为本实用新型实施例碰撞模拟实验装置ⅲ结构示意图；
33.图6为本实用新型实施例摄影系统ⅳ结构示意图；
34.图7为本实用新型实施例角度定位尺
ⅴ
结构示意图。
35.附图标记：
ⅰ‑
滚动模拟实验系统；
ⅱ‑
释放模拟系统；
ⅲ‑
碰撞模拟实验装置；
ⅳ‑
摄影系统；
ⅴ‑
角度定位尺；1
‑
滑槽；2
‑
第一垫层；3
‑
可拆卸钢架； 4
‑
可伸缩支架；5
‑
扶梯；6
‑
螺栓；7
‑
操作平台；8
‑
第一铁板；9
‑
防滑格网； 10
‑
结构钢管；11
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释放槽；12
‑
转动把手；13
‑
抽插门；14
‑
第一角度定位尺； 15
‑
第一可伸缩杆；16
‑
第一底座；17
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拉线；18
‑
力传感器；19
‑
指针；20
‑
角刻度盘；21
‑
高速摄影机；22
‑
第二垫层；23
‑
第二铁板；24
‑
第二角度定位尺； 25
‑
第二可伸缩杆；26
‑
第二底座；27
‑
三脚架。
具体实施方式
36.下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。
37.为了降低野外作业人员的工作强度并提升采集数据的质量，本实用新型提供了一种用于滚石释放、滚动、碰撞过程进行物理模拟的实验系统，该装置不仅方便易携、操作简便，而且能自由调整振动幅度和振动频率，为野外施工提供多种施工方案，以获取高质量的振动信号。
38.参照图1
‑
7，本实用新型提供的一种实施例：一种用于滚石释放、滚动、碰撞过程进行物理模拟的实验系统，包括滚动模拟实验系统ⅰ、释放模拟系统ⅱ、碰撞模拟实验装置ⅲ、摄影系统ⅳ和角度定位尺
ⅴ
；所述释放模拟系统ⅱ设置在滚动模拟实验系统ⅰ的滑槽1上端，所述碰撞模拟实验装置ⅲ设置在滚动模拟实验系统ⅰ的滑槽1下端；所述摄影系统ⅳ设置在滚动模拟实验系统ⅰ的滑槽1下端的前方；所述角度定位尺
ⅴ
设置在滚动模拟实验系统ⅰ的滑槽1上。
39.在本实施例中，所述滚动模拟实验系统ⅰ包括滑槽1、第一垫层2、可拆卸钢架3、可伸缩支架4、扶梯5、螺栓6和操作平台7，其中滑槽1由第一铁板8、防滑格网9和结构钢管10；
40.所述操作平台7两侧连接用于人员上下的扶梯5和用于滚石滑动实验的滑槽1，在所述滑槽1与操作平台7连接处有用于转动的螺栓6；
41.所述滑槽1下部有可伸缩支架4，根据滚石实验坡度要求进行角度调节；
42.所述滑槽1中第一铁板8下部采用3根结构钢管10进行加固稳定，内部底层是用钢筋焊接的防滑格网9，防滑格网9上根据实验要求铺设不同实验材料的垫层2；
43.所述滑槽1、扶梯5、操作平台7均由可拆卸钢架3进行搭建；
44.所述滑槽1表面固定有角度定位尺
ⅴ
，用于精确调节滑槽角度。
45.在本实施例中，所述释放模拟系统ⅱ包括释放槽11、转动把手12、抽插门13、第一角度定位尺14、第一可伸缩杆15、第一底座16和拉线17；
46.所述释放槽11上部开口，其前面为一可在拉线17拉扯下上下活动的抽插门13，以控制滚石的释放；
47.所述第一可伸缩杆15两侧前段都开有圆孔，释放槽11通过圆孔与第一可伸缩杆15连接，所述转动把手12通过第一可伸缩杆15前段圆孔与释放槽 11固定连接，所述释放槽11可在转动把手12控制下进行转动，所述释放槽11外部安装有第一角度定位尺14以精确控制释放槽11转动角度，通过转动释放槽11来模拟坠落式、滑移式、倾倒式危岩体；
48.所述第一可伸缩杆15能上下伸缩控制释放高度，下部与第一底座16连接固定。
49.在本实施例中，所述碰撞模拟实验装置ⅲ包括第二垫层22、第二铁板23、第二角度定位尺24、第二可伸缩杆25、第二底座26和力传感器18。
50.所述碰撞模拟实验装置ⅲ左侧面及上面开口，其余面均由第二铁板23围成，其底部铺设力传感器18，以测定实验时滚石碰撞冲击力；力传感器18上面铺设不同实验材料的第二垫层22；
51.所述碰撞模拟实验装置ⅲ外部固定安装有第二角度定位尺24，用于精确调节碰撞角度；
52.所述碰撞模拟实验装置ⅲ下部由4根第二可伸缩杆25支撑并调节装置高度，并排两根第二可伸缩杆25固定于第二底座26。
53.在本实施例中，所述摄影系统ⅳ包括三脚架组成27和设置在三脚架组成 27上的高速摄影机21。
54.在本实施例中，所述角度定位尺
ⅴ
由指针19、角刻度盘20组成。
55.在本实施例中，所述角刻度盘20上标有角度刻度，中部为0
°
，两侧底部均为90
°
；指针19通过螺栓与角刻度盘20中部连接，始终保持垂直于地面，在角刻度盘20随其他装置转动时指针19将指向不同刻度。
56.在本实施例中，所述滚动模拟实验系统ⅰ总高度4.5m，所述操作平台7 高度4m、宽0.5m；所述扶梯5宽度1m；滑槽1总长度6m、宽度0.5m；所述铁板8高20cm；所述防滑格网9厚2cm；所述第一垫层2厚8cm；所述结构钢管10与滑槽1同长6m，其直径8cm。
57.在本实施例中，所述释放模拟系统ⅱ中的释放槽11长30cm、宽20cm、高20cm；所述转动把手12长28cm，其与释放槽11连接段长7cm；单根所述第一可伸缩杆15宽4cm、其圆孔直径4cm、其折弯处角度125
°
；所述抽插门13宽19cm、高20cm；所述拉线17长10cm；所述第一底座16长50cm、宽30cm。
58.在本实施例中，所述碰撞模拟实验装置ⅲ长0.5m、宽0.5、高0.3m；所述第二垫层2厚度5cm；单个第二底座26宽25cm，长0.5m。
59.在本实施例中，所述角度定位尺
ⅴ
中角刻度盘20直径20cm，所述指针 19总长25cm、上部长7cm、下部长18cm。
60.在本实施例中，所述释放模拟系统ⅱ放置在操作平台7上，碰撞模拟实验装置ⅲ放置在滑槽1出口处，摄影系统ⅳ放置在碰撞模拟实验装置ⅲ和滑槽1旁边用以记录滚石运动速度和碰撞情况。角度定位尺
ⅴ
固定在需要精确调节角度的释放槽11、滑槽1、碰撞模拟实
验装置ⅲ上。
61.首先根据实验的坡度要求调解滑槽1角度和碰撞模拟实验装置ⅲ角度，根据实验坡面材料要求在滑槽1和碰撞模拟实验装置ⅲ铺设相关材料的垫层，垫层厚度可灵活调整
62.通过释放模拟系统ⅱ中释放槽11上的转动把手12进行转动时，可模拟坠落式、滑移式、倾倒式危岩体的失稳过程。当顺时针转动角度为0～90
°
之间时，利用拉线17瞬间将抽擦门13抽出，滚石样品沿释放槽11滑移而出，可模拟滑移式危岩体失稳过程；当顺时针转动角度为90时，即抽擦门13面向地面，利用拉线17瞬间将抽擦门13抽出，滚石样品失去底部约束从而垂直坠落，可模拟坠落式危岩体失稳过程；当转动角度开始大于90
°
时，即释放槽11原上部开放面开始倾向右下方，滚石样品将会呈倾倒式被“倒”出，可模拟倾倒式危岩体失稳过程。此外，除了通过释放模拟系统ⅱ来启动滚石样品，还可根据实验要求通过人工在操作平台7上无初速度释放样品。
63.被释放后的滚石沿滑槽1滚动，至出口时冲出并与碰撞模拟实验装置ⅲ碰撞反弹，在第二铁板23的拦截下停止运动，摄影系统ⅳ记录运动过程和运动速度，碰撞模拟实验装置ⅲ底部布置的力传感器18记录碰撞过程中滚石的冲击力。
64.在本实施例中，所述模拟实验系统不仅能模拟危岩体失稳
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滚动
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碰撞全过程的运动特征和力学特征，以及滚石材质、形状、重量、坡面材料、坡度等对滚石运动的影响权重，还能通过计算滚石在滚动和碰撞过程中的能量损失来研究滚动恢复系数和碰撞恢复系数，功能十分全面，能充分满足滚石实验的多种要求。
65.最后应说明的是：以上所述仅为本实用新型的优选实施例而已，并不用于限制本实用新型，尽管参照前述实施例对本实用新型进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换，凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。