基于电磁原理滑动面模拟的滑坡模型试验装置

1.本实用新型属于滑坡模型试验装置领域，特别涉及一种基于电磁力模拟滑动面正压力来调整滑坡滑动面抗剪强度参数的滑坡模型试验装置。


背景技术：

2.滑坡体的稳定性就成为地质灾害防治领域关注的重要问题，滑坡体如何失稳、在什么条件下失稳需要深入研究，模型试验是研究滑坡稳定性的重要方法。很多人对滑坡稳定性的滑坡模型试验开展过深入的研究，主要有框架式模型试验和离心机模型试验两类，其中框架式模型试验又分为二维和三维滑坡模型试验。三维滑坡模型试验和离心机模型试验设备造价和试验成本高，目前研究者主要还是采用二维小型模型架来研究滑坡稳定性。
3.滑坡稳定性主要受控于内因滑带土抗剪强度和外因外荷载、人类活动或地震干扰诱发，滑坡试验模型的启动下滑可采用两条途径：其一是减小滑坡模型滑带的抗剪强度，其二是增加滑坡模型的外荷载。存在的技术问题为：
4.1、目前对滑坡常用施加降雨过程减弱滑坡岩土体抗剪强度、增加滑坡体自重，涉水滑坡也常增加库水位变动来研究其稳定性，这种方法研究降雨与库水对滑坡稳定的影响是有效的，但对于研究滑坡失稳条件时，其失稳启动破坏过程难以人为控制，而且这种对滑坡稳定的影响难以定量描述。
5.2、有人通过抬升模型架的后侧来增加滑坡体下倾角来模拟对滑坡模型施加重力荷载，以此来提高滑坡体的下滑力，确定滑坡模型失稳时滑坡体的下倾角，但考虑到模型架本身的侧翻风险和千斤顶行程有限，这种角度抬升一般控制在5度左右，通过角度抬升来研究滑坡稳定性常常有较大的局限性。
6.3、有人利用热敏材料来模拟软弱夹层，通过铺设电发热带(管)来控制软弱夹层的抗剪强度，但温度对滑带土之外周边介质的物理力学特性也产生影响，对考虑滑带土抗剪强度无法实现分区控制调整。


技术实现要素：

7.鉴于背景技术所存在的技术问题，本实用新型所提供的基于电磁原理滑动面模拟的滑坡模型试验装置，采用多套钢制平板在安装有小型电磁铁的u型滑道上滑动来模拟滑动面的失稳移动，通过调整电磁铁的工作电流大小来调整电磁铁与钢制平板之间的电磁力，即调整滑动摩擦的正压力大小，以此来调整滑动面的摩擦力大小，相当于模型试验滑体厚度不变情况下(正压力不变情况下)模拟调整滑动面的摩擦系数(抗剪强度)的变化；可实现滑坡模型滑动面抗剪强度的整体调整或分区调整。
8.为了解决上述技术问题，本实用新型采取了如下技术方案来实现：
9.一种基于电磁原理滑动面模拟的滑坡模型试验装置，包括u型滑道、基准平板和多个滑动平板；u型滑道上可拆卸地设有多个电磁铁；具体地，u型滑道上设有多个螺丝孔，螺丝孔处通过调节螺丝安装有电磁铁，调节螺丝用于调节电磁铁的高度；
10.滑动平板包括面板，面板底部设有支撑腿，支撑腿上设有水平导向杆，水平导向杆上设有滚轮；
11.基准平板的结构包括了滑动平板的结构，另外在基准平板的面板的设有第二插销孔，面板的侧部设有传力板；
12.u型滑道包括滑道底板和侧翼，侧翼上设有第一插销孔，第一插销孔与第二插销孔相适配，第一插销孔与第二插销孔和之间通过插销连接；侧翼下端部可拆卸地设有支挡结构，支挡结构上设有压力传感器，压力传感器位置与传力板位置相适配。
13.优选的方案中，所述的侧翼下端部设有螺栓孔，螺栓孔通过调整螺栓与支挡结构连接。
14.优选的方案中，所述的面板的宽度与u型滑道宽度相同，支撑腿的高度大于侧翼的高度；支撑腿底部为弧形。
15.优选的方案中，所述的u型滑道为不锈钢材质、基准平板和滑动平板均为普通低碳钢材质。
16.本专利可达到以下有益效果：
17.本实用新型是采用多套钢制平板在安装有小型电磁铁的不锈钢轨道上滑动来模拟滑坡滑动面滑动，用电磁铁与钢制平板之间的电磁力来调整两者之间的正压力，从而实现两者之间的摩擦系数变化，从而实现滑动面的抗剪强度变化的模拟。本实用新型可实现坡角从8.530-67.220的模拟和控制，并可实现滑坡模型滑动面抗剪强度的整体调整或分区调整。
附图说明
18.下面结合附图和实施例对本实用新型作进一步说明：
19.图1为本实用新型滑坡模型试验立面示意图；
20.图2为本实用新型u型滑道立体结构示意图；
21.图3为本实用新型u型滑道与基准平板和滑动平板组合立体结构示意图；
22.图4为本实用新型支挡结构正视图；
23.图5为本实用新型基准平板立体结构示意图；
24.图6为本实用新型滑动平板及之后平板立体结构示意图。
25.图中：滑床1、滑体2、u型滑道3、基准平板4、滑动平板5、滑道底板6、侧翼7、螺丝孔8、螺栓孔9、第一插销孔10、支挡结构11、调整螺栓12、压力传感器13、插销14、第二插销孔15、传力板16、水平导向杆17、支撑腿18、面板19、绝缘漆20。
具体实施方式
26.实施例1：
27.优选的方案如图1至图6所示，一种基于电磁原理滑动面模拟的滑坡模型试验装置，包括u型滑道3、基准平板4和多个滑动平板5，基准平板4和滑动平板5均为钢制平板；u型滑道3上设有多个螺丝孔8，螺丝孔8处通过调节螺丝安装有电磁铁，调节螺丝用于调节电磁铁的高度；
28.滑动平板5包括面板19，面板19底部设有支撑腿18，支撑腿18上设有水平导向杆
17，水平导向杆17上设有滚轮；
29.基准平板4的结构包括了滑动平板5的结构，另外在基准平板4的面板19的设有第二插销孔15，面板19的侧部设有传力板16；
30.u型滑道3包括滑道底板6和侧翼7，侧翼7上设有第一插销孔10，第一插销孔10与第二插销孔15相适配，第一插销孔10与第二插销孔15和之间通过插销14连接；侧翼7下端部可拆卸地设有支挡结构11，支挡结构11上设有压力传感器13，压力传感器13位置与传力板16位置相适配。
31.试验模型由滑床1、滑体2、u型滑道3、基准平板4和多个滑动平板5、圆柱形电磁铁以及多套24v可调式变压器供电电源等构成。滑床1由粘土堆砌或混凝土浇筑成型，滑体2由模型材料分层制作成型，该两部分的试验模拟技术不包括在本实用新型之内。u型滑道3可根据模型试验滑动面形状要求制作成折线形或卷制成弧形，由不锈钢制光滑的滑道底板6、两侧有与底板垂直的侧翼7和支挡结构11三部分构成，侧翼下端留有2个固定支挡结构11的螺栓孔9和2个固定基准平板4的第一插销孔10。侧翼7下端部设有螺栓孔9，螺栓孔9通过调整螺栓12与支挡结构11连接。
32.面板19的宽度与u型滑道3宽度相同，厚度8mm，支撑腿18的高度大于侧翼7的高度；支撑腿18底部为弧形。水平导向杆17连接有四个不锈钢滚轮，支撑腿18为四个，面板19前后侧面涂刷绝缘漆20，弧形钢制的支撑腿18高度略大于u型滑道3的高度。本实用新型的u型滑道3为不锈钢材质，基准平板4和滑动平板5均为普通低碳钢材质。
33.圆柱形电磁铁可采用小型直流电吸盘式电磁铁(如兴达xda系列电磁铁，具体型号可根据模型试验具体情况选择)，通过可调式螺栓与滑道底板(6)连接，圆柱形电磁铁采用24v可调式变压器供电电源供电。
34.基于电磁原理滑动面模拟的滑坡模型试验装置的试验方法，包括以下步骤：
35.步骤一，制作滑床1：用粘土压实制作滑床1及其滑动面；
36.具体操作为：根据所试验的原型滑坡的规模和滑动面形状，确定模型的尺寸，并采用木模板制作可拆卸的长方体的模型支架，在模型支架内用粘土压实制作滑床1和滑动面，模型材料与模型架之间铺设塑料薄膜，滑床制作完成后拆除模型支架。
37.步骤二，u型滑道3的形状根据滑动面制作，u型滑道3放置在滑动面上，保证两者充分接触；
38.步骤三，对所有的基准平板4和滑动平板5进行称重；在滑道底板6底部的多个螺丝孔8位置固定电磁铁；
39.步骤四，把基准平板4放置在u型滑道3上，通过调整电磁铁的调节螺丝，保证电磁铁与基准平板4充分接触，安装插销14固定基准平板4；
40.步骤五，在滑道底板6上由下而上依次安装其他电磁铁和滑动平板5，通过调整电磁铁的调节螺丝，保证电磁铁与滑动平板5充分接触；将多个滑动平板5安装完成后，则完成整个滑动面的安装；
41.步骤六，安装支挡结构11：将安装支挡结构11通过调整螺栓12和螺栓孔9固定在u型滑道3端部，通过调节调整螺栓12的松紧程度，保证压力传感器13与传力板16接触，并产生略大于零的数值，并对压力传感器数值清零；
42.步骤七，拔掉插销14，等压力传感器数值稳定后记录传感器数值下滑力根据基准
平板4和所有滑动平板5重量，以及基准平板4和滑动平板5所在坡面的坡角，计算获得基准平板4和滑动平板5和u型滑道3的滑动摩擦系数；
43.例如：单个钢制平板尺寸为长40cm、宽20cm，厚0.8cm，左右侧向带不锈钢轮的水平导向杆17与侧翼7的滚动仅起到定位的作用，因水平侧压力很小且为滚动摩擦，其摩擦力可忽略不计，其所在位置上方覆盖的滑坡模型滑体2高度为50cm、模型容重为2.0
×
103kg/m3，此处模型倾角为300，弧形钢制支撑腿18与u形不锈钢滑道底板6以及电磁铁表面的滑动摩擦系数为0.15，滑动平板自重60kg，每个平板下方安装6个有兴达电磁铁xda-80/80(24v时最大吸力300kg)，滑动面主要参数及结果如下表所示：
[0044][0045]
表1坡度与动摩擦系数关系表
[0046]
步骤八，重新插上插销14，拆除支挡结构11；在滑动面制作滑体2；
[0047]
具体方法为：拆除支挡结构11，滑床1左右两侧恢复安装木模板框架，并采用滑体的模型相似材料，采用分层压实的方法制作成型滑体，滑体模型材料与模型架之间铺设塑料薄膜。模型滑体制作完成后，拆掉木制模板和塑料薄膜，形成了无侧限的滑坡试验模型。滑体2固定在由基准平板4和滑动平板5组成的滑动面上。
[0048]
步骤九，按照n个电磁铁分为一组的方式并联接入可调直流电源，每一个电磁铁采用各自独立的可调电源分开控制，电源线从u型滑道3上端引出；
[0049]
本实施例n＝6，每六个电磁铁为一组，每个基准平板4或滑动平板5底部设有一组电磁铁。
[0050]
步骤十，再次安装支挡结构11，通过调节调整螺栓12的松紧程度，保证压力传感器13与传力板16接触，并产生略大于零的数值，并对压力传感器数据清零；
[0051]
步骤十一，所有电磁铁接通电源，并调整到额定电压(24v电压)状态，拔出插销14，等压力传感器数值稳定后记录压力传感器数值(下滑力)，通过调整不同钢制平板的电磁铁电压，可获得滑动面抗剪强度分区调整的压力传感器数值(下滑力)大小，或者同步调整所有电磁铁的电压为相同数值，获得滑动面不同抗剪强度下的压力传感器数值(下滑力)大小，可获知边坡在不同坡角时的安全系数以及临界失稳滑动面抗剪强度大小，也可获知滑动面不同分区抗剪强度大小变化对滑坡稳定的敏感性，获得控制滑坡稳定的关键区块。
[0052]
综上所述，本实用新型可通过在室内利用电磁原理的电磁力模拟滑动面正压力，进而模拟调整滑动面摩擦力大小的变化，实现对滑坡模型试验滑动面抗剪强度的整体、分区调整控制，并测定在不同电压(电磁力、正压力、摩擦系数)下滑坡模型的下滑力大小，可获知滑坡在不同坡角时的安全系数以及临界失稳启动条件，可获知滑动面不同分区抗剪强度大小变化对滑坡稳定的敏感性，获得控制滑坡稳定的关键区块。
[0053]
上述的实施例仅为本实用新型的优选技术方案，而不应视为对于本实用新型的限制，本实用新型的保护范围应以权利要求记载的技术方案，包括权利要求记载的技术方案中技术特征的等同替换方案为保护范围。即在此范围内的等同替换改进，也在本实用新型的保护范围之内。

技术特征：
1.一种基于电磁原理滑动面模拟的滑坡模型试验装置，其特征在于：包括u型滑道（3）、基准平板（4）和多个滑动平板（5）；u型滑道（3）上可拆卸地设有多个电磁铁；滑动平板（5）包括面板（19），面板（19）底部设有支撑腿（18），支撑腿（18）上设有水平导向杆（17），水平导向杆（17）上设有滚轮；基准平板（4）的结构包括了滑动平板（5）的结构，另外在基准平板（4）的面板（19）的设有第二插销孔（15），面板（19）的侧部设有传力板（16）；u型滑道（3）包括滑道底板（6）和侧翼（7），侧翼（7）上设有第一插销孔（10），第一插销孔（10）与第二插销孔（15）相适配，第一插销孔（10）与第二插销孔（15）和之间通过插销（14）连接；侧翼（7）下端部可拆卸地设有支挡结构（11），支挡结构（11）上设有压力传感器（13），压力传感器（13）位置与传力板（16）位置相适配。2.根据权利要求1所述的基于电磁原理滑动面模拟的滑坡模型试验装置，其特征在于：侧翼（7）下端部设有螺栓孔（9），螺栓孔（9）通过调整螺栓（12）与支挡结构（11）连接。3.根据权利要求1所述的基于电磁原理滑动面模拟的滑坡模型试验装置，其特征在于：面板（19）的宽度与u型滑道（3）宽度相同，支撑腿（18）的高度大于侧翼（7）的高度；支撑腿（18）底部为弧形。4.根据权利要求1所述的基于电磁原理滑动面模拟的滑坡模型试验装置，其特征在于：u型滑道（3）为不锈钢材质、基准平板（4）和滑动平板（5）为普通低碳钢钢材质。

技术总结
一种基于电磁原理滑动面模拟的滑坡模型试验装置，包括U型滑道；U型滑道上设有多个螺丝孔，螺丝孔处通过调节螺丝安装有电磁铁，调节螺丝用于调节电磁铁的高度；滑动平板包括面板，面板底部设有支撑腿，支撑腿上设有水平导向杆，水平导向杆上设有滚轮；基准平板的结构包括了滑动平板的结构，另外在基准平板的面板的设有插销孔，面板的侧部设有传力板；U型滑道包括滑道底板和侧翼，侧翼上设有插销孔，插销孔与插销孔和之间通过插销连接；侧翼下端部可拆卸地设有支挡结构，支挡结构上设有压力传感器，压力传感器位置与传力板位置相适配。本实用新型可实现坡角从8.530-67.220的模拟和控制，并可实现滑坡模型滑动面抗剪强度的整体调整或分区调整。整或分区调整。整或分区调整。


技术研发人员：程圣国 张博 吴剑 田东方
受保护的技术使用者：三峡大学
技术研发日：2022.09.26
技术公布日：2023/9/19