可变坡度和坡高的八面体边坡灾害模拟试验系统及方法

技术领域

本发明属于岩土体运动学试验技术领域，尤其涉及一种可变坡度和坡高的八面体边坡灾害模拟试验系统及方法。

背景技术

目前，我国西部山区地质构造复杂，活动断裂分布广，地震灾害频发。地震滑坡作为地震的严重次生灾害之一，严重威胁着人们的生命和财产安全。研究表明，地震诱发的滑坡在不同方位上往往表现出不同的稳定性、破坏和运动特征，该现象被称为滑坡的方向效应。深入研究地震滑坡方向效应有利于对边坡进行有针对性的防护，在节约工程经济成本的同时，保证边坡的安全性和可靠性。

振动台实验作为岩土地震工程学的重要研究手段，被广泛应用于岩土体运动学研究领域。近年来，地震滑坡方向效应的研究对岩土体运动学实验设备在多方向、大刚度、可调节等方面提出了更高的要求。然而现有边坡实验台大都仅有单个边坡，无法满足同时进行多个方向研究的需求；另外现有试验台多为一个整体，不能根据需要调节边坡的坡度和坡高，一个试验台仅能对应一种工况，大幅度降低了装置的利用率。因此，研制地震荷载作用下多个方向、可变坡度和坡高的岩土体运动学特性实验装置具有重大的现实意义和科学价值。

通过上述分析，现有技术存在的问题及缺陷为：

(1)现有边坡实验台大都仅有单个边坡，无法满足同时进行多个方向研究的需求。

(2)现有试验台多为一个整体，不能根据需要调节边坡的坡度和坡高，一个试验台仅能对应一种工况，大幅度降低了装置的利用率。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种可变坡度和坡高的八面体边坡灾害模拟试验系统及方法。

本发明是这样实现的，一种可变坡度和坡高的八面体边坡灾害模拟试验系统包括装置主体、实验平台和装置扩展结构；

所述装置主体包括底板、可升降顶板和双向螺纹柱，所述可升降顶板通过多根双向螺纹柱安装在底板上端；所述底板和可升降顶板均为正八边形，所述底板和可升降顶板的每个边沿外侧均安装有一个实验平台；

所述实验平台包括实验平台板、平台板固定装置、平台板旋转轴和固定夹板，所述实验平台板下端两侧通过扩展连接组件与底板相连，所述实验平台板上端通过平台板固定装置与可升降顶板相连；

所述装置扩展结构包括扩展连接组件和扩展板，所述扩展板通过扩展连接组件与实验平台板下端连接。

进一步，所述底板开设有若干个定位孔和连接孔，所述定位孔和连接孔均为螺丝孔，所述定位孔用于将装置主体固定在振动台上，所述连接孔位于底板的八个顶角处，用于连接装置扩展结构。

进一步，所述可升降顶板的八个顶点处均通过定位环和固定螺母固定在双向螺纹柱上；所述双向螺纹柱的表面为双向螺纹，包括相交设置的左旋螺纹和右旋螺纹；所述固定螺母包括左旋固定螺母和右旋固定螺母，在可升降顶板的上方和下方各有一个左旋固定螺母和一个右旋固定螺母。

进一步，所述实验平台板的主体截面形状为梯形，底部包括一个平台板旋转筒，平台板旋转筒上布置若干固定螺丝，用于将实验平台板固定在平台板旋转轴上；

所述平台板旋转轴用于连接实验平台板和扩展连接组件，所述平台板旋转轴两端各有一个连接孔，所述连接孔用于将平台板旋转轴与扩展连接组件中的旋转轴定位台相连。

进一步，所述扩展连接组件包括两个旋转轴定位台、四个定位板和六个连接孔，六个连接孔分别位于两个旋转轴定位台和四个定位板上。

进一步，所述定位板包括两个内侧定位板和两个外侧定位板；

所述内侧定位板位于两个旋转轴定位台所成夹角为135°的一侧，用于连接底板或者扩展板。

所述外侧定位板位于两个旋转轴定位台所成夹角为225°的一侧，用于连接扩展板。

进一步，所述平台板固定装置包括固定轴、固定筒、固定夹板和固定孔；

所述固定轴固定连接在可升降顶板的定位环上，所述固定筒的内径略大于固定轴的直径，所述固定筒的外径等于固定轴直径与两倍的实验平台板板厚的和；每个固定轴上套有两个固定筒，分别位于实验平台板的两侧，固定筒可在固定轴上沿其轴向移动；

所述固定轴共设置有八根，八根固定轴分别与可升降顶板的八条边平行，并与可升降顶板之间存在间隙，间隙的大小略大于固定筒的厚度；

所述固定夹板的截面为长方形，固定连接在固定筒上，用于夹紧并固定实验平台板；

所述固定孔为固定筒上的螺丝孔，位于固定板的对侧，用于旋入螺丝使得固定板夹紧实验平台板。

进一步，所述扩展板的截面为等腰梯形，上底角为112.5°，下底角为67.5°；所述扩展板包含四个连接孔和若干个定位孔，四个定位孔分别位于四个底角处，用于连接装置扩展结构。

本发明的另一目的在于提供一种可变坡度和坡高的八面体边坡灾害模拟试验方法，所述可变坡度和坡高的八面体边坡灾害模拟试验方法包括：

首先通过定位孔将带有双向螺纹柱的底板固定到震动台上；在每个双向螺纹柱上都分别旋入一个左旋固定螺母和一个右旋固定螺母，将可升降顶板的定位环穿入双向螺纹柱，并移动至所需的高度；在每个双向螺纹柱上再分别旋入一个左旋固定螺母和一个右旋固定螺母至定位环处，将所有固定螺母旋紧固定；

通过连接孔在底板上安装八个扩展连接组件；

在实验平台板底部的平台板旋转筒内穿入平台板旋转轴，将该平台板旋转轴放入外侧扩展板的旋转轴定位台内，用螺丝固定；

将两个平台板固定装置分别移动至固定轴的两侧，将实验平台板放置在固定轴上；将两个平台板固定装置分别向内侧移动至夹紧实验平台板，并用螺丝通过固定孔旋入拧紧，将实验平台板固定；将实验滑块放置到实验平台板的特定位置处；启动振动台，进行一次实验；

通过连接孔在扩展连接组件外侧增装八个扩展板，通过定位孔将扩展板固定在振动台上；通过连接孔在扩展板外侧增装八个扩展连接组件；

松开平台板固定装置、平台板旋转轴和平台板旋转筒上的固定螺丝，移走实验平台板；

松开双向螺纹柱上的固定螺母，将可升降顶板移动至所需的高度，用固定螺母固定；

在实验平台板底部的平台板旋转筒内穿入与外侧扩展连接组件对应的平台板旋转轴，将该平台板旋转轴放入外侧扩展板的旋转轴定位台内，用螺丝固定；

将两个平台板固定装置分别移动至固定轴的两侧，将实验平台板放置在固定轴上；将两个平台板固定装置分别向内侧移动至夹紧实验平台板，并用螺丝通过固定孔旋入拧紧，将实验平台板固定；将实验滑块放置到实验平台板的特定位置处；

当振动台激励时，振动台台面的振动会传递给实验平台板，其上方的实验滑块会在地震激励的作用下发生滑动，通过对比八个方向上实验滑块的运动情况，分析在同一地震动作用下不同方向地震荷载对实验滑块运动情况的影响，通过调整实验平台板的坡度或者坡高，分析滑坡的坡度和坡高对滑坡体运动情况的影响。

进一步，所述实验平台板的坡度和坡高满足公式：

其中，

结合上述的技术方案和解决的技术问题，请从以下几方面分析本发明所要保护的技术方案所具备的优点及积极效果为：

第一、针对上述现有技术存在的技术问题以及解决该问题的难度，紧密结合本发明的所要保护的技术方案以及研发过程中结果和数据等，详细、深刻地分析本发明技术方案如何解决的技术问题，解决问题之后带来的一些具备创造性的技术效果。具体描述如下：

本发明提供了八个方向的实验平台，可以同时在八个方向上进行实验，为涉及多个方向的科学实验，比如滑坡方向效应的研究提供了更快速、更便捷、更有效的试验方法。

本发明通过上下移动可升降顶板可以实现实验平台板高度的变化，通过增加或减少装置扩展结构可以实现实验平台板坡度的变化，二者相互独立、可同时进行，因此可以同时实现实验平台板坡度和坡高的变化。

本发明通过双向螺纹柱、平台板固定装置、固定螺丝等构件可以有效保证本实验台的刚度和稳定性。

本发明充分考虑了岩土体振动台实验对多方向、斜坡坡度和坡高的要求，可以同时实现实验平台板坡度和坡高的变化。

第二，把技术方案看做一个整体或者从产品的角度，本发明所要保护的技术方案具备的技术效果和优点，具体描述如下：

本发明为一种固定在振动台试验台上的实验装置，其作用是为边坡灾害模拟实验提供一个多方向的实验平台。该实验平台可以提供八个方向的实验平台，将实验式样放到试验平台上之后，在地震荷载的作用下，可以同时研究在八个不同方向上边坡灾害实验的不同运动特征。而且该实验平台可以同时实现坡度和坡高的调节，从而可以实现该实验平台的一台多用，提高实验装置的利用率。在八个不同方向的实验平台上可以根据实验需要放置实验滑块、堆砌物、模型箱等实验式样或者实验装置。

第三，作为本发明的权利要求的创造性辅助证据，还体现在以下几个重要方面：

(1)本发明的技术方案转化后的预期收益和商业价值为：

本发明可以实现实验平台的一台多用，提高实验装置的利用率，能够避免制作多个实验平台，减少实验装置材料的使用，从而节约实验时间，节省实验经费，有效减少实验成本。

(2)本发明的技术方案填补了国内外业内技术空白：

目前国内外研究中，边坡灾害实验平台多为单方向不可调节的；而现有的多方向实验平台都为整体结构，无法实现坡度或坡高的调节；现有的可调节实验平台都为单方向实验设备，而且大都只能实现坡度的调节，不能同时实现坡度和坡高的调节。本发明填补了边坡灾害多方向实验平台能够同时实现坡度和坡高调节的空白。

(3)本发明的技术方案克服了技术偏见：

目前的实验平台大多无法兼得大刚度和可调节，即无法使实验平台同时具备一定的稳定性和灵活性，这也是少有可调节实验平台的主要原因。利用双向螺纹、压紧固定等方法使得本发明在具备足够刚度的同时，实现了坡度和坡高的调节，在一定程度上克服了这一问题。

附图说明

图1是本发明实施例提供的可变坡度和坡高的八面体边坡灾害模拟试验系统的结构示意图；

图2是本发明实施例提供的可升降顶板的结构示意图；

图3是本发明实施例提供的实验平台的结构示意图；

图4是本发明实施例提供的装置扩展结构的结构示意图；

图5是本发明实施例提供的扩展连接组件的结构示意图；

图6是本发明实施例提供的定位环的结构示意图；

图7是本发明实施例提供的平台板固定装置的结构示意图；

图8是本发明实施例提供的扩展板的结构示意图；

图9是本发明实施例提供的双向螺纹柱的结构示意图；

图10是本发明实施例提供的方案1情况下八个方向实验滑块的位移图；

图11是本发明实施例提供的方案2情况下八个方向实验滑块的位移图；

图12是本发明实施例提供的方案3情况下八个方向实验滑块的位移图；

图中：1、装置主体；11、底板；12、双向螺纹柱；121、左旋螺纹；122、右旋螺纹；13、可升降顶板；131、定位环；14、固定螺母；141、左旋固定螺母；142、右旋固定螺母；2、实验平台；21、实验平台板；211、平台板旋转筒； 22、平台板固定装置；221固定轴；222、固定筒；223、固定夹板；224、固定孔；23、固定螺丝；24、平台板旋转轴；3、装置扩展结构；31、扩展连接组件；311、旋转轴定位台；312、定位板；3121、内侧定位板；3122、外侧定位板； 32、扩展板；4、定位孔；5、连接孔；6、实验滑块。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

一、解释说明实施例。为了使本领域技术人员充分了解本发明如何具体实现，该部分是对权利要求技术方案进行展开说明的解释说明实施例。

如图1～图9所示，本发明提供的一种可变坡度和坡高的八面体边坡灾害模拟试验系统，主要包括装置主体1、实验平台2和装置扩展结构3。装置主体主要包括底板11、双向螺纹柱12和可升降顶板13，实验平台主要包括实验平台板21、平台板固定装置22、固定螺丝23和平台板旋转轴24，装置扩展结构主要包括扩展连接组件31和扩展板32。

如图2所示，底板11的截面为正八边形，可以提供八个方向的实验平台。本实施例的底板包括二十个定位孔4。该定位孔4为螺丝孔，利用螺丝将装置主体固定在振动台上，保证实验台的振动与振动台的振动同步。底板11包括十六个连接孔5。该连接孔5为螺丝孔，位于八边形八个顶角处的两侧，用于连接扩展组件31。双向螺纹柱12共有九根，其底部与底板固定连接，分别位于底板的中心以及底板中心与八边形顶点连线的3/5处，并且更靠近八边形的顶点。可升降顶板13的截面为正八边形，八个定位环131固定连接在其八个顶点处，通过固定螺母14将可升降顶板13固定在双向螺纹柱12上。该可升降顶板可以沿着双向螺纹柱12的轴向上下移动，从而实现实验平台板21高度的变化。如图9 所示，双向螺纹柱12的表面为双向螺纹，包括左旋螺纹121和右旋螺纹122。如图6所示，固定螺母14包括左旋固定螺母141和右旋固定螺母142，可升降顶板13的上方和下方各有一个左旋固定螺母141和一个右旋固定螺母142，即每个双向螺纹柱12上共有四个固定螺母14，用于固定可升降顶板13。左旋固定螺母141逆时针旋转时沿双向螺纹柱下移，而右旋固定螺母142顺时针旋转时沿双向螺纹柱下移，相反的旋转方向可以有效地阻止可升降顶板13的上下移动，保证在实验过程中实验平台板21的高度不变，确保试验台的刚度和稳定性。

如图3和图4所示，实验平台板21的主体截面形状为梯形，底部包括一个平台板旋转筒211，平台板旋转筒211上布置四个固定螺丝23，固定螺丝23旋入拧紧后会挤压平台板旋转轴24，从而将实验平台板21固定在平台板旋转轴 24上。实验平台板21在下方通过扩展连接组件31与底板11相连，在上方通过平台板固定装置22与可升降顶板13相连。平台板旋转轴24用于连接实验平台板21和扩展连接组件31，其两端各有一个连接孔5，将平台板旋转轴24与扩展连接组件31中的旋转轴定位台311相连。平台板固定装置22包括固定轴221、固定筒222、固定夹板223和固定孔224。固定轴221固定连接在可升降顶板13 的定位环131上，共八根，与可升降顶板13的八条边平行，并与可升降顶板13 之间存在适当的间隙，该间隙的大小应当略大于固定筒222的厚度。如图7所示，固定筒222的内径略大于固定轴221的直径，固定筒222的外径等于固定轴221直径与两倍的实验平台板21板厚的和，即二者相加。每个固定轴221上套有两个固定筒222，分别位于实验平台板21的两侧。固定筒222可在固定轴221上沿其轴向移动。固定板的截面为长方形，固定连接在固定筒222上，用于夹紧并固定实验平台板21。固定孔224为固定筒222上的螺丝孔，位于固定板的对侧，用于旋入螺丝使得固定板夹紧实验平台板21。固定筒222的内径和外径满足公式：

其中，d

如图5所示，扩展连接组件31包括两个旋转轴定位台311、四个定位板312 和六个连接孔5，六个连接孔5分别位于两个旋转轴定位台311和四个定位板 312上。其中四个定位板312包括两个内侧定位板312和两个外侧定位板312。内侧定位板312位于两个旋转轴定位台311所成夹角为135°的一侧，用于连接底板或者扩展板32。外侧定位板312位于两个旋转轴定位台311所成夹角为 225°的一侧，用于连接扩展板32。如图8所示，扩展板32的截面为等腰梯形，上底角为112.5°，下底角为67.5°。扩展板32包含四个连接孔5和两个个定位孔4。四个定位孔4分别位于四个底角处，用于连接扩展组件，可将实验平台板21的底部外移，从而实现实验平台板21坡度的变化。两个定位孔4用于将扩展板32固定在振动台上。

另外，对于需要通过装置扩展结构3对实验平台板21的底部进行向外扩展的情况，即需要改变实验平台板21坡度的情况，做出以下说明：如图1、图3 和图4所示，在图1组装情况的基础上，需要进行以下操作。首先通过连接孔5 在扩展板32外侧增装八个扩展连接组件31，通过定位孔4将扩展板32固定在振动台上。进一步地，松开固定螺丝23以及平台板固定装置22和平台板旋转轴24上的固定螺丝，移走实验平台板21。进一步地，在实验平台板21底部的平台板旋转筒211内穿入与外侧扩展连接组件31对应的平台板旋转轴24。进一步地，将该平台板旋转轴24放入外侧扩展板32的旋转轴定位台311内，用螺丝固定。进一步地，将两个平台板固定装置22分别移动至固定轴221的两侧。进一步地，将实验平台板21放置在固定轴221上。进一步地，将两个平台板固定装置22分别相内侧移动至夹紧实验平台板21，并用螺丝通过固定孔224旋入拧紧，将实验平台板固定。实验平台板的坡度和坡高满足公式：

其中，

当振动台激励时，振动台台面的振动会传递给实验平台板21，其上方的实验滑块6会在地震激励的作用下发生滑动，通过对比八个方向上实验滑块的运动情况，可以分析在同一地震动作用下不同方向第地震动对实验滑块运动情况的影响，即研究地震滑坡的方向效应。通过调整实验平台板21的坡度或者坡高，可以研究滑坡的坡度和坡高对滑坡体运动情况的影响。

二、应用实施例。为了证明本发明的技术方案的创造性和技术价值，该部分是对权利要求技术方案进行具体产品上或相关技术上的应用实施例。

安装有本发明实施例中的可变坡度和坡高的八面体边坡灾害模拟试验系统的振动台实验设备。

实施例一：(坡高不变，改变坡度)

本实施例中部分试验系统组件尺寸以及实验滑块尺寸如表1所示，其中底板11、可升降顶板13、定位板312、扩展板32的厚度均为10mm，实验平台板 21厚度为8mm。

本实施例中实验平台板选用铝合金钢板，实验滑块6选用C30混凝土制备，实验平台板与实验滑块之间的摩擦角为34.1°。

本实施例中地震动选用清平51MZQ台站在2008年汶川地震中的地震动记录，三个方向的地震动沿真实方向输入到本边坡灾害模拟试验系统中。

本实施例中选用的实验方案如表3所示。

步骤1：将装置主体组装并通过若干固定孔固定在振动台上；

步骤2：通过连接孔在底板外侧增装八个扩展连接组件；

步骤3：松开双向螺纹上的固定螺母，将可升降顶板上下移动至1.15m高度处，用固定螺母固定；

步骤4：在实验平台板底部的平台板旋转筒内穿入与外侧扩展连接组件对应的平台板旋转轴，将该平台板旋转轴放入外侧扩展板的旋转轴定位台内，用螺丝固定；

步骤5：将两个平台板固定装置分别移动至固定轴的两侧，将实验平台板放置在固定轴上；将两个平台板固定装置分别向内侧移动至夹紧实验平台板，并用螺丝通过固定孔旋入拧紧，将实验平台板固定；将平台板旋转筒上的固定螺丝旋入拧紧；

步骤6：将八个实验滑块分别放置在八个实验平台板上，且位于平台板固定装置连线的中心；启动振动台，输入地震动，记录每个实验滑块随时间的运动距离；实验滑块运动情况如图10所示；

步骤7：通过连接孔在扩展连接组件外侧增装八个扩展板，通过定位孔将扩展板固定在振动台上；通过连接孔在扩展板外侧增装八个扩展连接组件；

步骤8：松开平台板固定装置、平台板旋转轴和平台板旋转筒上的固定螺丝，移走实验平台板；

步骤9：重复步骤4、5，将实验平台安装到装置上，其中实验平台底部连接到最外侧的扩展连接组件上。

步骤10：重复步骤6，获得八个实验滑块的运动情况如图11所示。

图10和图11的获取方案分别对应表2中的方案1和方案2，对比二者的结果可以分析坡度对地震滑坡方向效应的影响。

实施例二：(坡度不变，改变坡高)

本实施例在实施例一的基础上施行，实验组件、实验材料以及输入的地震动也同实施例一。

步骤11：重复步骤8，移走实验平台板；

步骤12：松开双向螺纹上的固定螺母，将可升降顶板向上移动至1.42m高度处，用固定螺母固定；

步骤13：重复步骤9、10，获得实验滑块的运动情况如图12所示。

图12的获取方案对应表2中的方案3，将该实验结果与图10的实验结果对比，可以分析坡高对地震滑坡方向效应的影响。

三、实施例相关效果的证据。本发明实施例在研发或者使用过程中取得了一些积极效果，和现有技术相比的确具备很大的优势，下面内容结合试验过程的数据、图表等进行描述。

在实施例一和实施例二的实验结果中，E、NE、N、NW、W、SW、S、SE 分别表示正东、东北、正北、西北、正西、西南、正南、东南八个方位。

通过以下公式可以计算出实验平台板的坡度和坡高，计算结果如表2所示。

表1部分试验系统组件及实验滑块尺寸表

表2实施例一、二的实验方案表

表3上述3种方案情况下八个方向实验滑块对应的最终位移表(单位：m)

上述3种方案情况下八个方向实验滑块对应的最终位移如表3所示。对比分析上述结果可以发现，在同一地震作用下，不同方向的实验滑块运动位移有较大的差别，证实了地震滑坡方向效应的存在。

对比方案1和方案2，可以发现滑坡的坡度对实验滑块的位移影响较大，减小滑坡坡度可以有效减小实验滑块的运动位移。另外，随着滑坡坡度的改变，一些滑动位移相对较大的方向变小(如S和SE方向)，而一些滑动位移相对较小的方向变大(如N和SW方向)，可见滑坡的坡度对滑坡的方向效应具有一定的影响，即滑坡坡度的变化可能会导致滑坡的优势滑动方向的改变。

对比方案1和方案3，可以发现，当坡高增加23.5％时，八个方向实验滑块的最终位移都略有减小，但减小量均未超过5％；可见滑坡的坡高对实验滑块的位移影响较小；而且滑坡的坡高对滑坡方向效应的影响也较小。

在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上；术语“上”、“下”、“左”、“右”、“内”、“外”、“前端”、“后端”、“头部”、“尾部”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。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，都应涵盖在本发明的保护范围之内。