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1、1 概述1.1 简介变坡装置的发展斜坡工程是工程地质十分重要的研究方向，同时也是环境工程地质、地质灾害、岩土工程的重要研究内容。它涉及到我国基本建设的各个领域，从城市建设到公路、铁路交通建设、水利水电工程建设，从一般的工程建设到我国国家重大工程建设。因此，斜坡工程研究工作的成败关系重大。斜坡分为人工边坡与自然斜坡。对于人工斜坡，对其稳定性的要求越来越高。特别是近年来，随着城市化进程的加快、大型水利水电工程及交通建设的大力发展，例如长江三峡工程、长江及黄河上游在建和拟建的一系列大巨型水力发电工程、南水北调工程、山区铁路、公路尤其是高速公路工程等等，这些工程的数量和复杂程度是前所未有的所遇到的工程
2、地质问题也是十分复杂的。工程选址规划及城市扩建改造工程使斜坡工程问题日趋严重，迫使人们更加关注斜坡稳定性预测研究及治理优化设计研究。截止目前，在这一领域的研究取得了较大进步。但由于受传统设计方法和变坡本身的复杂性、模糊性等特点的约束和影响，使预测、设计的成果确定性、准确性较差，甚至引发工程事故，或造成人力、物力和资金的巨大浪费，当前斜坡稳定性预测评价及治理方面仍存在以下一些明显的不足之处：(1)斜坡空间地质信息管理缺乏系统性。(2)缺乏点与面结合的预测的系统性。(3)预测成果的可视性差。斜坡稳定性空间评价预测难度较大，从某种意义上讲，斜坡稳定性的空间预测问题比时间预测问题更为复杂和难以解决。国
3、内外滑坡灾害研究者已提出和使用了许多斜坡稳定性空间评价的预测方法，如逻辑信息量法、综合信息量法、模糊综合评判法、聚类分析法等等，尽管取得了一些研究成果，但研究成果可操作性、实用性欠佳基本上没有可视化、田文一体化效果，也缺乏系统性。目前，国内外滑坡研究者仍在致力于滑坡理论、方法和治理研究。(4)斜坡工程设计具有风险性，风险来自于设计参数、模型、方法，具有不确定性，因此，在设计施工过程中，应及时搜集数据资料，实现信息化设计与施工，最大限度地降低设计风险，提高安全性。斜坡治理工作理论思想斜坡治理工作是斜坡工程的核心内容之一，是人们一直以来十分关注的重要问题。自20世纪70年代以来，斜坡的治理问题越来
4、越受到人们的重视，人们一直在力图寻找出变坡治理设计的一项可靠模式。然而，由于变坡问题本身的复杂性和科学技术发展水平的限制以及传统工程设计体制的制约，人们对变坡的影响因素和形成机理还没有完全认识清楚，变坡设计与实际脱节，使得治后变坡存在诸多安全隐患甚至破坏失稳。目前，在斜坡治理设计中，引入了系统论、信息论、控制论等思想方法，使斜坡治理设计工作更加系统，但仍然未能将斜坡作为动态系统考虑，未能充分考虑斜坡自身的变形过程与治理工程施工进程、治后变形发展对设计的反馈影响，缺乏优化意识或优化单一。近年来，由于非线性科学的深入研究，特别是诸多先进设计研究理念的深入，人们认识到：斜坡治理工程是一项复杂的系统工
5、程，其治理设计应届于一种系统设计，具有地质工程的非线性、随机性，不同于一般结构工程设计的确定性。以系统论、信息化为基础的边坡优化治理系统，是贯穿于勘察、设计、施工全过程的动态反馈设计，是适合斜坡工程复杂性设计问题的有效模式。变坡技术国内外研究现状近30多年来，国内外许多学者提出了斜坡工程研究各种各样的新理论、新方法，取得了巨大进展。例如，在岩质边坡方面，孙玉科等(1965)提出的“岩体结构”理论的学术观点，谷德振教授著的岩体工程地质力学基础，孙广忠的专著岩体结构力学，都提出了“岩体结构”这一对岩质工程研究具有巨大影响的理论观点，明确提出了“岩体结构控制论”的观点，为此类工程地质研究奠定了理论基
6、础和指明了方向。1974年英国MHoek的岩石边坡工程，1977年加拿大出版的露天矿边坡手册，揭示了国外岩石边坡的研究情况，并对此后我国边被研究产生了很大影响，80年代以来，各种先进技术手段的应用，使人们对岩石边坡的认识更加系统化。如孙玉科等提出的边技工程地质模型思想、数值模拟技术，钻孔岩芯定向钻探技术、CAD技术、边坡可靠性分析等。同边坡研究的飞速发展相比，边坡设计却发展缓慢，除了技术原因外，主要是受设计观念、体制、认识的影响。传统的边坡设计将地质与设计分离，使得设计与实际往往脱节。90年代以来，由于认识的深入和实践或泵喷(喷射退避土)(以下简称锚喷)、预应力锚索、格构锚固、浆(干)砌石护坡
7、、混凝土板护坡、徘水工程等。由于缺乏对某些方法加固机理的深入认识，所以在其推广与应用中，造成了设计与实际条件严重不符，设计与施工脱节，边坡施工后发生边坡垮塌事故或加固过于偏重安全，浪费严重。因此，本文将对各种常用方法削坡、挡土墙、抗滑桩、锚喷加固、格构锚固及预应力锚索、岸坡护坡等的优化设计进行分析研究。1.2 本次设计内容及要求1.2.1 本次设计要求本次设计的可变坡实验台要求平台能上仰25度，下降18度，截割力5吨，不要求速度，随时运动，随时停止。要求有很高的安全系数，工作稳定，运动平稳，结构简单，操作方便，便与维修，造价低，易于维护和维修。1.2.2 设计的内容1 设计整体方案；2 各执行
8、装置的结构设计；3 支撑装置的设计；4 液压系统设计；2 机构设计及方案设计2.1 支撑装置的方案确定试验台的长约11米，宽4米，掘进机在上面进行对假煤壁的截割试验。可变坡实验台最大仰角25度，最大俯角18度，截割力5吨，可以在任意角度停止来测量掘进机在不同角度的受力情况和工作性能。工作台载荷按150吨设计。方案一：如图2.1斜楔支撑，采用斜楔运动的方式固定并作为动力装置。其上放置工作机，可变坡工作台的两侧延伸出2支圆弧形底脚。两斜楔下部与轨道接触，同时向同一方向运动，当A向左运动，B斜楔推动工作台向左运动，使工作台偏移平衡位置。这时工作台重心向左偏移，因此工作台将压向A斜楔一方。工作台与斜楔
9、接触的地方可以采用圆辊子或者轨道接触。在达到预定位置后将向反方向运动，这时A斜楔推动工作台上升，B斜楔随之后退，在达到平衡位置的时候B斜楔接触工作台并与A斜楔夹紧工作台。之后是反向的运动。图2.1斜楔支撑该方案的优点是：运动安全，结构稳定。相对其他的方案而言，该运动方案在动力方面的负载最容易控制并且最稳定。运动方式遵循三角形三边关系定理，运动线条是简单曲线。在机构下降的过程中不需要动力推动装置，只要控制好斜楔的运行速度就可以。在机构上升的过程中只要斜楔将工作台推动到水平位置即可。该方案的缺点是：斜楔尺寸需要做的很大，浪费材料。在推动的过程中要保证两斜楔相互配合的运动速度，两斜楔的速度曲线是相交
10、的直线和曲线，运动速度也要控制的很精确，在计算和分析的时候比较复杂，而且在传动控制的时候要设置的相应的程序，本设计方案要以可靠性和安全为首选因素。该方案的运动不是连续的，在工作台处于水平位置的时候支撑点发生转移，在转移的时候机构容易出现不稳定状况。斜楔只是支撑设备，起动力装置的作用，因此对于工作台发生的很多随即状况缺少应变能力。该工作台为掘进机支撑台。工作台两边放置假煤壁，斜楔的形状影响了假煤壁的放置。方案二：如图2.2双液压缸支撑，采用两端液压缸支撑形式，两端液压缸与水平夹角超过65度，放置于支撑架的两侧。工作方式是通过左侧液压缸顶升，右侧液压缸下降改变与水平方向的角度来达到改变坡度的要求。
11、图2.2双液压缸支撑该方案的优点：机构运动比较稳定，由于液压缸的稳定性决定了工作台可以平稳的实现预期的运动。该方案结构简单，便于实现，不容易出现故障。该方案的缺点：由于液压缸底座是固定的，因此液压缸要靠伸长活塞来实现对机构上升与下降角度产生的位移的补充。该机构长11米，通过计算知液压缸需要伸长的距离接近7米。由于工作台的质量很大，虽然关于液压缸有相关的国家标准，但是出于安全的考虑，这么设计的安全系数不能够保证。而且液压缸的地基要挖的很深。方案三：如图2.3顶升机支撑，采用顶升机支撑工作台，通过顶升机的上升和下降来实现工作台的起伏。圆弧轨道下采用辊子支撑，使圆弧轨道可以在辊子上滑动。把平台做成一
12、高一低为了简画弧型轨道和工作台，使其相对轻便。图2.3顶升机支撑方案优点：轻巧简便，顶升机比液压缸结构简单。方便拆卸和维修。顶升机有自锁特性，可以使机构停在任意位置。方案缺点：该方案顶升机的机杆需要很长，危险系数很大，而且在顶升通过水平位置的时候顶升机会由原来的拉伸转台变成顶升状态，限于该机构的质量，对顶升机的材料和机械性能会有很大的考验，顶升机的工作部分只是外围的一圈螺纹，工作时候罗纹会受到很大的作用力，出与安全的考虑，故不选用该方案。方案四：如图2.4小液压缸支撑，该方案使用小液压缸顶升轨道上突出的齿，推杆位于B，C两位置，工作台上升时A杆收缩， A杆在收缩状态下由B位置运动到A位置。在这
13、个过程中C杆不动，与工作台的齿接触，起固定支撑作用。在A杆运动到A位置时，A杆伸出，抵住齿，这时C杆收缩，完成A杆的动作，由C位置运动到B位置。下降时的运动方式与上升时相反。由此形成连续的如上楼梯一样的运动方式。图2.4小液压缸支撑该方案的优点：运动方式易与实现，液压系统可以使操作人员实行远距离控制，保证人员安全，运动稳定。该方安的缺点：液压传动系统过于复杂，实现起来较为困难。两个弧形导轨和液压缸的配合要有很高的精度。加工的时候比较困难。在A B缸交替的时候由于支撑点的改变或者形成运动的不稳定性，或者使液压缸受损。方案五：如图2.5吊车支撑所示，该方案为初选方案，原理如起重机一样。采用钓钩提升
14、工作台的一端，实现其上下摆动的功能。图2.5吊车支撑该方案优点：提升原理简单，容易实现。对机构没有特别的要求。该方案缺点：由于工作台要实现上升和下降的运动，钓钩只能在一个方向给予工作台力，所以缺乏反向的控制力，因此对于工作台的突发事件基本上没有抵抗能力，缺乏自锁。而且工作台的运动轨迹不是简单直线。所以对钓钩的X Y方向的运动需要控制得当，机构的复杂容易导致故障的发生。方案六：如图2.6单杆液压缸支撑所示，支撑工作台为扇形板，其下通过辊子支撑扇形板，并保证其转动，在下边，有液压缸推动扇形板的最低点，液压缸的另一端可以周向转动，曾经使用过该方案作为可变坡的实用方案。图2.6单杆液压缸支撑该方案特点
15、分析：该方案与实际选用方案相比，对于液压缸要有足够的支撑能力，扇形板与辊子之间摩擦力小，不能通过摩擦力来限制可变坡形成的角度。对于液压缸来说，液压缸在推动的过程中随着活塞的伸长，会与扇形板发生干涉。方案七：如图2.7扇形板支撑图，此次方案为被设计选用方案，支撑工作台的为一扇形圆板，圆板上采用加强筋固定和加固。和圆板配套的为弧形导轨，在扇形圆板和弧形导轨之间采用二硫化钼重型润滑剂润滑。工作台和支撑底座采用工字钢框架支撑。动力装置为两对双杆液压缸，液压缸采用的是耳环式的连接方式，方便液压缸的上下运动，使两对液压缸能与水平产生一定的角度，从而控制工作台，液压缸作为可变坡的动力装置。图2.7扇形板支撑图在可变坡发生转动的过程中，由于上边的负载不是稳定的在一个位置，而且挖掘机要产生周向的截割力，因此扇形板与弧型轨道的连接处是一个很关键的位置，既要承受工作台不稳定产生的震动，由于挖掘机工作的时候产生很大的截割力，所以必须加档板而且对挡板能够克服的压力也有很高的要求。又要克服由于加工时的不可避免的原因造成的误差。为了保证弧形轨道和扇形板之间不产生与扇形板旋转轴方向的位移，在扇形板的内侧焊接一弧形导板，在轴向方向固定扇
