CN102323150B - 在断层作用下斜坡体稳定性模拟试验装置及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种在断层作用下斜坡体稳定性模拟试验装置及其方法，涉及岩土力学试验技术。本试验装置的结构是：在断层土体模型仪内的土样通过断层面分为断层上盘和断层下盘两部分；第1无级变速箱、第1动力传动系统、支撑杠杆和断层上盘依次连接，给断层上盘提供位移的动力；第2无级变速箱、第2动力传动系统和断层下盘依次连接，给断层下盘提供位移的动力；在土样中设置有位移标识、土压力盒和百分表，记录相关数据。本发明能准确地再现含有断层土体边坡的变形破坏运动过程，为复杂地质环境条件下滑坡、崩塌等地质灾害的形成机理研究提供了一条新的解决途径。

Description

在断层作用下斜坡体稳定性模拟试验装置及其方法

技术领域

本发明涉及岩土力学试验技术，尤其涉及一种在断层作用下斜坡体稳定性模拟试验装置及其方法。具体地说，本发明涉及一种在断层作用下的斜坡体模型的制备方法，同时还涉及一种控制断层不同运动方式的装置，该装置可以在模拟断层的正断层运动、逆断层运动和走滑断层运动等不同模式和工况下进行斜坡体稳定性的模拟试验与分析。

背景技术

斜坡的变形与破坏，实质上是由斜坡岩土体内的应力与强度这一对矛盾的发展演化所决定的。一般情况下，斜坡中的应力分布特征决定了斜坡变形破坏的形式和机制，对斜坡稳定性评价和制定合理防治措施也有一定意义。关于断裂构造对斜坡应力场的影响及其引起的破坏效应，国内外许多学者和教科书已做了一些研究和讲述。专家学者们普遍认为：作为斜坡应力场的重要影响因素之一，断裂构造对斜坡体的稳定性具有较大影响，由于断裂构造的影响，斜坡体内的应力场发生偏转和变化，局部会产生应力集中等现象，从而影响斜坡体的稳定性。

断裂构造在自然界中的尺寸较大，活动速率为几毫米～及厘米/每年。在自然界条件下，由于坡体较大，难以在断层面附近埋设土压力盒、位移计等测量分析工具，所以，在自然界含有断裂构造斜坡体中进行相关参数测量，从而分析断层的运动方式对斜坡体的变形破坏机理很不现实，所以，采用实验室模拟实际断层对坡体稳定性的影响具有重要的意义。

目前，针对断裂对斜坡体变形破坏的影响多集中在理论定性分析、滑坡密度与断裂距离相关性分析等方面，如居恢扬（1982）认为构造条件几乎控制着所有的岩体滑坡及规模较大的碎屑土（堆积土）滑坡的基本格局；黄润秋（2005）通过对中国西南岩石高边坡的主要特征和演化进行研究后认为，河谷岸坡附近的断层对谷坡应力的传递有明显的阻隔和分异作用；马小强（2007）认为断裂与特大型滑坡的展布有一定的对应关系，滑坡沿断裂发育分布特征明显，并且滑坡多发生于断层断裂的交错部位，尤其是断层断裂的支叉、拐端部位。李进华（2008）通过对香港的新构造断裂活动与天然山体滑坡关系的研究，认为河沥背的断裂活动与黄竹洋的大型天然山体滑坡事件可能存在相连的因果关系，并且认为这是一项很有意义的、极富挑战性的科学研究。2008年汶川地震发生后，国内外许多学者对地震及地震诱发的次生地质灾害进行了深入研究，许强等（2009）认为绝大多数巨型、大型崩滑灾害紧邻断层上盘发育，同时断层的错断方式对滑坡的滑动方向具有较大影响。同时，活动断裂对滑坡的形成和分布具有较大的影响，黄润秋（2009）对汶川大地震触发地质灾害的断层效应进行了分析，认为滑坡滑动的优势方向与映秀—北川断裂的空间展布方向基本垂直，且具有明显的上/下盘效应，与地震波垂直于断层方向传播有密切的关系。

因此，目前对断层运动作用下的斜坡体稳定性的研究方法和手段多集中于理论上的定性分析和空间位置相关性分析等方面，对于含有断层的斜坡体物理力学模拟是该研究领域的空白，而针对在断层作用下斜坡体稳定性的模拟试验装置的研究是地质灾害性成灾机理和重大地质灾害治理规划设计的关键手段之一，具有非常重要的理论和实际意义。

经检索，目前尚无一套成熟准确模拟包含断层运动的斜坡体稳定性模拟试验装置及其方法。

发明内容

本发明的目的就在于克服现有技术存在的缺点和不足，提供一种在断层作用下斜坡体稳定性试验装置及其方法。

其一是本试验装置能准确模拟在断层运动作用下斜坡体内的应力、位移变化规律，从而能准确分析边坡的稳定状态、变形破坏规律和灾害机理。

其二是本试验方法主要是模拟断层的不同运动方式（正断层、逆断层和走滑断层等）下斜坡体内的应力、位移变化，能较准确的反映在断层运动作用下斜坡体内应力、位移变化过程，并且提高试验进行速度，缩短了试验时间。

本发明的目的是这样实现的：

根据野外地质调查到的边坡建立地质模型，并概化为实验室数学模型，并用野外实际边坡岩土体建立物理模型，使得断层上、下盘装置在合适的容器内，在施加与实际断层运动相一致的外力作用下，从而实现了在实验室中快速准确地模拟斜坡体中断层的运动方式，最后精确测得斜坡体中的应力、位移值，以期后期数据分析。其原理符合野外地质体的原位运动模式，结构相对简单，造价低廉，可以为大多数教学科研单位装备。

1、在断层作用下斜坡体稳定性模拟试验装置（简称试验装置）

本试验装置包括土样、断层土体模型仪、断层面、无级变速箱、动力传动系统、支撑杠杆、土压力盒、实时监测仪、数据采集系统和百分表；

在断层土体模型仪内的土样通过断层面分为断层上盘和断层下盘两部分；

第1无级变速箱、第1动力传动系统、支撑杠杆和断层上盘依次连接，给断层上盘提供位移的动力；第2无级变速箱、第2动力传动系统和断层下盘12依次连接，给断层下盘提供位移的动力；

在土样的表面设置有位移标识，实时监测仪和位移标识位置相对，实时监测仪和数据采集系统连接，记录模型有关位置的变化；

在土样的内面设置有土压力盒，在土样的上面设置有百分表，土压力盒和百分表分别与数据采集系统连接，记录相关数据。

在无级变速箱的控制下，断层上盘和断层下盘沿断层面可以实现正断层、逆断层和平移走滑断层等不同的运动模式，从而在数据采集系统中获取不同的记录数据，用以分析含断层的斜坡体变形破坏特征及成灾机理。

2、在断层作用下斜坡体稳定性模拟试验方法（简称试验方法）

本试验方法包括下列步骤：

①土样的制备

将土样模拟现实中斜坡的土体，密度为1.5～2.5g/cm³，含水率为2～40%，并按实际断层角度均匀制成断层下盘，按断层面的摩擦力要求选择合适的土工材料制成断层面，并与断层下盘密切接触；制成断层面后，按实际地质模型用土体制成断层上盘；土样固结24h；即得到一种断层模型；

②进行上述断层模型的边界条件约束，在断层的左右两侧土样与容器之间呈位移约束；设置好断层上盘下部的力和位移施加系统，确保施加的合力和速度方向与断层面平行；

③检查土样的固结程度，在上盘和下盘设置监测点，若监测点在12h内位置保持不变，则表明断层两盘模型已经固结好，可以进行下一步操作；

④施加动力，同时开启数据采集装置，根据断层的运动方式，对无级变速箱中的控制面板中的参数进行相关设置，以实现断层的正断、逆断和走滑等运动方式，当斜坡体出现明显的滑动或破坏后，关闭动力；

⑤使用实时监测仪观测分析各个时间段的坡体变形运动规律，并采集相关位移数据，输入数据库中。

工作原理：

利用无级变速箱和动力传动系统，在断层两盘施加不同的力和速度来实现含有断层的实际斜坡体的运动状态，从而引起断层面两侧沿断层发生相对错动，在断层面附近及周边土体内引起位移和应力变化，从而模拟分析了斜坡体变形破坏的全过程，对试验获得的各测试数据进行分析，可获得相关规律和成灾机理。

本发明具有以下优点和积极效果：

①能准确地再现了含有断层土体边坡的变形破坏运动过程，为复杂地质环境条件下滑坡、崩塌等地质灾害的形成机理研究提供了一条新的解决途径，填补了目前该项研究中的空白。

②采用了无级变速箱和动力传动系统，可以精确设定断层的运动速度，避免了直接向断层运动盘施加力时，由于断层面的胶结作用、土体粘聚力、内摩擦角等阻碍断盘运动而引起局部应力集中或局部大变形等试验失败问题，大量缩短试验时间，保证试验成功率。

附图说明

图1为本试验装置的结构方框图；

图2为本试验装置的结构示意图。

其中：

00-土样；

10-断层土体模型仪；

20-断层面，21-断层面上盘，22-断层面下盘；

30-无级变速箱，31-第1无级变速箱，32-第2无级变速箱；

40-动力传动系统，41-第1动力传动系统，42-第2动力传动系统；

50-支撑杠杆，51-可旋转铰链角度调节板。

60-土压力盒；

70-实时监测仪；

80-数据采集系统；

90-百分表；

A-位移监测标识。

具体实施方式

下面结合附图和实施例详细说明：

一、实施例1：试验装置

1、总体

如图1、2，本试验装置包括土样00、断层土体模型仪10、断层面20、无级变速箱30、动力传动系统40、支撑杠杆50、土压力盒60、实时监测仪70、数据采集系统80和百分表90；

在断层土体模型仪10内的土样00通过断层面20分为断层上盘21和断层下盘22两部分；

第1无级变速箱31、第1动力传动系统41、支撑杠杆50和断层上盘21依次连接，给断层上盘21提供位移的动力；第2无级变速箱32、第2动力传动系统42和断层下盘22依次连接，给断层下盘22提供位移的动力；

在土样00的表面设置有位移标识A，实时监测仪70和位移标识A位置相对，实时监测仪70和数据采集系统80连接，记录模型有关位置的变化；

在土样00的内面设置有土压力盒60，在土样00的上面设置有百分表90，土压力盒60和百分表90分别与数据采集系统80连接，记录相关数据；

2、功能部件

1）断层土体模型仪10

断层土体模型仪10是一种长方形腔体（长×宽×高=1m×0.5m×1.5m），外带刻度标尺，标尺精度为1mm，周边设立固定装置，采用特殊钢化玻璃制成，最大工作压力为5Mpa。其内装有断层的土样00；

由江苏省海安县石油科研仪器有限公司提供。

2）断层面20

断层面20是一种采用特殊土工材料（如土工织布、土工栅格等）制成的平面体，与断层上、下盘21、22呈紧密接触，控制其提供给断层上、下盘21、22的摩擦系数，可变范围为0.1～0.7之间。

3）无级变速箱30

无级变速箱30是一种由MB系列无级变速机和相关配件组成的变速机械，内部底面转速范围为0～2000转/分，无级可调。

由常州卓尔传动机械有限公司提供。

4）动力传动系统40

动力传动系统40是连接无级变速箱30和断层土体模型仪10的关键部件，将无级变速箱30提供的力传递给断层上、下盘21、22，控制断层的运动速度；动力传动系统40内径尺寸为

最大工作压力为40Mpa，自由伸缩，可提供给断层的运动速度为0.01mm/min～0.1m/min。

由江苏省海安县石油科研仪器有限公司提供。

5）支撑杠杆50

支撑杠杆50是一种设置有可旋转铰链角度调节板51的杠杆，位于断层上盘21的下部，起调节第1动力传动系统41提供力的方向的作用，保证该方向与断层方向相一致。轴向尺寸为

可伸缩长度为0～0.5m，最大工作压力为5MPa。

由江苏省海安县石油科研仪器有限公司提供。

6）土压力盒60

土压力盒60是一种常用测试仪表，由北京Soil仪器有限公司提供P6-1振弦式土压力盒/总压力盒。

7）实时监测仪70

实时监测仪70由爱国者AHD-X8摄像机及数据传输线组成，500万像素，在物理模拟过程中可以实现实时对焦，快门速度1/2～1/4000s。

设置于断层土体模型仪10的外围，分别位于坡面的正面和侧面。

8）数据采集系统80

数据采集系统80采用多功能数据采集板卡、PC计算机和数据采集软件进行数据采集、传输与记录。

采用北京北方天地科技有限公司的BF2008CJ02模块及配套软件。

9）百分表90

百分表90是一种常用测试仪表。

10）位移监测标识A

位移监测标识A采用半径为0.5cm、中间带十字的圆形不干胶，可贴于模型侧边，并精确测定实验前后十字心处的坐标位置。

二、实施例2：试验方法

步骤①中

断层上盘高度为0.80m，断层下盘斜坡底面距模型底部0.60m，断层面角度为75°，厚度为0.03m，按照该断层角度均匀制成断层下盘，断层面选用土工织布，其提供的摩擦系数为0.5。

步骤④中

调节支撑杠杆50，使第1动力传动系统41传送力的方向与断层角度一致，即75°；

施加动力，同时开启数据采集装置，根据断层的运动方式，对第1无级变速箱31中的控制面板中的参数进行相关设置，使断层上盘21沿断层面20以速率0.2cm/s的速度上升运动。

Claims (5)

1.一种在断层作用下斜坡体稳定性模拟试验装置，其特征在于：

本试验装置包括土样（00）、断层土体模型仪（10）、断层面（20）、无级变速箱（30）、动力传动系统（40）、支撑杠杆（50）、土压力盒（60）、实时监测仪（70）、数据采集系统（80）和百分表（90）；

在断层土体模型仪（10）内的土样（00）通过断层面（20）分为断层上盘（21）和断层下盘（22）两部分；

第1无级变速箱（31）、第1动力传动系统（41）、支撑杠杆（50）和断层上盘（21）依次连接，给断层上盘（21）提供位移的动力；第2无级变速箱（32）、第2动力传动系统（42）和断层下盘（22）依次连接，给断层下盘（22）提供位移的动力；

在土样（00）的表面设置有位移标识（A），实时监测仪（70）和位移标识（A）位置相对，实时监测仪（70）和数据采集系统（80）连接，记录模型有关位置的变化；

在土样（00）的内面设置有若干土压力盒（60），在土样（00）的上面设置有若干百分表（90），土压力盒（60）和百分表（90）分别与数据采集系统（80）连接，记录相关数据。

2.按权利要求1所述的模拟试验装置，其特征在于：

断层面（20）是一种平面体，与断层上、下盘（21、22）呈紧密接触，控制其提供给断层上、下盘（21、22）的摩擦系数，可变范围为0.1～0.7之间。

3.基于权利要求1所述试验装置的试验方法，其特征在于包括下列步骤：

①土样的制备

将土样模拟现实中斜坡的土体，密度为1.5～2.5g/cm³，含水率为2～40%，并按实际断层角度均匀制成断层下盘，按断层面的摩擦力要求选择合适的土工材料制成断层面，并与断层下盘密切接触；制成断层面后，按实际地质模型用土体制成断层上盘；土样固结24h；即得到一种断层模型；

②进行上述断层模型的边界条件约束，在断层的左右两侧土样与容器之间呈位移约束；设置好断层上盘下部的力和位移施加系统，确保施加的合力和速度方向与断层面平行；

③检查土样的固结程度，在上盘和下盘设置监测点，若监测点在12h内位置保持不变，则表明断层两盘模型已经固结好，可以进行下一步操作；

④施加动力，同时开启数据采集装置，根据断层的运动方式，对无级变速箱中的控制面板中的参数进行相关设置，以实现断层的正断、逆断和走滑运动方式，当斜坡体出现明显的滑动或破坏后，关闭动力；

⑤使用实时监测仪观测分析各个时间段的坡体变形运动规律，并采集相关位移数据，输入数据库中。

4.按权利要求3所述试验方法，其特征在于步骤①中：

断层下盘(22)高度为0.80m，断层上盘（21）斜坡底面距模型底部0.60m，断层面(20)角度为75°，厚度为0.03m，按照该断层面角度均匀制成断层下盘(22)，断层面(20)选用土工织布，其提供的摩擦系数为0.5。

5.按权利要求3所述试验方法，其特征在于步骤④中：

调节支撑杠杆(50)，使第1动力传动系统(41)传送力的方向与断层角度一致，即75°；

施加动力，同时开启数据采集装置，根据断层的运动方式，对第1无级变速箱(31)中的控制面板中的参数进行相关设置，使断层左盘(11)沿断层面(20)以速率0.2cm/s的速度上升运动。

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