CN104809947A - 一种可加压走滑断层错动模拟装置及模拟实验方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种可加压走滑断层错动模拟装置，包括固定盘模型箱、错动盘模型箱，土体模型设置在固定盘模型箱、错动盘模型箱内；固定盘模型箱固定不动，错动盘模型箱相对固定盘模型箱沿水平方向相对错动；固定盘模型箱、错动盘模型箱上均设置有竖向加载组件，竖向加载组件对固定盘模型箱、错动盘模型箱加载竖向压力。一种基于可加压走滑断层错动模拟装置的模拟实验方法，包括以下步骤：步骤1：根据待模拟土体埋深，选择要施加的土体围压，通过竖向加载组件向土体模型施加预定压力；步骤2：通过走滑断错推进组件推动错动盘模型箱进行走滑错动模拟，通过土体模型观测玻璃观测土体模型中断裂带形成和发展，以及地下结构模型的破坏。

Description

一种可加压走滑断层错动模拟装置及模拟实验方法

技术领域

本发明涉及土工模型实验技术，更具体地说，涉及一种可加压走滑断层错动模拟装置，以及一种基于可加压走滑断层错动模拟装置的模拟实验方法。

背景技术

在岩土工程物理模型实验中，恢复土体的应力水平至关重要。目前多通过土工离心机实现土压力水平的模拟。但由于离心机实验平台尺寸有限，在诸如隐伏走滑断层引起上覆土体破坏等大型工程问题时，实验结果的可靠性就会受到模型尺寸的影响。当实验进一步考虑诸如盾构等地下结构破坏时，离心机实验平台尺寸的约束就更为凸显。此外，上覆土体中破裂扩展的形成过程也是研究隐伏走滑断层错动致灾的主要研究对象之一，考虑上覆土体土压力水平影响的同时，仍需满足土体模型观测的要求。因此，如何在走滑断错缩尺模型实验实现对上覆土体土压力水平的有效模拟，同时最大程度降低对土体模型观测的影响，是走滑断错模型实验的技术重点。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种可实现上覆土体应力水平的模拟，充分考虑土体力学性能的应力水平相关特性，且原理明确、构筑简单，实验操作易于实现的可加压走滑断层错动模拟装置，以及一种基于可加压走滑断层错动模拟装置的模拟实验方法。

本发明的技术方案如下：

一种可加压走滑断层错动模拟装置，包括固定盘模型箱、错动盘模型箱，土体模型设置在固定盘模型箱、错动盘模型箱内；固定盘模型箱固定不动，错动盘模型箱相对固定盘模型箱沿水平方向相对错动；固定盘模型箱、错动盘模型箱上均设置有竖向加载组件，竖向加载组件对固定盘模型箱、错动盘模型箱加载竖向压力。

作为优选，错动盘模型箱通过底部导轨组件、侧向导轨组件及走滑断错推进组件进行走滑错动；底部导轨组件设置于错动盘模型箱底部，错动盘模型箱沿底部导轨组件走滑错动；侧向导轨组件设置于错动盘模型箱侧面，对错动盘模型箱沿垂直于走滑错动方向形成限位顶抵；走滑断错推进组件设置于错动盘模型箱前方，推动错动盘模型箱进行走滑错动。

作为优选，固定盘模型箱与错动盘模型箱均包括依次连接的三面墙体，而且固定盘模型箱与错动盘模型箱相对面均不设置墙体。

作为优选，竖向加载组件包括底部横梁、两侧的立柱、顶部横梁、竖向加载千斤顶、传力十字网格架、土体模型观测玻璃；底部横梁、两侧的立柱、顶部横梁包围固定盘模型箱或错动盘模型箱设置，固定盘模型箱或错动盘模型箱顶面由下至上依次设置土体模型观测玻璃与传力十字网格架，竖向加载千斤顶设置在顶部横梁与传力十字网格架之间，竖向加载千斤顶对传力十字网格架加载压力。

作为优选，土体模型观测玻璃布满土体模型表面。

作为优选，底部导轨组件包括水平滚轴、水平轨道，水平滚轴、水平轨道由上至下依次放置于错动盘模型箱的竖向加载组件下方。

作为优选，侧向导轨组件包括侧向滚轴、侧向轨道，侧向滚轴、侧向轨道由内至外依次放置于错动盘模型箱的侧壁上。

作为优选，走滑断错推进组件包括走滑断错加载千斤顶、反力墙；走滑断错加载千斤顶放置于错动盘模型箱前方，反力墙固定设置在走滑断错加载千斤顶前方，走滑断错加载千斤顶以反力墙为支撑，推动错动盘模型箱进行走滑错动。

一种基于可加压走滑断层错动模拟装置的模拟实验方法，包括以下步骤：

步骤1：根据待模拟土体埋深，选择要施加的土体围压，通过竖向加载组件向土体模型施加预定压力；

步骤2：通过走滑断错推进组件推动错动盘模型箱进行走滑错动模拟，通过土体模型观测玻璃观测土体模型中断裂带形成和发展，以及地下结构模型的破坏。

本发明的有益效果如下：

本发明所述的装置与模拟实验方法能够在复杂的走滑断层模拟装置中实现土压力水平的模拟，通过竖向加载组件对土体模型进行应力水平恢复。本发明可应用于不同埋深下地下盾构结构近走滑断错破坏的模拟，用于解决以往离心机模型实验模型箱尺寸有限等问题，建立原理明确，操作方便的实验模拟方法，为走滑断层模型实验提供一种新的解决方法。

附图说明

图1是本发明所述的装置的示意图；

图中：1是固定盘模型箱，2是错动盘模型箱，3是竖向加载组件，31是立柱，32是顶部横梁，33是底部横梁，34是竖向加载千斤顶，35是传力十字网格架，4是底部导轨组件，41是水平滚轴，42是水平轨道，5是侧向导轨组件，51是侧向滚轴，52是侧向轨道，6是走滑断错推进组件，61是走滑断错加载千斤顶，62是反力墙。

具体实施方式

以下结合附图及实施例对本发明进行进一步的详细说明。

本发明提供一种可加压走滑断层错动模拟装置，如图1所示，包括固定盘模型箱1、错动盘模型箱2、竖向加载组件3、底部导轨组件4、侧向导轨组件5及走滑断错推进组件6。土体模型设置在固定盘模型箱1、错动盘模型箱2内；固定盘模型箱1固定不动，错动盘模型箱2相对固定盘模型箱1沿水平方向相对错动；固定盘模型箱1、错动盘模型箱2上均设置有竖向加载组件3，竖向加载组件3对固定盘模型箱1、错动盘模型箱2加载竖向压力。错动盘模型箱2通过底部导轨组件4、侧向导轨组件5及走滑断错推进组件6进行走滑错动；底部导轨组件4设置于错动盘模型箱2底部，错动盘模型箱2沿底部导轨组件4走滑错动；侧向导轨组件5设置于错动盘模型箱2侧面，对错动盘模型箱2沿垂直于走滑错动方向形成限位顶抵；走滑断错推进组件6设置于错动盘模型箱2前方，推动错动盘模型箱2进行走滑错动。

固定盘模型箱1与错动盘模型箱2均包括依次连接的三面墙体，而且固定盘模型箱1与错动盘模型箱2相对面均不设置墙体。本实施例中，固定盘模型箱1三面墙体由开口盒式高强锰钢构件拼装而成，靠近错动盘模型箱2一侧不设置墙体，固定盘模型箱1保持固定不动。错动盘模型箱2三面墙体由开口盒式高强锰钢构件拼装而成，靠近固定盘模型箱1一侧不设置墙体，错动盘模型箱2可相对固定盘模型箱1沿水平方向模拟走滑错动。

竖向加载组件3包括底部横梁33、两侧的立柱31、顶部横梁32、竖向加载千斤顶34、传力十字网格架35、土体模型观测玻璃；底部横梁33、两侧的立柱31、顶部横梁32包围固定盘模型箱1或错动盘模型箱2设置，固定盘模型箱1或错动盘模型箱2顶面由下至上依次设置土体模型观测玻璃与传力十字网格架35，竖向加载千斤顶34设置在顶部横梁32与传力十字网格架35之间，竖向加载千斤顶34对传力十字网格架35加载压力。本实施例中，竖向加载组件3包括两侧立柱31、顶部横梁32、底部横梁33、竖向加载千斤顶34和传力十字网格架35。两侧立柱31、顶部横梁32和底部横梁33共同构成一“回”字形竖向加载反力架。竖向加载千斤顶34架设于顶部横梁32下方，并将荷载通过传力十字网格架35均匀施加于土体模型观测玻璃之上，最后传至土体模型表面。

所述的立柱31为工字型立柱，顶部横梁32、底部横梁33分别为工字型横梁。所述的传力十字网格架35由宽2厘米、高5厘米高强锰钢条，按中心间距20厘米呈十字架焊接构成，以把千斤顶荷载均匀传递至高强钢化玻璃，并减小高强钢化玻璃变形。所述的土体模型观测玻璃为10厘米厚高强钢化玻璃，并布满整个土体模型表面，确保在竖向加压荷载作用下不会有显著变形，同时满足土体模型观测要求。

底部导轨组件4包括水平滚轴41和水平轨道42，依次放置于错动盘模型箱2的竖向加载组件3下方。水平滚轴41放置于底部横梁33和水平轨道42之间，沿水平方向按一定间距排放，以减小底部横梁33与水平轨道42之间的摩擦。水平轨道42沿错动方向架设，以确保错动盘模型箱2沿设定方向错动。

侧向导轨组件5包括侧向滚轴51和侧向轨道52，依次放置于错动盘模型箱2平行于错动方向的墙体外侧。侧向滚轴51放置于错动盘模型箱2的墙体和侧向轨道52之间，沿水平方向按一定间距排放，以限制错动盘模型箱2沿着垂直于错动方向的水平位移。侧向轨道52沿错动方向架设，并确保错动盘模型箱2与侧向滚轴51始终保持接触。

走滑断错推动组件包括走滑断错加载千斤顶61和反力墙62，依次放置于错动盘模型箱2一侧的底部横梁33之前。反力墙62与水平轨道42之间连成一体，实验过程中保持相对静止。走滑断错加载千斤顶61的作用力施加于错动盘模型箱2一侧的底部横梁33之上，从而推动错动盘模型箱2沿着水平轨道42的方向进行走滑错动模拟。

本发明所述的装置能应用于不同埋深地下结构物的近走滑断层错动破坏模拟，还可以克服以往模型实验忽略土体围压影响等不足，建立原理明确，操作方便的实验装置。

基于所述的可加压走滑断层错动模拟装置，本发明还提供一种土体模拟实验方法，包括以下步骤：

步骤1：根据待模拟土体埋深，选择要施加的土体围压，通过竖向加载组件3向土体模型施加预定压力；

步骤2：通过走滑断错推进组件6推动错动盘模型箱2进行走滑错动模拟，通过土体模型观测玻璃观测土体模型中断裂带形成和发展，以及地下结构模型的破坏。

上述实施例仅是用来说明本发明，而并非用作对本发明的限定。只要是依据本发明的技术实质，对上述实施例进行变化、变型等都将落在本发明的权利要求的范围内。

Claims (9)

1.一种可加压走滑断层错动模拟装置，其特征在于，包括固定盘模型箱、错动盘模型箱，土体模型设置在固定盘模型箱、错动盘模型箱内；固定盘模型箱固定不动，错动盘模型箱相对固定盘模型箱沿水平方向相对错动；固定盘模型箱、错动盘模型箱上均设置有竖向加载组件，竖向加载组件对固定盘模型箱、错动盘模型箱加载竖向压力。

2.根据权利要求1所述的可加压走滑断层错动模拟装置，其特征在于，错动盘模型箱通过底部导轨组件、侧向导轨组件及走滑断错推进组件进行走滑错动；底部导轨组件设置于错动盘模型箱底部，错动盘模型箱沿底部导轨组件走滑错动；侧向导轨组件设置于错动盘模型箱侧面，对错动盘模型箱沿垂直于走滑错动方向形成限位顶抵；走滑断错推进组件设置于错动盘模型箱前方，推动错动盘模型箱进行走滑错动。

3.根据权利要求1所述的可加压走滑断层错动模拟装置，其特征在于，固定盘模型箱与错动盘模型箱均包括依次连接的三面墙体，而且固定盘模型箱与错动盘模型箱相对面均不设置墙体。

4.根据权利要求1所述的可加压走滑断层错动模拟装置，其特征在于，竖向加载组件包括底部横梁、两侧的立柱、顶部横梁、竖向加载千斤顶、传力十字网格架、土体模型观测玻璃；底部横梁、两侧的立柱、顶部横梁包围固定盘模型箱或错动盘模型箱设置，固定盘模型箱或错动盘模型箱顶面由下至上依次设置土体模型观测玻璃与传力十字网格架，竖向加载千斤顶设置在顶部横梁与传力十字网格架之间，竖向加载千斤顶对传力十字网格架加载压力。

5.根据权利要求4所述的可加压走滑断层错动模拟装置，其特征在于，土体模型观测玻璃布满土体模型表面。

6.根据权利要求1所述的可加压走滑断层错动模拟装置，其特征在于，底部导轨组件包括水平滚轴、水平轨道，水平滚轴、水平轨道由上至下依次放置于错动盘模型箱的竖向加载组件下方。

7.根据权利要求1所述的可加压走滑断层错动模拟装置，其特征在于，侧向导轨组件包括侧向滚轴、侧向轨道，侧向滚轴、侧向轨道由内至外依次放置于错动盘模型箱的侧壁上。

8.根据权利要求1所述的可加压走滑断层错动模拟装置，其特征在于，走滑断错推进组件包括走滑断错加载千斤顶、反力墙；走滑断错加载千斤顶放置于错动盘模型箱前方，反力墙固定设置在走滑断错加载千斤顶前方，走滑断错加载千斤顶以反力墙为支撑，推动错动盘模型箱进行走滑错动。

9.一种基于权利要求1至8任一项所述的可加压走滑断层错动模拟装置的模拟实验方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：根据待模拟土体埋深，选择要施加的土体围压，通过竖向加载组件向土体模型施加预定压力；

步骤2：通过走滑断错推进组件推动错动盘模型箱进行走滑错动模拟，通过土体模型观测玻璃观测土体模型中断裂带形成和发展，以及地下结构模型的破坏。