CN105067438A - 一种可施加三轴应力的穿越活动断裂带隧道错动破坏的模型试验装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可施加三轴应力的穿越活动断裂带隧道错动破坏的模型试验装置，通过第一横向加载装置、第一纵向加载装置和第一竖向加载装置对第一试验腔室内试样进行三轴加载，通过第二纵向加载装置、第三横向加载装置和第三竖向加载装置对第三试验腔室内试验进行三轴加载，通过第一纵向加载装置和第二纵向加载装置输出力以及第二横向加载装置、第二竖向加载装置对第二试验腔室内试验进行三轴加载；通过第一驱动装置和第二驱动装置实现第一试验腔室和第三试验腔室错向移动，以实现对活动断裂带上、下盘与断裂带内软弱地质体之间相对错动的模拟，以获得活动断裂带错动时断裂带内地质体的位移分布模式及其演化规律，为揭示隧道(洞)围岩响应，科学设计支护体系提供可靠的实验手段。

Description

一种可施加三轴应力的穿越活动断裂带隧道错动破坏的模型试验装置

技术领域

本发明涉及岩体力学模型试验装备技术领域，具体地指一种可施加三轴应力的穿越活动断裂带隧道错动破坏的模型试验装置。

背景技术

为了适应我国国民经济快速发展，在交通、水利等领域需要建设大量隧道(洞)等工程。我国属于地震多发国家，活动断层带广泛分布，近年来在西部建设诸多交通隧道、水工隧洞不可避免地穿越了活动断裂带。活动断裂带的交接面有蠕动和错动两种运动形式：蠕动位移量一般较小，对工程结构物一般不会造成直接和即时的破坏，但是较大蠕动位移量也会对工程设施造成一定的影响，工程上可以通过预留变形的方式考虑；错动往往能够引发地震，不仅产生永久性地面位移而且还能够产生剧烈的地震动，这种作用影响很大，一般会使交接面附近的工程结构和设施产生不可修复性破坏。因此，研究断裂带错动作用下穿越断层隧道(洞)的响应机理，研究隧道结构的损伤失效模式，以及研究断裂带错动方式、错动速率、错动距离、隧道洞径大小等相关因素的影响效果，具有重要的实用价值和广泛的工程应用前景，对推进非连续岩体力学的研究具有重大的科学意义。

模型试验形象直观，可定性或定量地反映与地下工程有关的天然岩体受力特性，和与其相联系地下工程结构的相互影响，可与数学模型相互验证；尤其重要的是物理模拟可以比较全面地、真实地模拟复杂地下工程结构、复杂地质构造、复杂地下岩层组合关系。因此模型试验被广泛应用于隧道(洞)的施工和研究中。

目前，国内外关于活动断裂带错动模式的模型试验开展了大量工作，但模型试验设备和方法存在如下问题：

1)模型试验中往往通过简单的剪切设备完成，应力的施加为单轴或双轴，缺少考虑三轴应力条件下的隧道错动破坏机理研究；

2)模型试验试样中模拟软弱带的剪切层厚度较小，由于应力集中等因素，无法真实模拟出软弱地质体与断裂带上、下盘的交接面处错动的真实情况。

3)模型试验设备在应力施加后，无法对模型试样进行隧洞开挖。

由于缺少能合理模拟的活动断裂带中隧道错动破坏的模型试验设备，此类问题的研究主要通过数值模拟进行，这对于穿越活动断裂带的隧道支护施工是不利的。

发明内容

本发明的目的就是要解决上述背景技术的不足，提供一种可施加三轴应力的穿越活动断裂带隧道错动破坏的模型试验装置，以对试件进行三轴加载，模拟隧道与活动断裂带，以实现对活动断裂带上、下盘与断裂带内软弱地质体之间相对错动的模拟。

本发明的技术方案为：一种活动断裂带中隧道错动破坏模型试验装置，包括底座，所述底座上部沿纵向依次并列设置有呈矩形并用于装载试样的第一试验腔室、第二试验腔室和第三试验腔室，所述第一试验腔室纵向后侧壁、横向左侧壁与竖向上侧壁分别对应与第一纵向加载装置、第一横向加载装置和第一竖向加载装置的输出端连接，所述第二试验腔室横向左侧壁与竖向上侧壁分别对应与第二横向加载装置和第二竖向加载装置的输出端连接，所述第三试验腔室纵向前侧壁、横向左侧壁和竖向上侧壁分别对应与第二纵向加载装置、第三横向加载装置和第四竖向加载装置的输出端连接；所述底座上部沿纵向依次设置有将所述第一试验腔室、第二试验腔室和第三试验腔室包覆在内并纵向贯通的第一框架、第二框架和第三框架，所述第一框架和第三框架底部分别对应通过沿横向设置的第一滑轨、第二滑轨与所述底座滑动连接，所述底座两侧对应设置有分别驱动第一框架和第三框架沿横向移动的第一驱动装置和第二驱动装置；所述第二框架底部固定设置在所述底座上。

上述方案中：

所述底座上部沿纵向依次设置有位于第一试验腔室外侧的第一承力板和位于第三试验腔室外侧的第二承力板，所述第一纵向加载装置和第二纵向加载装置均包括若干个纵向千斤顶，所述纵向千斤顶的固定座对应固定设置在所述第一承力板和第二承力板的内侧面，所述纵向千斤顶的输出端对应与第一试验腔室纵向后侧壁和第三试验腔室纵向前侧壁之间设置有第一钢珠板和第一固定板，所述第一钢珠板固定连接在所述纵向千斤顶的输出端，所述第一固定板对应固定设置在所述第一试验腔室纵向后侧壁和第三试验腔室纵向前侧壁外侧。

所述第一横向加载装置、第二横向加载装置和第三横向加载装置均包括若干个横向千斤顶，所述横向千斤顶的固定座均对应固定设置在所述第一框架、第二框架和第三框架的横向左侧壁内侧，所述横向千斤顶的输出端对应与第一试验腔室和第三试验腔室横向左侧壁之间设置有第二钢珠板和第二固定板，所述第二钢珠板固定连接在所述横向千斤顶的输出端，所述第二固定板对应固定设置在所述第一试验腔室和第三试验腔室横向左侧壁外侧；所述横向千斤顶的输出端对应与第二试验腔室的横向左侧壁之间设置有高压气囊

所述第一竖向加载装置、第二竖向加载装置和第三竖向加载装置均包括若干个竖向千斤顶，所述竖向千斤顶的固定座均对应固定设置在所述第一框架、第二框架和第三框架的竖向上侧壁内侧，所述竖向千斤顶的输出端对应与第一试验腔室和第三试验腔室竖向上侧壁之间设置有第三钢珠板和第三固定板，所述第三钢珠板固定连接在所述竖向千斤顶的输出端，所述第三固定板对应固定设置在所述第一试验腔室和第三试验腔室竖向上侧壁外侧；所述竖向千斤顶的输出端对应与第二试验腔室上侧壁外侧之间设置有高压气囊。

所述第一框架和第三框架的横向右侧壁对应与所述第一试验腔室和第三试验腔室的横向右侧壁之间设置有第四钢珠板和第四固定板，所述第四钢珠板对应固定设置在所述第一框架和第三框架的横向右侧壁内侧，所述第四固定板对应固定设在所述第一试验腔室和第三试验腔室的横向右侧壁外侧；所述第二框架的横向右侧壁与所述第二试验腔室之间设置有高压气囊。

所述第一驱动装置和第二驱动装置均包括承力桩和驱动千斤顶，所述承力桩固定设置在所述底座横向两侧，所述驱动千斤顶的固定座固定设置在所述承力桩内侧部，所述驱动千斤顶输出轴沿横向设置，所述驱动千斤顶输出端对应与所述第一框架和第三框架横向侧壁连接。

本发明在试验时，将试样分别放置在第一试验腔室、第二试验腔室和第三试验腔室内，通过第一横向加载装置、第一纵向加载装置和第一竖向加载装置对第一试验腔室内的试样进行三轴加载，通过第二纵向加载装置、第三横向加载装置和第三竖向加载装置对第三试验腔室内的试验进行三轴加载，通过第一纵向加载装置和第二纵向加载装置输出力以及第二横向加载装置、第二竖向加载装置对第二试验腔室内的试验进行三轴加载；而通过第一驱动装置实现第一试验腔室向横向一侧移动，通过第二驱动装置实现第三试验腔室向横向另一侧移动，第一试验腔室和第三试验腔室向相反方向移动，以实现对活动断裂带上、下盘与断裂带内软弱地质体之间相对错动的模拟，以获得活动断裂带错动时断裂带内地质体的位移分布模式及其演化规律，为揭示隧道(洞)围岩响应，科学设计支护体系提供可靠的实验手段。

附图说明

图1为本发明的结构正视图；

图2为图1的俯视示意图；

图3为图1的A-A截面示意图；

图4为图1的B-B截面示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明。

本实施例的一种可施加三轴应力的穿越活动断裂带隧道错动破坏的模型试验装置，包括底座1，底座1可以由两个并列设置并具有间隔的导轨构成；本实施例的底座1上部沿纵向依次并列设置有呈矩形并用于装载试样的第一试验腔室2、第二试验腔室3和第三试验腔室4，第一试验腔室2纵向后侧壁、横向左侧壁与竖向上侧壁分别对应与第一纵向加载装置、第一横向加载装置和第一竖向加载装置的输出端连接，以实现对第一试验腔室2内的试样5进行三轴加载；第三试验腔室4纵向前侧壁、横向左侧壁和竖向上侧壁分别对应与第二纵向加载装置、第三横向加载装置和第三竖向加载装置的输出端连接，以实现对第三试验腔室4内的试样7进行三轴加载；而第二试验腔室3横向左侧壁与竖向上侧壁分别对应与第二横向加载装置和第二竖向加载装置的输出端连接，通过第二横向加载装置和第二竖向加载装置实现对第二试验腔室3内的试样6进行横向和竖向加载，其纵向加载为第一纵向加载装置和第二纵向加载装置输出力通过试样5、试样7传递至试样6。

本实施例在底座1上部沿纵向依次设置有将第一试验腔室2、第二试验腔室3和第三试验腔室4包覆在内并纵向贯通的第一框架8、第二框架9和第三框架10，第一框架8和第三框架10底部分别对应通过沿横向设置的第一滑轨11、第二滑轨12与底座1滑动连接，而第二框架9底部焊接固定设置在底座1上，本实施例在底座1两侧对应设置有分别驱动第一框架8和第三框架10沿横向移动的第一驱动装置和第二驱动装置，通过第一驱动装置实现第一试验腔室2向横向一侧移动，通过第二驱动装置实现第三试验腔室4向横向另一侧移动，第一试验腔室2和第三试验腔室4向相反方向移动，以实现对活动断裂带上、下盘与断裂带内软弱地质体之间相对错动的模拟，以获得活动断裂带错动时断裂带内地质体位移分布模式及其演化规律，为揭示隧道(洞)围岩响应，科学设计支护体系提供可靠的实验手段。

本实施例在底座1上部沿纵向依次设置有位于第一试验腔室2外侧的第一承力板13和位于第三试验腔室4外侧的第二承力板14，第一纵向加载装置和第二纵向加载装置均包括若干个纵向千斤顶15，纵向千斤顶15的固定座对应固定设置在第一承力板13和第二承力板14的内侧面，纵向千斤顶15的输出端对应与第一试验腔室2纵向后侧壁和第三试验腔室4纵向前侧壁之间设置有第一钢珠板16和第一固定板17，第一钢珠板16固定连接在纵向千斤顶15的输出端，第一固定板对应固定设置在第一试验腔室7纵向后侧壁和第三试验腔室12纵向前侧壁外侧。

本实施例的第一横向加载装置、第二横向加载装置和第三横向加载装置均包括若干个横向千斤顶18，横向千斤顶18的固定座均对应固定设置在第一框架8、第二框架9和第三框架10的横向左侧壁内侧，横向千斤顶18的输出端对应与第一试验腔室2和第三试验腔室4横向左侧壁之间设置有第二钢珠板19和第二固定板20，第二钢珠板19固定连接在横向千斤顶18的输出端，第二固定板20对应固定设置在第一试验腔室2和第三试验腔室4横向左侧壁外侧；横向千斤顶18的输出端对应与第二试验腔室的横向左侧壁之间设置有高压气囊29。

本实施例的第一竖向加载装置、第二竖向加载装置和第三竖向加载装置均包括若干个竖向千斤顶21，竖向千斤顶21的固定座均对应固定设置在第一框架8、第二框架9和第三框架10的竖向上侧壁内侧，竖向千斤顶21的输出端对应与第一试验腔室2和第三试验腔室4竖向上侧壁之间设置有第三钢珠板22和第三固定板23，第三钢珠板22固定连接在竖向千斤顶21的输出端，第三固定板23对应固定设置在第一试验腔室2和第三试验腔室4竖向上侧壁外侧；竖向千斤顶21的输出端对应与第二试验腔室3上侧壁外侧之间设置有高压气囊29。

本实施例第一框架8和第三框架10的横向右侧壁对应与第一试验腔室2和第三试验腔室4的横向右侧壁之间设置有第四钢珠板24和第四固定板25，第四钢珠板24对应固定设置在第一框架8和第三框架10的横向右侧壁内侧，第四固定板25对应固定设在第一试验腔室2和第三试验腔室4的横向右侧壁外侧；第二框架9的横向右侧壁与第二试验腔室3之间设置有高压气囊29。

本实施例中，各个加载装置的千斤顶在加载过程中，施加的力并非垂直于钢珠板，通过使用钢珠板，可消除平行钢珠板面的力，只保留垂直于钢珠板面的力，并通过固定板把力传递至试样；同时还可以保证第一框架8和第三框架10在横向移动时，试样表面的受力力时刻垂直于试样表面。

另外，本实施例为第一试验腔室2和第三试验腔室4内的试样为硬岩试验，而第二试验腔室3内的试样6为软岩试样，由于软岩试样的弹性模量较小，受力变形量较大，故未采用刚性较大的固定板进行传递，而将第二试验腔室3的竖向上侧壁、横向左侧壁和横向右侧壁上均设置有高压气囊29。

本实施例的第一驱动装置和第二驱动装置均包括承力桩26和驱动千斤顶27，承力桩26固定设置在底座1横向两侧，驱动千斤顶27的固定座固定设置在承力桩27内侧部，驱动千斤顶27输出轴沿横向设置，驱动千斤顶27输出端对应与第一框架8和第三框架10横向侧壁连接。

本实施例的试验过程为：

1、使用前，需在沿纵向设置的第一承力板13、第二承力板14、第一钢珠板16、第一固定板17上预留有多个同轴设置的开挖孔28；

2、将试样分别放入试验腔室中；

3、将各个钢珠板、固定板安装到位；

4、将各个加载装置安装到位，同时预加载，施加一个较小的力，使试样、钢珠板、固定板、试样腔室紧密接触；

5、开动各个加载装置，按设计的应力条件进行加载，到达应力条件，停止加载并保持应力不变；

6、通过相应的开挖设备，通过预留开挖孔28，开挖模拟隧洞；

7、发动第一驱动装置和第二驱动装置，根据试验设计的速率，缓慢推动第一框架8、第三框架10，使第一试样腔室2和第三试验腔室4相对于第二试验腔室3错动；

8、记录试验数据，分析处理试验结果。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明的结构做任何形式上的限制。凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明的技术方案的范围内。

Claims (6)

1.一种可施加三轴应力的穿越活动断裂带隧道错动破坏的模型试验装置，包括底座(1)，所述底座(1)上部沿纵向依次并列设置有呈矩形并用于装载试样的第一试验腔室(2)、第二试验腔室(3)和第三试验腔室(4)，所述第一试验腔室(2)纵向后侧壁、横向左侧壁与竖向上侧壁分别对应与第一纵向加载装置、第一横向加载装置和第一竖向加载装置的输出端连接，所述第二试验腔室(3)横向左侧壁与竖向上侧壁分别对应与第二横向加载装置和第二竖向加载装置的输出端连接，所述第三试验腔室(4)纵向前侧壁、横向左侧壁和竖向上侧壁分别对应与第二纵向加载装置、第三横向加载装置和第三竖向加载装置的输出端连接；所述底座(1)上部沿纵向依次设置有将所述第一试验腔室(2)、第二试验腔室(2)和第三试验腔室(4)包覆在内并纵向贯通的第一框架(8)、第二框架(9)和第三框架(10)，所述第一框架(8)和第三框架(10)底部分别对应通过沿横向设置的第一滑轨(11)、第二滑轨(12)与所述底座(1)滑动连接，所述底座(1)两侧对应设置有分别驱动第一框架(8)和第三框架(10)沿横向移动的第一驱动装置和第二驱动装置；所述第二框架(9)底部固定设置在所述底座(1)上。

2.根据权利要求1所述的一种可施加三轴应力的穿越活动断裂带隧道错动破坏的模型试验装置，其特征在于：所述底座(1)上部沿纵向依次设置有位于第一试验腔室(2)外侧的第一承力板(13)和位于第三试验腔室(4)外侧的第二承力板(14)，所述第一纵向加载装置和第二纵向加载装置均包括若干个纵向千斤顶(15)，所述纵向千斤顶(15)的固定座对应固定设置在所述第一承力板(13)和第二承力板(14)的内侧面，所述纵向千斤顶(15)的输出端对应与第一试验腔室(2)纵向后侧壁和第三试验腔室(4)纵向前侧壁之间设置有第一钢珠板(16)和第一固定板(17)，所述第一钢珠板(16)固定连接在所述纵向千斤顶(15)的输出端，所述第一固定板(17)对应固定设置在所述第一试验腔室(2)纵向后侧壁和第三试验腔室(4)纵向前侧壁外侧。

3.根据权利要求1所述的一种可施加三轴应力的穿越活动断裂带隧道错动破坏的模型试验装置，其特征在于：所述第一横向加载装置、第二横向加载装置和第三横向加载装置均包括若干个横向千斤顶(18)，所述横向千斤顶(18)的固定座均对应固定设置在所述第一框架(8)、第二框架(9)和第三框架(10)的横向左侧壁内侧，所述横向千斤顶(18)的输出端对应与第一试验腔室(2)和第三试验腔室(4)横向左侧壁之间设置有第二钢珠板(19)和第二固定板(20)，所述第二钢珠板(19)固定连接在所述横向千斤顶(18)的输出端，所述第二固定板(20)对应固定设置在所述第一试验腔室(2)和第三试验腔室(4)横向左侧壁外侧；所述横向千斤顶(18)的输出端对应与第二试验腔室的横向左侧壁之间设置有高压气囊(29)

4.根据权利要求1所述的一种可施加三轴应力的穿越活动断裂带隧道错动破坏的模型试验装置，其特征在于：所述第一竖向加载装置、第二竖向加载装置和第三竖向加载装置均包括若干个竖向千斤顶(21)，所述竖向千斤顶(21)的固定座均对应固定设置在所述第一框架(8)、第二框架(9)和第三框架(10)的竖向上侧壁内侧，所述竖向千斤顶(21)的输出端对应与第一试验腔室(2)和第三试验腔室(4)竖向上侧壁之间设置有第三钢珠板(22)和第三固定板(23)，所述第三钢珠板(22)固定连接在所述竖向千斤顶(21)的输出端，所述第三固定板(23)对应固定设置在所述第一试验腔室(2)和第三试验腔室(4)竖向上侧壁外侧；所述竖向千斤顶(21)的输出端对应与第二试验腔室(3)上侧壁外侧之间设置有高压气囊(29)。

5.根据权利要求1所述的一种可施加三轴应力的穿越活动断裂带隧道错动破坏的模型试验装置，其特征在于：所述第一框架(8)和第三框架(10)的横向右侧壁对应与所述第一试验腔室(2)和第三试验腔室(4)的横向右侧壁之间设置有第四钢珠板(24)和第四固定板(25)，所述第四钢珠板(24)对应固定设置在所述第一框架(8)和第三框架(10)的横向右侧壁内侧，所述第四固定板(25)对应固定设在所述第一试验腔室(2)和第三试验腔室(4)的横向右侧壁外侧；所述第二框架(9)的横向右侧壁与所述第二试验腔室(3)之间设置有高压气囊(29)。

6.根据权利要求1所述的一种可施加三轴应力的穿越活动断裂带隧道错动破坏的模型试验装置，其特征在于：所述第一驱动装置和第二驱动装置均包括承力桩(26)和驱动千斤顶(27)，所述承力桩(26)固定设置在所述底座(1)横向两侧，所述驱动千斤顶(27)的固定座固定设置在所述承力桩(26)内侧部，所述驱动千斤顶(27)输出轴沿横向设置，所述驱动千斤顶(27)输出端对应与所述第一框架(8)和第三框架(10)横向侧壁连接。