CN105223081A - 地应力效应下活动断裂带错动位移分布模型试验装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种地应力效应下活动断裂带错动位移分布模型试验装置，在顶盖和底座之间为试样室，空心千斤顶固定在顶盖顶部，底座的上表面沿直径安装有直线导轨；空心千斤顶的加载活塞穿过顶盖的中心伸入限位筒内；限位筒中从上至下依次包裹有上部垫块、上试件、岩土试样、下试件和下部垫块；限位筒的外周的上部和下部别包裹有加载压头和承载压头，承载压头的底部安装在直线导轨上。该装置能够模拟一定地应力状态下活动断裂带地质体的运动特征，还可通过预留孔可对上试件、下试件和试样进行钻孔，模拟过活动断裂带的隧洞结构体，为研究活动断裂带地质体本身和隧洞围岩位移分布模式提供重要试验手段和依据。

Description

地应力效应下活动断裂带错动位移分布模型试验装置

技术领域

本发明属于岩体力学模型试验装备技术领域，具体涉及一种地应力效应下活动断裂带错动位移分布模型试验装置。

背景技术

活动断裂带是指晚第四纪期间(特指距今约0.15Ma以来)曾多次活动，现在及未来仍将继续活动的断裂带；它做为最新的地表构造形迹，其活动性必会体现在地貌、强震活动、地质体错动等方面。

当交通隧道或水工隧洞等穿越活动断裂带时，活动断裂带的错动(黏滑和蠕滑)会使隧道(洞)围岩、支护结构经受严重的剪切作用，使隧道(洞)产生大规模塌方、支护结构破坏，造成极大的伤亡和损失。我国属于地震多发国家，活动断裂带广泛分布，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。因此，在隧道(洞)无法规避活动断裂带的情况下，研究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，对于揭示隧道(洞)围岩响应，科学设计支护体系具有重要意义。

岩体工程模型试验是以相似理论为基础，通过在比例缩小的模型试件中进行加载、开挖等操作，模拟工程现场隧道(洞)所处的应力状态、开挖等条件，监测试件在给定条件下的变形与位移特征、应力分布、破坏形态和破坏机制等；从而为工程现场隧道(洞)的开挖施工及支护设计提供指导和借鉴。因此，模型试验被广泛应用于岩体工程(隧道(洞)、巷道等)的施工和研究中。在涉及活动断裂带的施工研究中，国内外学者为了不同研究目的研制了各种活动断裂带或错动带模型试验装置，应用于穿越活动断裂带隧道(洞)的支护研究中，如：

岩石力学与工程学报(2008年第11期)设计了一种大比例尺三维地裂缝与地铁隧道结构模型试验装置用于研究地裂缝活动对地铁衬砌隧道变形破坏规律与受力模式的影响，隧道模型一端跨地面，一端跨沉降平台，采用多个等间距成排布设的千斤顶人为控制上下盘岩体的升降速度。

岩石力学与工程学报(2011年第12期)设计了一种断层粘滑错动条件下隧道支护监测系统，通过固定断层下盘，在上盘部位底部施加整体抬升的竖向位移来模拟逆断层的错动。

中国专利申请公布号为CN104142274A，公布日为2014.11.12，发明名称为《岩土直剪试验装置及方法》，该申请案公布了一种可以对加载试件竖向和横向加载量进行控制的剪切试验装置。

当前，对于活动断裂带运动效应的模型试验研究主要是通过剪切试验或者简单的物理模型试验装置模拟，这与活动断裂带地质体实际状况不符。当前试验装置与设备主要存在以下问题：

1、直剪试验设备中

模型试验往往通过简单的剪切设备完成，不能给试样中间软弱带施加围压，无法形成三向荷载，剪切带厚度较小，实际为面剪切而不是带剪切；不能模拟隧洞的开挖，无法研究开挖后效应。

2、常规三轴试验设备中

模型试验不能控制剪切方向，不能限制试样转动，不能开挖隧洞。

3、现有的活动断裂带或错动带模型试验装置中

现有部分试验装置中，隧道在试验开始前就已经开挖完成，随后在施加荷载研究其规律。这与地下工程隧道开挖是在地应力已存在的给定应力状态下进行开挖不同，即开挖时的受力情况与实际不符。同时，部分试验装置模型尺寸太大，试验成本太高、重复试验性不强或不能施加三向荷载。

在对考虑地应力作用的活动断裂带地质体位移分布模式的问题进行分析时，大多采用数值模拟进行分析，缺乏相关的模型试验装置。

发明内容

鉴于当前试验装置存在的问题，本发明的目的在于设计一种地应力效应下活动断裂带错动位移分布模型试验装置，可以实现对试件进行三向加载与开挖，实现活动断裂带两盘闭合与沿断裂带滑动效应的模拟。研究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了可靠的实验手段。

为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案包括液压缸、空心千斤顶、顶盖、底座、限位筒、加载压头、承载压头、上部垫块、下部垫块、直线导轨和外套筒，其特征在于：顶盖和底座之间为试样室，试样室由上方的空心千斤顶和顶盖、侧面环绕的液压缸和底部的底座安装构成；空心千斤顶固定在顶盖顶部，顶盖固定在液压缸上缘，底座固定在液压缸下缘；在顶盖的下表面固定有限位筒；底座的上表面沿直径安装有直线导轨；空心千斤顶的加载活塞穿过顶盖的中心伸入限位筒内。限位筒内、加载活塞下方为加载压头；加载压头和承载压头分别外套在外套筒的上部和下部；外套筒中从上至下依次包裹有上部垫块、上试件、岩土试样、下试件和下部垫块；承载压头的底部安装在直线导轨上；底座上还设置有连通试样室的进液口和排液口；进、排液口均连接液压油机。

上述技术方案中，所述的加载压头设置在限位筒中；加载压头为一端开口的圆柱桶形，开口端的侧面为加载压头侧壁，另一端为加载压头顶部；在加载压头顶部的上方设置轴向加载装置；加载压头侧壁内部、加载压头顶部的下方设置有外套筒；在加载压头侧壁上还设置有多个加载压头穿孔。

上述技术方案中，所述的液压缸、空心千斤顶、限位筒、加载压头、承载压头均为圆筒形，上部垫块、下部垫块均为圆柱形，液压缸、空心千斤顶、限位筒、加、承载压头以及上、下部垫块的中心轴线重合。

上述技术方案中，岩土试样整体为斜截圆柱体形，顶部和底部的椭圆的长轴与水平面夹角均为α，α在30°～45°之间；上试件是底部为斜截圆柱体的圆柱体，其底面为被与水平面夹α角的平面切得长轴和水平面夹角α的椭圆形；下试件是顶部为斜截圆柱体的圆柱体，其顶面为被与水平面夹α角的平面切得长轴和水平面夹角α的椭圆形；岩土试样、上试件的底面和下试件的顶面的各个椭圆形斜面尺寸相同，且各个椭圆形斜面的长轴与底座的直线导轨的轴线位于同一铅垂面内。

上述技术方案中，加载压头是底部为斜截圆柱体的圆柱体，其底面为被与水平面夹β角的平面切得长轴和水平面夹角β的椭圆形；加载压头和承载压头的直径相同，承载压头是顶部为斜截圆柱体的圆柱体，其顶面为被与水平面夹β角的平面切得长轴和水平面夹角β的椭圆形；β在30°～45°之间；每个椭圆形的长轴与直线导轨的中轴线位于同一铅垂面内。

上述技术方案中，加载活塞、加载压头、上部垫块沿中轴线位置设置有直径相同的预留孔，预留孔直径为上试件直径的1/3～1/5。

上述技术方案中，上试件和下试件的圆柱体的直径均为0.5m、上试件和下试件的圆柱体最高高度在0.3～0.5m之间；岩土试样为斜截圆柱体，相应的两个椭圆面之间的距离为0.3～0.5m之间。

上述技术方案中，所述外套筒为弹性材质制成。

上述技术方案中，上下试件和下试件使用同样的材料制作，且上、下试件比岩土试样的硬度大。

由上述提供的技术方案可以看出，本发明设计的一种地应力效应下活动断裂带错动位移分布模型试验装置，具有以下优点：

1、整体上岩土结构模型由相似材料制作而成的上、下试件和岩土试样组合而成，整体为圆柱体。中部的岩土试样相比于上、下试件的硬度低，岩性软弱，模拟活动断裂带上、下盘之间的软弱地质体，上、下试件则模拟断裂带上、下盘，三者组合而成的模型试样与活动断裂带地质体特征更相符。岩土试样的设计厚度较大，可以实现带剪切滑动。

2、顶盖下设的限位筒保证加载压头只能在限位筒中做上下运动，加载压头则有效限制了上试件的水平面方向运动和轴向转动，而承载压头则限制了下试件只能沿着直线导轨左右运动并限制其轴向转动。在前述各个固定措施的作用下，岩土试样在被破坏前，整个岩土试样和上、下试件只能沿着限位筒做上下运动；且岩土试样被破坏后也只能沿着设计的角度α滑动，下试件只能沿着直线导轨左右运动。

3、轴向加载的空心千斤顶可以对岩土试样施加轴向荷载σ_下，液压缸体内中充入液压油并加压后可以对岩土试样施加围压σ_围，从而实现对岩土试样的三向受载，能够模拟在一定地应力状态下活动断裂带地质体的运动特征。

4、顶盖、加载活塞、加载压头和上部垫块的中心同轴开有预留孔。当初始载荷加载完成后，能将开挖设备顺入预留孔中，对岩土试样进行模拟开挖。开挖完成后再加载，可模拟过活动断裂带区域隧道(洞)的位移特征与变形规律。

本发明具有相似性强、能模拟大尺寸岩体工程结构体、成本低、操作简单和试验结果准确可靠的特点，可广泛应用于活动断裂带地质体及其中隧洞围岩运动特征与位移分布模式的试验研究中。

附图说明

图1为本发明设计的地应力效应下活动断裂带错动位移分布模型试验装置的剖面结构示意图；

图2是图1中外套筒16及其内外的结构示意图。

图3是围压σ_围和轴向荷载σ_下对地质体的受力模拟分析图。

图4是使用地应力效应下活动断裂带错动位移分布模型试验装置时中间的岩土试样的受力分析图。

图5是可加围压并约束试样转动的加载机构的结构示意图。

图6是加载压头的结构示意图。

图中：液压缸1、空心千斤顶2、加载压头3、加载压头顶部3.1、加载压头侧壁3.2、加载压头穿孔3.3、阶梯凹槽3.4、圆环凹槽3.5、内环形槽3.6、底座4、承载压头5、直线导轨6、岩土试件7、上部垫块8、上部垫块阶梯槽8.1、下部垫块9、进液口10、排液口11、顶盖12、限位筒13、上试件14、下试件15、外套筒16、加载活塞17、预留孔18、试样室19、L形橡胶圈20、T形橡胶圈21、岩土试件7上表面椭圆形的长轴和水平面成的角度α、加载压头3的底面和承载压头5的顶面的椭圆环的长轴与水平面夹角β、加载压头侧壁3.2的外周圆直径D1、加载压头侧壁3.2的内周圆直径D2、外套筒16的内周圆直径D3。

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描述，以便于人们对本发明的理解。本发明的具体结构形式不限于下述实施例所描述的形式，本领域的技术人员可根据发明表述的想法轻松的设计出其他具体的实施方式，但这些根据本发明内容设计的具体实施方式仍属于本发明的保护范围。

如图1和2所示的地应力效应下活动断裂带错动位移分布模型试验装置包括：液压缸1、空心千斤顶2、顶盖12、底座4、限位筒13、加载压头3、承载压头5、上部垫块8、下部垫块9、直线导轨6和外套筒16。顶盖12和底座4之间，由上方的空心千斤顶2和顶盖12、侧面环绕的液压缸1和底部的底座4共同构成试样室19。

空心千斤顶2固定在顶盖12顶部，顶盖12固定在液压缸1上缘，底座4固定在液压缸1下缘。在顶盖12的下表面还固定有限位筒13；底座4的上表面沿其某条直径安装有直线导轨6。

空心千斤顶2的加载活塞17穿过顶盖12的中心伸入限位筒13内。限位筒13内、加载活塞17下方为加载压头3；加载压头3和承载压头5分别外套在外套筒16的上部和下部。弹性的外套筒16包裹为试样整体，具体从上至下依次为上部垫块8、上试件14、岩土试样7、下试件15和下部垫块9。承载压头5的底部安装在直线导轨6上。

底座4上还设置有连通试样室19的进液口10和排液口11；进、排液口10、11均连接液压油机。通过进液口10和排液口11向试样室19内注入/排出施加侧向围压压力的压力油介质，从而对外套筒16内的岩土试样7施加一定的围压σ_围，同时保证对试样整体施加的围压σ_围各向一致，够达到预期要求。

顶盖12与液压缸1上缘通过螺栓连接，底座4与液压缸1下缘用螺栓连接。空心千斤顶2的底部加有固定钢圈，通过螺栓将其固定在顶盖12上。利用空心千斤顶2的加载活塞17向下施加压力，即可对岩土试样7施加轴向荷载σ_下。

顶盖12下表面与限位筒13上缘用螺栓连接，空心千斤顶2的加载活塞17穿过顶盖12中心开设的预留孔18伸入缸体中的限位筒13内。加载压头3位于加载活塞17正下方，加载时加载压头3上表面与加载活塞17下表面接触；加载活塞17和加载压头3处于限位筒13中且只能在限位筒13中做上下运动。依此保证外套筒16内的试样整体不会沿水平方向移动，仅仅沿竖直方向移动。外套筒16使用弹性材质，保证试样整体能够完全被施加轴向上的轴向荷载σ_下。

所述的上部垫块8位于加载压头3与上试件14之间，下部垫块9位于承载压头5与下试件15之间，上部垫块8能将千斤顶作用在加载压头3上的轴向力均匀的传递给试样。底座4上表面安装有直线导轨6，承载压头5安装在直线导轨6上。依此保证试样整体位移沿水平方向，且利用直线导轨6上设置的检测设备，可以监控、检测试样整体的水平位移量。

如图5和6所示的可加围压并约束试样转动的加载机构中：具体的，加载压头3设置在限位筒13中。加载压头3为一端开口的圆柱桶形，开口端的侧面为加载压头侧壁3.2，另一端为加载压头顶部3.1。在加载压头顶部3.1的上方设置空心千斤顶2。

加载压头侧壁3.2内部、在加载压头顶部3.1的下方、还设置有外套筒16。外套筒16内部包裹有上部垫块8和岩土试样7。

上部垫块8接触区域以外的加载压头侧壁3.2上还设置有多个加载压头穿孔3.3。每个加载压头穿孔3.3的直径为1～2cm。所有加载压头穿孔3.3的总面积占上部垫块8接触区域以外的加载压头侧壁3.2面积的50％～60％。具体的，至少有2/3的加载压头穿孔3.3设置在加载压头侧壁3.2和限位筒5接触区域以外。

在加载压头顶部3.1的外顶面上、沿外圆周开有向下的圆环形的下陷式挖槽：加载压头顶部槽3.4。该加载压头顶部阶梯槽3.4的中央底部开有圆环形的下陷式挖槽：圆环凹槽3.5。沿加载压头顶部3.1的内侧面上、沿外圆周开有圆环形的下陷式挖槽：内环形槽3.6。在加载压头顶部阶梯槽3.4内设置T形橡胶圈21。所述的T形橡胶圈21的截面呈“T”形，T形橡胶圈21的“T”形的突出的底部安装在圆环凹槽3.5内；在加载压头顶部3.1的内环形槽3.6内设置L形橡胶圈20；所述的L形橡胶圈20截面呈“L”形，L形橡胶圈20的顶部设置在内环形槽3.6中。

加载压头3设置在限位筒13中，在加载压头顶部3.1的上方设置空心千斤顶2；在加载压头顶部3.1的下方、加载压头侧壁3.2内设置有外套筒16、上部垫块8和岩土试样7；上部垫块8为圆柱形，其顶部沿外周圆开有向下的圆环形的下陷式挖槽：上部垫块阶梯槽8.1。L形橡胶圈20的“L”形伸出部位内侧包裹在上部垫块阶梯槽8.1外周；外套筒16包裹在上部垫块8、L形橡胶圈20和岩土试样7的外部；外套筒16的顶部设置在加载压头3内侧顶部。

空心千斤顶2、T形橡胶圈21、加载压头3、L形橡胶圈20、外套筒16、限位筒13、岩土试样7和上部垫块8均为同轴设置，且空心千斤顶2、加载压头3和上部垫块8的中心位置均设置有等直径预留孔18。每个部件上的预留孔18在安装完成后为同轴设置。因此可以通过预留孔18顺入开挖设备对岩土试样7进行开挖，模拟隧洞开挖，然后模拟过活动断裂带地质体隧道(洞)的活动特征，得到相关数据。

本发明所设计的加载压头3的顶部为空心千斤顶2，常见的具体设备为空心千斤顶。限位筒13设置在试样室的顶部，试样室内注满液压介质。限位筒13和外套筒16均浸没在液压介质中。

加载压头侧壁3.2的外周圆直径为D1、内周圆直径为D2，外套筒16的外周圆直径为D2、内周圆直径为D3；限位筒13的内周圆直径为D1；T形橡胶圈21的外周圆直径为D1。上部垫块8的外周圆直径为D3。

加载压头侧壁3.2的外周圆直径为D1＝57～112cm；加载压头侧壁3.2的内周圆直径为D2＝52～103cm；

且加载压头侧壁3.2的壁厚(D1-D2)/2为5～15mm。

外套筒16的外周圆直径也为D2；外套筒16的内周圆直径为D3＝50～100cm。所述的外套筒16为弹性材料，它的壁厚(D2-D3)/2为2～5mm。

T形橡胶圈21的外周圆直径也为D1。T形橡胶圈21的内周圆直径不小于0.8×D1。

L形橡胶圈20的外周圆直径为D3。L形橡胶圈20的内周圆直径不少于0.8×D3，且L形橡胶圈20的整体高度为0.1×D3～0.2×D3。所述的L形橡胶圈20的内周圆直径不少于0.8×D3，且L形橡胶圈20的整体高度为0.1×D3～0.2×D3，L形橡胶圈20的“L”形截面的长宽比为2:3。

具体的，为了配合整体的试验设备及待测岩土试样的直径，选取橡胶制作的外套筒16，它的内周直径D3＝50cm、外周直径D2＝54cm、壁厚2cm。依此，加载压头侧壁3.2的外周圆直径D1＝57cm。

L形橡胶圈20的形状及尺寸和上部垫块8、外套筒16及加载压头3之间的环形缺口相互配合，保证液压介质不会进入外套筒16内。T形橡胶圈5的形状及尺寸和加载压头3、轴向加载装置1契合限位筒6之间的环形缺口相互配合，保证液压介质不会进入轴向加载装置1和加载压头3之间。

试样整体由岩土试件7、上试件14、下试件15三部分组合而成，其中岩土试件7为软岩试样，上试件14和下试件15为硬岩试件，三者分别模拟活动断裂带的软弱地质体和上下断盘。

具体的，所述外套筒16为弹性材质制成。外套筒16上下依次紧紧包裹：上部垫块8、上试件14、岩土试件7、下试件15、和下部垫块9。将外套筒16的上下分别安装带有固定夹具的加载压头3、承载压头5。外套筒16和上部垫块8的上表面接触，加载压头3的内部下表面同时与外套筒16上部、下部垫块9的下表面以及承载压头5的内部上表面相接触。外套筒16从上至下分别受到限位筒13、加载压头3、承载压头5和直线导轨6的限制。因此，外套筒16内的上试件14只能沿着限位筒13上下运动。岩土试件7和下试件15在被破坏前，也只能沿着限位筒13上下运动。当岩土试件7被破坏后，岩土试件7也只能沿着给定的表面(下试件15的斜截圆柱体上表面)滑动，下试件15则只能沿着直线导轨6左右运动，依此保证试样整体运动是受限制运动。

岩土试样7整体为斜截圆柱体形，顶部和底部的椭圆的长轴与水平面夹角均为α，α在30°～45°之间。上试件14是底部为斜截圆柱体的圆柱体，其底面为被与水平面夹α角的平面切得长轴和水平面夹角α的椭圆形。下试件15是顶部为斜截圆柱体的圆柱体，其顶面为被与水平面夹α角的平面切得长轴和水平面夹角α的椭圆形。岩土试样7、上试件14的底面和下试件15的顶面的各个椭圆形斜面尺寸相同，且各个椭圆形斜面的长轴与底座4的直线导轨6的轴线位于同一铅垂面内。

加载压头3是底部为斜截圆柱体的圆柱体，其底面为被与水平面夹β角的平面切得长轴和水平面夹角β的椭圆环。加载压头3和承载压头5的直径相同，承载压头5是顶部为斜截圆柱体的圆柱体，其顶面为被与水平面夹β角的平面切得长轴和水平面夹角β的椭圆环；β在30°～45°之间。每个椭圆环的长轴与直线导轨6的中轴线位于同一铅垂面内。

外套筒16和其外部的加载压头3和承载压头5的尺寸、形状相互配合。特别是是加载压头3和上试件14的尺寸、形状相互配合，承载压头5和下试件15的尺寸、形状相互配合；均为外部的倾斜椭圆面不超过内部的倾斜椭圆面，从而保证中部的岩土试样7这样可以保证试样整体按规定方式错动。

依此可以得到如图3和4的分别对围压σ_围和轴向荷载σ_下对地质体的受力模拟分析，和使用地应力效应下活动断裂带错动位移分布模型试验装置时中间的岩土试样的受力分析。

岩土试样7、上试件14的底面和下试件15的顶面的各个椭圆形斜面尺寸相同，且各个椭圆形斜面的长轴与底座4的直线导轨6的轴线位于同一铅垂面内。上试件14和下试件15的圆柱体的直径均为0.5m、圆柱体的最高高度在0.3～0.5m之间，岩土试样7的斜截圆柱体的两个椭圆面之间的距离为0.3～0.5m之间。

所述的液压缸1、空心千斤顶2、限位筒13、加载压头3、承载压头5均为圆筒形，上部垫块8、下部垫块9均为圆柱形，液压缸1、空心千斤顶2、限位筒13、加、承载压头4、5以及上、下部垫块8、9的中心轴线重合。

所述的加载压头3和承载压头5直径相同。限位筒13内径、加载活塞17外径和加载压头3外径相等。加载压头3内径与外套筒16外径相等。外套筒16内径和上部垫块8、下部垫块9、岩土试件7、上试件14、下试件15的外径均相等。岩土试件7、上试件14及下试件15的直径均略小于加载压头3和承载压头5的内径，差值均为外套筒16的厚度。

所述的顶盖12、加载压头3和上部垫块8中心开有和顶部的空心千斤顶2同轴且直径相等的预留孔18。加载活塞17、加载压头3、上部垫块8沿中轴线位置设置有直径相同的预留孔18，预留孔18直径为上试件14直径的1/3～1/5。开设的预留孔18可以实现在试验过程中，向孔内顺入钻孔设备，实现对试样的开挖，模拟过活动断裂带隧道的运动特征。

除外套筒16、岩土试件7和上、下试件(14、15)以外的试验装置除均由金属材料制成。

如图3所示，模拟围压σ_围和轴向荷载σ_下对地质体的受力分析。如图4是使用本模型试验装置时，中间的岩土试样7的受力分析图。

利用本发明所设计的地应力效应下活动断裂带错动位移分布模型试验装置，可以采取以下试验实施步骤：

首先根据目标区域的地质资料信息，制作岩土试样7、上试件14和下试件15。上试件14和下试件15使用同样的材料制作，且二者的材料比岩土试样7的硬度大。外套筒16中从上至下依次包裹：上部垫块8、上试件14、岩土试样7、下试件15和下部垫块9。此时，岩土试样7、上试件14和下试件15构成了试样整体。

(一)、模拟一定地应力状态下活动断裂带地质体的运动特征

1、将直线导轨6和下部承载压头5安装好，连接底座4和液压缸1，把外套筒16放置在承载压头5内，将剩下装置安装到位，密封液压缸1，完成整个装置的安装。

2、预加载：空心千斤顶2轴向施加一个较小的力，使试样整体、上部垫块8、加载压头3、加载活塞17各个接触面之间均紧密接触；

3、加载至给定应力状态：向试样室19内注入压力油介质，施加围压至设计值，开动空心千斤顶2，按设计的应力条件进行进一步加载，到达给定应力条件后，停止加载并保持应力不变，达到稳定应力状态；

4、轴向继续加载：根据试验设计的速率，进行试验，使得岩土试件7按给定面发生细微的滑动，同时使得下试件15连同下部垫块9和承载压头5沿着直线导轨6左右滑动直至试验结束；

5、记录试验数据，分析处理试验结果。

(二)、模拟过活动断裂带的隧洞结构体

步骤1～3和前述(一)、模拟一定地应力状态下活动断裂带地质体的运动特征一致。

4、通过预留孔18顺入相应的开挖设备，对岩土试件7进行开挖，开挖模拟隧洞；

5、开挖完成后，空心千斤顶2轴向继续加载，根据试验设计的速率，进行试验，使得岩土试件7按给定面发生细微的滑动，同时使得下试件15连同下部垫块9和承载压头5沿着直线导轨6左右滑动直至试验结束；

6、记录试验数据，分析处理试验结果。

本发明设计的地应力效应下活动断裂带错动位移分布模型试验装置，对试样室9内岩土试样7的运动受到加载压头3、限位筒13、外套筒16、承载压头5和直线导轨6限制，保证岩土试样7只能沿给定斜面滑动。该试验装置通过轴向和侧向加载，能够模拟一定地应力状态下活动断裂带地质体的运动特征，还可通过预留孔18可对上试件14、下试件15和岩土试样7进行钻孔，模拟过活动断裂带的隧洞结构体，为研究活动断裂带地质体本身和隧洞围岩位移分布模式提供重要试验手段和依据，克服了传统活动断裂带错动试验无法考虑地应力作用的局限性。

Claims (9)

1.一种地应力效应下活动断裂带错动位移分布模型试验装置，包括液压缸(1)、空心千斤顶(2)、顶盖(12)、底座(4)、限位筒(13)、加载压头(3)、承载压头(5)、上部垫块(8)、下部垫块(9)、直线导轨(6)和外套筒(16)，其特征在于：顶盖(12)和底座(4)之间为试样室(19)，试样室(19)由上方的空心千斤顶(2)和顶盖(12)、侧面环绕的液压缸(1)和底部的底座(4)构成；

空心千斤顶(2)固定在顶盖(12)顶部，顶盖(12)固定在液压缸(1)上缘，底座(4)固定在液压缸(1)下缘；在顶盖(12)的下表面固定有限位筒(13)；底座(4)的上表面沿直径安装有直线导轨(6)；

空心千斤顶(2)的加载活塞(17)穿过顶盖(12)的中心孔伸入限位筒(13)内；在限位筒(13)内、加载活塞(17)下方为加载压头(3)；加载压头(3)和承载压头(5)分别外套在外套筒(16)的上部和下部；外套筒(16)中从上至下依次包裹有上部垫块(8)、上试件(14)、岩土试样(7)、下试件(15)和下部垫块(9)；承载压头(5)的底部安装在直线导轨(6)上；

底座(4)上还设置有连通试样室(19)的进液口(10)和排液口(11)；进、排液口(10、11)均连接液压油机。

2.根据权利要求1所述的地应力效应下活动断裂带错动位移分布模型试验装置，其特征在于：所述的加载压头(3)设置在限位筒(13)中；加载压头(3)为一端开口的圆柱桶形，开口端的侧面为加载压头侧壁(3.2)，另一端为加载压头顶部(3.1)；在加载压头顶部(3.1)的上方设置轴向加载装置(1)；

加载压头侧壁(3.2)内部、加载压头顶部(3.1)的下方设置有外套筒(16)；

在加载压头侧壁(3.2)上还设置有多个加载压头穿孔(3.3)。

3.根据权利要求1所述的地应力效应下活动断裂带错动位移分布模型试验装置，其特征在于：所述的液压缸(1)、空心千斤顶(2)、限位筒(13)、加载压头(3)、承载压头(5)均为圆筒形；上部垫块(8)、下部垫块(9)均为圆柱形；液压缸(1)、空心千斤顶(2)、限位筒(13)、加、承载压头(4、5)以及上、下部垫块(8、9)的中心轴线重合。

4.根据权利要求2所述的地应力效应下活动断裂带错动位移分布模型试验装置，其特征在于：岩土试样(7)整体为斜截圆柱体形，顶部和底部的椭圆的长轴与水平面夹角均为α，α在30°～45°之间；上试件(14)是底部为斜截圆柱体的圆柱体，其底面为被与水平面夹α角的平面切得长轴和水平面夹角α的椭圆形；下试件(15)是顶部为斜截圆柱体的圆柱体，其顶面为被与水平面夹α角的平面切得长轴和水平面夹角α的椭圆形；岩土试样(7)、上试件(14)的底面和下试件(15)的顶面的各个椭圆形斜面尺寸相同，且各个椭圆形斜面的长轴与底座(4)的直线导轨(6)的轴线位于同一铅垂面内。

5.根据权利要求2所述的地应力效应下活动断裂带错动位移分布模型试验装置，其特征在于：加载压头(3)是底部为斜截圆柱体的圆柱体，其底面为被与水平面夹β角的平面切得长轴和水平面夹角β的椭圆环；加载压头(3)和承载压头(5)的直径相同，承载压头(5)是顶部为斜截圆柱体的圆柱体，其顶面为被与水平面夹β角的平面切得长轴和水平面夹角β的椭圆环；β在30°～45°之间；每个椭圆环的长轴与直线导轨(6)的中轴线位于同一铅垂面内。

6.根据权利要求5所述的地应力效应下活动断裂带错动位移分布模型试验装置，其特征在于：加载活塞(17)、加载压头(3)、上部垫块(8)沿中轴线位置设置有直径相同的预留孔(18)，预留孔(18)直径为上试件(14)直径的1/3～1/5。

7.根据权利要求5所述的地应力效应下活动断裂带错动位移分布模型试验装置，其特征在于：上试件(14)和下试件(15)的圆柱体的直径均为0.5m、上试件(14)和下试件(15)的圆柱体最高高度在0.3～0.5m之间；岩土试样(7)为斜截圆柱体，相应的两个椭圆面之间的距离为0.3～0.5m之间。

8.根据权利要求6所述的地应力效应下活动断裂带错动位移分布模型试验装置，其特征在于：所述外套筒(16)为弹性材质制成。

9.根据权利要求7所述的地应力效应下活动断裂带错动位移分布模型试验装置，其特征在于：上下试件(14)和下试件(15)使用同样的材料制作，且上、下试件(14、15)比岩土试样(7)的硬度大。