CN105675319B - 模拟隧道穿越活动断层的位移同步控制装置及试验方法 - Google Patents

Abstract

一种模拟隧道穿越活动断层的位移同步控制装置及试验方法，其装置的构成是：无盖的模型试样箱由活动的左半箱和固定的右半箱构成；左半箱通过加载板及水平加载装置连接于反力架上，通过下方的竖向加载装置连接于底座的水平移动副上；右半箱直接通过高强螺栓固定于底座上，右半箱的斜边与左半箱的斜边平行，且通过移动副连接。模型试验箱内设置有用于固定隧道模型的模型空间旋转支架。该装置能够模拟不同形式(走滑、倾向、斜向)、不同空间位置(隧道与断层交角、倾角关系)位移同步控制加载的活动断层粘滑错动下隧道破坏机制的试验，为隧道的设计与施工提供可靠的试验数据，以保证隧道的运营安全。

Description

模拟隧道穿越活动断层的位移同步控制装置及试验方法

技术领域

本发明涉及一种模拟隧道穿越活动断层的位移同步控制装置及试验方法。

背景技术

活动断层由断层面与断盘组成。断层面是岩块发生相对位移的破裂面。断盘指断层面两侧的岩块，位于断层面之上的称为上盘，断层面之下的称为下盘，如断层面直立，则按岩块相对于断层走向的方位(东、西、南、北)来描述。20世纪大量的岩石(土)力学摩擦滑动实验研究结果指出，岩石(土体)摩擦滑动有两类基本形式：稳定滑动(蠕滑)和突发滑动(粘滑)。粘滑是一种不稳定滑动，它是对外加负荷产生的振荡位移响应。活动断层粘滑错动是一种断裂构造特征的地区性地质灾害，是造成跨断层隧道结构严重破坏的主要因素，严重影响隧道衬砌结构的稳定性，具体表现为断层上、下盘突发性大变形位移错动。

随着城市化进程的加速，以及西部大开发引起的隧道工程的大量兴建，将不可避免地遇到跨越活动断层问题，如新疆乌鲁木齐地铁修建时，根据工程建设，面临着穿越多条活动断层的技术难题。隧道衬砌结构在断层两侧土体相对位移牵制下将产生附加应力和附加变形，过大的错动位移使衬砌兼受拉压、剪切、扭转和弯曲的复合力学性质，可能导致衬砌开裂和屈服破坏，影响地铁区间隧道正常运营。

中国专利申请201010156366.X的公开了一种“地裂缝土质隧道物理模型试验装置及模型试验方法”。该模拟地裂缝土质隧道物理模型试验装置，按照设置的模拟地裂缝的错位量，由控制装置控制沉降装置工作，传动活塞杆向下移动，上盘土体在自重及气压囊的作用下向下沉降，上盘土体与地裂缝之间产生向下错位移动；为了模拟隧道轴线与地裂缝立面的横轴线间不同夹角对隧道受力和变形状态的影响，模型装置通过设置四个水平的不同方向的隧道洞口，模拟隧道轴线与地裂缝立面横轴线间的不同夹角(交角)，夹角分别为30°、45°、60°、90°。其存在的问题是：1、只能模拟隧道与裂缝立面呈30°、45°、60°、90°四个交角时，裂缝对隧道的破坏行为，不能模拟隧道与裂缝立面呈任意交角时，裂缝对隧道的破坏行为；2、但由于其地裂缝立面是垂直的，四个隧道模型也始终是水平的，它只能模拟垂直的土体裂缝对隧道的破坏作用，而不能模拟裂缝面与水平面的倾角不等于90°的倾斜裂缝对隧道的破坏作用。3、只能模拟活动速率很低的稳定滑动的裂缝对隧道的破坏机理，而不能模拟错动速率很高的不稳定滑动活动断层的粘滑错动对隧道的破坏机理。4、按照预设的位移总量进行控制，不能模拟不同位移速度下的断层错动对隧道的破坏行为。

发明内容

本发明的第一目的是提供一种模拟隧道穿越活动断层的位移同步控制试验装置，该装置能够实现隧道结构与活动断层任意倾角、任意交角的空间位置，活动断层水平、竖向位移合成同步控制加载，从而模拟活动断层错动时对隧道的破坏行为，为隧道的设计与施工提供可靠的试验数据，以保证隧道的运营安全。

本发明实现其第一目的所采用的技术方案是，一种模拟隧道穿越活动断层的位移同步控制试验装置，其特征在于：

无盖的模型试样箱由活动的左半箱和固定的右半箱构成；

所述的左半箱由左前板、左后板、左侧板、左底板构成，左底板的底面与竖向加载装置的上端通过铰支座铰接，竖向加载装置的下端连接于底座左侧可前后移动的水平移动平台上；左前板的前面紧贴前加载条，前加载条的前面抵紧前水平加载装置的后端，前水平加载装置的前端与底座上的前反力架连接，前加载条向下伸出与底座接触，且底座的水平移动平台的前部与前加载条的后面接触；左后板后面紧贴后加载条，后加载条的后面抵紧后水平加载装置的前端，后水平加载装置的后端与底座上的后反力架连接，后加载条向下伸出与底座接触，且底座的水平移动平台的后部与后加载条的前面接触；

所述的右半箱由右前板、右后板、右侧板、右底板构成，右底板直接通过高强螺栓固定于底座上；

所述的左半箱的左前板的右边、左后板的右边、右半箱的右前板的左边、右后板的左边均为倾斜的斜边；右前板的左边与左前板的右边通过既能沿左前板的右边移动又能前后移动的前移动副连接，右后板的左边与左后板的右边通过既能沿左后板的右边移动又能前后移动的后移动副连接；

所述的左后板和右前板的内壁上设置模型支架，模型支架的具体构成是：连杆的一端通过带锁紧螺母的连杆球铰铰接于左后板或右前板的内壁上，连杆另一端的上侧、下侧均夹持球铰与圆弧形的上夹持架的内端和圆弧形的下夹持架的内端铰接；上夹持架的外端和下夹持架的外端通过螺杆连接。

进一步，本发明的竖向加载装置配有荷重传感器和位移传感器。所述的前水平加载装置和后水平加载装置也均配有荷重传感器和位移传感器。

本发明的第二目的是提供一种模拟隧道穿越活动断层的位移同步控制装置进行隧道穿越活动断层的位移同步控制试验的方法，该方法能能够实现隧道结构与活动断层任意倾角、任意交角的空间位置，活动断层水平、竖向位移合成同步控制加载，从而模拟活动断层错动时隧道的破坏行为。

本发明实现其第二目的所采用的技术方案是，一种模拟隧道穿越活动断层的位移同步控制装置进行隧道穿越活动断层的位移同步控制试验的方法，其步骤是：

A.将隧道模型的两端分别置于左后板的上夹持架和下夹持架之间，右前板的上夹持架和下夹持架之间；再调节左后板的连杆的上下倾角及左右交角，并拧紧球铰上的锁紧螺母；同时，调节右前板的连杆的上下倾角及左右交角，并拧紧球铰上的锁紧螺母，再将上夹持架的外端和下夹持架的外端通过螺杆固定，即将隧道模型按设定的上下倾角、前后交角固定在模型试样箱内；然后在模型试样箱内填埋试制土体；

B.启动前水平加载装置通过前加载条或启动后水平加载装置通过后加载条向左半箱施加载荷，使左半箱及其下方的竖向加载装置随水平移动平台向前或向后水平移动；

同时，由竖向加载装置对左半箱向上施加载荷，使左半箱通过前移动副、后移动副沿右前板的左边、右后板的左边倾斜向上移动；

C.加载的同时，通过位移传感器实时监测左半箱的水平、竖向位移，使其按设定的位移速度达到设定的水平、竖向位移；通过荷重传感器实时监测活动的左半箱受到的水平、竖向荷载。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

一、水平加载装置通过前加载条或后加载条向左半箱施加载荷，使左半箱及其下方的竖向加载装置随水平移动平台向前或向后水平移动设定的前后水平位移，模拟出断层发生前后水平错动；竖向加载装置向左半箱施加载荷，使左半箱通过前、后移动副沿右前板的左边、右后板的左边倾斜向上移动设定的斜向位移，即模拟出断层发生斜向错动。前后水平错动和斜向错动可以独立、同步地进行，从而可以模拟出各种不同形式、不同角度的活动断层错动，进而试验、分析出各种不同形式、不同角度的活动断层错动对隧道的破坏机理及影响因素，为隧道的设计与施工提供更全面、更可靠的试验数据，以保证隧道的运营安全。

二、与模型箱内壁通过带锁紧螺母的球铰铰接的连杆可以任意调整其前后交角及上下倾角，使隧道模型的两端的上下位置、前后位置可以任意调节设定，从而模拟出隧道模型与活动断层的任意倾角、任意交角的空间角度位置关系，实现活动断层与隧道模型在任意倾角、任意交角情况下的模型试验，进而试验分析出隧道与断层在不同倾角、交角情况下的断层错动对隧道结构破坏的机理和影响因素，为隧道的设计与施工提供更全面、更可靠的试验数据，以保证隧道的运营安全。对隧道的设计和施工具有广泛的指导意义。

上述的竖向加载装置配有荷重传感器和位移传感器。上述的水平加载装置也配有荷重传感器和位移传感器。

位移传感器的设置，使位移的控制更精确、可靠。荷重传感器的设置能实时测出活动的左半箱受到的荷重，更方便的分析得出活动断层错动对隧道的破坏机理及影响因素。

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进行进一步的详细说明。

附图说明

图1是本发明实施例的正视结构示意图。

图2是本发明实施例的后视结构示意图。

图3是本发明实施例的左视结构示意图。

图4是图3的A-A剖视图。

具体实施方式

图1-4示出，一种模拟隧道穿越活动断层的位移同步控制装置，其组成是：

无盖的模型试样箱由活动的左半箱100和固定的右半箱200构成；

所述的左半箱由左前板101、左后板102、左侧板103、左底板104构成，左底板104的底面与竖向加载装置301的上端通过铰支座105铰接，竖向加载装置301的下端连接于底座400左侧可前后移动的水平移动平台401上；左前板101的前面紧贴前加载条106，前加载条106的前面抵紧前水平加载装置302的后端，前水平加载装置302的前端与底座400上的前反力架402连接，前加载条106向下伸出与底座400接触，且底座400的水平移动平台401的前部与前加载条106的后面接触；左后板102后面紧贴后加载条107，后加载条107的后面抵紧后水平加载装置303的前端，后水平加载装置303的后端与底座400上的后反力架403连接，后加载条107向下伸出与底座400接触，且底座400的水平移动平台401的后部与后加载条107的前面接触；

所述的右半箱200由右前板201、右后板202、右侧板203、右底板204构成，右底板204直接通过高强螺栓固定于底座400上；

所述的左半箱100的左前板101的右边、左后板102的右边、右半箱200的右前板201的左边、右后板202的左边均为倾斜的斜边；右前板201的左边与左前板101的右边通过既能沿左前板的右边移动又能前后移动的前移动副108连接，右后板202的左边与左后板102的右边通过既能沿左后板的右边移动又能前后移动的后移动副109连接；

所述的左后板102和右前板201的内壁上设置模型支架，模型支架的具体构成是：连杆501的一端通过带锁紧螺母502的连杆球铰503铰接于左后板102或右前板201的内壁上，连杆501另一端的上侧、下侧均通过夹持球铰与圆弧形的上夹持架504的内端和圆弧形的下夹持架505的内端铰接；上夹持架504的外端和下夹持架505的外端通过螺杆506连接。

本例的竖向加载装置301配有荷重传感器304和位移传感器305。所述的前水平加载装置302和后水平加载装置303也均配有荷重传感器304和位移传感器305。

使用本例的模拟隧道穿越活动断层的位移同步控制装置对活动断层的位移进行同步控制的方法，其步骤是：

A.将隧道模型的两端分别置于左后板102的上夹持架504和下夹持架505之间，右前板201的上夹持架504和下夹持架505之间；再调节左后板102的连杆501的上下倾角及左右交角，并拧紧球铰503上的锁紧螺母502；同时，调节右前板201的连杆501的上下倾角及左右交角，并拧紧球铰503上的锁紧螺母502，再将上夹持架504的外端和下夹持架505的外端通过螺杆固定，即将隧道模型按设定的上下倾角、前后交角固定在模型试样箱内；然后在模型试样箱内填埋试制土体；

B.启动前水平加载装置302通过前加载条106或启动后水平加载装置303通过后加载条107向左半箱100施加载荷，使左半箱100及其下方的竖向加载装置301随水平移动平台401向前或向后水平移动；

同时，由竖向加载装置301对左半箱100向上施加载荷，使左半箱100通过前移动副108、后移动副109沿右前板201的左边、右后板202的左边倾斜向上移动；

C.加载的同时，通过位移传感器304实时监测左半箱100的水平、竖向位移，使其按设定的位移速度达到设定的水平、竖向位移；通过荷重传感器303实时监测活动的左半箱100受到的水平、竖向荷载。

Claims (3)

1.一种模拟隧道穿越活动断层的位移同步控制装置，其特征在于：

无盖的模型试样箱由活动的左半箱(100)和固定的右半箱(200)构成；

所述的左半箱由左前板(101)、左后板(102)、左侧板(103)、左底板(104)构成，左底板(104)的底面与竖向加载装置(301)的上端通过铰支座(105)铰接，竖向加载装置(301)的下端连接于底座(400)左侧可前后移动的水平移动平台(401)上；左前板(101)的前面紧贴前加载条(106)，前加载条(106)的前面抵紧前水平加载装置(302)的后端，前水平加载装置(302)的前端与底座(400)上的前反力架(402)连接，前加载条(106)向下伸出与底座(400)接触，且底座(400)的水平移动平台(401)的前部与前加载条(106)的后面接触；左后板(102)后面紧贴后加载条(107)，后加载条(107)的后面抵紧后水平加载装置(303)的前端，后水平加载装置(303)的后端与底座(400)上的后反力架(403)连接，后加载条(107)向下伸出与底座(400)接触，且底座(400)的水平移动平台(401)的后部与后加载条(107)的前面接触；

所述的右半箱(200)由右前板(201)、右后板(202)、右侧板(203)、右底板(204)构成，右底板(204)直接通过高强螺栓固定于底座(400)上；

所述的左半箱(100)的左前板(101)的右边、左后板(102)的右边、右半箱(200)的右前板(201)的左边、右后板(202)的左边均为倾斜的斜边；右前板(201)的左边与左前板(101)的右边通过既能沿左前板的右边移动又能前后移动的前移动副(108)连接，右后板(202)的左边与左后板(102)的右边通过既能沿左后板的右边移动又能前后移动的后移动副(109)连接；

所述的左后板(102)和右前板(201)的内壁上设置模型支架，模型支架的具体构成是：连杆(501)的一端通过带锁紧螺母(502)的连杆球铰(503)铰接于左后板(102)或右前板(201)的内壁上，连杆(501)另一端的上侧、下侧均夹持球铰与圆弧形的上夹持架(504)的内端和圆弧形的下夹持架(505)的内端铰接；上夹持架(504)的外端和下夹持架(505)的外端通过螺杆(506)连接。

2.根据权利要求1所述的模拟隧道穿越活动断层的位移同步控制装置，其特征在于：所述的竖向加载装置(301)配有荷重传感器(304)和位移传感器(305)；所述的前水平加载装置(302)和后水平加载装置(303)也均配有荷重传感器(304)和位移传感器(305)。

3.一种使用权利要求1所述的模拟隧道穿越活动断层的位移同步控制装置对活动断层的位移进行同步控制的方法，其步骤是：

A.将隧道模型的两端分别置于左后板(102)的上夹持架(504)和下夹持架(505)之间，右前板(201)的上夹持架(504)和下夹持架(505)之间；再调节左后板(102)的连杆(501)的上下倾角及左右交角，并拧紧球铰(503)上的锁紧螺母(502)；同时，调节右前板(201)的连杆(501)的上下倾角及左右交角，并拧紧球铰(503)上的锁紧螺母(502)，再将上夹持架(504)的外端和下夹持架(505)的外端通过螺杆固定，即将隧道模型按设定的上下倾角、前后交角固定在模型试样箱内；然后在模型试样箱内填埋试制土体；

B.启动前水平加载装置(302)通过前加载条(106)或启动后水平加载装置(303)通过后加载条(107)向左半箱(100)施加载荷，使左半箱(100)及其下方的竖向加载装置(301)随水平移动平台(401)向前或向后水平移动；

同时，由竖向加载装置(301)对左半箱(100)向上施加载荷，使左半箱(100)通过前移动副(108)、后移动副(109)沿右前板(201)的左边、右后板(202)的左边倾斜向上移动；

C.加载的同时，通过位移传感器(304)实时监测左半箱(100)的水平、竖向位移，使其按设定的位移速度达到设定的水平、竖向位移；通过荷重传感器(303)实时监测活动的左半箱(100)受到的水平、竖向荷载。