CN105785468A - 一种模拟隧道穿越斜向错动活断层的破坏试验装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种模拟隧道穿越斜向错动活断层的破坏试验装置及方法，其装置的主要构成是：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；活动的左半箱100通过前双向移动副309及后双向移动副310与固定的右半箱200连接；左半箱的左底板102与垂直加载装置307的上端铰接，垂直加载装置307的下端连接于底座400左侧的可前后移动的水平移动平台308上；左半箱的左前板103、右前板分别与前水平加载装置302和后水平加载装置紧贴。该装置能实现隧道结构与活动断层间多倾角、多交角的空间位置，更为准确地模拟出隧道结构的受力状态及破坏方式，从而为穿越断层隧道结构的设计与施工提供更可靠的试验数据。
Description
技术领域
本发明属于隧道工程技术领域，涉及一种模拟隧道穿越斜向错动活断层的破坏试验装置及试验方法。
背景技术
20世纪大量的岩土力学摩擦滑动实验研究结果指出，岩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。当断层面倾斜时，位于断层面上部的岩体称为上盘，位于断层面下部的岩体称为下盘。活动断层粘滑错动具体表现为断层上、下盘突发性大变形位移错动。地层中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，影响隧道正常运营。在实际工程中分析断层的运动方式对隧道的变形破坏机理的操作性很差，因而十分有必要建立地铁隧道穿越活动断裂带的物理模型试验平台。通过物理模型试验平台研究隧道衬砌结构抗错动力学响应规律，并进行定性及定量分析，从而提出衬砌结构抗错动安全关键技术指标参数，为隧道结构设计于施工提供指导，具有很强的工程应用价值。
中国专利CN201220024444.5公开了一种隧道穿越地裂缝带的物理模型试验系统。该模拟隧道穿越地裂缝带的物理模型试验系统，包括模型测试系统、模型监控系统、模型箱底板控制系统和模型箱。模型箱底部采用千斤顶和位移计组成模型箱底板支撑及控制系统，控制模型箱底板四个板块的垂直沉降，模拟地裂缝单侧土层的垂直沉降位移。该装置采用土体隔板模拟地裂缝，通过改变土体隔板与隧道轴线间的相对位置，包括隧道轴线与土体隔板横轴线的夹角(倾角)、隧道轴线与土体隔板竖轴线的夹角(交角)，模拟隧道轴线与地裂缝立面间不同倾角和不同交角时地裂缝对隧道结构受力及变形的影响。其存在的问题是：1、只能模拟活动速率很低的稳定滑动的裂缝对隧道的破坏行为，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行为；2、只能按照预设的沉降位移总量进行控制，不能模拟不同位移速度下的断层错动对隧道的破坏行为；3、只能模拟沿剪切面竖轴线错动的裂缝对隧道的破坏行为，而不能模拟沿剪切面横轴线错动的断层对隧道的破坏行为。
发明内容
本发明的第一目的是提供一种模拟隧道穿越斜向错动活断层的破坏试验装置，该装置能实现隧道结构与活动断层间多倾角、多交角的空间位置，并较为准确地模拟出隧道结构的受力状态及破坏方式，从而为穿越断层隧道结构的设计与施工提供更可靠的试验数据，在有效保证隧道主体结构安全稳定的前提下，降低施工成本，提高施工速度。
本发明实现其第一目的所采用的技术方案是，一种模拟隧道穿越斜向错动活断层的破坏试验装置，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；
所述的左半箱由矩形的左侧板、矩形的左底板、梯形的左前板、梯形的左后板构成；其中左前板由左部的左前矩形板与右部的左前直角梯形板通过高强螺栓连接组成，左前直角梯形板的右边为斜边，左后板由左部的左后矩形板与右部的左后直角梯形板通过高强螺栓连接组成，左后直角梯形板的右边为斜边；
所述的左底板的底面与垂直加载装置的上端通过铰支座铰接，垂直加载装置的下端连接于底座左侧的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固定于底座上的前反力架，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固定于底座上的后反力架，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；
所述的右半箱由矩形的右侧板、矩形的右底板、梯形的右前板、梯形的右后板构成；其中右前板由右部的右前矩形板与左部的右前直角梯形板通过高强螺栓连接组成，右前直角梯形板的左边为斜边，右后板由右部的右后矩形板与左部的右后直角梯形板通过高强螺栓连接组成，右后直角梯形板的左边为斜边；
所述的右前直角梯形板的左边与左前直角梯形板的右边通过既能沿左前直角梯形板的右边移动又能前后移动的前双向移动副连接，左后直角梯形板的右边与右后直角梯形板的左边通过既能沿左后直角梯形板的右边移动又能前后移动的后双向移动副连接；
所述的左半箱的左侧板和右半箱的右侧板均开有三个隧道洞口。
所述的前双向移动副的具体结构是：前右滑条的右侧面固定于开口向后的前形框的右壁，前右滑条的左侧面嵌置有前右滚珠，前右滚珠的凸出部位与前左滑条的右侧面接触，前左滑条的左侧面嵌置有前左滚珠，前左滚珠的凸出部位与前形框的左壁接触；前左滑条的后侧面固定于左前直角梯形板的斜边上、前右滑条的后侧面固定于右前直角梯形板的斜边上；
所述的后双向移动副的具体结构是：后右滑条的右侧面固定于开口向前的后形框的右壁，后右滑条的左侧面嵌置有后右滚珠，后右滚珠的凸出部位与后左滑条的右侧面接触，后左滑条的左侧面嵌置有后左滚珠，后左滚珠的凸出部位与后形框的左壁接触；后左滑条的前侧面固定于左后直角梯形板的斜边上、后右滑条的前侧面固定于右后直角梯形板的斜边上。本发明的第二目的是，提供一种模拟隧道穿越斜向错动活断层的破坏试验方法，该方法能实现隧道结构与活动断层间多倾角、多交角的空间位置，并较为准确地模拟出隧道结构的受力状态及破坏方式。
所述的垂直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；
本发明实现其第二目的所采用的技术方案是，一种使用上述的模拟隧道穿越斜向错动活断层的破坏试验装置进行隧道破坏试验的方法，其具体做法是：
A.将隧道模型的两端分别放置在左侧板的一个隧道洞口和右侧板的一个隧道洞口上；将其余的隧道洞口封堵，再在模型试样箱内填土并压密；
B.启动前水平加载装置及后水平加载装置，通过前加载条、后加载条向左半箱进行水平加载，使左半箱及其下方的垂直加载装置随水平移动平台向前或向后发生水平位移，直至达到设定的断层错动量的前后水平位移分量；
同时，由垂直加载装置向左半箱施加载荷，推动左半箱通过前双向移动副、后双向移动副沿右前直角梯形板的左边、右后直角梯形板的左边倾斜向上移动，直至达到设定的断层错动量的斜向位移分量；
C.加载过程中，通过位移传感器同步记录左半箱的水平、竖向位移加载速度及位移量；通过荷重传感器同步记录左半箱受到的水平及竖向荷载；同时记录隧道模型上应变片及土压力盒的测试数据。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
一、通过前后加载装置驱动左半箱与右半箱发生设定位移的前后水平位移，可以模拟出断层发生前后水平方向的错动效果；通过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倾斜向上移动设定的斜向位移，可模拟出断层发生沿模拟断层面倾斜向上的错动效果；由于前后移动副既能斜向移动，又能前后移动，因此两种错动效果既可单独进行，也可同时进行。从而本发明能够模拟试验出走滑断层(前后错动)、倾滑断层(斜向错动)对隧道结构的破坏特点及影响因素，为隧道的设计与施工提供更全面、更可靠的试验数据，更好的保证隧道的运营安全。
二、将隧道模型的安放位置在左、右侧板上的三个不同隧道洞口进行排列组合，可模拟出断层面与隧道结构间的六种不同交角情形下隧道结构受到断层面的破坏特点及影响因素；更换不同倾角的四个直角梯形板可模拟出断层面与隧道结构间任意倾角下的破坏特点及影响因素。从而本发明能够模拟试验出断层面与隧道结构在六种交角、任意倾角下的活动断层走滑和倾滑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，更好的保证隧道的运营安全。
所述的前双向移动副的具体结构是：前右滑条的右侧面固定于开口向后的前U形框的右壁，前右滑条的左侧面嵌置有前右滚珠，前右滚珠的凸出部位与前左滑条的右侧面接触，前左滑条的左侧面嵌置有前左滚珠，前左滚珠的凸出部位与前U形框的左壁接触；前左滑条的后侧面固定于左前直角梯形板的斜边上、右滑条的后侧面固定于右前直角梯形板的斜边上；
这样，前、后双向移动副的内部具有滚排装置，加载时可将滑动摩擦转变为滚动摩擦，有效减小了左、右半箱间的摩擦作用，使加载过程更加稳定顺畅，并且可精确控制加载速度，尤其是较大的加载速度，以此保证模拟活动断层粘滑错动的突发性对隧道结构产生破坏的真实性与连贯性。
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是本发明实施例的俯视结构示意图。
图5是图1的A-A剖面放大图。
图6是图2的B-B剖面放大图。
具体实施方式
图1-4示出，一种模拟隧道穿越斜向错动活断层的破坏试验装置，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；
所述的左半箱由矩形的左侧板101、矩形的左底板102、梯形的左前板103、梯形的左后板104构成；其中左前板103由左部的左前矩形板103a与右部的左前直角梯形板103b通过高强螺栓405连接组成，左前直角梯形板103b的右边为斜边，左后板104由左部的左后矩形板104a与右部的左后直角梯形板104b通过高强螺栓405连接组成，左后直角梯形板104b的右边为斜边；
所述的左底板102的底面与垂直加载装置307的上端通过铰支座306铰接，垂直加载装置307的下端连接于底座400左侧的可前后移动的水平移动平台308上；左前板103的前面紧贴前加载条300，前加载条300的前面抵紧前水平加载装置302的后端，前水平加载装置302的前端固定于底座400上的前反力架301，前加载条300向下伸出与底座400接触，且底座400的水平移动平台308的前部与前加载条300的后面接触；左后板104后面紧贴后加载条303，后加载条303的后面抵紧后水平加载装置305的前端，后水平加载装置305的后端固定于底座400上的后反力架304，后加载条303向下伸出与底座400接触，且底座400的水平移动平台308的后部与后加载条303的前面接触；
所述的右半箱由矩形的右侧板201、矩形的右底板202、梯形的右前板203、梯形的右后板204构成；其中右前板203由右部的右前矩形板203a与左部的右前直角梯形板203b通过高强螺栓405连接组成，右前直角梯形板203b的左边为斜边，右后板204由右部的右后矩形板204a与左部的右后直角梯形板203b通过高强螺栓405连接组成，右后直角梯形板203b的左边为斜边；
所述的右前直角梯形板203b的左边与左前直角梯形板103b的右边通过既能沿左前直角梯形板103b的右边移动又能前后移动的前双向移动副309连接，左后直角梯形板104b的右边与右后直角梯形板204b的左边通过既能沿左后直角梯形板104b的右边移动又能前后移动的后双向移动副310连接；
所述的左半箱100的左侧板101和右半箱200的右侧板201均开有三个隧道洞口402。
图5及图1-4示出，所述的前双向移动副309的具体结构是：前右滑条309b的右侧面固定于开口向后的前U形框309a的右壁，前右滑条309b的左侧面嵌置有前右滚珠309c，前右滚珠309c的凸出部位与前左滑条309d的右侧面接触，前左滑条309d的左侧面嵌置有前左滚珠309e，前左滚珠309e的凸出部位与前U形框309a的左壁接触；前左滑条309d的后侧面固定于左前直角梯形板103b的斜边上、前右滑条309b的后侧面固定于右前直角梯形板203b的斜边上；
图6及图1-4示出，所述的后双向移动副310的具体结构是：后右滑条310b的右侧面固定于开口向前的后U形框310a的右壁，后右滑条310b的左侧面嵌置有后右滚珠310c，后右滚珠310c的凸出部位与后左滑条310d的右侧面接触，后左滑条310d的左侧面嵌置有后左滚珠310e，后左滚珠310e的凸出部位与后U形框310a的左壁接触；后左滑条310d的前侧面固定于左后直角梯形板104b的斜边上、后右滑条310b的前侧面固定于右后直角梯形板204b的斜边上。
图3示出，所述的垂直加载装置307配有荷重传感器403和位移传感器404。所述的前水平加载装置302和后水平加载装置305也均配有荷重传感器403和位移传感器404。
本发明的第二目的是，提供一种模拟隧道穿越斜向错动活断层的破坏试验方法，该方法能满足在不同断层类型、不同断层错动量等多种工况下，较为准确地模拟出隧道结构的受力状态及破坏方式。
本发明实现其第二目的所采用的技术方案是，一种使用上述的模拟隧道穿越斜向错动活断层的破坏试验装置进行隧道破坏试验的方法，其具体做法是：
A.将隧道模型401的两端分别放置在左侧板的一个隧道洞口402和右侧板的一个隧道洞口402上；将其余的隧道洞口402封堵，再在模型试样箱内填土并压密；
B.启动前水平加载装置302及后水平加载装置305，通过前加载条300、后加载条303向左半箱100进行水平加载，使左半箱100及其下方的垂直加载装置307随水平移动平台308向前或向后发生水平位移，直至达到设定的断层错动量的前后水平位移分量；
同时，由垂直加载装置307向左半箱100施加载荷，推动左半箱100通过前双向移动副309、后双向移动副310沿右前直角梯形板203b的左边、右后直角梯形板204b的左边倾斜向上移动，直至达到设定的断层错动量的斜向位移分量；
C.加载过程中，通过位移传感器404同步记录左半箱100的水平、竖向位移加载速度及位移量；通过荷重传感器403同步记录左半箱100受到的水平及竖向荷载；同时记录隧道模型上应变片及土压力盒的测试数据。
Claims (4)
1.一种模拟隧道穿越斜向错动活断层的破坏试验装置，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；
所述的左半箱由矩形的左侧板(101)、矩形的左底板(102)、梯形的左前板(103)、梯形的左后板(104)构成；其中左前板(103)由左部的左前矩形板(103a)与右部的左前直角梯形板(103b)通过高强螺栓(405)连接组成，左前直角梯形板(103b)的右边为斜边；左后板(104)由左部的左后矩形板(104a)与右部的左后直角梯形板(104b)通过高强螺栓(405)连接组成，左后直角梯形板(104b)的右边为斜边；
所述的左底板(102)的底面与垂直加载装置(307)的上端通过铰支座(306)铰接，垂直加载装置(307)的下端连接于底座(400)左侧的可前后移动的水平移动平台(308)上；左前板(103)的前面紧贴前加载条(300)，前加载条(300)的前面抵紧前水平加载装置(302)的后端，前水平加载装置(302)的前端固定于底座(400)上的前反力架(301)，前加载条(300)向下伸出与底座(400)接触，且底座(400)的水平移动平台(308)的前部与前加载条(300)的后面接触；左后板(104)后面紧贴后加载条(303)，后加载条(303)的后面抵紧后水平加载装置(305)的前端，后水平加载装置(305)的后端固定于底座(400)上的后反力架(304)，后加载条(303)向下伸出与底座(400)接触，且底座(400)的水平移动平台(308)的后部与后加载条(303)的前面接触；
所述的右半箱由矩形的右侧板(201)、矩形的右底板(202)、梯形的右前板(203)、梯形的右后板(204)构成；其中右前板(203)由右部的右前矩形板(203a)与左部的右前直角梯形板(203b)通过高强螺栓(405)连接组成，右前直角梯形板(203b)的左边为斜边，右后板(204)由右部的右后矩形板(204a)与左部的右后直角梯形板(203b)通过高强螺栓(405)连接组成，右后直角梯形板(203b)的左边为斜边；
所述的右前直角梯形板(203b)的左边与左前直角梯形板(103b)的右边通过既能沿左前直角梯形板(103b)的右边移动又能前后移动的前双向移动副(309)连接，左后直角梯形板(104b)的右边与右后直角梯形板(204b)的左边通过既能沿左后直角梯形板(104b)的右边移动又能前后移动的后双向移动副(310)连接；
所述的左半箱(100)的左侧板(101)和右半箱(200)的右侧板(201)均开有三个隧道洞口(402)。
2.根据权利要求1所述的一种模拟隧道穿越斜向错动活断层的破坏试验装置，其特征在于：
所述的前双向移动副(309)的具体结构是：前右滑条(309b)的右侧面固定于开口向后的前U形框(309a)的右壁，前右滑条(309b)的左侧面嵌置有前右滚珠(309c)，前右滚珠(309c)的凸出部位与前左滑条(309d)的右侧面接触，前左滑条(309d)的左侧面嵌置有前左滚珠(309e)，前左滚珠(309e)的凸出部位与前U形框(309a)的左壁接触；前左滑条(309d)的后侧面固定于左前直角梯形板(103b)的斜边上、前右滑条(309b)的后侧面固定于右前直角梯形板(203b)的斜边上；
所述的后双向移动副(310)的具体结构是：后右滑条(310b)的右侧面固定于开口向前的后U形框(310a)的右壁，后右滑条(310b)的左侧面嵌置有后右滚珠(310c)，后右滚珠(310c)的凸出部位与后左滑条(310d)的右侧面接触，后左滑条(310d)的左侧面嵌置有后左滚珠(310e)，后左滚珠(310e)的凸出部位与后U形框(310a)的左壁接触；后左滑条(310d)的前侧面固定于左后直角梯形板(104b)的斜边上、后右滑条(310b)的前侧面固定于右后直角梯形板(204b)的斜边上。
3.根据权利要求1所述的模拟隧道穿越斜向错动活断层的破坏试验装置，其特征在于：
所述的垂直加载装置(307)配有荷重传感器(403)和位移传感器(404)。所述的前水平加载装置(302)和后水平加载装置(305)也均配有荷重传感器(403)和位移传感器(404)。
4.一种使用上述的模拟隧道穿越斜向错动活断层的破坏试验装置进行隧道破坏试验的方法，其步骤是：
A.将隧道模型(401)的两端分别放置在左侧板的一个隧道洞口(402)和右侧板的一个隧道洞口(402)上；将其余的隧道洞口(402)封堵，再在模型试样箱内填土并压密；
B.启动前水平加载装置(302)及后水平加载装置(305)，通过前加载条(300)、后加载条(303)向左半箱(100)进行水平加载，使左半箱(100)及其下方的垂直加载装置(307)随水平移动平台(308)向前或向后发生水平位移，直至达到设定的断层错动量的前后水平位移分量；
同时，由垂直加载装置(307)向左半箱(100)施加载荷，推动左半箱(100)通过前双向移动副(309)、后双向移动副(310)沿右前直角梯形板(203b)的左边、右后直角梯形板(204b)的左边倾斜向上移动，直至达到设定的断层错动量的斜向位移分量；
C.加载过程中，通过位移传感器(404)同步记录左半箱(100)的水平、竖向位移加载速度及位移量；通过荷重传感器(403)同步记录左半箱(100)受到的水平及竖向荷载；同时记录隧道模型上应变片及土压力盒的测试数据。
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