CN108267564A - 一种模拟地裂缝扩展装置及其使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于岩土工程领域，涉及一种模拟地裂缝扩展装置及其使用方法。本发明所述模拟地裂缝扩展装置，包括框架、观察窗、挡板、下盘支撑板、上盘支撑板、预留裂缝、变倾角装置、底部加载装置和侧壁加载装置，还可以在框架的顶部设置人工便携降雨器，所述人工便携降雨器通过流速测量仪控制降雨量。本发明所述加载装置包括底部加载装置和侧壁加载装置，可使模型箱内底层基岩模拟正逆断层运动、走滑断层运动、走滑‑正断层运动、走滑‑逆断层运动——对上覆土体的影响。此外，本发明方法具有操作过程简捷、经济、考虑因素多样化，克服了一般模拟试验中基底运动类型单一、运动倾角无法改变、边界效应显著、忽略降雨影响等问题。

Description

一种模拟地裂缝扩展装置及其使用方法

技术领域

本发明属于岩土工程领域，涉及一种模拟地裂缝扩展装置及其使用方法，具体涉及一种适用于模拟岩土体断裂对上覆土体的影响的装置及其使用方法。

背景技术

目前在各种岩土体工程的施工过程中，人们越来越倾向于依靠室内物理模型试验来模拟岩土体内部各种应力场的演化，并最终得到想要的结论与参数。但有些物理模型试验装置仅能模拟断层运动而无法观察上覆土体的破裂规律，比如华侨大学所提交的两个发明：一种可加压走滑断层错动模拟装置及模拟实验方法和一种斜向滑动断层模拟装置及模拟方法，有些物理模型试验装置虽然可以观察上覆土体的破裂规律，但所能模拟的断层运动类型单一，比如浙江大学申请的发明专利(一种模拟岩土体正逆断层运动的试验装置及方法)，只能模拟正逆断层运动，却不能模拟走滑断层运动以及走滑-正断层和走滑-逆断层运动。同时前述三个发明专利都未考虑边界效应以及降雨环境对基底断层运动的影响。根据数值模拟计算，在模型尺度较小的时候，边界效应对最后结果有很大影响。因此，设计一种可模拟多种类型的基底断层运动、考虑边界效应和降雨环境的小型物理模型是很有必要的。

发明内容

本发明的目的在于提供一种模拟地裂缝扩展装置及其使用方法，解决现有的物理模型可模拟的基底断层类型单一、未考虑边界效应以及降雨环境对基底断层运动影响的问题。

本发明的实现过程如下：

一种模拟地裂缝扩展装置，包括框架、观察窗、挡板、下盘支撑板、上盘支撑板、预留裂缝、变倾角装置、底部加载装置和侧壁加载装置；所述模拟地裂缝扩展装置由框架支撑，所述框架为长方体支撑架，所述框架以立轴对称将土体分为上盘土体和下盘土体，所述下盘土体下方设置下盘支撑板，所述上盘土体下方设置上盘支撑板，下盘支撑板下方设置固定的支撑框架，上盘支撑板下方设置活动的支撑框架，所述上盘土体和下盘土体之间设置预留裂缝，预留裂缝的下沿为下盘支撑板和上盘支撑板的交界处，所述预留裂缝的下沿与下盘支撑板和上盘支撑板的交界处的框架连接，所述框架的上盘土体一侧设置挡板，所述挡板上端与框架连接，所述挡板下端可活动，所述框架的正面、背面和另一侧面设置观察窗，所述框架的顶部为敞口，与挡板相邻两侧的观察窗下方的框架上设置变倾角装置，在活动的支撑框架下方设置底部加载装置，所述下盘支撑板两侧设置侧壁加载装置，所述下盘支撑板两侧的框架上设置侧壁加载装置的支撑框架。

进一步，所述挡板上端与框架通过轴承连接，所述挡板上端与轴承的中心轴固定连接，所述轴承通过螺丝固定在所述框架，所述挡板上端与框架接触的位置设置三对螺丝安装孔，当所述轴承分别固定于三对螺丝孔位置时，所述挡板的倾角为90°、75°或60°中任意之一。

进一步，所述上盘支撑板和下盘支撑板均为活动支撑板，所述上盘支撑板和下盘支撑板均为钢板，所述上盘支撑板和下盘支撑板均设置均匀的小孔，所述小孔上覆盖不漏土且透水材料。

进一步，所述框架为方钢制成，所述框架的长：宽：高：底部加载装置高度比为3:1:2:1-6:1:5:1；观察窗为钢化玻璃，所述钢化玻璃的厚度为10-15mm；所述预留裂缝的下沿与下盘支撑板和上盘支撑板的交界处框架通过铰接连接，所述预留裂缝的倾角为90°、75°或60°中任意之一，所述预留裂缝为光滑薄钢片或云母片，所述预留裂缝的厚度为2.5-4mm，所述预留裂缝可以改变倾角及高度，从而模拟具有一定倾角和垂直距离的平直光滑的深部裂缝面；在上盘土体和下盘土体内部设置监测仪器，所述监测仪器包括沉降杯、压力盒；所述上盘土体和下盘土体表面放置位移传感器。

进一步，所述变倾角装置由角钢、滚轮和斜凹槽导轨组成，斜凹槽导轨与框架通过焊接连接，所述斜凹槽导轨由三个倾角不同的凹槽导轨组成，所述凹槽导轨的倾角分别为90°、75°、60°，所述角钢的一端与活动的支撑框架通过焊接连接，所述角钢的另一端并列设置三个导孔，所述三个导孔的位置分别对应三个倾角不同的凹槽导轨，所述导孔和斜凹槽导轨之间设置滚轮，滚轮的一端嵌入倾角为90°、75°或60°中任意之一所述斜凹槽导轨内，滚轮的另一端穿过角钢的导孔通过螺丝与角钢连接。

进一步，所述底部加载装置由底部千斤顶、凹槽滑轮和滑轮导轨组成，所述底部千斤顶的底座设置支撑底座，所述支撑底座与框架通过焊接连接，底部千斤顶的顶端与凹槽滑轮通过螺丝连接，所述滑轮导轨设置在活动的支撑框架下方，凹槽滑轮在滑轮导轨上滑动。

进一步，侧壁加载装置的支撑框架与框架通过焊接连接；所述侧壁加载装置由侧壁千斤顶、受力板、1号侧壁钢板和2号侧壁钢板组成；所述侧壁千斤顶的底座固定在侧壁加载装置的支撑框架上，侧壁千斤顶的顶端与凹槽滑轮通过螺丝连接，所述受力板的外侧设置滑轮导轨，凹槽滑轮在滑轮导轨上滑动，所述受力板的内侧与1号侧壁钢板相接触，所述1号侧壁钢板为长方形钢板，所述1号侧壁钢板中间设有长方形孔，所述下盘支撑板两侧的框架穿过所述长方形孔，所述2号侧壁钢板的一端与预留裂缝相接触，所述2号侧壁钢板的另一端与1号侧壁钢板的上沿侧面通过螺栓连接，2号侧壁钢板为最小角为90°长方形钢板、最小角为75°的直角梯形或最小角为60°的直角梯形中任意之一，可根据预留裂缝的位置和角度进行更换，避免预留裂缝对侧壁钢板运动的影响。

上述模拟地裂缝扩展装置的使用方法，包括如下步骤：

1)调节侧壁加载装置：将2号侧壁钢板安装在1号侧壁钢板上，并移动1号侧壁钢板使之紧贴框架；

2)调节变倾角装置：将滚轮的一端嵌入斜凹槽导轨内，滚轮的另一端穿过角钢上与斜凹槽导轨的角度相对应的导孔，通过螺丝与角钢连接；斜凹槽导轨的倾角与步骤1)所述2号侧壁钢板的最小角的角度相同；

3)调节活动挡板倾角：根据步骤2)所述斜凹槽导轨的倾角的角度，调节轴承的固定位置，使挡板的倾角与步骤2)所述斜凹槽导轨的倾角的角度相同，所述轴承通过螺丝固定在所述框架；

4)下盘支撑板和上盘支撑板的交界处安装预留裂缝，所述预留裂缝的倾角与步骤3)所述挡板的倾角角度相同，所述预留裂缝的下沿与下盘支撑板和上盘支撑板的交界处框架通过铰接连接；

5)向所述模拟地裂缝扩展装置的模型箱内填充土样，使土体挤压固定预留裂缝，并将土体夯实至与预留裂缝的高度一致，所述夯实的土体作为地层基岩；

6)保持底部加载装置和侧壁加载装置不动，开始分层填充并夯实上覆土层，每一个土层夯实后铺上一层白石灰，用于观察上覆土层破裂规律，夯实至设定好的监测剖面，埋入沉降杯和压力盒，用于测量加载过程中土体内部的应力应变，然后继续夯实土层至设计高度；

7)在上盘土体和下盘土体表面放置并调整好位移传感器，用于监测加载过程中土体表面的沉降变形；

8)根据需要调节底部加载装置或调节侧壁加载装置或同时调节底部加载装置和侧壁加载装置，水平运动或倾向运动位移达到50mm后结束，或底部加载过程和侧壁加载过程同时开始、同时结束；

9)通过观察窗(2)观察并记录加载过程中上覆土层裂缝扩展情况，读取压力盒、沉降杯和位移传感器的读数，统计并分析实验结果。

此外，还可以在框架的顶部设置人工便携降雨器，所述人工便携降雨器由降雨器支架，输水管和喷头组成，所述降雨器支架上设置输水管，所述输水管的一端与水源连接，所述输水管的另一端设置喷头，所述输水管上设置流速测量仪，以模拟地裂缝发育过程中“降雨诱发地裂缝活动”的现象。

上述模拟地裂缝扩展装置的使用方法，包括如下步骤：

1)调节侧壁加载装置：将2号侧壁钢板安装在1号侧壁钢板上，并移动1号侧壁钢板使之紧贴框架；

2)调节变倾角装置：将滚轮的一端嵌入斜凹槽导轨内，滚轮的另一端穿过角钢上与斜凹槽导轨的角度相对应的导孔，通过螺丝与角钢连接；斜凹槽导轨的倾角与步骤1)所述2号侧壁钢板的最小角的角度相同；

3)调节活动挡板倾角：根据步骤2)所述斜凹槽导轨的倾角的角度，调节轴承的固定位置，使挡板的倾角与步骤2)所述斜凹槽导轨的倾角的角度相同，所述轴承通过螺丝固定在所述框架；

4)下盘支撑板和上盘支撑板的交界处安装预留裂缝，所述预留裂缝的倾角与步骤3)所述挡板的倾角角度相同，所述预留裂缝的下沿与下盘支撑板和上盘支撑板的交界处框架通过铰接连接；

5)向所述模拟地裂缝扩展装置的模型箱内填充土样，使土体挤压固定预留裂缝，并将土体夯实至与预留裂缝的高度一致，所述夯实的土体作为地层基岩；

6)保持底部加载装置和侧壁加载装置不动，开始分层填充并夯实上覆土层，每一个土层夯实后铺上一层白石灰，用于观察上覆土层破裂规律，夯实至设定好的监测剖面，埋入沉降杯和压力盒，用于测量加载过程中土体内部的应力应变，然后继续夯实土层至设计高度；

7)在上盘土体和下盘土体表面放置并调整好位移传感器，用于监测加载过程中土体表面的沉降变形；调节输水管上的流速测量仪，通过流速测量仪控制人工便携降雨器的降雨量，所述流速测量仪用于监测输水管内的水流速度；

8)调节底部加载装置与人工便携降雨器，或调节侧壁加载装置与人工便携降雨器，或调节底部加载装置、侧壁加载装置与人工便携降雨器：同时进行降雨与底部加载过程，或者同时进行降雨与侧壁加载过程，或者同时进行降雨与侧壁加载和底部加载过程，模拟降雨诱发地裂缝活动的现象，同时调节降雨装置使降雨量与试验地区的降雨量一致，降雨与加载过程同时开始，同时结束；

9)通过观察窗观察并记录加载过程中上覆土层裂缝扩展情况，读取压力盒、沉降杯、位移传感器和流速测量仪的读数，统计并分析实验结果。

本发明在进行试验时，变动轴承位置，使挡板总是与斜凹槽导轨倾角保持一致，则模型箱内土体状态与断层实际活动时的土体状态相似。若挡板不能与斜凹槽导轨倾角保持一致，即边界条件不能与断层倾角保持一致，则土体会受到边界条件斜向上的阻力，使土体难以下滑，与实际条件不符。

在试验过程中，上盘支撑板充当断层上盘的角色，底部千斤顶则是导致上盘支撑板下降的动因，通过底部千斤顶的下降带动上盘支撑板下降来模拟断层活动——断层上盘上升下降，上盘支撑板由于与角钢焊接，其升降活动又带动角钢的升降，斜凹槽导轨则限制了导轨滑轮、角钢和下盘支撑板的运动方向，由此可控制断层倾角，试验时将导轨滑轮分别嵌入不同角度的斜凹槽导轨内，则实现了改变断层倾角的目的。

本发明的有益效果在于：(1)本发明主体为框架、钢板、钢化玻璃组成的模型箱，在放入配土后，可通过加载装置和变倾角装置来模拟各种类型的基底断层运动——包括正逆断层、走滑断层、走滑-正断层和走滑-逆断层，并且改变加载装置上升下降以及水平运动的倾角、速率，从观察窗观察地裂缝扩展情况。(2)本发明在加载过程中，可以改变土体、速率、倾角、预留裂缝高度、位置、含水率等多个因素，充分实现实际情况中复杂情况产生的地裂缝。(3)本发明方法与数值模拟、探槽等其他方法相比，具有操作过程简捷、经济、考虑因素多样化，突破了数值模拟边界效应的难题。

附图说明

图1为实施例1提供的人工便携降雨器整体结构示意图；

图2为实施例4提供的模拟地裂缝扩展装置整体结构示意图；

图3为实施例4提供的模拟地裂缝扩展装置主视图；

图4为实施例4提供的模拟地裂缝扩展装置侧视图；

图5为实施例4提供的模拟地裂缝扩展装置俯视图；

图6为实施例4所述角度为75°的2号侧壁钢板的结构示意图；

图7为实施例1所述角度为90°的2号侧壁钢板的结构示意图；

图8为实施例3所述角度为60°的2号侧壁钢板的结构示意图；

图中，1框架，2观察窗，31轴承，32挡板，41下盘支撑板，42上盘支撑板，5预留裂缝，61角钢，62滚轮，63斜凹槽导轨，71底部千斤顶，72凹槽滑轮，73滑轮导轨，81侧壁千斤顶，82受力板，83为1号侧壁钢板，84为2号侧壁钢板，91降雨器支架，92输水管，93喷头，11固定的支撑框架，12活动的支撑框架，13侧壁加载装置的支撑框架。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明做进一步详细描述。

为了解决现有的物理模型可模拟的基底断层类型单一、未考虑边界效应以及降雨环境对基底断层运动影响的问题，本发明提供一种模拟地裂缝扩展装置及其使用方法。

本发明所述模拟地裂缝扩展装置，包括框架、观察窗、挡板、下盘支撑板、上盘支撑板、预留裂缝、变倾角装置、底部加载装置和侧壁加载装置；所述模拟地裂缝扩展装置由框架支撑，所述框架为长方体支撑架，所述框架以立轴对称将土体分为上盘土体和下盘土体，所述下盘土体下方设置下盘支撑板，所述上盘土体下方设置上盘支撑板，下盘支撑板下方设置固定的支撑框架，上盘支撑板下方设置活动的支撑框架，所述上盘土体和下盘土体之间设置预留裂缝，预留裂缝的下沿为下盘支撑板和上盘支撑板的交界处，所述预留裂缝的下沿与下盘支撑板和上盘支撑板的交界处的框架连接，所述框架的上盘土体一侧设置挡板，所述挡板上端与框架连接，所述挡板下端可活动，所述框架的正面、背面和另一侧面设置观察窗，所述框架的顶部为敞口，与挡板相邻两侧的观察窗下方的框架上设置变倾角装置，在活动的支撑框架下方设置底部加载装置，所述下盘支撑板两侧设置侧壁加载装置，所述下盘支撑板两侧的框架上设置侧壁加载装置的支撑框架。

进一步，所述挡板上端与框架通过轴承连接，所述挡板上端与轴承的中心轴固定连接，所述轴承通过螺丝固定在所述框架，所述挡板上端与框架接触的位置设置三对螺丝安装孔，当所述轴承分别固定于三对螺丝孔位置时，所述挡板的倾角为90°、75°或60°中任意之一。

进一步，所述上盘支撑板和下盘支撑板均为活动支撑板，所述上盘支撑板和下盘支撑板均为钢板，所述上盘支撑板和下盘支撑板均设置均匀的小孔，所述小孔上覆盖不漏土且透水材料。

进一步，所述框架为方钢制成，所述框架的长：宽：高：底部加载装置高度比为3:1:2:1-6:1:5:1；观察窗为钢化玻璃，所述钢化玻璃的厚度为10-15mm；所述预留裂缝的下沿与下盘支撑板和上盘支撑板的交界处框架通过铰接连接，所述预留裂缝的倾角为90°、75°或60°中任意之一，所述预留裂缝为光滑薄钢片或云母片，所述预留裂缝的厚度为2.5-4mm，所述预留裂缝可以改变倾角及高度，从而模拟具有一定倾角和垂直距离的平直光滑的深部裂缝面；在上盘土体和下盘土体内部设置监测仪器，所述监测仪器包括沉降杯、压力盒；所述上盘土体和下盘土体表面放置位移传感器。

进一步，所述变倾角装置由角钢、滚轮和斜凹槽导轨组成，斜凹槽导轨与框架通过焊接连接，所述斜凹槽导轨由三个倾角不同的凹槽导轨组成，所述凹槽导轨的倾角分别为90°、75°、60°，所述角钢的一端与活动的支撑框架通过焊接连接，所述角钢的另一端并列设置三个导孔，所述三个导孔的位置分别对应三个倾角不同的凹槽导轨，所述导孔和斜凹槽导轨之间设置滚轮，滚轮的一端嵌入倾角为90°、75°或60°中任意之一所述斜凹槽导轨内，滚轮的另一端穿过角钢的导孔通过螺丝与角钢连接。

进一步，所述底部加载装置由底部千斤顶、凹槽滑轮和滑轮导轨组成，所述底部千斤顶的底座设置支撑底座，所述支撑底座与框架通过焊接连接，底部千斤顶的顶端与凹槽滑轮通过螺丝连接，所述滑轮导轨设置在活动的支撑框架下方，凹槽滑轮在滑轮导轨上滑动。

进一步，侧壁加载装置的支撑框架与框架通过焊接连接；所述侧壁加载装置由侧壁千斤顶、受力板、1号侧壁钢板和2号侧壁钢板组成；所述侧壁千斤顶的底座固定在侧壁加载装置的支撑框架上，侧壁千斤顶的顶端与凹槽滑轮通过螺丝连接，所述受力板的外侧设置滑轮导轨，凹槽滑轮在滑轮导轨上滑动，所述受力板的内侧与1号侧壁钢板相接触，所述1号侧壁钢板为长方形钢板，所述1号侧壁钢板中间设有长方形孔，所述下盘支撑板两侧的框架穿过所述长方形孔，所述2号侧壁钢板的一端与预留裂缝相接触，所述2号侧壁钢板的另一端与1号侧壁钢板的上沿侧面通过螺栓连接，2号侧壁钢板为最小角为90°长方形钢板、最小角为75°的直角梯形或最小角为60°的直角梯形中任意之一，可根据预留裂缝的位置和角度进行更换，避免预留裂缝对侧壁钢板运动的影响。

此外，还可以在框架的顶部设置人工便携降雨器，所述人工便携降雨器由降雨器支架，输水管和喷头组成，所述降雨器支架上设置输水管，所述输水管的一端与水源连接，所述输水管的另一端设置喷头，所述输水管上设置流速测量仪，以模拟地裂缝发育过程中“降雨诱发地裂缝活动”的现象。

本发明所述模拟地裂缝扩展装置在实施地裂缝模拟时，可通过改变基底断层类型、改变断层运动倾角、边界条件、降雨条件、运动速率、裂缝的位置和高度等参数，来实现多种工况的试验。兹列举四种工况的具体实施方案以作说明：

实施例1

工况1(如图1)实施方案：①调节侧壁加载装置：安装角度为90°的2号侧壁钢板(见图7)，并移动侧壁钢板使之紧贴框架，避免其对正断层运动的影响，②调节变倾角装置：将导轨滚轮一端嵌入倾角为90°的斜凹槽导轨内，另一端穿过角钢导孔并用螺丝固定，模拟倾角为90°的正断层。③调节活动挡板倾角：将轴承位置固定于距挡板最近的螺丝孔内，并将挡板与轴承用螺丝连接，保证挡板倾角亦为90°，保证了模型边界条件与实际边界条件的相似。④在上盘和下盘支撑板中间安装厚3mm的光滑薄钢片，并调节薄钢板倾角为90°，与斜凹槽导轨和挡板倾角保持一致，用于模拟平直光滑的深部裂缝面，调整薄钢板垂直高度为10cm，即所模拟裂缝垂直高度为10cm，⑤向模型箱内填充土样，使土体挤压固定住薄钢板，并将土体夯实至10cm高，该10cm厚的土层作为地层基岩，⑥保持底部加载装置和侧壁加载装置不动，开始分层填充并夯实上覆土层，每10cm为一层，每一土层夯实后铺上一层白石灰，用于观察上覆土层破裂规律。夯实至设定好的监测剖面，埋入一定数量的沉降杯和压力盒，用于测量加载过程中土体内部的应力应变，然后继续夯实至设计高度。⑦在上盘土体和下盘土体表面放置并调整好位移传感器，用于测量加载过程中的地表变形，⑧调节底部加载装置与人工便携降雨器：同时进行降雨与加载过程，模拟现场“降雨往往诱发地裂缝活动”的现象，调节底部千斤顶，使其下降速率保持在1mm/min，下降至50mm后结束，同时调节降雨装置使降雨量与试验地区的降雨量一致，降雨与千斤顶下降同时开始，同时结束。⑨通过观察窗观察并记录加载过程中上覆土层裂缝扩展情况，读取压力盒、沉降杯和位移传感器的读数，统计并分析实验结果。

实施例2

工况2实施方案：①调节侧壁加载装置：安装角度为75°的2号侧壁钢板，并移动侧壁钢板使之紧贴框架，避免其对正断层运动的影响，②调节变倾角装置：将导轨滚轮一端嵌入倾角为75°的斜凹槽导轨内，另一端穿过角钢导孔并用螺丝固定，模拟倾角为75°的正断层。③调节活动挡板倾角：将轴承位置固定于中间那对螺丝孔内，并将挡板与轴承用螺丝连接，保证挡板倾角亦为75°，保证了模型边界条件与实际边界条件的相似。④在上盘和下盘支撑板中间安装厚3mm的云母片，并调节薄钢板倾角为75°，与斜凹槽导轨和挡板倾角保持一致，用于模拟平直光滑的深部裂缝面，调整薄钢板垂直高度为15cm，即所模拟裂缝垂直高度为15cm，⑤向模型箱内填充土样，使土体挤压固定住薄钢板，并将土体夯实至15cm高，该15cm厚的土层作为地层基岩，⑥保持底部加载装置和侧壁加载装置不动，开始分层夯实上覆土层，夯实至设定好的监测剖面，埋入一定数量的沉降杯和压力盒，用于测量加载过程中上覆土体内部的应力应变，然后继续夯实至设计高度。⑦在上盘土体和下盘土体表面放置并调整好位移传感器，用于测量加载过程中的地表变形，⑧调节底部加载装置：调节底部千斤顶，使其下降速率保持在1mm/min，下降至50mm后结束。⑨通过观察窗观察并记录裂缝扩展情况，读取压力盒、沉降杯和位移传感器的读数，统计并分析实验结果。

实施例3

工况3实施方案：①调节侧壁加载装置：安装角度为60°的2号侧壁钢板(见图8)，并移动侧壁钢板使之紧贴框架，避免其对逆断层运动的影响，②调节变倾角装置：将导轨滚轮一端嵌入倾角为60°的斜凹槽导轨内，另一端穿过角钢导孔并用螺丝固定，模拟倾角为60°的断层。③调节活动挡板倾角：将轴承位置固定于距挡板最远的螺丝孔内，并将挡板与轴承用螺丝连接，保证挡板倾角亦为60°，保证了模型边界条件与实际边界条件的相似。④在上盘和下盘支撑板中间安装厚3mm的光滑薄钢片，并调节薄钢板倾角为60°，与斜凹槽导轨和挡板倾角保持一致，用于模拟平直光滑的深部裂缝面，调整薄钢板垂直高度为20cm，即所模拟裂缝垂直高度为20cm，⑤向模型箱内填充土样，使土体挤压固定住薄钢板，并将土体夯实至20cm高，该20cm厚的土层作为地层基岩，⑥填充并夯实上覆土层至10cm高，⑦调节底部加载装置：调节底部千斤顶，使其下降速率保持在1mm/min，下降3mm后停止，⑧重复步骤⑤⑥，直至土层填充夯实至设计高度后，以此模拟“边沉积边错动”的现象。⑨通过观察窗观察并记录裂缝扩展情况。

实施例4

工况4(如图2-图5)实施方案：①调节侧壁加载装置：安装角度为75°的2号侧壁钢板(见图6)，并移动其中一端侧壁钢板，使之向内远离框架50mm，由此模拟走滑断层运动，②调节变倾角装置：将导轨滚轮一端嵌入倾角为75°的斜凹槽导轨内，另一端穿过角钢导孔并用螺丝固定，模拟倾角为75°的断层。③调节活动挡板倾角：将轴承位置固定于中间那对螺丝孔内，并将挡板与轴承用螺丝连接，保证挡板倾角亦为75°，保证了模型边界条件与实际边界条件的相似，④在上盘和下盘支撑板中间安装厚3mm的光滑薄钢板，并调节薄钢板倾角为75°，与斜凹槽导轨和挡板倾角保持一致，用于模拟平直光滑的深部裂缝面，调整薄钢板垂直高度为20cm，即所模拟裂缝垂直高度为20cm，⑤向模型箱内填充，土样，使土体挤压固定住薄钢板，并将土体夯实至20cm高，该20cm厚的土层作为地层基岩，⑥保持底部加载装置和侧壁加载装置不动，开始分层填充并夯实上覆土层，每10cm为一层，每一土层夯实后铺上一层白石灰，用于观察土层破裂规律。夯实至设定好的监测剖面，埋入一定数量的沉降杯和压力盒，用于测量上覆土体内部应力应变，然后继续夯实至设计高度，⑦在上盘土体和下盘土体表面放置并调整好位移传感器，用于测量加载过程中上覆土体表面变形，⑧同时调整底部加载装置和侧壁加载装置，通过调节底部千斤顶和侧壁千斤顶，使其加载速率达到1mm/min，水平运动和倾向运动位移同时达到50mm后结束，⑨通过观察窗观察并记录加载过程中上覆土层裂缝扩展情况，读取压力盒、沉降杯和位移传感器的读数，统计并分析实验结果。

与现有技术相比，本发明所述加载装置包括底部加载装置和侧壁加载装置，可使模型箱内底层基岩模拟正逆断层运动、走滑断层运动、走滑-正断层运动、走滑-逆断层运动——对上覆土体的影响，其中，所述侧壁加载装置通过侧壁千斤顶和受力板的水平运动带动侧壁钢板水平运动，从而使模型箱内底层基岩模拟走滑断层运动；通过更换预留裂缝来改变预留裂缝在上部框架中的倾角和高度，来模拟平直光滑的深部裂缝面的倾角和垂直距离。本发明通过活动挡板消除边界效应，通过降雨装置模拟降雨环境对上覆土体运动的影响。此外本发明方法具有操作过程简捷、经济、考虑因素多样化，克服了一般模拟试验中基底运动类型单一、运动倾角无法改变、边界效应显著、忽略降雨影响等问题。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施方式仅限于此，对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单的推演或替换，都应当视为属于本发明由所提交的权利要求书确定专利保护范围。

Claims (10)

1.一种模拟地裂缝扩展装置，其特征在于，包括框架(1)、观察窗(2)、挡板(32)、下盘支撑板(41)、上盘支撑板(42)、预留裂缝(5)、变倾角装置、底部加载装置和侧壁加载装置；所述模拟地裂缝扩展装置由框架(1)支撑，所述框架(1)为长方体支撑架，所述框架(1)以立轴对称将土体分为上盘土体和下盘土体，所述下盘土体下方设置下盘支撑板(41)，所述上盘土体下方设置上盘支撑板(42)，下盘支撑板(41)下方设置固定的支撑框架(11)，上盘支撑板(42)下方设置活动的支撑框架(12)，所述上盘土体和下盘土体之间设置预留裂缝(5)，预留裂缝(5)的下沿为下盘支撑板(41)和上盘支撑板(42)的交界处，所述预留裂缝(5)的下沿与下盘支撑板(41)和上盘支撑板(42)的交界处的框架(1)连接，所述框架(1)的上盘土体一侧设置挡板(32)，所述挡板(32)上端与框架(1)连接，所述挡板(32)下端可活动，所述框架(1)的正面、背面和另一侧面设置观察窗(2)，所述框架(1)的顶部为敞口，与挡板(32)相邻两侧的观察窗(2)下方的框架(1)上设置变倾角装置，在活动的支撑框架(12)下方设置底部加载装置，所述下盘支撑板(41)两侧设置侧壁加载装置，所述下盘支撑板(41)两侧的框架(1)上设置侧壁加载装置的支撑框架(13)。

2.根据权利要求1所述模拟地裂缝扩展装置，其特征在于：所述挡板(32)上端与框架(1)通过轴承(31)连接，所述挡板(32)上端与轴承(31)的中心轴固定连接，所述轴承(31)通过螺丝固定在所述框架(1)，所述挡板(32)上端与框架(1)接触的位置设置三对螺丝安装孔，当所述轴承(31)分别固定于三对螺丝孔位置时，所述挡板(32)的倾角为90°、75°或60°中任意之一。

3.根据权利要求1所述模拟地裂缝扩展装置，其特征在于：所述上盘支撑板(42)和下盘支撑板(41)均为活动支撑板，所述上盘支撑板(42)和下盘支撑板(41)均为钢板，所述上盘支撑板(42)和下盘支撑板(41)均设置均匀的小孔，所述小孔上覆盖不漏土且透水材料。

4.根据权利要求2所述模拟地裂缝扩展装置，其特征在于：所述框架(1)为方钢制成，所述框架(1)的长：宽：高：底部加载装置高度比为3:1:2:1-6:1:5:1；观察窗(2)为钢化玻璃，所述钢化玻璃的厚度为10-15mm；所述预留裂缝(5)的下沿与下盘支撑板(41)和上盘支撑板(42)的交界处框架(1)通过铰接连接，所述预留裂缝(5)的倾角为90°、75°或60°中任意之一，所述预留裂缝(5)为光滑薄钢片或云母片，所述预留裂缝(5)的厚度为2.5-4mm，在上盘土体和下盘土体内部设置监测仪器，所述监测仪器包括沉降杯、压力盒；所述上盘土体和下盘土体表面放置位移传感器。

5.根据权利要求4所述模拟地裂缝扩展装置，其特征在于：所述变倾角装置由角钢(61)、滚轮(62)和斜凹槽导轨(63)组成，斜凹槽导轨(63)与框架(1)通过焊接连接，所述斜凹槽导轨(63)由三个倾角不同的凹槽导轨组成，所述凹槽导轨的倾角分别为90°、75°、60°，所述角钢(61)的一端与活动的支撑框架(12)通过焊接连接，所述角钢(61)的另一端并列设置三个导孔，所述三个导孔的位置分别对应三个倾角不同的凹槽导轨，所述导孔和斜凹槽导轨(63)之间设置滚轮(62)，滚轮(62)的一端嵌入倾角为90°、75°或60°中任意之一所述斜凹槽导轨(63)内，滚轮(62)的另一端穿过角钢(61)的导孔通过螺丝与角钢(61)连接。

6.根据权利要求5所述模拟地裂缝扩展装置，其特征在于：所述底部加载装置由底部千斤顶(71)、凹槽滑轮(72)和滑轮导轨(73)组成，所述底部千斤顶(71)的底座设置支撑底座，所述支撑底座与框架(1)通过焊接连接，底部千斤顶(71)的顶端与凹槽滑轮(72)通过螺丝连接，所述滑轮导轨(73)设置在活动的支撑框架(12)下方，凹槽滑轮(72)在滑轮导轨(73)上滑动。

7.根据权利要求6所述模拟地裂缝扩展装置，其特征在于：侧壁加载装置的支撑框架(13)与框架(1)通过焊接连接；所述侧壁加载装置由侧壁千斤顶(81)、受力板(82)、1号侧壁钢板(83)和2号侧壁钢板(84)组成；所述侧壁千斤顶(81)的底座固定在侧壁加载装置的支撑框架(13)上，侧壁千斤顶(81)的顶端与凹槽滑轮(72)通过螺丝连接，所述受力板(82)的外侧设置滑轮导轨(73)，凹槽滑轮(72)在滑轮导轨(73)上滑动，所述受力板(82)的内侧与1号侧壁钢板(83)相接触，所述1号侧壁钢板(83)为长方形钢板，所述1号侧壁钢板(83)中间设有长方形孔，所述下盘支撑板(41)两侧的框架(1)穿过所述长方形孔，所述2号侧壁钢板(84)的一端与预留裂缝(5)相接触，所述2号侧壁钢板(84)的另一端与1号侧壁钢板(83)的上沿侧面通过螺栓连接，2号侧壁钢板(84)为最小角为90°长方形钢板、最小角为75°的直角梯形或最小角为60°的直角梯形中任意之一。

8.根据权利要求7所述模拟地裂缝扩展装置，其特征在于：在框架(1)的顶部设置人工便携降雨器，所述人工便携降雨器由降雨器支架(91)，输水管(92)和喷头(93)组成，所述降雨器支架(91)上设置输水管(92)，所述输水管(92)的一端与水源连接，所述输水管(92)的另一端设置喷头(93)，所述输水管(92)上设置流速测量仪。

9.权利要求7所述模拟地裂缝扩展装置的使用方法，其特征在于，包括如下步骤：

1)调节侧壁加载装置：将2号侧壁钢板(84)安装在1号侧壁钢板(83)上，并移动1号侧壁钢板(83)使之紧贴框架(1)；

2)调节变倾角装置：将滚轮(62)的一端嵌入斜凹槽导轨(63)内，滚轮(62)的另一端穿过角钢(61)上与斜凹槽导轨(63)的角度相对应的导孔，通过螺丝与角钢(61)连接；斜凹槽导轨(63)的倾角与步骤1)所述2号侧壁钢板(84)的最小角的角度相同；

3)调节活动挡板倾角：根据步骤2)所述斜凹槽导轨(63)的倾角的角度，调节轴承(31)的固定位置，使挡板(32)的倾角与步骤2)所述斜凹槽导轨(63)的倾角的角度相同，所述轴承(31)通过螺丝固定在所述框架(1)；

4)下盘支撑板(41)和上盘支撑板(42)的交界处安装预留裂缝(5)，所述预留裂缝(5)的倾角与步骤3)所述挡板(32)的倾角角度相同，所述预留裂缝(5)的下沿与下盘支撑板(41)和上盘支撑板(42)的交界处框架(1)通过铰接连接；

5)向所述模拟地裂缝扩展装置的模型箱内填充土样，使土体挤压固定预留裂缝(5)，并将土体夯实至与预留裂缝(5)的高度一致，所述夯实的土体作为地层基岩；

6)保持底部加载装置和侧壁加载装置不动，开始分层填充并夯实上覆土层，每一个土层夯实后铺上一层白石灰，用于观察上覆土层破裂规律，夯实至设定好的监测剖面，埋入沉降杯和压力盒，用于测量加载过程中土体内部的应力应变，然后继续夯实土层至设计高度；

7)在上盘土体和下盘土体表面放置并调整好位移传感器，用于监测加载过程中土体表面的沉降变形；

8)根据需要调节底部加载装置或调节侧壁加载装置或同时调节底部加载装置和侧壁加载装置，水平运动或倾向运动位移达到50mm后结束，或底部加载过程和侧壁加载过程同时开始、同时结束；

9)通过观察窗(2)观察并记录加载过程中上覆土层裂缝扩展情况，读取压力盒、沉降杯和位移传感器的读数，统计并分析实验结果。

10.权利要求8所述模拟地裂缝扩展装置的使用方法，其特征在于，包括如下步骤：

1)调节侧壁加载装置：将2号侧壁钢板(84)安装在1号侧壁钢板(83)上，并移动1号侧壁钢板(83)使之紧贴框架(1)；

2)调节变倾角装置：将滚轮(62)的一端嵌入斜凹槽导轨(63)内，滚轮(62)的另一端穿过角钢(61)上与斜凹槽导轨(63)的角度相对应的导孔，通过螺丝与角钢(61)连接；斜凹槽导轨(63)的倾角与步骤1)所述2号侧壁钢板(84)的最小角的角度相同；

3)调节活动挡板倾角：根据步骤2)所述斜凹槽导轨(63)的倾角的角度，调节轴承(31)的固定位置，使挡板(32)的倾角与步骤2)所述斜凹槽导轨(63)的倾角的角度相同，所述轴承(31)通过螺丝固定在所述框架(1)；

4)下盘支撑板(41)和上盘支撑板(42)的交界处安装预留裂缝(5)，所述预留裂缝(5)的倾角与步骤3)所述挡板(32)的倾角角度相同，所述预留裂缝(5)的下沿与下盘支撑板(41)和上盘支撑板(42)的交界处框架(1)通过铰接连接；

5)向所述模拟地裂缝扩展装置的模型箱内填充土样，使土体挤压固定预留裂缝(5)，并将土体夯实至与预留裂缝(5)的高度一致，所述夯实的土体作为地层基岩；

6)保持底部加载装置和侧壁加载装置不动，开始分层填充并夯实上覆土层，每一个土层夯实后铺上一层白石灰，用于观察上覆土层破裂规律，夯实至设定好的监测剖面，埋入沉降杯和压力盒，用于测量加载过程中土体内部的应力应变，然后继续夯实土层至设计高度；

7)在上盘土体和下盘土体表面放置并调整好位移传感器，用于监测加载过程中土体表面的沉降变形；调节输水管(92)上的流速测量仪，通过流速测量仪控制人工便携降雨器的降雨量，所述流速测量仪用于监测输水管内的水流速度；

8)调节底部加载装置与人工便携降雨器，或调节侧壁加载装置与人工便携降雨器，或调节底部加载装置、侧壁加载装置与人工便携降雨器：同时进行降雨与底部加载过程，或者同时进行降雨与侧壁加载过程，或者同时进行降雨与侧壁加载和底部加载过程，模拟降雨诱发地裂缝活动的现象，同时调节降雨装置使降雨量与试验地区的降雨量一致，降雨与加载过程同时开始，同时结束；

9)通过观察窗(2)观察并记录加载过程中上覆土层裂缝扩展情况，读取压力盒、沉降杯、位移传感器和流速测量仪的读数，统计并分析实验结果。