CN108318663B - 模拟隧道穿越断层破碎带的试验装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了模拟隧道穿越断层破碎带的试验装置，包括活动箱体、固定箱体、破碎带模拟区、刚性底板、纵向约束装置、竖向加载装置、侧向加载装置。该装置可模拟不同埋深条件下，不同断层与隧道交角，不同破碎带宽度，隧道穿越走滑断层的受力状况，探究隧道衬砌的受力机理及破坏模式，为跨断层隧道结构设计提供真实的参考依据。该装置真实的模拟了断层破碎带。通过调节约束框弹簧压缩量和配重块高度，该装置可以模拟在不同埋深条件下，隧道穿越走滑断层，隧道衬砌的受力机理及破坏模式。通过调节衬砌开孔板和调节板的大小、布置方式，可以模拟隧道与断层在不同交角条件下，隧道穿越走滑断层，隧道衬砌的受力机理及破坏模式。

Description

模拟隧道穿越断层破碎带的试验装置

技术领域

本发明属于隧道模型试验装置领域，涉及一种模拟隧道穿越走滑断层的试验装置。

背景技术

断层作为一种地质构造，其活动主要表现为相对错动。根据断层两盘相对运动的性质和力学背景，可将断层分为倾滑断层和走滑断层。其中，走滑断层发震时破坏规模大，长度达数十公里至数百公里。构造运动中，大规模的断层往往不是沿一个简单的面发生，而是沿着一个错动带发生，该带称为断层破碎带，其宽度以数十米居多。

我国西南地区，地震活动频繁，地震烈度高，为我国地震最活跃的区域之一。由于地处高山峡谷，基础设施工程中，隧道比重较大。随着我国建设大西南的力度不断加大，高速铁路、高速公路、引水隧洞等重大工程建设当中，特别是长大隧道，不可避免的需要穿越多条断裂带。如邓家坪隧道长10km,穿越9条断裂带；雅泸高速的泥巴山隧道长10km，穿越15条断裂带；滇中引水香炉山隧洞长约63km，穿越16条主要断裂带，其中40%为走滑断层。因此，通过模型试验平台，研究断层错动下，真实的反应隧道衬砌结构的响应机理及破坏模式，成为解决隧道抗震设防中的关键问题。

目前，国内已有的跨断层隧道错动模型试验装置中，如刘学增、崔光耀等探究了倾滑断层下隧道衬砌抗错断的受力机理；高波等探究了走滑断层下隧道衬砌抗错断的受力机理。但大部分模型试验装置均适用于浅埋隧道，对于深埋隧道的错动试验装置，还属空白。其次，各试验装置中断层破碎带的模拟，仅在岩性上加以区分，模型箱并没有断层破碎带段的设计，导致试验结果的真实性不能保证。

发明内容

本发明的目的是提供一种模拟隧道穿越走滑断层的试验装置，该装置能够实现断层破碎带宽度的模拟，并为断层破碎带提供独立的刚性约束。另外，该试验装置可模拟不同埋深条件下，不同断层与隧道交角，不同破碎带宽度，隧道穿越走滑断层的受力状况，探究隧道衬砌的受力机理及破坏模式，为跨断层隧道结构设计提供真实的参考依据。

为实现上述目的，模拟隧道穿越走滑断层的试验装置，其特征为：

模拟隧道穿越走滑断层的试验装置，包括活动箱体、固定箱体、破碎带模拟区、刚性底板、纵向约束装置、竖向加载装置、侧向加载装置。

活动箱体部分由加载侧约束板、侧约束板、横断面约束板、连接横梁及活动底座组成。各约束板及活动底座均由型钢焊接而成；活动箱体由各约束板和活动底座，通过螺栓连接而成。活动底座之下放置圆钢，圆钢置于刚性底板之上，以使箱体横向错动。横断面约束板中的衬砌开孔板和调节板，可设置不同大小，不同的布置方式，可以模拟隧道与断层的不同交角。开孔板、调节板与横断面约束板螺栓连接。

固定箱体部分由侧约束板、横断面约束板、连接横梁及固定底座组成。各约束板及固定底座均由型钢焊接而成，活动箱体由各约束板和固定底座，通过螺栓连接而成。底座与刚性底板焊接，约束箱体运动。横断面约束板中的衬砌开孔板和调节板，可设置不同大小，不同的布置方式，可以模拟隧道与断层的不同交角。开孔板、调节板与横断面约束板螺栓连接。

破碎带模拟区由数个约束框组成，每个约束框由底部滑轮、上部弹簧加载装置、框间防挤压轴承组成。底部滑轮置于刚性底板之上，使约束框可以横向自由错动；上部弹簧加载装置中螺口钢棍固定在约束框上，围岩加载板与传力压杆、传力横板、标尺杆焊接一体，且传力压杆自由穿越约束框，标尺杆自由穿越弹簧和顶横梁；顶横梁被螺母约束在螺口钢棍上。

刚性底板为10~15mm厚钢板，通过螺栓固定于平整的实验地面上。

纵向约束装置由上部约束装置和下部约束装置组成。上部约束装置与固定箱体的侧约束板顶相连，与活动箱体的连接横梁轴承相连；下部约束固定于底部钢板，与活动箱体的活动底座轴承相连，以使活动箱体纵向受约束，而横向可以移动。

竖向加载装置包括围岩段加载的配重块，和破碎带加载的上部弹簧加载装置。

侧向加载装置由通过固定在反力墙上的千斤顶驱动，通过千斤顶给侧向加载装置施加位移，使整个活动箱体移动。

本发明与现有技术相比，具有如下显著特点：

1、通过组装不同数量的断层约束框，该装置能够实现断层破碎带不同宽度的模拟，并为断层破碎带提供独立的刚性约束。更真实的模拟了断层破碎带。

2、通过调节约束框弹簧压缩量和配重块高度，该装置可以模拟在不同埋深条件下，隧道穿越走滑断层，隧道衬砌的受力机理及破坏模式。

3、通过调节衬砌开孔板和调节板的大小、布置方式，可以模拟隧道与断层在不同交角条件下，隧道穿越走滑断层，隧道衬砌的受力机理及破坏模式。为隧道设计提供更可靠的参考依据。

附图说明

图1为本装置组装后的斜视图。

图2为本装置组装后的正视图。

图3为本装置组装后的后视图。

图4为本装置活动箱体斜视图。

图5为本装置固定箱体斜视图。

图6为本装置纵向约束上部约束示意图。

图7为本装置纵向约束下部约束示意图。

图8为本装置断层约束框示意图。

实施方式

以下结合附图1-8，说明本发明的具体实施方式。

模拟隧道穿越走滑断层的试验装置，该装置包括活动箱体10、破碎带模拟区20、固定箱体30、刚性底板40、上部纵向约束50、下部纵向约束60、配重块70和侧向加载装置80。活动箱体10、破碎带模拟区20放置在刚性底板40上；固定箱体30底部与刚性底板40焊接；破碎带模拟区20与固定箱体30、活动箱体10纵向通过承压轴承24接触连接，限制固定箱体30和活动箱体10的纵向位移，固定箱体30和活动箱体10的横向能够自由错动。配重块70设置在活动箱体10和固定箱体30的顶部，侧向加载装置80设置在活动箱体10的一侧，侧向加载装置80由千斤顶驱动。

活动箱体10由横向约束板11、第一横断面约束板12、第一连接横梁13及第一活动底座14组成。横向约束板11、第一横断面约束板12均由型钢焊接而成；横向约束板11、第一横断面约束板12、第一连接横梁13及第一活动底座14之间通过螺栓连接。横向约束板11和第一横断面约束板12连接后组成活动箱体10的主体框架结构，第一连接横梁13设置在活动箱体10的主体框架结构的外侧，第一活动底座14设置在活动箱体10的主体框架结构的底部；第一活动底座14的底部放置有圆钢15，圆钢15置于刚性底板40上，通过圆钢15能够使活动箱体10发生横向错动。第一横断面约束板12中设有顺次连接的第一衬砌开孔板16和第一调节板17，第一衬砌开孔板16和第一调节板17能够设置不同的大小和不同的布置方式，以模拟隧道与断层的不同交角。第一衬砌开孔板16、第一调节板17与第一横断面约束板12通过螺栓连接。侧向加载装置80与横向约束板11焊接。

固定箱体30部分由侧向约束板31、第二横断面约束板32、第二连接横梁33及第二固定底座34组成。侧向约束板31、第二横断面约束板32、第二连接横梁33及第二固定底座34均由型钢焊接而成；侧向约束板31、第二横断面约束板32、第二连接横梁33及第二固定底座34之间通过螺栓连接而成。侧向约束板31、第二横断面约束板32连接后组成固定箱体30的主体框架结构，第二连接横梁33设置在固定箱体30的主体框架结构的外侧，第二固定底座34设置在固定箱体30的主体框架结构的底部。第二固定底座34与刚性底板40焊接，以约束固定箱体30的运动。第二横断面约束板32中设有顺次连接的第二衬砌开孔板35和第二调节板36，第二衬砌开孔板35和第二调节板36能够设置不同的大小和不同的布置方式，以模拟隧道与断层的不同交角。第二衬砌开孔板35、第二调节板36与第二横断面约束板32通过螺栓连接。

破碎带模拟区20由数个方钢约束框21组成，每个方钢约束框21上均设有底部滑轮22、滑轮固定支架23、承压轴承24和上部弹簧加载装置。各个承压轴承24设置在方钢约束框21上，上部弹簧加载装置安装在方钢约束框21的顶部；底部滑轮22安装在滑轮固定支架23上并置于刚性底板40上，使方钢约束框21能够沿横向自由错动；

上部弹簧加载装置中的螺纹钢棍25-1螺栓固定在方钢约束框21上，围岩加载板25-2与传力压杆25-3、传力横板25-4、标尺杆23-5焊接一体。传力压杆25-3自由穿越方钢约束框21，标尺杆25-5自由穿越弹簧25-6和顶部横梁25-7；顶部横梁25-7与螺纹钢棍25-1通过螺栓相连。

刚性底板40由10~15mm厚的钢板制成，刚性底板40通过地锚螺栓固定于实验场地底面上。

上部纵向约束50的纵向承拉角钢51末端与固定箱体30的侧向约束板31顶螺栓相连；纵向承拉角钢51、第一轴承52及横向连接角钢53端部焊接；第一轴承52与活动箱体10的第一活动底座14接触连接。

下部纵向约束60的连接钢板62与刚性底板40焊接；轴承支架61与第二轴承63焊接；轴承支架61与连接钢板62通过螺栓连接。

配重块70为250mm×120mm×100mm或250mm×120mm×50mm的铁块。

侧向加载装置80由槽钢和钢板相互焊接而成。

Claims (3)

1.模拟隧道穿越断层破碎带的试验装置，其特征在于：该装置包括活动箱体（10）、破碎带模拟区（20）、固定箱体（30）、刚性底板（40）、上部纵向约束（50）、下部纵向约束（60）、配重块（70）和侧向加载装置（80）；活动箱体（10）、破碎带模拟区（20）放置在刚性底板（40）上；固定箱体（30）底部与刚性底板（40）焊接；破碎带模拟区（20）与固定箱体（30）、活动箱体（10）纵向通过承压轴承（24）接触连接，限制固定箱体（30）和活动箱体（10）的纵向位移，固定箱体（30）和活动箱体（10）的横向能够自由错动；配重块（70）设置在活动箱体（10）和固定箱体（30）的顶部，侧向加载装置（80）设置在活动箱体（10）的一侧，侧向加载装置（80）由千斤顶驱动；

活动箱体（10）由横向约束板（11）、第一横断面约束板（12）、第一连接横梁（13）及第一活动底座（14）组成；横向约束板（11）、第一横断面约束板（12）均由型钢焊接而成；横向约束板（11）、第一横断面约束板（12）、第一连接横梁（13）及第一活动底座（14）之间通过螺栓连接；横向约束板（11）和第一横断面约束板（12）连接后组成活动箱体（10）的主体框架结构，第一连接横梁（13）设置在活动箱体（10）的主体框架结构的外侧，第一活动底座（14）设置在活动箱体（10）的主体框架结构的底部；第一活动底座（14）的底部放置有圆钢（15），圆钢（15）置于刚性底板（40）上，通过圆钢（15）能够使活动箱体（10）发生横向错动；第一横断面约束板（12）中设有顺次连接的第一衬砌开孔板（16）和第一调节板（17），第一衬砌开孔板（16）和第一调节板（17）能够设置不同的大小和不同的布置方式，以模拟隧道与断层的不同交角；第一衬砌开孔板（16）、第一调节板（17）与第一横断面约束板（12）通过螺栓连接；侧向加载装置（80）与横向约束板（11）焊接；

固定箱体（30）部分由侧向约束板（31）、第二横断面约束板（32）、第二连接横梁（33）及第二固定底座（34）组成；侧向约束板（31）、第二横断面约束板（32）、第二连接横梁（33）及第二固定底座（34）均由型钢焊接而成；侧向约束板（31）、第二横断面约束板（32）、第二连接横梁（33）及第二固定底座（34）之间通过螺栓连接而成；侧向约束板（31）、第二横断面约束板（32）连接后组成固定箱体（30）的主体框架结构，第二连接横梁（33）设置在固定箱体（30）的主体框架结构的外侧，第二固定底座（34）设置在固定箱体（30）的主体框架结构的底部；第二固定底座（34）与刚性底板（40）焊接，以约束固定箱体（30）的运动；第二横断面约束板（32）中设有顺次连接的第二衬砌开孔板（35）和第二调节板（36），第二衬砌开孔板（35）和第二调节板（36）能够设置不同的大小和不同的布置方式，以模拟隧道与断层的不同交角；第二衬砌开孔板（35）、第二调节板（36）与第二横断面约束板（32）通过螺栓连接；

破碎带模拟区（20）由数个方钢约束框（21）组成，每个方钢约束框（21）上均设有底部滑轮（22）、滑轮固定支架（23）、承压轴承（24）和上部弹簧加载装置；各个承压轴承（24）设置在方钢约束框（21）上，上部弹簧加载装置安装在方钢约束框（21）的顶部；底部滑轮（22）安装在滑轮固定支架（23）上并置于刚性底板（40）上，使方钢约束框（21）能够沿横向自由错动；

上部纵向约束（50）的纵向承拉角钢（51）末端与固定箱体（30）的侧向约束板（31）顶螺栓相连；纵向承拉角钢（51）、第一轴承（52）及横向连接角钢（53）端部焊接；第一轴承（52）与活动箱体（10）的第一连接横梁（13）接触连接；

下部纵向约束（60）的连接钢板（62）与刚性底板（40）焊接；轴承支架（61）与第二轴承（63）焊接；轴承支架（61）与连接钢板（62）通过螺栓连接；

上部弹簧加载装置中的螺纹钢棍（25-1）螺栓固定在方钢约束框（21）上，围岩加载板（25-2）与传力压杆（25-3）、传力横板（25-4）、标尺杆（25-5）焊接一体；传力压杆（25-3）自由穿越方钢约束框（21），标尺杆（25-5）自由穿越弹簧（25-6）和顶部横梁（25-7）；顶部横梁（25-7）与螺纹钢棍（25-1）通过螺栓相连；配重块（70）为铁块。

2.根据权利要求1所述的模拟隧道穿越断层破碎带的试验装置，其特征在于：刚性底板（40）由10~15mm厚的钢板制成，刚性底板（40）通过地锚螺栓固定于实验场地底面上。

3.根据权利要求1所述的模拟隧道穿越断层破碎带的试验装置，其特征在于：侧向加载装置（80）由槽钢和钢板相互焊接而成。

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