CN108731998B - 一种用于地质力学模型试验的断层制作装置与操作方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于地质力学模型试验的断层体制作装置与操作方法，所述的断层体制作装置包括断层隔板、断层隔板固定板、螺栓和内撑板；断层隔板通过三块内撑板相连，以保证该装置的刚度要求。断层隔板通过断层隔板固定板和螺栓固定于模型架导向框内侧，从而保证了制作断层时该装置的稳定。通过调节断层隔板之间的距离和倾斜方向可实现任意厚度、任意方位断层体的制作。本发明解决了地质力学模型试验中倾斜断层体制作困难、断层方向难以固定的问题，同时该发明装置构造简单、拆卸方便、实用可靠和造价低廉，同时操作方法容易掌握，具有广阔的应用前景。

Description

一种用于地质力学模型试验的断层制作装置与操作方法

技术领域

本发明涉及一种地下工程试验装置，具体地说是一种模型试验中制作断层体的装置及操作方法。

背景技术

随着我国地下工程建设的发展，在交通、能源、水电、矿山等领域出现了越来越多的大型隧洞工程，这些隧洞穿越区往往地质条件复杂，断层发育。隧道围岩的变形与破坏一般受断层破碎带等软弱地层控制，施工中特别容易诱发涌水、突泥和隧道塌方等事故，给隧道工程的设计和施工带来极大的困难。

以相似理论为基础的模型试验方法一直以来都是地下工程研究的一种重要手段，对地下工程的发展起着很大的推动作用，特别是在一些地质条件复杂、工程艰难的重大工程中，模型试验更是发挥着不可替代的作用，为工程设计与施工提供了宝贵的试验数据。因此采用模型试验研究跨断层隧道施工过程中围岩变形破坏特性具有重要的工程实践意义。

地质力学模型试验大多针对均质围岩、水平层状或竖直层状岩体进行研究，对于含任意方位、任意厚度断层的模型试验研究较少，主要是因为模型试验中断层的制作困难、断层方向和断层厚度不易控制，导致制作的断层与实际相差较大，试验效果不佳。

目前，国内外关于地质力学模型试验断层体制作的试验装置和操作方法的研究现状如下：

(1)《岩土工程学报》2013年第9期介绍了一种模型试验中黏滑错动断层的制备方法，其采用两层PVC塑料板中间涂黄油模拟黏滑错动断层，然而PVC板的存在必然影响断层附近模型材料的力学性质，与实际工程不符，同时模型体制备过程中断层方位的固定方法也没有提及。

(2)《岩石力学与工程学报》2016年第3期介绍了一种模型试验中倾斜断层的制备方法，其采用的是在完整模型体的基础上，切割模型，并在切割后的模型一侧均匀地铺设滑石粉拍压平实后，最后重新回填模型材料的方法，该法虽然可制备出所需的断层，然而整个过程历时较长，同时也造成了大量的浪费，实用性不大。

(3)申请号为201310138832.5的发明专利提出了一种可预制断层的装置和方法，但该专利涉及的装置不能拆除取出，一旦固定，整个填筑模型材料期间不能移动，同时也不能对模型体进行真三维加载，也即该装置只适用于自重应力场下的模型试验研究，不能满足多功能的需求。

(4)申请号为201610549967.4的发明专利提出了一种制备断层致灾构造的装置和方法，但该断层装置同样不能拆除取出，填筑模型材料时只能人工夯实，难以达到所需的成型压力，制备的模型体也难以满足相似条件，同时后续试验中同样不能对模型体施加真三维应力，适用范围非常有限。

(5)申请号为201510056031.3的发明专利研发了一种双向多角度智能翻转模型试验装置，该装置可实现任意方向和任意厚度断层的制作，但该装置过于复杂，操作不便，且造价昂贵，不利于推广应用。

发明内容

本发明的目的是为克服上述现有装置和技术的不足，提供一种简单实用、造价低廉的可拆卸断层制作装置和操作方法。

为实现上述目的，本发明采用下述技术方案：

一种用于地质力学模型试验的断层体制作装置，包括断层隔板、断层隔板固定板、内撑板和螺栓；所述的断层隔板包括两个，两个断层隔板相互平行，且两个断层隔板通过多个内撑板连接，在每个断层隔板的两端分别设有一个断层隔板固定板，且在所述的断层隔板固定板上设有安装槽，在所述的安装槽内设有用于将断层隔板固定板固定于模型架导向框内侧的螺栓。

进一步的，所述断层隔板是由两块高强有机玻璃板组成，为方便放入模型架内，断层隔板的长度略小于模型体长度，宽度略高于每次填筑模型材料的高度。

进一步的，所述内撑板是由三块较小的高强有机玻璃板组成，长度等于断层厚度，宽度约等于每次填料高度的三分之一即可，制作断层时使用有机玻璃胶将其与断层隔板粘结固定，目的在于提高断层隔板的整体刚度，使断层制作过程中断层的厚度不变。

进一步的，所述的多个内撑板在断层隔板之间相互平行设置，且内撑板方向与断层隔板垂直。

进一步的，所述断层隔板的方向和间距取决于实际断层的方向和厚度，通过调节断层隔板的方向和间距可以制作任意方向和任意厚度的断层。

进一步的，所述断层隔板固定板为下部有卡槽的高强有机玻璃板组成，下部的卡槽用于卡装断层隔板上，在断层隔板固定板的中间部位设有安装槽，安装槽的宽度稍大于螺栓直径，制作断层时，将其下部卡住断层隔板，上部用螺栓固定于模型架导向框内侧，目的在于固定断层隔板，使断层制作过程中断层的方位不变。

进一步的，所述的安装槽的长度为整个断层隔板固定板长度的2/3左右。

利用上面所述的用于地质力学模型试验的断层体制作装置进行断层体制作方法，步骤如下：

1)根据断层的方位和厚度将断层隔板和内撑板采用玻璃胶粘结固定；

2)将粘结稳定的断层隔板放入模型箱内所要制作断层的位置，并把断层隔板固定板下部凹槽卡住断层隔板，然后用螺栓将断层隔板固定板固定于模型架导向框内侧；

3)根据每次填筑的高度，按确定的材料配比计算、称重并拌均断层部位、断层前和断层后部位的模型材料；

4)依次将搅拌均匀的相似材料倒入断层部位、断层前和断层后部位，每次填筑三分之一的模型材料，并采用夯实工具初步压实，然后拧松螺栓，将断层隔板沿着断层倾斜方向提升三分之一的填筑高度，并用捣实工具将断层隔板提升后形成的空间挤密捣实，最后拧紧螺栓重新固定断层隔板固定板；重复该过程3次，即完成该层材料的初步压实；

5)拆除并取出断层制作装置，采用压实装置按照相应的成型压力进行压实，最后风干养护即可完成该层模型体的制作；

6)循环步骤2～步骤5，直至填至模型体顶部，即可制作出含有断层体的地质力学模型。

本发明具有如下有益效果：

(1)通过在断层隔板间设置内撑板，可以提高断层隔板的整体刚度，使断层制作过程中断层的厚度不发生变化。

(2)断层隔板固定板通过下部凹槽和螺栓将断层隔板与模型架固定为一整体，增加了断层隔板的整体稳定性，使断层制作过程中断层的方向不发生变化。

(3)本发明涉及的断层制作装置构造简单、造价低廉、实用可靠，拆卸容易，可满足各种类型模型试验对任意方位和任意厚度断层制作的要求。

(4)本发明提出的断层制作方法简单易学，方便实用，在地质力学模型试验中具有广阔的应用前景。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。

图1为模型试验断层制作装置示意图；

图2为压实装置示意图；

图3为模型试验断层制作示意图；

图中，1.断层隔板；2.断层隔板固定板；3.内撑板；4.螺栓；

5.压实加载环；6.压实加载板；7.导向框；8.断层前部位；

9.断层部位；10.断层后部位。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合；

为了方便叙述，本发明中如果出现“上”、“下”、“左”“右”字样，仅表示与附图本身的上、下、左、右方向一致，并不对结构起限定作用,仅仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的设备或元件必须具有特定的方位，以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

名词解释部分：本发明中所述的“高强”是指有机玻璃板的硬度指标在平均洛氏硬度值85度以上，以便制作断层时能提供足够的强度和刚度。

正如背景技术所介绍的，现有技术中地质力学模型试验大多针对均质围岩、水平层状或竖直层状岩体进行研究，对于含任意方位、任意厚度断层的模型试验研究较少，主要是因为模型试验中断层的制作困难、断层方向和断层厚度不易控制，导致制作的断层与实际相差较大，试验效果不佳，为了解决如上的技术问题，本申请提出了一种用于地质力学模型试验的断层制作装置与操作方法。下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1中，用于地质力学模型试验的断层体制作装置，包括断层隔板、断层隔板固定板、内撑板和螺栓；断层隔板1包括两个，两个断层隔板相互平行，且两个断层隔板通过3个内撑板连接，在每个断层隔板的两端分别设有一个断层隔板固定板2，且在所述的断层隔板固定板2上设有安装槽，在所述的安装槽内设有用于将断层隔板固定板固定于模型架导向框内侧的螺栓。

断层隔板1的方向和间距取决于实际断层的方向和厚度，内撑板3方向与断层隔板1垂直，通过调节断层隔板1的方向和间距可以制作任意方向和任意厚度的断层。内撑板3的作用在于提高断层隔板1的整体刚度，使断层制作时厚度不发生变化。

在所述的断层隔板固定板2的下部设有卡槽，制作断层时将下部卡槽卡住断层隔板3，上部设置安装槽，通过螺栓4固定于模型架导向框7内侧，断层隔板固定板2的作用在于将断层隔板1与模型架导向框7固定为一体，以保证断层隔板1的整体稳定性，使断层制作过程中断层的方位不发生变化。

断层隔板固定板的材料优选采用高强有机玻璃板组成，中间部位安装槽的宽度稍大于螺栓直径，制作断层时，将其下部卡住断层隔板，上部用螺栓固定于模型架导向框内侧，目的在于固定断层隔板，使断层制作过程中断层的方位不变。

前面所述的安装槽为一个横截面类似于椭圆形的槽状结构，其长度占据到整个断层隔板固定板的2/3左右，这样通过螺栓和安装槽的配合可以将断层隔板安装在导向框的任一位置。

前面所述的卡槽为一个从断层隔板固定板端部向内凹陷形成的卡槽。

断层隔板的材料优选采用高强有机玻璃板，为方便放入模型架内，断层隔板的长度略小于模型体长度，宽度略高于每次填筑模型材料的高度。

内撑板优选采用三块较小的高强有机玻璃板组成，长度等于断层厚度，宽度约等于每次填料高度的三分之一即可，制作断层时使用特效有机玻璃胶将其与断层隔板粘结固定，目的在于提高断层隔板的整体刚度，使断层制作过程中断层的厚度不变。

图2中，压制装置由压实加载环5和压实加载板6组成，压实模型材料时将若干压实加载环5首尾相扣置于压实加载板6上方，压实加载板6下方为初步压实的模型材料，压实加载环5上方为液压千斤顶，通过液压千斤顶对初步压实的模型材料进一步压实。

图3中，制作断层时，将搅拌均匀的各部分模型材料依次倒入断层前部位8、断层部位9和断层后部位10，并进行初步压实。

一种用于地质力学模型试验的断层体制作方法，包括以下步骤：

1)根据实际断层的方向和厚度调整断层隔板1的方向和间距，并采用高效有机玻璃胶把断层隔板1与内撑板3粘结固定；

2)将粘结稳定的断层隔板1放入模型箱内所要制作的断层部位，并用断层隔板固定板2的下部卡槽卡住断层隔板1，然后采用螺栓4把断层隔板固定板2与模型架导向框7固定；

3)根据每次填筑的高度，按确定的材料配比计算、称重断层部位9、断层前部位8和断层后部位10的各组分模型材料，并充分搅拌均匀；

4)分三次将搅拌均匀的各部分模型材料依次倒入断层部位9、断层前部位8和断层后部位10，每次填筑三分之一的模型材料，采用夯实工具对倒入的模型材料初步压实；

5)初步压实后，拧松螺栓4，手握内撑板3将断层隔板1沿着断层倾斜方向提升三分之一填筑高度，并用捣实工具将断层隔板1提升后形成的空间挤密捣实，然后拧紧螺栓4，使断层隔板固定板2与模型架导向框7重新固定；

6)重复步骤4和步骤5三次，即完成该层材料的初步压实；

7)拧松螺栓4，拆除并取出断层制作装置，采用压实装置对初步压实的模型材料进行进一步压实，最后风干养护即可完成该层模型的制作；

8)循环上述步骤2～步骤7，直至模型体顶部，即可制作出包含断层的地质力学模型。

以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种用于地质力学模型试验的断层体制作装置，其特征在于，包括断层隔板、断层隔板固定板、内撑板和螺栓；所述的断层隔板包括两个，两个断层隔板相互平行，且两个断层隔板通过多个内撑板连接，在每个断层隔板的两端分别设有一个断层隔板固定板，断层隔板中间部下层卡住断层隔板，且在所述的断层隔板固定板上设有安装槽，在所述的安装槽内设有用于将断层隔板固定板固定于模型架导向框内侧的螺栓；

所述的内撑板长度等于断层厚度，宽度约等于每次填料高度的三分之一；

在使用中，拧松螺栓，将断层隔板沿着断层倾斜方向提升。

2.如权利要求1所述的一种用于地质力学模型试验的断层体制作装置，其特征在于，所述断层隔板的材料选择高强有机玻璃板。

3.如权利要求1所述的一种用于地质力学模型试验的断层体制作装置，其特征在于，所述断层隔板的长度略小于模型体长度，宽度略高于每次填筑模型材料的高度。

4.如权利要求1所述的一种用于地质力学模型试验的断层体制作装置，其特征在于，所述内撑板的材料选择高强有机玻璃板。

5.如权利要求1所述的一种用于地质力学模型试验的断层体制作装置，其特征在于，所述的多个内撑板在断层隔板之间相互平行设置，内撑板方向与断层隔板垂直。

6.如权利要求1所述的一种用于地质力学模型试验的断层体制作装置，其特征在于，所述断层隔板的方向和间距取决于实际断层的方向和厚度，通过调节断层隔板的方向和间距制作任意方向和任意厚度的断层。

7.如权利要求1所述的一种用于地质力学模型试验的断层体制作装置，其特征在于，所述断层隔板固定板为下部设有卡槽的高强有机玻璃板，在断层隔板固定板的中间部位安装槽，安装槽的宽度稍大于螺栓直径。

8.如权利要求1所述的一种用于地质力学模型试验的断层体制作装置，其特征在于，所述的安装槽的长度占据到整个断层隔板固定板长度的2/3左右。

9.利用权利要求1-8任一所述的用于地质力学模型试验的断层体制作装置进行断层体制作方法，步骤如下：

1）根据断层的方位和厚度将断层隔板和内撑板采用玻璃胶粘结固定；

2）将粘结稳定的断层隔板放入模型箱内所要制做断层的位置，并把断层隔板固定板下部凹槽卡住断层隔板，然后用螺栓将断层隔板固定板固定于模型架导向框内侧；

3）根据每次填筑的高度，按确定的材料配比计算、称重并拌均断层部位、断层前和断层后部位的模型材料；

4）依次将搅拌均匀的相似材料倒入断层部位、断层前和断层后部位，每次填筑三分之一的模型材料，并采用夯实工具初步压实，然后拧松螺栓，将断层隔板沿着断层倾斜方向提升三分之一的填筑高度，并用捣实工具将断层隔板提升后形成的空间挤密捣实，最后拧紧螺栓重新固定断层隔板固定板；重复该过程3次，即完成该层材料的初步压实；

5）拆除并取出断层制作装置，采用压实装置按照相应的成型压力进行压实，最后风干养护即可完成该层模型体的制作；

6）循环步骤2～步骤5，直至填至模型体顶部，即可制作出含有断层体的地质力学模型。

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