CN109166441B - 用于超重力环境下的底辟物理模拟实验装置及实验方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于超重力环境下的底辟物理模拟实验装置及实验方法，实验装置包括实验箱和底辟动力装置，实验箱由长推板、移动板及实验箱底板组成，其中移动板包括移动固定板和与其连接的移动伸缩板，实验箱内放置实验材料；在底辟动力装置的作用下，长推板前后移动，移动伸缩板作伸缩运动，用以挤压变形实验箱内的实验材料。本发明的实验装置在常重力条件下，完成对深层构造物理模拟实验箱内的实验材料的布置，在离心力条件下，对构造物理模拟实验箱的底辟动力装置进行自动控制，使得构造物理模拟实验箱完成深层构造物理模拟实验，实验箱内的动力构造变形物理模拟实验过程研究，为研究人员提供即时地质构造演化过程模型。

Description

用于超重力环境下的底辟物理模拟实验装置及实验方法

技术领域

本发明涉及一种实验装置及实验方法，尤其涉及一种用于超重力环境下的底辟物理模拟实验装置及实验方法。

背景技术

地质构造的物理模拟已有二百多年的研究历史。这一领域的研究直到上个世纪30年代相似性理论的建立(Hubbert,1937才得到实质性的发展，并最终成为地质构造变形规律、形成过程和成因机制研究的最主要手段。长期以来，人们利用常重力构造物理模拟装置对地质构造过程开展有过全面研究，极大地推进了构造地质学的研究与认识水平。

构造变形物理模拟方法在国内外构造地质学研究领域取得了显著成效，国内外一些著名大学和研究所纷纷建立了各自的相关实验室，例如，美国斯坦福大学、赖斯大学、英国伦敦大学、瑞士伯尔尼大学等。在国内，南京大学、中国地质大学(北京)、成都理工大学、中国石油大学(北京)等高校相继建立了构造物理模拟实验室，主要用于模拟构造变形物理模拟的实验研究。然而，大多数构造物理模拟实验是在正常重力条件下的砂箱实验中完成的。常重力构造物理模拟实验在涉及岩石流动变形(如地幔柱上涌、软流圈对流、下地壳流动和岩浆及膏盐地层底辟)等问题的深层构造过程物理模拟方面存在很大的局限，常重力构造物理模拟实验可以模拟逼真的构造变形形态，但实验缺少了构造变形的应力影响因素。

对于涉及重力的地学问题，离心机具有不可替代的作用。使用离心机，可以实现正常重力几百倍、甚至1000倍以上的超重力环境，因此能把实际地质体缩小成一个地质模型，在实验室里对它进行研究。对于地壳中的岩石，重力是控制其破坏和变形的主要因素，使用离心机进行有关的物理模拟实验是必然选择。瑞典Uppsala大学Ramberg实验室率先开展了基于离心机超重力环境的物理模拟研究(Ramberg,1967，随后加拿大皇后大学和意大利佛罗伦萨大学等构造模拟实验室也相继开展了这方面工作，国外学者也发表了相应的研究成果(Harris&Koyi(2003,JSG)、Acocella(2008,EPSL)、Noble&Dixon(2011,JSG)、Corti&Dooley(2015,Tectonophysics)、Dietl&Koyi(2011,JSG)等。

开展离心机超重力环境下的模拟实验是解决常重力构造物理模拟实验存在问题的有效途径，然而由于长臂大型离心机结构复杂造价高昂，离心机超重力场环境的物理模拟绝大多数采用造价较低、尺寸较小的鼓式离心机。尽管这些鼓式离心机地质构造模拟装置的最高重力加速度可达1000g以上，但实验模型的尺寸极小(最大十多厘米，难以精细模拟实际地质构造现象，并且由于实验舱空间狭小，无法像常重力实验装置那样配备施力部件和实时观测仪器，难以精密控制变形速率和同步记录变形全过程。目前，针对离心机环境下地质构造的模拟实验研究的实例还非常少，绝大多数离心机模拟实验主要应用于岩土工程结构的应力变形特性和渗透特性的研究。如中国水利水电科学研究院土木工程实验室拥有大型土工离心模型试验机，离心机环境下应用于构造模拟实验的相关设备目前则几乎没有。

发明内容

发明目的：本发明的第一目的是为研究人员提供超重力环境地质构造演变过程模型的底辟物理模拟实验装置；本发明的第二目的是提供利用该实验装置的实验方法。

技术方案：本发明用于超重力环境下的底辟物理模拟实验装置，包括位于实验舱内的实验箱和底辟动力装置，所述实验箱由位于前后两侧的长推板、位于左右两侧的移动板及实验箱底板组成，其中，移动板包括移动固定板和与其连接的移动伸缩板，实验箱内放置实验材料，所述实验箱底板内设有与实验箱连通的底辟材料通道，该底辟材料通道与底辟动力装置连接，在底辟动力装置的作用下，底辟材料进入实验箱内，长推板前后移动，移动伸缩板作伸缩运动，用以挤压/拉伸变形实验箱内的实验材料。

本发明中，实验材料变形的同时或变形后，底辟装置注入流体或塑性材料，由于底辟作用带动实验箱内实验材料变形

其中，所述底辟动力装置包括分别与长推板和移动板连接的推拉部件，所述推拉部件通过转向连接底座安装于实验舱的底板上。

所述推拉部件为液压缸，或者由电机及其驱动的丝杆组成。

优选的，位于所述长推板两侧的实验箱底板上设有长推板滑动导轨，所述长推板通过长推板滑动滑块在长推板滑动导轨上运动。

进一步地，所述长推板的顶部设有支撑导轨，重量支撑连接板依次通过伸缩滑轨滑块和支撑滑块在支撑导轨上运动，同时，所述重量支撑连接板与移动固定板连接。

所述移动固定板内平行方向设有移动板导轨，移动伸缩板通过滑块在移动板导轨上运动。

所述移动伸缩板和长推板通过密封条密封接触。

所述实验舱设于离心机吊篮内，离心机上还设有运动控制设备，该运动控制设备通过有线或无线方式与离心机外的电脑连接，同时该运动控制设备通过导电线和信号线连接吊篮内的实验装置。

本发明用于超重力环境的底辟物理模拟实验装置的实验方法，包括如下步骤：

(1)在离心机运转前、常重力环境下，在实验箱内铺设实验材料并安装到离心机吊篮内的实验舱中，连接好有关线路；

(2)预设离心机的转速或直接设定重力值，启动离心机待其运转达到设定重力值时，动力装置带动长推板和移动板运动，底辟材料注入实验箱，实验箱内的材料变形；

(3)记录实验箱内材料的变形数据；

(4)构造变形结束，离心机停止运动，取出实验箱进行研究。

有益效果：与现有技术相比，本发明的实验装置在常重力条件下，完成对深层构造物理模拟实验箱内的实验材料的布置，在离心力条件下，对构造物理模拟实验箱的底辟动力装置进行自动控制，使得构造物理模拟实验箱完成深层构造物理模拟实验，实验箱内的动力构造变形物理模拟实验过程研究，为研究人员提供即时地质构造演化过程模型。

附图说明

图1为本发明底辟物理模拟实验装置的俯视图；

图2为本发明底辟物理模拟实验装置的A向侧视图；

图3为本发明底辟物理模拟实验舱的B向侧视图；

图4为离心机超重力环境下本发明底辟物理模拟实验装置的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案作进一步说明。

基于长臂大型离心机的构造物理模拟实验不仅可在超重力环境下凸显岩石的流动变形效应，可模拟大尺度深层构造演化过程，可为涉及岩石圈尺度的深层构造过程模拟提供最为有效的研究手段，可望成为解决地球科学重大基础理论问题的重要创新研究手段。但是，在离心机环境下实现动力驱动实验箱本身就是困难的，在160g以下的超重力环境，可以用电机驱动实验，但160-300g的超重力环境，电机不能正常工作，申请人尝试用液压缸驱动。在离心机环境下进行大尺寸构造物理模拟实验需要很多创新的设计，因为实验箱的各个部件都承受了自身160-300倍的重力影响，活动的板会因大摩擦力而变形损坏，因为离心机吊篮的承重有限制，不能无限加厚运动板的厚度(增加重量)，本发明不仅解决了这个问题，还可以实现了动力加载。

本发明提供了一种可安装于长臂大型离心机吊篮实验舱内的构造物理模拟实验箱，在常重力下，完成对深层构造物理模拟实验箱内的实验材料的布置；在1-300g离心力条件下，对构造物理模拟实验箱的底辟动力装置进行自动控制，使得构造物理模拟实验箱完成深层构造物理模拟实验，实验箱内的多向动力构造变形物理模拟实验过程研究，为研究人员提供即时地质构造演化过程模型。

如图1-3所示，实验装置包括位于实验舱3内的实验箱和底辟动力装置，实验箱由位于前后两侧的长推板15、位于左右两侧的移动板及实验箱底板25组成，其中，移动板包括移动固定板31和与其连接的移动伸缩板22，实验箱内放置实验材料；在底辟动力装置的作用下，长推板15前后移动，移动伸缩板22作伸缩运动，用以挤压变形实验箱内的实验材料。其中，底辟动力装置包括分别与长推板15和移动板连接的推拉部件，推拉部件通过转向连接底座13安装于实验舱3的底板上。

优选的，推拉部件为液压缸12，或者由电机及其驱动的丝杆组成。实验箱底板25内设有与实验箱连通的底辟材料通道24，该底辟材料通道24与推拉部件连接，在推拉部件的作用下，底辟材料进入实验箱内。

具体实施中，实验舱3底部中心水平安装了底辟构造变形的实验箱，实验箱由长推板15、实验箱底板25及由移动伸缩板22、移动固定板31组成的可伸缩移动推板围成的四方体组成；实验箱安装在实验箱底板25之上，实验箱底板25底部有实验箱支撑32和底辟材料管道，底辟材料管道与实验箱底板25中心的底辟孔21连接。

本发明中，位于长推板15两侧的实验箱底板25上设有长推板滑动导轨14，长推板15通过长推板滑动滑块26在长推板滑动导轨14上运动。同时，长推板15的顶部设有支撑导轨16，重量支撑连接板18依次通过伸缩滑轨滑块19和支撑滑块20在支撑导轨16上运动，同时，所述重量支撑连接板18与移动固定板31连接。其中，移动固定板31内平行方向设有移动板导轨23，移动伸缩板22通过滑块在移动板导轨23上运动。

具体实施中，长推板15、移动固定板31与四边分布的液压缸12通过动力连接法兰17连接，液压缸12通过转向连接底座13安装于实验舱3底板上。长推板15两侧与实验箱底板25接触部位安装有长推板滑动导轨14及长推板滑动滑块26，其目的为减小长推板15运动时的摩擦力；长推板15顶部安装有支撑导轨16、支撑滑块20，并通过伸缩滑轨滑块19连接在重量支撑连接板18上，重量支撑连接板18连接于移动固定板31，移动固定板31内部平行方向通过滑块和移动板导轨23连接移动伸缩板22。

本发明中，移动伸缩板22和长推板15通过密封条密封接触，具体可以安装有特氟龙密封条，用于防止实验箱内的材料泄露，并减少移动伸缩板22和长推板15之间接触的摩擦力。

本发明还在实验舱3顶部安装有三维扫描仪27，三维扫描仪27通过三维扫描仪支架28安装于实验舱3的顶部。

如图4所示，在离心机1上的离心机吊篮2内安装有实验舱3，在离心机1之外，控制电脑8利用有限或无线的方式与离心机1顶部安装的动力控制柜4连接，动力控制柜4通过导电滑环6与离心机1外旋转中心的液压站5及液压控制柜7连接；液压站5及液压控制柜7分别与离心机转臂上的液压线路10和导电线及信号线9连接，导电线及信号线9和液压线路10通过滑环11与实验舱3内的多个液压缸12连接，实验舱3在离心机1运转达到一定重力加速度后开始工作。

具体实施中，计算机软件给运动控制设备发送数值指令，运动控制设备给液压缸12或电机发送电(脉冲)信号，液压缸12或电机根据电信号运动。

实验方法：

(1)在离心机1运转前、常重力环境下，在实验箱内铺设实验材料并安装到离心机1吊篮内的实验舱3中，连接好有关线路；

(2)预设离心机1的转速或直接设定重力值，启动离心机1待其运转达到设定重力值时，驱动液压缸12，四个液压缸12分别作用于四个垂直固定安装于实验箱底板25两端的长推板15和移动固定板31上，并一起运动；底辟材料注入液压缸29驱动底辟材料注入活塞30，使得底辟材料管道24内的材料通过底辟孔21注入实验箱，实验箱内材料变形，其中，运动控制速率达到0.01mm/s；

(3)三维扫描仪记录变形过程，记录实验箱内材料的变形数据；

(4)构造变形结束，离心机1停止运动，取出实验箱，切片研究。

Claims (7)

1.一种用于超重力环境下的底辟物理模拟实验装置，其特征在于：包括位于实验舱(3)内的实验箱和底辟动力装置，所述实验箱由位于前后两侧的长推板(15)、位于左右两侧的移动板及实验箱底板(25)组成，其中，移动板包括移动固定板(31)和与其连接的移动伸缩板(22)，实验箱内放置实验材料，所述实验箱底板(25)内设有与实验箱连通的底辟材料通道(24)，该底辟材料通道(24)与底辟动力装置连接，在底辟动力装置的作用下，底辟材料进入实验箱内，长推板(15)前后移动，移动伸缩板(22)作伸缩运动，用以挤压/拉伸变形实验箱内的实验材料；所述长推板(15)的顶部设有支撑导轨(16)，重量支撑连接板(18)依次通过伸缩滑轨滑块(19)和支撑滑块(20)在支撑导轨(16)上运动，同时，所述重量支撑连接板(18)与移动固定板(31)连接；所述实验舱(3)设于离心机吊篮(2)内，离心机(1)上还设有运动控制设备，该运动控制设备通过有线或无线方式与离心机(1)外的电脑(8)连接，同时该运动控制设备通过导电线和信号线连接吊篮内的实验装置。

2.根据权利要求1所述的底辟物理模拟实验装置，其特征在于：所述底辟动力装置包括分别与长推板(15)和移动板连接的推拉部件，所述推拉部件通过转向连接底座(13)安装于实验舱(3)的底板上。

3.根据权利要求2所述的底辟物理模拟实验装置，其特征在于：所述推拉部件为液压缸(12)，或者由电机及其驱动的丝杆组成。

4.根据权利要求1所述的底辟物理模拟实验装置，其特征在于：位于所述长推板(15)两侧的实验箱底板(25)上设有长推板滑动导轨(14)，所述长推板(15)通过长推板滑动滑块(26)在长推板滑动导轨(14)上运动。

5.根据权利要求1所述的底辟物理模拟实验装置，其特征在于：所述移动固定板(31)内平行方向设有移动板导轨(23)，移动伸缩板(22)通过滑块在移动板导轨(23)上运动。

6.根据权利要求1所述的底辟物理模拟实验装置，其特征在于：所述移动伸缩板(22)和长推板(15)通过密封条密封接触。

7.一种利用权利要求1所述用于超重力环境下的底辟物理模拟实验装置的实验方法，其特征在于包括如下步骤：

(1)在离心机(1)运转前、常重力环境下，在实验箱内铺设实验材料并安装到离心机吊篮(2)内的实验舱(3)中，连接好有关线路；

(2)预设离心机(1)的转速或直接设定重力值，启动离心机(1)待其运转达到设定重力值时，动力装置带动长推板(15)和移动板运动，底辟材料注入实验箱，实验箱内的材料变形；

(3)记录实验箱内材料的变形数据；

(4)构造变形结束，离心机(1)停止运动，取出实验箱进行研究。

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