CN109192035B - 用于超重力环境的伸展构造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的伸展构造物理模拟实验装置及实验方法，实验装置包括实验箱和动力装置，实验箱包括位于前后两侧的移动侧板和位于左右两侧的固定侧板，其中，移动侧板与底板连接，底板底部通过底板滑块设于底板导轨上，且该底板与动力装置相连；在动力装置的作用下，底板通过底板滑块在底板导轨上移动并带动移动侧板沿固定侧板前后移动。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两侧的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伸展构造物理模拟实验，为研究人员提供即时地质构造演化过程模型。

Description

用于超重力环境的伸展构造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伸展构造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伸展构造物理模拟实验装置；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的伸展构造物理模拟实验装置，包括实验箱和动力装置，所述实验箱包括位于前后两侧的移动侧板和位于左右两侧的固定侧板，其中，所述移动侧板与底板连接，所述底板的底部通过底板滑块设于底板导轨上，且该底板与动力装置相连；在动力装置的作用下，所述底板通过底板滑块在底板导轨上移动并带动移动侧板沿固定侧板前后移动，实验箱内的实验材料得以变形。

其中，所述底板由锲状底板单元拼接而成。

优选的，所述动力装置包括与底板连接的伸缩架、动力活动板、用于支撑动力活动板的动力支撑导轨底座以及与动力活动板连接的推拉部件；其中，所述动力活动板上设有伸缩架支撑导轨和伸缩架支撑滑块，所述伸缩架通过伸缩架支撑滑块在伸缩架支撑导轨上滑动；所述动力支撑导轨底座上设有动力支撑导轨和动力支撑滑块，所述动力活动板通过动力支撑滑块在动力支撑导轨上滑动。

本发明中，所述移动侧板与底板垂直布置。

所述推拉部件为液压缸或者由电机及其驱动的丝杆组成。

所述移动侧板与固定侧板的移动接触部位设有密封条。

所述实验箱设于离心机吊篮内，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。

所述实验箱设于离心机吊篮内的实验舱中，所述运动控制设备为动力控制柜，该动力控制柜通过有线或无线方式与离心机外的电脑连接，同时该动力控制柜通过导电滑环连接离心机外旋转中心的液压站和液压控制柜，液压站和液压控制柜分别与离心机转臂上的液压线路和导电线及信号线连接，液压线路和导电线及信号线通过滑环与实验舱(3)内实验装置连接。

本发明用于超重力环境的伸展构造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，调整实验箱并将实验材料铺设到实验箱内，将实验箱安装到离心机吊篮内的实验舱中，连接好有关线路；

(2)预设定离心机转速或直接设定重力值，启动离心机，待离心机运转达到设定重力值时，离心机吊篮高速旋转并处于水平状态；启动电脑，设定推/拉运动速率和运动距离，由推拉部件带动移动侧板、固定侧板和底板开始运动，实验箱内材料开始变形；

(3)记录实验箱内材料的变形数据；

(4)当移动侧板、固定侧板和底板的运动距离达到预先设定值时，停止运动，关闭离心机，离心机吊篮恢复悬挂垂直状态，取出实验装置，对记录的变形数据进行实验研究。

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两侧的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伸展构造物理模拟实验，实验箱内的伸展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为本发明物理模拟实验装置的俯视图；

图2为本发明物理模拟实验装置的A向侧视图；

图3为本发明物理模拟实验舱的B向侧视图；

图4为离心机超重力环境下本发明物理模拟实验装置的结构示意图；

图5为实验装置底部的仰视图；

图6为实验装置底板单元拼接后的侧视图；

图7为实验装置底板单元张开后的侧视图。

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28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28的各个部件都承受了自身几百倍的重力影响，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，还可以实现深层伸展构造的实验模拟。

如图1-3所示，本发明提供了一种用于超重力环境的伸展构造物理模拟实验装置，包括实验箱28和动力装置，所述实验箱28包括位于前后两侧的移动侧板23和位于左右两侧的固定侧板21，其中，所述移动侧板23与底板22连接，所述底板22的底部通过底板滑块26设于底板导轨24上，且该底板22与动力装置相连；在动力装置的作用下，所述底板22通过底板滑块26在底板导轨24上移动并带动移动侧板23沿固定侧板21前后移动，实验箱28内的实验材料得以变形。

具体实施中，所述底板22由锲状底板单元拼接而成，移动侧板23与底板22垂直布置。同时，实验箱28通过实验箱支撑架27支撑，如图5-7所示。

本发明中，移动侧板23与固定侧板21的移动接触部位设有密封条，优选的，移动侧板23与固定侧板21的移动接触部位安装有特氟龙密封条，用于防止实验箱28内的材料泄露，并减少移动侧板23与固定侧板21接触的摩擦力。

具体实施中，所述动力装置包括与底板22连接的伸缩架20、动力活动板15、用于支撑动力活动板15的动力支撑导轨底座25以及与动力活动板15连接的推拉部件；其中，所述动力活动板15上设有伸缩架支撑导轨19和伸缩架支撑滑块18，所述伸缩架20通过伸缩架支撑滑块18伸缩架支撑导轨19上滑动；所述动力支撑导轨底座25上设有动力支撑导轨16和动力支撑滑块17，所述动力活动板15通过动力支撑滑块17在动力支撑导轨16上滑动。

本发明中，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。动力活动板15通过动力连接法兰14连接于液压缸12上，液压缸12通过液压缸固定底座13固定于实验舱3底部。

实验舱3顶部安装有三维扫描仪30，三维扫描仪30通过三维扫描仪支架29安装于实验舱3顶部。

如图4所示，本发明中的实验箱28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。

另一种实施方式为，所述实验箱28设于离心机吊篮2内的实验舱3中，所述运动控制设备为动力控制柜4，该动力控制柜4通过有线或无线方式与离心机1外的电脑8连接，同时该动力控制柜4通过导电滑环6连接离心机1外旋转中心的液压站5和液压控制柜7，液压站5和液压控制柜7分别与离心机1转臂上的液压线路10和导电线及信号线9连接，液压线路10和导电线及信号线9通过滑环11与实验舱3内实验装置连接。

本发明用于超重力环境的伸展构造物理模拟实验装置的实验方法，包括如下步骤：

(1)在离心机1运转前，常重力环境下，调整实验箱28并将实验材料铺设到实验箱28内，将实验箱28安装到离心机吊篮2内的实验舱3中，连接好有关线路；

(2)预设定离心机1转速或直接设定重力值，启动离心机1，待离心机1运转达到设定重力值时，离心机吊篮2高速旋转并处于水平状态；启动电脑8，设定推/拉运动速率和运动距离，由推拉部件带动移动侧板23、固定侧板21和底板22开始运动，实验箱28内材料开始变形；

(3)记录实验箱28内材料的变形数据；

(4)当移动侧板23、固定侧板21和底板22的运动距离达到预先设定值时，停止运动，关闭离心机1，离心机吊篮2恢复悬挂垂直状态，取出实验装置，对记录的变形数据进行实验研究。

本发明提供的可安装于长臂大型离心机吊篮实验舱3内的构造物理模拟实验箱28，在常重力下，完成对深层构造物理模拟实验箱28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28两侧的动力装置进行自动控制，使得构造物理模拟实验箱28完成深层伸展构造物理模拟实验，实验箱28内的伸展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。

Claims (7)

1.一种用于超重力环境的伸展构造物理模拟实验装置，其特征在于：包括实验箱(28)和位于实验箱两侧的动力装置，所述实验箱(28)包括位于前后两侧的移动侧板(23)和位于左右两侧的固定侧板(21)，其中，所述移动侧板(23)与底板(22)连接，所述底板(22)底部通过底板滑块(26)设于底板导轨(24)上，且该底板(22)与动力装置相连；在动力装置的作用下，所述底板(22)通过底板滑块(26)在底板导轨(24)上移动并带动移动侧板(23)沿固定侧板(21)前后移动，实验箱(28)内的实验材料得以变形；所述动力装置包括与底板(22)连接的伸缩架(20)、动力活动板(15)、用于支撑动力活动板(15)的动力支撑导轨底座(25)以及与动力活动板(15)连接的推拉部件；其中，所述动力活动板(15)上设有伸缩架支撑导轨(19)和伸缩架支撑滑块(18)，所述伸缩架(20)通过伸缩架支撑滑块(18)在伸缩架支撑导轨(19)上滑动；所述动力支撑导轨底座(25)上设有动力支撑导轨(16)和动力支撑滑块(17)，所述动力活动板(15)通过动力支撑滑块(17)在动力支撑导轨(16)上滑动；所述底板(22)由锲状底板单元拼接而成。

2.根据权利要求1所述的实验装置，其特征在于：所述移动侧板(23)与底板(22)垂直布置。

3.根据权利要求1所述的实验装置，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所述的实验装置，其特征在于：所述移动侧板(23)与固定侧板(21)的移动接触部位设有密封条。

5.根据权利要求1所述的实验装置，其特征在于：所述实验箱(28)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。

6.根据权利要求5所述的实验装置，其特征在于：所述实验箱(28)设于离心机吊篮(2)内的实验舱(3)中，所述运动控制设备为动力控制柜(4)，该动力控制柜(4)通过有线或无线方式与离心机(1)外的电脑(8)连接，同时该动力控制柜(4)通过导电滑环(6)连接离心机(1)外旋转中心的液压站(5)和液压控制柜(7)，液压站(5)和液压控制柜(7)分别与离心机(1)转臂上的液压线路(10)和导电线及信号线(9)连接，液压线路(10)和导电线及信号线(9)通过滑环(11)与实验舱(3)内实验装置连接。

7.一种利用权利要求6所述用于超重力环境的伸展构造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，调整实验箱(28)并将实验材料铺设到实验箱(28)内，将实验箱(28)安装到离心机吊篮(2)内的实验舱(3)中，连接好有关线路；

(2)预设定离心机(1)转速或直接设定重力值，启动离心机(1)，待离心机(1)运转达到设定重力值时，离心机吊篮(2)高速旋转并处于水平状态；启动电脑(8)，设定推/拉运动速率和运动距离，由推拉部件带动移动侧板(23)、固定侧板(21)和底板(22)开始运动，实验箱(28)内材料开始变形；

(3)记录实验箱(28)内材料的变形数据；

(4)当移动侧板(23)、固定侧板(21)和底板(22)的运动距离达到预先设定值时，停止运动，关闭离心机(1)，离心机吊篮(2)恢复悬挂垂直状态，取出实验装置，对记录的变形数据进行实验研究。

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