CN110006758B - 角度和起裂位置可调的正断层模拟试验装置及使用方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种角度和起裂位置可调的正断层模拟试验装置及使用方法，涉及正断层模拟试验技术领域，包括底座、立柱、挡板、液压升降装置、下角度调整装置、推杆装置、上部加载装置、上角度调整装置、前挡板和透明侧板，液压升降装置和角度调整机构设置在实验体下方，上部加载装置和上角度调整装置设置在实验体上方，透明侧板设置在实验体的后侧面，多个条状前挡板设置在实验体的前侧面；利用该装置模拟正断层时，下角度调整装置的倾斜板和上角度调整装置的倾斜推板的倾角相同，上部加载系统向下加载，形成正断层。本发明解决了正断层模拟时条件单一，形成不符合实际的形成力学机制，以及断层倾角和起裂位置调节不便的技术问题，并且操作简便。
Description
技术领域
本发明相似材料模拟试验技术领域，尤其是一种角度和起裂位置可调的正断层模拟试验装置，以及该模拟试验装置的使用方法。
背景技术
构造物理模拟实验是研究地质构造的一种重要而且有效的方法，是地质工作者研究地层变形过程和断层形成机制的重要手段。现有的模拟试验装置制作断层的方法并不符合地质构造断层的形成机理，并且断层形成的位置和角度也缺乏灵活控制的方法，因此需要一种能够方便控制模拟断层倾角和位置的装置及方法。
目前，中国专利2018102561390，公开了一种模拟地裂缝扩展装置及其使用方法，该发明可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、边界效应显著等问题，但是整体结构过于复杂，成本太高，采用了活动挡板消除边界效应的方法，人为制造了断层面，而非应力环境下产生，与实际断层的形成情况不符。
中国专利2010102463419，公开了一种模拟地质构造中断层模拟实验推板，对实验材料施加应力加载模拟断层形成、发育过程的实验装置，其包括台体基座、台面，还包括模型填装区、动力加载，设有外围框架，模型填装区由上组合推板、下组合推板、左侧边板、右侧边板等组成，动力加载包括动力单元，包括手动动力加载装置，动力单元包括电动缸和其支撑滚轮，装置设有可拆装式组合推板，其设有导向滑槽。装置设有可移动侧板机构、三角形插接模块。三角形插接模块包括左右两部分，每部分都设有燕尾槽和矩形槽，两部分之间为斜面活动连接的导向接触面。采用上述结构以后，可以实现对单一断层和组合断层的地质模拟，对有一定朔性的实验材料可实现挤压、拉张、弯扭等地质应力的加载模拟，动力组合推板可任意积木式拼接，整体结构简单，运动灵活。该装置为三角形插接模块，通过燕尾槽和矩形槽和推板连接，但是只能设置两块，模拟单一断层，针对复杂断层带模拟需要进行多次实验才可能达到预期的目的，而且最终模拟的效果精度不够，理论上的误差太大，甚至无法评价现实情况。另外，结合推板等结构使得整体结构过于复杂，试验成本太高。
中国专利201710153425X，公开了一种模拟岩土体正逆断层运动的试验装置及方法，该装置及方法可任意调整(30-90°范围内)断层错动倾角，模型箱侧壁上开设门洞方便土体拆卸，模拟正、逆断层错动运动引起的上覆土体变形破坏，但是与断层形成的力学机理不相符合，且无法对断层起裂位置进行调整，这也是该试验装置存在的问题。
为了降低试验成本，制作一种结构简单，并符合断层形成力学机理，操作简便的断层模拟试验装置。
发明内容
为解决正断层形成时断层倾角和起裂位置调节不便的技术问题，使正断层形成的模拟更符合力学形成机理，具体技术方案如下。
一种角度和起裂位置可调的正断层模拟试验装置，包括底座、立柱、顶梁、挡板、液压升降装置、下角度调整装置、推杆装置、上部加载装置、上角度调整装置、定位装置、前挡板和透明侧板；底座的两端设置有立柱，立柱之间的底座上还设置有挡板，立柱的上端通过顶梁连接，实验体放置在挡板之间；推杆装置的一端固定在立柱上；液压升降装置和角度调整机构设置在实验体下方；上部加载装置和上角度调整装置设置在实验体上方；上角度调整装置和下角度调整装置上设置有定位装置；透明侧板固定设置在实验体的后侧面，多个条状前挡板设置在实验体的前侧面。
优选的是，下角度调整装置包括倾斜板、伸缩杆、测角器和下挡板，下挡板的下部和推杆装置相连，倾斜板和下挡板的端部铰接，伸缩杆的两端分别与倾斜板和下挡板铰接。
更优选的是，测角器设置在下挡板和倾斜板的铰接处，倾斜板铰接处设置抽拉伸缩板。
优选的是，液压升降装置包括滑块、液压缸、滑轮、锁止螺丝和滑动挡板，滑动挡板下表面设置有轮槽，滑轮沿轮槽滑动，滑轮固定在液压缸压头的两端，滑块上的燕尾槽和底座上的滑轨相配合，锁止螺丝设置在滑块上，液压缸固定在滑块上方。
优选的是，上角度调整装置包括加压板、倾斜推板、上挡板、角度调节推杆和伸缩推杆，加压板的端部设置肋板，肋板的端部设置有滑轮，滑轮压在倾斜推板上，角度调节推杆设置在上挡板和倾斜推板之间，调整倾斜推板的倾斜角度，伸缩推杆的一端固定在挡板上另一端和上挡板相连。
更优选的是，角度调节推杆和伸缩推杆使用丝杠调节机构；伸缩杆使用液压伸缩缸；推杆装置使用液压伸缩缸，液压伸缩缸的端部和下挡板固定连接；倾斜推板和上挡板的铰接处设置有测角器。
优选的是，定位装置包括激光器和定位器，激光器设置在倾斜板上并和倾斜板平行，定位器设置在倾斜推板并和倾斜推板平行。
优选的是，前挡板和透明侧板使用透明材料制作而成，倾斜板和倾斜推板使用聚四氟乙烯材料制作而成。
一种角度和起裂位置可调的正断层模拟试验装置使用方法，根据上述的一种角度和起裂位置可调的正断层模拟试验装置，使用步骤包括：
A.推杆装置推动下挡板的端部移动至起裂位置，并将液压升降装置调整液压缸位置和高度将滑动挡板升至和下挡板齐平并接触，接触点为正断层的下部起裂点。
B.调整倾斜板和下挡板之间的角度与断层倾角互补，通过测角器确定夹角大小。
C.固定两端的挡板，同时固定实验体后侧面上的透明侧板，逐层铺设实验体和前挡板。
D.安装上角度调整装置，通过调整角度调节推杆使倾斜推板和上挡板之间的夹角等于断层倾角，通过测角器确定夹角大小。
E.打开定位装置的激光器，通过调整伸缩推杆的伸缩确定上挡板的位置，上挡板和加压板接触的位置为正断层的上部起裂点，调整至倾斜板和倾斜推板在同一平面内。
F.调整上部加载装置和液压升降装置的位置，通过上部加载装置进行加载，模拟确定角度及起裂位置的正断层形成过程。
本发明的有益效果包括：
(1)本发明提供的一种角度和起裂位置可调的正断层模拟试验装置，利用下角度调整装置和上角度调整装置组合共同确定断层的倾角，实现对断层倾角的控制,倾斜板铰接处设置抽拉伸缩板进一步保证断层的倾角起裂位置；通过推杆装置、上部加载装置和液压升降装置的配合加载实现了对起裂位置的控制，解决了断层模拟装置在单一位置起裂的问题。
(2)本装置使用倾斜板和下挡板组合形成倾角，从而保证断层在起裂点沿设定的倾角开裂，测角器设置在下挡板和倾斜板的铰接处，保证断层倾角的准确性；倾斜板在铰接处设置抽拉伸缩板，从而可以反向拉伸，从而进一步保证断层的起裂点的准确性；液压升降装置设置有滑块和滑轮，从而方便液压升降装置移动，设置锁止螺丝来固定液压升降装置；上角度调整装置通过肋板上的滑轮沿倾斜推板加压，从而在倾斜推板和加压板的连接处起裂；定位装置的激光器和定位器，保证了倾斜板和倾斜推板在同一平面内，即正断层所在的平面。
(3)该装置的使用方法能够实现对模拟断层倾角的控制，实现了对断层倾角的灵活控制，并且降低了试验成本，简化了试验操作步骤；液压升降装置保证了断层构造形成后控制相似材料的变形。
附图说明
图1是角度和起裂位置可调的正断层模拟试验装置结构示意图；
图2是液压升降装置结构示意图；
图3是下角度调整装置结构示意图；
图4是上角度调整装置结构示意图；
图5是透明侧板结构示意图；
图中：1-底座；2-立柱；3-顶梁；4-挡板；5-液压升降装置；51-滑块；52-液压缸；53-滑轮；54-锁止螺丝；55-滑动挡板；6-下角度调整装置；61-倾斜板；62-伸缩杆；63-测角器；64-下挡板；7-推杆装置；8-上部加载装置；9-上角度调整装置；91-加压板；92-倾斜推板；93-上挡板；94-角度调节推杆；95-伸缩推杆；10-定位装置；11-前挡板；12-透明侧板；13-实验体。
具体实施方式
结合图1至图5所示，本发明提供的一种角度和起裂位置可调的正断层模拟试验装置及使用方法具体实施方式如下。
一种角度和起裂位置可调的正断层模拟试验装置具体包括底座1、立柱2、顶梁3、挡板4、液压升降装置5、下角度调整装置6、推杆装置7、上部加载装置8、上角度调整装置9、定位装置10、前挡板11和透明侧板12。其中，底座1、立柱2、顶梁3和挡板4的组合形成试验装置的框架，用于安放并固定实验体13；液压升降装置5通过升降配合实验体14断层形成过程中产生的变形；下角度调整装置6和上角度调整装置9通过定位装置及装置内的测角器63确定断层的倾角；推杆装置7通过调整下角度调整装置的位置控制正断层的下部起裂点及断层整体的位置；上角度调整装置9随下角度调整装置调整位置从而保证断层的倾角及位置的准确性；上部加载装置8施加载荷模拟断层的形成；前挡板11和透明挡板12的设置能够方便观测断层的形成过程，另外该装置还解决了断层模拟装置在单一位置起裂的问题。
底座1的两端设置有立柱2，立柱2之间的底座上还设置有挡板4，立柱2的上端通过顶梁3连接，实验体13放置在挡板之间。推杆装置7的一端固定在立柱2上，另一端和下角度调整装置6相连，调整下角度调整装置6的位置。液压升降装置5和下角度调整装置6设置在实验体14下方，上部加载装置8和上角度调整装置9设置在实验体13上方，上角度调整装置9和下角度调整装置6上设置有定位装置。透明侧板12通过螺栓固定设置在实验体的后侧面，多个条状前挡板11通过螺栓固定设置在实验体13的前侧面。
下角度调整装置6具体包括倾斜板61、伸缩杆62、测角器63和下挡板64，下挡板64的下部和推杆装置7相连，推杆装置7推动下挡板64沿透明侧板12上的凹槽水平移动，倾斜板61和下挡板64的端部铰接相连，伸缩杆62的两端分别与倾斜板61和下挡板64铰接，伸缩杆62通过伸缩调整倾斜板61和下挡板64之间的角度。测角器63设置在下挡板64和倾斜板61的铰接处，用于保证倾斜板61和下挡板64之间的角度，当角度满足设计角度时，固定伸缩杆从而保持设定角度。倾斜板61铰接处设置抽拉伸缩板，因此倾斜板61可向下挡板的上方反向延伸3-5cm，提前插入实验体13内，从而进一步的保证起裂位置的准确性。
液压升降装置5包括滑块51、液压缸52、滑轮53、锁止螺丝54和滑动挡板55，滑动挡板55下表面设置有轮槽，滑轮53沿轮槽滑动，滑轮53固定在液压缸压头的两端，滑块51上的燕尾槽和底座1上的滑轨相配合，锁止螺丝54设置在滑块51上，液压缸52固定在滑块51上方。使用时，可根据断层起裂点的位置更换滑动挡板55，并根据滑动挡板55的长度确定液压缸52和滑块51的位置，一般情况下将液压缸52放置在滑动挡板55的中间位置。当滑动挡板55较长时也可以设置2个液压缸52，分别设置在滑动挡板55的两侧通过锁止螺丝54将其固定。
上角度调整装置9具体包括加压板91、倾斜推板92、上挡板93、角度调节推杆94和伸缩推杆95，加压板91的端部设置肋板，肋板的端部设置有滑轮，滑轮压在倾斜推板92上，上部加载装置8加载时通过滑轮在倾斜推板92上加压，同时当断层开裂变形后上加压板91和上挡板93产生相对运动，从而能够保证平稳的加压运动过渡。角度调节推杆设置94在上挡板93和倾斜推板92之间，具体是设置丝杠结构，通过调整丝杠控制角度调节推杆94的伸缩长度，从而改变倾斜推板92的倾斜角度。伸缩推杆95的一端固定在挡板上另一端和上挡板93相连。测角器63设置在上挡板93和倾斜推板92的连接处，用于保证上挡板93和倾斜推板92之间的角度，从而保证试验体断层倾角设定的准确性。
定位装置10具体包括激光器和定位器，激光器设置在倾斜板上并和倾斜板平行，定位器设置在倾斜推板并和倾斜推板平行。使用时打开激光器，当激光照射至定位器的中心时，表明倾斜板和倾斜推板在同一平面内。并且激光器和定位器的位置可以互换，安装使用方便，定位准确。
其中上述的角度调节推杆94和伸缩推杆95可以使用丝杠调节机构；下角度调整装置中的伸缩杆62可以使用液压伸缩缸；推杆装置7也可以使用液压伸缩缸，液压伸缩缸的端部和下挡板固定连接。另外，前挡板11和透明侧板12使用透明材料制作而成，从而方便观测断层的形成过程，倾斜板61和倾斜推板92使用聚四氟乙烯材料制作而成。
本装置使用倾斜板和下挡板组合形成倾角，从而保证断层在起裂点沿设定的倾角开裂，测角器设置在下挡板和倾斜板的铰接处，保证断层倾角的准确性；倾斜板在铰接处设置抽拉伸缩板，从而可以反向拉伸，从而进一步保证断层的起裂点的准确性；液压升降装置设置有滑块和滑轮，从而方便液压升降装置移动，设置锁止螺丝来固定液压升降装置；上角度调整装置通过肋板上的滑轮沿倾斜推板加压，从而在倾斜推板和加压板的连接处起裂；定位装置的激光器和定位器，保证了倾斜板和倾斜推板在同一平面内，即正断层所在的平面。
一种角度和起裂位置可调的正断层模拟试验装置使用方法，根据上述的一种角度和起裂位置可调的正断层模拟试验装置，使用步骤包括：
A.推杆装置推动下挡板的端部移动至起裂位置，并将液压升降装置调整液压缸位置和高度将滑动挡板升至和下挡板齐平并接触，接触点为正断层的下部起裂点。
B.调整倾斜板和下挡板之间的角度与断层倾角互补，通过测角器确定夹角大小，固定伸缩杆长度保证角度固定。
C.固定试验装置两端的挡板，同时固定实验体后侧面上的透明侧板，逐层铺设实验体和前挡板，通过螺栓固定透明侧板和前挡板。
D.安装上角度调整装置，通过调整角度调节推杆使倾斜推板和上挡板之间的夹角等于断层倾角，通过测角器确定夹角大小。
E.打开定位装置的激光器，通过调整伸缩推杆的伸缩确定上挡板的位置，上挡板和加压板接触的位置为正断层的上部起裂点，调整至倾斜板和倾斜推板在同一平面内。
F.调整上部加载装置和液压升降装置的位置，通过上部加载装置进行加载，模拟确定角度及起裂位置的正断层形成过程。
该方法能够实现对模拟断层倾角的控制，实现了对断层倾角的灵活控制，并且降低了试验成本，简化了试验操作步骤；液压升降装置保证了断层构造形成后控制相似材料的变形。
当然，上述说明并非是对本发明的限制，本发明也并不仅限于上述举例，本技术领域的技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也应属于本发明的保护范围。
Claims (7)
1.一种角度和起裂位置可调的正断层模拟试验装置，其特征在于，包括底座、立柱、顶梁、挡板、液压升降装置、下角度调整装置、推杆装置、上部加载装置、上角度调整装置、定位装置、前挡板和透明侧板；
所述底座的两端设置有立柱，所述立柱之间的底座上还设置有挡板，立柱的上端通过顶梁连接，实验体放置在挡板之间；所述推杆装置的一端固定在立柱上；
所述液压升降装置和角度调整机构设置在实验体下方；所述上部加载装置和上角度调整装置设置在实验体上方；上角度调整装置和下角度调整装置上设置有定位装置；
所述透明侧板固定设置在实验体的后侧面，多个条状前挡板设置在实验体的前侧面；
所述下角度调整装置包括倾斜板、伸缩杆、测角器和下挡板，所述下挡板的下部和推杆装置相连，倾斜板和下挡板的端部铰接，伸缩杆的两端分别与倾斜板和下挡板铰接；
所述上角度调整装置包括加压板、倾斜推板、上挡板、角度调节推杆和伸缩推杆，加压板的端部设置肋板，肋板的端部设置有滑轮，滑轮压在倾斜推板上，角度调节推杆设置在上挡板和倾斜推板之间，调整倾斜推板的倾斜角度，伸缩推杆的一端固定在挡板上另一端和上挡板相连。
2.根据权利要求1所述的一种角度和起裂位置可调的正断层模拟试验装置，其特征在于，所述测角器设置在下挡板和倾斜板的铰接处，所述倾斜板铰接处设置抽拉伸缩板。
3.根据权利要求1所述的一种角度和起裂位置可调的正断层模拟试验装置，其特征在于，所述液压升降装置包括滑块、液压缸、滑轮、锁止螺丝和滑动挡板，滑动挡板下表面设置有轮槽，滑轮沿轮槽滑动，所述滑轮固定在液压缸压头的两端，滑块上的燕尾槽和底座上的滑轨相配合，锁止螺丝设置在滑块上，液压缸固定在滑块上方。
4.根据权利要求1所述的一种角度和起裂位置可调的正断层模拟试验装置，其特征在于，所述角度调节推杆和伸缩推杆使用丝杠调节机构；所述伸缩杆使用液压伸缩缸；所述推杆装置使用液压伸缩缸，液压伸缩缸的端部和下挡板固定连接；所述倾斜推板和上挡板的铰接处设置有测角器。
5.根据权利要求1所述的一种角度和起裂位置可调的正断层模拟试验装置，其特征在于，所述定位装置包括激光器和定位器，激光器设置在倾斜板上并和倾斜板平行，定位器设置在倾斜推板并和倾斜推板平行。
6.根据权利要求1所述的一种角度和起裂位置可调的正断层模拟试验装置，其特征在于，所述前挡板和透明侧板使用透明材料制作而成，所述倾斜板和倾斜推板使用聚四氟乙烯材料制作而成。
7.角度和起裂位置可调的正断层模拟试验装置使用方法，根据权利要求1至6任一项所述的一种角度和起裂位置可调的正断层模拟试验装置，其特征在于，使用步骤包括：
A.推杆装置推动下挡板的端部移动至起裂位置，并将液压升降装置调整液压缸位置和高度将滑动挡板升至和下挡板齐平并接触，接触点为正断层的下部起裂点；
B.调整倾斜板和下挡板之间的角度与断层倾角互补，通过测角器确定夹角大小；
C.固定两端的挡板，同时固定实验体后侧面上的透明侧板，逐层铺设实验体和前挡板；
D.安装上角度调整装置，通过调整角度调节推杆使倾斜推板和上挡板之间的夹角等于断层倾角，通过测角器确定夹角大小；
E.打开定位装置的激光器，通过调整伸缩推杆的伸缩确定上挡板的位置，上挡板和加压板接触的位置为正断层的上部起裂点，调整至倾斜板和倾斜推板在同一平面内；
F.调整上部加载装置和液压升降装置的位置，通过上部加载装置进行加载，模拟确定角度及起裂位置的正断层形成过程。
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