CN110333136B - 一种模拟深埋隧道多角度穿越断层的断层错动试验装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种模拟深埋隧道多角度穿越断层的断层错动试验装置，涉及隧道力学分析模拟试验装置技术领域，其包括设置有观察窗的箱体，箱体内的下部固定有倾角导轨，倾角导轨上滑动连接有土舱边墙，倾角导轨的顶端固定有土舱底板。土舱边墙上固定有第一竖向导轨，第一竖向导轨上垂直滑动连接有第一弧形导轨，箱体上固定有第二竖向导轨，第二竖向导轨上垂直滑动连接有第二弧形导轨，第二弧形导轨与第一弧形导轨间隔相对设置。第一弧形导轨和第二弧形导轨上分别滑动连接有袖管支座。第一竖向导轨和第二竖向导轨的顶端平铺固定有能够充、放气的气囊。解决了现有技术中的试验装置无法模拟大埋深、多角度穿越断层两个因素对隧道力学响应的影响的问题。

Description

一种模拟深埋隧道多角度穿越断层的断层错动试验装置

技术领域

本发明涉及隧道力学分析模拟试验装置技术领域，特别是涉及一种模拟深埋隧道多角度穿越断层的断层错动试验装置。

背景技术

我国地震活动层带分布广泛。随着我国交通隧道工程的大量兴建，由于大量断层尚未探明，且隧道结构跨度较长，交通隧道穿越活动断层难以避免。以往的震后观测表明，断层错动引起的隧道破坏比震动造成的破坏更加严重。断层错动作用下，隧道易产生剪切破坏、扭曲变形、突水突泥等灾害。由于断层错动发生具有偶然性，无法通过现场试验手段进行研究。此外，采用数值仿真手段研究断层错动作用下隧道结构的力学响应，也需要大量的试验数据验证。因此，亟需通过室内模型试验研究断层错动作用下隧道的力学特性。

不同的交通隧道具有不同隧道埋深，且通过不同的角度穿越断层面。隧道埋深和穿越角度是断层错动作用下隧道的力学响应的重要影响因素。然而，我国现有的断层错动试验装置，不能实现大埋深、多角度穿越等特点。因此，设计一种既可以模拟大埋深，又能实现多角度穿越断层的试验装置，对研究断层错动作用下隧道的力学机理具有重大意义。本领域中，大埋深是指隧道所处的深度大于其洞径的2～3倍。

发明内容

针对现有技术中的上述问题，本发明提供了一种模拟深埋隧道多角度穿越断层的断层错动试验装置，其解决了现有技术中的试验装置无法模拟不同埋深、多角度穿越断层两个因素对隧道力学响应的影响的问题。

为了达到上述发明目的，本发明采用的技术方案如下：

提供一种模拟深埋隧道多角度穿越断层的断层错动试验装置，其包括设置有观察窗的箱体，箱体内的下部固定有倾角导轨，倾角导轨上滑动连接有土舱边墙，倾角导轨的顶端固定有土舱底板。土舱边墙上固定有第一竖向导轨，第一竖向导轨上垂直滑动连接有第一弧形导轨，箱体上固定有第二竖向导轨，第二竖向导轨上垂直滑动连接有第二弧形导轨，第二弧形导轨与第一弧形导轨间隔相对设置。第一弧形导轨和第二弧形导轨上分别滑动连接有袖管支座。第一竖向导轨和第二竖向导轨的顶端平铺固定有能够充、放气的气囊。

进一步地，土舱边墙的顶面与气囊的顶面齐平，气囊与土舱边墙之间通过L型挡板隔开。通过L型挡板将土舱边墙与气囊隔开，以防止土舱边墙沿着倾角导轨滑动过程中损坏气囊。

进一步地，气囊的顶端固定有充放气接头，充放气接头穿过箱体的顶板并向外侧延伸。延伸到箱体外侧的充放气接头便于连接充放气装置，以精确控制向气囊内的充、放气量，进而精确模拟隧道的埋深。

进一步地，土舱边墙的底端通过滑动驱动装置支撑于箱体上。通过滑动驱动装置驱动土舱边墙的移动，能够提高移动时的稳定性和移动精度。

进一步地，土舱边墙远离第一弧形导轨的一侧一体成型有斜锯齿，斜锯齿与对应设置于箱体上的斜锯槽插接，斜锯齿平行于倾角导轨。土舱边墙通过斜锯齿与斜锯槽的插接配合来避免其顶端在移动过程中倾斜，影响试验数据的准确性。

进一步地，滑动驱动装置为均匀安装于土舱边墙与箱体之间的多个千斤顶。通过均匀安装的多个千斤顶同时作用于土舱边墙，提高了土舱边墙移动的平稳性；千斤顶为技术成熟的标准件，有很多类型和规格，便于根据试验装置的实际需求进行选型，提高试验的控制精度。

进一步地，第一竖向导轨与第二竖向导轨的结构相同，第一弧形导轨与第二弧形导轨的结构相同，便于加工制造，提高操作的便利性。

进一步地，第一弧形导轨或第二弧形导轨包括呈竖直平行设置的上弧形块和下弧形块，上弧形块和下弧形块通过均匀分布的多根支柱固定为一体，上弧形块和下弧形块的内侧均设置有弧形凹槽。通过间隔的两个弧形凹槽与袖管支座上对应的两个弧形凸台插接，对袖管支座起着限位导向的作用，使袖管支座只能沿着弧形凹槽移动，提高试验的准确性。

进一步地，第一弧形导轨或第二弧形导轨的外侧竖直设置有数量不低于两根的矩形凸台，矩形凸台与对应设置于第一竖向导轨或第二竖向导轨上矩形凹槽滑动插接。通过数量不低于两根的矩形凸台与矩形凹槽的配合实现弧形导轨与对应的竖向导轨滑动连接，通过间隔设置矩形凸台，能够起着限位的作用，使弧形导轨只能沿着对应处的竖向导轨竖直移动，提高试验的准确性。

进一步地，箱体外侧固定有相机支座，相机支座邻近观察窗设置。在相机支座上能够安装固定相机，通过相机能够连续地拍摄、记录整个试验过程中土体断层的变化历程。

本发明的有益效果为：通过箱体的侧板、土舱底板、土舱边墙和气囊合围成盛装试验土体和放置隧道模型的土舱，袖管支座用于固定隧道模型的两端，通过控制气囊内的充、放气来控制土体受到的上覆荷载，以及袖管支座沿竖向导轨的移动，来模拟大埋深状态下的隧道受力；通过滑动驱动装置驱动土舱边墙沿着倾角导轨向斜上方或斜下方滑动，来模拟隧道逆断层或正断层；袖管支座能够沿着对应处的第一弧形导轨或第二弧形导轨在一定角度范围内弧形滑动，模拟隧道多角度穿越断层；进而通过本试验装置能够模拟隧道在大埋深状态下，多角度穿越正断层或逆断层时的力学响应数据，提高数值仿真分析的准确性。

附图说明

图1为模拟深埋隧道多角度穿越断层的断层错动试验装置的立体图。

图2为模拟深埋隧道多角度穿越断层的断层错动试验装置内部的前视图。

图3为图2中A-A方向的剖视图。

图4为第一弧形导轨与袖管支座装配体的爆炸图。

其中，1、箱体；101、观察窗；102、斜锯槽；2、倾角导轨；21、折板；3、土舱边墙；31、斜锯齿；32、三角底座；33、竖墙；4、第一竖向导轨；5、第一弧形导轨；51、上弧形块；52、下弧形块；53、支柱；54、弧形凹槽；55、矩形凸台；6、第二竖向导轨；7、第二弧形导轨；8、袖管支座；9、气囊；91、充放气接头；10、L型挡板；11、土舱底板；12、滑动驱动装置；13、相机支座。

具体实施方式

下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

如图1所示，该模拟深埋隧道多角度穿越断层的断层错动试验装置包括设置有观察窗101的箱体1。箱体1为通过6个板件拼连成的矩形箱，包括前板、后板、左板、右板、顶板和底板，左板、右板和底板固定连接，前板、后板和顶板通过螺纹紧固件可拆卸连接，以方便安装箱体1内部的零部件。观察窗101为开设在前板上的矩形窗，并在矩形窗中嵌装有机玻璃。

箱体1外侧固定有相机支座13，相机支座13包括两根呈三角支撑固定于前板上的支架，以及固定在支架交叉点处的相机固定座，相机固定座用于固定数码相机，使数码相机的镜头对准土舱内的土体，并能够采集土舱内土体的全部影像。

如图1、图2所示，箱体1内的下部固定有倾角导轨2，倾角导轨2上滑动连接有土舱边墙3，倾角导轨2的顶端固定有土舱底板11，土舱底板11平行于箱体1的底板。土舱边墙3包括截面为三角形的三角底座32，三角底座32的顶面水平设置，在三角底座32顶面的一侧一体成型有竖墙33，三角底座32的右侧面抵接于倾角导轨2的斜面上，三角底座32的左侧面固定于滑动驱动装置12的驱动端上，滑动驱动装置12固定于与左侧面平行的折板21上。折板21的一端与倾角导轨2的底端连接，另一端固定于箱体1的左板上。优选地，滑动驱动装置12为均匀支撑在三角底座32上的多个千斤顶。

竖墙33竖直设置，即与箱体1的左板平行。竖墙33邻近左板的一侧一体成型有斜锯齿31，斜锯齿31与对应设置于箱体1左板上的斜锯槽102插接，斜锯齿31平行于倾角导轨2，即斜锯齿31与倾角导轨2的倾斜角度相同。

在竖墙33远离斜锯齿31的一侧(即右侧)固定有第一竖向导轨4，第一竖向导轨4的底端插入三角底座32顶面上的凹槽中。第一竖向导轨4的右侧垂直滑动连接有第一弧形导轨5。箱体1的右板上固定有第二竖向导轨6，第二竖向导轨6上垂直滑动连接有第二弧形导轨7，第二弧形导轨7与第一弧形导轨5间隔相对设置，如图3所示。第一竖向导轨4与第二竖向导轨6的结构相同，第一弧形导轨5与第二弧形导轨7的结构相同。

第一弧形导轨5或第二弧形导轨7的外侧竖直设置有不低于两根的矩形凸台55，图中所示为三根矩形凸台55，分别位于第一弧形导轨5或第二弧形导轨7外侧的中部和两侧。矩形凸台55与对应设置于第一竖向导轨4或第二竖向导轨6上矩形凹槽滑动插接。

如图4所示，第一弧形导轨5或第二弧形导轨7包括呈竖直平行设置的上弧形块51和下弧形块52，上弧形块51和下弧形块52通过均匀分布的多根支柱53固定为一体，上弧形块51和下弧形块52的内侧均设置有弧形凹槽54。第一弧形导轨5和第二弧形导轨7上分别滑动连接有袖管支座8。袖管支座8包括圆管和固定于圆管一端的弧形连接块，弧形连接块的外侧设置有与上弧形块51和下弧形块52上的弧形凹槽54同时插接的弧形凸台，圆管用于与隧道模型的端部固定。

第一竖向导轨4和第二竖向导轨6的顶端平铺固定有能够充、放气的气囊9。土舱边墙3的顶面与气囊9的顶面齐平，即竖墙33的顶面与气囊9的顶面齐平均抵接于箱体1的顶板上。气囊9与土舱边墙3之间通过L型挡板10隔开，L型挡板10的端部固定在箱体1的后板上。气囊9的顶端密封固定有充放气接头91，充放气接头91穿过箱体1的顶板并向外侧延伸。气囊9为橡胶气囊，充放气接头91根据配套使用的充放气装置对应，充放气接头91采用热合技术固定到气囊9上。

使用本试验装置进行模拟深埋隧道多角度穿越断层的试验时，将隧道模型的两端分别固定到第一弧形导轨5和第二弧形导轨7上的袖管支座8上。第一竖向导轨4和第二竖向导轨6能够调整两个袖管支座8在竖直方向的相对位置，通过调整两个袖管支座8在第一弧形导轨5和第二弧形导轨7上的位置，能够调整隧道模型两端在水平方向上的相对位置，根据试验需求调整好隧道模型两端的位置，然后向由土舱底板11、前板、后板、竖墙33和右板合围成的空腔中填充试验土体，通过充气装置向气囊9中充气压缩气体，通过压缩气体产生的压强挤压土体，气囊9内的压强匹配实际隧道在一定埋深下所受到的压强。通过启动滑动驱动装置12推动或拉动土舱边墙3沿着倾角导轨2移动来模拟正断层和逆断层的错动过程，并将该过程的影像通过数码相机采集。

Claims (8)

1.一种模拟深埋隧道多角度穿越断层的断层错动试验装置，其特征在于，包括设置有观察窗（101）的箱体（1），所述箱体（1）内的下部固定有倾角导轨（2），所述倾角导轨（2）上滑动连接有土舱边墙（3），所述倾角导轨（2）的顶端固定有土舱底板（11）；

所述土舱边墙（3）上固定有第一竖向导轨（4），所述第一竖向导轨（4）上垂直滑动连接有第一弧形导轨（5），所述箱体（1）上固定有第二竖向导轨（6），所述第二竖向导轨（6）上垂直滑动连接有第二弧形导轨（7），所述第二弧形导轨（7）与所述第一弧形导轨（5）间隔相对设置；

所述第一弧形导轨（5）和所述第二弧形导轨（7）上分别滑动连接有袖管支座（8）；

所述第一竖向导轨（4）和所述第二竖向导轨（6）的顶端平铺固定有能够充、放气的气囊（9）；

所述土舱边墙（3）的顶面与所述气囊（9）的顶面齐平，所述气囊（9）与所述土舱边墙（3）之间通过L型挡板（10）隔开；

所述土舱边墙（3）的底端通过滑动驱动装置（12）支撑于箱体（1）上。

2.根据权利要求1所述的模拟深埋隧道多角度穿越断层的断层错动试验装置，其特征在于，所述气囊（9）的顶端固定有充放气接头（91），所述充放气接头（91）穿过所述箱体（1）的顶板并向外侧延伸。

3.根据权利要求1所述的模拟深埋隧道多角度穿越断层的断层错动试验装置，其特征在于，所述土舱边墙（3）远离所述第一弧形导轨（5）的一侧一体成型有斜锯齿（31），所述斜锯齿（31）与对应设置于所述箱体（1）上的斜锯槽（102）插接，所述斜锯齿（31）平行于所述倾角导轨（2）。

4.根据权利要求1所述的模拟深埋隧道多角度穿越断层的断层错动试验装置，其特征在于，所述滑动驱动装置（12）为均匀安装于所述土舱边墙（3）与所述箱体（1）之间的多个千斤顶。

5.根据权利要求1所述的模拟深埋隧道多角度穿越断层的断层错动试验装置，其特征在于，所述第一竖向导轨（4）与所述第二竖向导轨（6）的结构相同，所述第一弧形导轨（5）与所述第二弧形导轨（7）的结构相同。

6.根据权利要求1所述的模拟深埋隧道多角度穿越断层的断层错动试验装置，其特征在于，所述第一弧形导轨（5）或所述第二弧形导轨（7）包括呈竖直平行设置的上弧形块（51）和下弧形块（52），所述上弧形块（51）和下弧形块（52）通过均匀分布的多根支柱（53）固定为一体，所述上弧形块（51）和下弧形块（52）的内侧均设置有弧形凹槽（54）。

7.根据权利要求1或6所述的模拟深埋隧道多角度穿越断层的断层错动试验装置，其特征在于，所述第一弧形导轨（5）或所述第二弧形导轨（7）的外侧竖直设置有至少两个矩形凸台（55），所述矩形凸台（55）与对应设置于所述第一竖向导轨（4）或所述第二竖向导轨（6）上矩形凹槽滑动插接。

8.根据权利要求1所述的模拟深埋隧道多角度穿越断层的断层错动试验装置，其特征在于，所述箱体（1）外侧固定有相机支座（13），所述相机支座（13）邻近所述观察窗（101）设置。