CN110954680B - 一种模拟断裂错动与地下水变化的地裂缝试验装置及方法 - Google Patents

一种模拟断裂错动与地下水变化的地裂缝试验装置及方法 Download PDF

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CN110954680B CN201911382326.4A CN201911382326A CN110954680B CN 110954680 B CN110954680 B CN 110954680B CN 201911382326 A CN201911382326 A CN 201911382326A CN 110954680 B CN110954680 B CN 110954680B
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Abstract

本发明公开了一种模拟断裂错动与地下水变化的地裂缝试验装置及方法，该装置包括试验模型箱、固定平台和移动平台，所述移动平台的底部设置错位调节机构，所述固定平台上由下至上依次设置有第一底板、第一防水板和第一隔水板，所述移动平台上由下至上依次设置有第二底板、第二防水板和第二隔水板，所述错位调节机构包括支架、千斤顶和滑移限位部件；该方法包括以下步骤：一、试验前准备；二、在模型箱内铺设模型土层，埋设传感器并与数据采集仪连接；三、向模型土层内部注水；四、模拟模型土层断裂错动模拟；五、模型土层排水模拟地下水位变化。本发明能模拟断裂错动与地下水变化情况下地裂缝的发育情况，且模拟准确性高。

Description

一种模拟断裂错动与地下水变化的地裂缝试验装置及方法
技术领域
本发明属于地裂缝模拟试验技术领域，尤其是涉及一种模拟断裂错动与地下水变化的地裂缝试验装置及方法。
背景技术
目前国内缺乏用于专门研究地裂缝成因机理的较成熟的模拟试验系统平台，尤其是针对有地下水条件下的地裂缝模拟试验。一些学者开展了一些地裂缝物理模型试验研究，但限于试验场地、模型平台及监测设备等条件制约，大多只是针对某单一的致灾因素开展研究，研究还不够系统深入，也未曾围绕断裂错动与地下水变化的耦合作用诱发地裂缝开展过模型试验研究。另外，一些学者开展了断裂错动下地裂缝成因机理的模型试验研究，然而针对地下水位变化条件下引起的地裂缝扩展的物理模型试验还未开展，且用于断裂错动下地裂缝的试验平台为相对简单的模型箱，不能较好控制断裂错动量、地下水位变化等因素。
因此，现如今缺少一种模拟断裂错动与地下水变化的地裂缝试验装置及方法，能模拟断裂错动与地下水耦合工况条件变化下地裂缝的发育情况，且模拟更接近于实际情况，操作便捷。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种模拟断裂错动与地下水变化的地裂缝试验装置，其设计合理且成本低，能模拟断裂错动与地下水耦合工况下地裂缝的发育情况，且模拟更接近于实际情况，操作便捷。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种模拟断裂错动与地下水变化的地裂缝试验装置，其特征在于：包括模型箱、设置在模型箱内的固定平台和设置在模型箱内的移动平台，所述模型箱上设置有透明玻璃，所述模型箱内铺设有模型土层，所述移动平台的底部设置有错位调节机构，所述固定平台上表面由下至上依次设置有第一底板、第一防水板和第一隔水板，所述移动平台上表面由下至上依次设置有第二底板、第二防水板和第二隔水板，所述错位调节机构包括支架、设置在移动平台底部的千斤顶和设置在移动平台底部四角且能沿支架滑动的滑移限位部件，所述模型土层位于第一隔水板和第二隔水板上，所述模型土层包括基岩层和多个由下至上依次铺设的模拟土层，所述模拟土层内铺设有注水管，所述注水管的进水口与供水管连接，所述注水管的出水口与排水管连接，所述排水管伸入收集量筒，所述供水管与供水量筒连接，所述排水管上设置有排水阀，所述供水管上设置有供水阀；
所述固定平台远离移动平台的一端设置有第一侧板，所述移动平台远离移动平台的一侧设置有第二侧板，所述第二侧板与模型箱的内侧面之间设置有错位角度调节机构。
上述的一种模拟断裂错动与地下水变化的地裂缝试验装置，其特征在于：所述支架包括安装在移动平台两端的第一倾斜支撑板和第二倾斜支撑板，以及两个对称连接于第一倾斜支撑板和第二倾斜支撑板之间的连接板，所述连接板的两端与第一倾斜支撑板和第二倾斜支撑板铰接；
所述第一倾斜支撑板的顶端设置有多个沿移动平台的宽度方向布设的第一耳座，所述第二倾斜支撑板的顶端设置有多个沿移动平台的宽度方向布设的第二耳座，所述第一耳座内穿设有第一转轴，所述第二耳座内穿设有第二转轴，所述第一转轴的两端穿过固定平台靠近移动平台的一端。
上述的一种模拟断裂错动与地下水变化的地裂缝试验装置，其特征在于：所述固定平台靠近移动平台的一端设置第一凸起、第二凸起和第三凸起，所述第一凸起和第二凸起之间的间距与第二凸起和第三凸起之间的间距相同，所述第二凸起的底部设置有容纳槽；
所述第一耳座包括第一个左耳座、第二个左耳座和第三个左耳座，所述第一个左耳座位于第一凸起和第二凸起之间，且第一个左耳座与第一凸起贴合，所述第二个左耳座位于容纳槽内，所述第三个左耳座位于第三凸起和第二凸起之间，且第二个左耳座与第三凸起贴合，所述第一转轴依次穿过第一凸起、第一个左耳座、第二个左耳座、第三个左耳座和第三凸起。
上述的一种模拟断裂错动与地下水变化的地裂缝试验装置，其特征在于：所述滑移限位部件的数量为四个，四个所述滑移限位部件的结构均相同，所述滑移限位部件包括两个对称布设的L形板、穿设在两个L形板之间的限位转轴和套装在限位转轴上且位于两个L形板之间的转动轮，所述转动轮远离支架的一端设置有挡板，所述转动轮的圆弧面靠近支架布设；
所述L形板包括安装在移动平台底面的水平部和与所述水平部呈垂直布设的竖直部，所述水平部上设置有腰形孔，所述移动平台上设置有安装孔，所述安装孔和腰形孔内穿设有用于固定连接移动平台与L形板的固定螺栓，所述竖直部上设置有供限位转轴穿设的转轴安装孔。
上述的一种模拟断裂错动与地下水变化的地裂缝试验装置，其特征在于：所述错位角度调节机构包括倾斜布设在模型箱靠近移动平台的一侧的倾斜滑轨、设置在倾斜滑轨上的滑移座和对移动平台进行限位的限位板，所述限位板通过连接架与滑移座固定连接。
同时，本发明还公开了一种试验方法步骤简单、设计合理且实现方便的模拟断裂错动与地下水变化的地裂缝试验方法，其特征在于，该试验方法包括以下步骤：
步骤一、试验前准备：
步骤101、在模型箱内搭建固定平台和移动平台；其中，移动平台的底部设置有错位调节机构；
步骤102、在固定平台上表面由下至上依次设置第一底板、第一防水板和第一隔水板，在移动平台上表面由下至上依次设置有第二底板、第二防水板和第二隔水板；
步骤103、在第一隔水板上铺设第一土工布，第二隔水板上铺设第二土工布；
步骤104、在模型箱的前侧面正对设置摄像头，在模型箱的顶部架设上摄像头；
步骤二、在模型箱内铺设模型土层、注水管、埋设传感器并与数据采集仪连接：
步骤201、在第一土工布和第二土工布上均铺设基岩，形成基岩层；
步骤202、在基岩层上铺设粉砂，形成下粉砂层；其中，所述下粉砂层内铺设有第一注水管；
步骤203、在固定平台上的下粉砂层内沿固定平台的长度方向埋设四个第一个左土压力盒，相邻两个第一个左土压力盒之间的水平间距为50cm～54cm，并在四个第一个左土压力盒的中心处埋设第一个左水分计；
步骤204、按照步骤203所述的方法，在移动平台上的下粉砂层内埋设四个第一个右土压力盒和第一个右水分计；
步骤205、在下粉砂层上铺设粉质粘土，形成下粉质粘土层；其中，所述下粉质粘土层内铺设有第二注水管，所述第二注水管与所述第一注水管连接；
步骤206、按照步骤203和步骤204，分别埋设四个第二个左土压力盒和第二个左水分计，以及四个第二个右土压力盒和第二个右水分计；
步骤207、在下粉质粘土层上铺设粉砂，形成上粉砂层；其中，所述上粉砂层内铺设有第三注水管，所述第三注水管与所述第二注水管连接；
步骤208、按照步骤203和步骤204，在上粉砂层中分别埋设四个第三个左土压力盒和第三个左水分计，以及四个第三个右土压力盒和第三个右水分计；
步骤209、在固定平台上的上粉砂层中埋设第一个左孔压计，在移动平台上的上粉砂层中埋设第一个右孔压计；
步骤2010、在上粉砂层上铺设粉质粘土，形成上粉质粘土层；其中，所述上粉质粘土层内铺设有第四注水管，所述第四注水管与所述第三注水管连接，且所述第一注水管、所述第二注水管、所述第三注水管和所述第四注水管一体连接组成所述注水管；
步骤2011、按照步骤203和步骤204，分别埋设四个第四个左土压力盒和第四个左水分计，以及四个第四个右压力盒和第四个右水分计，并按照步骤209所述的方法，分别埋设第二个左孔压计和第二个右孔压计；
步骤2012、在上粉质粘土层上铺设粉土，形成粉土层；
步骤2013、在模型箱的顶部架设横梁，并沿横梁的长度方向均布多个位移计；
步骤2014、将第一个左水分计、第一个右水分计、第二个左水分计、第二个右水分计、第三个左水分计、第三个右水分计、第四个左水分计、第四个右水分计、第一个左孔压计、第一个右孔压计、第二个左孔压计和第二个右孔压计、第一个左土压力盒、第一个右土压力盒、第二个左土压力盒、第二个右土压力盒、第三个左土压力盒、第三个右土压力盒、第四个左土压力盒、第四个右压力盒的输出端均与数据采集仪连接；
步骤2015、将下粉砂层、下粉质粘土层、上粉砂层、上粉质粘土层均称为模拟土层，并将其由下至上进行排序，得到第j个模拟土层；其中，j为正整数，且1≤j≤4；
步骤三、向模型土层内部注水：
步骤301、位移计对模型土层表面的初始间距进行检测，并将第i个位移计检测到的初始间距记作Si,0；
步骤302、在模型箱顶部安装供水量筒，模型箱底部放置收集量筒，并使排水管伸入收集量筒，供水管与供水量筒连接；其中，供水管与所述注水管的入口连接，所述注水管的出口与排水管连接；
打开供水阀通过注水管为模型箱内的模型土层注水，之后，注水后的模型土层室温下静置；
步骤303、在注水后的模型土层室温下静置的过程中，当第一个左水分计、第一个右水分计、第二个左水分计、第二个右水分计、第三个左水分计、第三个右水分计、第四个左水分计、第四个右水分计检测到的含水量与实际地层对应的不同深度的含水量相同，第一个左孔压计、第一个右孔压计、第二个左孔压计和第二个右孔压计检测到的孔隙水压力与实际地层对应的不同深度的孔隙水压力相同，则停止为模型箱内的模型土层注水，并获取总注水体积Vz和模型土层的模拟地下水位Hd；否侧，继续为模型箱内的模型土层注水并静置；
步骤四、模拟模型土层断裂错动模拟：
步骤401、调节错位角度调节机构，以使移动平台下降时形成断层与固定平台水平面延长线之间的夹角为45°～80°；
步骤402、操作千斤顶收缩，滑移限位部件沿支架滑动而带动移动平台下降，在移动平台下降的过程中，模型土层发生断层；
步骤403、在模型土层发生断层的过程中，前摄像头按照预先设定的采样时间对模型土层的前侧面地裂缝图像进行实时采集，上摄像头按照预先设定的采样时间对模型土层的上表面地裂缝图像进行实时采集，通过第k个采样时刻的上表面地裂缝图像得到第k个采样时刻上表面地裂缝最大宽度As(k)，通过第k个采样时刻的前侧面地裂缝图像得到第k个采样时刻第j个模拟土层的侧面地裂缝最大宽度Ac,j(k)；其中，k为正整数；
同时，通过第j个左土压力盒按照预先设定的采样时间对第j个左土压力盒处的应力进行检测，得到第k个采样时刻第j个模拟土层的左应力εj,z(k)，通过第j个右土压力盒按照预先设定的采样时间对第j个右土压力盒处的应力进行检测，得到第k个采样时刻第j个模拟土层的右应力εi,y(k)，根据公式εj,zy(k)＝|εj,z(k)-εj,y(k)|，得到第k个采样时刻第j个模拟土层的应力变化量εj,zy(k)；通过第j个左孔压计按照预先设定的采样时间对第j个左孔压计处的孔隙水压力进行实时检测，得到第k个采样时刻第j个模拟土层的左孔隙水压力pj,z(k)，通过第j个右孔压计按照预先设定的采样时间对第j个右孔压计处的孔隙水压力进行实时检测，得到第k个采样时刻第j个模拟土层的右孔隙水压力pj,y(k)，根据公式pj,zy(k)＝|pj,z(k)-pj,y(k)|，得到第k个采样时刻第j个模拟土层的孔隙水压力变化量pj,zy(k)；
步骤404、在移动平台下降的过程中，获取第k个采样时刻移动平台的下降量，并记作第k个采样时刻断裂错动量为B(k)；
步骤405、直至移动平台下降的垂直位移为30cm～40cm时，停止千斤顶收缩，将得到的第k个采样时刻第j个模拟土层的应力变化量和第k个采样时刻第j个模拟土层的侧面地裂缝最大宽度Ac,j(k)按照采样时间先后顺序排序，并以横坐标为应力变化量，纵坐标为侧面地裂缝最大宽度，得到第j个模拟土层的侧面地裂缝宽度应力变化曲线；
将得到的第k个采样时刻第j个模拟土层的应力变化量和第k个采样时刻上表面地裂缝最大宽度As(k)按照采样时间先后顺序排序，并以横坐标为应力变化量，纵坐标为上表面地裂缝最大宽度，得到上表面地裂缝宽度应力变化曲线；
将得到的第k个采样时刻第j个模拟土层的孔隙水压力变化量和第k个采样时刻侧面地裂缝最大宽度Ac,j(k)按照采样时间先后顺序排序，并以横坐标为孔隙水压力变化量，纵坐标为侧面地裂缝最大宽度，得到第j个模拟土层的侧面地裂缝宽度孔隙水压力变化曲线；将得到的第k个采样时刻第j个模拟土层的孔隙水压力变化量和第k个采样时刻上表面地裂缝最大宽度As(k)按照采样时间先后顺序排序，并以横坐标为孔隙水压力变化量，纵坐标为上表面地裂缝最大宽度，得到上表面地裂缝宽度孔隙水压力变化曲线；
步骤406、将得到的第k个采样时刻断裂错动量为B(k)和第k个采样时刻第j个模拟土层的侧面地裂缝最大宽度Ac,j(k)按照采样时间先后顺序排序，并以横坐标为断裂错动量，纵坐标为侧面地裂缝最大宽度，得到第j个模拟土层的侧面地裂缝断裂错动量变化曲线；
将得到的第k个采样时刻断裂错动量为B(k)和第k个采样时刻上表面地裂缝最大宽度Ac(k)按照采样时间先后顺序排序，并以横坐标为断裂错动量，纵坐标为上表面地裂缝最大宽度，得到上表面地裂缝断裂错动量变化曲线；
步骤407、位移计对模型土层表面的间距进行检测，并将第i个位移计检测到的一次间距记作Si,1，根据公式Li,1＝Si,1-Si,0，从而得到模型土层发生断层时第i个位移计检测到的模型土层的上表面沉降量Li,1；
步骤五、模型土层排水模拟地下水位变化：
步骤501、将排水阀打开，并在模型土层的顶部加压进行排水，模拟地下水位变化；
步骤502、在模型土层排水的过程中，按照步骤405和步骤407所述的方法，得到地下水位变化过程中第j个模拟土层的侧面地裂缝宽度应力变化曲线和地下水位变化过程中第j个模拟土层的上表面地裂缝宽度应力变化曲线，以及地下水位变化过程中第j个模拟土层的侧面地裂缝宽度孔隙水压力变化曲线和地下水位变化过程中第j个模拟土层的上表面地裂缝宽度孔隙水压力变化曲线；
同时位移计对模型土层表面的二次间距进行检测，并将第i个位移计检测到的二次间距记作Si,2；根据公式Li,2＝Si,2-Si,1，从而得到模型土层地下水位变化时第i个位移计检测到的模型土层的上表面沉降量Li,2；
步骤503、直至第一个左水分计、第一个右水分计、第二个左水分计、第二个右水分计、第三个左水分计、第三个右水分计、第四个左水分计、第四个右水分计检测到的含水量不发生变化，第一个左孔压计、第一个右孔压计、第二个左孔压计和第二个右孔压计检测到的孔隙水压力不发生变化时，且模型土层的上表面不再沉降，前侧面地裂缝图像和上表面地裂缝图像中地裂缝不变化时，完成模拟试验。
上述的试验方法，其特征在于：步骤201中基岩层的厚度为20cm～30cm；步骤202中下粉砂层的厚度为60cm～70cm；步骤205中下粉质粘土层的厚度为40cm～50cm；步骤207中上粉砂层的厚度为40cm～50cm；步骤2010中上粉质粘土层的厚度为60cm～70cm；步骤2012中粉土层的厚度为30cm～40cm。
预先设定的采样时间为1min～10min。
上述的试验方法，其特征在于：步骤四中还进行如下具体过程：
步骤A、通过第k个采样时刻的上表面地裂缝图像得到第k个采样时刻上表面地裂缝长度Ls(k)，通过第k个采样时刻的前侧面地裂缝图像得到第k个采样时刻的侧面地裂缝长度Lc(k)；其中，k为正整数；
步骤B、根据
Figure GDA0003330531520000091
得到第k个采样时刻模型土层的平均应力变化量
Figure GDA0003330531520000092
将第k个采样时刻上表面地裂缝长度Ls(k)和第k个采样时刻模型土层的平均应力变化量按照采样时间先后顺序排序，并以横坐标为平均应力变化量，纵坐标为上表面地裂缝长度，得到上表面地裂缝长度应力变化曲线；
将第k个采样时刻的侧面地裂缝长度Lc(k)和第k个采样时刻模型土层的平均应力变化量按照采样时间先后顺序排序，并以横坐标为平均应力变化量，纵坐标为侧面地裂缝长度，得到侧面地裂缝长度应力变化曲线；
步骤C、根据
Figure GDA0003330531520000093
得到第k个采样时刻模型土层的平均孔隙水压力变化量
Figure GDA0003330531520000094
步骤D、按照步骤B所述的方法，得到上表面地裂缝长度孔隙水压力变化曲线和侧面地裂缝长度孔隙水压力变化曲线。
本发明与现有技术相比具有以下优点：
1、结构简单、设计合理且试验操作简便。
2、所采用的模型箱，便于固定平台和移动平台的布设，从而便于固定平台和移动平台上进行模型土层的铺设，另外模型箱设置有透明玻璃，从而便于在模型箱前侧设置前摄像头对模型土层的前侧面地裂缝图像进行采集，便于获取模型土层的前侧面地裂缝发育情况。
3、所采用的移动平台底部设置有错位调节机构，错位调节机构包括支架、千斤顶和滑移限位部件，在千斤顶收缩的过程中，滑移限位部件沿沿支架滑动从而带动移动平台下降，移动平台下降带动移动平台上的模型土层下降，使固定平台上的模型土层与移动平台上的模型土层发生错动，从而模拟断裂错动下地裂缝的形成与发育过程。
4、所采用的错位角度调节机构中通过限位板对移动平台进行限位，从而改变移动平台下降时形成断层与固定平台靠近移动平台的延长线之间的夹角，便于调节，实现不同断裂倾角的模拟，适应性强。
5、所采用的模型土层内设置有注水管，注水管的入口端连接供水管，注水管的出口端连接排水管，从而便于在模型土层注水后，通过排水阀的开闭调节模型土层中的水量，从而使模型土层中的含水量、孔隙水压力，以及地下水位的模拟变化。
6、所采用的模拟断裂错动与地下水变化的地裂缝试验方法步骤简单、实现方便且操作简便，确保地裂缝的形成与扩展模拟的准确。
7、所采用的模拟断裂错动与地下水变化的地裂缝试验方法操作简便且使用效果好，首先是试验前准备，在模型箱内搭建固定平台和移动平台，其次在模型箱内铺设模型土层，埋设传感器并与数据采集仪连接，之后，对模型土层进行注水，然后，操作错位调节机构带动移动平台下降，从而模拟模型土层发生断层，且在模型土层发生断层过程中得到地裂缝的发育情况即上表面地裂缝断裂错动量变化曲线、侧面地裂缝断裂错动量变化曲线和侧面地裂缝宽度应力变化曲线、上表面地裂缝宽度应力变化曲线、侧面地裂缝孔隙水压变化曲线、上表面地裂缝孔隙水压变化曲线，且获取上表面沉降量；然后对模型土层的顶部加压，以使模型土层排水从而模拟地下水位变化，且在模型土层的排水过程中，得到地裂缝的发育情况即上表面地裂缝断裂错动量变化曲线、侧面地裂缝断裂错动量变化曲线和侧面地裂缝宽度应力变化曲线、上表面地裂缝宽度应力变化曲线、侧面地裂缝孔隙水压变化曲线、上表面地裂缝孔隙水压变化曲线，且获取上表面沉降量，从而实现开展断裂错动和地下水位变化耦合作用的地裂缝模拟试验。
8、所采用的模拟断裂错动与地下水变化的地裂缝试验方法中通过模拟开展断裂错动和地下水位变化耦合作用诱发地裂缝扩展的物理模型试验，再现了地裂缝的形成与扩展演化过程，且得到模拟地层中地裂缝宽度发展、模拟地层上表面沉降量、模拟地层中应力变化，从而为地裂缝的形成机理与活动扩展分析提供分析依据。
综上所述，本发明设计合理且成本低，能模拟断裂错动与地下水变化情况下地裂缝的发育情况，且模拟准确性高，操作便捷。
下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
图1为本发明模拟断裂错动与地下水变化的地裂缝试验装置的结构示意图。
图2为图1除去模型箱、模拟土层、错位角度调节机构、供水量筒和收集量筒后的结构示意图。
图3为本发明模拟断裂错动与地下水变化的地裂缝试验装置移动平台和错位调节机构的结构示意图。
图4为本发明模拟断裂错动与地下水变化的地裂缝试验装置固定平台的结构示意图。
图5为本发明模拟断裂错动与地下水变化的地裂缝试验装置固定平台与支架的结构示意图。
图6为本发明模拟断裂错动与地下水变化的地裂缝试验装置滑移限位部件与支架的结构示意图。
图7为图6除去支架后的俯视图。
图8为本发明模拟断裂错动与地下水变化的地裂缝试验方法的流程框图。
图9为本发明模拟断裂错动与地下水变化的地裂缝试验方法模型土层与传感器埋设的结构示意图。
附图标记说明:
1—模型箱； 1-1—第二侧板； 2—第一防水板；
2-1—第一侧板； 3—第一底板； 4—固定平台；
4-1—第一凸起； 4-2—第二凸起； 4-3—第三凸起；
4-4—容纳槽； 5—千斤顶； 6—支架；
6-1—第二倾斜支撑板； 6-1-1—倾斜连接杆； 6-1-2—水平连接杆；
6-2—连接板； 6-3—第一倾斜支撑板；
6-4—第一耳座； 6-4-1—第一个左耳座； 6-4-2—第二个左耳座；
6-4-3—第三个左耳座； 6-5—第一转轴； 6-6—第二转轴；
6-7—第二耳座； 7—滑移限位部件； 7-1—L形板；
7-2—转动轮； 7-3—挡板； 7-4—限位转轴；
7-5—腰形孔； 8—移动平台； 8-1—安装孔；
8-2—第一边框板； 8-3—中间连接板；
8-4—横向连接板； 8-5—加固板； 8-6—第一横边框板；
9—第二防水板； 10—第二隔水板； 11—第二底板；
12—第一隔水板； 13—倾斜滑轨； 14—连接架；
15—限位板； 16—滑移座； 17—第二侧板；
17-1—排水管； 17-2—排水阀； 17-3—收集量筒；
18-1—供水量筒； 18-2—供水阀； 18-3—供水管；
18-1—第一排水阀； 18-2—第二排水阀； 19—透明玻璃；
20—第一个左土压力盒； 21—第一个左水分计；
22—第一个右土压力盒； 23—第一个右水分计；
24—第二个左土压力盒； 25—第二个左水分计；
26—第二个右土压力盒； 27—第二个右水分计；
28—第三个左土压力盒； 29—第三个左水分计；
30—第三个右土压力盒； 31—第三个右水分计；
32—第一个左孔压计； 33—第一个右孔压计；
34—第四个左土压力盒； 35—第四个左水分计；
36—第四个右压力盒； 37—第四个右水分计；
38—第二个左孔压计； 39—第二个右孔压计； 40—位移计。
具体实施方式
如图1和图2所示的一种模拟断裂错动与地下水变化的地裂缝试验装置，包括模型箱1、设置在模型箱1内的固定平台4和设置在模型箱1内的移动平台8，所述模型箱1上设置有透明玻璃19，所述模型箱1内铺设有模型土层，所述移动平台8的底部设置有错位调节机构，所述固定平台4上表面由下至上依次设置有第一底板3、第一防水板2和第一隔水板12，所述移动平台8上表面由下至上依次设置有第二底板11、第二防水板9和第二隔水板10，所述错位调节机构包括支架6、设置在移动平台8底部的千斤顶5和设置在移动平台8底部四角且能沿支架6滑动的滑移限位部件7，所述模型土层位于第一隔水板12和第二隔水板10上，所述模型土层包括基岩层和多个由下至上依次铺设的模拟土层，所述模拟土层内铺设有注水管，所述注水管的进水口与供水管18-3连接，所述注水管的出水口与排水管17-1连接，所述排水管17-1伸入收集量筒17-3，所述供水管18-3与供水量筒18-1连接，所述排水管17-1上设置有排水阀17-2，所述供水管18-3上设置有供水阀18-2；
所述固定平台4远离移动平台8的一端设置有第一侧板2-1，所述移动平台8远离移动平台8的一侧设置有第二侧板17，所述第二侧板17与模型箱1的内侧面之间设置有错位角度调节机构。
如图3和图4所示，本实施例中，所述支架6包括安装在移动平台8两端的第一倾斜支撑板6-3和第二倾斜支撑板6-1，以及两个对称连接于第一倾斜支撑板6-3和第二倾斜支撑板6-1之间的连接板6-2，所述连接板6-2的两端与第一倾斜支撑板6-3和第二倾斜支撑板6-1铰接；
所述第一倾斜支撑板6-3的顶端设置有多个沿移动平台8的宽度方向布设的第一耳座6-4，所述第二倾斜支撑板6-1的顶端设置有多个沿移动平台8的宽度方向布设的第二耳座6-7，所述第一耳座6-4内穿设有第一转轴6-5，所述第二耳座6-7内穿设有第二转轴6-6，所述第一转轴6-5的两端穿过固定平台4靠近移动平台8的一端。
如图5所示，本实施例中，所述固定平台4靠近移动平台8的一端设置第一凸起4-1、第二凸起4-2和第三凸起4-3，所述第一凸起4-1和第二凸起4-2之间的间距与第二凸起4-2和第三凸起4-3之间的间距相同，所述第二凸起4-2的底部设置有容纳槽4-4；
所述第一耳座6-4包括第一个左耳座6-4-1、第二个左耳座6-4-2和第三个左耳座6-4-3，所述第一个左耳座6-4-1位于第一凸起4-1和第二凸起4-2之间，且第一个左耳座6-4-1与第一凸起4-1贴合，所述第二个左耳座6-4-2位于容纳槽4-4内，所述第三个左耳座6-4-3位于第三凸起4-3和第二凸起4-2之间，且第二个左耳座6-4-2与第三凸起4-3贴合，所述第一转轴6-5依次穿过第一凸起4-1、第一个左耳座6-4-1、第二个左耳座6-4-2、第三个左耳座6-4-3和第三凸起4-3。
如图6和图7所示，本实施例中，所述滑移限位部件7的数量为四个，四个所述滑移限位部件7的结构均相同，所述滑移限位部件7包括两个对称布设的L形板7-1、穿设在两个L形板7-1之间的限位转轴7-4和套装在限位转轴7-4上且位于两个L形板7-1之间的转动轮7-2，所述转动轮7-2远离支架6的一端设置有挡板7-3，所述转动轮7-2的圆弧面靠近支架6布设；
所述L形板7-1包括安装在移动平台8底面的水平部和与所述水平部呈垂直布设的竖直部，所述水平部上设置有腰形孔7-5，所述移动平台8上设置有安装孔8-1，所述安装孔8-1和腰形孔7-5内穿设有用于固定连接移动平台8与L形板7-1的固定螺栓，所述竖直部上设置有供限位转轴7-4穿设的转轴安装孔。
本实施例中，所述错位角度调节机构包括倾斜布设在模型箱1靠近移动平台8的一侧的倾斜滑轨13、设置在倾斜滑轨13上的滑移座16和对移动平台8进行限位的限位板15，所述限位板15通过连接架14与滑移座16固定连接。
本实施例中，需要说明的是，第一倾斜支撑板6-3和第二倾斜支撑板6-1均包括多个上下平行布设的水平连接杆6-1-2和多个连接于水平连接杆6-1-2之间的倾斜连接杆6-1-1，所述转动轮7-2的圆弧面靠近两端的倾斜连接杆6-1-1的内侧面布设。
本实施例中，设置腰形孔7-5，且腰形孔7-5沿移动平台8的长度方向布设，便于移动平台8与L形板7-1的固定连接；另外便于调节转动轮7-2的圆弧面距离倾斜连接杆6-1-1的内侧面之间的间距，以使转动轮7-2的圆弧面化工过程中能贴合倾斜连接杆6-1-1的内侧面滑动。
本实施例中，所述移动平台8包括两个对称布设的第一边框板8-2、连接于两个第一边框板8-2之间的第一横边框板8-6、两个沿第一边框板8-2长度方向布设且一端与第一横边框板8-6固定连接的中间连接板8-3和多个沿第一横边框板8-6长度方向布设且连接第一边框板8-2与中间连接板8-3的横向连接板8-4，所述第一边框板8-2的内侧面设置有加固板8-5，所述加固板8-5靠近第一边框板8-2的端部布设，所述中间连接板8-3的长度小于第一边框板8-2的长度，所述中间连接板8-3靠近第二倾斜支撑板6-1的一端与第二倾斜支撑板6-1的间距大于加固板8-5靠近第二倾斜支撑板6-1的一端与第二倾斜支撑板6-1的间距，所述第一边框板8-2靠近第二倾斜支撑板6-1的一端伸出第二倾斜支撑板6-1，且所述第一边框板8-2靠近第二倾斜支撑板6-1的一端能贴合在第二倾斜支撑板6-1上滑移。
本实施例中，限位板15沿第二侧板17的长度方向布设，且位于第二侧板17的上部。
如图8和图9所示的一种模拟断裂错动与地下水变化的地裂缝试验方法，包括以下步骤：
步骤一、试验前准备：
步骤101、在模型箱1内搭建固定平台4和移动平台8；其中，移动平台8的底部设置有错位调节机构；
步骤102、在固定平台4上表面由下至上依次设置第一底板3、第一防水板2和第一隔水板12，在移动平台8上表面由下至上依次设置有第二底板11、第二防水板9和第二隔水板10；
步骤103、在第一隔水板12上铺设第一土工布，第二隔水板10上铺设第二土工布；
步骤104、在模型箱1的前侧面正对设置摄像头，在模型箱1的顶部架设上摄像头；
步骤二、在模型箱内铺设模型土层、注水管、埋设传感器并与数据采集仪连接：
步骤201、在第一土工布和第二土工布上均铺设基岩，形成基岩层；
步骤202、在基岩层上铺设粉砂，形成下粉砂层；其中，所述下粉砂层内铺设有第一注水管；
步骤203、在固定平台4上的下粉砂层内沿固定平台4的长度方向埋设四个第一个左土压力盒20，相邻两个第一个左土压力盒20之间的水平间距为50cm～54cm，并在四个第一个左土压力盒20的中心处埋设第一个左水分计21；
步骤204、按照步骤203所述的方法，在移动平台8上的下粉砂层内埋设四个第一个右土压力盒22和第一个右水分计23；
步骤205、在下粉砂层上铺设粉质粘土，形成下粉质粘土层；其中，所述下粉质粘土层内铺设有第二注水管，所述第二注水管与所述第一注水管连接；
步骤206、按照步骤203和步骤204，分别埋设四个第二个左土压力盒24和第二个左水分计25，以及四个第二个右土压力盒26和第二个右水分计27；
步骤207、在下粉质粘土层上铺设粉砂，形成上粉砂层；其中，所述上粉砂层内铺设有第三注水管，所述第三注水管与所述第二注水管连接；
步骤208、按照步骤203和步骤204，在上粉砂层中分别埋设四个第三个左土压力盒28和第三个左水分计29，以及四个第三个右土压力盒30和第三个右水分计31；
步骤209、在固定平台4上的上粉砂层中埋设第一个左孔压计32，在移动平台8上的上粉砂层中埋设第一个右孔压计33；
步骤2010、在上粉砂层上铺设粉质粘土，形成上粉质粘土层；其中，所述上粉质粘土层内铺设有第四注水管，所述第四注水管与所述第三注水管连接，且所述第一注水管、所述第二注水管、所述第三注水管和所述第四注水管一体连接组成所述注水管；
步骤2011、按照步骤203和步骤204，分别埋设四个第四个左土压力盒34和第四个左水分计35，以及四个第四个右压力盒36和第四个右水分计37，并按照步骤209所述的方法，分别埋设第二个左孔压计38和第二个右孔压计39；
步骤2012、在上粉质粘土层上铺设粉土，形成粉土层；
步骤2013、在模型箱1的顶部架设横梁，并沿横梁的长度方向均布多个位移计40；
步骤2014、将第一个左水分计21、第一个右水分计23、第二个左水分计25、第二个右水分计27、第三个左水分计29、第三个右水分计31、第四个左水分计35、第四个右水分计37、第一个左孔压计32、第一个右孔压计33、第二个左孔压计38和第二个右孔压计39、第一个左土压力盒20、第一个右土压力盒22、第二个左土压力盒24、第二个右土压力盒26、第三个左土压力盒28、第三个右土压力盒30、第四个左土压力盒34、第四个右压力盒36的输出端均与数据采集仪连接；
步骤2015、将下粉砂层、下粉质粘土层、上粉砂层、上粉质粘土层均称为模拟土层，并将其由下至上进行排序，得到第j个模拟土层；其中，j为正整数，且1≤j≤4；
步骤三、向模型土层内部注水：
步骤301、位移计40对模型土层表面的初始间距进行检测，并将第i个位移计40检测到的初始间距记作Si,0；
步骤302、在模型箱1顶部安装供水量筒18-1，模型箱1底部放置收集量筒17-3，并使排水管17-1伸入收集量筒17-3，供水管18-3与供水量筒18-1连接；其中，供水管18-3与所述注水管的入口连接，所述注水管的出口与排水管17-1连接；
打开供水阀18-2通过注水管为模型箱1内的模型土层注水，之后，注水后的模型土层室温下静置；
步骤303、在注水后的模型土层室温下静置的过程中，当第一个左水分计21、第一个右水分计23、第二个左水分计25、第二个右水分计27、第三个左水分计29、第三个右水分计31、第四个左水分计35、第四个右水分计37检测到的含水量与实际地层对应的不同深度的含水量相同，第一个左孔压计32、第一个右孔压计33、第二个左孔压计38和第二个右孔压计39检测到的孔隙水压力与实际地层对应的不同深度的孔隙水压力相同，则停止为模型箱1内的模型土层注水，并获取总注水体积Vz和模型土层的模拟地下水位Hd；否侧，继续为模型箱1内的模型土层注水并静置；
步骤四、模拟模型土层断裂错动模拟：
步骤401、调节错位角度调节机构，以使移动平台8下降时形成断层与固定平台水平面靠近移动平台8的延长线之间的夹角为45°～80°；
步骤402、操作千斤顶5收缩，滑移限位部件7沿支架6滑动而带动移动平台8下降，在移动平台8下降的过程中，模型土层发生断层；
步骤403、在模型土层发生断层的过程中，前摄像头按照预先设定的采样时间对模型土层的前侧面地裂缝图像进行实时采集，上摄像头按照预先设定的采样时间对模型土层的上表面地裂缝图像进行实时采集，通过第k个采样时刻的上表面地裂缝图像得到第k个采样时刻上表面地裂缝最大宽度As(k)，通过第k个采样时刻的前侧面地裂缝图像得到第k个采样时刻第j个模拟土层的侧面地裂缝最大宽度Ac,j(k)；其中，k为正整数；
同时，通过第j个左土压力盒按照预先设定的采样时间对第j个左土压力盒处的应力进行检测，得到第k个采样时刻第j个模拟土层的左应力εj,z(k)，通过第j个右土压力盒按照预先设定的采样时间对第j个右土压力盒处的应力进行检测，得到第k个采样时刻第j个模拟土层的右应力εi,y(k)，根据公式εj,zy(k)＝|εj,z(k)-εj,y(k)|，得到第k个采样时刻第j个模拟土层的应力变化量εj,zy(k)；通过第j个左孔压计按照预先设定的采样时间对第j个左孔压计处的孔隙水压力进行实时检测，得到第k个采样时刻第j个模拟土层的左孔隙水压力pj,z(k)，通过第j个右孔压计按照预先设定的采样时间对第j个右孔压计处的孔隙水压力进行实时检测，得到第k个采样时刻第j个模拟土层的右孔隙水压力pj,y(k)，根据公式pj,zy(k)＝|pj,z(k)-pj,y(k)|，得到第k个采样时刻第j个模拟土层的孔隙水压力变化量pj,zy(k)；
步骤404、在移动平台8下降的过程中，获取第k个采样时刻移动平台8的下降量，并记作第k个采样时刻断裂错动量为B(k)；
步骤405、直至移动平台8下降的垂直位移为30cm～40cm时，停止千斤顶5收缩，将得到的第k个采样时刻第j个模拟土层的应力变化量和第k个采样时刻第j个模拟土层的侧面地裂缝最大宽度Ac,j(k)按照采样时间先后顺序排序，并以横坐标为应力变化量，纵坐标为侧面地裂缝最大宽度，得到第j个模拟土层的侧面地裂缝宽度应力变化曲线；
将得到的第k个采样时刻第j个模拟土层的应力变化量和第k个采样时刻上表面地裂缝最大宽度As(k)按照采样时间先后顺序排序，并以横坐标为应力变化量，纵坐标为上表面地裂缝最大宽度，得到上表面地裂缝宽度应力变化曲线；
将得到的第k个采样时刻第j个模拟土层的孔隙水压力变化量和第k个采样时刻侧面地裂缝最大宽度Ac,j(k)按照采样时间先后顺序排序，并以横坐标为孔隙水压力变化量，纵坐标为侧面地裂缝最大宽度，得到第j个模拟土层的侧面地裂缝宽度孔隙水压力变化曲线；将得到的第k个采样时刻第j个模拟土层的孔隙水压力变化量和第k个采样时刻上表面地裂缝最大宽度As(k)按照采样时间先后顺序排序，并以横坐标为孔隙水压力变化量，纵坐标为上表面地裂缝最大宽度，得到上表面地裂缝宽度孔隙水压力变化曲线；
步骤406、将得到的第k个采样时刻断裂错动量为B(k)和第k个采样时刻第j个模拟土层的侧面地裂缝最大宽度Ac,j(k)按照采样时间先后顺序排序，并以横坐标为断裂错动量，纵坐标为侧面地裂缝最大宽度，得到第j个模拟土层的侧面地裂缝断裂错动量变化曲线；
将得到的第k个采样时刻断裂错动量为B(k)和第k个采样时刻上表面地裂缝最大宽度Ac(k)按照采样时间先后顺序排序，并以横坐标为断裂错动量，纵坐标为上表面地裂缝最大宽度，得到上表面地裂缝断裂错动量变化曲线；
步骤407、位移计40对模型土层表面的间距进行检测，并将第i个位移计40检测到的一次间距记作Si,1，根据公式Li,1＝Si,1-Si,0，从而得到模型土层发生断层时第i个位移计40检测到的模型土层的上表面沉降量Li,1；
步骤五、模型土层排水模拟地下水位变化：
步骤501、将排水阀17-2打开，并在模型土层的顶部加压进行排水，模拟地下水位变化；
步骤502、在模型土层排水的过程中，按照步骤405和步骤407所述的方法，得到地下水位变化过程中第j个模拟土层的侧面地裂缝宽度应力变化曲线和地下水位变化过程中第j个模拟土层的上表面地裂缝宽度应力变化曲线，以及地下水位变化过程中第j个模拟土层的侧面地裂缝宽度孔隙水压力变化曲线和地下水位变化过程中第j个模拟土层的上表面地裂缝宽度孔隙水压力变化曲线；
同时位移计40对模型土层表面的二次间距进行检测，并将第i个位移计40检测到的二次间距记作Si,2；根据公式Li,2＝Si,2-Si,1，从而得到模型土层地下水位变化时第i个位移计40检测到的模型土层的上表面沉降量Li,2；
步骤503、直至第一个左水分计21、第一个右水分计23、第二个左水分计25、第二个右水分计27、第三个左水分计29、第三个右水分计31、第四个左水分计35、第四个右水分计37检测到的含水量不发生变化，第一个左孔压计32、第一个右孔压计33、第二个左孔压计38和第二个右孔压计39检测到的孔隙水压力不发生变化时，且模型土层的上表面不再沉降，前侧面地裂缝图像和上表面地裂缝图像中地裂缝不变化时，完成模拟试验；
本实施例中，步骤201中基岩层的厚度为20cm～30cm；步骤202中下粉砂层的厚度为60cm～70cm；步骤205中下粉质粘土层的厚度为40cm～50cm；步骤207中上粉砂层的厚度为40cm～50cm；步骤2010中上粉质粘土层的厚度为60cm～70cm；步骤2012中粉土层的厚度为30cm～40cm。
预先设定的采样时间为1min～10min。
本实施例中，步骤四中还进行如下具体过程：
步骤A、通过第k个采样时刻的上表面地裂缝图像得到第k个采样时刻上表面地裂缝长度Ls(k)，通过第k个采样时刻的前侧面地裂缝图像得到第k个采样时刻的侧面地裂缝长度Lc(k)；其中，k为正整数；
步骤B、根据
Figure GDA0003330531520000211
得到第k个采样时刻模型土层的平均应力变化量
Figure GDA0003330531520000212
将第k个采样时刻上表面地裂缝长度Ls(k)和第k个采样时刻模型土层的平均应力变化量按照采样时间先后顺序排序，并以横坐标为平均应力变化量，纵坐标为上表面地裂缝长度，得到上表面地裂缝长度应力变化曲线；
将第k个采样时刻的侧面地裂缝长度Lc(k)和第k个采样时刻模型土层的平均应力变化量按照采样时间先后顺序排序，并以横坐标为平均应力变化量，纵坐标为侧面地裂缝长度，得到侧面地裂缝长度应力变化曲线；
步骤C、根据
Figure GDA0003330531520000221
得到第k个采样时刻模型土层的平均孔隙水压力变化量
Figure GDA0003330531520000222
步骤D、按照步骤B所述的方法，得到上表面地裂缝长度孔隙水压力变化曲线和侧面地裂缝长度孔隙水压力变化曲线。
本实施例中，实际使用过程中，还可以在模型箱1的后侧面设置摄像头，便于检测模型土层的裂缝扩展。
本实施例中，需要说明的是，第一个模拟土层是指下粉砂层，第二个模拟土层是指下粉质粘土层，第三个模拟土层是指上粉砂层，第四个模拟土层是指粉质粘土层。
本实施例中，需要说明的是，第j个左土压力盒代表第一个左土压力盒20、第二个左土压力盒24、第三个左土压力盒28、第四个左土压力盒34中的一个，第j个右土压力盒代表第一个右土压力盒22、第二个右土压力盒26、第三个右土压力盒30和第四个右压力盒36中的一个。
本实施例中，土压力盒的型号为SZZX-EA01B，位移计40的型号为WY-WT100，水分计的型号为iHEIR-4，孔压计的型号为SZZX-G01B，数据采集仪为WY-VT1008振弦式数据采集仪。
本实施例中，通过错位调节机构带动移动平台下降，从而模拟模型土层发生断层，且在模型土层发生断层过程中得到地裂缝的发育情况即上表面地裂缝断裂错动量变化曲线、侧面地裂缝断裂错动量变化曲线和侧面地裂缝宽度应力变化曲线、上表面地裂缝宽度应力变化曲线，且获取上表面沉降量；然后对模型土层的顶部加压，以使模型土层的排水从而模拟地下水位变化，且在模型土层的排水过程中，得到地裂缝的发育情况即上表面地裂缝断裂错动量变化曲线、侧面地裂缝断裂错动量变化曲线和侧面地裂缝宽度应力变化曲线、上表面地裂缝宽度应力变化曲线，且获取上表面沉降量，从而实现开展断裂错动和地下水位变化耦合作用的地裂缝模拟试验。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制，凡是根据本发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效结构变化，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。

Claims (3)

1.一种模拟断裂错动与地下水变化的地裂缝试验装置，其特征在于：包括模型箱(1)、设置在模型箱(1)内的固定平台(4)和设置在模型箱(1)内的移动平台(8)，所述模型箱(1)上设置有透明玻璃(19)，所述模型箱(1)内铺设有模型土层，所述移动平台(8)的底部设置有错位调节机构，所述固定平台(4)上表面由下至上依次设置有第一底板(3)、第一防水板(2)和第一隔水板(12)，所述移动平台(8)上表面由下至上依次设置有第二底板(11)、第二防水板(9)和第二隔水板(10)，所述错位调节机构包括支架(6)、设置在移动平台(8)底部的千斤顶(5)和设置在移动平台(8)底部四角且能沿支架(6)滑动的滑移限位部件(7)，所述模型土层位于第一隔水板(12)和第二隔水板(10)上，所述模型土层包括基岩层和多个由下至上依次铺设的模拟土层，所述模拟土层内铺设有注水管，所述注水管的进水口与供水管(18-3)连接，所述注水管的出水口与排水管(17-1)连接，所述排水管(17-1)伸入收集量筒(17-3)，所述供水管(18-3)与供水量筒(18-1)连接，所述排水管(17-1)上设置有排水阀(17-2)，所述供水管(18-3)上设置有供水阀(18-2)；
所述固定平台(4)远离移动平台(8)的一端设置有第一侧板(2-1)，所述移动平台(8)远离移动平台(8)的一侧设置有第二侧板(17)，所述第二侧板(17)与模型箱(1)的内侧面之间设置有错位角度调节机构；
所述滑移限位部件(7)的数量为四个，四个所述滑移限位部件(7)的结构均相同，所述滑移限位部件(7)包括两个对称布设的L形板(7-1)、穿设在两个L形板(7-1)之间的限位转轴(7-4)和套装在限位转轴(7-4)上且位于两个L形板(7-1)之间的转动轮(7-2)，所述转动轮(7-2)远离支架(6)的一端设置有挡板(7-3)，所述转动轮(7-2)的圆弧面靠近支架(6)布设；
所述L形板(7-1)包括安装在移动平台(8)底面的水平部和与所述水平部呈垂直布设的竖直部，所述水平部上设置有腰形孔(7-5)，所述移动平台(8)上设置有安装孔(8-1)，所述安装孔(8-1)和腰形孔(7-5)内穿设有用于固定连接移动平台(8)与L形板(7-1)的固定螺栓，所述竖直部上设置有供限位转轴(7-4)穿设的转轴安装孔；
所述支架(6)包括安装在移动平台(8)两端的第一倾斜支撑板(6-3)和第二倾斜支撑板(6-1)，以及两个对称连接于第一倾斜支撑板(6-3)和第二倾斜支撑板(6-1)之间的连接板(6-2)，所述连接板(6-2)的两端与第一倾斜支撑板(6-3)和第二倾斜支撑板(6-1)铰接；
所述第一倾斜支撑板(6-3)的顶端设置有多个沿移动平台(8)的宽度方向布设的第一耳座(6-4)，所述第二倾斜支撑板(6-1)的顶端设置有多个沿移动平台(8)的宽度方向布设的第二耳座(6-7)，所述第一耳座(6-4)内穿设有第一转轴(6-5)，所述第二耳座(6-7)内穿设有第二转轴(6-6)，所述第一转轴(6-5)的两端穿过固定平台(4)靠近移动平台(8)的一端；
所述固定平台(4)靠近移动平台(8)的一端设置第一凸起(4-1)、第二凸起(4-2)和第三凸起(4-3)，所述第一凸起(4-1)和第二凸起(4-2)之间的间距与第二凸起(4-2)和第三凸起(4-3)之间的间距相同，所述第二凸起(4-2)的底部设置有容纳槽(4-4)；
所述第一耳座(6-4)包括第一个左耳座(6-4-1)、第二个左耳座(6-4-2)和第三个左耳座(6-4-3)，所述第一个左耳座(6-4-1)位于第一凸起(4-1)和第二凸起(4-2)之间，且第一个左耳座(6-4-1)与第一凸起(4-1)贴合，所述第二个左耳座(6-4-2)位于容纳槽(4-4)内，所述第三个左耳座(6-4-3)位于第三凸起(4-3)和第二凸起(4-2)之间，且第二个左耳座(6-4-2)与第三凸起(4-3)贴合，所述第一转轴(6-5)依次穿过第一凸起(4-1)、第一个左耳座(6-4-1)、第二个左耳座(6-4-2)、第三个左耳座(6-4-3)和第三凸起(4-3)；
所述错位角度调节机构包括倾斜布设在模型箱(1)靠近移动平台(8)的一侧的倾斜滑轨(13)、设置在倾斜滑轨(13)上的滑移座(16)和对移动平台(8)进行限位的限位板(15)，所述限位板(15)通过连接架(14)与滑移座(16)固定连接；
利用模拟断裂错动与地下水变化的地裂缝试验装置模拟断裂错动与地下水变化的地裂缝试验方法，该试验方法包括以下步骤：
步骤一、试验前准备：
步骤101、在模型箱(1)内搭建固定平台(4)和移动平台(8)；其中，移动平台(8)的底部设置有错位调节机构；
步骤102、在固定平台(4)上表面由下至上依次设置第一底板(3)、第一防水板(2)和第一隔水板(12)，在移动平台(8)上表面由下至上依次设置有第二底板(11)、第二防水板(9)和第二隔水板(10)；
步骤103、在第一隔水板(12)上铺设第一土工布，第二隔水板(10)上铺设第二土工布；
步骤104、在模型箱(1)的前侧面正对设置摄像头，在模型箱(1)的顶部架设上摄像头；
步骤二、在模型箱内铺设模型土层、注水管、埋设传感器并与数据采集仪连接：
步骤201、在第一土工布和第二土工布上均铺设基岩，形成基岩层；
步骤202、在基岩层上铺设粉砂，形成下粉砂层；其中，所述下粉砂层内铺设有第一注水管；
步骤203、在固定平台(4)上的下粉砂层内沿固定平台(4)的长度方向埋设四个第一个左土压力盒(20)，并在四个第一个左土压力盒(20)的中心处埋设第一个左水分计(21)；
步骤204、按照步骤203所述的方法，在移动平台(8)上的下粉砂层内埋设四个第一个右土压力盒(22)和第一个右水分计(23)；
步骤205、在下粉砂层上铺设粉质粘土，形成下粉质粘土层；其中，所述下粉质粘土层内铺设有第二注水管，所述第二注水管与所述第一注水管连接；
步骤206、按照步骤203和步骤204，分别埋设四个第二个左土压力盒(24)和第二个左水分计(25)，以及四个第二个右土压力盒(26)和第二个右水分计(27)；
步骤207、在下粉质粘土层上铺设粉砂，形成上粉砂层；其中，所述上粉砂层内铺设有第三注水管，所述第三注水管与所述第二注水管连接；
步骤208、按照步骤203和步骤204，在上粉砂层中分别埋设四个第三个左土压力盒(28)和第三个左水分计(29)，以及四个第三个右土压力盒(30)和第三个右水分计(31)；
步骤209、在固定平台(4)上的上粉砂层中埋设第一个左孔压计(32)，在移动平台(8)上的上粉砂层中埋设第一个右孔压计(33)；
步骤2010、在上粉砂层上铺设粉质粘土，形成上粉质粘土层；其中，所述上粉质粘土层内铺设有第四注水管，所述第四注水管与所述第三注水管连接，且所述第一注水管、所述第二注水管、所述第三注水管和所述第四注水管一体连接组成所述注水管；
步骤2011、按照步骤203和步骤204，分别埋设四个第四个左土压力盒(34)和第四个左水分计(35)，以及四个第四个右压力盒(36)和第四个右水分计(37)，并按照步骤209所述的方法，分别埋设第二个左孔压计(38)和第二个右孔压计(39)；
步骤2012、在上粉质粘土层上铺设粉土，形成粉土层；
步骤2013、在模型箱(1)的顶部架设横梁，并沿横梁的长度方向均布多个位移计(40)；
步骤2014、将第一个左水分计(21)、第一个右水分计(23)、第二个左水分计(25)、第二个右水分计(27)、第三个左水分计(29)、第三个右水分计(31)、第四个左水分计(35)、第四个右水分计(37)、第一个左孔压计(32)、第一个右孔压计(33)、第二个左孔压计(38)和第二个右孔压计(39)、第一个左土压力盒(20)、第一个右土压力盒(22)、第二个左土压力盒(24)、第二个右土压力盒(26)、第三个左土压力盒(28)、第三个右土压力盒(30)、第四个左土压力盒(34)、第四个右压力盒(36)的输出端均与数据采集仪连接；
步骤2015、将下粉砂层、下粉质粘土层、上粉砂层、上粉质粘土层均称为模拟土层，并将其由下至上进行排序，得到第j个模拟土层；其中，j为正整数，且1≤j≤4；
步骤三、向模型土层内部注水：
步骤301、位移计(40)对模型土层表面的初始间距进行检测，并将第i个位移计(40)检测到的初始间距记作Si,0；
步骤302、在模型箱(1)顶部安装供水量筒(18-1)，模型箱(1)底部放置收集量筒(17-3)，并使排水管(17-1)伸入收集量筒(17-3)，供水管(18-3)与供水量筒(18-1)连接；其中，供水管(18-3)与所述注水管的入口连接，所述注水管的出口与排水管(17-1)连接；
打开供水阀(18-2)通过注水管为模型箱(1)内的模型土层注水，之后，注水后的模型土层室温下静置；
步骤303、在注水后的模型土层室温下静置的过程中，当第一个左水分计(21)、第一个右水分计(23)、第二个左水分计(25)、第二个右水分计(27)、第三个左水分计(29)、第三个右水分计(31)、第四个左水分计(35)、第四个右水分计(37)检测到的含水量与实际地层对应的不同深度的含水量相同，第一个左孔压计(32)、第一个右孔压计(33)、第二个左孔压计(38)和第二个右孔压计(39)检测到的孔隙水压力与实际地层对应的不同深度的孔隙水压力相同，则停止为模型箱(1)内的模型土层注水，并获取总注水体积Vz和模型土层的模拟地下水位Hd；否侧，继续为模型箱(1)内的模型土层注水并静置；
步骤四、模拟模型土层断裂错动模拟：
步骤401、调节错位角度调节机构，以使移动平台(8)下降时形成断层与固定平台水平面延长线之间的夹角为45°～80°；
步骤402、操作千斤顶(5)收缩，滑移限位部件(7)沿支架(6)滑动而带动移动平台(8)下降，在移动平台(8)下降的过程中，模型土层发生断层；
步骤403、在模型土层发生断层的过程中，前摄像头按照预先设定的采样时间对模型土层的前侧面地裂缝图像进行实时采集，上摄像头按照预先设定的采样时间对模型土层的上表面地裂缝图像进行实时采集，通过第k个采样时刻的上表面地裂缝图像得到第k个采样时刻上表面地裂缝最大宽度As(k)，通过第k个采样时刻的前侧面地裂缝图像得到第k个采样时刻第j个模拟土层的侧面地裂缝最大宽度Ac,j(k)；其中，k为正整数；
同时，通过第j个左土压力盒按照预先设定的采样时间对第j个左土压力盒处的应力进行检测，得到第k个采样时刻第j个模拟土层的左应力εj,z(k)，通过第j个右土压力盒按照预先设定的采样时间对第j个右土压力盒处的应力进行检测，得到第k个采样时刻第j个模拟土层的右应力εi,y(k)，根据公式εj,zy(k)＝|εj,z(k)-εj,y(k)|，得到第k个采样时刻第j个模拟土层的应力变化量εj,zy(k)；通过第j个左孔压计按照预先设定的采样时间对第j个左孔压计处的孔隙水压力进行实时检测，得到第k个采样时刻第j个模拟土层的左孔隙水压力pj,z(k)，通过第j个右孔压计按照预先设定的采样时间对第j个右孔压计处的孔隙水压力进行实时检测，得到第k个采样时刻第j个模拟土层的右孔隙水压力pj,y(k)，根据公式pj,zy(k)＝|pj,z(k)-pj,y(k)|，得到第k个采样时刻第j个模拟土层的孔隙水压力变化量pj,zy(k)；
步骤404、在移动平台(8)下降的过程中，获取第k个采样时刻移动平台(8)的下降量，并记作第k个采样时刻断裂错动量为B(k)；
步骤405、直至移动平台(8)下降的垂直位移为30cm～40cm时，停止千斤顶(5)收缩，将得到的第k个采样时刻第j个模拟土层的应力变化量和第k个采样时刻第j个模拟土层的侧面地裂缝最大宽度Ac,j(k)按照采样时间先后顺序排序，并以横坐标为应力变化量，纵坐标为侧面地裂缝最大宽度，得到第j个模拟土层的侧面地裂缝宽度应力变化曲线；
将得到的第k个采样时刻第j个模拟土层的应力变化量和第k个采样时刻上表面地裂缝最大宽度As(k)按照采样时间先后顺序排序，并以横坐标为应力变化量，纵坐标为上表面地裂缝最大宽度，得到上表面地裂缝宽度应力变化曲线；
将得到的第k个采样时刻第j个模拟土层的孔隙水压力变化量和第k个采样时刻侧面地裂缝最大宽度Ac,j(k)按照采样时间先后顺序排序，并以横坐标为孔隙水压力变化量，纵坐标为侧面地裂缝最大宽度，得到第j个模拟土层的侧面地裂缝宽度孔隙水压力变化曲线；将得到的第k个采样时刻第j个模拟土层的孔隙水压力变化量和第k个采样时刻上表面地裂缝最大宽度As(k)按照采样时间先后顺序排序，并以横坐标为孔隙水压力变化量，纵坐标为上表面地裂缝最大宽度，得到上表面地裂缝宽度孔隙水压力变化曲线；
步骤406、将得到的第k个采样时刻断裂错动量为B(k)和第k个采样时刻第j个模拟土层的侧面地裂缝最大宽度Ac,j(k)按照采样时间先后顺序排序，并以横坐标为断裂错动量，纵坐标为侧面地裂缝最大宽度，得到第j个模拟土层的侧面地裂缝断裂错动量变化曲线；
将得到的第k个采样时刻断裂错动量为B(k)和第k个采样时刻上表面地裂缝最大宽度Ac(k)按照采样时间先后顺序排序，并以横坐标为断裂错动量，纵坐标为上表面地裂缝最大宽度，得到上表面地裂缝断裂错动量变化曲线；
步骤407、位移计(40)对模型土层表面的间距进行检测，并将第i个位移计(40)检测到的一次间距记作Si,1，根据公式Li,1＝Si,1-Si,0，从而得到模型土层发生断层时第i个位移计(40)检测到的模型土层的上表面沉降量Li,1；
步骤五、模型土层排水模拟地下水位变化：
步骤501、将排水阀(17-2)打开，并在模型土层的顶部加压进行排水，模拟地下水位变化；
步骤502、在模型土层排水的过程中，按照步骤405和步骤407所述的方法，得到地下水位变化过程中第j个模拟土层的侧面地裂缝宽度应力变化曲线和地下水位变化过程中第j个模拟土层的上表面地裂缝宽度应力变化曲线，以及地下水位变化过程中第j个模拟土层的侧面地裂缝宽度孔隙水压力变化曲线和地下水位变化过程中第j个模拟土层的上表面地裂缝宽度孔隙水压力变化曲线；
同时位移计(40)对模型土层表面的二次间距进行检测，并将第i个位移计(40)检测到的二次间距记作Si,2；根据公式Li,2＝Si,2-Si,1，从而得到模型土层地下水位变化时第i个位移计(40)检测到的模型土层的上表面沉降量Li,2；
步骤503、直至第一个左水分计(21)、第一个右水分计(23)、第二个左水分计(25)、第二个右水分计(27)、第三个左水分计(29)、第三个右水分计(31)、第四个左水分计(35)、第四个右水分计(37)检测到的含水量不发生变化，第一个左孔压计(32)、第一个右孔压计(33)、第二个左孔压计(38)和第二个右孔压计(39)检测到的孔隙水压力不发生变化时，且模型土层的上表面不再沉降，前侧面地裂缝图像和上表面地裂缝图像中地裂缝不变化时，完成模拟试验。
2.按照权利要求1所述的一种模拟断裂错动与地下水变化的地裂缝试验装置，其特征在于：步骤201中基岩层的厚度为20cm～30cm；步骤202中下粉砂层的厚度为60cm～70cm；步骤205中下粉质粘土层的厚度为40cm～50cm；步骤207中上粉砂层的厚度为40cm～50cm；步骤2010中上粉质粘土层的厚度为60cm～70cm；步骤2012中粉土层的厚度为30cm～40cm；预先设定的采样时间为1min～10min。
3.按照权利要求1所述的一种模拟断裂错动与地下水变化的地裂缝试验装置，其特征在于：步骤四中还进行如下具体过程：
步骤A、通过第k个采样时刻的上表面地裂缝图像得到第k个采样时刻上表面地裂缝长度Ls(k)，通过第k个采样时刻的前侧面地裂缝图像得到第k个采样时刻的侧面地裂缝长度Lc(k)；其中，k为正整数；
步骤B、根据
Figure FDA0003417716470000091
得到第k个采样时刻模型土层的平均应力变化量
Figure FDA0003417716470000092
将第k个采样时刻上表面地裂缝长度Ls(k)和第k个采样时刻模型土层的平均应力变化量按照采样时间先后顺序排序，并以横坐标为平均应力变化量，纵坐标为上表面地裂缝长度，得到上表面地裂缝长度应力变化曲线；
将第k个采样时刻的侧面地裂缝长度Lc(k)和第k个采样时刻模型土层的平均应力变化量按照采样时间先后顺序排序，并以横坐标为平均应力变化量，纵坐标为侧面地裂缝长度，得到侧面地裂缝长度应力变化曲线；
步骤C、根据
Figure FDA0003417716470000093
得到第k个采样时刻模型土层的平均孔隙水压力变化量
Figure FDA0003417716470000094
步骤D、按照步骤B所述的方法，得到上表面地裂缝长度孔隙水压力变化曲线和侧面地裂缝长度孔隙水压力变化曲线。
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