CN111158067B - 一种模拟隧道跨活动断层的试验装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种模拟隧道跨活动断层的试验装置，包括固定箱体(左半箱)、活动箱体(右半箱)、刚性底座、滚轴支座、活动钢板、曲柄滑块加载装置。通过电动机带动曲柄运动，然后连杆推动滑块，既可带动模型箱右盘做单向运动，又能做反复运动；通过电动机的转速调整，可模拟不同断层错动速率；通过调整曲柄与连杆长度的相对比例，可施加不同的断层位错量。该装置既能够实现城市浅埋地铁隧道底部围岩的模拟，也能够模拟不同错动速率下的地铁隧道模拟。另外，该实验装置可模拟不同埋深、不同隧道底部围岩性质、不同断层与隧道夹角隧道跨活动断层的受力状况。
Description
技术领域
本发明涉及隧道地震动响应的装置，具体涉及一种模拟城市地铁隧道跨活动断层的试验装置。
背景技术
断层是一种地壳岩层因受地壳运动产生的压力或张力超过本身的强度而发生破裂，并沿破裂面发生相对移动的地质构造。断层大小不一、规模不等，断层带上往往岩石破碎。断层由断层面和断盘构成，断层面是岩块发生相对位移的破裂面，位于断层面之上的称为上盘，断层面之下的称为下盘。依据上下盘相对运动方式的不同，分为顷滑断层、走滑断层及斜向滑动断层。岩块相对摩擦滑动有蠕滑和粘滑两种基本形式。粘滑错动是一种不稳定滑动，表现为断层上、下盘突发性的大变形错动，是造成跨断层地下结构破坏的主要因素。
目前，我国很多城市正在大规模地进行地铁建设，但是诸如北京、乌鲁木齐及太原等都位于高烈度区，由于城市地铁工程走向取决于城市交通功能的需求，因此将不可避免地穿越活动断裂带。如北京地铁12号线穿过南口-孙河断裂带、黄庄-高丽营断裂带、南苑-通县断裂带，天津地铁滨海新区B1线一期金林道站-天津大道站区间隧道穿越海河断裂带，乌鲁木齐地铁1号线穿越九家湾、雅玛里克及西山等多个活动断裂带，太原地铁2号线穿越新城-亲贤断裂带等。跨活动断裂带隧道在断层粘滑错动作用下会遭受极大地损害和破坏。因此，通过模型试验平台，研究断层错动作用下真实反映隧道衬砌结构的破坏机制，成为丞待解决的关键问题。
目前，国内已有的错动模型箱试验装置中，高波、王鸿儒等探讨了深埋山岭隧道的错动破坏机制，刘学增等研究了城市浅埋地铁隧道的错动破坏机制。对于城市浅埋地铁隧道，当隧道埋深位置距断层破碎带垂直位置较近时，隧道底部围岩的性质对隧道的影响不可忽略，而现有的模型试验箱均未考虑隧道底部围岩性质的影响。其次，各实验模型箱中均采用千斤顶或液化系统加载装置，但是该实验加载装置只能以固定速率沿某一方向运动，无法模拟断层往复错动和运动速率的变化。
发明内容
本发明的发明目的是提供一种模拟隧道穿越活动断层的试验装置，该装置既能够实现城市浅埋地铁隧道底部围岩的模拟，也能够模拟不同错动速率下的地铁隧道模拟。另外，该实验装置可模拟不同埋深、不同隧道底部围岩性质、不同断层与隧道夹角隧道跨活动断层的受力状况。
为实现上述目的，模拟隧道跨活动断层的试验装置，其特征为：
模拟隧道跨活动断层的试验装置，包括：固定箱体（左半箱）、活动箱体（右半箱）、刚性底座、滚轴支座、活动钢板、曲柄滑块加载装置。
固定箱体（左半箱）由左前板、左后板、左侧板、左底板、滚轴支座构成。左前板由左前矩形钢板与左前三角形钢板构成，左前矩形钢板与左前三角形钢板通过高强度螺栓连接；左后板由左后矩形钢板与左后三角形钢板构成，左后矩形钢板与左后三角形钢板通过高强度螺栓连接；左底板直接通过高强度螺栓固定于刚性底座上，左底板直接通过高强度螺栓固定于刚性底座上，滚轴支座由刚性卡口和自由圆钢构成。
活动箱体（右半箱）由右前板、右后板、右侧板、右底板、左侧活动钢板构成，右前板由右前矩形钢板与右前三角形钢板构成，右前矩形钢板与右前三角形钢板二者通过高强度螺栓连接；右后板由右后矩形钢板与右后三角形钢板构成，右后矩形钢板与右后三角形钢板通过高强度螺栓连接；在右前与右后矩形钢板底部安装两组对称的曲柄滑块气缸系统，倾角与左、右盘分割面滚轴支座的倾角相同；右前三角形钢板与右后三角形钢板设置刚性卡口，倾角与滚轴支座的倾角相同，活动钢板通过卡口可自由活动，便于进行隧道底部不同的围岩埋置。
左半箱的左前板的右边、左后板的右边均为倾斜的斜边；右半箱的右前板左边、右后板的左边均为倾斜的斜边；左前板的右边与右前板左边、左后板的右边与右后板的左边通过滚轴支座连接。
刚性底板为10-20mm厚钢板，通过螺栓固定于实验室地面上。刚性底板上设置曲柄，通过连杆与滑块连接，曲柄与电动机连接。
再者，在曲柄滑块加载系统中配有位移传感器。
本发明与现有技术相比，具有以下特点：
通过电动机带动曲柄运动，然后连杆推动滑块，既可带动模型箱右盘做单向运动，又能做反复运动；通过电动机的转速调整，可模拟不同断层错动速率；通过调整曲柄与连杆长度的相对比例，可施加不同的断层位错量。
通过调整左侧活动板进行不同厚度和性质土层的埋覆，可以实现不同隧道底部距围岩垂直距离条件下隧道跨活动断层的受力机理及破坏机制。
通过预制新的三角型钢板或梯形钢板，分别与右半箱、左半箱矩形钢板进行装配，可以实现任一断层夹角、任一断层类型的的跨活动断层模拟。
附图说明
图1为本装置组装后的正视结构示意图。
图2为本装置组装后的后视结构示意图。
图3为本装置组装后的左视结构示意图。
图4为本装置组装后的右视结构示意图。
图5为图4的A-A剖视图。
具体实施方式
模拟隧道跨活动断层的试验装置，包括：固定箱体、活动箱体、刚性底座300、滚轴支座、活动钢板500和曲柄滑块加载装置。
固定箱体由左前板、左后板、左侧板103、左底板104、滚轴支座构成。左前板由左前矩形钢板105与左前三角形钢板106构成，左前矩形钢板105右侧T形钢板109与左前三角形钢板106左侧T形钢板110通过高强度螺栓111连接；左后板由左后矩形钢板107与左后三角形钢板108构成，左后矩形钢板107右侧T形钢板112与左后三角形钢板108左侧T形钢板113通过高强度螺栓111连接；左底板104直接通过高强度螺栓111固定于刚性底座300上。滚轴支座由刚性卡口401和自由圆钢402构成。
活动箱体由右前板、右后板、右侧板203、右底板204、活动钢板500构成，右前板由右前矩形钢板205与右前三角形钢板206构成，右前矩形钢板205左侧T形钢板209与右前三角形钢板206右侧T形钢板210通过高强度螺栓111连接；右后板由右后矩形钢板207与右后三角形钢板208构成，右后板由右后矩形钢板207与右后三角形钢板208构成，右后矩形钢板207左侧T形钢板212与右后三角形钢板208右侧T形钢板213通过高强度螺栓111连接；在右前矩形钢板205与右后矩形钢板207底部安装两组对称的曲柄滑块加载装置，倾角与左、右盘分割面滚轴支座的倾角相同；右前三角形钢板206与右后三角形钢板208设置刚性卡口401，倾角与滚轴支座的倾角相同，活动钢板500通过卡口401自由活动，在埋置土层时，先进行左半箱土层的埋置，再进行右半箱土层的埋置，较易实现不同围岩不同角度岩层的埋置。
曲柄滑块加载装置由右前曲柄滑块加载装置和右后曲柄滑块加载装置构成，右前曲柄滑块加载装置由右前滑块603、右前气缸604、右前连杆605及曲柄606构成，右后曲柄滑块加载装置由右后滑块607、右后气缸608、右后连杆及曲柄610构成，分别固定在右前矩形钢板205和右后矩形钢板207侧壁，右前气缸604和右后气缸608设置角度与滚轴倾角相同，右前曲柄606和右后曲柄610固定在刚性底座上，电动机带动曲柄运动，然后右前连杆605推动右前滑块603，右后连杆609带动右后滑块607，即可带动模型箱右盘通过滚轴支座沿左前三角形钢板106右边、左后三角形钢板108右边倾斜向上运动。
加载的同时，通过右前位移传感器611和右后位移传感器612实时监测右半箱的位移，使其达到设定的位移。
Claims (4)
1.一种模拟隧道跨活动断层的试验装置，其特征在于：包括固定箱体、活动箱体、刚性底座、滚轴支座、活动钢板、曲柄滑块加载装置；
固定箱体由左前板、左后板、左侧板、左底板构成；左前板由左前矩形钢板与左前三角形钢板构成，左前矩形钢板与左前三角形钢板通过高强度螺栓连接；左后板由左后矩形钢板与左后三角形钢板构成，左后矩形钢板与左后三角形钢板通过高强度螺栓连接；左底板直接通过高强度螺栓固定于刚性底座上，滚轴支座由刚性卡口和自由圆钢构成；
活动箱体由右前板、右后板、右侧板、右底板构成，右前板由右前矩形钢板与右前三角形钢板构成，右前矩形钢板与右前三角形钢板二者通过高强度螺栓连接；右后板由右后矩形钢板与右后三角形钢板构成，右后矩形钢板与右后三角形钢板通过高强度螺栓连接；在右前与右后矩形钢板底部安装两组对称的曲柄滑块加载装置，倾角与左、右盘分割面滚轴支座的倾角相同；右前三角形钢板与右后三角形钢板设置刚性卡口，倾角与滚轴支座的倾角相同，活动钢板通过卡口可自由活动，便于进行隧道底部不同的围岩埋置；曲柄滑块加载装置由右前曲柄滑块加载装置和右后曲柄滑块加载装置构成，右前曲柄滑块加载装置由右前滑块、右前气缸、右前连杆及右前曲柄构成，右后曲柄滑块加载装置由右后滑块、右后气缸、右后连杆及右后曲柄构成，右前曲柄滑块加载装置和右后曲柄滑块加载装置分别固定在右前矩形钢板和右后矩形钢板侧壁，右前气缸和右后气缸设置角度与滚轴支座倾角相同，右前曲柄和右后曲柄固定在刚性底座上，电动机带动右前曲柄和右后曲柄运动，然后右前连杆推动右前滑块，右后连杆带动右后滑块，即可带动活动箱体通过滚轴支座沿左前三角形钢板右边、左后三角形钢板右边倾斜向上运动。
2.根据权利要求1所述的一种模拟隧道跨活动断层的试验装置，其特征在于：固定箱体的左前板的右边、左后板的右边均为倾斜的斜边；活动箱体的右前板左边、右后板的左边均为倾斜的斜边；左前板的右边与右前板左边、左后板的右边与右后板的左边通过滚轴支座连接。
3.根据权利要求1所述的一种模拟隧道跨活动断层的试验装置，其特征在于：刚性底座为10-20mm厚钢板，通过螺栓固定于实验室地面上。
4.根据权利要求3所述的一种模拟隧道跨活动断层的试验装置，其特征在于：在右前曲柄滑块加载装置和右后曲柄滑块加载装置中均配有位移传感器。
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