CN111289349B - 一种恒压伺服地应力加载隧道抗错断试验装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种恒压伺服地应力加载隧道抗错断试验装置，包括模型箱，模型箱包括被动模型箱结构框架和主动模型箱结构框架，被动模型箱结构框架和主动模型箱结构框架的顶部均布置顶部地应力加载单元；被动模型箱结构框架的第一侧部与主动模型箱结构框架的第一侧部相贴合，被动模型箱结构框架和主动模型箱结构框架的第二至第四侧部均设置有侧部地应力加载单元；被动模型箱结构框架和主动模型箱结构框架底侧设置模型箱底部固定钢板，本发明有效改进了地应力加载的均匀性，保证错断过程中围压恒定，并可以考虑走滑型断层和倾滑型断层的耦合错断。具有积极的应用价值。

Description

一种恒压伺服地应力加载隧道抗错断试验装置

技术领域

本发明属于隧道模型试验装置技术领域，具体涉及一种恒压伺服地应力加载隧道抗错断试验装置。

背景技术

对于我国西部强震区拟建的隧道工程，特别是长大隧道而言，往往不可避免的穿越位于西部地区的复杂不良地质区段，接近或跨越地震活动断裂带。长大隧道作为国家重大基建项目的关键性组成部分，在保障国家资源安全、促进社会经济发展方面作用巨大，是国家战略和生命线工程的重要基础设施。历次强震事件中的错断破坏历史案例，凸显了开展隧道抗错断研究的重要性，也为研究的开展提供了基础性资料和重点突破方向。研究剖析不同机制的断层条件下跨断层隧道的错断变形模式与破坏机理，有助于提升我国西部重大隧道工程的抗错断设计理论水平，是保障国家重大生命线工程安全运行与全寿命周期的重要前提。在针对活动断裂错动引起的岩体-隧洞变形破坏过程分析方法中，由于实际观测资料的缺乏，研究过程中多采用试验模拟与数值分析方法开展研究。而模型试验相对数值模拟等手段来说，更形象直观，可以直接反应隧道围岩的工程地质特征并直接考虑围岩-隧道的相互作用，这些特点使得模型试验在研究中具有必不可少的关键地位。

断层的类型可以按照其运动方式分为走滑断层和倾滑型断层。走滑断层的等震线通常对称分布于发震断层的两侧。其发震时破坏规模大，长度通常为数十公里甚至数百公里，宽度以数十米常见，整体来看呈狭长形状。倾滑型断层包括正断层和逆断层，两者产生的震害，在类型、力学性质及分布位置上基本相似。所产生的地面灾害一般情况下均为面状，主要表现为大面积跨山、滑坡、地面沉陷、砂土液化及松散堆积物上散布的张性，张扭性裂缝。其除此之外，断层还有可能兼具走滑型断层和倾滑型断层的性质，可称之为走倾兼备型。

同时，这些穿越活动活动断裂的隧道，埋深多数较大，带来的问题是初始地应力的影响不可忽视，初始地应力的方向、量值和分布形式是影响隧道等地下工程围岩应力、变形和破坏模式的重要因素之一。也是工程合理设计施工所需要的重要依据之一。

目前，在已有的可以考虑地应力的活断层错断模型试验装置中：

中国专利授权公告号CN104809947B，授权公告日2017.7.21，发明名称为《一种可施加三轴应力的穿越活动断裂带隧道错动破坏的模型试验装置》，该发明设计了一种可以在顶部施加地应力并进行走滑(水平)向错动加载的模型试验装置。

中国专利授权公告号CN105067438B，授权公告日2017.10.27，发明名称为《一种可加压走滑断层错动模拟装置及模拟实验方法》，该发明设计了一种可以一定施加三维地应力并进行水平向错动加载的模型试验装置。

中国专利授权公告号CN105223081B，授权公告日2018.3.16，发明名称为《地应力效应下活动断裂带错动位移分布模型试验装置》，该本发明设计了一种地应力效应下活动断裂带错动位移分布模型试验装置。

中国专利授权公告号CN106198191B，授权公告日2018.11.20，发明名称为《一种可以考虑走滑型断层的隧道抗错断模型试验装置》，该发明设计了可以模拟走倾兼备型断层错动的隧道抗错断模型试验装置。

已有的设计一定程度上对考虑地应力条件下隧道的错断剪切模型试验进行了探索，但尚存在以下两点重要不足尚待改进：

1.地应力围压加载不均匀

现有部分试验装置中，采用顶部或侧面布置千斤顶顶推钢板对围岩相似材料施加压力，这种加压方式可以一定程度施加地应力，但受内部围岩相似材料应力再平衡影响，效果较差。同时，在加载过程中，通常对于模型箱一侧，采用单个加载板加载，适应能力差，继而导致地应力加载效果较差。

2.地应力加载后剪切过程中不能维持恒定围压

现有试验装置中，地应力围压加载系统与错断加载系统不解耦，使得在错断加载过程中，加载系统仅能保证错断加载，不能适应在错断过程中不停变形的围岩相似材料，使得剪切过程中相似材料内部的压力不能通过伺服保证为所要求的围压量值。

3.不能同时考虑走滑型断层和倾滑型断层的耦合错断

已有的试验装置中，多仅能考虑走滑型断层(水平)或倾滑型断层(竖直)的单向加载，不能考虑两个错断方向的耦合作用。而现实中，活动断层总是不同程度的同时具有走滑或倾滑趋势的，现有的单向加载方式不能正确的反应真实活动断层作用。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术存在的上述缺陷，克服以往的隧道抗错断试验装置的缺点和不足，针对以往的隧道抗错断试验装置地应力加载不均匀、不能伺服恒压、不能模拟走滑型断层和倾滑型断层的耦合错断的现状，提供一种恒压伺服地应力加载隧道抗错断试验装置。有效改进了地应力加载的均匀性，保证错断过程中围压恒定，并可以考虑走滑型断层和倾滑型断层的耦合错断。具有积极的应用价值。

为了解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：

一种恒压伺服地应力加载隧道抗错断试验装置，包括模型箱，模型箱包括被动模型箱结构框架和主动模型箱结构框架，

被动模型箱结构框架和主动模型箱结构框架的顶部均布置顶部地应力加载单元；

被动模型箱结构框架周向依次分别为第一侧部、第二侧部、第三侧部和第四侧部，主动模型箱结构框架周向依次分别为第一侧部、第二侧部、第三侧部和第四侧部；

被动模型箱结构框架的第一侧部与主动模型箱结构框架的第一侧部相贴合，

被动模型箱结构框架的第二侧部、第三侧部和第四侧部均设置有侧部地应力加载单元；

被动模型箱结构框架底侧设置模型箱底部固定钢板；

主动模型箱结构框架的第二侧部、第三侧部和第四侧部均设置有侧部地应力加载单元；

主动模型箱结构框架的底部设置模型箱底部固定钢板。

如上所述的侧部地应力加载单元包括：侧部地应力加载板、侧部地应力伺服千斤顶和地应力支撑支架，

被动模型箱结构框架侧部的地应力支撑支架与被动模型箱结构框架相连，主动模型箱结构框架侧部的地应力支撑支架与主动模型箱结构框架相连，

侧部地应力伺服千斤顶的固定部与地应力支撑支架连接,侧部地应力伺服千斤顶的伸缩部与侧部地应力加载板连接。

如上所述的被动模型箱结构框架的第二侧部和第四侧部的侧部地应力加载单元的地应力支撑支架均通过支撑轴与反力框架相连，被动模型箱结构框架底部的模型箱底部固定钢板通过支撑轴与地面相连；

主动模型箱结构框架的第二侧部和第四侧部的侧部地应力加载单元的地应力支撑支架均与对应的走滑向剪切千斤顶的固定部连接，走滑向剪切千斤顶的伸缩部与对应的滚珠支撑小车连接，

主动模型箱结构框架的第三侧部的侧部地应力加载单元的地应力支撑支架与滚珠支撑小车连接，

主动模型箱结构框架的侧部的滚珠支撑小车与反力框架相抵；

主动模型箱结构框架的底部设置模型箱底部固定钢板，倾滑向剪切千斤顶的固定部与滚珠支撑小车连接，倾滑向剪切千斤顶的伸缩部与主动模型箱结构框架的底部的模型箱底部固定钢板连接，

主动模型箱结构框架的底部的滚珠支撑小车支撑于地面。

如上所述的顶部地应力加载单元包括顶部地应力加载板、顶部地应力伺服千斤顶和顶部加载支架，

顶部地应力伺服千斤顶的固定部与顶部加载支架相抵，顶部地应力伺服千斤顶的伸缩部与顶部地应力加载板连接，

被动模型箱结构框架顶部的顶部加载支架的两端通过铰链与被动模型箱结构框架相连；

主动模型箱结构框架顶部的顶部加载支架的两端通过铰链与主动模型箱结构框架相连。

本发明与现有技术相比较，具有如下显著优点:

1、本发明通过在模型箱顶部，四周设置加载地应力，形成五向加载，受围岩相似材料应力再平衡影响较小，改进了地应力施加效果；

2、本发明通过在模型箱每侧设置多个单独的侧部地应力加载单元，使得地应力围压施加更加均匀，进一步改进了地应力施加效果；

3、本发明通过将地应力围压加载与错断加载解耦，使得地应力围压加载与错断加载可分别独立运行，地应力围压加载可以在错断加载过程中不断伺服调整，维持恒定的围压量值；

4、本发明设置滚珠支撑小车，使得可以同时施加水平与竖直方向的错断，使得装置可以模拟走滑型断层和倾滑型断层的耦合错断；

5、采用本模型试验装置，对于研究高地应力地区穿越走滑断层、走倾兼备型断层的错断破坏模式与抗错断工程措施具有重要意义。

附图说明

图1为本发明的整体立体结构示意图；

图2为模型箱的整体立体结构示意图；

图3为模型箱的俯视结构示意图；

图4为模型箱的侧视结构示意图；

图5为被动模型箱的立体结构示意图；

图6为主动模型箱的立体结构示意图；

图7为地应力支撑支架的结构示意图；

图8为被动模型箱结构框架/主动模型箱结构框架结构示意图。

其中，1-模型箱；2-反力框架；11-被动模型箱；12-主动模型箱；101-顶部加载支架；102-顶部地应力伺服千斤顶；103-走滑向剪切千斤顶；104-滚珠支撑小车；105-支撑轴；106-地应力支撑支架；107-顶部地应力加载板；108-贴合平面；109-倾滑向剪切千斤顶；110-模型箱结构框架；111-铰链；112-模型箱底部固定钢板；

1071-侧部地应力加载板；1021-侧部地应力伺服千斤顶。

具体实施方式

为了便于本领域普通技术人员理解和实施本发明，下面结合实施例对本发明作进一步的详细描述，应当理解，此处所描述的实施示例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。

一种恒压伺服地应力加载隧道抗错断试验装置，包括模型箱1、反力框架2。模型箱1负责容纳围岩相似材料与隧道模型开展试验，提供地应力伺服恒压，提供水平向错断剪切推力，同时提供竖直向剪切推力；外部框架结构负责抵抗剪切过程中的反力。

模型箱1包括被动模型箱11和主动模型箱12，被动模型箱包括被动模型箱结构框架，主动模型箱包括主动模型箱结构框架，被动模型箱结构框架和主动模型箱结构框架构成模型箱结构框架110。

如图5所示，被动模型箱结构框架顶部布置两个顶部地应力加载单元，每个主动箱顶部地应力加载单元包括顶部地应力加载板107，顶部地应力伺服千斤顶102、及顶部加载支架101，顶部地应力伺服千斤顶102的固定部与顶部加载支架101相抵，顶部地应力伺服千斤顶102的伸缩部与顶部地应力加载板107连接，被动模型箱结构框架顶部的顶部加载支架101的两端通过铰链111与被动模型箱结构框架相连,抵消顶部地应力伺服千斤顶102加载的反力，并可以通过铰链111翻起打开，为封闭的模型箱提供开口，方便往模型箱中填充相似材料与隧道模型。

被动模型箱结构框架周向依次分别为第一侧部、第二侧部、第三侧部和第四侧部，主动模型箱结构框架周向依次分别为第一侧部、第二侧部、第三侧部和第四侧部。

被动模型箱结构框架的第一侧部与主动模型箱结构框架的第一侧部相贴合，被动模型箱结构框架的第三侧部设置有四个侧部地应力加载单元，被动模型箱结构框架的第二侧部和第四侧部均分别设置有两个侧部地应力加载单元，侧部地应力加载单元包括侧部地应力加载板1071、侧部地应力伺服千斤顶1021和地应力支撑支架106，被动模型箱结构框架侧部(第二侧部、第三侧部、第四侧部)的地应力支撑支架106与被动模型箱结构框架相连，侧部地应力伺服千斤顶1021的固定部与地应力支撑支架106连接,抵消地侧部应力伺服千斤顶102加载的反力，侧部地应力伺服千斤顶1021的伸缩部与侧部地应力加载板1071连接。

被动模型箱结构框架底侧设置模型箱底部固定钢板112。

被动模型箱结构框架的第二侧部和第四侧部的侧部地应力加载单元的地应力支撑支架106均通过支撑轴105与反力框架2相连，被动模型箱结构框架底部的模型箱底部固定钢板112通过支撑轴105与地面相连。

如图4和6所示，主动模型箱结构框架顶部布置两个顶部地应力加载单元，每个顶部地应力加载单元包括顶部地应力加载板107，顶部地应力伺服千斤顶102、及顶部加载支架101，顶部地应力伺服千斤顶102的固定部与顶部加载支架101相抵，顶部地应力伺服千斤顶102的伸缩部与顶部地应力加载板107连接，主动模型箱结构框架顶部的顶部加载支架101的两端通过铰链111与主动模型箱结构框架相连,抵消顶部地应力伺服千斤顶102加载的反力，并可以通过铰链翻起打开，为封闭的模型箱提供开口，方便往模型箱中填充相似材料与隧道模型。

主动模型箱结构框架底侧设置模型箱底部固定钢板112，倾滑向剪切千斤顶109的固定部与滚珠支撑小车104连接，倾滑向剪切千斤顶109的伸缩部与主动模型箱结构框架底侧的模型箱底部固定钢板112连接。

主动模型箱结构框架周向依次分别为第一侧部、第二侧部、第三侧部和第四侧部。主动模型箱结构框架的第一侧部与被动模型箱结构框架的第一侧部贴合，主动模型箱结构框架的第三侧部设置有四个侧部地应力加载单元，主动模型箱结构框架的第二侧部和第四侧部均设置有两个侧部地应力加载单元。

侧部地应力加载单元包括侧部地应力加载板1071、侧部地应力伺服千斤顶1021和地应力支撑支架106，主动模型箱结构框架侧部(第二侧部、第三侧部、第四侧部)的地应力支撑支架106与被动模型箱结构框架相连，侧部地应力伺服千斤顶1021的固定部与地应力支撑支架106连接,抵消地侧部应力伺服千斤顶1021加载的反力，侧部地应力伺服千斤顶1021的伸缩部与侧部地应力加载板1071连接。

主动模型箱结构框架的第二侧部和第四侧部的侧部地应力加载单元的地应力支撑支架106均与对应的走滑向剪切千斤顶103的固定部连接，走滑向剪切千斤顶103的伸缩部与对应的滚珠支撑小车104连接，。

主动模型箱结构框架的第三侧部的侧部地应力加载单元的地应力支撑支架106与滚珠支撑小车104连接。

主动模型箱结构框架的侧部(第二侧部、第三侧部、第四侧部)的滚珠支撑小车104与反力框架2相抵。

走滑向剪切千斤顶103通过地应力支撑支架106与主动模型箱结构框架相连，实施水平剪切推动，在走滑向剪切千斤顶103运动过程中，地应力伺服千斤顶102通过地应力加载板107持续对模型箱内部施加伺服围压，不受走滑向剪切千斤顶103运动影响，走滑向剪切千斤顶103通过滚珠支撑小车104将反力传递至反力框架2上，滚珠支撑小车104保证了模型箱主动在竖直移动的同时仍可以水平移动。

主动模型箱结构框架的底部设置模型箱底部固定钢板112。倾滑向剪切千斤顶109的固定部与滚珠支撑小车104连接，倾滑向剪切千斤顶109的伸缩部与模型箱底部固定钢板112连接，主动模型箱结构框架的底部的滚珠支撑小车104支撑于地面。倾滑向剪切千斤顶109作用于主动模型箱结构框底部的底部固定钢板112上，为主动模型箱结构框主动提供竖直向上的剪切推力。倾滑向剪切千斤顶109通过滚珠支撑小车104将反力传递至地面，滚珠支撑小车104保证了倾滑向剪切千斤顶109在提供竖直推力的同时仍可以水平移动。

主动模型箱结构框架的第一侧部的边沿和被动模型箱结构框架的第一侧部的边沿均设置贴合平面108，主动模型箱结构框架的第一侧部的贴合平面108和被动模型箱结构框架的第一侧部的贴合平面108贴合，降低剪切过程中摩擦力并保证剪切过程中填充物不漏出。贴合平面108与模型箱结构框架110相连。

任意一个地应力加载板107上均可钻小孔，引出模型箱内部检测仪器电线。

下面结合附图，通过一个优选实例对本发明作进一步地详细说明

步骤1、首先按照图示部件，制作隧道抗错断模型试验装置；

步骤2、按照真实工程的地质条件制作模拟岩体的相似材料与隧道模型；

步骤3、利用铰链111打开模型箱顶部，向模型箱内填充相似材料与隧道模型，直至填满模型箱；

步骤4、利用铰链111关闭模型箱顶部，锁定铰链111；

步骤5、顶部与侧面的各个顶部地应力伺服千斤顶102和侧部地应力伺服千斤顶1021开始施加地应力围压，反复调整直至模型箱内部的监测仪器现实围压施加完毕；

步骤6、根据试验需要，可以灵活决定水平向、竖直向加载顺序，抑或同时耦合加载，本优选实例中，走滑向剪切千斤顶103首先开始水平错断剪切，在剪切过程中，各个顶部地应力伺服千斤顶102和侧部地应力伺服千斤顶1021持续作用，维持稳定性的地应力围压，模型箱内部监测仪器持续开展围岩相似材料与隧道模型的各类监测；

步骤7、走滑错断剪切加载完成后，倾滑向剪切千斤顶109开始竖直向剪切，在剪切过程中，各个顶部地应力伺服千斤顶102和侧部地应力伺服千斤顶1021持续作用，维持稳定性的地应力围压，模型箱内部监测仪器持续开展围岩相似材料与隧道模型的各类监测；

步骤8、试验结束后，解锁铰链111，打开模型箱顶部，挖出模型箱内填充的相似材料与隧道模型，观察破坏情况。

本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

Claims (1)

1.一种恒压伺服地应力加载隧道抗错断试验装置，包括模型箱（1），其特征在于，模型箱（1）包括被动模型箱结构框架和主动模型箱结构框架，

被动模型箱结构框架和主动模型箱结构框架的顶部均布置顶部地应力加载单元；

被动模型箱结构框架周向依次分别为第一侧部、第二侧部、第三侧部和第四侧部，主动模型箱结构框架周向依次分别为第一侧部、第二侧部、第三侧部和第四侧部；

被动模型箱结构框架的第一侧部与主动模型箱结构框架的第一侧部相贴合，

被动模型箱结构框架的第二侧部、第三侧部和第四侧部均设置有侧部地应力加载单元；

被动模型箱结构框架底侧设置模型箱底部固定钢板（112）；

主动模型箱结构框架的第二侧部、第三侧部和第四侧部均设置有侧部地应力加载单元；

主动模型箱结构框架的底部设置模型箱底部固定钢板（112），

被动模型箱结构框架的第二侧部和第四侧部的侧部地应力加载单元的地应力支撑支架（106）均通过支撑轴（105）与反力框架（2）相连，被动模型箱结构框架底部的模型箱底部固定钢板（112）通过支撑轴（105）与地面相连；

主动模型箱结构框架的第二侧部和第四侧部的侧部地应力加载单元的地应力支撑支架（106）均与对应的走滑向剪切千斤顶（103）的固定部连接，走滑向剪切千斤顶（103）的伸缩部与对应的滚珠支撑小车（104）连接，

主动模型箱结构框架的第三侧部的侧部地应力加载单元的地应力支撑支架（106）与滚珠支撑小车（104）连接，

主动模型箱结构框架的侧部的滚珠支撑小车（104）与反力框架（2）相抵；

主动模型箱结构框架的底部设置模型箱底部固定钢板（112），倾滑向剪切千斤顶（109）的固定部与滚珠支撑小车（104）连接，倾滑向剪切千斤顶（109）的伸缩部与主动模型箱结构框架的底部的模型箱底部固定钢板（112）连接，

主动模型箱结构框架的底部的滚珠支撑小车（104）支撑于地面，

侧部地应力加载单元包括：侧部地应力加载板（1071）、侧部地应力伺服千斤顶（1021）和地应力支撑支架（106），

被动模型箱结构框架侧部的地应力支撑支架（106）与被动模型箱结构框架相连，主动模型箱结构框架侧部的地应力支撑支架（106）与主动模型箱结构框架相连，

侧部地应力伺服千斤顶（1021）的固定部与地应力支撑支架（106）连接,侧部地应力伺服千斤顶（1021）的伸缩部与侧部地应力加载板（1071）连接，

顶部地应力加载单元包括顶部地应力加载板（107）、顶部地应力伺服千斤顶（102）和顶部加载支架（101），

顶部地应力伺服千斤顶（102）的固定部与顶部加载支架（101）相抵，顶部地应力伺服千斤顶（102）的伸缩部与顶部地应力加载板（107）连接，

被动模型箱结构框架顶部的顶部加载支架（101）的两端通过铰链（111）与被动模型箱结构框架相连；

主动模型箱结构框架顶部的顶部加载支架（101）的两端通过铰链（111）与主动模型箱结构框架相连。

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