CN111929149A - 一种走滑断裂局部应力场演化的物理模拟系统 - Google Patents

Abstract

一种走滑断裂局部应力场演化的室内物理模拟系统，涉及一种岩土试验系统，可以预制不同角度断层面，并且能够模拟围压，通过改变试验影响因素研究走滑断裂局部应力场的演化规律，为该领域断裂局部应力场的研究提供了参考方案。一种走滑断裂局部应力场的室内模拟系统，包括制样时裂隙角度调节装置，试验时模拟围压加压装置、环箍效应消除装置。其中所述裂隙角度调节装置由可伸缩弯折管、带刻度旋转盘、锁定装置、裂隙面组成。

Description

一种走滑断裂局部应力场演化的物理模拟系统

技术领域

本发明涉及一种岩土试验系统，专门适用于走滑断裂局部应力场演化规律的室内物理模拟。

背景技术

地震活动、活断层活动是区域构造应力作用下地壳应力局部集中导致构造运动的结果，区域构造应力是地质构造活动的驱动力，局部应力变化是地质体活动的重要标志。在构造地震中，以走滑型地震为主,当区域构造应力作用于走滑断裂时，断裂两盘岩体产生相对变形，从而在断层周围分别形成拉张应力区和挤压应力区，改变了断层周围局部的应力状态，使局部应力场与构造应力场的最大主应力方向产生差异。因此，研究走滑断裂局部应力场的变化及其与断裂活动性的关系对区域地壳稳定性评价、岩体工程稳定性评价具有重要的理论意义和工程实用价值。目前，对该问题的研究一般采用数值模拟、物理模拟以及现场实例验证等方法，物理模拟试验中，通过相似性准则将断裂缩尺到试验室尺度下，预制含不同角度的走滑断层，探究区域构造应力场作用下，断层局部应力场的变化规律，显得尤为必要。目前，对于岩体中裂隙面的预制普遍无法进行角度大小的调节，且试样的加压方式只是片面的竖向加压甚至无法加压。如专利CN104809947A，本发明提供一种可实现上覆土体应力水平的模拟，充分考虑土体力学性能的应力水平相关特性,实验操作易于实现的可加压走滑断层错动模拟装置,以及一种基于可加压走滑断层错动模拟装置的模拟实验方法。但是该专利破裂面的角度大小固定，加之该装置只能进行竖向加压，无法完成多维压制；又如专利CN104951945A，为解决现有的构造模拟实验装置不能够确切地反映走滑构造模拟研究过程的缺陷，本发明提供了一种走滑断裂物理模拟实验装置及其操作方法。它能够实时记录走滑断裂作用中质点的位移过程，可以使走滑断裂模拟实验研究更切合实际。然而其裂隙面的角度相对固定并且没有加压装置。

为此，本发明专利提供一种走滑断裂局部应力场演化的室内物理模拟系统，可以预制不同角度断层面，并且能够模拟围压，通过改变试验影响因素研究走滑断裂局部应力场的演化规律，为该领域断裂局部应力场的研究提供了参考方案。

发明内容

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种走滑断裂局部应力场的室内模拟系统，包括制样时裂隙角度调节装置，试验时模拟围压加压装置、环箍效应消除装置。

其中所述裂隙角度调节装置由可伸缩弯折管、带刻度旋转盘、锁定装置、裂隙面组成。

为保证裂隙面(7)能跟随带刻度旋转盘(6)一起旋转并可以调节高度，使用可伸缩弯折管(3)(该零件由一个伸缩杆与一个双头拼接管组合而成)将裂隙面(7)与带刻度旋转盘(6)进行组装；可伸缩弯折管(3)分为凹凸两个部分，刚接于带刻度旋转盘(6)表面上，并垂直穿过裂隙面；两个可伸缩弯折管(3)进行拼接，将裂隙面(7)固定在带刻度旋转盘(6)中心位置。将裂隙面(7)放入装置内部，通过可伸缩弯折管(3)调节裂隙面的高度，旋转带刻度旋转盘(6)进一步设定不同角度的裂隙面，考虑到裂隙面(7)的角度在调整后固定的问题，需要对其进行锁定，此时需要将卡扣(5)插入锁定装置(4)对裂隙面(7)进行卡锁。

模拟围压加压装置由上部压力机、上部动力杆、上部压板、上部横向可伸缩压力板、可旋转压力板、轴向压力板、轴向可伸缩动力杆、伺服电机、滑动底座、模拟围压滑动承压板、模拟围压向滚轴排、压力枕、反力架、模具可滑动底板、底部滑轨、底部滚轴排、滑轨组成。

模拟围压加压装置的压力板为上部横向可伸缩压力板(11)，考虑裂隙面位于试样中部，而试样总共有两米的长度，压实时需要分层分段压实，所以设计两端向中间同时施力，此时材料间孔隙比逐渐缩小，轴向长度势必会因此减小，所以上部压力板设计为可伸缩结构，消除在进行轴向施压时上部施压对它的约束，保证轴向压缩时的压实空间；考虑轴向压力比较大，为防止施压时裂隙面的位置会因轴向压力而发生变化，其上部压力板须为裂隙面提供一定的约束，裂隙面则必须垂直穿过上部压力板，为了避免裂隙面的角度受到上部压力板的影响，将上部压力板的中心位置设置为可旋转压力板(12)，在裂隙面旋转时同步旋转，使上部施压过程不会对不同走向的裂隙面造成影响。而可旋转压力板(12)为圆盘，此圆盘正中间有一长方形凹槽，裂隙面(7)可穿过此凹槽带动可旋转压力板旋转；可旋转压力板(12)位于上部横向可伸缩压力板(11)内部中心位置，可旋转压力板(12)可在上部横向可伸缩压力板(11)内部自由旋转。

模拟围压加压装置的上部压力板(10)设有滑轨，使上部横向可伸缩压力板(11)能够在上部压力板(10)上自由滑动。第一模拟围压滑动承压板(17-1)放置于第一模拟围压向滚轴排(18-1)上并滑动连接，第一模拟围压向滚轴排(18-1)与第一压力枕(19-1)相接触并且拼接于第一反力架(20-1)上，第一压力枕(19-1)与第一反力架(20-1)刚性连接；第二模拟围压滑动承压板(17-2)放置于第二模拟围压向滚轴排(18-2)上并滑动连接，第二模拟围压向滚轴排(18-2)与第二压力枕(19-2)相接触并且拼接于第二反力架(20-2)上，第二压力枕(19-2)与第二反力架(20-2)刚性连接。而第一反力架(20-1)、第二反力架(20-2)则与外部框架(1)、外部框架上盖(2)刚性连接。第一模拟围压滑动承压板(17-1)、第二模拟围压滑动承压板(17-2)坐落于模具可滑动底板(21)上，与模具可滑动底板(21)边缘具有小于5cm的距离。而模具可滑动底板(21)与底部滑轨(22)、底部滚轴排(23)滑动连接。而底部滚轴排(23)位于底部滑轨(22)中间并与其刚性连接，底部滑轨(22)同样的与外部框架(1)刚性连接。第一伺服电机(15-1)坐落在第一滑动底座(16-1)上，第二伺服电机(15-2)坐落在第二滑动底座(16-2)上；而第一滑动底座(16-1)、第二滑动底座(16-2)与滑轨(24)滑动连接。

模拟围压加压装置的第一模拟围压滑动承压板(17-1)可以在第一模拟围压向滚轴排(18-1)上自由移动，第二模拟围压滑动承压板(17-2)同样可以在第二模拟围压向滚轴排(18-2)上自由移动，从而降低了在加载压力时试样端部与承压板间的摩擦力对横向变形发生的约束，消除环箍效应。模拟围压加压装置在进行轴向施压时的动力杆为可伸缩动力杆，可在运作时进行分级施压，使其在轴向具有一定的伸缩空间。

为了保证制样结束后试样进行养护或其他操作时的完整性，用第一模具盒卡扣板(25-1)、第二模具盒卡扣板(25-2)、模具可滑动底板(21)与第一模拟围压滑动承压板(17-1)、第二模拟围压滑动承压板(17-2)形成一个封闭空间。形成的封闭空间与第一模拟围压向滚轴排(18-1)、第一模拟围压向滚轴排(18-2)能够组成环箍效应消除装置，可以消除在试样受轴向压力作用时摩擦阻力对横向变形的约束所产生的环箍效应，消除外部因素对试验的影响，保证试验的准确性。

为保证试验结束后将试样取出进行下一步操作，模拟围压加压装置的左侧滑轨延伸出一定距离，方便将伺服电机移到一侧，空出环箍消除装置中盒部的取出的空间。

本发明的有益效果是：

能够在室内进行走滑断裂局部应力场的模拟，操作简便，适用范围广。通过改变走滑断裂局部应力场模拟试验中岩性、区域构造应力场作用和断裂自身条件等影响因素，进而全面研究。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明：

图1是本发明的结构示意图

图2是本发明的正视图

图3是本发明的侧视图

图4是本发明的俯视图

图5是本发明的裂隙走向调节装置

图6是本发明的模拟围压加压装置

图7是本发明的环箍效应消除装置

图8是本发明的环箍效应消除装置的组装图

图9是裂隙面固定图

图中1.外部框架，2.外部框架上盖，3.可伸缩弯折管，4.锁定装置，5.卡扣，6.带刻度旋转盘，7.裂隙面，8.上部压力机，9.上部动力杆，10.上部压力板，11.上部横向可伸缩压力板，12.可旋转压力板，13-1.第一轴向压力板，13-2.第二轴向压力板，14-1.第一轴向可伸缩动力杆，14-2.第二轴向可伸缩动力杆，15-1.第一伺服电机，15-2.第二伺服电机，16-1.第一滑动底座，16-2.第二滑动底座，17-1.第一模拟围压滑动承压板，17-2.第二模拟围压滑动承压板，18-1.第一模拟围压向滚轴排，18-2.第二模拟围压向滚轴排，19-1.第一压力枕，19-2.第二压力枕，20-1第一反力架，20-2.第二反力架，21.模具可滑动底板，22.底部滑轨，23.底部滚轴排，24.滑轨，25-1.第一模具盒卡扣板,25-2.第二模具盒卡扣板，

具体实施方式：

制样阶段：制样时将模具可滑动底板(21)安放在底部滚轴排(23)之上，将第一模拟围压滑动承压板(17-1)安放在第一模拟围压向滚轴排(18-1)里侧，第二模拟围压滑动承压板(17-2)安放在第二模拟围压向滚轴排(18-2)里侧；将裂隙面(7)放入装置内部，通过可伸缩弯折管(3)将裂隙面(7)按照试验预设高度固定于带刻度旋转盘(6)及外部框架上盖(2)上；锁定装置中设有滑轨，将带刻度旋转盘(6)旋转到预设走向角度后用卡扣(5)进行卡锁。然后将第一模具盒卡扣板(25-1)、第二模具盒卡扣板(25-2)插入第一模拟围压滑动承压板(17-1)、第二模拟围压滑动承压板(17-2)两侧插入口然后与模具可滑动底板(21)形成一个封闭空间；加入材料之后进行分层分段压实，在每层每段压实结束后需要进行刮毛处理再继续加入材料。

试验阶段：制好试样后，将模具盒从装置内部中拉出，然后将模具盒放入应变砖安放装置中，通过此装置在试验设计方案中的预设位置埋设应变砖。埋设完毕后将模具盒重新放入装置中，然后拆除模具盒，将第一模具盒卡扣板(25-1)、第二模具盒卡扣板(25-2)取下；组装模拟围压加压装置，检查模拟围压加压装置与环箍效应消除装置，确认试验设备安全无误后，开始试验；启动左右伺服电机、上部压力机(8)以及第一压力枕(19-1)、第二压力枕(19-2)使轴向两侧压力板(13、14)、上部压力板(10)以及第一压力枕(19-1)、第二压力枕(19-2)同时均匀按照试验方案施压至预设值；然后继续启动左右伺服电机，两侧轴向压力板继续按照试验方案进行试验，加载控制方式采用荷载控制，设定固定大小的应力加载速率，加载方向垂直于试样表面，加载过程中试样收缩变形。

工作过程如下：

制样阶段：组装环箍效应消除装置，将裂隙面(7)放入装置内部，通过可伸缩弯折管(3)将裂隙面(7)按照试验预设高度固定于带刻度旋转盘(6)及外部框架上盖(2)上；将带刻度旋转盘(6)旋转到预设走向角度后用卡扣(5)进行卡锁；加入材料，并分层分段压实，在每层每段压实结束后需要进行刮毛处理再继续加入材料。

试验阶段：试样制成后，将模具盒放入应变砖放置装置中，向试样中埋设应变砖。埋设完毕后，将模具盒重新放入装置中，拆除模具盒，组装模拟围压加压装置，检查模拟围压加压装置与环箍效应消除装置，确认试验设备安全无误后，开始试验；将轴向两侧压力板、上部压力板以及两侧压力枕同时均匀按照试验方案施压至预设值；然后两侧压力板继续按照试验预设方案加载直至试件破坏。

Claims (5)

1.一种走滑断裂局部应力场的室内模拟系统，其特征在于，包括制样时裂隙角度调节装置，试验时模拟围压加压装置、环箍效应消除装置；

其中所述裂隙角度调节系统包括可伸缩弯折管、带刻度旋转盘、锁定装置、裂隙面；

可伸缩弯折管(3)将裂隙面(7)与带刻度旋转盘(6)进行组装；可伸缩弯折管(3)由两个

形状的部分插接而成，形成两端带有同轴的伸缩杆的一个矩形，即每部分由一个伸缩杆与一个双头拼接管组合而成；可伸缩弯折管(3)刚接于带刻度旋转盘(6)的圆上，并垂直穿过裂隙面；可伸缩弯折管(3)的两部分进行拼接后，将裂隙面(7)固定在带刻度旋转盘(6)中心位置；

模拟围压加压装置包括上部压力机、上部动力杆、上部压板、上部横向可伸缩压力板、可旋转压力板、轴向压力板、轴向可伸缩动力杆、伺服电机、滑动底座、模拟围压滑动承压板、模拟围压向滚轴排、压力枕、反力架、模具可滑动底板、底部滑轨、底部滚轴排、滑轨；

模拟围压加压装置的压力板为上部横向可伸缩压力板(11)，裂隙面则必须垂直穿过上部横向可伸缩压力板(11)，为了避免裂隙面的角度受到上部压力板的影响，将上部压力板的中心位置设置可旋转压力板(12)，在裂隙面旋转时同步旋转，使上部施压过程不会对不同走向的裂隙面造成影响；其中可旋转压力板(12)为一圆盘，此圆盘正中间有一长方形凹槽，裂隙面(7)可穿过此凹槽带动可旋转压力板旋转；可旋转压力板(12)位于上部横向可伸缩压力板(11)内部中心位置，可旋转压力板(12)可在上部横向可伸缩压力板(11)内部自由旋转；上部压力板(10)设有滑轨，使上部横向可伸缩压力板(11)能够在上部压力板(10)上自由滑动；

模拟围压加压装置的第一模拟围压滑动承压板(17-1)放置于第一模拟围压向滚轴排(18-1)上并滑动连接，第二模拟围压滑动承压板(17-2)放置于第二模拟围压向滚轴排(18-2)上并滑动连接；第一模拟围压滑动承压板(17-1)放置于第一模拟围压向滚轴排(18-1)上并滑动连接，第一模拟围压向滚轴排(18-1)与第一压力枕(19-1)相接触并且拼接于第一反力架(20-1)上，第一压力枕(19-1)与第一反力架(20-1)刚性连接；第二模拟围压滑动承压板(17-2)放置于第二模拟围压向滚轴排(18-2)上并滑动连接，第二模拟围压向滚轴排(18-2)与第二压力枕(19-2)相接触并且拼接于第二反力架(20-2)上，第二压力枕(19-2)与第二反力架(20-2)刚性连接；而第一反力架(20-1)、第二反力架(20-2)则与外部框架(1)、外部框架上盖(2)刚性连接；第一模拟围压滑动承压板(17-1)、第二模拟围压滑动承压板(17-2)坐落于模具可滑动底板(21)上，与模具可滑动底板(21)边缘具有小于5cm的距离；而模具可滑动底板(21)与底部滑轨(22)、底部滚轴排(23)滑动连接；而底部滚轴排(23)位于底部滑轨(22)中间并与其刚性连接，底部滑轨(22)同样的与外部框架(1)刚性连接；第一伺服电机(15-1)坐落在第一滑动底座(16-1)上，第二伺服电机(15-2)坐落在第二滑动底座(16-2)上；而第一滑动底座(16-1)、第二滑动底座(16-2)与滑轨(24)滑动连接，模拟围压加压装置在进行轴向施压时的动力杆为可伸缩动力杆，分别是第一轴向可伸缩压力杆(14-1)、第二轴向可伸缩压力杆(14-2)，可在运作时进行分级施压，使其在轴向具有一定的伸缩空间；

用第一模具盒卡扣板(25-1)、第二模具盒卡扣板(25-2)、模具可滑动底板(21)与第一模拟围压滑动承压板(17-1)、第二模拟围压滑动承压板(17-2)形成一个封闭空间；形成的封闭空间与第一模拟围压向滚轴排(18-1)、第一模拟围压向滚轴排(18-2)组成环箍效应消除装置。

2.应用如权利要求1所述的系统的方法，其特征在于，将裂隙面(7)放入系统内部，通过可伸缩弯折管(3)调节裂隙面的高度，旋转带刻度旋转盘(6)进一步设定不同角度的裂隙面，考虑到裂隙面(7)的角度在调整后固定的问题，需要对其进行锁定，此时需要将卡扣(5)插入锁定装置(4)对裂隙面(7)进行卡锁。

3.应用如权利要求1所述的系统的方法，其特征在于，制样阶段：制样时将模具可滑动底板(21)安放在底部滚轴排(23)之上，将第一模拟围压滑动承压板(17-1)安放在第一模拟围压向滚轴排(18-1)里侧,将第二模拟围压滑动承压板(17-2)安放在第二模拟围压向滚轴排(18-2)里侧；将裂隙面(7)放入装置内部，通过可伸缩弯折管(3)将裂隙面(7)按照试验预设高度固定于带刻度旋转盘(6)及外部框架上盖(2)上；锁定装置中设有滑轨，将带刻度旋转盘(6)旋转到预设走向角度后用卡扣(5)进行卡锁；然后将第一模具盒卡扣板(25-1)、第二模具盒卡扣板(25-2)分别插入第一模拟围压滑动承压板(17-1)、第二模拟围压滑动承压板(17-2)两侧插入口与模具可滑动底板(21)形成一个封闭空间；加入材料之后进行分层分段压实，在每层每段压实结束后需要进行刮毛处理再继续加入材料。

4.应用如权利要求1所述的系统的方法，其特征在于，试验阶段：制好试样后，将模具盒从装置内部中拉出，然后将模具盒放入应变砖安放装置中，通过此装置在试验设计方案中的预设位置埋设应变砖；埋设完毕后将模具盒重新放入装置中，然后拆除模具盒，将第一模具盒卡扣板(25-1)、第一模具盒卡扣板(25-2)取下；组装模拟围压加压装置，检查模拟围压加压装置与环箍效应消除装置，确认试验设备安全无误后，开始试验；启动左右伺服电机、上部压力机(8)以及第一压力枕(19-1)、第二压力枕(19-2)使第一轴向压力板(13-1)、第二轴向压力板(13-2)、上部压力板(10)以及第一压力枕(19-1)、第二压力枕(19-2)同时均匀按照试验方案施压至预设值；然后继续启动左右伺服电机，两侧轴向压力板继续按照试验方案进行试验，加载控制方式采用荷载控制，设定固定大小的应力加载速率，加载方向垂直于试样表面。

5.应用如权利要求1所述的系统的方法，其特征在于，

制样阶段：组装环箍效应消除装置，将裂隙面(7)放入环箍效应消除装置内部，通过可伸缩弯折管(3)将裂隙面(7)按照试验预设高度固定于带刻度旋转盘(6)及外部框架上盖(2)上；将带刻度旋转盘(6)旋转到预设走向角度后用卡扣(5)进行卡锁；加入材料，并分层分段压实，在每层每段压实结束后需要进行刮毛处理再继续加入材料；

试验阶段：试样制成后，将模具盒放入应变砖放置装置中，向试样中埋设应变砖；埋设完毕后，将模具盒重新放入装置中，拆除模具盒，组装模拟围压加压装置，检查模拟围压加压装置与环箍效应消除装置，确认试验设备安全无误后，开始试验；将轴向两侧压力板、铅垂向上侧压板以及两侧压力枕同时均匀按照试验方案施压至预设值；然后两侧压力板继续按照试验预设方案加载直至试件破坏。

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