CN112113816B - 一种模拟隧道穿越多倾角走滑断层的破坏试验装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种模拟隧道穿越多倾角走滑断层的破坏试验装置，包括固定箱体，还包括与固定箱体相邻设置的活动箱体，固定箱体包括矩形左侧板、梯形前侧板、梯形后侧板和第一矩形底板，活动箱体包括矩形右侧板、矩形前侧板、矩形后侧板和第二矩形底板，第一断层倾角控制区和第二断层倾角控制区内并行设置有多个倒三角相邻片，相邻的倒三角相邻片的侧边相抵，且各个倒三角相邻片的底部顶角延伸至第一断层倾角控制区的底部顶角处。本发明通过改变倒三角相邻片的连接关系，达到改变断层倾角的试验条件，从而开展多倾角走滑断层隧道抗错断模型试验。

Description

一种模拟隧道穿越多倾角走滑断层的破坏试验装置
技术领域
本发明属于隧道工程技术领域，涉及一种模拟隧道穿越多倾角走滑断层的破坏试验装置。
背景技术
断层作为一种地质构造，其活动主要表现为相对错动。根据断层两盘相对运动的性质和力学背景，可将断层分为倾滑断层和走滑断层。其中，走滑断层发震时破坏规模大，长度达数十公里至数百公里。我国西南地区，地震活动频繁，地震烈度高，为我国地震最活跃的区域之一。由于地处高山峡谷，基础设施工程中，隧道比重较大。随着我国建设大西南的力度不断加大，高速铁路、高速公路、引水隧洞等重大工程建设当中，特别是长大隧道，不可避免的需要穿越多条断裂带。如邓家坪隧道长10km,穿越9条断裂带；雅泸高速的泥巴山隧道长10km，穿越15条断裂带；滇中引水香炉山隧洞长约63km，穿越16条主要断裂带，其中40％为走滑断层。在实际工程中分析断层的运动方式对隧道的变形破坏机理的操作性很差，因而十分有必要建立隧道穿越活动断裂带的物理模型试验平台。通过物理模型试验平台研究隧道衬砌结构抗错动力学响应规律，并进行定性及定量分析，从而提出衬砌结构抗错动安全关键技术指标参数，为隧道结构设计于施工提供指导，具有很强的工程应用价值。
目前中国专利CN111158067A公开了一种模拟隧道跨活动断层的试验装置。该装置不但可模拟不同断层错动速率、施加不同的断层位错量。同时还可模拟不同埋深、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。中国专利CN110780056A公开了一种模拟活动断层对隧道损伤机理研究的试验装置及使用方法，该系统能模拟不同地应力场应力下不同断层错动速率对隧道损伤情况。中国专利CN110006758A公开了一种角度和起裂位置可调的正断层模拟试验装置及使用方法，涉及正断层模拟试验技术领域，该发明解决了正断层模拟时条件单一，形成不符合实际的形成力学机制，以及断层倾角和起裂位置调节不便的技术问题，并且操作简便。中国专利CN105785468B本发明公开了一种模拟隧道穿越斜向错动活断层的破坏试验装置及方法。该装置能实现隧道结构与活动断层间多倾角、多交角的空间位置，更为准确地模拟出隧道结构的受力状态及破坏方式。已有设计有如下不足：1.大多只考虑了正断层、逆断层这两种倾滑型断层，对走滑型断层缺乏考虑。2.关于走滑断层模型试验装置考虑多角度的变换较少。3.对于少数可以角度变换的试验装置，角度变换麻烦，组合板的更换拆卸复杂，需要预存相关角度变换的组合板。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术存在的上述问题，提供一种模拟隧道穿越多倾角走滑断层的破坏试验装置，该装置能实现隧道结构与走滑断层间多倾角、多交角的空间位置，解决角度变换麻烦，组合板的更换拆卸复杂，需要预存相关角度变换的组合板等问题。另外，该试验装置可模拟不同埋深条件下，不同断层与隧道交角，不同破碎带宽度，隧道穿越走滑断层的受力状况，探究隧道衬砌的受力机理及破坏模式，为跨断层隧道结构设计提供真实的参考依据。具有积极的应用价值。
为实现上述目的，本发明采取的技术方案为：
一种模拟隧道穿越多倾角走滑断层的破坏试验装置，包括固定箱体，还包括与固定箱体相邻设置的活动箱体，
固定箱体包括矩形左侧板、梯形前侧板、梯形后侧板和第一矩形底板，
活动箱体包括矩形右侧板、矩形前侧板、矩形后侧板和第二矩形底板，
梯形前侧板的斜边与相邻的矩形前侧板的侧边之间为第一断层倾角控制区，第一断层倾角控制区为倒三角形，
梯形后侧板的斜边与相邻的矩形后侧板的侧边之间为第二断层倾角控制区，第二断层倾角控制区为倒三角形，
第一断层倾角控制区内并行设置有多个倒三角相邻片，相邻的倒三角相邻片的侧边相抵，且各个倒三角相邻片的底部顶角延伸至第一断层倾角控制区的底部顶角处；
第二断层倾角控制区内并行设置有多个倒三角相邻片，相邻的倒三角相邻片的侧边相抵，且各个倒三角相邻片的底部顶角延伸至第二断层倾角控制区的底部顶角处，
如上所述的矩形前侧板上设置有加载条。
如上所述的倒三角相邻片的侧边设置有螺栓连接件，梯形前侧板的斜边与相邻的矩形前侧板的侧边均设置有螺栓连接件，梯形后侧板的斜边与相邻的矩形后侧板的侧边均设置有螺栓连接件。
如上所述的第一断层倾角控制区内的各个倒三角相邻片与第二断层倾角控制区内的各个倒三角相邻片形状相同，且前后位置对应。
如上所述的固定箱体底部通过固定底座固定在固定底板上，活动箱体底部与活动底座连接，圆钢放置于固定底板上，活动底座放置于圆钢上。
如上所述的第一断层倾角控制区内并行设置有第一倒三角相邻片和第二倒三角相邻片，
第二断层倾角控制区内并行设置有第三倒三角相邻片和第四倒三角相邻片，
梯形前侧板的斜边与第一矩形底板之间呈60度，
梯形后侧板的斜边与第一矩形底板之间呈60度，
第一倒三角相邻片的底部顶角为15度，
第二倒三角相邻片的底部顶角为15度，
第三倒三角相邻片的底部顶角为15度，
第四倒三角相邻片的底部顶角为15度。
如上所述的梯形前侧板的顶部和梯形后侧板的顶部之间通过横梁连接；
第一断层倾角控制区的倒三角相邻片的顶部与第二断层倾角控制区内对应的倒三角相邻片的顶部之间通过横梁连接；
矩形前侧板的顶部与矩形后侧板的顶部之间通过横梁连接。
如上所述的矩形左侧板和矩形右侧板上均开设有隧道洞口。
本发明与现有技术相比，具有以下有益效果：
本发明通过改变第一断层倾角控制区和第二断层倾角控制区内的倒三角相邻片的连接关系，达到改变断层倾角的试验条件，从而开展多倾角走滑断层隧道抗错断模型试验。其中断层倾角改变简单，倒三角相邻片之间不需要更换拆卸复杂，只需要改变倒三角相邻片之间螺栓的连接即可方便快捷完成试验角度的转换，不存在预存相关角度变换的组合板等问题。
附图说明
图1为本发明的正视结构示意图；
图2为本发明的俯视结构示意图；
图3为本发明的右视结构示意图；
图4为本发明的左视结构示意图；
图5为断层倾角90°时的连接示意图；其中，(a)为断层倾角90°时的后视结构示意图；(b)为断层倾角90°时的正视结构示意图；
图6为断层倾角75°时的连接示意图；其中，(a)为断层倾角75°时的后视结构示意图；(b)为断层倾角75°时的正视结构示意图；
图7为断层倾角60°时的连接示意图；(a)为断层倾角60°时的后视结构示意图；(b)为断层倾角60°时的正视结构示意图。
100-固定箱体；
200-活动箱体；
300-第一断层倾角控制区；
400-第二断层倾角控制区；
500-固定底板；
600-圆钢；
700-横梁；
800-活动底座；
900-固定底座；
1000-隧道洞口；
1100-螺栓；
101-矩形左侧板；102-梯形前侧板；103-梯形后侧板；104-第一矩形底板；
201-矩形右侧板；202-矩形前侧板；203-矩形后侧板；204-第二矩形底板；205-加载条；
301-第一倒三角相邻片；302-第二倒三角相邻片；
401-第三倒三角相邻片；402-第四倒三角相邻片。
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，下面结合实施示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。
一种模拟隧道穿越多倾角走滑断层的破坏试验装置，包括固定箱体100、与固定箱体100相邻设置的活动箱体200，
第一断层倾角控制区300内的各个倒三角相邻片与第二断层倾角控制区400内的各个倒三角相邻片形状相同，且前后位置对应。
固定箱体100底部通过固定底座900固定在固定底板500上，活动箱体200底部与活动底座800连接，圆钢600放置于固定底板500上，活动底座800放置于圆钢600上。圆钢600的延伸方向与加载条205上施加的力的方向垂直。
矩形左侧板101和矩形右侧板201上均开设有隧道洞口1000。
固定箱体100和活动箱体200负责容纳围岩相似材料与隧道模型开展试验。
固定箱体100包括矩形左侧板101、梯形前侧板102、梯形后侧板103和第一矩形底板104，矩形左侧板101、梯形前侧板102、梯形后侧板103和第一矩形底板104之间通过螺栓连接，构成无右侧板和顶侧板的箱体。
活动箱体200包括矩形右侧板201、矩形前侧板202、矩形后侧板203和第二矩形底板204，矩形右侧板201、矩形前侧板202、矩形后侧板203和第二矩形底板204之间通过螺栓连接，构成无左侧板和顶侧板的箱体。
活动底座800之下设置圆钢600，圆钢600放置在固定底板500上，使得活动箱体200左右错动时减少摩擦。固定底板500通过高强螺栓与刚性地板连接。矩形前侧板202上设置有加载条205。
梯形前侧板102和梯形后侧板103均为直角梯形。
梯形前侧板102的斜边与相邻的矩形前侧板202的侧边之间为第一断层倾角控制区300，第一断层倾角控制区300为倒三角形，
梯形后侧板103的斜边与相邻的矩形后侧板203的侧边之间为第二断层倾角控制区400，第二断层倾角控制区400为倒三角形，
第一断层倾角控制区300内并行设置有多个倒三角相邻片，相邻的倒三角相邻片的侧边相抵，且各个倒三角相邻片的底部顶角延伸至第一断层倾角控制区300的底部顶角处；
第二断层倾角控制区400内并行设置有多个倒三角相邻片，相邻的倒三角相邻片的侧边相抵，且各个倒三角相邻片的底部顶角延伸至第二断层倾角控制区400的底部顶角处。
倒三角相邻片的侧边设置有螺栓连接件，梯形前侧板102的斜边与相邻的矩形前侧板202的侧边均设置有螺栓连接件，梯形后侧板103的斜边与相邻的矩形后侧板203的侧边均设置有螺栓连接件。
第一断层倾角控制区300和第二断层倾角控制区400内的倒三角相邻片之间可通过螺栓和螺栓连接件连接，通过改变第一断层倾角控制区300和第二断层倾角控制区400内的倒三角相邻片之间的螺栓连接关系，以及倒三角相邻片与梯形前侧板102和梯形后侧板103的螺栓连接关系，以及倒三角相邻片与矩形前侧板202和矩形后侧板203的螺栓连接关系，达到改变断层倾角的试验条件。
下面针对试验中断层倾角为60°、75°、90°时，断层倾角控制区300拼接板(301、302)连接情况举例说明。
第一断层倾角控制区300内并行设置有第一倒三角相邻片301和第二倒三角相邻片302，
第二断层倾角控制区400内并行设置有第三倒三角相邻片401和第四倒三角相邻片402。
梯形前侧板102的斜边与第一矩形底板104之间呈60度，
梯形后侧板103的斜边与第一矩形底板104之间呈60度，
第一倒三角相邻片301的底部顶角为15度，
第二倒三角相邻片302的底部顶角为15度，
第三倒三角相邻片401的底部顶角为15度，
第四倒三角相邻片402的底部顶角为15度。
试验中断层倾角为90°时：
第一倒三角相邻片301的侧边与梯形前侧板102的斜边之间通过螺栓和螺栓连接件固定连接，第一倒三角相邻片301的另一侧边与第二倒三角相邻片302的侧边之间通过螺栓和螺栓连接件固定连接，第二倒三角相邻片302的另一侧边与矩形前侧板202相邻侧边之间接触相抵且无固定连接，并可相对滑动。
第三倒三角相邻片401的侧边与梯形后侧板103的斜边之间通过螺栓和螺栓连接件固定连接，第三倒三角相邻片401的另一侧边与第四倒三角相邻片402的侧边之间通过螺栓和螺栓连接件固定连接，第四倒三角相邻片402的另一侧边与矩形后侧板203相邻侧边之间接触相抵且无固定连接，并可相对滑动。
试验中断层倾角为75°时：
第一倒三角相邻片301的侧边与梯形前侧板102的斜边之间通过螺栓和螺栓连接件固定连接，第一倒三角相邻片301的另一侧边与第二倒三角相邻片302的侧边之间接触相抵且无固定连接，并可相对滑动，第二倒三角相邻片302的另一侧边与矩形前侧板202相邻侧边之间通过螺栓和螺栓连接件固定连接。
第三倒三角相邻片401的侧边与梯形后侧板103的斜边之间通过螺栓和螺栓连接件固定连接，第三倒三角相邻片401的另一侧边与第四倒三角相邻片402的侧边之间接触相抵且无固定连接，并可相对滑动，第四倒三角相邻片402的另一侧边与矩形后侧板203相邻侧边之间通过螺栓和螺栓连接件固定连接。
试验中断层倾角为60°时：
第一倒三角相邻片301的侧边与梯形前侧板102的斜边之间接触相抵且无固定连接，并可相对滑动，第一倒三角相邻片301的另一侧边与第二倒三角相邻片302的侧边之间通过螺栓和螺栓连接件固定连接，第二倒三角相邻片302的另一侧边与矩形前侧板202相邻侧边之间通过螺栓和螺栓连接件固定连接。
第三倒三角相邻片401的侧边与梯形后侧板103的斜边之间接触相抵且无固定连接，并可相对滑动，第三倒三角相邻片401的另一侧边与第四倒三角相邻片402的侧边之间通过螺栓和螺栓连接件固定连接，第四倒三角相邻片402的另一侧边与矩形后侧板203相邻侧边之间通过螺栓和螺栓连接件固定连接。
固定底板500为10～15mm厚钢板，通过螺栓固定于平整的实验地面或者刚性地板上。
加载条205由通过固定在反力墙上的千斤顶驱动，通过千斤顶给加载条205施加位移，使整个活动箱体200侧向移动。
试验过程中，为使固定箱体100和活动箱体200在横向错动的过程中保持稳定，梯形前侧板102的顶部和梯形后侧板103的顶部之间通过横梁700连接；第一断层倾角控制区300的倒三角相邻片的顶部与第二断层倾角控制区400内对应的倒三角相邻片的顶部之间通过横梁700连接；矩形前侧板202的顶部与矩形后侧板203的顶部之间通过横梁700连接。从而保持稳定。
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，试验中断层倾角为60°、75°、90°。
步骤1、制作并安装固定箱体100、活动箱体200、固定底板500、圆钢600、活动底座800、固定底座900；
步骤2、按照真实工程的地质条件制作模拟岩体的围岩相似材料或围岩相同材料，制作隧道模型；
步骤3、根据试验内容，改变倒三角相邻片的连接条件，以达到试验所需断层倾角条件；
试验中断层倾角为90°时：
第一倒三角相邻片301的侧边与梯形前侧板102的斜边之间通过螺栓和螺栓连接件固定连接，第一倒三角相邻片301的另一侧边与第二倒三角相邻片302的侧边之间通过螺栓和螺栓连接件固定连接，第二倒三角相邻片302的另一侧边与矩形前侧板202相邻侧边之间接触相抵且无固定连接，并可相对滑动。
第三倒三角相邻片401的侧边与梯形后侧板103的斜边之间通过螺栓和螺栓连接件固定连接，第三倒三角相邻片401的另一侧边与第四倒三角相邻片402的侧边之间通过螺栓和螺栓连接件固定连接，第四倒三角相邻片402的另一侧边与矩形后侧板203相邻侧边之间接触相抵且无固定连接，并可相对滑动。
试验中断层倾角为75°时：
第一倒三角相邻片301的侧边与梯形前侧板102的斜边之间通过螺栓和螺栓连接件固定连接，第一倒三角相邻片301的另一侧边与第二倒三角相邻片302的侧边之间接触相抵且无固定连接，并可相对滑动，第二倒三角相邻片302的另一侧边与矩形前侧板202相邻侧边之间通过螺栓和螺栓连接件固定连接。
第三倒三角相邻片401的侧边与梯形后侧板103的斜边之间通过螺栓和螺栓连接件固定连接，第三倒三角相邻片401的另一侧边与第四倒三角相邻片402的侧边之间接触相抵且无固定连接，并可相对滑动，第四倒三角相邻片402的另一侧边与矩形后侧板203相邻侧边之间通过螺栓和螺栓连接件固定连接。
试验中断层倾角为60°时：
第一倒三角相邻片301的侧边与梯形前侧板102的斜边之间接触相抵且无固定连接，并可相对滑动，第一倒三角相邻片301的另一侧边与第二倒三角相邻片302的侧边之间通过螺栓和螺栓连接件固定连接，第二倒三角相邻片302的另一侧边与矩形前侧板202相邻侧边之间通过螺栓和螺栓连接件固定连接。
第三倒三角相邻片401的侧边与梯形后侧板103的斜边之间接触相抵且无固定连接，并可相对滑动，第三倒三角相邻片401的另一侧边与第四倒三角相邻片402的侧边之间通过螺栓和螺栓连接件固定连接，第四倒三角相邻片402的另一侧边与矩形后侧板203相邻侧边之间通过螺栓和螺栓连接件固定连接。
步骤4、向固定箱体100和活动箱体200底部填充围岩相似材料/围岩相同材料，再放置隧道模型，将隧道模型的两端分别放置在矩形左侧板101和矩形右侧板201上的隧道洞口1000，再在固定箱体100和活动箱体200内填土并夯实直至填满固定箱体100和活动箱体200。
步骤5、试验过程中，为使固定箱体100和活动箱体200在横向错动的过程中保持稳定，梯形前侧板102的顶部和梯形后侧板103的顶部之间通过横梁700连接；第一断层倾角控制区300的倒三角相邻片的顶部与第二断层倾角控制区400内对应的倒三角相邻片的顶部之间通过横梁700连接；矩形前侧板202的顶部与矩形后侧板203的顶部之间通过横梁700连接。从而保持稳定。
步骤6、根据试验需要，决定水平向加载速率以及行程，走滑错断剪切加载过程中，固定箱体100和活动箱体200内部监测仪器持续开展围岩相似材料或围岩相同材料的各类监测，以及隧道模型的各类监测；
步骤7、试验结束后，去掉横梁，挖出固定箱体100和活动箱体200内填充的围岩相似材料或围岩相同材料，挖出隧道模型，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原理作举例说明，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相应的修改，但不得偏离本发明的原理，或者所附权利要求书所定义的范围。

Claims (7)

1.一种模拟隧道穿越多倾角走滑断层的破坏试验装置，包括固定箱体(100)，其特征在于，还包括与固定箱体(100)相邻设置的活动箱体(200)，
固定箱体(100)包括矩形左侧板(101)、梯形前侧板(102)、梯形后侧板(103)和第一矩形底板(104)，
活动箱体(200)包括矩形右侧板(201)、矩形前侧板(202)、矩形后侧板(203)和第二矩形底板(204)，
梯形前侧板(102)的斜边与相邻的矩形前侧板(202)的侧边之间为第一断层倾角控制区(300)，第一断层倾角控制区(300)为倒三角形，
梯形后侧板(103)的斜边与相邻的矩形后侧板(203)的侧边之间为第二断层倾角控制区(400)，第二断层倾角控制区(400)为倒三角形，
第一断层倾角控制区(300)内并行设置有多个倒三角相邻片，相邻的倒三角相邻片的侧边相抵，且各个倒三角相邻片的底部顶角延伸至第一断层倾角控制区(300)的底部顶角处；
第二断层倾角控制区(400)内并行设置有多个倒三角相邻片，相邻的倒三角相邻片的侧边相抵，且各个倒三角相邻片的底部顶角延伸至第二断层倾角控制区(400)的底部顶角处，
矩形前侧板(202)上设置有加载条(205)。
2.根据权利要求1所述的一种模拟隧道穿越多倾角走滑断层的破坏试验装置，其特征在于，所述的倒三角相邻片的侧边设置有螺栓连接件，梯形前侧板(102)的斜边与相邻的矩形前侧板(202)的侧边均设置有螺栓连接件，梯形后侧板(103)的斜边与相邻的矩形后侧板(203)的侧边均设置有螺栓连接件。
3.根据权利要求1所述的一种模拟隧道穿越多倾角走滑断层的破坏试验装置，其特征在于，所述的第一断层倾角控制区(300)内的各个倒三角相邻片与第二断层倾角控制区(400)内的各个倒三角相邻片形状相同，且前后位置对应。
4.根据权利要求1所述的一种模拟隧道穿越多倾角走滑断层的破坏试验装置，其特征在于，所述的固定箱体(100)底部通过固定底座(900)固定在固定底板(500)上，活动箱体(200)底部与活动底座(800)连接，圆钢(600)放置于固定底板(500)上，活动底座(800)放置于圆钢(600)上。
5.根据权利要求1所述的一种模拟隧道穿越多倾角走滑断层的破坏试验装置，其特征在于，所述的第一断层倾角控制区(300)内并行设置有第一倒三角相邻片(301)和第二倒三角相邻片(302)，
第二断层倾角控制区(400)内并行设置有第三倒三角相邻片(401)和第四倒三角相邻片(402)，
梯形前侧板(102)的斜边与第一矩形底板(104)之间呈60度，
梯形后侧板(103)的斜边与第一矩形底板(104)之间呈60度，
第一倒三角相邻片(301)的底部顶角为15度，
第二倒三角相邻片(302)的底部顶角为15度，
第三倒三角相邻片(401)的底部顶角为15度，
第四倒三角相邻片(402)的底部顶角为15度。
6.根据权利要求1所述的一种模拟隧道穿越多倾角走滑断层的破坏试验装置，其特征在于，所述的梯形前侧板(102)的顶部和梯形后侧板(103)的顶部之间通过横梁(700)连接；
第一断层倾角控制区(300)的倒三角相邻片的顶部与第二断层倾角控制区(400)内对应的倒三角相邻片的顶部之间通过横梁(700)连接；
矩形前侧板(202)的顶部与矩形后侧板(203)的顶部之间通过横梁(700)连接。
7.根据权利要求1所述的一种模拟隧道穿越多倾角走滑断层的破坏试验装置，其特征在于，所述的矩形左侧板(101)和矩形右侧板(201)上均开设有隧道洞口(1000)。
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