CN112362479A - 模拟断裂粘滑错动对隧道工程影响的实验系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于岩体工程地质力学技术领域，旨在解决现有的试验装置获得数据可靠性差的问题，具体涉及一种模拟断裂粘滑错动对隧道工程影响的实验系统及方法，包括模型箱系统和粘滑加载系统，模型箱系统用于模拟断层两盘间的相互作用；粘滑加载系统包括第一加载组件、第二加载组件和承托组件；第一加载组件包括第一加载装置和用于放置主加载岩体样品的第一样品框；承托组件设置于第一样品框侧部，承托组件承托的子加载岩体样品可在第二加载组件的作用下与主加载岩体样品抵触设置；通过本发明可获得可靠、有效的模拟试验数据。

Description

模拟断裂粘滑错动对隧道工程影响的实验系统及方法

技术领域

本发明属于岩体工程地质力学实验技术领域，具体涉及一种模拟断裂粘滑错动对隧道工程影响的实验系统及方法。

背景技术

在活动构造区重大工程的建设中，普遍面临穿越活动断裂的隧道工程稳定性问题。因此迫切需要深入研究活动断裂错动对隧道工程的影响。现有的研究主要通过模型箱物理模拟研究进行，加载方式的实现以稳定错动为主，缺乏断裂粘滑错动作用的加载装置及方法。现有专利中公开的模拟逆断层粘滑错动引发近断层地震动的试验装置一方面是使用压敏式微爆炸装置模拟断层粘滑错动产生的脉冲型地震动，此种方案存在手段较复杂、成本较高、试验稳定性较差且具有安全隐患等缺陷，同时，爆炸波与地震波之间存在震相、P波初动等方面的差异，该手段并不能较好地模拟天然地震波的影响；另一方面采用加载装置直接作用于上盘或者下盘，以观察上盘与下盘之间的剪切滑移，此种方案单纯的采用人为加载力，对于近断层脉冲型地震动的模拟，与实际的地震波存在较大差异，获得的试验数据可靠性差，无法作为实际隧道建设的指导数据。

发明内容

为了解决上述问题，即为了解决现有的试验装置获得数据可靠性差的问题，本发明提供了一种模拟断裂粘滑错动对隧道工程影响的实验系统及方法。

本发明的第一方面提供了一种模拟断裂粘滑错动对隧道工程影响的实验系统，该实验系统包括模型箱系统和粘滑加载系统；所述模型箱系统用于模拟断层两盘间的相互作用；所述粘滑加载系统包括第一加载组件、第二加载组件和承托组件；所述第一加载组件包括第一加载装置和设置于所述第一加载装置预设位置的第一样品框，所述第一样品框用于放置主加载岩体样品；所述承托组件设置于所述第一样品框侧部，所述承托组件承托的子加载岩体样品可在所述第二加载组件的作用下与所述主加载岩体样品抵触设置；在实验过程中，所述第二加载组件通过所述子加载岩体样品对所述主加载岩体样品提供水平加载力；所述主加载岩体样品可在所述第一加载装置的作用下对第一盘提供垂向加载力，或者，所述主加载岩体样品可在所述第一加载装置的作用下对第二盘提供垂向加载力，或者，所述主加载岩体样品可在所述第一加载装置的作用下对第一盘提供水平方向加载力。

在一些优选实施例中，所述承托组件包括设置于所述第一样品框两侧的第一承托装置和第二承托装置；所述子加载岩体样品包括分别设置于所述第一承托装置、所述第二承托装置中的第一子加载岩体样品、第二子加载岩体样品；所述第二加载组件包括相对设置的第一水平加载装置和第二水平加载装置；所述第一子加载岩体样品、所述第二子加载岩体样品分别在所述第一水平加载装置、所述第二水平加载装置的作用下夹紧所述主加载岩体样品。

在一些优选实施例中，所述模型箱系统包括中空敞口设置的箱体结构；所述箱体结构包括水平设置的第一箱体和第二箱体，所述第一箱体包括第一前面板、第一后面板、第一侧面板和第一底面板；所述第二箱体包括第二前面板、第二后面板、第二侧面板和第二底面板；所述第一侧面板和所述第二侧面板相对设置；所述第一箱体与所述第二箱体的接触面倾斜设置；所述第一箱体与所述第二箱体水平左右设置，所述第二箱体远离所述第二侧面板的一侧与所述第一箱体内表面之间为第一盘，所述第一箱体远离所述第一侧面板的一侧与所述第二箱体内表面之间为第二盘。

在一些优选实施例中，所述粘滑加载系统设置于所述第一箱体的下部；所述第二箱体通过支撑装置固设于地面；所述第一盘为上盘，所述第二盘为下盘；所述第一样品框设置于所述第一加载装置顶部；所述第一样品框的顶部设置有导轨装置，所述导轨装置的延伸方向与所述第二加载组件的活动方向一致设置；所述第一底面板的底部开设有与所述导轨装置适配的凹槽结构。

在一些优选实施例中，所述粘滑加载系统设置于所述第二箱体的下部；所述第一箱体通过支撑装置固设于地面；所述第一盘为上盘，所述第二盘为下盘；所述第一样品框设置于所述第一加载装置顶部；所述第一样品框的顶部设置有导轨装置，所述导轨装置的延伸方向与所述第二加载组件的活动方向一致设置；所述第二底面板的底部开设有与所述导轨装置适配的凹槽结构。

在一些优选实施例中，所述粘滑加载系统设置于所述第一箱体侧部且所述粘滑加载系统与所述第一箱体水平设置；所述第二箱体固设于地面；所述第一盘、所述第二盘分别为走滑断层的两盘；所述第一样品框设置于所述第一加载装置侧部；所述第一样品框远离所述第一加载装置的侧部设置有导轨装置，所述导轨装置的延伸方向与所述第二加载组件的活动方向一致设置；所述第一前面板的侧部开设有与所述导轨装置适配的凹槽结构。

在一些优选实施例中，所述粘滑加载系统还包括第一加载板和第二加载板，所述第一加载板、所述第二加载板分别设置于所述第一水平加载装置、所述第二水平加载装置的活动端；所述第一加载板、所述第二加载板的尺寸与所述第一子加载岩体样品、所述第二子加载岩体样品的侧面面积相适配；所述第一底面板的下部还设置有滚轮组件；所述滚轮组件包括多个滚轮，多个所述滚轮阵列设置。

在一些优选实施例中，所述主加载岩体样品的厚度大于所述第一样品框的宽度；所述第一子加载岩体样品的厚度大于所述第一承托装置的宽度；所述第二子加载岩体样品的厚度大于所述第二承托装置的宽度。

在一些优选实施例中，所述粘滑加载系统还包括加载系统框架；所述加载系统框架包括第一侧板、第二侧板、第三侧板和底板，所述第一侧板、所述第二侧板分别用于固定所述第一水平加载装置、所述第二水平加载装置；所述第一侧板、所述第二侧板均为倒L型钢板，所述倒L型钢板的短边与所述模型箱系统抵触设置。

本发明的第二方面提供了一种模拟断裂粘滑错动对隧道工程影响的实验方法，该方法基于上面任一项所述的模拟断裂粘滑错动引发近断层地震动的实验系统，包括以下步骤：步骤S100，分别将主加载岩石样品、子加载岩体样品放入第一样品框、承托组件中，调整岩体样品的位置，使两侧的岩体样品与中间的岩体样品紧密接触，并通过调节第二加载组件对子加载岩体样品施加所需的压力；其中，子加载岩体样品与主加载岩石样品抵触的面为岩体结构面。

步骤S200，基于设置好的粘滑加载系统装配模型箱系统；当进行正逆断层错动模拟时，模型箱系统设置于粘滑加载系统的上方，粘滑加载系统为模型箱系统的错动提供垂直加载力，粘滑加载系统固定于地面；当进行走滑断层错动模拟时，模型箱系统与粘滑加载系统水平前后放置，粘滑加载系统固定于地面，模型箱系统中的第一箱体通过底部滑轮实现移动，第二箱体固定于地面。

步骤S300，根据实验需求，对隧道结构及其内部衬砌模型进行制作，并根据实验要求布设检测装置；选取合适配比的相似材料用于模拟围岩，将材料分层铺设于模型箱中，并于中间高度位置放置制作好的隧道结构模型。

步骤S400，利用第一加载装置推动主加载岩体样品的第一样品框，主加载岩体样品与子加载岩体样品摩擦产生粘滑效果；通过第一样品框与模型箱系统中活动箱体的接触，粘滑效果传递给活动箱体；活动箱体在预设的直线滑轨的限制下，沿预设的倾斜平面移动，使模型箱内岩土体发生错动，模拟断层错动对隧道结构的影响；实验过程通过透明箱体实时观察岩土体的变形情况，通过布设的监测传感器收集实验数据。

步骤S500，达到预设位移时，停止第一加载装置的加载；清除上覆相似材料，取出隧道模型；对第一加载装置进行复位，解除第二加载装置的作用，取出岩体样品，结束实验。

本发明的有益效果为：1）本发明利用岩体结构面剪切的粘滑效应，提出一种新的震源模拟系统，实现近断层脉冲型地震动的模拟，进而可获得断裂粘滑错动对隧道工程影响的高精度、高可靠性的试验数据，对穿越活动断裂隧道的建设具有重要借鉴意义。

2）本发明提供的模拟断裂粘滑错动对隧道工程影响的实验系统，通过模型箱系统与粘滑加载系统水平前后放置，可有效进行走滑断层错动的模拟，获得走滑断层条件下对隧道工程影响的试验数据；通过模型箱系统与粘滑加载系统上下垂向放置，可有效进行正逆断层错动的模拟，获得正逆断层条件下对隧道工程影响的试验数据；本发明可实现走滑和正逆等不同形式的错动，可以配合各种尺寸的模型箱。

3）构造地震是岩体发生快速的断裂错动，积累的应力突然释放的结果；发生错动的两侧岩体的相对水平和垂直运动传播到上覆岩土层中，并对其中埋藏的隧道结构产生破坏；本发明利用岩体结构面剪切错动的粘滑效应，可以较真实地反映活动断裂粘滑错动产生的近断层地震动特征及其对隧道结构的影响。

4）本发明中的加载装置为千斤顶，不需要额外的液压伺服动力源，加载方式简单，成本大大降低。

5）本发明中的岩体样品可根据不同区域的地质条件灵活更换，通过更换不同岩性及结构面特征的样品，对应获得各种粘滑错动效果，可为不同地域的隧道建设提供可靠的试验参考、指导数据。

附图说明

通过阅读参照以下附图所作的对非限制性实施例所作的详细描述，本申请的其它特征、目的和优点将会变得更明显。

图1是本发明中的模拟断裂粘滑错动对隧道工程影响的实验系统用于逆断层错动模拟时的一种具体实施例的正视示意图。

图2是图1中未组装岩石时的正视示意图。

图3是本发明中的模拟断裂粘滑错动对隧道工程影响的实验系统用于逆断层错动模拟或正断层错动模拟时的粘滑加载系统的一种具体实施例的立体结构示意图。

图4是本发明中的模拟断裂粘滑错动对隧道工程影响的实验系统用于正断层错动模拟时的一种具体实施例的正视示意图。

图5是本发明中的模拟断裂粘滑错动对隧道工程影响的实验系统用于走滑断层错动模拟时的一种具体实施例的俯视示意图。

图6是本发明中的模拟断裂粘滑错动对隧道工程影响的实验系统用于走滑断层错动模拟时的粘滑加载系统的一种具体实施例的立体结构示意图。

附图标记说明依次如下：100、模型箱系统；110、第一箱体；120、第二箱体；200、粘滑加载系统；210、第一加载组件，211、第一加载装置，212、第一样品框；213、主加载岩体样品；214、导轨装置；220、第二加载组件，221、第一水平加载装置，222、第二水平加载装置；223、第一加载板，224、第二加载板；230、承托组件，231、第一承托装置，232、第二承托装置；240、加载系统框架；241、第一侧板，242、第二侧板，243、第三侧板，244、底板；300、支撑装置。

具体实施方式

为使本发明的实施例、技术方案和优点更加明显，下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例。本领域技术人员应当理解的是，这些实施方式仅仅用于解释本发明的技术原理，并非旨在限制本发明的保护范围。

本发明的第一方面提供了一种模拟断裂粘滑错动对隧道工程影响的实验系统，该实验系统包括模型箱系统和粘滑加载系统；其中，模型箱系统用于模拟第一盘和第二盘的相互作用，即模拟正逆断层上盘和下盘的相互作用或者走滑断层两盘的相互作用；模型箱系统包括中空敞口设置的箱体结构；箱体结构包括水平设置的第一箱体和第二箱体，第一箱体包括第一前面板、第一后面板、第一侧面板和第一底面板；第二箱体包括第二前面板、第二后面板、第二侧面板和第二底面板；第一侧面板和第二侧面板相对设置；第一箱体与第二箱体的接触面倾斜设置；第一箱体与第二箱体水平左右设置，第二箱体远离第二侧面板的一侧与第一箱体内表面之间为第一盘，第一箱体远离第一侧面板的一侧与第二箱体内表面之间为第二盘；即箱体结构分为左半箱、右半箱，拼合构成中空、顶部敞开的模型箱体，提供放置围岩体和隧道工程相似材料的场所。

粘滑加载系统包括第一加载组件、第二加载组件和承托组件；第一加载组件包括第一加载装置和设置于第一加载装置预设位置的第一样品框，第一样品框中用于放置主加载岩体样品；承托组件包括设置于第一样品框两侧的第一承托装置和第二承托装置，第一承托装置、第二承托装置分别用于设置第一子加载岩体样品、第二子加载岩体样品；第二加载装置包括分别对第一子加载岩体样品、第二子加载岩体样品进行水平加载的第一水平加载装置和第二水平加载装置；第一子加载岩体样品、第二子加载岩体样品均与主加载岩体样品抵触设置，主加载岩体样品与第一子加载岩体样品、第二子加载岩体样品接触的面为岩体结构面。

在实验过程中，第二加载组件通过子加载岩体样品对主加载岩体样品提供水平加载力；主加载岩体样品在第一加载装置的作用下对上盘提供垂向加载力以模拟逆断层错动的震源，或者，主加载岩体样品在第一加载装置的作用下对下盘提供垂向加载力以模拟正断层错动的震源，或者，主加载岩体样品在第一加载装置的作用下可对第一盘（即走滑断层的一盘）提供水平方向加载力以模拟走滑断层错动的震源。

进一步地，预设位置指的是第一加载装置的活动端部；当粘滑加载系统设置于第一箱体的下方时，固定第二箱体，通过第一加载装置对第一箱体提供垂直加载力，可进行逆断层错动的模拟；当粘滑加载系统设置于第二箱体的下方时，固定第一箱体，通过第一加载装置对第二箱体提供垂直加载力，可进行正断层错动的模拟；当粘滑加载系统与第一箱体水平前后设置时，固定第二箱体，通过第一加载装置对第一箱体提供水平加载力，可进行走滑断层错动的模拟。

本系统利用了岩体结构面剪切的粘滑效应，共利用了三块岩体样品之间两个面的摩擦，组成了双剪形式的粘滑错动；具体实现过程如下：试验过程中，第一水平加载装置、第二水平加载装置分别作用于第一子加载岩体样品、第二子加载岩体样品上，使两侧岩体样品与中间岩体样品（即主加载岩体样品）紧密接触；第一加载装置推动中间岩体样品的矩形样品框，中间岩体样品与两侧岩体样品发生摩擦产生粘滑效果，实现近断层脉冲型地震动的模拟，进而研究活动断裂粘滑错动对隧道工程的影响；通过第一样品框与模型箱活动箱体的铰接装置，粘滑效果传递给活动箱体；活动箱体沿预设的倾斜平面移动，使模型箱内岩土体发生错动。

以下参照附图结合具体实施例进一步说明本发明。

参照附图1、附图2和附图3，图1是本发明中的模拟断裂粘滑错动对隧道工程影响的实验系统用于逆断层错动模拟时的一种具体实施例的正视示意图，图2是图1中未组装岩石时的正视示意图，图3是本发明中的模拟断裂粘滑错动对隧道工程影响的实验系统用于逆断层错动模拟或正断层错动模拟时的粘滑加载系统的一种具体实施例的立体结构示意图；本发明提供的一种模拟断裂粘滑错动对隧道工程影响的实验系统，包括模型箱系统100和粘滑加载系统200；模型箱系统用于模拟上盘和下盘的相互作用；模型箱系统包括中空敞口设置的箱体结构，提供放置围岩体和隧道工程相似材料的场所；箱体结构包括水平设置的第一箱体110和第二箱体120；第一箱体包括第一前面板、第一后面板、第一侧面板和第一底面板；第二箱体包括第二前面板、第二后面板、第二侧面板和第二底面板；第一侧面板和第二侧面板相对设置；第一箱体与第二箱体的接触面倾斜设置；第一箱体与第二箱体水平左右设置，第二箱体远离第二侧面板的一侧与第一箱体内表面之间为上盘，第一箱体远离第一侧面板的一侧与第二箱体内表面之间为下盘。粘滑加载系统设置于第一箱体的下部；第二箱体通过支撑装置300固设于地面；粘滑加载系统包括第一加载组件210、第二加载组件220、承托组件230和加载系统框架240；第一加载组件包括第一加载装置211和设置于第一加载装置预设位置的第一样品框212，第一样品框中用于放置主加载岩体样品213；承托组件包括设置于第一样品框两侧的第一承托装置231和第二承托装置232；子加载岩体样品包括分别设置于第一承托装置、第二承托装置中的第一子加载岩体样品、第二子加载岩体样品；第二加载组件包括相对设置的第一水平加载装置和第二水平加载装置；第一子加载岩体样品、第二子加载岩体样品分别在第一水平加载装置、第二水平加载装置的作用下夹紧主加载岩体样品。

在实验过程中，第二加载组件通过子加载岩体样品对主加载岩体样品提供水平加载力，主加载岩体样品可在第一加载装置的作用下对上盘提供垂向加载力，利用岩体结构面剪切的粘滑效应，可有效模拟震源产生，提高试验数据的可信度。

进一步地，粘滑加载系统还包括第一加载板223和第二加载板224，第一加载板、第二加载板分别设置于第一水平加载装置、第二水平加载装置的活动端；第一加载板、第二加载板的面积与第一子加载岩体样品、第二子加载岩体样品的侧面面积一致设置，以提供均匀的加载荷载。

优选地，主加载岩体样品的厚度大于第一样品框的宽度；第一子加载岩体样品的厚度大于第一承托装置的宽度；第二子加载岩体样品的厚度大于第二承托装置的宽度。

进一步地，加载系统框架包括第一侧板241、第二侧板242、第三侧板243和底板244，第一侧板、第二侧板分别用于固定第一水平加载装置221、第二水平加载装置222；第一侧板、第二侧板均为倒L型钢板，倒L型钢板的短边与模型箱系统抵触设置，在本实施例中，倒L型钢板的短边设置于加载系统框架的顶部，与第一箱体的底板接触。

进一步地，第一样品框的顶部设置有导轨装置214，导轨装置的延伸方向与第二加载组件的活动方向一致设置；第一底面板的底部开设有与导轨装置适配的凹槽结构；通过导轨装置与凹槽结构的设置，可对第一箱体起到限位以及在实验过程中减小摩擦的作用。

进一步地，第一前面板、第一后面板、第一侧面板、第一底面板、第二前面板、第二后面板、第二侧面板和第二底面板的四周均为钢制边框，中间为有机玻璃，便于试验过程对箱体内部材料的实时观察。

进一步地，第一箱体与第二箱体之间接触部分为代表断层错动面的倾斜平面，该平面倾斜角度可根据要求设计，且该平面垂直于第一前面板、第二前面板；在该平面上，左右半箱各三条边对应接触。

优选地，第一加载装置、第一水平加载装置和第二水平加载装置均为千斤顶，既能满足加载力的需求，又可节约成本。

优选地，第一承托装置、第二承托装置均为承托钢柱，通过螺栓固定于加载系统框架的底板。

优选地，实验所需的岩体样品为花岗岩、辉长岩等坚硬火成岩，不同岩性和不同法向力的剪切粘滑效果不同；本发明中的岩体样品可根据不同区域的地质条件灵活更换，通过更换不同岩性及结构面特征的样品，对应获得各种粘滑错动效果，可为不同地域的隧道建设提供可靠的试验参考、指导数据。

参照附图4，图4是本发明中的模拟断裂粘滑错动对隧道工程影响的实验系统用于正断层错动模拟时的一种具体实施例的正视示意图；粘滑加载系统200设置于第二箱体120的下部；第一箱体110通过支撑装置300固设于地面；第一样品框设置于第一加载装置顶部。

进一步地，第一样品框的顶部设置有导轨装置，导轨装置的延伸方向与第二加载组件的活动方向一致设置；第二底面板的底部开设有与导轨装置适配的凹槽结构。

参照附图5和附图6，图5是本发明中的模拟断裂粘滑错动对隧道工程影响的实验系统用于走滑断层错动模拟时的一种具体实施例的俯视示意图，图6是本发明中的模拟断裂粘滑错动对隧道工程影响的实验系统用于走滑断层错动模拟时的粘滑加载系统的一种具体实施例的立体结构示意图；粘滑加载系统200设置于第一箱体110侧部且粘滑加载系统与第一箱体水平设置；第二箱体120固设于地面；第一加载装置为模型箱系统的错动提供水平加载力；第一箱体与第二箱体水平左右设置，第二箱体远离第二侧面板的一侧与第一箱体内表面之间为第一盘，第一箱体远离第一侧面板的一侧与第二箱体内表面之间为第二盘，第一盘与第二盘左右接触设置。

第一样品框212设置于第一加载装置211侧部；第一样品框远离第一加载装置的侧部设置有导轨装置214，导轨装置的延伸方向与第二加载组件的活动方向一致设置；第一前面板的侧部开设有与导轨装置适配的凹槽结构。加载系统框架包括第一侧板241、第二侧板242、第三侧板243和底板244，第一侧板、第二侧板分别用于固定第一水平加载装置221、第二水平加载装置222；第一侧板、第二侧板均为倒L型钢板，倒L型钢板的短边与模型箱系统抵触设置，在本实施例中，倒L型钢板的短边设置于加载系统框架的活动端部，与第一箱体的底板接触。

进一步地，第一底面板的下部还设置有滚轮组件；滚轮组件包括多个滚轮，多个滚轮阵列设置，以减少与地面的摩擦。

本装置利用了岩体结构面剪切的粘滑效应，共利用了三块岩体样品之间两个面的摩擦，组成了双剪形式的粘滑错动；本发明的第二方面提供一种模拟断裂粘滑错动对隧道工程影响的实验方法，包括以下步骤：第一，对粘滑加载系统中的岩体样品进行装载和加载；先将中间岩体样品（即主加载岩体样品）放入矩形样品框（即第一样品框）中，再把两侧岩体样品（即第一子加载岩体样品和第二子加载岩体样品）放入相应的矩形样品框中并将与样品框固定连接的钢柱（即第一承托装置和第二承托装置）通过螺栓固定到加载系统框架的底板（正逆断层条件）或后板（走滑断层条件）；调整岩体样品的位置，使两侧岩体样品与中间岩体样品紧密接触，并通过调节第二加载组件对两侧岩体样品施加所需的压力。

第二，对实验系统各部件根据实验条件进行组合装配：正逆断层条件下，模型箱系统与粘滑加载系统上下垂直放置，粘滑加载系统为模型箱系统的错动提供垂直加载力；粘滑加载系统固定于地面；支撑装置固定于地面，起到支撑模型箱的作用；正断层错动模拟与逆断层错动模拟的实现形式差异仅在于粘滑加载系统及支撑框架的排列位置。在逆断层条件下，粘滑加载系统的左右“L”型钢板的短边与第一箱体的底板接触，支撑装置与第二箱体固定连接；在正断层条件下，粘滑加载系统的左右“L”型钢板的短边与第二箱体的底板接触，支撑装置与第一箱体底板固定连接。针对走滑断层条件，模型箱系统与粘滑加载系统水平前后放置，粘滑加载系统固定于地面，第一箱体通过底部滑轮实现移动，第二箱体固定于地面，粘滑加载系统的左右“L”型钢板的短边与第一箱体的后板接触。

第三，隧道结构模型的制作和围岩相似材料装载。根据实验需求，对隧道结构及其内部衬砌模型进行制作，并根据具体要求布设应变片、土压力盒等检测传感器；选取合适配比的相似材料用于模拟围岩，将材料分层铺设于模型箱中，并于中间高度位置放置制作好的隧道结构模型；根据模拟的埋深还可以在表面铺一层重砂以增大埋深压力。

第四，实验加载和监测。利用第一加载装置推动中间岩体样品的矩形样品框，中间岩体样品与两侧岩体样品发生摩擦产生粘滑效果；通过样品框与模型箱活动箱体的接触，粘滑效果传递给活动箱体；活动箱体在直线滑轨的限制下，沿预设的倾斜平面移动，使模型箱内岩土体发生错动，模拟断层错动对隧道结构的影响；实验过程可通过有机玻璃实时观察岩土体的变形情况，通过布设好的应变片、土压力盒等监测传感器收集实验数据。

第五，达到预设位移时，停止第一加载装置中的千斤顶的加载；清除上覆相似材料，取出隧道模型；对第一加载组件中的千斤顶进行复位，解除第二加载装置中的千斤顶的作用，取出岩体样品，结束实验。

根据实验需求，可选择的增加粘滑效应的手段有：增加第二加载装置中的千斤顶的荷载、使用孔隙度较低、含脆弱矿物（如方解石、白云石、滑石、蛭石等）较少且质地较坚硬的致密岩体样品、确保结构面之间干净无填充。

需要说明的是，恒定牵引力作用下的界面滑动速度一般保持恒定或者近似恒定，但在某些情况下，滑动速度却有较大波动。如果摩擦力或者滑动速度随着滑行距离或者时间出现一种波动状态，这就是所谓的粘滑现象；在粘滞阶段，静摩擦力逐渐增至一定值，一旦外力足以克服这个摩擦力，界面就发生滑移；在粘滑过程中，摩擦力与时间关系曲线是锯齿状；只有静摩擦力因数明显大于滑动摩擦因数，才能发生这种典型的粘滑。在地下较深的部位，断层两侧的岩石若要滑动必须克服强大的摩擦力，因此在通常情况下两盘岩石好像互相粘在一起，谁也动弹不了；但当应力积累到等于或大于摩擦力时，两盘岩石便发生突然滑动。通过突然滑动，能量释放出来，两盘又粘结不动，直到能量再积累到一定程度导致下一次突然滑动，对于近断层脉冲型地震动的模拟，现有的专利文献中还均不能实现这种粘滑模拟，通过本发明提供的粘滑加载系统可实现这种高可靠性试验模拟。

需要说明的是，在本发明的描述中，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示方向或位置关系的术语是基于附图所示的方向或位置关系，这仅仅是为了便于描述，而不是指示或暗示所述装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

此外，还需要说明的是，在本发明的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域技术人员而言，可根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

术语“包括”或者任何其它类似用语旨在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、物品或者设备/装置不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其它要素，或者还包括这些过程、物品或者设备/装置所固有的要素。

至此，已经结合附图所示的优选实施方式描述了本发明的技术方案，但是，本领域技术人员容易理解的是，本发明的保护范围显然不局限于这些具体实施方式。在不偏离本发明的原理的前提下，本领域技术人员可以对相关技术特征做出等同的更改或替换，这些更改或替换之后的技术方案都将落入本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种模拟断裂粘滑错动对隧道工程影响的实验系统，其特征在于，该实验系统包括模型箱系统和粘滑加载系统；所述模型箱系统用于模拟断层两盘间的相互作用；

所述粘滑加载系统包括第一加载组件、第二加载组件和承托组件；所述第一加载组件包括第一加载装置和设置于所述第一加载装置预设位置的第一样品框，所述第一样品框用于放置主加载岩体样品；所述承托组件设置于所述第一样品框侧部，所述承托组件承托的子加载岩体样品可在所述第二加载组件的作用下与所述主加载岩体样品抵触设置；

在实验过程中，所述第二加载组件通过所述子加载岩体样品对所述主加载岩体样品提供水平加载力；所述主加载岩体样品可在所述第一加载装置的作用下对第一盘提供垂向加载力，或者，所述主加载岩体样品可在所述第一加载装置的作用下对第二盘提供垂向加载力，或者，所述主加载岩体样品可在所述第一加载装置的作用下对第一盘提供水平方向加载力。

2.根据权利要求1所述的模拟断裂粘滑错动对隧道工程影响的实验系统，其特征在于，所述承托组件包括设置于所述第一样品框两侧的第一承托装置和第二承托装置；所述子加载岩体样品包括分别设置于所述第一承托装置、所述第二承托装置中的第一子加载岩体样品、第二子加载岩体样品；

所述第二加载组件包括相对设置的第一水平加载装置和第二水平加载装置；

所述第一子加载岩体样品、所述第二子加载岩体样品分别在所述第一水平加载装置、所述第二水平加载装置的作用下夹紧所述主加载岩体样品。

3.根据权利要求2所述的模拟断裂粘滑错动对隧道工程影响的实验系统，其特征在于，所述模型箱系统包括中空敞口设置的箱体结构；

所述箱体结构包括水平设置的第一箱体和第二箱体，所述第一箱体包括第一前面板、第一后面板、第一侧面板和第一底面板；所述第二箱体包括第二前面板、第二后面板、第二侧面板和第二底面板；所述第一侧面板和所述第二侧面板相对设置；

所述第一箱体与所述第二箱体的接触面倾斜设置；所述第一箱体与所述第二箱体水平左右设置，所述第二箱体远离所述第二侧面板的一侧与所述第一箱体内表面之间为第一盘，所述第一箱体远离所述第一侧面板的一侧与所述第二箱体内表面之间为第二盘。

4.根据权利要求3所述的模拟断裂粘滑错动对隧道工程影响的实验系统，其特征在于，所述粘滑加载系统设置于所述第一箱体的下部；

所述第二箱体通过支撑装置固设于地面；

所述第一盘为上盘，所述第二盘为下盘；

所述第一样品框设置于所述第一加载装置顶部；所述第一样品框的顶部设置有导轨装置，所述导轨装置的延伸方向与所述第二加载组件的活动方向一致设置；所述第一底面板的底部开设有与所述导轨装置适配的凹槽结构。

5.根据权利要求3所述的模拟断裂粘滑错动对隧道工程影响的实验系统，其特征在于，所述粘滑加载系统设置于所述第二箱体的下部；

所述第一箱体通过支撑装置固设于地面；

所述第一盘为上盘，所述第二盘为下盘；

所述第一样品框设置于所述第一加载装置顶部；所述第一样品框的顶部设置有导轨装置，所述导轨装置的延伸方向与所述第二加载组件的活动方向一致设置；所述第二底面板的底部开设有与所述导轨装置适配的凹槽结构。

6.根据权利要求3所述的模拟断裂粘滑错动对隧道工程影响的实验系统，其特征在于，所述粘滑加载系统设置于所述第一箱体侧部且所述粘滑加载系统与所述第一箱体水平设置；

所述第二箱体固设于地面；

所述第一盘、所述第二盘分别为走滑断层的两盘；

所述第一样品框设置于所述第一加载装置侧部；所述第一样品框远离所述第一加载装置的侧部设置有导轨装置，所述导轨装置的延伸方向与所述第二加载组件的活动方向一致设置；所述第一前面板的侧部开设有与所述导轨装置适配的凹槽结构。

7.根据权利要求3所述的模拟断裂粘滑错动对隧道工程影响的实验系统，其特征在于，所述粘滑加载系统还包括第一加载板和第二加载板，所述第一加载板、所述第二加载板分别设置于所述第一水平加载装置、所述第二水平加载装置的活动端；

所述第一加载板、所述第二加载板的尺寸与所述第一子加载岩体样品、所述第二子加载岩体样品的侧面面积相适配；

所述第一底面板的下部还设置有滚轮组件；

所述滚轮组件包括多个滚轮，多个所述滚轮阵列设置。

8.根据权利要求2所述的模拟断裂粘滑错动对隧道工程影响的实验系统，其特征在于，所述主加载岩体样品的厚度大于所述第一样品框的宽度；

所述第一子加载岩体样品的厚度大于所述第一承托装置的宽度；所述第二子加载岩体样品的厚度大于所述第二承托装置的宽度。

9.根据权利要求2所述的模拟断裂粘滑错动对隧道工程影响的实验系统，其特征在于，所述粘滑加载系统还包括加载系统框架；

所述加载系统框架包括第一侧板、第二侧板、第三侧板和底板，所述第一侧板、所述第二侧板分别用于固定所述第一水平加载装置、所述第二水平加载装置；

所述第一侧板、所述第二侧板均为倒L型钢板，所述倒L型钢板的短边与所述模型箱系统抵触设置。

10.一种模拟断裂粘滑错动对隧道工程影响的实验方法，其特征在于，该方法基于权利要求1-9中任一项所述的模拟断裂粘滑错动引发近断层地震动的实验系统，包括以下步骤：

步骤S100，分别将主加载岩石样品、子加载岩体样品放入第一样品框、承托组件中，调整岩体样品的位置，使两侧的岩体样品与中间的岩体样品紧密接触，并通过调节第二加载组件对子加载岩体样品施加所需的压力；其中，子加载岩体样品与主加载岩石样品抵触的面为岩体结构面；

步骤S200，基于设置好的粘滑加载系统装配模型箱系统；当进行正逆断层错动模拟时，模型箱系统设置于粘滑加载系统的上方，粘滑加载系统为模型箱系统的错动提供垂直加载力，粘滑加载系统固定于地面；当进行走滑断层错动模拟时，模型箱系统与粘滑加载系统水平前后放置，粘滑加载系统固定于地面，模型箱系统中的第一箱体通过底部滑轮实现移动，第二箱体固定于地面；

步骤S300，根据实验需求，对隧道结构及其内部衬砌模型进行制作，并根据实验要求布设检测装置；选取合适配比的相似材料用于模拟围岩，将材料分层铺设于模型箱中，并于中间高度位置放置制作好的隧道结构模型；

步骤S400，利用第一加载装置推动主加载岩体样品的第一样品框，主加载岩体样品与子加载岩体样品摩擦产生粘滑效果；通过第一样品框与模型箱系统中活动箱体的接触，粘滑效果传递给活动箱体；活动箱体在预设的直线滑轨的限制下，沿预设的倾斜平面移动，使模型箱内岩土体发生错动，模拟断层错动对隧道结构的影响；实验过程通过透明箱体实时观察岩土体的变形情况，通过布设的监测传感器收集实验数据；

步骤S500，达到预设位移时，停止第一加载装置的加载；清除上覆相似材料，取出隧道模型；对第一加载装置进行复位，解除第二加载装置的作用，取出岩体样品，结束实验。

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