CN112557166B - 一种加载缓冲装置及用于断层模拟的试验系统和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种加载缓冲装置及用于断层模拟的试验系统和方法，涉及岩石力学试验技术领域，解决了模型刚性加载和尺寸限制的问题。加载缓冲装置包括调节机构，以及多个加载单元，加载单元包括伸缩框、缓冲弹簧、推杆、球头杆和钢丝绳，调节机构包括齿轮和齿条，加载缓冲单元沿着竖直方向和水平方向分别布置多个，沿同一条直线布置的加载缓冲单元由钢丝绳串联，加载缓冲装置在加载过程中协调模拟试验体在水平方向和竖直方向上的变形。该加载缓冲装置可以应用于断层模拟的相似材料模拟试验系统，提供瞬时动能，并控制断层形成时上下盘的相对运动。以及利用该试验系统进行正断层和逆断层相似材料模拟的试验方法；还具有操作简单，适用范围广的优点。
Description
技术领域
本发明涉及岩石力学试验技术领域，尤其是一种加载缓冲装置及用于断层模拟的试验系统和方法。
背景技术
构造物理中相似材料模拟试验是研究地质构造的一种有效方法，同时也是协助研究地层变形过程和断层形成机制的重要手段。目前，地质构造模拟中所用的构造模拟试验装置是根据相似性原理，通过控制运动或力对试验模型(砂体)进行变形试验，模拟或反演断层等构造地质成因的设备，设备主体多采用砂箱等试验容器，通过在砂箱内铺设多层不同厚度、不同材料配比的试验材料来模拟构造形成过程，研究地质构造的成因和演化机理，对地质构造的成因进行定性和定量分析。现有的模拟断层形成试验装置，一般通过水平与垂直方向压力作用于沙箱内模型模拟断层形成过程，但根据现有试验条件，有时难以形成理想断层，甚至不能形成断层，这使得耗时费力的试验收效甚微。现有技术中，中国专利(CN110006757B)提供了一种控制断层倾角和断层起裂位置的试验系统，但是该试验系统也不能解决试验机装置刚性加载以及尺寸限制的问题。
另外现有的相似材料模拟试验系统中，常见的加载装置都是刚性的加载，但是试验体的材料在在受到刚性加载时往往出现异常变形，导致难以产生理想的断层；并并且在断层形成后缺乏断层上下盘继续运动的有利条件，现有的加载装置不能协调试验体的变形也不能在断层形成后持续加载。
发明内容
为了解决试验机装置刚性加载以及尺寸限制的问题，本发明提供了一种加载缓冲装置及用于断层模拟的试验系统和方法，不仅可以实现柔性加载，还可以保证断层成形，改善加载的应力状态和运动状态，协调试验体在不同方向上产生的变形。具体技术方案如下：
一种加载缓冲装置，包括调节机构，以及多个加载单元；所述加载单元沿着第一方向和第二方向分别排列连接布置有多个，沿同一条直线布置的加载缓冲单元由钢丝绳串联，加载缓冲装置在加载过程中协调第一方向和第二方向上的变形；所述加载单元包括伸缩框、缓冲弹簧、推杆、球头杆和钢丝绳，所述伸缩框包括上垫层、下垫层、杆套和伸缩支撑杆架，所述推杆包括上推杆和下推杆；多个缓冲弹簧固定配置在上垫层和下垫层之间，上推杆两端分别与上垫层和球头杆铰接，下推杆的两端分别与下垫层和球头杆铰接，多个球头杆在杆套内沿着杆套首尾相接，钢丝绳依次穿过球头杆轴线上的通孔；伸缩支撑杆架支撑配置在上垫层和下垫层之间；所述调节机构包括齿轮和齿条，所述齿条包括第一齿条和第二齿条，第一齿条和第二齿条分别与球头杆相连。
优选的是，加载单元沿着第一方向、第二方向和第三方向分别排列连接布置有多个，加载缓冲装置在加载过程中协调第一方向、第二方向和第三方向上的变形；所述齿条包括第一齿条、第二齿条和第三齿条，第一齿条、第二齿条和第三齿条分别与球头杆相连。
还优选的是，调节结构内部还设置有张紧装置，钢丝绳和张紧装置相连。
还优选的是，杆套上设置有开槽，上推杆和下推杆沿杆套对称布置；所述球头杆的端部设置有球形接头，球形杆的尾部设置有球槽，球形接头和球槽相互配合。
还优选的是，加载单元沿着水平方向和竖直方向分别排列连接布置有多个，沿同一条直线布置的加载缓冲单元由钢丝绳串联，加载缓冲装置在加载过程中协调水平方向和竖直方向上的变形；所述齿条包括水平齿条和竖直齿条，水平齿条和竖直齿条分别与球头杆相连。
一种具有加载缓冲装置的断层模拟试验系统，利用上述的一种加载缓冲装置，还包括断层模拟试验系统，底座、立柱、顶梁和挡板，底座的两端设置有立柱，立柱之间的底座上还设置有挡板，立柱的上端通过顶梁连接；相似材料模拟试验体放置在挡板之间的底座上；侧向加载装置和沿着第二方向布置的加载单元相连，沿着第二方向布置的加载单元压设在试验体侧面，竖直加载装置和沿着第一方向布置的加载单元相连，沿着第一方向布置的加载单元压设在试验体的上方。
进一步优选的是，侧向加载装置和竖直加载装置加载的过程中缓冲弹簧储存弹性能，缓冲弹簧在试验体形成断层时提供瞬时动能，断层形成后加载缓冲装置继续对试验体进行加载。
一种断层模拟试验方法，利用上述的一种具有加载缓冲装置的断层模拟试验系统，步骤包括：
A.确定材料模拟试验的试验体长度，固定试验体两侧的挡板；
B.确定断层的类型、起裂角度和起裂位置，安装断层起裂装置；
C.根据相似材料模拟试验的试验体尺寸确定加载缓冲装置的加载单元安装数量；
D.分层铺设相似材料，并在模拟煤岩层内铺设应力传感器；
E.利用侧向加载装置或竖直加载装置施加载荷；
F.断层形成后继续施加载荷，观测模拟断层。
进一步优选的是，侧向加载装置或竖直加载装置通过加载缓冲装置对试验体施加柔性载荷，钢丝绳协调多个加载单元连接。
进一步优选的是，断层形成后继续施加载荷，加载缓冲装置协调试验体的变形并持续传递载荷。
本发明提供的一种加载缓冲装置及用于断层模拟的试验系统和方法有益效果包括：
(1)提供了加载缓冲装置，在现有的试验机等结构上加载缓冲装置可以实现两个方向或者三个方向上的柔性加载，并且还可以对各个方向上的位移进行控制，从而解决了现有试验装置的尺寸限制，以及刚性加载难以达到试验目的的问题；尤其是该加载缓冲装置可以用于多种相似材料模拟的试验中。
(2)具有加载缓冲装置的断层模拟试验系统，在加载初期可以实现柔性加载，同时加载缓冲装置可以积蓄弹性势能，由于钢丝绳贯穿连接各个加载单元，利用预紧装置从而使各个加载单元紧密连接，当断层上下盘发生错动时，加载缓冲装置的弹性能突然释放，从而保证了理想断层的形成。
(3)断层形成后使用加载缓冲装置可以继续保持上下盘的相对运动，并且加载缓冲装置和上下盘进接触，在钢丝绳和球头杆的作用下，加载缓冲装置协调加载运动，由于上垫层和下垫层以及伸缩支撑杆架具有弹性，所以加载缓冲可以实现运动协调。
附图说明
图1是加载缓冲装置的结构示意图；
图2是加载单元的结构示意图；
图3是球头杆的连接示意图；
图4是具有加载缓冲装置的断层模拟试验系统结构示意图；
图5是正断层模拟试验结构的示意图；
图6是逆断层模拟试验的结构示意图；
图中：1-加载单元，2-调节机构，3-底座，4-立柱，5-顶梁，6-挡板；7-侧向加载装置，8-竖直加载装置；
11-伸缩框，12-缓冲弹簧，13-推杆，14-球头杆，15-钢丝绳；
111-上垫层、112-下垫层、113-杆套，114-伸缩支撑杆架。
具体实施方式
结合图1至图6所示，对本发明提供的一种加载缓冲装置及用于断层模拟的试验系统和方法的具体实施方式进行说明。
一种加载缓冲装置，包括调节机构2，以及多个加载单元1，调节机构2和多个加载单元1的连接机构相连接，垂直于加载单元布置的长度方向对其施加载荷，通过加载单元传递载荷，调节机构控制不同方向上呈线性布置的加载单元之间的协同变形。该加载缓冲装置可以用于断层模拟试验系统，还可以用在对不同方向进行加载，并且对不同方向上变形有要求的加载装置，从而实现整体的变形协调。
其中加载单元1沿着第一方向和第二方向分别排列连接并布置有多个，第一方向和第二方向支架的夹角根据需要确定，沿同一条直线布置的加载缓冲单元由同一条钢丝绳串联，加载缓冲装置在加载过程中通过调节结构协调第一方向和第二方向上的变形。加载单元1包括伸缩框11、缓冲弹簧12、推杆13、球头杆14和钢丝绳15。伸缩框11包括上垫层111、下垫层112、杆套113和伸缩支撑杆架114，伸缩框11呈长方体，并且上垫层111和下垫层112可以发生变形，伸缩支撑杆架114也可以在一定范围内产生变形。推杆13包括上推杆和下推杆，上推杆和下推杆分别辅助支撑上下垫层，并协调上下垫层之间的变形。多个缓冲弹簧12固定配置在上垫层和下垫层之间，从而使其具备一定的弹性，上推杆两端分别与上垫层和球头杆铰接，下推杆的两端分别与下垫层和球头杆铰接，从而可以始终保持杆套处于上垫层和下垫层中间的位置，多个球头杆14在杆套内沿着杆套首尾相接，钢丝绳15依次穿过球头杆轴线上的通孔。伸缩支撑杆架114支撑配置在上垫层和下垫层之间，保持加载单元1对加载应力的传递。调节机构2包括齿轮和齿条，齿轮和齿条的齿数比根据试验需要调整更换，并通过调整其比例控制不同方向上协调变形的比例，齿条包括第一齿条和第二齿条，第一齿条和第二齿条分别与球头杆相连，在球头杆的作用下保持加载单元平直布置。
调节结构2内部还设置有张紧装置，钢丝绳和张紧装置相连，张紧装置可以张紧钢丝绳，从而调整加载单元密切连接并保持钢丝绳的张力。杆套上设置有开槽，从而方便上推杆和下推杆的连接，上推杆和下推杆沿杆套对称布置，保证杆套与上下垫层平行。球头杆14的端部设置有球形接头，球形杆的尾部设置有球槽，球形接头和球槽相互配合从而可以实现一定角度的变形控制；设置数量足够的球形杆可以保持连接的柔性，该连接结构还可以实现非线性的应力传递。上垫层和下垫层均可以采用可弯曲变形的材料，具有一定的变形能力，从而可以保证加载单元与试验体贴合；缓冲弹簧的弹性系数和设置数量可以根据试验需要进行选取。
本实施例的另一变形例中，加载缓冲装置，包括调节机构2，以及多个加载单元1，加载单元1沿着第一方向、第二方向和第三方向分别排列连接布置有多个，从而可以在三个方向上协调加载试验体的变形，例如在三维加载试验装置中，利用加载缓冲装置实现三个方向上的柔性加载，并可以保持其在三个方向上的协同变形。加载缓冲装置在加载过程中协调第一方向、第二方向和第三方向上的变形，其中各个方向上的加载单元可以是沿特定的平面布置，从在三维平面上进行柔性的协调加载。据此还可以对调节机构进行相应的改进，齿条包括第一齿条、第二齿条和第三齿条，第一齿条、第二齿条和第三齿条分别与球头杆相连。
本实施例的另一变形例中，加载缓冲装置，包括调节机构2，以及多个加载单元1，加载单元1沿着水平方向和竖直方向分别排列连接布置有多个，沿同一条直线布置的加载缓冲单元由钢丝绳串联，加载缓冲装置在加载过程中协调水平方向和竖直方向上的变形，实现对垂直的两个方向进行柔性的协调加载。据此还可以对调节机构进行相应的改进，齿条包括水平齿条和竖直齿条，水平齿条和竖直齿条分别与球头杆相连。
此外，各个加载单元的大小尺寸可以根据实际需要进行改进，并且加载单元之间的连接可以通过沿着杆套长度方向连接，尽量减小在该连接长度方向上加载单元的长度，从而可以使加载缓冲装置具有更好的变形协调能力，扩大加载单元在宽度方向上的尺寸可以更好的实现对加载面的柔性加载。
一种具有加载缓冲装置的断层模拟试验系统，具有加载缓冲装置，包括调节机构2，以及多个加载单元1；加载单元1沿着第一方向和第二方向分别排列连接布置有多个，沿同一条直线布置的加载缓冲单元由钢丝绳串联，加载缓冲装置在加载过程中协调第一方向和第二方向上的变形；加载单元1包括伸缩框11、缓冲弹簧12、推杆13、球头杆14和钢丝绳15；伸缩框11包括上垫层111、下垫层112、杆套113和伸缩支撑杆架114，推杆13包括上推杆和下推杆；多个缓冲弹簧12固定配置在上垫层和下垫层之间，上推杆两端分别与上垫层和球头杆铰接，下推杆的两端分别与下垫层和球头杆铰接，多个球头杆14在杆套内沿着杆套首尾相接，钢丝绳15依次穿过球头杆轴线上的通孔；伸缩支撑杆架114支撑配置在上垫层和下垫层之间；调节机构2包括齿轮和齿条，齿条包括第一齿条和第二齿条，第一齿条和第二齿条分别与球头杆相连。利用上述的一种加载缓冲装置，还包括断层模拟试验系统，底座3、立柱4、顶梁5和挡板6，底座3的两端设置有立柱4，立柱4之间的底座上还设置有挡板6，立柱4的上端通过顶梁连接；相似材料模拟试验体放置在挡板之间的底座上；侧向加载装置和沿着第二方向布置的加载单元相连，沿着第二方向布置的加载单元压设在试验体侧面，竖直加载装置和沿着第一方向布置的加载单元相连，沿着第一方向布置的加载单元压设在试验体的上方。模拟试验系统还具有断层角度起裂装置，控制调节断层的起裂位置和起裂角度。
其中侧向加载装置和竖直加载装置加载的过程中缓冲弹簧储存弹性能，缓冲弹簧在试验体形成断层时提供瞬时动能，断层形成后加载缓冲装置继续对试验体进行加载。在加载初期可以实现柔性加载，同时加载缓冲装置可以积蓄弹性势能，由于钢丝绳贯穿连接各个加载单元，利用预紧装置从而使各个加载单元紧密连接，当断层上下盘发生错动时，加载缓冲装置的弹性能突然释放，提供瞬时动能，在动力作用下保证了理想断层的形成。
一种断层模拟试验方法，利用上述的一种具有加载缓冲装置的断层模拟试验系统，步骤包括：
A.确定材料模拟试验的试验体长度，可以根据试验系统的尺寸进行确定，固定试验体两侧的挡板，从而方便构筑相似材料模拟实验体。
B.确定断层的类型、起裂角度和起裂位置，安装断层起裂装置。其中包括正断层或逆断层，利用断层起裂装置控制断层的起裂角和起裂位置，从而精准制作断层。
C.根据相似材料模拟试验的试验体尺寸确定加载缓冲装置的加载单元安装数量，具体是根据试验体的长度确定水平方向上加载单元的数量，根据试验体的高度确定竖直方向上加载单元的数量。
D.分层铺设相似材料，并在模拟煤岩层内铺设应力传感器，尤其是在断层附近，以及模拟煤层及顶底板层位置密集铺设应力传感器。
E.利用侧向加载装置或竖直加载装置施加载荷。侧向加载装置或竖直加载装置通过加载缓冲装置对试验体施加柔性载荷，钢丝绳协调多个加载单元连接。在加载初期可以实现柔性加载，同时加载缓冲装置可以积蓄弹性势能，由于钢丝绳贯穿连接各个加载单元，利用预紧装置从而使各个加载单元紧密连接，当断层上下盘发生错动时，加载缓冲装置的弹性能突然释放，从而保证了理想断层的形成。
F.断层形成后继续施加载荷，观测模拟断层。
断层形成后继续施加载荷，加载缓冲装置协调试验体的变形并持续传递载荷。断层形成后使用加载缓冲装置可以继续保持上下盘的相对运动，并且加载缓冲装置和上下盘进接触，在钢丝绳和球头杆的作用下，加载缓冲装置协调加载运动，由于上垫层和下垫层以及伸缩支撑杆架具有弹性，所以加载缓冲可以实现运动协调。
当然，上述说明并非是对本发明的限制，本发明也并不仅限于上述举例，本技术领域的技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也应属于本发明的保护范围。
Claims (4)
1.一种具有加载缓冲装置的断层模拟试验系统，其特征在于，利用一种加载缓冲装置，包括调节机构，以及多个加载单元；所述加载单元沿着第一方向和第二方向分别排列连接布置有多个，沿同一条直线布置的加载缓冲单元由钢丝绳串联，加载缓冲装置在加载过程中协调第一方向和第二方向上的变形；所述加载单元包括伸缩框、缓冲弹簧、推杆、球头杆和钢丝绳，所述伸缩框包括上垫层、下垫层、杆套和伸缩支撑杆架，所述推杆包括上推杆和下推杆；多个缓冲弹簧固定配置在上垫层和下垫层之间，上推杆两端分别与上垫层和球头杆铰接，下推杆的两端分别与下垫层和球头杆铰接，多个球头杆在杆套内沿着杆套首尾相接，钢丝绳依次穿过球头杆轴线上的通孔；伸缩支撑杆架支撑配置在上垫层和下垫层之间；所述调节机构包括齿轮和齿条，所述齿条包括第一齿条和第二齿条，第一齿条和第二齿条分别与球头杆相连；所述加载单元沿着第一方向、第二方向和第三方向分别排列连接布置有多个，加载缓冲装置在加载过程中协调第一方向、第二方向和第三方向上的变形；所述齿条包括第一齿条、第二齿条和第三齿条，第一齿条、第二齿条和第三齿条分别与球头杆相连；所述调节结构内部还设置有张紧装置，钢丝绳和张紧装置相连；所述杆套上设置有开槽，上推杆和下推杆沿杆套对称布置；所述球头杆的端部设置有球形接头，球形杆的尾部设置有球槽，球形接头和球槽相互配合；所述加载单元沿着水平方向和竖直方向分别排列连接布置有多个，沿同一条直线布置的加载缓冲单元由钢丝绳串联，加载缓冲装置在加载过程中协调水平方向和竖直方向上的变形；所述齿条包括水平齿条和竖直齿条，水平齿条和竖直齿条分别与球头杆相连；
还包括断层模拟试验系统，底座、立柱、顶梁和挡板，底座的两端设置有立柱，立柱之间的底座上还设置有挡板，立柱的上端通过顶梁连接；相似材料模拟试验体放置在挡板之间的底座上；侧向加载装置和沿着第二方向布置的加载单元相连，沿着第二方向布置的加载单元压设在试验体侧面，竖直加载装置和沿着第一方向布置的加载单元相连，沿着第一方向布置的加载单元压设在试验体的上方；
所述侧向加载装置和竖直加载装置加载的过程中缓冲弹簧储存弹性能，缓冲弹簧在试验体形成断层时提供瞬时动能，断层形成后加载缓冲装置继续对试验体进行加载。
2.一种断层模拟试验方法，其特征在于，利用权利要求1所述的一种具有加载缓冲装置的断层模拟试验系统，步骤包括：
A.确定材料模拟试验的试验体长度，固定试验体两侧的挡板；
B.确定断层的类型、起裂角度和起裂位置，安装断层起裂装置；
C.根据相似材料模拟试验的试验体尺寸确定加载缓冲装置的加载单元安装数量；
D.分层铺设相似材料，并在模拟煤岩层内铺设应力传感器；
E.利用侧向加载装置或竖直加载装置施加载荷；
F.断层形成后继续施加载荷，观测模拟断层。
3.根据权利要求2所述的一种断层模拟试验方法，其特征在于，侧向加载装置或竖直加载装置通过加载缓冲装置对试验体施加柔性载荷，钢丝绳协调多个加载单元连接。
4.根据权利要求2所述的一种断层模拟试验方法，其特征在于，所述断层形成后继续施加载荷，加载缓冲装置协调试验体的变形并持续传递载荷。
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