CN112683561B - 地震断层模拟实验平台 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种地震断层模拟实验平台，其特征在于包括有左箱体(1)、右箱体(2)、待测模型(3)、多个压板(4)、多个与压板(4)一一对应的第一驱动装置(5)和三轴驱动组件，右箱体(2)与左箱体(1)相连通并形成有供土层(101)容置的容置腔(10)，待测模型(3)根据应用场景局部或全部埋设在土层(101)中，压板(4)呈矩阵状布置在土层(101)的表面，第一驱动装置(5)能驱动对应的压板(4)上下移动，三轴驱动组件能驱动左箱体(1)和右箱体(2)在三维方向相对移动。与现有技术相比，本发明提供了一种多样化测试、精准度更高的地震断层模拟实验平台。

Description

地震断层模拟实验平台

技术领域

本发明涉及跨断层土木工程结构与设施地震响应技术领域，具体指一种地震断层模拟实验平台。

背景技术

随着人类社会经济发展的需要，大型土木、交通、水利和海洋工程等的建设日益普遍，工程结构的地震地质安全愈来愈引起人们的关注。这其中，土木工程结构和基础设施在地震断层作用下的安全性尤为突出。调查表明，当隧道、桥梁、铁路、管线、建筑等大型工程穿、跨越活动断裂带时，断层运动时将会对工程结构产生张拉、挤压或者剪切作用，将导致结构和设施系统产生变形直至破坏，一旦发生，其社会和经济损失都将难以估量。因此，对穿、跨越断层带的土木工程结构和设施，不仅其本身应当具有良好的抗震性能，还需要具有一定的变形能力和抗挫断能力。

目前针对大型土木、交通、水利和海洋工程在地震断层作用下的安全问题的研究还不充分，尤其针对穿、跨越地震断层的工程结构和设施的实验研究还远远不足。现有技术中，以隧道为例，在地震断层作用下的模型试验方法所采用的模拟实验平台往往只能模拟断层错动的剪切作用对隧道的影响，但是对于现实环境的隧道来说，一方面，地形或人类的动态活动等会在埋设有隧道的土层的不同位置施加不同大小的压力，因此，隧道顶部的受力状态是非均匀的，目前的实验平台忽略了这方面的测试；另一方面，目前的实验平台下，若要模拟隧道在受到不同方向断层作用下的影响，需要更换不同的实验平台，操作复杂且成本高。

发明内容

本发明所要解决的第一个技术问题是针对现有技术的现状，提供一种多样化测试、精准度更高的地震断层模拟实验平台，能模拟断层面间相对运动，研究其对土木工程结构和基础设施的破坏性影响。

本发明所要解决的第二个技术问题是提供一种地震断层模拟实验平台，可根据断层类型和工程场景需要，无需更换整个实验平台即可模拟土木工程结构和基础设施在受到不同类型的断层作用下的影响。

本发明解决上述第一个技术问题所采用的技术方案为：一种地震断层模拟实验平台，其特征在于包括有

左箱体，右侧具有开口，右侧缘具有第一环形凸沿；

右箱体，左侧具有开口，与左箱体相连通并形成有供土层容置的容置腔，左侧缘具有能相对于第一环形凸沿移动并始终紧贴于第一环形凸沿的第二环形凸沿，左箱体和右箱体的顶部各设置有一安装板；

待测模型，根据应用场景局部或全部埋设在土层中；

多个压板，呈矩阵状布置在土层的表面；

多个相互独立的第一驱动装置，相对于所述的安装板固定，每一第一驱动装置与压板一一对应，且能驱动对应的压板上下移动，用以对不同位置的土层施加不同的压力；以及

三轴驱动组件，能驱动左箱体和右箱体在三维方向相对移动。

为了方便隧道模型的定位以及传感器的安装，所述左箱体的左侧壁上开设有第一通孔，所述右箱体的右侧壁上开设有第二通孔，所述的待测模型为隧道模型，该隧道模型的两端分别穿设在第一通孔和第二通孔中。

为了保证压板施加压力的范围覆盖整个土层，相连两个所述压板的相邻侧缘相抵，以使各所述压板在整体上形成一个覆盖在土层表面的平台。

为了方便对压板进行施压，所述的第一驱动装置包括有

第一缸体，安装在所述的安装板上；以及

第一活塞杆，能相对于第一缸体沿竖直方向伸缩，端部与对应的压板相连接。

为了保证压板的平稳移动和施压，所述的第一驱动装置还包括有

导向套，穿设在安装板上并相对于安装板固定；以及

导向杆，安装在对应压板的顶部，与所述的导向套导向配合。

为了方便将泥土放入容置腔中，并保证安装板能够紧贴在左箱体或右箱体侧壁的顶部，所述的安装板通过第二驱动装置能拆卸地连接在对应左箱体或右箱体侧壁的顶部，该第二驱动装置包括有

第一基座，安装在所述左箱体或右箱体的外侧壁上；

限位板，固定在所述安装板的外缘，沿竖直方向贯穿开设有穿孔；

第二缸体，铰接在所述的第一基座上；以及

第二活塞杆，能相对于第二缸体沿竖直方向伸缩，穿设在所述的穿孔中，端部的外周壁上凸设有限位凸起；

在第二活塞杆内缩的状态下，所述的限位凸起向下作用于所述的限位板，以使所述的安装板压紧在所述左箱体或右箱体侧壁的顶部。

为了方便安装板的装卸，所述的限位板的外缘开设有与所述的穿孔相贯通的缺口，用于供所述的第二活塞杆通过并穿设在所述的穿孔中。

为了保证安装板与左箱体或右箱体之间的连接可靠性，所述第二驱动装置的数量至少为两个，并沿所述左箱体和右箱体的周向间隔布置。

为了进一步解决上述第二个技术问题，

所述的左箱体包括有

第一侧边箱体；以及

第一中间箱体，左侧缘与第一侧边箱体的右侧缘拆卸式连接，右侧缘设有所述的第一环形凸沿；

所述的右箱体包括有

第二侧边箱体；以及

第二中间箱体，右侧缘与第二侧边箱体的左侧缘拆卸式连接，左侧缘设有所述的第二环形凸沿。

为了实现左箱体和右箱体在各个方向上的相对移动，所述的三轴驱动组件包括有

第三驱动装置，与左箱体传动连接，用于驱动左箱体前后移动；

第四驱动装置，与左箱体传动连接，用于驱动左箱体左右移动；

第五驱动装置，与右箱体传动连接，用于驱动右箱体上下移动。

为了避免三轴驱动组件中各个驱动装置之间的运动发生干涉，

所述的第三驱动装置包括有

第二基座，呈水平布置的平板状；

第三基座，安装在所述左箱体的底部；

第三缸体，安装在所述的第二基座上；以及

第三活塞杆，能相对于第三缸体沿前后方向伸缩，端部与所述的第三基座相铰接；

所述的第四驱动装置包括有

第四基座，安装在所述第二基座的左端；

第四缸体，安装在外接的墙面上；以及

第四活塞杆，能相对于第四缸体沿左右方向伸缩，端部与所述的第四基座相铰接；

所述的第五驱动装置包括有

第五基座，安装在所述右箱体的底部；

第五缸体，安装在外接的地面上；以及

第五活塞杆，能相对于第五缸体沿竖直方向伸缩，端部与所述的第五基座相铰接。

为了保证左箱体和右箱体的稳定移动，

所述的第三驱动装置还包括有第一导轨，该第一导轨沿前后方向布置在所述第二基座的顶部，对应地，所述左箱体的底部安装有与第一导轨导向配合的第一导向件；

所述的第四驱动装置还包括有第二导轨，该第二导轨沿左右方向布置在外接的地面上，对应地，所述第二基座的底部安装有与第二导轨导向配合的第二导向件；

所述的第五驱动装置还包括有第三导轨，该第三导轨沿竖直方向布置在外接的墙体上，对应地，所述右箱体的侧壁上安装有与第三导轨导向配合的第三导向件。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

(1)将左箱体和右箱体连通并形成供土层容置的容置腔，并在土层的表面设置呈矩阵状布置的压板，测试时，将待测模型埋设在土层中，通过三轴驱动组件驱动左箱体和右箱体相对移动，通过第一驱动装置推动压板下压对不同位置的土层施加不同的压力，各第一驱动装置还可独立控制对应的每个压板的压力，从而精确模拟不同地形和不同受力环境导致的土木工程结构和基础设施顶部受力非均匀状态，并研究断层错动的剪切作用对待测模型的影响；

(2)第一环形凸沿的第二环形凸沿的配合可以避免内部土层外漏影响测试；

(3)由于中间箱体可更换，第一环形凸沿和第二环形凸沿之间的接触面的倾斜角度可调节，从而方便模拟待测模型在受到不同方向断层作用下的影响。

附图说明

图1为本发明地震断层模拟实验平台的实施例1安装在基坑内的立体结构示意图；

图2为图1中地震断层模拟实验平台的立体结构示意图；

图3为图2中地震断层模拟实验平台的纵向剖视图；

图4为图3中Ⅰ部分的放大图；

图5为图4中压板和第一驱动装置的立体结构示意图；

图6为图2中左箱体和右箱体(省略了安装板)的立体结构示意图；

图7为图6中左箱体和右箱体(省略了安装板)的纵向剖视图；

图8为图6中左箱体和右箱体(省略了安装板)的立体分解示意图；

图9为图2中左箱体一侧的立体结构示意图；

图10为图2中右箱体一侧的立体结构示意图；

图11为本发明地震断层模拟实验平台的实施例2中第一中间箱体和第二中间箱体(省略了安装板)的立体结构示意图；

图12为图11中第一中间箱体和第二中间箱体(省略了安装板)的主视图。

具体实施方式

以下结合附图实施例对本发明作进一步详细描述。

实施例1：

如图1至图10所示，为本发明地震断层模拟实验平台的第一个优选实施例。该地震断层模拟实验平台包括有左箱体1、右箱体2、待测模型3、压板4、第一驱动装置5、第二驱动装置6、第三驱动装置7、第四驱动装置8和第五驱动装置9。实际安装时，一般在将上述地震断层模拟实验平台安装在基坑a内部。

其中，如图6至图8所示，左箱体1的右侧具有开口，左箱体1包括有第一侧边箱体11以及左侧缘与第一侧边箱体11拆卸式连接的第一中间箱体12，第一侧边箱体11的左侧壁上开设有第一通孔111，第一中间箱体12的右侧缘向外弯折延伸形成有第一环形凸沿121；右箱体2的左侧具有开口，右箱体2包括有第二侧边箱体21以及右侧缘与第二侧边箱体21的左侧缘拆卸式连接的第二中间箱体22，第二侧边箱体21的右侧壁上开设有第二通孔211，第二中间箱体22的左侧缘向外弯折延伸形成有能相对于第一环形凸沿121移动并始终紧贴于第一环形凸沿121的第二环形凸沿221。左箱体1和右箱体2相连通并形成有供土层101容置的容置腔10。

本实施例中，如图1至图3，图9和图10所示，左箱体1和右箱体2的顶部均具有开口，并各设置有一安装板102，该安装板102能拆卸地连接在左箱体1或右箱体2侧壁的顶部。

将第一环形凸沿121和第二环形凸沿221之间的接触面与水平面之间的夹角记为α，α值取值范围[45°,90°]，本实施例中，α的值为90°。

如图3所示，待测模型3根据应用场景局部或全部埋设在土层101中。本实施例中，待测模型3为隧道模型，该隧道模型的两端分别穿设在第一通孔111和第二通孔211中。

如图4和图5所示，压板4的数量为多个，并呈矩阵状布置在土层101的表面。本实施例中，相连两个压板4的相邻侧缘相抵，以使各压板4在整体上形成一个覆盖在土层101表面的平台。本实施例中，压板4呈长方体状。

如图4和图5所示，第一驱动装置5的数量与压板4一一对应，且各第一驱动装置5相互独立，第一驱动装置5相对于安装板102固定，能驱动对应的压板4上下移动，用以对不同位置的土层101施加不同的压力。具体地，第一驱动装置5包括有第一缸体51、第一活塞杆52、导向套53和导向杆54。第一缸体51安装在安装板102上；第一活塞杆52能相对于第一缸体51沿竖直方向伸缩，端部与对应的压板4相连接；导向套53穿设在安装板102上并相对于安装板102固定；导向杆54安装在对应压板4的顶部，并与导向套53导向配合。

如图2至图4所示，第二驱动装置6的数量至少为两个，并沿左箱体1和右箱体2的周向间隔布置，用于连接安装板102和对应左箱体1或右箱体2的侧壁。具体地，第二驱动装置6包括有第一基座61、限位板62、第二缸体63和第二活塞杆64。第一基座61安装在第一侧边箱体11或第二侧边箱体21的外侧壁上；限位板62固定在安装板102的外缘，限位板62沿竖直方向贯穿开设有穿孔621，限位板62的外缘开设有与穿孔621相贯通的缺口622；第二缸体63铰接在第一基座61上；第二活塞杆64能相对于第二缸体63沿竖直方向伸缩，能够通过缺口622穿设在穿孔621中，第二活塞杆64端部的外周壁上凸设有限位凸起641。在第二活塞杆64内缩的状态下，限位凸起641向下作用于限位板62，以使安装板102压紧在对应左箱体1或右箱体2的侧壁的顶部。

如图2和图9所示，第三驱动装置7与第一侧边箱体11传动连接，用于驱动左箱体1前后移动。具体地，第三驱动装置7包括有第二基座71、第三基座72、第三缸体73、第三活塞杆74和第一导轨75，第三基座72、第三缸体73和第三活塞杆74的数量为多个且一一对应。第二基座71呈水平布置的平板状；第三基座72安装在第一侧边箱体11的底部；第三缸体73安装在第二基座71上；第三活塞杆74能相对于第三缸体73沿前后方向伸缩，第三活塞杆74的端部与第三基座72相铰接；第一导轨75沿前后方向布置在第二基座71的顶部，第一导轨75的数量为多个并沿左右方向间隔布置，对应地，第一侧边箱体11的底部安装有与第一导轨75导向配合的第一导向件112。

如图2和图9所示，第四驱动装置8与左箱体1传动连接，用于驱动左箱体1左右移动。具体地，第四驱动装置8包括有第四基座81、第四缸体82、第四活塞杆83和第二导轨84，第四基座81、第四缸体82和第四活塞杆83的数量为多个且一一对应。第四基座81安装在第二基座71的左端；第四缸体82安装在基坑a的墙面上；第四活塞杆83能相对于第四缸体82沿左右方向伸缩，第四活塞杆83的端部与第四基座81相铰接；第二导轨84沿左右方向布置在基坑a的地面上，第二导轨84的数量为多个，并沿前后方向间隔布置，对应地，第二基座71的底部安装有与第二导轨84导向配合的第二导向件711。

如图2和图10所示，第五驱动装置9与第二侧边箱体21传动连接，用于驱动右箱体2上下移动。具体地，第五驱动装置9包括有第五基座91、第五缸体92、第五活塞杆93和第三导轨94，第五基座91、第五缸体92和第五活塞杆93的数量为多个且一一对应。第五基座91安装在第二侧边箱体21的底部；第五缸体92安装在基坑a的地面上；第五活塞杆93能相对于第五缸体92沿竖直方向伸缩，第五活塞杆93的端部与第五基座91相铰接；第三导轨94沿竖直方向布置在基坑a的墙体上，对应地，第二侧边箱体21的侧壁上安装有与第三导轨94导向配合的第三导向件212。

实施例2：

如图11和图12所示，为本发明地震断层模拟实验平台的第二个优选实施例。与实施例1的不同之处在于：

本实施例中，α的值为75°。

从实施例1和2中可以看出，由于上述中间框和边框之间为拆卸式连接，因此，如果要模拟待测模型3在受到不同方向断层作用下的影响，只需要更换具有不同α值的第一中间箱体12和第二中间箱体22即可。

上述实施例1和2中的待测模型3可以是针对如隧道、桥梁、铁路、管线、建筑等大型工程穿、跨越活动断裂带时的各类土木工程结构和基础设施模型，适用于大型土木、交通、水利和海洋工程等多种建设领域。

本发明的工作原理如下：测试时，

(1)根据需要将具有合适α值的第一中间箱体12和第二中间箱体22安装在对应的第一侧边箱体11和第二侧边箱体21上；

(2)在待测模型3上安装传感器，如本实施例将隧道模型的两端穿设在左箱体1的第一通孔111和右箱体2的第二通孔211中，然后在容置腔10中灌入泥土形成土层101，使得隧道模型埋入土层101中；

(3)将两块安装板102通过第二驱动装置6分别安装在左箱体1和右箱体2侧壁的顶部；

(4)控制第一驱动装置6推动各压板4下压在整体上形成一个覆盖在土层101表面的平台；

(5)控制第三驱动装置7和第四驱动装置8驱动左箱体1水平移动，通过第五驱动装置9驱动右箱体2竖直移动，最终达到需要模拟的地震断层带来的土层101位移量，同时，各独立的第一驱动装置7通过压板4对不同位置的土层101施加不同的压力，各第一驱动装置7，用于精确模拟现实环境的埋设有土木工程结构和基础设施的土层不同位置处所受的不同大小压力；

(6)通过传感器记录的数据分析断层在不同地面活动状态下对待测模型3的影响。

Claims (10)

1.一种地震断层模拟实验平台，其特征在于包括有

左箱体(1)，右侧具有开口，右侧缘具有第一环形凸沿(121)；

右箱体(2)，左侧具有开口，与左箱体(1)相连通并形成有供土层(101)容置的容置腔(10)，右箱体(2)的左侧缘具有能相对于第一环形凸沿(121)移动并始终紧贴于第一环形凸沿(121)的第二环形凸沿(221)，左箱体(1)和右箱体(2)的顶部各设置有一安装板(102)；

待测模型(3)，根据应用场景局部或全部埋设在土层(101)中；

多个压板(4)，呈矩阵状布置在土层(101)的表面；

多个相互独立的第一驱动装置(5)，相对于所述的安装板(102)固定，每一第一驱动装置(5)与压板(4)一一对应，且能驱动对应的压板(4)上下移动，用以对不同位置的土层(101)施加不同的压力；以及

三轴驱动组件，能驱动左箱体(1)和右箱体(2)在三维方向相对移动。

2.根据权利要求1所述的地震断层模拟实验平台，其特征在于：所述左箱体(1)的左侧壁上开设有第一通孔(111)，所述右箱体(2)的右侧壁上开设有第二通孔(211)，所述的待测模型(3)为隧道模型，该隧道模型的两端分别穿设在第一通孔(111)和第二通孔(211)中。

3.根据权利要求1所述的地震断层模拟实验平台，其特征在于：所述的第一驱动装置(5)包括有

第一缸体(51)，安装在所述的安装板(102)上；以及

第一活塞杆(52)，能相对于第一缸体(51)沿竖直方向伸缩，端部与对应的压板(4)相连接。

4.根据权利要求3所述的地震断层模拟实验平台，其特征在于：所述的第一驱动装置(5)还包括有

导向套(53)，穿设在安装板(102)上并相对于安装板(102)固定；以及

导向杆(54)，安装在对应压板(4)的顶部，与所述的导向套(53)导向配合。

5.根据权利要求1所述的地震断层模拟实验平台，其特征在于：所述的安装板(102)通过第二驱动装置(6)能拆卸地连接在对应左箱体(1)或右箱体(2)侧壁的顶部，该第二驱动装置(6)包括有

第一基座(61)，安装在所述左箱体(1)或右箱体(2)的外侧壁上；

限位板(62)，固定在所述安装板(102)的外缘，沿竖直方向贯穿开设有穿孔(621)；

第二缸体(63)，铰接在所述的第一基座(61)上；以及

第二活塞杆(64)，能相对于第二缸体(63)沿竖直方向伸缩，穿设在所述的穿孔(621)中，端部的外周壁上凸设有限位凸起(641)；

在第二活塞杆(64)内缩的状态下，所述的限位凸起(641)向下作用于所述的限位板(62)，以使所述的安装板(102)压紧在所述左箱体(1)或右箱体(2)侧壁的顶部。

6.根据权利要求5所述的地震断层模拟实验平台，其特征在于：所述的限位板(62)的外缘开设有与所述的穿孔(621)相贯通的缺口(622)，用于供所述的第二活塞杆(64)通过并穿设在所述的穿孔(621)中。

7.根据权利要求1所述的地震断层模拟实验平台，其特征在于：

所述的左箱体(1)包括有

第一侧边箱体(11)；以及

第一中间箱体(12)，左侧缘与第一侧边箱体(11)的右侧缘拆卸式连接，右侧缘设有所述的第一环形凸沿(121)；

所述的右箱体(2)包括有

第二侧边箱体(21)；以及

第二中间箱体(22)，右侧缘与第二侧边箱体(21)的左侧缘拆卸式连接，左侧缘设有所述的第二环形凸沿(221)。

8.根据权利要求1至7中任一权利要求所述的地震断层模拟实验平台，其特征在于：所述的三轴驱动组件包括有

第三驱动装置(7)，与左箱体(1)传动连接，用于驱动左箱体(1)前后移动；

第四驱动装置(8)，与左箱体(1)传动连接，用于驱动左箱体(1)左右移动；

第五驱动装置(9)，与右箱体(2)传动连接，用于驱动右箱体(2)上下移动。

9.根据权利要求8所述的地震断层模拟实验平台，其特征在于：

所述的第三驱动装置(7)包括有

第二基座(71)，呈水平布置的平板状；

第三基座(72)，安装在所述左箱体(1)的底部；

第三缸体(73)，安装在所述的第二基座(71)上；以及

第三活塞杆(74)，能相对于第三缸体(73)沿前后方向伸缩，端部与所述的第三基座(72)相铰接；

所述的第四驱动装置(8)包括有

第四基座(81)，安装在所述第二基座(71)的左端；

第四缸体(82)，安装在外接的墙面上；以及

第四活塞杆(83)，能相对于第四缸体(82)沿左右方向伸缩，端部与所述的第四基座(81)相铰接；

所述的第五驱动装置(9)包括有

第五基座(91)，安装在所述右箱体(2)的底部；

第五缸体(92)，安装在外接的地面上；以及

第五活塞杆(93)，能相对于第五缸体(92)沿竖直方向伸缩，端部与所述的第五基座(91)相铰接。

10.根据权利要求9所述的地震断层模拟实验平台，其特征在于：

所述的第三驱动装置(7)还包括有第一导轨(75)，该第一导轨(75)沿前后方向布置在所述第二基座(71)的顶部，对应地，所述左箱体(1)的底部安装有与第一导轨(75)导向配合的第一导向件(112)；

所述的第四驱动装置(8)还包括有第二导轨(84)，该第二导轨(84)沿左右方向布置在外接的地面上，对应地，所述第二基座(71)的底部安装有与第二导轨(84)导向配合的第二导向件(711)；

所述的第五驱动装置(9)还包括有第三导轨(94)，该第三导轨(94)沿竖直方向布置在外接的墙体上，对应地，所述右箱体(2)的侧壁上安装有与第三导轨(94)导向配合的第三导向件(212)。

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