CN112858003B - 可模拟断层滑移错断的隧道失稳机理试验装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及可模拟断层滑移错断的隧道失稳机理试验装置及方法，包括：加载机构，包括前反力梁和后反力梁，前反力梁和后反力梁之间设有多个口型的中间反力梁，中间反力梁的顶部和侧部均及后反力架均设有加载件，前反力梁开设有开挖口，中间反力梁底部设有第一错位驱动件；反力框架：包括多个固定设置在加载机构外周的圈梁；断层滑移机构：包括能够沿开挖口轴线方向滑动且能够竖向运动的门式反力架，门式反力架的侧部和顶部设有第二错位驱动件，本发明的试验装置能够真实模拟实际工况中隧道所处的三维静动载、多断层双向滑移复合环境。

Description

可模拟断层滑移错断的隧道失稳机理试验装置及方法

技术领域

本发明涉及试验设备技术领域，具体涉及可模拟断层滑移错断的隧道失稳机理试验装置及方法。

背景技术

这里的陈述仅提供与本发明相关的背景技术，而不必然地构成现有技术。

隧道工程是交通建设及矿山开采中的重要内容。受工程需要及地理环境影响，隧道建设不可避免地穿越断层、破碎带等不良地质体，在外部高应力作用下，会引起断层局部或整体滑移，对在建或已建成隧道带来重大破坏。同时，构造断裂带往往是地震活动带，隧道滑移同时，往往伴随周围地层震动、施工震动的扰动作用，对隧道结构安全造成极大影响。因此，深入研究隧道在三维静载、动载、断层滑移复合环境中的力学特征，对指导隧道工程实践有着重要的意义。

物理模型试验可按照相似理论建立与隧道原型结构相对应的模型结构，在实验室条件下还原结构力学特征全过程，并具有参数可控、过程可重复、观测直观的优点，是研究该难题的重要手段之一。

目前，针对复杂应力状态及断层滑移耦合作用下隧道力学特征的物理模型试验，已开展了大量的研究工作，研制了一系列模型试验装置，现状如下：

(1)申请号为202010024110.7的中国专利公开了一种不同埋深、不同构造应力下跨断层隧巷道的力学行为特征模拟测试装置及测试方法，装置可以实现了不同埋深、不同构造应力、断层复合错动的复杂工程环境模拟。但发明人发现，该装置断层滑移位置固定，且仅可实现模型上部(模拟上覆地层压力)和前部(模拟水平应力)的二维应力加载，无法实现真三维静载、动载应力加载及多断层滑移模拟。

(2)申请号为202010024110.7的中国专利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，该装置可先启动水平加压系统对活动板加压，再启动竖向加压设备对活动的b箱体加压，可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。但发明人发现，该装置断层滑移位置固定，且仅可实现模型上部(模拟上覆地层压力)和前部(模拟水平应力)的二维应力加载，无法实现真三维静载、动载应力加载及多断层滑移模拟。

综合分析，现有的隧道力学特征物理模拟试验系统具有以下不足：现有试验系统仅可实现二维荷载、单断层双向滑移的耦合环境模拟，且断层位置固定，均无法真实模拟实际工况中隧道所处的三维静动载、多断层双向滑移复合环境以及断层个数、位置的灵活调整。

发明内容

本发明的目的是为克服现有技术的不足，提供了可模拟断层滑移错断的隧道失稳机理试验装置，能够实现大尺度模型中隧道所处的三维动静荷载及位置、个数、滑移方向可控的多断层滑移耦合环境模拟。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

第一方面，本发明的实施例提供了可模拟断层滑移错断的隧道失稳机理试验装置，包括：

加载机构，包括前反力梁和后反力梁，前反力梁和后反力梁之间设有多个口型的中间反力梁，中间反力梁的顶部和侧部及后反力架均设有加载件，前反力梁开设有开挖口，中间反力梁底部设有第一错位驱动件；

反力框架：包括多个固定设置在加载机构外周的圈梁，前反力梁及后反力梁与圈梁贴合；

断层滑移机构：包括能够沿开挖口轴线方向滑动且能够竖向运动的门式反力架，门式反力架的侧部和顶部设有第二错位驱动件。

进一步的，相邻两个中间反力梁中，其中一个中间反力梁的端面设有导向槽，另一个反力梁端部设有导向件，所述导向件嵌入所述导向槽中，对相邻中间反力梁的相互错位移动进行导向。

进一步的，所述导向槽包括多个开设在中间反力梁端面的水平导向槽和竖直导向槽。

进一步的，所述导向件包括转动连接的内圈部分和外圈部分，所述内圈部分与中间反力梁端面固定连接，外圈部分嵌入所述导向槽中。

进一步的，所述反力框架还包括多个竖梁，圈梁与竖梁固定连接，所述竖梁底端与底梁固定。

进一步的，所述门式反力架的侧部设置在圈梁与加载机构之间，顶部设置在加载机构上方，门式反力架底端能够与滑动导轨滑动连接，滑动导轨的两端与固定在反力框架的升降驱动件连接，所述门式反力架与水平驱动件的一端铰接，水平驱动件的另一端与反力框架铰接。

进一步的，所述第二错位驱动件连接有错位加载板，通过错位加载板对中间反力梁施加荷载。

进一步的，所述门式反力架底部设有滚轮，门式反力架能够通过滚轮与滑动导轨滑动连接。

进一步的，所述门式反力架底部设有通孔，通孔内安装有滚轮，所述滑动导轨穿过所述通孔，滚轮能够与滑动导轨接触。

第二方面，本发明的实施例提供了可模拟断层滑移错断的隧道失稳机理试验装置的工作方法，包括以下步骤：

通过中间反力梁、后反力梁设置的加载件对模型体施加荷载；

门式反力架升起，并沿开挖口轴线方向运动至设定位置后，门式反力架固定；

通过开挖口在模型体中开挖隧洞；

通过第一错位驱动件和第二错位驱动件将门式反力架对应的中间反力架推动至设定位置，使被推动的中间反力架与相邻的反力架产生错位，实现试件的断层滑移，并监测模型体的设定的数据。

本发明的有益效果：

1.本发明的试验装置，中间反力梁的顶部和侧部及后反力架均设有加载件，能够对模型体施加三维静载、动载，并且相邻中间反力梁能够在断层滑移机构的作用下产生错位，实现模拟模型体的断层滑移，可真实模拟实际工况中隧道所处的三维静动载、多断层双向滑移复合环境。

2.本发明的试验装置，由于门式反力架能够沿开挖口轴线方向滑动，因此可实现断层个数、断层位置的灵活调整，满足了模拟复杂多变工况环境下的试验需求。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的限定。

图1为本发明实施例1整体结构示意图；

图2为本发明实施例1加载机构结构示意图；

图3为本发明实施例1中间反力梁结构示意图；

图4为本发明实施例1反力框架结构示意图；

图5为本发明实施例1断层滑移机构结构示意图；

图6为本发明实施例2试验过程示意图一；

图7为本发明实施例2试验过程示意图二；

其中，1.加载机构，1-1.前反力梁，1-2.后反力梁，1-3.中间反力梁，1-4.导向槽，1-5.开挖口，1-6.动静加载油缸，1-7.旋转自适应限位柱，2.反力框架，2-1是竖梁，2-2.圈梁，2-3.底梁，3.断层滑移机构，3-1.滑动导轨，3-2.升降油缸，3-3.前后推拉油缸，3-4.门式反力架，3-5.错位加载板，3-6.第二错位油缸，3-7.滚轮。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

为了方便叙述，本发明中如果出现“上”、“下”、“左”、“右”字样，仅表示与附图本身的上、下、左、右方向一致，并不对结构起限定作用,仅仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的设备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。

正如背景技术所介绍的，现有试验系统仅可实现二维荷载、单断层双向滑移的耦合环境模拟，且断层位置固定，均无法真实模拟实际工况中隧道所处的三维静动载、多断层双向滑移复合环境以及断层个数、位置的灵活调整，针对上述问题，本申请提出了可模拟断层滑移错断的隧道失稳机理试验装置。

本申请的一种典型实施方式中，如图1-图5所示，可模拟断层滑移错断的隧道失稳机理试验装置，包括加载机构1、反力框架2及断层滑移机构3。

所述加载机构包括前反力梁1-1、后反力梁1-2及设置在前反力梁和后反力梁之间的多个中间反力梁1-3，所述中间反力梁采用“口”型结构，相邻中间反力梁能够产生沿水平方向和竖直方向的错位移动。

本实施例中，所述中间反力梁共有n榀，第一榀中间反力梁的前端面与前反力梁紧密接触，后端面设置有多个导向槽1-4，优选的，后端面设置有多个水平导向槽和竖直导向槽。

第2-(n-1)榀中间反力梁中，中间反力梁的前端面设有导向件，后端面设置有导向槽，相邻两个中间反力梁中，位于后侧的中间反力梁的导向件嵌入位于前侧的中间反力梁的导向槽中，利用导向件和导向槽的配合，实现相邻中间反力梁错位运动的导向。

第n榀中间反力梁后端面与后反力梁的前端面贴合接触，前端面设置有导向件，所述导向件嵌入第n-1榀中间反力梁后端面设置的导向槽中。

本实施例中，相邻的中间反力梁贴合接触，能够利用断层滑移机构产生错位移动。

优选的，所述导向件采用自适应限位柱1-7，所述自适应限位柱包括转动连接的内圈部分和外圈部分，所述内圈部分与中间反力梁的前端面刚性固定连接，外圈部分嵌入导向槽中，能够沿导向槽滚动。

优选的，当相邻两个中间反力梁对齐未产生错位时，导向件位于水平导向槽和竖直导向槽的交叉位置处。

所述前反力梁上设置有开挖口1-5，用于对模型体进行开挖，形成隧洞。

所述中间反力梁“口”型结构的两个侧部及顶部均设置有加载件，优选的，所述加载件采用动静加载油缸，所述后反力梁上设置有加载件，优选的，所述加载件采用动静加载油缸，通过设置加载件，能够对模型体施加三维静载、动载。

优选的，所述动静加载油缸均匀布置在中间反力梁的顶部、侧部及后反力梁上，可对模型体进行高精度三维静态加载、低频次振动加载、长时间保载和非均匀梯度加载，模拟隧道周围地应力环境与地层扰动影响。

所述反力框架包括多个沿竖直方向间隔设置的圈梁2-2，优选的，设置两个圈梁，所述圈梁为口字型框架结构，由四根钢梁焊接构成，圈梁的其中两根钢梁分别与前反力梁和后反力梁贴合，另外两根钢梁与中间反力梁的两个侧部具有设定距离。

两根圈梁与四根竖梁2-1固定连接，竖梁将两个圈梁连接为一个整体，所述竖梁底端与底梁2-3固定连接，通过底梁和竖梁，实现了圈梁的固定设置，所述加载机构放置在多个底梁形成的底座上，并位于圈梁内部。

所述断层滑移机构包括门式反力架3-4，所述门式反力架采用门式框架结构，具有顶部和两个侧部，与中间反力梁平行放置，能够对任一榀中间反力梁的水平、垂直滑移提供反力。

所述门式反力架两个侧部的底端与轴线平行于开挖口轴线的滑动导轨3-1滑动连接，优选的，所述门式反力架的两个侧部底端设置有矩形的通孔，所述通孔内部设置有多个滚轮3-7，所述滑动导轨穿过所述通孔并且能够与滚轮接触，门式反力架能够通过滚轮与滑动导轨滑动连接，能够沿滑动导轨做平行于开挖口轴线方向的运动。

所述滑动导辊的两端与升降驱动件连接，优选的，所述升降驱动件采用升降油缸3-2，所述升降油缸的缸体固定在底梁上，升降油缸的活塞杆与滑动导轨连接，能够带动滑动导轨做升降运动。

所述门式反力架的侧部与水平驱动件的一端铰接，水平驱动件的另一端与圈梁铰接，优选的，所述水平驱动件采用前后推拉油缸3-3，所述前后推拉油缸的缸体通过铰接座与圈梁铰接，活塞杆通过铰接座与门式反力架的侧部铰接，前后推拉油缸的伸缩运动能够带动门式反力架沿滑动导轨滑动。

本实施中，当所述升降油缸上升至高点时，所述滑动导轨可同步上升，与所述滚轮接触，并通过所述滚轮将所述门式反力架顶起，使其悬空，实现所述门式反力架的滑动；当所述升降油缸下降至低点时，所述滑动导轨可同步下降，与所述滚轮脱离接触，并压住通孔下孔面，实现所述门式反力架的固定。

本实施例中，所述中间反力梁的底部设置有第一错位驱动件，优选的，所述第一错位驱动件采用多个均匀分布在中间反力梁底部的第一错位油缸，所述第一错位油缸的缸体安装在中间反力梁的底部，其活塞杆能够对底梁施加作用力，进而带动中间反力梁上升。

所述门式反力架的顶部和两个侧部均布有多个第二错位驱动件，优选的，所述第二错位驱动件采用第二错位油缸3-6，所述第二错位油缸的缸体与门式反力架固定连接，其活塞杆能够对中间反力梁施加荷载。

本实施例中，门式反力架顶部和侧部的第二错位油缸的活塞杆均固定有错位加载板3-5，第二错位油缸能够通过错位加载板对中间反力梁施加荷载。

实施例2：

如图6-图7所示，本实施例公开了一种实施例1所述的可模拟断层滑移错断的隧道失稳机理试验装置的工作方法，包括以下步骤：

步骤1：预先制作好模型体，并将模型体放置在多个中间反力梁内部，中间反力梁及后反力梁的动静加载油缸工作，对模型体进行三维动静加载。

步骤2：升降油缸工作，滑动导轨与滚轮接触，并将门式反力架顶起，此时门式反力架能够沿滑动导轨滑动，前后推拉油缸工作，将门式反力架滑动至设定位置，升降油缸带动滑动导轨下降，滑动导轨压住门式反力架通孔的下部孔面，实现门式反力架的固定。

步骤3：通过开挖口对模型体开挖隧洞。

步骤4：门式反力架上的侧部的第二错动油缸工作，将门式反力架设定位置处的中间反力梁进行水平移动，使其错动至设定位置，实现了模型体断层滑移，并检测模型体的数据，或中间反力梁底部的第一错动油缸与门式反力架顶部的第二错动油缸工作，将门式反力架设定位置处的中间反力梁进行竖向移动，使其错动至设定位置，实现模型体断层滑移，并检测模型体的数据。

本实施例中，相邻中间反力梁能够在断层滑移机构的作用下产生错位，实现模拟模型体的断层滑移，可真实模拟实际工况中隧道所处的三维静动载、多断层双向滑移复合环境，而且由于门式反力架能够沿开挖口轴线方向滑动，因此可实现断层个数、断层位置的灵活调整，满足了模拟复杂多变工况环境下的试验需求。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (5)

1.可模拟断层滑移错断的隧道失稳机理试验装置，其特征在于，包括：

加载机构，包括前反力梁和后反力梁，前反力梁和后反力梁之间设有多个口型的中间反力梁，中间反力梁的顶部和侧部及后反力架均设有加载件，前反力梁开设有开挖口，中间反力梁底部设有第一错位驱动件；

反力框架：包括多个固定设置在加载机构外周的圈梁，前反力梁及后反力梁与圈梁贴合；

断层滑移机构：包括能够沿开挖口轴线方向滑动且能够竖向运动的门式反力架，门式反力架的侧部和顶部设有第二错位驱动件；所述第二错位驱动件连接有错位加载板，通过错位加载板对中间反力梁施加荷载；

门式反力架底端能够与滑动导轨滑动连接，滑动导轨的两端与固定在反力框架的升降驱动件连接；所述门式反力架底部设有滚轮；所述门式反力架底部设有通孔，通孔内安装有滚轮，所述滑动导轨穿过所述通孔，滚轮能够与滑动导轨接触；

所述升降驱动件采用升降油缸；当所述升降油缸上升至高点时，所述滑动导轨可同步上升，与所述滚轮接触，并通过所述滚轮将所述门式反力架顶起，使其悬空，实现所述门式反力架的滑动；当所述升降油缸下降至低点时，所述滑动导轨可同步下降，与所述滚轮脱离接触，并压住通孔下孔面，实现所述门式反力架的固定；

门式反力架能够沿开挖口轴线方向滑动，可实现断层个数、断层位置的调整;

相邻两个中间反力梁中，其中一个中间反力梁的端面设有导向槽，另一个反力梁端部设有导向件，所述导向件嵌入所述导向槽中，对相邻中间反力梁的相互错位移动进行导向;所述导向槽包括多个开设在中间反力梁端面的水平导向槽和竖直导向槽;所述导向件包括转动连接的内圈部分和外圈部分，所述内圈部分与中间反力梁端面固定连接，外圈部分嵌入所述导向槽中。

2.如权利要求1所述的可模拟断层滑移错断的隧道失稳机理试验装置，其特征在于，所述反力框架还包括多个竖梁，圈梁与竖梁固定连接，所述竖梁底端与底梁固定。

3.如权利要求1所述的可模拟断层滑移错断的隧道失稳机理试验装置，其特征在于，所述门式反力架的侧部设置在圈梁与加载机构之间，顶部设置在加载机构上方，所述门式反力架与水平驱动件的一端铰接，水平驱动件的另一端与反力框架铰接。

4.如权利要求3所述的可模拟断层滑移错断的隧道失稳机理试验装置，其特征在于，所述门式反力架能够通过滚轮与滑动导轨滑动连接。

5.一种采用如权利要求1-4任一项所述的可模拟断层滑移错断的隧道失稳机理试验装置的工作方法，其特征在于，包括以下步骤：

通过中间反力梁、后反力梁设置的加载件对模型体施加荷载；

门式反力架升起，并沿开挖口轴线方向运动至设定位置后，门式反力架固定；

通过开挖口在模型体中开挖隧洞；

通过第一错位驱动件和第二错位驱动件将门式反力架对应的中间反力架推动至设定位置，使被推动的中间反力架与相邻的反力架产生错位，实现试件的断层滑移，并监测模型体的设定的数据。

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