CN114577621B - 一种断层错动失稳冻融的试验系统及试验方法 - Google Patents

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Abstract

本发明是一种断层错动失稳冻融的试验系统及试验方法，用于断层结构的物理模型模拟试验，包括模型试验框架、压力加载系统、冻融循环系统和图像采集系统，在物理模型水平方向的两侧各布置若干组水平加载活塞，通过加载钢板实现水平方向应力的加载传递梯度载荷，在物理模型竖直方向上方布置气囊，对气囊充气加压后通过柔性加载板实现对模型竖直方向应力的加载传递柔性荷载；在物理模型的断层上盘和断层破碎带的下方，分别设置有转动式活塞和柔性加载活塞，转动式活塞提供的变角度载荷，变角度载荷能够根据所述断层破碎带角度的变化而改变，从而提供沿断层破碎带倾向的剪切错动载荷；断层下盘下方受到位移约束钢板的固定约束。

Description

一种断层错动失稳冻融的试验系统及试验方法
技术领域
本发明属于岩土工程技术领域，尤其涉及一种断层错动失稳冻融的试验系统及试验方法。
背景技术
我国寒区分布广泛，随着寒冷地区工程建设项目的不断增多，冻融灾害已经成为岩土及地下工程安全建设的突出问题。以正在修建的川藏铁路为例，工程沿线大部分路段位于海拔3000米以上的高原地区，季节性气候和昼夜温差变化都比较显著。同时，西部地区复杂的地质环境，导致川藏铁路沿途不良地质发育，断层的存在加剧了岩土体的非稳定性，因断层活动造成的岩体失稳和工程灾害频发。当前，寒区冻融环境下断层错动过程的岩体动态响应已成为工程建设关注的焦点，开展相关研究对于西部寒区复杂岩土工程的推进具有重要意义。
物理模拟试验是一种对岩土体进行缩尺模拟的室内试验方法，可以真实直观地反映工程实际情况，是研究地下工程问题常用的重要手段。相比于传统的物理模型试验，由于寒区工程涉及温度对工程结构的影响，冻融作用下的复杂性使得以往的模型试验研究无法满足冻融循环下断层失稳模型试验的需要。
在实现本发明的过程中，申请人发现现有技术中至少存在以下不足：
CN112179782A专利，仅仅针对试验样品施加简单的应力，并不能进行物理模拟试验。现有技术中的模型试验研究不涉及温度对岩土体工程特性的影响，无法反映复杂不良地质环境下冻融灾变过程；同时，试验系统的地应力加载、监测手段等方面还存在不足之处，为此有必要研制一套可靠、实用的物理模型试验系统，采用适当的室内物理模型试验方法开展相关研究。
发明内容
针对上述现有技术存在的问题，本发明提供一种模拟寒区冻融环境下断层错动失稳的试验系统及试验方法，以很好地反映冻融循环作用下断层错动失稳灾变过程。
本发明通过以下技术方案来实现上述目的：
一种模拟寒区冻融环境下断层错动失稳的试验系统，具体包括模型试验框架、压力加载系统、冻融循环系统和图像采集系统。
所述模型试验框架是用于铺设模型试验材料，待模型试验材料成型稳定后，对物理模型进一步实施压力加载、温度控制、信息监测的结构框架，所述物理模型包括断层上盘、断层下盘和断层破碎带。
所述压力加载系统可以对所述物理模型的水平方向和竖直方向实施应力加载；在所述物理模型水平方向的两侧各布置三个水平加载活塞，通过加载钢板实现水平方向应力的加载传递；在所述物理模型竖直方向上方布置一个气囊，对所述气囊充气加压后通过柔性加载板实现对模型竖直方向应力的加载传递；在所述断层上盘和断层破碎带的下方，分别设置有转动式活塞和柔性加载活塞。
所述物理模型在水平方向受到水平加载活塞提供的梯度载荷，同时受到竖直方向上方气囊提供的柔性荷载，以及转动式活塞提供的变角度载荷，所述变角度载荷可以根据所述断层破碎带角度的变化而改变，从而提供沿断层破碎带倾向的剪切错动载荷；所述断层下盘下方受到位移约束钢板的固定约束。
所述压力加载系统可以由动力控制系统提供活塞伸缩的动力；所述气囊由气泵提供动力，通过连接的压力表可以显示和读取气囊压力，并通过阀门控制和稳定气囊压力保持恒定。
所述冻融循环系统包括温度控制器、连接通道和恒温管路组成，所述恒温管路在铺设相似材料的过程埋设在所述物理模型中，包括了交错布置的冷冻管路和升温管路；所述冷冻管路通过输送氮气使物理模型整体降温，所述升温管路通过加热控制使物理模型温度回升至室温左右，进而模拟整个冻融循环过程。
所述图像采集系统，可以利用高速摄像机透过透明挡板（前侧透明挡板和后侧透明挡板）捕获试验过程清晰图像，进而采用数字散斑方法分析冻融循环作用下断层破碎带及附近岩体的变形和位移演化特征；所述模型试验材料
所述冻融循环系统可以交替变化物理模型内的温度，通过冷热交替的方式模拟冻融循环过程，再现了寒区冻融环境对断层失稳的影响。
所述模型试验材料由砂子、水泥、石膏、水等建筑材料按照一定的配比搅拌均匀获得，根据不同工况条件可以调整配合比；所述砂子可以为筛选之后的河沙或带有颜色的砂子，从而使配制好的模型试验材料具有自然散斑的效果，避免了传统数字散斑监测方法中需要喷涂黑漆和白漆的不便之处。
所述水平加载活塞施加的梯度载荷，可以模拟物理模型随埋深变化所受水平地应力的梯度分布，比以往传统物理模型试验中所施加的不变荷载来讲，更能模拟埋藏深度对物理模型的影响；所述水平加载活塞在模型试验框架的两侧可以分别设置为三个，也可以根据模型试验框架的尺寸大小，布置若干个。
所述气囊施加的柔性荷载可以防止边界荷载施加过程中，与物理模型水平加载活塞的刚性碰撞。
所述转动式活塞可以沿着活塞固定端进行转动，目的是当物理模型中的断层倾角发生变化时，转动式活塞可以作用在断层上盘沿着断层斜面施加荷载，进而模拟断层活动的剪切错动载荷；所述柔性加载活塞作用在断层破碎带的底部，柔性加载的方式保证了断层错动过程断层破碎带的连续运动。
本发明实施例还公开了一种模拟寒区冻融环境下断层错动失稳的试验方法，具体包括：
S1：对模拟区域的断层产状进行现场调研，利用现场采集的断层破碎带岩石的相关参数，确定试验方案中断层几何特征、断层含水率、地应力加载参数、冬季及夏季温度变化特征等试验参数；
S2：根据断层产状调研结果，基于相似理论配置满足试验条件的相似材料，然后将配置好的材料铺设在模型试验框架上，待模型自然晾干14天后开展模型试验；
S3：加载地应力至物理模型体上，其中水平地应力采用伺服控制按照梯度加载保持自上而下依次增大，竖向地应力采用气泵控制进行柔性加载；
S4：启用冻融循环系统，利用温度控制器精准控制物理模型的温度，其中冷冻冻结温度不高于-20°C且冷冻时间不少于6h，然后将温度回升至自然温度，一般不高于18°C；
S5：校正和标定埋设的位移传感器、压力传感器、应变传感器等，将读数清零后进行数据采集；
S6：开启图像采集系统，从模型体的前侧或者后侧记录冻融循环后断层及附近岩体的动态响应，利用数字散斑技术处理和分析岩体的表面位移变化规律，并同步记录模型体内部传感器的数据至计算机；
S7：重复步骤S4-S6,开展不同冻融循环条件下断层错动失稳模型试验研究。
进一步地，S5步骤中所述的位移传感器、压力传感器、应变传感器等，需要与冻融循环系统的冷冻管路和升温管路在相似材料铺设过程(S2)预先埋设在物理模型中。
本发明的有益效果是：
（1）本发明的一种模拟寒区冻融环境下断层错动失稳的试验系统及试验方法，通过压力加载系统可全面模拟含断层岩土体的受力状态，通过冻融循环系统，可最大程度还原寒区岩土体的冻融环境，能用于模拟冻融循环下断层错动失稳的灾变过程，（1）复杂应力模拟，在竖直方向采用柔性气囊加载，在水平方向采用梯度加载的方式，在模型底部采用变角度加载。（2）影响因素，将冻融循环的条件加入到模型试验中，用于模拟西部高寒特殊的气候环境。
（2）通过自然散斑的方法，可监测断层错动失稳过程的变形响应，针对模型试验配置相似材料这一环节，创新性的将相似材料中添加有颜色的砂子，形成自然散斑；模型试验过程中，在物理模型的前后方向，利用高速摄像机透过亚克力板拍摄图片，即可进行散斑图像处理，避免了以往数字散斑处理需要喷涂黑白漆的麻烦。可以节省大量资金和人力物力，具有试验成本低、周期短、操作方便的特点。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例的一种模拟寒区冻融环境下断层错动失稳的试验系统结构布置示意图；
图2为本发明实施例的断层物理模型受力示意图；
图3为本发明实施例的冻融循环系统布设结构示意图；
图4为本发明实施例的一种模拟寒区冻融环境下断层错动失稳的试验方法流程图。
1-压力加载系统，11-断层上盘，12-断层下盘，13-断层破碎带，14-水平加载活塞，15-加载钢板，16-转动式活塞，17-柔性加载活塞，18-柔性加载板，19-气囊；2-气泵，21-压力表，22-阀门；3-温度控制器，31-冷冻管路，32-升温管路；4-图像采集系统，41-高速摄像机；5-动力控制系统； 6-计算机；7-位移约束钢板；81-梯度载荷，82-变角度载荷，83-柔性载荷；91-前侧透明挡板；92-后侧透明挡板。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
一种模拟寒区冻融环境下断层错动失稳的试验系统，具体包括模型试验框架、压力加载系统、冻融循环系统和图像采集系统。
结合图1，本发明实施例的模型试验框架是用于铺设模型试验材料，待模型试验材料成型稳定后，对物理模型进一步实施压力加载、温度控制、信息监测的结构框架，所述物理模型包括断层上盘11、断层下盘12和断层破碎带13。
结合图1，本发明实施例的压力加载系统1可以对所述物理模型的水平方向和竖直方向实施应力加载；在所述物理模型水平方向的两侧各布置三个水平加载活塞14，通过加载钢板15实现水平方向应力的加载传递；在所述物理模型竖直方向上方布置一个气囊19，对所述气囊19充气加压后通过柔性加载板18实现对模型竖直方向应力的加载传递；在所述断层上盘11和断层破碎带13的下方，分别设置有转动式活塞16和柔性加载活塞17。
结合图1和图2，本发明实施例的物理模型在水平方向受到水平加载活塞14提供的梯度载荷81，同时受到竖直方向上方气囊19提供的柔性荷载83，以及转动式活塞16提供的变角度载荷82，所述变角度载荷82可以根据所述断层破碎带13角度的变化而改变，从而提供沿断层破碎带倾向的剪切错动载荷；所述断层下盘12下方受到位移约束钢板7的固定约束。
结合图1和图2，本发明实施例的压力加载系统可以由动力控制系统5提供活塞伸缩的动力；所述气囊19由气泵2提供动力，通过连接的压力表21可以显示和读取气囊压力，并通过阀门22控制和稳定气囊压力保持恒定。
结合图3，本发明实施例的冻融循环系统包括温度控制器3、连接通道和恒温管路组成，所述恒温管路在铺设相似材料的过程埋设在所述物理模型中，包括了交错布置的冷冻管路31和升温管路32；所述冷冻管路31通过输送氮气使物理模型整体降温，所述升温管路32通过加热控制使物理模型温度回升至室温左右，进而模拟整个冻融循环过程。
结合图1和图3，本发明实施例的图像采集系统4，可以利用高速摄像机41透过透明挡板（前侧透明挡板91和后侧透明挡板92）捕获试验过程清晰图像，进而采用数字散斑方法分析冻融循环作用下断层破碎带及附近岩体的变形和位移演化特征；所述模型试验材料
进一步地，所述模型试验材料由砂子、水泥、石膏、水等建筑材料按照一定的配比搅拌均匀获得，根据不同工况条件可以调整配合比，所述砂子可以为筛选之后的河沙或带有颜色的砂子，从而使配制好的模型试验材料具有自然散斑的效果。
进一步地，所述气囊19施加的柔性荷载83可以防止边界荷载施加过程物理模型上方和水平加载活塞14的刚性碰撞，所述水平加载活塞14施加的梯度载荷81可以模拟随埋深变化的水平地应力的梯度分布。
一种模拟寒区冻融环境下断层错动失稳的试验方法，具体包括：
S1：对模拟区域的断层产状进行现场调研，利用现场采集的断层破碎带岩石的相关参数，确定试验方案中断层几何特征、断层含水率、地应力加载参数、冬季及夏季温度变化特征等试验参数；
S2：根据断层产状调研结果，基于相似理论配置满足试验条件的相似材料，然后将配置好的材料铺设在模型试验框架上，待模型自然晾干14天后开展模型试验；
S3：加载地应力至物理模型体上，其中水平地应力采用伺服控制按照梯度加载保持自上而下依次增大，竖向地应力采用气泵控制进行柔性加载；
S4：启用冻融循环系统，利用温度控制器精准控制物理模型的温度，其中冷冻冻结温度不高于-20°C且冷冻时间不少于6h，然后将温度回升至自然温度，一般不高于18°C；
S5：校正和标定埋设的位移传感器、压力传感器、应变传感器等，将读数清零后进行数据采集；
S6：开启图像采集系统，从模型体的前侧或者后侧记录冻融循环后断层及附近岩体的动态响应，利用数字散斑技术处理和分析岩体的表面位移变化规律，并同步记录模型体内部传感器的数据至计算机6；
S7：重复步骤S4-S6,开展不同冻融循环条件下断层错动失稳模型试验研究。
进一步地，S5步骤中所述的位移传感器、压力传感器、应变传感器等，需要与冻融循环系统的冷冻管路31和升温管路32在相似材料铺设过程(S2)预先埋设在物理模型中。
综上所述，本发明实施例的一种模拟寒区冻融环境下断层错动失稳的试验系统及试验方法，通过压力加载系统可全面模拟含断层岩土体的受力状态，通过冻融循环系统，可最大程度还原寒区岩土体的冻融环境，能用于模拟冻融循环下断层错动失稳的灾变过程。
以上所举实施例为本发明的较佳实施方式，仅用来方便说明本发明，并非对本发明作任何形式上的限制，任何所属技术领域中具有通常知识者，若在不脱离本发明所提技术特征的范围内，利用本发明所揭示技术内容所作出局部更动或修饰的等效实施例，并且未脱离本发明的技术特征内容，均仍属于本发明技术特征的范围内。

Claims (9)

1.一种断层错动失稳冻融的试验系统，用于断层结构的模型试验材料模拟试验，所述模型试验材料包括断层上盘、断层下盘和断层破碎带，其特征在于，包括模型试验框架、压力加载系统、冻融循环系统和图像采集系统，所述压力加载系统可以对所述模型试验材料的水平方向和竖直方向实施应力加载，在所述模型试验材料水平方向的两侧各布置若干组水平加载活塞，通过加载钢板实现水平方向应力的加载传递梯度载荷，在所述模型试验材料竖直方向上方布置气囊，对所述气囊充气加压后通过柔性加载板实现对模型试验材料竖直方向应力的加载传递柔性荷载；在所述模型试验材料的断层上盘和断层破碎带的下方，分别设置有转动式活塞和柔性加载活塞，所述转动式活塞提供变角度载荷，所述变角度载荷能够根据所述断层破碎带角度的变化而改变，从而提供沿断层破碎带倾向的剪切错动载荷；所述断层下盘下方受到位移约束钢板的固定约束。
2.根据权利要求1所述断层错动失稳冻融的试验系统，其特征在于，所述压力加载系统由动力控制系统提供活塞伸缩或转动的动力。
3.根据权利要求1所述断层错动失稳冻融的试验系统，其特征在于，所述气囊由气泵提供动力，通过连接的压力表可以显示和读取气囊压力，并通过阀门控制和稳定气囊压力保持恒定。
4.根据权利要求1所述断层错动失稳冻融的试验系统，其特征在于，所述模型试验框架用于铺设模型试验材料，并对模型试验材料实施压力加载、温度控制、信息监测的结构框架。
5.根据权利要求1所述断层错动失稳冻融的试验系统，其特征在于，所述冻融循环系统包括温度控制器、连接通道和恒温管路，所述恒温管路在铺设模型试验材料的过程埋设在所述模型试验材料中，包括了交错布置的冷冻管路和升温管路；所述冷冻管路通过输送氮气使模型试验材料整体降温，所述升温管路通过加热控制使模型试验材料温度回升至室温左右，模拟整个冻融循环过程。
6.根据权利要求1所述断层错动失稳冻融的试验系统，其特征在于，所述图像采集系统，利用高速摄像机捕获试验过程图像，采用数字散斑方法分析冻融循环作用下断层破碎带及附近岩体的变形和位移演化特征。
7.根据权利要求4所述断层错动失稳冻融的试验系统，其特征在于，所述模型试验材料由砂子、水泥、石膏、水按照一定的配比搅拌均匀获得，根据不同工况条件可以调整配合比；所述砂子为带有颜色的砂子，配制好的模型试验材料形成自然散斑。
8.一种模拟寒区冻融环境下断层错动失稳的试验方法，使用权利要求1至6任何之一的试验系统，其特征在于，包括以下几个步骤：
S1：对模拟区域的断层产状进行现场调研，利用现场采集的断层破碎带岩石的相关参数，确定试验方案中断层几何特征、断层含水率、地应力加载参数、冬季及夏季温度变化特征试验参数；
S2：根据断层产状调研结果，基于相似理论配置满足试验条件的模型试验材料，然后将配置好的模型试验材料铺设在模型试验框架上，待模型试验材料自然晾干后开展模型试验；
S3：加载地应力至模型试验材料体上，其中水平地应力采用伺服控制按照梯度加载保持自上而下依次增大，竖向地应力采用气泵控制进行柔性加载；
S4：启用冻融循环系统，利用温度控制器控制模型试验材料的温度，其中冷冻冻结温度不高于-20°C且冷冻时间不少于6h，然后将温度回升至自然温度，不高于18°C；
S5：校正和标定埋设的位移传感器、压力传感器、应变传感器，将读数清零后进行数据采集；
S6：开启图像采集系统，从模型试验材料的前侧或者后侧记录冻融循环后断层及附近岩体的动态响应，利用数字散斑技术处理和分析岩体的表面位移变化规律，并同步记录模型试验材料内部传感器的数据至计算机；
S7：重复步骤S4-S6,开展不同冻融循环条件下断层错动失稳模型试验研究。
9.根据权利要求8所述模拟寒区冻融环境下断层错动失稳的试验方法，其特征在于，S5步骤中所述的位移传感器、压力传感器、应变传感器，与S2步骤中冻融循环系统的冷冻管路和升温管路在所述模型试验材料铺设过程预先埋设在模型试验材料中。
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