CN116086979B - 一种滑板式断层多角度黏滑模拟装置及试验方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于地质断层活动特性领域，公开了一种滑板式断层多角度黏滑模拟装置及试验方法，装置包括托承支架组件、加载组件和托板组件；托承支架组件包括支架底座、侧挡板、侧支架、顶部横杆和中隔板；加载组件包括压力支架、压力板、滑板、导轨和压力杆，滑板与压力板滑动连接，滑板包覆在压力板外，导轨设置在支架底座或中隔板上，压力杆通过伺服系统进行驱动；托板组件包括轨道板、主托板和副托板，主托板由上托板和下托板组成。本发明实现了在实验室利用液压伺服系统驱动粗糙岩块沿预设斜面运动来模拟地质断层黏滑现象，同时解决了模拟地质断层黏滑现象时驱动压力板与试件之间存在滑动摩擦力而导致试验结果失真的问题，适用于断层黏滑机理研究。

Description

一种滑板式断层多角度黏滑模拟装置及试验方法

技术领域

本发明涉及地质断层活动特性领域，尤其涉及一种滑板式断层多角度黏滑模拟装置及试验方法。

背景技术

地震的发生与断层的黏滑密不可分，而地球大陆上95%的地震源于浅源地层活动，是人类活动最大的威胁之一，研究断层黏滑过程动力特性，对断层诱发地震形成机制研究具有重要理论意义和现实意义。大量的研究结果表明：在岩石粗糙接触面摩擦试验中的黏滑现象与浅源地震的诱发机制类似，通过研究岩体摩擦试验中各项物理特征和力学指标变化来分析断层活动演化过程和失稳机制等问题成为众多学者的研究焦点。然而，目前岩体摩擦性质研究通常是借助液压伺服双向加载试验来完成，压力盘只能沿液压杆行程方向运动，因此，伺服系统只能实现岩体在水平或者垂直方向断面上的相互错动。对于倾斜断面的岩体错动，由于压力板与岩石试件间存在一定大小的摩擦力，岩块在沿倾斜面滑动中首先需克服板间摩擦力的反作用力，不可避免的影响试验结果。关于沿斜断面滑动的岩块黏滑现象研究，由于岩块滑动在启程后受到非完整轴向压力作用（试件端部受切向摩擦力），试验结果失真而失去参考价值，因此，目前室内试验研究成果多停留在滑动启程前的阶段。

鉴于此，本方案提出了一种滑板式多角度断层黏滑模拟装置及试验方法，旨在通过室内试验模拟地质断层沿不同倾斜角度截面活动的黏滑现象，同时实现试件加载过程的荷载随动，克服加载过程中试件端部接触摩擦力对试验结果的影响，从而提高的试验数据的可靠性。

发明内容

本发明意在提供一种滑板式断层多角度黏滑模拟装置，解决了模拟地质断层黏滑现象时驱动压力板与试件之间存在滑动摩擦力而导致试验结果失真的问题。

为了实现上述目的，本发明提供的一种技术方案如下：一种滑板式断层多角度黏滑模拟装置，包括托承支架组件、两个加载组件和托板组件；

所述托承支架组件包括支架底座、侧挡板、侧支架、两根顶部横杆和中隔板，所述侧挡板与侧支架分别设置在支架底座的左右两侧，两根所述顶部横杆间隔连接在侧挡板与侧支架之间，所述中隔板的形状为L形，所述中隔板连接在两根顶部横杆与侧支架之间；

两个加载组件分别设置在中隔板与侧挡板、中隔板与侧支架之间，每个所述加载组件均包括压力支架、压力板、滑板、导轨和压力杆，所述压力支架设置在压力板上，所述压力板设置在侧挡板或侧支架上，所述滑板与压力板滑动连接，所述滑板包覆在压力板外，所述导轨设置在支架底座或中隔板上，所述导轨穿过压力板，所述压力杆与压力支架连接，所述压力杆通过伺服系统进行驱动；

所述托板组件包括轨道板、主托板和副托板，所述轨道板设置在支架底座上，所述主托板由上托板和下托板组成，所述上托板的底部设有楔块，所述下托板上开设有与楔块相配合的斜槽，所述下托板和副托板均滑动连接在轨道板上。

进一步的，所述滑板内开设有滚珠槽，所述滚珠槽内滚动连接有与压力板滑动连接的滚珠。

进一步的，所述下托板和副托板的底部均开设有半圆滑槽，所述轨道板上均一体成型有与半圆滑槽滑动连接的半圆轨道。

本发明的另一种技术方案：一种滑板式断层多角度黏滑模拟装置的试验方法，包括如下步骤：

S1、利用上述任一模拟装置，根据试验要求选择不同楔块形状的上托板与相配合的斜槽的下托板组合，从而实现不同倾斜角度的断层试验模拟；并在试件与侧挡板、两个加载组件之间设置垫板；

S2、在试件滑动面附近安放声发射监测设备的探头；

S3、通过液压伺服系统向两个加载组件施加作用力，从而实现对试件施加水平向和竖向的预应力；

S4、启动声发射监测设备，施加提前预设的水平向和竖向荷载实现试件沿断面滑动，并完成数据采集；

S5、通过试验现象和监测数据分析断层黏滑机制和作用机理。

进一步的，试件的受压面放置有由四氟乙烯制成的薄板。

与现有技术方案相比，本发明的有益效果：

本方案能够通过室内试验实现断层沿斜截面滑动的黏滑过程，同时，利用安装在压力板上活动滑板，可实现加载过程中水平向和竖向的作用力在其作用面活动，避免了轨道板加载中在试件端部产生的较大的滑动摩擦力，影响试验结果。此外，主托板和副托板能够随试件自由活动，减小了试件相对运动在底部产生了的摩擦力，且上托板能够随试件沿斜面活动，为其提供一定的托承力，避免试件活动过程中出现“脱空”的现象。上述过程尽可能降低了试件滑动与压力板之间产生相对运动，从而避免了滑动摩擦力对试件的影响，降低试验加载条件引起的试验误差，有助于对更加精确化研究断层黏滑性质和机理。

附图说明

图1为本发明断层黏滑模拟装置的结构示意图；

图2为本实施例中托承支架组件的结构示意图；

图3为本实施例中加载组件的结构示意图；

图4为本实施例中压力板的结构示意图；

图5为本实施例中滑板的结构示意图；

图6为本实施例中导轨的结构示意图；

图7为本实施例中轨道板的结构示意图；

图8为图7中A处的局部放大视图；

图9为本实施例中主托板的结构示意图；

图10为本实施例中副托板的结构示意图；

图11为本实施例中倾斜滑面实验状态的结构示意图；

图12为本实施例水平滑面实验状态的结构示意图；

附图中的对应标记的名称为：托承支架组件1、加载组件2、托板组件3、支架底座4、侧挡板5、侧支架6、横杆7、中隔板8、压力支架9、压力板10、滑板11、导轨12、压力杆13、通槽14、滚珠15、挡片16、轨道板17、上托板18、下托板19、副托板20、凸起21、侧压板22、半圆轨道23、半圆滑槽24、垫板25。

实施方式

下面结合附图和实施方式对本发明作进一步的详细说明：

如图1至12所示，一种滑板式断层多角度黏滑模拟装置，包括托承支架组件1、两个加载组件2和托板组件3。

托承支架组件1包括支架底座4、侧挡板5、侧支架6、两根顶部横杆7和中隔板8。侧挡板5螺栓连接在支架底座4的左侧，侧支架6螺栓连接在支架底座4的右侧，两根顶部横杆7间隔螺栓连接在侧挡板5的上侧与侧支架6的上侧之间。中隔板8的形状为L形，中隔板8螺栓连接在两根顶部横杆7与侧支架6之间，中隔板8位于托承支架组件1的右上侧。

两个加载组件2分别设置在中隔板8与侧挡板5、中隔板8与侧支架6之间，本实施例中位于中隔板8与侧挡板5之间的加载组件2称为竖向加载系统，位于中隔板8与侧支架6之间的加载组件2称为水平向加载系统。每个加载组件2均包括压力支架9、压力板10、滑板11、导轨12和压力杆13。压力支架9螺栓连接在压力板10上，压力板10滑动连接在中隔板8与侧挡板5、中隔板8与侧支架6之间。压力板10上开有多个供导轨12穿过的通槽14，压力板10的左右两侧面和背面均开设有半圆截面滑道。滑板11的截面形状呈C字形，滑板11与压力板10滑动连接，滑板11包覆在压力板10外，滑板11上与半圆截面滑道的对应处均开有一侧贯穿滑板11的滚珠槽，滚珠槽内滚动连接有多个滚珠15，每个滚珠15均与对应的半圆截面滑道滑动连接；每个滚珠槽的开口处均螺栓连接有挡片16，利用挡片16防止滚珠15脱落，同时借助滚珠15可使滑板11能够在压力板10上自由滑动而不脱落，滚珠15滑动过程中与压力板10产生低摩阻力。导轨12由四条间隔设置的滑轨条组成，每两根滑轨条螺栓连接在一起，导轨12螺栓连接在支架底座4或中隔板8上，导轨12借助通槽14来穿过压力板10，从而利用导轨12对压力板10的移动起限位作用。本实施例中的压力杆13均与液压伺服系统的输出端连接，压力杆13与压力支架9螺栓连接，压力杆13通过液压伺服系统进行驱动。

托板组件3包括轨道板17、主托板和副托板20，轨道板17螺栓连接在支架底座4的左侧，轨道板17的上表面一体成型有两条与半圆滑槽24滑动连接的半圆轨道23，借助半圆轨道23与半圆滑槽24可以减小下托板19和副托板20与轨道板17的接触面积，从而减小其滑动时产生的摩阻力；轨道板17的两侧还一体成型有U字形凸起21。主托板由上托板18和下托板19组成，上托板18的形状为L形，上托板18的底部一体成型有多个间隔分布的楔块。下托板19的上表面开设有多个与楔块相配合的斜槽，下托板19和副托板20的底部均开设有半圆滑槽24，下托板19和副托板20均滑动连接在轨道板17上。下托板19和副托板20的一侧均开设有“U”形的限位滑槽，下托板19和副托板20的另一侧均螺栓连接有侧压板22，每块侧压板22上均开有与下托板19上限位滑槽结构相同且位于同一水平面的“U”形的限位滑槽，通过两个相对的限位滑槽和凸起21来实现下托板19和副托板20分别与轨道板17滑动连接，并且确保下托板19和副托板20保持水平滑动而不发生脱落。

本实施例中，通过更换具有不同斜度的斜槽的下托板和与下托板相配合的上托板，本实施例选用斜槽内的斜边与水平面的夹角为15°、30°、45°和60°的下托板，上托板中的楔块与上述下托板相配合，从而借助不同的上托板与下托板的组合来模拟不同倾斜角度的断层活动。

模拟装置的试验方法如下：

S1、根据试验要求选择不同楔块形状的上托板与相配合的斜槽的下托板组合，从而实现不同倾斜角度的断层试验模拟。本实施例选用斜槽内的斜边与水平面的夹角为15°、30°、45°和60°的下托板，上托板的楔块与对应夹角的斜槽相配合。

如图11所示，将试件的活动段和固定段分别安放在主托板的上托板和副托板上，因压力板的行程有限，根据需求在试件与侧挡板、试件与竖向加载系统、上托板与水平向加载系统之间放置垫板，同时在试件受压面提前放置四氟乙烯制成的薄板，从而借助薄板可以减小“端部”效应。

如图12所示，将两个试件上下叠放并将位于下侧的试件放置在主托板和副托板上，同时在位于下侧的试件与侧挡板之间、位于上侧的试件与两个加载组件之间均放置垫块，其中位于试件与侧挡板之间的垫板能够确保位于下侧的时间不发生滑动，仅对位于上侧试件的右侧施加作用力，在竖向加载组件和水平向加载组件的作用下可实现试件沿水平滑动面滑动，从而实现断面的水平滑移，即完成了常规水平面断层（即倾斜角度为0°）粘滑模拟。

S2、在试件滑动面附近安放声发射监测设备的探头；

S3、通过液压伺服系统施加水平向和竖向的预应力；

S4、启动声发射监测设备，施加提前预设的水平向和竖向荷载实现试件沿断面滑动，并完成数据采集；

S5、通过试验现象和监测数据分析断层黏滑机制和作用机理。

以上所述的仅是本发明的实施例，方案中公知的具体技术方案或特性等常识在此未作过多描述。应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明技术方案的前提下，还可以作出若干变形和改进，这些也应该视为本发明的保护范围，这些都不会影响本发明实施的效果和专利的实用性。本申请要求的保护范围应当以其权利要求的内容为准，说明书中的具体实施方式等记载可以用于解释权利要求的内容。

Claims (3)

1.一种滑板式断层多角度黏滑模拟装置，其特征在于：包括托承支架组件、两个加载组件和托板组件；

所述托承支架组件包括支架底座、侧挡板、侧支架、两根顶部横杆和中隔板，所述侧挡板与侧支架分别设置在支架底座的左右两侧，两根所述顶部横杆间隔连接在侧挡板与侧支架之间，所述中隔板的形状为L形，所述中隔板连接在两根顶部横杆与侧支架之间；

两个加载组件分别设置在中隔板与侧挡板、中隔板与支架底座之间，每个所述加载组件均包括压力支架、压力板、滑板、导轨和压力杆，所述压力支架设置在压力板上，所述压力板设置在侧挡板或支架底座上，所述滑板与压力板滑动连接，所述滑板包覆在压力板外，所述导轨设置在支架底座或中隔板上，所述导轨穿过压力板，所述压力杆与压力支架连接，所述压力杆通过伺服系统进行驱动；

所述托板组件包括轨道板、主托板和副托板，所述轨道板设置在支架底座上，所述主托板由上托板和下托板组成，所述上托板的底部设有楔块，所述下托板上开设有与楔块相配合的斜槽，所述下托板和副托板均滑动连接在轨道板上；

所述滑板内开设有滚珠槽，所述滚珠槽内滚动连接有与压力板滑动连接的滚珠，每个所述滚珠槽的开口处均螺栓连接有挡片；

所述轨道板的两侧还一体成型有U字形凸起，所述下托板和副托板的一侧均开设有“U”形的限位滑槽，所述下托板和副托板的另一侧均螺栓连接有侧压板，每块所述侧压板上均开有与下托板上限位滑槽结构相同且位于同一水平面的“U”形的限位滑槽，两个相对的所述限位滑槽和凸起来实现下托板和副托板分别与轨道板滑动连接；

所述下托板和副托板的底部均开设有半圆滑槽，所述轨道板上均一体成型有与半圆滑槽滑动连接的半圆轨道。

2.一种滑板式断层多角度黏滑模拟装置的试验方法，其特征在于：包括如下步骤：

S1、利用权利要求1所述模拟装置，根据试验要求选择不同楔块形状的上托板与相配合的斜槽的下托板组合，从而实现不同倾斜角度的断层试验模拟；并在试件与侧挡板、两个加载组件之间设置垫板；

S2、在试件滑动面附近安放声发射监测设备的探头；

S3、通过液压伺服系统向两个加载组件施加作用力，从而实现对试件施加水平向和竖向的预应力；

S4、启动声发射监测设备，施加提前预设的水平向和竖向荷载实现试件沿断面滑动，并完成数据采集；

S5、通过试验现象和监测数据分析断层黏滑机制和作用机理。

3.根据权利要求2所述的一种滑板式断层多角度黏滑模拟装置的试验方法，其特征在于：试件的受压面放置有由四氟乙烯制成的薄板。