CN116399724B - 一种模拟断层走滑错动与扭转效应耦合的试验系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种模拟断层走滑错动与扭转效应耦合的试验系统及方法，所述系统包括断层走滑错动模拟箱、扭转模拟系统及拍摄系统；断层走滑错动模拟箱内设置有可相对平移的回弹系统，位于两个回弹系统之间的底部设置有走滑支撑系统；所述扭转模拟系统连接于断层走滑错动模拟箱外壁并可相对于断层走滑错动模拟箱相对转动，所述扭转模拟系统贯穿设置有与断层走滑错动模拟箱内部连通的连通腔；所述拍摄系统连接于扭转模拟系统端部并可圆周转动，且所述拍摄系统可部分伸入至连通腔内。所述方法应用于该系统。本发明能耦合断层走滑错动和扭转作用、实现走滑断层往复错动，提高振动台模拟跨断层隧道结构动力结构响应的准确性和真实性。

Description

一种模拟断层走滑错动与扭转效应耦合的试验系统及方法

技术领域

本发明涉及岩土工程技术领域，具体是一种模拟断层走滑错动与扭转效应耦合的试验系统及方法。

背景技术

当前破坏性地震仍处于频发多发期，地震的发生会引起严重的人员伤亡和经济损失，随着高地震烈度地区隧道工程建设需求的日益增大,特别是穿越活动断裂带隧道日益增多,我国隧道工程抗震技术面临巨大挑战，跨断层隧道结构震害机理及抗减震措施研究已成为极为重要的研究课题。

岩土工程技术领域中，物理模拟试验是发现规律、解释机理重要手段，在跨断层隧道工程研究中，室内振动台试验是研究地震荷载作用下隧道结构动力响应和损伤破坏机理的有效途径，将隧道原型按照特定的相似比和相似材料制作缩尺模型放置于振动台上，通过振动台系统输入地震波进行激振，可实时监测振动过程中的响应，运用相似性规律就能反算出隧道原型的实际响应，可以直观有效地反映模拟隧道原型的动力响应和变形破坏特征。

地震模拟模型箱是隧道振动台试验的重要设备，常用的模型箱包括刚性模型箱、圆筒形柔性模型箱和层状剪切变形模型箱，它们的结构和用途各不相同：（1）刚性模型箱是一种由刚性材料制成的模型箱，常采用钢板、钢框架及加劲肋组成，具有较高的刚度和强度，能够承受较大的振动力和振幅，刚性模型箱在试验时，不能随土体发生剪切变形，使得试验与实际差距较大，主要用于类岩质材料的振动台模型试验；（2）圆筒形柔性模型箱是一种由柔性材料制成的模型箱，其结构呈圆筒形，具有较好的柔性和变形能力，能够模拟真实结构的振动响应，但模拟不同地层的边界有困难，多用于砂、土等松散型材料的振动台试验；（3）层状剪切变形模型箱是一种由多层水平框架组成的模型箱，层间可以自由滑动，能够模拟振动过程中土体剪切变形，但由于层状框架是一个整体，因此难以模拟隧道跨断层和跨软弱地层交界面等情况。

跨断层的隧道结构在强烈地震作用下容易发生扭转，断层处上下盘（在倾斜断层中，断层层面倾斜时，断面朝上的称为上盘；断面朝下的的称为下盘）在地震作用过程中还会发生持续的往复错动运动，而对于跨断层隧道的地震模拟模型箱，以往的试验装置往往只能单独实现断层的错动，并未考虑实现跨断层隧道结构的扭转及上下盘的往复错动，无法还原断层走滑错动和扭转作用耦合的真实情况，随着跨断层隧道震害机理及抗减震措施研究重要性的增加，真实还原隧道破坏的作用环境对于研究的深入开展具有重要意义，但考虑断层走滑错动及扭转作用耦合的地震模拟模型箱的开发至今仍处于空白。

鉴于此，有必要研发一种能耦合断层走滑错动和扭转作用，实现断层走滑错动及扭转作用耦合的地震模拟试验系统。

发明内容

本发明的目的在于提供一种模拟断层走滑错动与扭转效应耦合的试验系统，该模拟断层走滑错动与扭转效应耦合的试验系统能耦合断层走滑错动和扭转作用、实现走滑断层往复错动，还原跨断层隧道工程情况，提高振动台模拟跨断层隧道结构动力结构响应的准确性和真实性。同时本发明还提供了一种模拟断层走滑错动与扭转效应耦合的试验方法。

本发明的目的主要通过以下技术方案实现：一种模拟断层走滑错动与扭转效应耦合的试验系统，包括断层走滑错动模拟箱、扭转模拟系统及拍摄系统；所述断层走滑错动模拟箱内相对两侧壁均设置有可相对平移的回弹系统，所述断层走滑错动模拟箱内位于两个回弹系统之间的底部设置有走滑支撑系统，所述走滑支撑系统可沿回弹系统平移方向平移；所述扭转模拟系统连接于断层走滑错动模拟箱外壁并可相对于断层走滑错动模拟箱相对转动，所述扭转模拟系统贯穿设置有与断层走滑错动模拟箱内部连通的连通腔；所述拍摄系统连接于扭转模拟系统端部并可部分伸入至连通腔内。

基于以上技术方案，还包括设置有若干通孔的底座，所述断层走滑错动模拟箱、扭转模拟系统均固定于底座上。

基于以上技术方案，所述回弹系统包括弹性件和挡板，所述弹性件设置若干个，且若干个所述弹性件一端均与所述断层走滑错动模拟箱的内侧壁连接，另一端均与所述挡板连接。

基于以上技术方案，所述走滑支撑系统包括固定板、滑轨及支撑滑板；所述支撑滑板包括水平板及连接于水平板两侧的竖直板，所述固定板位于水平板下侧并固定于断层走滑错动模拟箱内底部，所述滑轨贯穿固定板水平设置并可相对于固定板水平滑动，且所述滑轨贯穿固定板后两端分别与两侧的竖直板连接。

基于以上技术方案，所述扭转模拟系统包括支撑件、转动连接于支撑件上的转动件及驱使转动件转动的驱动件；所述转动件一端与断层走滑错动模拟箱外壁转动连接；所述连通腔水平贯穿转动件，所述断层走滑错动模拟箱与转动件连接的侧壁设置有连通口，该连通口与所述连通腔的一端连通，所述拍摄系统则设于所述连通腔的另一端端部位置。

基于以上技术方案，所述支撑件为间隔设置的两个支撑板，所述转动件为转动连接于两个支撑板上的转筒。

基于以上技术方案，所述驱动件包括固定于转动件上的从动齿轮、与从动齿轮啮合的主动齿轮、及与主动齿轮的齿轮轴连接的动力装置。

基于以上技术方案，所述拍摄系统包括固定于扭转模拟系统端部的支架、移动旋转机构及摄像机，所述摄像机连接于移动旋转机构上并可在移动旋转机构驱使下伸入至连通腔内，所述移动旋转机构连接于支架上。

基于以上技术方案，所述移动旋转机构包括滑动杆、圆周转动装置及滑动驱动装置，所述滑动杆一端通过圆周转动装置连接所述摄像机，另一端则连接滑动驱动装置的驱动端以通过滑动驱动装置驱使滑动杆滑动进而实现摄像机进入或退出所述连通腔。

基于以上技术方案，所述断层走滑错动模拟箱未设置回弹系统的两个内侧壁还设置有吸能边界板。

与现有技术相比，本发明的有益效果如下：

1、本发明能够更为真实的还原跨走滑断层隧道在强烈地震作用下的动力响应，模拟强烈地震作用下由地震振动引发的上下盘往复走滑错动，并将这种走滑往复错动与隧道扭转效应进行耦合，解决了常规振动台模型箱无法模拟走滑往复错动及未考虑隧道扭转响应的问题。

2、本发明通过改变回弹系统中弹性件的刚度系数与数量，可模拟不同弹性恢复力，通过改变走滑支撑系统中滑轨的摩擦系数，可改变围岩滑动速度，从而模拟不同滑动速度与不同弹性恢复力情况下的隧道衬砌动力响应规律与渐进破坏过程。

3、本发明系统中设置的拍摄系统，很好的解决了常规振动台试验模型箱难以拍摄隧道模型在激振过程中的渐进破坏过程，避免对后续结构破坏机理和动力响应分析造成阻碍，实现在试验过程中全方位全时段记录，从而为隧道抗减震措施提供理论依据。

4、本发明扭转模拟系统能够改变扭转角度和速度，通过驱动件可实现扭转角为0°-30°的扭转，模拟在强烈地震作用下围岩-隧道体系的扭转效应，实现不同隧道扭转效应震害情况的还原，耦合更多变量，使试验结果更加真实可靠，为实际工程设计与修复提供更为合理的技术支撑。

本发明还基于以上模拟断层走滑错动与扭转效应耦合的试验系统，公开了一种模拟断层走滑错动与扭转效应耦合的试验方法，该方法包括以下步骤：

S1基于模拟试验需求，确定断层倾角，并以断层为分界面，将断层走滑错动模拟箱内分为上盘滑动区和下盘滑动区，当确定上盘滑动或下盘滑动后，在对应的滑动区内安装回弹系统和走滑支撑系统；

S2根据需要模拟的地质条件，确定围岩材料、断层材料及隧道模型材料的组成与配比，并搭建隧道模型；

S3在断层走滑错动模拟箱内根据断层倾角安装断层，完成后断层走滑错动模拟箱和连通腔内填充围岩材料，并在断层走滑错动模拟箱和连通腔内相同设计高度分别安装两段拼接的隧道模型，在填充材料和埋设隧道模型时同步安装传感器用于采集围岩和/或隧道模型在地震作用下的动力响应数据；

S4开启地震模拟振动台进行地震模拟，使得隧道模型受到地震作用；

S5驱动扭转模拟系统根据模拟试验需求的扭转速度和角度进行扭转；

S6通过传感器和拍摄系统采集试验数据，完成数据采集后关闭地震模拟振动台，完成模拟试验。

本模拟断层走滑错动与扭转效应耦合的试验方法基于上述的试验系统进行，能够为振动台试验提供一种耦合断层走滑错动和扭转作用、实现走滑断层往复错动、可调节扭转角度和速度的振动台模型试验，高度还原跨断层隧道工程情况，提高了振动台模拟跨断层隧道结构动力结构响应的准确性和真实性。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：

图1是本发明的模拟断层走滑错动与扭转效应耦合的试验系统的结构示意图；

图2是图1所示试验系统的俯视图；

图3是图1所示试验系统的正视图；

图4是图3所示试验系统的剖视图；

图5是支撑件的结构示意图；

图6是驱动件的结构示意图；

图7是走滑支撑系统的结构示意图；

图中标号分别表示为：

1、断层走滑错动模拟箱；2、扭转模拟系统；3、拍摄系统；4、回弹系统；5、走滑支撑系统；6、连通腔；7、底座；8、吸能边界板；9、支撑件；10、转动件；11、驱动件；12、连通口；13、从动齿轮；14、主动齿轮；15、动力装置；16、支架；17、摄像机；18、滑动杆；19、弹性件；20、挡板；21、固定板；22、滑轨；23、水平板；24、竖直板。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。

如图1、图2所示，本发明第一个实施例提供了一种模拟断层走滑错动与扭转效应耦合的试验系统，包括断层走滑错动模拟箱1、扭转模拟系统2及拍摄系统3；其中，所述断层走滑错动模拟箱1内相对两侧壁均设置有可相对平移的回弹系统4，所述断层走滑错动模拟箱1内位于两个回弹系统4之间的底部设置有走滑支撑系统5，所述走滑支撑系统5可沿回弹系统4平移方向平移；所述扭转模拟系统2连接于断层走滑错动模拟箱1外壁并可相对于断层走滑错动模拟箱1相对转动，所述扭转模拟系统2贯穿设置有与断层走滑错动模拟箱1内部连通的连通腔6；所述拍摄系统3连接于扭转模拟系统2端部并可圆周转动，且所述拍摄系统3可部分伸入至连通腔6内。

基于此，本实施例应用时，断层走滑错动模拟箱1、扭转模拟系统2固定于地震模拟振动台台面上，利用地震模拟振动台模拟地震作用，断层走滑错动模拟箱1和扭转模拟系统2在完成固定后，即可在断层走滑错动模拟箱1和连通腔6内按照模拟试验要求填充围岩材料、安装断层a及隧道模型b，当地震模拟振动台模拟地震作用时，回弹系统4、走滑支撑系统5在振动作用下同步产生动作，进行往复平移，进而其内的围岩即在该部分进行往复错动，考虑围岩运动方向与断层a的关系，即可模拟断层走滑运动对隧道模型动力响应的影响，同时，当需要围岩扭转对隧道模型动力响应规律的影响时，可在振动过程中通过扭转模拟系统2转动至试验角度，从而耦合更多变量，模拟在地震作用下围岩-隧道体系的扭转效应，实现不同隧道扭转效应震害情况的还原，进而将围岩走滑往复错动与隧道扭转效应进行耦合，解决了常规振动台模型箱无法模拟走滑往复错动及未考虑隧道扭转响应的问题，为实际工程设计与修复提供更为合理的技术支撑，同时通过设置拍摄系统3对断层走滑错动模拟箱1和连通腔6内隧道模型进行拍摄，很好的解决了常规振动台试验模型箱难以拍摄隧模型砌在激振过程中的渐进破坏过程，避免对后续结构破坏机理和动力响应分析造成阻碍，实现在试验过程中全方位全时段记录。

需要说明的是，断层走滑错动模拟箱1和连通腔6内设置的隧道模型为同轴拼接设置的两段组成，二者拼接处位于断层走滑错动模拟箱1和扭转模拟系统2的连接处，从而不仅不影响扭转模拟系统2的扭转作用，且两段隧道模型可以模拟真实隧道衬砌的接缝处在地震作用下的扭转作用。

在具有应用时，所述模拟断层走滑错动与扭转效应耦合的试验系统还包括设置有若干通孔的底座7，所述断层走滑错动模拟箱1、扭转模拟系统2均固定于底座7上。本实施例的底座7用于固定断层走滑错动模拟箱1、扭转模拟系统2，同时可通过其上通孔更快速的通过连接件与地震模拟振动台台面进行连接，实现整体试验系统和地震模拟振动台的装配。

继续参阅图1、图2，断层走滑错动模拟箱1主要用于填充围岩、安装断层及隧道模型，并实现走滑往复错动模拟。

在具体应用时，断层走滑错动模拟箱1整体为顶部开口，四周和底部由板体组成的方形箱体结构，当断层走滑错动模拟箱1其内安装断层后，即可通过断层分为上盘滑动区和下盘滑动区，即可根据需要模拟的是上盘滑动或下盘滑动的试验要求，将对应的回弹系统4、走滑支撑系统5安装至对应的滑动区内，进行上盘滑动模拟或下盘滑动模拟。

在具体实施时，板体可采用金属材料如不锈钢等制成，以确保断层走滑错动模拟箱1的整体强度。

在具体实施时，所述断层走滑错动模拟箱1未设置回弹系统4的两个内侧壁还设置有吸能边界板8。吸能边界板8主要用于减小地震波在断层走滑错动模拟箱1边界产生的反射与折射效应。进一步的，吸能边界板8采用聚苯乙烯泡沫板。进一步的，所述吸能边界板8厚度为20cm。

如图3、图4、图5及图6所示，扭转模拟系统2主要用于填充围岩和隧道模型b，进而模拟在地震作用下围岩-隧道体系的扭转效应，为围岩-隧道体系提供扭转作用力。

在具体应用时，扭转模拟系统2包括支撑件9、转动连接于支撑件9上的转动件10及驱使转动件10转动的驱动件11；其中的转动件10一端与断层走滑错动模拟箱1外壁转动连接，所述连通腔6水平贯穿转动件10，所述断层走滑错动模拟箱1与转动件10连接的侧壁设置有连通口12，该连通口12与所述连通腔6的一端连通，所述拍摄系统3则设于所述连通腔6的另一端端部位置。

基于此，支撑件9作为支撑结构将转动件10和驱动件11支撑于地震模拟振动台或底座7上，而转动件10在驱动件11驱动下即可进行转动，由于连通腔6水平贯穿转动件10，从而其内设置的围岩和隧道模型b即可受到扭转作用。

在应用时，支撑件9可连接于地震模拟振动台或底座7上，可设置多个如两个来间隔设置以实现转动件10的均匀支撑，材质选用金属件如不锈钢即可。进一步的，支撑件9上端可设置如轴承、滚珠等辅助件用于辅助转动件10转动，并减少转动件10摩擦力。

在应用时，所述转动件10为转动连接于支撑件9上的转筒。转筒整体为圆柱形筒状结构，其内部贯通进而形成所述连通腔6。

在应用时，所述驱动件11包括固定于转动件10上的从动齿轮13、与从动齿轮13啮合的主动齿轮14、及与主动齿轮14的齿轮轴连接的动力装置15。在需要转动件10转动时，动力装置15开启，从而带动主动齿轮14、从动齿轮13转动，进而驱使转动件10圆周转动。进一步的，所述动力装置15为电机或马达。具体的，支撑件9可设置相应的支持板或者安装口，即可用于安装动力装置15。

在应用时，所述转动件10在连通腔6设置拍摄系统3的一端设置有封盖，用于将连通腔6内、隧道模型b外的围岩材料进行封堵，以免在试验过程中材料通过该端部泄露而影响试验效果。进一步的，所述封盖为与转动件10螺纹连接、卡扣连接或通过连接件固定的圆环状封盖，其中部孔则可用于拍摄系统3的拍摄通道。

需要说明的是，由于转动件10在应用过程中，其转动角度一般在0°-30°之间，因此其转动角度不好太大，故本实施例的从动齿轮13可选用不完全齿轮，降低成本。

继续参阅图1、图4，拍摄系统3主要用于沿隧道模型横截面进行拍摄，以获取在地震作用下隧道的渐进破坏过程数据。

在具体应用时，拍摄系统3包括固定于扭转模拟系统2端部的支架16、移动旋转机构（图中未示出）及摄像机17，所述摄像机17连接于移动旋转机构上并可在移动旋转机构驱使下圆周转动或伸入至连通腔6内，所述移动旋转机构连接于支架16上。

在使用时，移动旋转机构可以带动摄像机17圆周转动，并可伸入至连通腔6，从而当安装隧道模型后，摄像机17可位于隧道模型内部进而全方位、多角度地拍摄隧道模型在地震作用下的渐进破坏过程。

作为具体的实施方式，所述移动旋转机构包括滑动杆18、圆周转动装置（图中未示出）及滑动驱动装置（图中未示出），所述滑动杆18一端通过圆周转动装置连接所述摄像机17，另一端则连接滑动驱动装置的驱动端以通过滑动驱动装置驱使滑动杆18滑动进而实现摄像机17进入或退出所述连通腔6。进而利用圆周转动装置和滑动驱动装置可以实现摄像机17在隧道模型内不同横截面的不同角度进行全方位的拍摄。

在应用时，圆周转动装置可以是转动电机、云台等，滑动驱动装置可以是伸缩缸、直线模组等。

需要说明的是，本实施例中也可以取消滑动驱动装置，而滑动杆18可直接采用直线模组或者伸缩杆等结构实现功能，从而改变摄像机17在隧道模型内的伸入深度。

继续参阅图2，回弹系统4主要用于实现其内侧围岩的往复运动。

在具体应用时，所述回弹系统4包括弹性件19和挡板20，所述弹性件19设置若干个，且若干个所述弹性件19一端均与所述断层走滑错动模拟箱1的内侧壁连接，另一端均与所述挡板20连接。

在实施时，弹性件19的刚性系数和数量可根据试验需要进行选择，从而通过改变弹性件19的刚性系数和数量，模拟不同弹性恢复力作用，进而改变围岩往复运动的幅度，实现围岩不同运动幅度的不同条件模拟。进一步的，弹性件19可选用压缩弹簧。

如图7所示，走滑支撑系统5主要用于与回弹系统4结合，实现围岩与断层相对错动的发生。

在具体应用时，走滑支撑系统5包括固定板21、滑轨22及支撑滑板；所述支撑滑板包括水平板23及连接于水平板23两侧的竖直板24，所述固定板21位于水平板23下侧并固定于断层走滑错动模拟箱1内底部，所述滑轨22贯穿固定板21水平设置并可相对于固定板21水平滑动，且所述滑轨22贯穿固定板21后两端分别与两侧的竖直板24连接。

基于此，走滑支撑系统5整体设置于两个回弹系统4之间的断层走滑错动模拟箱1内底部，其支撑滑板主要用于支撑回弹系统4之间的内部围岩、隧道模型，而支撑滑板在滑轨22作用下，当地震模拟振动台启动后，支撑滑板即可进行往复的滑动，进而配合回弹系统4实现围岩与断层发生相对错动。

需要说明的是，当试验确定了上盘滑动或下盘滑动的滑动类型后，回弹系统4和走滑支撑系统5即可根据滑动类型安装至对应的上盘滑动区或下盘滑动区，进而模拟对应区域内的断层走滑运动对隧道模型动力响应的影响。

以上即为本实施例中模拟断层走滑错动与扭转效应耦合的试验系统的详细描述，为了进一步的完善和实施该试验系统，本发明第二个实施例还基于以上模拟断层走滑错动与扭转效应耦合的试验系统，公开了一种模拟断层走滑错动与扭转效应耦合的试验方法，该方法包括以下步骤：

S1基于模拟试验需求，确定断层倾角，并以断层a为分界面，将断层走滑错动模拟箱1内分为上盘滑动区和下盘滑动区，当确定上盘滑动或下盘滑动后，在对应的滑动区内安装回弹系统4和走滑支撑系统5;

本步骤中，可根据模拟试验需要，选择需要的断面角度，从而通过断层a的倾角变化，可研究断层倾角变化对隧道结构动力响应的影响，也可研究断层a滑动对隧道结构动力响应的影响，为隧道工程设计提供设计依据。

S2根据需要模拟的地质条件，确定围岩材料、断层材料及隧道模型材料的组成与配比，并搭建隧道模型b；

本步骤中，围岩材料可根据实际地质条件选择对应材料，而断层a材料则可以根据需要选择，例如选用砾石来模拟，而隧道模型b可根据真实隧道设计图纸按某一缩尺比例制作，常用材料可由微粒混凝土或石膏、重晶石、石英砂等材料组成，其中石膏、重晶石、石英砂等材料经过正交试验得到其最佳配合比，且物理力学性能参数须严格满足相似关系，当确定围岩材料，断层材料，隧道模型材料的组成与配合比后，使围岩、断层、隧道模型的物理力学性能参数满足相似比，即可开始试验。由于本步骤中确定围岩材料、断层材料及隧道模型材料，并搭建隧道模型b的具体过程现有技术中已经较为成熟，因此本步骤中不再进一步累述，本领域技术人员可以参照现有技术和地质条件需要进行实施。

S3在断层走滑错动模拟箱1内根据断层倾角安装断层a，完成后断层走滑错动模拟箱1和连通腔6内填充围岩材料，并在断层走滑错动模拟箱1和连通腔6内相同设计高度分别安装两段拼接的隧道模型b，在填充材料和埋设隧道模型b时同步安装传感器用于采集围岩和/或隧道模型在地震作用下的动力响应数据；

本步骤中，断层走滑错动模拟箱1和连通腔6内均需要填充围岩，并且在相同设计高度均预埋隧道模型b，二者内部的隧道模型b相互拼接进而可以有效模拟现实中隧道衬砌的接缝处。

本步骤中，传感器可以是加速度计、土压力盒、应变片、位移计等传感器，用于采集试验过程中围岩、断层a或隧道模型b的加速度、应力、应变、位移等数据，由于本步骤中传感器的安装和对应的数据采集在现有技术中已经较为成熟，因此本步骤中不再进一步累述，本领域技术人员可以参照现有技术和所需数据需要进行实施。

S4开启地震模拟振动台进行地震模拟，使得隧道模型b受到地震作用；

S5驱动扭转模拟系统2根据模拟试验需求的扭转速度和角度进行扭转；

S6通过传感器和拍摄系统采集试验数据，完成数据采集后关闭地震模拟振动台，完成模拟试验。

本实施例的模拟断层走滑错动与扭转效应耦合的试验方法基于上述的试验系统进行，能够为振动台试验提供一种耦合断层走滑错动和扭转作用、实现走滑断层往复错动、可调节扭转角度和速度的振动台模型试验，高度还原跨断层隧道工程情况，提高了振动台模拟跨断层隧道结构动力结构响应的准确性和真实性。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种模拟断层走滑错动与扭转效应耦合的试验系统，其特征在于，包括断层走滑错动模拟箱、扭转模拟系统及拍摄系统，所述断层走滑错动模拟箱和扭转模拟系统固定于地震模拟振动台台面上；

其中，

所述断层走滑错动模拟箱内相对两侧壁均设置有可相对平移的回弹系统，所述断层走滑错动模拟箱内位于两个回弹系统之间的底部设置有走滑支撑系统，所述走滑支撑系统可沿回弹系统平移方向平移；

所述断层走滑错动模拟箱内安装有断层，并以断层为分界面，将断层走滑错动模拟箱内分为上盘滑动区和下盘滑动区，当确定上盘滑动或下盘滑动后，所述回弹系统和走滑支撑系统安装于对应的滑动区内；

所述扭转模拟系统连接于断层走滑错动模拟箱外壁并可相对于断层走滑错动模拟箱相对转动，所述扭转模拟系统贯穿设置有与断层走滑错动模拟箱内部连通的连通腔；

所述断层走滑错动模拟箱和连通腔内均填充围岩材料，并在断层走滑错动模拟箱和连通腔内相同设计高度分别安装两段拼接的隧道模型；

所述拍摄系统连接于扭转模拟系统端部并可圆周转动，且所述拍摄系统可部分伸入至连通腔内。

2.根据权利要求1所述的试验系统，其特征在于，还包括设置有若干通孔的底座，所述断层走滑错动模拟箱、扭转模拟系统均固定于底座上。

3.根据权利要求1所述的试验系统，其特征在于，所述回弹系统包括弹性件和挡板，所述弹性件设置若干个，且若干个所述弹性件一端均与所述断层走滑错动模拟箱的内侧壁连接，另一端均与所述挡板连接。

4.根据权利要求1所述的试验系统，其特征在于，所述走滑支撑系统包括固定板、滑轨及支撑滑板；

所述支撑滑板包括水平板及连接于水平板两侧的竖直板，所述固定板位于水平板下侧并固定于断层走滑错动模拟箱内底部，所述滑轨贯穿固定板水平设置并可相对于固定板水平滑动，且所述滑轨贯穿固定板后两端分别与两侧的竖直板连接。

5.根据权利要求1所述的试验系统，其特征在于，所述扭转模拟系统包括支撑件、转动连接于支撑件上的转动件及驱使转动件转动的驱动件；

所述转动件一端与断层走滑错动模拟箱外壁转动连接；

所述连通腔水平贯穿转动件，所述断层走滑错动模拟箱与转动件连接的侧壁设置有连通口，该连通口与所述连通腔的一端连通，所述拍摄系统则设于所述连通腔的另一端端部位置。

6.根据权利要求5所述的试验系统，其特征在于，所述支撑件为间隔设置的两个支撑板，所述转动件为转动连接于两个支撑板上的转筒。

7.根据权利要求5或6所述的试验系统，其特征在于，所述驱动件包括固定于转动件上的从动齿轮、与从动齿轮啮合的主动齿轮、及与主动齿轮的齿轮轴连接的动力装置。

8.根据权利要求1所述的试验系统，其特征在于，所述拍摄系统包括固定于扭转模拟系统端部的支架、移动旋转机构及摄像机，所述摄像机连接于移动旋转机构上并可在移动旋转机构驱使下圆周转动或伸入至连通腔内，所述移动旋转机构连接于支架上。

9.根据权利要求8所述的试验系统，其特征在于，所述移动旋转机构包括滑动杆、圆周转动装置及滑动驱动装置，所述滑动杆一端通过圆周转动装置连接所述摄像机，另一端则连接滑动驱动装置的驱动端以通过滑动驱动装置驱使滑动杆滑动进而实现摄像机进入或退出所述连通腔。

10.一种模拟断层走滑错动与扭转效应耦合的试验方法，基于权利要求1所述的模拟断层走滑错动与扭转效应耦合的试验系统实现，其特征在于，该方法包括以下步骤：

S1基于模拟试验需求，确定断层倾角，并以断层为分界面，将断层走滑错动模拟箱内分为上盘滑动区和下盘滑动区，当确定上盘滑动或下盘滑动后，在对应的滑动区内安装回弹系统和走滑支撑系统；

S2根据需要模拟的地质条件，确定围岩材料、断层材料及隧道模型材料的组成与配比，并搭建隧道模型；

S3在断层走滑错动模拟箱内根据断层倾角安装断层，完成后断层走滑错动模拟箱和连通腔内填充围岩材料，并在断层走滑错动模拟箱和连通腔内相同设计高度分别安装两段拼接的隧道模型，在填充材料和埋设隧道模型时同步安装传感器用于采集围岩和/或隧道模型在地震作用下的动力响应数据；

S4开启地震模拟振动台进行地震模拟，使得隧道模型受到地震作用；

S5驱动扭转模拟系统根据模拟试验需求的扭转速度和角度进行扭转；

S6通过传感器和拍摄系统采集试验数据，完成数据采集后关闭地震模拟振动台，完成模拟试验。