CN117238205A - 一种多类底辟构造超重力物理模拟实验装置及实验方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多类底辟构造超重力物理模拟实验装置及实验方法。试验区底板和基座板之间通过基座连接，试验区壳体设置在试验区底板上，底辟核材料注入系统安装在基座板上，试验区壳体是由侧壁壁板和曲面台围成的框架，可卸的刚性隔档可将验腔室分成三个子试验区，各个子试验区的底部均有一材料注入口，各对应一套独立的材料注入系统，活动活塞设置在材料注入系统中，驱动系统可控制材料的注入速率，方法包括选取模拟材料，将模拟材料注入材料腔，将试验模型设置在试验区，监测试验模型的变形情况进而模拟地质构造变形过程。本发明可开展单个底辟构造与底辟群构造的模拟研究，检验底辟构造超重力模拟试验结果的可重复性，能显著降低实验误差。

Description

一种多类底辟构造超重力物理模拟实验装置及实验方法

技术领域

本发明属于地质构造领域的一种模拟试验装置及方法，尤其涉及了一种多类底辟构造超重力物理模拟实验装置及实验方法。

背景技术

地球岩石圈中的底辟构造系地下较深处密度较小的高塑性岩石(如岩盐、石膏、黏土等)在差异重力作用下向上拱起，刺穿上覆岩层而形成的一种构造，是一类重要的石油地质构造，对油气资源、岩盐矿产的勘探具有重要的意义，对研究源于地球深部的岩浆活动也具有重要价值。例如，前人研究已经揭示我国南海、美国墨西哥湾区域的油气藏的分布与底辟构造的发育密切相关。岩石圈中单个底辟构造的发育过程的持续时间一般处于百万年至千万年时间区间，单个底辟构造的主轴剖面衍生规模多处于千米量级以上，底辟构造所涉及的地层的粘度一般大于1×10¹⁵Pa.s。故通过地质调查的途径研究底辟构造，虽然是必要的，但需要在大量人力物力配套支持下才能有效实施；通过物理模拟实验模拟研究底辟构造的发育过程与变形规律，可便捷、整体性地模拟研究底辟构造，是研究底辟构造一种重要的途径。虽然，已有一些常重力条件(1g环境)下实施的底辟构造模拟试验研究，探索获得了一些相关规律；但是鉴于岩石圈中底辟构造上述长变形时间、大尺度空间规模、超高材料粘度等特征，这些常重力试验中，底辟试验模型与地球岩石圈中的底辟构造的相似性关系很少获得合理考虑与设置。底辟构造构造由于地质动力机制的差异分为不同类别，其中常见有主动底辟与再活化底辟构造，主动底辟是因相对于围岩低密度的底辟核层差异厚度导致底辟核层受差异应力作用主动上侵形成的底辟构造；再活化底辟构造是因上覆围岩受区域伸展作用形成薄弱带，从而导致底辟核层沿着薄弱带上侵形成底辟构造。底辟构造根据底辟核顶部的空间形态可分为穹隆状与脊状两大类别；且地球上已发现的公里级尺度的底辟多呈现底辟群而非单个底辟的状态呈现。

根据Ramberg(1967)对地质构造模拟试验相似关系的推导，可知当模拟试验工况中惯性力可忽略时，在建立试验相似关系时，可根据特定研究对象的性质自行设置相似比。超重力物理模拟实验可以在保证试验模型与底辟构造地质原型之间的相似性关系前提下，开展空间尺寸缩尺、时间缩尺的底辟构造模拟实验研究，这样所获得的模拟试验规律能反应岩石圈内底辟(群)构造发育过程中的真实特征。故超重力模拟实验研究在地质构造模拟实验研究中十分重要，且前景广阔。

国内尚未见有在超重力环境下开展的底辟构造研究案例。国外超重力条件下开展的底辟构造模拟实验研究均在短旋转半径的鼓式离心机、不低于700g的高g值试验环境中开展的，且试验模型为横向长度一般不超过15cm的小模型，模型初始底部一般为会导致超重力环境下产生横向差异重力场的平面台。这样的超重力实验中形成的底辟构造现象实际在模拟过程中，会受到显著的切向差异超重力场、实验材料以较大变形速率变形、模型边界效应的干扰，导致显著试验误差。另外，现有底辟构造超重力实验中对主动底辟构造的模拟，都是在1g环境制作实验模型时，在底辟核层顶面制作向上凸起，这样在超重力加载过程中，上覆实验材料层在底辟核层凸起处存在扰动应力，进而促使底辟变形的发生；但是这样在超重力实验从1g升值加载至设计目标g值过程中，试验模型容易发生变形，而这部分变形并不符合超重力实验设定的相似关系，也会造成显著的试验误差。前人底辟构造超重力实验中，这些不同因素所导致的综合实验误差，会导致所模拟的模型变形过程与地质原型的变形过程之间存在显著的不相似，严重影响试验分析结果的有效性。另外，尚未见有可控的底辟群构造物理模拟实验装置。

为了在前人底辟构造超重力实验研究基础上，进一步完善底辟构造超重力模拟实验的有效性，结合发明人前期在浙江大学ZJU400大型臂式离心机上的初步底辟构造实验与相关数值模拟研究，为了克服上述底辟构造超重力实验研究中的实验误差，本发明提出一种适用于大型离心机的底辟(群)构造超重力模拟实验装置。

相似技术(产品)简述：

中国专利CN109166441A公开了一种用于超重力环境下的底辟物理模拟实验装置及实验方法，实验装置包括实验箱和底辟动力装置，实验箱由长推板、移动板及实验箱底板组成，其中移动板包括移动固定板和与其连接的移动伸缩板，实验箱内放置实验材料；在底辟动力装置的作用下，长推板前后移动,移动伸缩板作伸缩运动，用以挤压变形实验箱内的实验材料。本发明的实验装置在常重力条件下，完成对深层构造物理模拟实验箱内的实验材料的布置，在离心力条件下，对构造物理模拟实验箱的底辟动力装置进行自动控制，使得构造物理模拟实验箱完成深层构造物理模拟实验。该装置只能主动控制单个穹隆状底辟构造的超重力物理模拟过程，且不能消除超重力实验过程中沿着旋转切向差异超重力引起的实验误差，难保证实验结果的可重复性。

中国专利CN111238948A公开了一种三维底辟装置，包括底板，用来承载立墙和伸缩推板，所述底板与所述立墙和伸缩推板形成只上端开口的密封式箱体结构；立墙,数量为两个，垂直设在所述底板Y轴方向的两侧，所述立墙在Y轴方向相对底板运动对内部的实验体进行Y轴方向的挤压或拉伸；伸缩推板,数量为两个，垂直设在所述底板X轴方向的两侧且可与所述立墙的内侧始终处于接触且密封状态,所述伸缩推板在X轴方向相对底板运动并对内部的实验体进行X轴方向的挤压或拉伸。本发明模拟一种砂土不仅受到水平X方向和Y方向的挤压/拉伸力、底部还会有胶质物注入的状态，模拟结果更加精准,保证实验的准确性和有效性。该装置只能主动控制单个穹隆状底辟构造的超重力物理模拟过程，且不能消除超重力实验过程中沿着旋转切向的差异超重力引起的实验误差；底部注入的胶质物质的粘度一般小于1×10⁴Pa.s，故实验材料的选择范围也比较有限。

中国专利CN110794474A公开了一种岩浆底辟与伸展作用叠合的模拟装置及分析方法。所述岩浆底辟与伸展作用叠合的模拟分析方法通过将介质容器内填充的介质侵入装填有多层砂子的砂箱中，再启动第一发动机和第二发动机拉伸砂箱，对砂体进行切割，得到第一切片；先启动第一发动机和第二发动机拉伸装填有多层砂子的砂箱，再将介质容器内填充的介质侵入到砂箱中，对砂体进行切割，得到第二切片；根据第一切片和第二切片，得到多个典型构造变形样式。该装置只能用于1g常重力环境中的单个穹隆状底辟构造研究，且所开展的底辟模拟实验，难以保证与地球上的底辟构造的地质过程相似。

发明内容

为了解决背景技术中存在的问题，本发明的目的在于提供一种多类底辟构造超重力物理模拟实验装置及实验方法。本发明属于一种适用于大型臂式离心机超重力环境中模拟主动底辟(群)构造、再活化底辟(群)构造的超重力模拟实验装置及实验方法。

本发明所采用的技术方案如下：

一、一种多类底辟构造超重力物理模拟实验装置：

装置包括基座板、基座、试验区底板、试验区壳体、底辟核材料注入系统和驱动系统；试验区底板位于基座板的上方，试验区底板和基座板之间通过基座固定连接，上端开口的试验区壳体放置在试验区底板上，底辟核材料注入系统设置在基座的中部，且底辟核材料注入系统的底端固定连接在基座板上，驱动系统放置在基座板上，且驱动系统和底辟核材料注入系统之间连接。

所述的试验区壳体包括四块侧壁壁板、试验区曲面台和刚性隔档；四块侧壁壁板依次首尾相连围成一个两端开口、四周封闭的矩形框架，试验区曲面台位于矩形框架底端的中部，使得矩形框架和试验区曲面台围成上端开口的试验腔室，将矩形框架中沿着装置长边方向设置的侧壁壁板作为纵向侧壁，矩形框架中沿着装置短边方向设置的侧壁壁板作为横向侧壁，两块刚性隔档沿着装置长边方向平行间隔排布地设置在试验腔室内，刚性隔档的底部和侧边分别与试验区曲面台和纵向侧壁连接，两块刚性隔档将试验腔室均分为三个子试验区，两块可拆卸的刚性隔档将试验区曲面台均匀划分为三个试验平台单元；

侧壁壁板的底部固定连接在试验区底板的外周，试验区曲面台放置在试验区底板上表面的中部，试验区曲面台中部开设有沿装置长边方向间隔设置的四个材料注入口，其中三个材料注入口分别开设在三个试验平台单元的中部，另外一个材料注入口开设在一个刚性隔档和试验区曲面台连接位置处，试验区底板中部开设有沿装置长边方向间隔设置的四个通孔，试验区曲面台中的材料注入口和试验区底板中的通孔的数量和排布位置分布相同且对齐，底辟核材料注入系统的顶端设置在试验区底板开设的通孔处。

所述的底辟核材料注入系统包括第一同步轮、轴承、固定环、丝杠；丝杠可上下移动地连接在第一同步轮的中心孔内，固定环位于轴承的上方，固定环和轴承均套设在丝杠外侧壁上，固定环和轴承通过系统固定架连接在基座板上，第一同步轮的下方设有平面轴承，平面轴承固定连接在基座板上；

所述的底辟核材料注入系统采用圆孔式材料注入系统或条孔式注入系统；所述的圆孔式材料注入系统还包括活塞连接栓、圆孔活塞和圆孔活塞密封圈，圆孔活塞位于丝杠的上方，圆孔活塞和丝杠之间通过活塞连接栓固定连接，圆孔活塞密封圈密封连接在圆孔活塞的顶端；所述的条孔式注入系统还包括条孔活塞和条孔活塞密封圈，条孔活塞的底端和丝杠的顶端之间固定连接，条孔活塞密封圈密封连接在条孔活塞的顶端。

所述的驱动系统包括伺服电机、减速机和电机支撑座；减速机的内部设有第二同步轮，减速机通过电机支撑座固定在基座板上，伺服电机安装在减速机的顶部且伺服电机的输出轴和减速机中的第二同步轮同轴连接，第二同步轮和第一同步轮之间通过同步带连接，使得第二同步轮带动第一同步轮旋转。

所述的材料注入口采用圆孔式材料注入口或条孔式材料注入口，所述四个材料注入口中包括三个圆孔式材料注入口和一个条孔式材料注入口，其中两个圆孔式材料注入口和一个条孔式材料注入口分别开设在三个试验平台单元的中部，第三个圆孔式材料注入口开设在上述两个圆孔式材料注入口连接线的中点位置处；

试验区底板中部开设的通孔为圆孔式材料腔或条孔式材料腔，圆孔式材料注入系统顶端的圆孔活塞可上下移动地设置在圆孔式材料腔中，条孔式注入系统顶端的条孔活塞可上下移动地设置在条孔式材料腔中。

所述纵向侧壁的内侧壁开设有沿装置长边方向间隔设置的两条隔档侧壁卡槽，各条隔档侧壁卡槽均沿着上下方向设置，试验区曲面台顶部开设有沿装置长边方向间隔设置的两条隔档底部卡槽，各条隔档底部卡槽均沿着装置的短边方向设置，纵向侧壁中的隔档侧壁卡槽和试验区曲面台中的隔档底部卡槽的数量和排布位置分布相同且对齐，刚性隔档的底部嵌入在隔档底部卡槽中，刚性隔档的两侧边分别嵌入在两块纵向侧壁的隔档侧壁卡槽中。

所述的刚性隔档主要由若干个沿着上下方向紧密设置的刚性条形成，各个刚性条均沿着装置的短边方向设置，刚性隔档中最下方的刚性条嵌入在隔档底部卡槽中，刚性条的两侧边分别嵌入在两块纵向侧壁的隔档侧壁卡槽中。

二、一种多类底辟构造超重力物理模拟实验方法，包括以下步骤：

步骤1、首先，选取底辟核模拟材料，并确定底辟核模拟材料的用量、粘度与密度；在1g常重力环境中，将各个选定的底辟核模拟材料分别注入到各个底辟核材料注入系统的材料腔中，并将材料腔中的底辟核模拟材料充分排气压实；

步骤2、制备模拟试验模型

取若干种围岩层模拟材料，各种模拟材料按照底辟核模拟材料、围岩层模拟材料的顺序分层依顺序装入子试验区1中，排气、分层压密后制成初始的模拟试验模型；

步骤3、将装有模拟试验模型的装置吊装至离心机的实验平台上，启动离心机并加载至目标g值，在稳定目标g值的超重力环境中实时监测模拟试验模型的变形情况，当装置运行至预设的试验状态或试验时间后关闭离心机停止实验，取下模拟试验模型，根据模拟试验模型的变形时间获得实际地质变形时间t₀：

其中，t_m表示超重力模拟试验模型的变形时间，μ_r表示模拟试验模型与实际地质体的粘度之比，ρ_r表示模拟试验模型与实际地质体的密度之比，l_r表示模拟试验模型与实际地质体的几何尺寸之比，α_r表示模拟试验模型与实际地质体的加速度之比。

本发明装置中的刚性隔档可将试验腔室分成三个子试验区，各个子试验区的底部中心位置配置有一个材料注入口，也可根据试验需要，灵活安装或拆除刚性隔档，配合试验区底部四个材料注入口的灵活使用，可实现不同底辟构造或底辟群构造的超重力模拟试验。底辟核材料注入系统共计四套，各注入系统之间均可通过伺服在线高精度量化控制独立运作。基于这些结构设计，本发明可在1g-200g的超重力环境中，开展多尺度模型的穹隆状底辟构造、脊状底辟构造的超重力实验模拟研究，开展单个底辟构造与底辟群构造的模拟研究，也便于检验底辟构造超重力模拟试验结果的可重复性，较现有超重力环境中的底辟物理模拟实验装置能显著降低实验误差。

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而发明了一种多类底辟构造超重力物理模拟实验装置，这套装置在实施底辟构造超重力模拟试验时，可开展穹窿状底辟与脊状底辟构造模拟，可开展单个底辟构造与底辟群构造的超重力模拟，可开展多种尺度的实验模型、多组工况上机同步独立试验，无需预置凸起用于启动底辟构造变形，可充分避免由于超重力实验设备实验g值从1g加载至目标g值超重力状态过程产生的实验累计变形误差，且本装置可充分避免超重力实验环境中沿着模型箱旋转方向的切向差异超重力产生的实验误差。

本发明是基于对底辟构造超重力模拟研究的多种实验工况需求与大型臂式离心机实验操作约束条件的综合考虑发明设计的，主要包含三个可合并拆分的试验区、四套可独立控制运行的底辟核材料注入系统。考虑到高g值导致试验模型材料易产生高变形速率，使得模型材料流变属性的变化，从而弱化超重力模拟实验过程的相似性；而国内现有大型臂式离心机(如浙江大学的ZJU400型号臂式离心机)有效的载荷长时段持续运转超重力g值一般不高于200g，故本底辟构造超重力实验装置可适用的最高超重力g值为200g。

对于单个底辟构造变形过程的模拟，三个子试验区平行于纵向侧壁的中线应与离心机实验平台的中线重合，在刚性隔档区分开的各子试验区各分布有一个底辟核材料注入口，基于对所模拟的底辟构造地质原型中各岩层几何参数、力学参数、流变学参数、及变形时间参量的分析，根据地质构造模拟试验相似关系设计超重力模拟试验，遴选适宜的超重力模拟试验相似材料，向需要各试验区注入系统的材料腔中按照试验设计填充实验材料，再制作超重力模拟试验模型，上离心机开展超重力模拟试验加载，在系统达到稳定g值加载后按照试验设计注入实验材料，触发底辟构造变形。在试验模型变形过程中，可通过三维光学扫描系统从试验区顶部监控测试各试验区模型顶部的变形特征，也可通过其他透视三维扫描技术(如声学、电学探测技术)在超重力模拟试验加载过程中对试验模型的三维变形过程进行监测扫描。超重力实验加载结束后，可对试验模型实施切片观测、CT三维扫描等观测分析。

本发明的有益效果为：

1、本发明能在一次超重力加载试验过程中，同时开展三组独立的底辟构造超重力模拟试验，这样有助于检验超重力实验结果的可重复性，这是前人底辟构造超重力实验未研究过的。

2、本发明能运用注入系统在设计稳定g值加载状态下小剂量低速可控地注入底辟核材料促成主动底辟构造的启动与变形，可避免类似前人在1g环境下预置底辟核层凸起在超重力g值升值过程中产生的不相似变形，也能大幅度降低由于实验模型底部高速注入操作导致的实验误差。

3、本发明能同步模拟穹窿状底辟构造、脊状底辟构造，也能通过合并相邻试验区模拟底辟群构造。

4、本发明的试验区可模拟的实验模型在可充分保证超重力环境中安全可控地实验操作的同时，切向尺寸显著大于前人底辟构造超重力实验模型，这样有利于显著减弱底辟构造超重力实验结果所受到的模型边界效应。

5、本发明试验区底部为刚性曲面台，可保证在臂式离心机超重力加载环境下，沿着旋转方切向产生均匀的超重力场。

6、本发明装置在超重力模拟试验加载过程中，实施的底辟核材料小剂量低速注入操作是通过伺服在线量化控制的，并能实时监测相应的注入速率及压力数值，有利于对试验相关参量的量化分析研究。

这些优势均有利于显著提高底辟构造超重力物理模拟实验结果与地质原型的相似性，也就意味着能显著增强底辟构造超重力模拟试验结果的有效性。另外，本发明试验区底部也可换成平面台，用于在1g常重力环境中开展低粘度材料的流塑性底辟构造变形模拟试验研究。

附图说明

图1为本发明总体三维结构图；

图2为本发明卸载刚性隔档与一侧壁后的三维结构图；

图3为本发明纵轴向剖切三维结构图；

图4为本发明平面总体结构图(自顶部俯视)；

图5为本发明横轴向剖切结构图；

图6为本发明注入系统传动机构主体三维结构图，其中，a为圆孔式注入系统传动机构图，b为条孔式注入系统传动机构图；

图7为本发明注入系统与伺服电机之间传动总体结构图；

图8为本发明注入系统主轴剖面与顶部材料注入口平面结构图，其中，a为单孔式圆孔注入系统图，b为分孔式圆孔注入系统图，c为条孔式注入系统图；

图9为常规预制底辟核层凸起实验方法对底辟构造超重力模拟实验结果的实验误差分析图；

图10为大型臂式离心机实验系统总体结构示意图。

图中：1、子试验区；2、横向侧壁；3、纵向侧壁；4、减重槽5、吊环；6、辅助机构固定螺孔；7、试验区底板；8、底板固定螺孔；9、基座；10、侧壁卡槽；11、侧壁固定螺孔；12、试验区曲面台；13、刚性隔档；14、刚性条；15、隔档侧壁卡槽；16、刚性条固定螺孔；17、隔档底部卡槽；18、圆孔式材料注入口；19、条孔式材料注入口；20、伺服电机；21、减速机；22、电机支撑座；23、基座板；24、同步带；25、组件固定螺孔；26-28、圆孔式材料注入系统；29、条孔式材料注入系统；30、注入系统固定架；31、第一同步轮；32、第二同步轮；33、轴承；34、固定环；35、丝杠；36、活塞连接栓；37、圆孔活塞；38、圆孔活塞密封圈；39、条孔活塞；40、条孔活塞密封圈；41、平面轴承；42、圆孔式材料腔；43、条孔式材料腔；44、单孔式圆孔注入口喷头；45、单孔出料通道；46、喷头固定螺钮；47、分孔式圆孔注入口喷头；48、分孔出料通道；49、条孔注入口喷头；50、条孔出料通道；51、防渗齿条；52、防渗槽；53、密封条。

具体实施方式

下面结合具体实施案例对本发明进行详细说明，以下实施案例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。

如图1和图2所示，装置包括基座板23、基座9、试验区底板7、试验区壳体、底辟核材料注入系统和驱动系统；试验区底板7位于基座板23的上方且试验区底板7和基座板23平行设置，试验区底板7和基座板23之间通过基座9固定连接，即基座9固定安装在基座板23上，试验区底板7固定连接在基座9上，上端开口的试验区壳体放置在试验区底板7上，底辟核材料注入系统设置在基座9的中部，且底辟核材料注入系统的底端固定连接在基座板23上，驱动系统放置在基座板23上，且驱动系统和底辟核材料注入系统之间连接。

试验区壳体包括四块侧壁壁板2、3，试验区曲面台12和刚性隔档13；四块侧壁壁板2、3依次首尾相连围成一个两端开口、四周封闭的矩形框架，试验区曲面台12位于矩形框架底端的中部，使得矩形框架和试验区曲面台12围成上端开口的试验腔室，将矩形框架中沿着装置长边方向设置的侧壁壁板作为纵向侧壁3，矩形框架中沿着装置短边方向设置的侧壁壁板作为横向侧壁2，两块刚性隔档13沿着装置长边方向平行间隔排布地设置在试验腔室内，刚性隔档13的底部和侧边分别与试验区曲面台12和纵向侧壁3连接，两块可拆卸的刚性隔档13将试验腔室均分为三个子试验区1，两块刚性隔档13将试验区曲面台12均匀划分为三个试验平台单元，每个试验平台单元位于一个子试验区1中；

侧壁壁板的底部固定连接在试验区底板7的外周，试验区曲面台12放置在试验区底板7上表面的中部，试验区曲面台12中部开设有沿装置长边方向间隔设置的四个材料注入口，其中三个材料注入口分别开设在三个试验平台单元的中部，另外一个材料注入口开设在一个可卸载的刚性隔档13和试验区曲面台12连接位置处，四个材料注入口位于同一直线上，试验区底板7中部开设有沿装置长边方向间隔设置的四个通孔，试验区曲面台12中的材料注入口和试验区底板7中的通孔的数量和排布位置分布相同且排布位置在竖直方向一一对齐，底辟核材料注入系统的顶端与试验区底板7上开设的通孔良好衔接。

纵向侧壁3的顶部设有辅助机构固定螺孔6，本发明装置在开展超重力模拟试验过程中，辅助机构固定螺孔6可用于固定试验配套的扫描仪、位移计等试验过程监测机构。四块侧壁壁板上均开设减重槽4，用于减轻装置自重。

如图6所示，底辟核材料注入系统包括第一同步轮31、轴承33、固定环34、丝杠35；丝杠35可上下移动地连接在第一同步轮31的中心孔内，固定环34位于轴承33的上方，固定环34和轴承33均可沿着自身周向旋转地套设在丝杠(35)的外侧壁上，固定环34和轴承33通过系统固定架30连接在基座板23上，第一同步轮31的下方设有平面轴承41，平面轴承41固定连接在基座板23上，固定环34和轴承33可用于限制丝杠(35)在自身径向的移动；

底辟核材料注入系统采用圆孔式材料注入系统26-28或条孔式注入系统29；圆孔式材料注入系统26-28还包括活塞连接栓36、圆孔活塞37和圆孔活塞密封圈38，圆孔活塞37位于丝杠35的上方，圆孔活塞37和丝杠35之间通过活塞连接栓36固定连接，圆孔活塞密封圈38密封连接在圆孔活塞37的顶端；条孔式注入系统29还包括条孔活塞39和条孔活塞密封圈40，条孔活塞39的底端和丝杠35的顶端之间固定连接，条孔活塞密封圈40密封连接在条孔活塞39的顶端。

如图5和图7所示，驱动系统包括伺服电机20、减速机21和电机支撑座22；减速机21的内部设有第二同步轮32，减速机21通过电机支撑座22固定在基座板23上，伺服电机20安装在减速机21的顶部且伺服电机20的输出轴和减速机21中的第二同步轮32同轴连接，第二同步轮32和第一同步轮31之间通过同步带24连接，使得第二同步轮32带动第一同步轮31同步旋转。

具体实施中，伺服电机20驱动减速机21中的第二同步轮32旋转，第二同步轮32带动第一同步轮31旋转，第一同步轮31旋转导致丝杠35上下移动，使得活塞37、39在材料腔42、43中可上下运动。

如图4所示，材料注入口采用圆孔式材料注入口18或条孔式材料注入口19，四个材料注入口中包括三个圆孔式材料注入口18和一个条孔式材料注入口19，其中两个圆孔式材料注入口18和一个条孔式材料注入口19分别开设在三个试验平台单元的中部，第三个圆孔式材料注入口18开设在上述两个圆孔式材料注入口18连接线的中点位置处，即刚性隔档13和试验区曲面台12连接位置处；

试验区底板7中部开设的通孔为圆孔式材料腔42或条孔式材料腔43，圆孔式材料注入系统26-28顶端的圆孔活塞37可上下移动地设置在圆孔式材料腔42中，条孔式注入系统29顶端的条孔活塞39可上下移动地设置在条孔式材料腔43中。

圆孔式材料腔42和条孔式材料腔43存储有底辟核材料。

纵向侧壁3的内侧壁开设有沿装置长边方向间隔设置的两条隔档侧壁卡槽15，各条隔档侧壁卡槽15均沿着上下方向设置，试验区曲面台12顶部开设有沿装置长边方向间隔设置的两条隔档底部卡槽17，各条隔档底部卡槽17均沿着装置的短边方向设置，纵向侧壁3中的隔档侧壁卡槽15和试验区曲面台12中的隔档底部卡槽17的数量和排布位置分布相同且排布位置在装置的长边方向一一对齐，刚性隔档13的底部嵌入在隔档底部卡槽17中，刚性隔档13的两侧边分别嵌入在两块纵向侧壁3的隔档侧壁卡槽15中。

如图3所示，刚性隔档13主要由若干个沿着上下方向紧密设置的刚性条14形成，各个刚性条14均沿着装置的短边方向设置，刚性隔档13中最下方的刚性条14嵌入在隔档底部卡槽17中，刚性条14的两侧边分别嵌入在两块纵向侧壁3的隔档侧壁卡槽15中。

本发明方法包括以下步骤：

步骤1、首先，选取符合试验设计要求的底辟核模拟材料，并确定底辟核模拟材料的用量、粘度与密度；然后在1g常重力环境中，将各个选定的底辟核模拟材料分别注入到各个底辟核材料注入系统对应的材料腔中，具体实施中的材料腔为圆孔式材料腔42或条孔式材料腔43，并将材料腔中的底辟核模拟材料充分排气压实；

步骤2、制备模拟试验模型

取若干种围岩层模拟材料，各种模拟材料按照底辟核模拟材料、围岩层模拟材料的顺序分层依顺序装入子试验区1中，排气、分层压密后制成初始的模拟试验模型；子试验区1最底层采用底辟核模拟材料，围岩层模拟材料分层涂抹在底辟核模拟材料上，子试验区1最底部的底辟核模拟材料和该区域对应材料腔中的底辟核模拟材料一致。底辟核模拟材料、围岩层模拟材料分层与试验区曲面台12的曲率保持一致。

步骤3、将装有模拟试验模型的装置吊装至离心机的实验平台上，启动离心机并加载至目标g值，在稳定目标g值的超重力环境中实时监测模拟试验模型的变形情况，当装置运行至预设的试验状态或试验时间后关闭离心机停止离心超重力模拟实验，取下模拟试验模型，根据模拟试验模型的变形时间获得实际地质变形时间t₀：

其中，t_m表示超重力模拟试验模型的变形时间，μ_r表示模拟试验模型与实际地质体的粘性之比，ρ_r表示模拟试验模型与实际地质体的密度之比，l_r表示模拟试验模型与实际地质体的几何尺寸之比，α_r表示模拟试验模型与实际地质体的加速度之比。

将各个缩尺比例下超重力模拟试验模型的几何尺寸、密度、加速度及粘度分别与原型地质体进行对比以得到模拟试验模型和原型地质体的地质变形时间相似律，进而实现对真实情况下底辟构造的变形进行分析计算。

本发明的实施例如下：

如图1-图8所示，本发明装置，用于在超重力环境下，特别是不大于200g的超重力环境下模拟主动底辟构造与再活化底辟构造的变形过程与构造样式。本发明装置主要用于区别于前人超重力底辟物理模拟试验中通过在模型底部预置底辟核层形态凸起扰动并在超重力作用下生成底辟构造的试验机制，因为前人的这种预置扰动模拟底辟构造的方法会导致超重力g值升值过程中产生显著的试验累积误差，如图9所示。

装置包含三个可灵活组合变换的子试验区1与四套可独立运行且高精度伺服量化控制的底辟核材料注入系统26-29。试验腔室与底辟核材料注入系统26-29机构整体被固定在基座板23上；底辟装置整体尺寸需要满足试验边界效应较小的大实验模型的超重力实验需求，同时也不能超过大型臂式离心机试验平台(图10)可操作空间的尺寸；为了满足该实验装置能在200g超重力环境下安全开展底辟构造模拟试验，该实验装置整体材质应采用高强度、低密度材料(如航空铝合金7075)。试验腔室为总体由宽度方向的横向侧壁2与长度方向的纵向侧壁3围限而成的长方形区域，侧壁2、3主体厚度不小于40mm，试验腔室内空深约40cm，横向侧壁2两侧的内壁面上均设有侧壁卡槽10，侧壁卡槽10中设有侧壁固定螺孔11，横向侧壁2与纵向侧壁3之间通过侧壁卡槽10中的侧壁固定螺孔11运用螺钉固定。试验腔室底部安装有与大型臂式离心机悬臂曲率配套的试验区曲面台12，试验区曲面台12由刚性材料制成。在超重力离心机中开展超重力模拟实验时，三个子试验区1平行于纵向侧壁3的中线应与离心机实验平台的中线重合。

为了适用于小模型模拟试验，也为了实现多组试验在一次转机的相同超重力环境中实施试验，试验腔室沿着纵向侧壁3延展方向等分为三个子试验区1，单个子试验区1有效平面面积可为40cm×26cm，子试验区1之间通过可拆卸的刚性隔档13隔开，为了保证相邻子试验区之间在不大于200g的超重力环境中具有良好的密封性与力学稳固性，相邻子试验区1之间的侧壁与底部分别设置有隔档卡槽15、17，供镶嵌隔档刚性条14；刚性隔档13由多条等尺寸的可竖向良好嵌套的刚性条14嵌套堆叠而成，隔档侧壁卡槽15中开设有刚性条固定螺孔16，每条刚性条14两端通过隔档侧壁卡槽15中螺孔的刚性条固定螺孔16采用螺钉固定。试验区曲面台12中设置有4个材料注入口18-19，其中三个为圆孔式材料注入口18，一个为条孔式材料注入孔19，两个圆孔式材料注入口18与一个条孔式材料注入孔19分别位于三个子试验区1对应的试验平台单元的中心位置，剩余的一个圆孔式材料注入口18位于其他两个圆孔式材料注入口18连线的中点部位，这些材料注入口18-19可根据试验工况设计选用，对于无需启用的材料注入口，配套有相应形态的同材质的密封材料块回填固定，使得注入口处于周边曲面台面相协调且不发生实验材料的渗漏。这里的圆孔式注入口18用于注入底辟核层实验材料，制造局部扰动，从而启动穹隆状底辟构造变形；条孔式材料注入孔19用于注入底辟核层实验材料，制造局部扰动，从而启动脊状底辟构造变形。

试验区曲面台12与侧壁2、3都是安装固定在试验区底板7上，试验区底板7厚度不小于30mm，试验区底板7上开设有底板固定螺孔8，试验区底板7通过底板固定螺孔8用螺钉固定安装在基座9上，基座9通过组件固定螺孔25用螺钉固定在基座板23上。基座板23、横向侧壁2和纵向侧壁3上设有用于吊起装置的吊环5。

本发明整体尺寸由确保所有试验模型不产生明显边界效应前提下的各试验区尺寸综合确定，同时也不能超过大型臂式离心机试验平台可操作空间的尺寸。本发明适用的底辟核实验材料粘度处于1×10³Pa.s至9×10⁶Pa.s区间，适用的臂式离心机实验平台可操作平面面积应不小于1200mm×1000mm。

本发明适用的试验模型厚度不超过40cm。本发明适用的底辟构造类型主要有主动底辟构造与再活化底辟构造，可开展脊状底辟构造、穹窿状底辟构造物理模拟研究，可开展单个底辟构造与底辟群构造物理模拟研究。

本发明在200g超重力环境中，底辟核材料注入系统26-29与试验腔室内侧壁及刚性隔档13所围限的试验空间对粘度不小于1×10³Pa.s的流塑性材料具有良好密封性。本发明在200g试验环境中，试验区曲面台12、单孔出料通道45、分孔出料通道48、条孔出料通道50内壁与活塞37、39顶面最大允许变形量不超过0.5mm，侧壁2、3最大允许变形量不超过1mm。

本发明在超重力离心机中开展离心实验时，三个子试验区1平行于纵向侧壁3的中线应与离心机实验平台的中线重合。本发明试验区曲面台12更换为平面台后，可适用于常重力1g环境中开展物理模拟试验研究。

底辟核材料注入系统26-29分别对应试验腔室底部的材料注入口18-19布设，这些底辟核材料注入系统26-29通过注入系统固定架30固定在基座板23上。考虑到实验装置底座应尽可能减少对离心机旋转半径方向空间的占用，故底辟核材料注入系统26-29并没有与提供动力的机构伺服电机20、减速机21直接衔接，而是将伺服电机20、减速机21移至试验区1模型箱外侧，并通过同步带24将减速机21的第二同步轮32与底辟核材料注入系统中的第一同步轮31予以传动连接，同步带24采用高强度抗拉韧性材料，在安装底辟核材料注入底辟核材料注入系统26-29时，可通过调节减速机21与电机支撑座22的安装位置时同步带拉紧，从而保证在超重力环境中开展底辟构造模拟试验时同步带24正常工作。本发明应选型额定转矩小于10Nm的小体型伺服电机，减速机21联合小体型伺服电机20可提供超过50Nm的转矩动力。

考虑试验区内的底辟构造模拟实验材料密度一般不超过3g/mL、厚度不超过40cm，为保证200g超重力环境中底辟构造模拟试验的有效且安全实施，本发明底辟核材料注入系统26-29能在材料注入口18-19处最大可提供约1.5MPa流塑性材料压力，适用的流塑性材料粘度不小于1×10³Pa.s，相应地，200g环境中底辟核材料注入系统26-29与试验腔室内侧壁及刚性隔档13所围限的实验空间对粘度不小于1×10³Pa.s的流塑性材料具有良好的密封性。

考虑到不同粘度的实验材料在超重力环境中的流塑性差异，不同实验材料对应的试验效果最佳的圆孔式材料注入口18形态有所差异，如图8所示，圆孔式材料注入口18的内部通过喷头固定螺钮46固定安装有圆孔注入口喷头，圆孔注入口喷头采用单孔式圆孔注入口喷头44或分孔式圆孔注入口喷头47，单孔式圆孔注入口喷头44中开设有一个单孔出料通道45，分孔式圆孔注入口喷头47中开设有多个分孔出料通道48；单孔出料通道45、分孔出料通道48分别与圆孔式材料腔42连通，单孔式圆孔注入口喷头44的单孔出料通道45为单一圆孔，其孔径可为15mm；分孔式圆孔注入口喷头47由实验材料实际粘度与试验工况所需效果可设计多个分孔出料通道48(如8通道)；这两类喷头可通过注入口固定螺钮32固定在试验区曲面台12上。

本发明分孔出料通道48剖面形态可设计为曲线状、折线状等合理形态。本发明单孔式圆孔注入口喷头44适用于注入粘度较大的实验材料(如粘度大于1×10⁵Pa.s)，分孔式圆孔注入口喷头47适用于注入粘度较小、具有显著可压缩性的实验材料(如粘度小于5×10⁴Pa.s)。

圆孔式喷头材料腔42为圆筒状，圆孔式喷头材料腔42底部为圆孔活塞37顶面，圆孔活塞37可沿着圆孔式材料腔42侧壁方向上下可控运动；为保证圆孔活塞37对上部圆孔式材料腔42内材料的密封性，圆孔活塞37近顶端设置有用于安置圆孔活塞密封圈38的凹槽，圆孔活塞密封圈38优先考虑采用耐腐蚀弹性材料。为保证材料腔内长期试验后的良好密封性，条孔式材料注入口19的内部通过喷头固定螺钮46设有条孔注入口喷头49，条孔注入口喷头49中开设有条孔出料通道50，条孔出料通道50与条孔式材料腔43连通；条孔式材料注入系统29的条孔式材料腔43也为圆筒状，条孔式材料腔43底部为条孔活塞39顶面，条孔活塞39可沿着条孔式材料腔43侧壁方向上下可控运动；为保证条孔活塞39对上部条孔式材料腔43内材料的密封性，条孔活塞39近顶端设置有用于布设条孔活塞密封圈40的凹槽，条孔活塞密封圈40优先考虑采用耐腐蚀弹性材料。

本发明圆孔式材料注入系统26-28的圆孔式材料腔42的体积容量需保证能为试验腔室注入约15mL实验材料，条孔式材料腔43的体积容量需保证能为试验腔室注入约80mL实验材料；不宜过多也不宜过少。

圆孔式材料注入系统26-28的圆孔活塞37通过活塞连接栓36连接下部的丝杠35，条孔式注入系统29的条孔活塞39通过其底部的插销与下部的丝杠35直接衔接，丝杠35通过固定环34与轴承33、同步轮31及平面轴承41相连接，并安置在基座板23上；为了保证材料注入系统26-29能在200g超重力环境下安全有效工作，设置注入系统固定架30将材料注入系统26-29固定在基座板23上。防渗槽52设置在试验区底板7顶面各个材料腔42、43外壁的外侧，防渗齿条51设置在试验区曲面台12底面，本发明装置安装时防渗齿条51安装在防渗槽52内，防渗槽52外壁与防渗齿条51侧面的空隙通过密封条53填充密实，防渗齿条51、防渗槽52、及密封条53三者组合机构用于加强各材料注入系统26-29对其中填充材料的密封性，防止试验过程中的高压注入作用导致实验材料从试验区底板7顶面与试验区曲面台12底面之间的缝隙溢出。

本发明伺服电机20与减速机21通过大型臂式离心机数据采集系统与离心机控制室的在线控制系统(图10)相连接；考虑200g及其以下g值的超重力环境中底辟构造模拟试验工况中底辟核材料注入速率的需求，通过在线控制系统能实时操控伺服电机20使得活塞37、39的上升速率最小可调差值不大于0.05mm/s、最大速率可达2mm/s。

在利用该底辟构造模拟装置在大型臂式离心机上开展单个主动底辟构造超重力模拟试验过程中。首先，根据所需模拟的单个底辟构造的类型(脊状或穹窿状)选用材料系统26-29的具体类型。按照Ramberg(1967)给出的地质构造超重力模拟相似关系要求：

/>

式中：l₀、ρ₀、α₀、μ₀分别表示试验地质原型的几何尺寸、密度、加速度及粘度，l_m、ρ_m、α_m、μ_m分别表示试验模型的几何尺寸、密度、加速度及粘度，l_r、ρ_r、α_r、μ_r分别表示几何尺寸、密度、加速度及粘度的模拟相似比例系数。

将试验超重力稳定加载目标g值设置为不大于200g，限定试验模型的总高度不超过40cm。依据上述相似关系式，确定几何长度、材料粘度与密度的相似关系，保证试验模型中不同材料与对应的底辟构造中原型层位的相似关系一致，设计超重力实验模型中所用底辟核层与上伏围岩层实验材料的体量、粘度与密度参量，并准备好足量实验材料。在1g常重力环境中，将选定的底辟核层模拟实验材料填入到需要启用的材料注入系统26-29的材料腔42-43中，并予以充分排气压实；之后，再按照试验模型设计将底辟核模拟材料、围岩层模拟材料分层与试验区曲面台12的曲率保持一致填充、排气、压密，制成初始试验模型，刚性隔档13通过调整刚性条14的安装数量使得其顶部高度略高于试验模型顶部预估的最终高度。再将实验装置整体吊装至大型臂式离心机的实验平台，并使得实验装置纵向侧壁3平行于实验平台天地向布置，三个子试验区1平行于纵向侧壁3的中线与离心机实验平台的中线重合，并配套安装好顶部的三维扫描仪或其他变形过程监测设备。将实验装置规划启用的材料注入系统26-29配套伺服电机20、减速机21的电源线接上试验电源、在线控制与数据交互电缆与离心机主机上的数据采集接口相连接(图10)。固定好各处松散机构与线路，并仔细检查保证整个试验系统的各项指标的正常状态。开始启动所配套安装的监控测量系统，再启动大型臂式离心机并加载至目标g值，按照实验方案规划启动的材料注入系统26-29向试验腔室内以设定速率注入规划体量的底辟核实验材料。之后停止注入系统26-29，继续在稳定目标g值的超重力环境中运行至实验方案设定的试验状态或者试验时间。大型臂式离心机停稳后，停止配套监控测试系统，拆解底辟构造超重力模拟实验装置与大型臂式离心机之间的连接线路，将底辟构造超重力模拟实验装置吊离离心机的实验平台，对试验模型开展取样观测，对超重力加载模拟试验过程中所获得的监测数据与信息进行整理分析。超重力模拟试验模型的变形时间t_m与主动底辟构造原型地质变形时间t₀之间的相似关系如式(5)，可基于此估算模型模拟过程所表征的实际地质变形时间长度。

其中，t_r表示变形时间的模拟相似比例系数。

在利用该底辟构造模拟装置在大型臂式离心机上开展再活化底辟构造超重力模拟试验过程中。首先，注入系统26-29均不启用，实验材料注入口18-19均采用与曲面台12良好衔接的无注入零件密封。将试验超重力稳定加载目标g值设置为不大于200g，限定试验模型的总高度不超过40cm。依据关系式(1)-(4)，确定几何长度、材料粘度与密度的相似关系，保证试验模型中不同材料与对应的底辟构造中原型层位的相似关系一致，设计超重力实验模型中所用底辟核层与上伏围岩层实验材料的体量、粘度与密度参量，并准备好足量实验材料。在1g常重力环境中，将选定的底辟核层模拟实验材料填入到需要启用的注入系统26-29的材料腔42-43中，并予以充分排气压实；之后，再按照试验模型设计将底辟核模拟材料、围岩层模拟材料分层与试验区曲面台12的曲率保持一致填充、排气、压密，制成初始试验模型，并在模型中预置对应地质原型的地质薄弱带结构，刚性隔档13通过调整刚性条14使得其顶部高度略高于试验模型顶部预估的最终高度。再将实验装置整体吊装至大型臂式离心机的实验平台，并使得实验装置纵向侧壁3平行于实验平台天地向布置，并配套安装好顶部的三维扫描仪或其他变形过程监测设备。将实验装置规划启用的注入系统26-29配套伺服电机20、减速机21的电源线接上试验电源、在线控制与数据交互电缆与离心机主机上的数据采集接口相连接。固定好各处松散机构与线路，并仔细检查保证整个试验系统的各项指标的正常状态。开始启动所配套安装的监控测量系统，再启动大型臂式离心机并加载至目标g值，之后继续在稳定目标g值的超重力环境中运行至实验方案设定的试验状态或者试验时间。大型臂式离心机停稳后，停止配套监控测试系统，拆解底辟构造超重力模拟实验装置与大型臂式离心机之间的连接线路，将底辟构造超重力模拟实验装置吊离离心机的实验平台，对试验模型开展取样观测，对超重力加载模拟试验过程中所获得的监测数据与信息进行整理分析。可基于如式(5)估算模型模拟过程所表征的实际地质变形时间长度。

在利用该底辟构造模拟装置在大型臂式离心机上开展主动底辟群构造超重力模拟试验过程中。首先，根据所需模拟的单个底辟构造的类型(脊状或穹窿状)选用泵入系统26-29的类型与数量，确定试验模型的平面尺寸，按需拆除试验区1中刚性隔档13。按照Ramberg(1967)给出的地质构造超重力模拟相似关系(公式1-4)，将试验超重力稳定加载目标g值设置为不大于200g，限定试验模型的总高度不超过40cm，确定几何长度、材料粘度与密度的相似关系，保证试验模型中不同材料与对应的底辟构造中原型层位的相似关系一致。向所规划使用的注入系统26-29的材料腔内填充实验材料；之后，按照单个主动底辟构造超重力模拟试验过程开展模型制作、监控测试、及试验加载；在启动所选用的注入系统26-29向试验区注入实验材料时，应按照实验方案执行不同注入系统26-29的具体操作，直到完成实验。

在利用该底辟构造模拟装置在大型臂式离心机上开展再活化底辟构造超重力模拟试验过程中。首先，根据底辟构造原型情况设计实验方案，具体设计再活化底辟构造发育所需的底辟核层上覆围岩中薄弱带，不需要启用注入系统26-29。按照地质构造超重力模拟相似关系(公式1-4)，将试验超重力稳定加载目标g值设置为不大于200g，限定试验模型的总高度不超过40cm，确定几何长度、材料粘度与密度的相似关系，保证试验模型中不同材料与对应的底辟构造中原型层位的相似关系一致。按照主动底辟构造超重力模拟试验过程开展模型制作、监控测试、及试验加载，直到完成试验。

本底辟构造超重力实验装置主要用于大型臂式离心机超重力环境中开展物理模拟试验，但是将其试验区1底部的曲面台5更换为平面台后，也可在1g常重力环境中开展模拟试验。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种多类底辟构造超重力物理模拟实验装置，其特征在于：

包括基座板(23)、基座(9)、试验区底板(7)、试验区壳体、底辟核材料注入系统和驱动系统；试验区底板(7)位于基座板(23)的上方，试验区底板(7)和基座板(23)之间通过基座(9)固定连接，上端开口的试验区壳体放置在试验区底板(7)上，底辟核材料注入系统设置在基座(9)的中部，且底辟核材料注入系统的底端固定连接在基座板(23)上，驱动系统放置在基座板(23)上，且驱动系统和底辟核材料注入系统之间连接。

2.根据权利要求1所述的一种多类底辟构造超重力物理模拟实验装置，其特征在于：所述的试验区壳体包括四块侧壁壁板、试验区曲面台(12)和刚性隔档(13)；四块侧壁壁板依次首尾相连围成一个两端开口、四周封闭的矩形框架，试验区曲面台(12)位于矩形框架底端的中部，使得矩形框架和试验区曲面台(12)围成上端开口的试验腔室，将矩形框架中沿着装置长边方向设置的侧壁壁板作为纵向侧壁(3)，矩形框架中沿着装置短边方向设置的侧壁壁板作为横向侧壁(2)，两块刚性隔档(13)沿着装置长边方向平行间隔排布地设置在试验腔室内，刚性隔档(13)的底部和侧边分别与试验区曲面台(12)和纵向侧壁(3)连接，两块刚性隔档(13)将试验腔室均分为三个子试验区(1)，两块可拆卸的刚性隔档(13)将试验区曲面台(12)均匀划分为三个试验平台单元；

侧壁壁板的底部固定连接在试验区底板(7)的外周，试验区曲面台(12)放置在试验区底板(7)上表面的中部，试验区曲面台(12)中部开设有沿装置长边方向间隔设置的四个材料注入口，其中三个材料注入口分别开设在三个试验平台单元的中部，另外一个材料注入口开设在一个刚性隔档(13)和试验区曲面台(12)连接位置处，试验区底板(7)中部开设有沿装置长边方向间隔设置的四个通孔，试验区曲面台(12)中的材料注入口和试验区底板(7)中的通孔的数量和排布位置分布相同且对齐，底辟核材料注入系统的顶端设置在试验区底板(7)开设的通孔处。

3.根据权利要求2所述的一种多类底辟构造超重力物理模拟实验装置，其特征在于：所述的底辟核材料注入系统包括第一同步轮(31)、轴承(33)、固定环(34)、丝杠(35)；丝杠(35)可上下移动地连接在第一同步轮(31)的中心孔内，固定环(34)位于轴承(33)的上方，固定环(34)和轴承(33)均套设在丝杠(35)外侧壁上，固定环(34)和轴承(33)通过系统固定架(30)连接在基座板(23)上，第一同步轮(31)的下方设有平面轴承(41)，平面轴承(41)固定连接在基座板(23)上；

所述的底辟核材料注入系统采用圆孔式材料注入系统(26-28)或条孔式注入系统(29)；所述的圆孔式材料注入系统(26-28)还包括活塞连接栓(36)、圆孔活塞(37)和圆孔活塞密封圈(38)，圆孔活塞(37)位于丝杠(35)的上方，圆孔活塞(37)和丝杠(35)之间通过活塞连接栓(36)固定连接，圆孔活塞密封圈(38)密封连接在圆孔活塞(37)的顶端；所述的条孔式注入系统(29)还包括条孔活塞(39)和条孔活塞密封圈(40)，条孔活塞(39)的底端和丝杠(35)的顶端之间固定连接，条孔活塞密封圈(40)密封连接在条孔活塞(39)的顶端。

4.根据权利要求3所述的一种多类底辟构造超重力物理模拟实验装置，其特征在于：所述的驱动系统包括伺服电机(20)、减速机(21)和电机支撑座(22)；减速机(21)的内部设有第二同步轮(32)，减速机(21)通过电机支撑座(22)固定在基座板(23)上，伺服电机(20)安装在减速机(21)的顶部且伺服电机(20)的输出轴和减速机(21)中的第二同步轮(32)同轴连接，第二同步轮(32)和第一同步轮(31)之间通过同步带(24)连接，使得第二同步轮(32)带动第一同步轮(31)旋转。

5.根据权利要求3所述的一种多类底辟构造超重力物理模拟实验装置，其特征在于：所述的材料注入口采用圆孔式材料注入口(18)或条孔式材料注入口(19)，所述四个材料注入口中包括三个圆孔式材料注入口(18)和一个条孔式材料注入口(19)，其中两个圆孔式材料注入口(18)和一个条孔式材料注入口(19)分别开设在三个试验平台单元的中部，第三个圆孔式材料注入口(18)开设在上述两个圆孔式材料注入口(18)连接线的中点位置处；

试验区底板(7)中部开设的通孔为圆孔式材料腔(42)或条孔式材料腔(43)，圆孔式材料注入系统(26-28)顶端的圆孔活塞(37)可上下移动地设置在圆孔式材料腔(42)中，条孔式注入系统(29)顶端的条孔活塞(39)可上下移动地设置在条孔式材料腔(43)中。

6.根据权利要求2所述的一种多类底辟构造超重力物理模拟实验装置，其特征在于：所述纵向侧壁(3)的内侧壁开设有沿装置长边方向间隔设置的两条隔档侧壁卡槽(15)，各条隔档侧壁卡槽(15)均沿着上下方向设置，试验区曲面台(12)顶部开设有沿装置长边方向间隔设置的两条隔档底部卡槽(17)，各条隔档底部卡槽(17)均沿着装置的短边方向设置，纵向侧壁(3)中的隔档侧壁卡槽(15)和试验区曲面台(12)中的隔档底部卡槽(17)的数量和排布位置分布相同且对齐，刚性隔档(13)的底部嵌入在隔档底部卡槽(17)中，刚性隔档(13)的两侧边分别嵌入在两块纵向侧壁(3)的隔档侧壁卡槽(15)中。

7.根据权利要求2所述的一种多类底辟构造超重力物理模拟实验装置，其特征在于：所述的刚性隔档(13)主要由若干个沿着上下方向紧密设置的刚性条(14)形成，各个刚性条(14)均沿着装置的短边方向设置，刚性隔档(13)中最下方的刚性条(14)嵌入在隔档底部卡槽(17)中，刚性条(14)的两侧边分别嵌入在两块纵向侧壁(3)的隔档侧壁卡槽(15)中。

8.一种应用于权利要求1-7任一所述装置的多类底辟构造超重力物理模拟实验方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、首先，选取底辟核模拟材料，并确定底辟核模拟材料的用量、粘度与密度；在1g常重力环境中，将各个选定的底辟核模拟材料分别注入到各个底辟核材料注入系统的材料腔中，并将材料腔中的底辟核模拟材料充分排气压实；

步骤2、制备模拟试验模型

取若干种围岩层模拟材料，各种模拟材料按照底辟核模拟材料、围岩层模拟材料的顺序分层依顺序装入子试验区1中，排气、分层压密后制成初始的模拟试验模型；

步骤3、将装有模拟试验模型的装置吊装至离心机的实验平台上，启动离心机并加载至目标g值，在稳定目标g值的超重力环境中实时监测模拟试验模型的变形情况，当装置运行至预设的试验状态或试验时间后关闭离心机停止实验，取下模拟试验模型，根据模拟试验模型的变形时间获得实际地质变形时间t₀：

其中，t_m表示超重力模拟试验模型的变形时间，μ_r表示模拟试验模型与实际地质体的粘度之比，ρ_r表示模拟试验模型与实际地质体的密度之比，l_r表示模拟试验模型与实际地质体的几何尺寸之比，α_r表示模拟试验模型与实际地质体的加速度之比。