CN117250654B - 一种基于土工离心机平台的地震断层模拟系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种基于土工离心机平台的地震断层模拟系统，涉及地震灾害模拟技术领域。该系统的底部支座系统用于支撑水平作动系统、模拟地震断层和场地覆盖层，水平作动系统用于对模拟地震断层和场地覆盖层施加水平推力，模拟地震断层用于填充断层试块，以模拟地震断层的基岩层，场地覆盖层用于在模拟地震断层上填充砂层材料，以模拟地震断层的土壤层。本发明通过土工离心机平台模拟超重力环境，真实还原岩土的真实应力状态，同时通过设置模拟地震断层和场地覆盖层，并通过水平作动系统对模拟地震断层和场地覆盖层施加推力，从而模拟因活动断层破裂而导致的地震发震全过程以及地震在场地中的传播效应，实现跨越断层情境下工程结构动力响应特性模拟。
Description
技术领域
本发明涉及地震灾害模拟技术领域，具体涉及一种基于土工离心机平台的地震断层模拟系统。
背景技术
近年来，随着我国经济建设的基建地理重心的转移，一大批重大工程（如青藏铁路、川藏铁路、西气东输等）在我国西南部强震区部署建设。然而，我国西南地区活动断裂构造极为复杂且分布范围广，导致重大工程无法绕避活动断裂带，威胁此类工程的建设安全，亟待开展工程结构跨越断层方向的前沿研究，具有重大的科学价值和工程应用前景。
岩土体材料具有典型的非线性力学行为且受应力状态影响显著。物理模型试验作为最常用、最有效的研究手段，被广泛应用于地震灾害研究中。然而，常规物理模型试验多采用缩尺模型，在正常重力环境下开展，无法准确还原岩土体的原始应力状态，显著制约了研究成果的科学性和工程适用性。其次，当前地震灾害研究，多采用底部振动台施加均匀震动，通过观测场地或工程结构动力响应进行地震效应评估。该手段适用于研究远离断层的工况，无法适用于研究跨越断层的工程结构抗震性能。最后，工程场地地震安全性评价或工程结构的抗震性能评估的关键是获取合理的场地地震动。虽然目前国际上基于实测地震动记录，提出了多种场地地震动合成方法，但是此类模型无法全面反映未来可能发生的地震动情况，究其根源是缺乏对地震发震机制和传播路径效应的物理模拟研究，从而严重制约未来场地地震动预测。综上所述，针对国家西部建设战略需求，当前物理模型试验在研究涉及跨越断层的地震灾害时，存在如下不足：
第一，常规重力下的缩尺试验无法反映岩土体真实应力状态。缩尺模型试验的应力水平显著低于真实状态，而岩土体力学行为依赖于应力状态，因此严重制约了此类研究成果的工程适用性和科学性。
第二，底部振动台试验震动的方法无法模拟工程结构跨越断层的情景。目前模型试验多通过底部振动台对模型整体施加均匀地震动，无法模拟跨越断层时的断层错动效应对工程结构的影响。
第三，场地地震动合成模型无法考虑震源机制和传播路径效应。当前地震动合成模型多基于实测地震动记录分析建立，无法考虑震源机制和传播路径效应，导致无法准确全面的反映场地未来地震动发生情况。
因此，亟需开展一种大型模型试验系统，准确还原岩土体真实应力状态，精确模拟不同断层破裂过程和场地传播效应，从而为跨越断层工程结构抗震性能评估和场地地震动合成提供科学依据。
发明内容
本发明的目的是提供了一种基于土工离心机平台的地震断层模拟系统，通过土工离心机平台模拟超重力环境，真实还原岩土的真实应力状态，同时通过设置模拟地震断层和场地覆盖层，并通过水平作动系统对模拟地震断层和场地覆盖层施加推力，从而模拟因活动断层破裂而导致的地震发震全过程以及地震在场地中的传播效应，也实现了跨越断层情境下工程结构动力响应特性模拟。
为实现上述目的，本发明提供了基于土工离心机平台的地震断层模拟系统，包括置于所述土工离心机平台上的模型箱，在所述模型箱内具有容纳空间，所述容纳空间中自下而上设置有底部支座系统、模拟地震断层和场地覆盖层，在所述模拟地震断层和所述场地覆盖层的侧面设置有水平作动系统；
所述底部支座系统用于支撑所述水平作动系统、所述模拟地震断层和所述场地覆盖层；
所述水平作动系统用于对所述模拟地震断层和所述场地覆盖层施加水平推力；
所述模拟地震断层用于填充断层试块，以模拟所述地震断层的基岩层；
所述场地覆盖层用于在所述模拟地震断层上填充砂层材料，以模拟所述地震断层的土壤层。
在一个实施例中，所述模型箱由两个侧板、底板和背板形成顶面开口的箱体，所述模型箱的正面设有透明玻璃面板；
所述模型箱的所述顶面可拆卸安装有拉杆系统，所述拉杆系统用于吊装所述模型箱，并限制箱体变形。
在一个实施例中，所述底部支座系统包括刚性支座、弹性支座、升降机支架和电机支座；
所述刚性支座用于支撑所述模拟地震断层中的断层下盘；
所述弹性支座用于支撑所述模拟地震断层中的断层上盘；
所述升降机支架用于支撑所述水平作动系统中的丝杆升降装置；
所述电机支座用于支撑所述水平作动系统中的步进电机。
在一个实施例中，所述水平作动系统包括丝杆升降装置、直角减速机、步进电机；
所述丝杆升降装置用于对所述模拟地震断层和所述场地覆盖层施加水平推力；
所述步进电机用于控制所述丝杆升降装置产生水平运动；
所述直角减速机用于降低所述丝杆升降装置中丝杆的转速。
在一个实施例中，丝杆升降装置中沿水平方向依次设置有接触面板、加载面板、轮辐传感器、法兰盘、丝杆、转轴和升降机；
所述接触面板与所述加载面板之间通过螺栓连接，所述加载面板和所述轮辐传感器之间通过销钉连接，所述轮辐传感器和所述法兰盘之间通过螺栓连接；
所述升降机带动所述转轴和所述丝杆运动，以产生水平推力，所述水平推力推动与所述接触面板相接触的所述模拟地震断层或所述场地覆盖层。
在一个实施例中，所述场地覆盖层中设有隧道，所述隧道沿水平方向贯穿所述场地覆盖层。
在一个实施例中，所述系统还包括立体监测系统，所述立体监测系统包括激光位移计、加速度计、土压力盒、应变片；
所述激光位移计设置在所述模型箱的所述拉杆系统上，以监测所述模型箱的水平位移和垂向位移；
所述加速度计和所述土压力盒分别设置在所述隧道附近的所述砂层材料中，以监测所述砂层材料的加速度和土压力；
所述应变片设置在所述隧道的拱顶和拱底，以监测所述隧道的拱顶和拱底应变。
在一个实施例中，所述立体监测系统还包括高速摄像机，所述高速摄像机设置在所述土工离心机平台上且面向所述模型箱的正面。
在一个实施例中，所述丝杆升降装置中还包括有行程限位器，所述行程限位器设置在所述升降机朝向所述法兰盘的表面。
在一个实施例中，所述模拟地震断层与所述模型箱的一个侧板相接触，所述模拟地震断层与所述一个侧板之间设置有用于减震的垫层。
附图说明
图1是根据本发明基于土工离心机平台的地震断层模拟系统的整体分区示意图；
图2是根据本发明基于土工离心机平台的地震断层模拟系统的整体分区正视图；
图3是根据本发明基于土工离心机平台的地震断层模拟系统中各部件整体正面示意图；
图4是根据本发明基于土工离心机平台的地震断层模拟系统的整体分区的侧视图；
图5是根据本发明基于土工离心机平台的地震断层模拟系统中各部件整体侧面示意图；
图6是根据本发明系统中的水平作动系统的示意图；
图7是根据本发明系统中的模型箱的所述顶面；
图8是根据本发明系统中的底部支座系统的示意图；
图9是根据本发明基于土工离心机平台的地震断层模拟系统的整体示意图。
具体实施方式
以下将结合附图对本发明的各实施例进行详细说明，以便更清楚理解本发明的目的、特点和优点。应理解的是，附图所示的实施例并不是对本发明范围的限制，而只是为了说明本发明技术方案的实质精神。
在下文的描述中，出于说明各种公开的实施例的目的阐述了某些具体细节以提供对各种公开实施例的透彻理解。但是，相关领域技术人员将认识到可在无这些具体细节中的一个或多个细节的情况来实践实施例。在其它情形下，与本申请相关联的熟知的装置、结构和技术可能并未详细地示出或描述从而避免不必要地混淆实施例的描述。
除非语境有其它需要，在整个说明书和权利要求中，词语“包括”和其变型，诸如“包含”和“具有”应被理解为开放的、包含的含义，即应解释为“包括，但不限于”。
在整个说明书中对“一个实施例”或“一实施例”的提及表示结合实施例所描述的特定特点、结构或特征包括于至少一个实施例中。因此，在整个说明书的各个位置“在一个实施例中”或“在一实施例”中的出现无需全都指相同实施例。另外，特定特点、结构或特征可在一个或多个实施例中以任何方式组合。
如该说明书和所附权利要求中所用的单数形式“一”和“所述”包括复数指代物，除非文中清楚地另外规定。应当指出的是术语“或”通常以其包括“或/和”的含义使用，除非文中清楚地另外规定。
在以下描述中，为了清楚展示本发明的结构及工作方式，将借助诸多方向性词语进行描述，但是应当将“前”、“后”、“左”、“右”、“外”、“内”、“向外”、“向内”、“上”、“下”等词语理解为方便用语，而不应当理解为限定性词语。
本发明第一实施例涉及一种基于土工离心机平台的地震断层模拟系统，可模拟断层在真实应力状态下的发震全过程、传播路径效应及断层错动与工程结构的复杂相互作用。如图1和图4所示，包括置于所述土工离心机平台7-10上的模型箱Ⅰ，在所述模型箱Ⅰ内具有容纳空间，所述容纳空间中自下而上设置有底部支座系统Ⅴ、模拟地震断层Ⅳ和场地覆盖层Ⅱ，在所述模拟地震断层Ⅳ和所述场地覆盖层Ⅱ的侧面设置有水平作动系统Ⅲ。所述底部支座系统Ⅴ用于支撑所述水平作动系统Ⅲ、所述模拟地震断层Ⅳ和所述场地覆盖层Ⅱ。所述水平作动系统Ⅲ用于对所述模拟地震断层Ⅳ和所述场地覆盖层Ⅱ施加水平推力。所述模拟地震断层Ⅳ用于填充断层试块，以模拟所述地震断层的基岩层。所述场地覆盖层Ⅱ用于在所述模拟地震断层上填充砂层材料，以模拟所述地震断层上的土层。由此，本实施例基于大型土工离心机试验平台开发，通过离心机模拟超重力，真实还原岩土的真实应力状态，为此类模型试验研究奠定坚实基础。通过设置模拟地震断层和场地覆盖层，在水平作动器的精确控制下，可模拟活动断层破裂导致的地震发震全过程及其在场地中的传播效应，从而可为考虑震源机制和传播路径效应的场地地震动合成模型研究奠定基础。进一步地，通过在工程结构下直接设置模拟地震断层，控制断层破裂模式，实现复杂地震工况，克服传统模式下通过底部振动台仅能施加均匀地震动的缺陷，真实再现了跨越断层时工程结构的动力相应特性。
模型箱Ⅰ主要由外接刚性模型箱Ⅰ组成，不仅能够为水平作动系统Ⅲ提供水平反力支撑，同时通过安装起吊环方便起重机吊装。如图2、图3和图5所示，模型箱Ⅰ由两个侧板（左侧板1-1和右侧板2-11）、底板5-7和背板6四块厚钢板刚性连接形成顶面开口的箱体，两个侧板、底板5-7和背板6均为钢板，所述模型箱Ⅰ的正面设有透明有机玻璃面板。所述模型箱Ⅰ的所述顶面可拆卸安装有拉杆系统，所述拉杆系统用于吊装所述模型箱Ⅰ，以及防止模型箱Ⅰ发生变形，顶面为顶部临空面，通过拉杆系统实现多点连接，克服钢板由于连接点集中而导致抗拉力矩不足的缺陷。如图7所示，模型箱Ⅰ拉杆系统包括螺纹拉杆1-3、限位螺栓1-2和反力螺栓1-6，设置在模型箱Ⅰ顶部和正面临空面。螺纹拉杆1-3的安装通过在左侧板1-1开内螺纹孔，内螺纹孔与螺纹拉杆1-3连接；右侧板2-11开略大于螺纹直径的孔，拧紧反力螺栓1-6提供反力。拉杆体系可拆卸，提高填样的便利性。顶部中间位置的拉杆包含两块吊装板1-4，用于和离心机室起重机的起吊环连接，将模型箱I整体吊装入离心机内的刚性箱中。
需要说明的是，为了控制在各小变形阶段不同连接形式钢构件内力和变形，箱体钢板按照受力情况确定连接形式。侧板和底板采用螺栓和双侧焊接的组合连接形式，底板和背板、侧板和背板采用螺栓和单侧焊接的组合连接形式。
所述水平作动系统Ⅲ位于本实施例系统的右侧，为断层准确施加不同幅值的水平推力，从而精确控制断层在水平方向发生循环往返作动。水平作动系统Ⅲ包括丝杆升降装置2-10、直角减速机3-1、步进电机4-1，以及作动控制箱4-5。所述丝杆升降装置2-10用于对所述模拟地震断层Ⅳ和所述场地覆盖层Ⅱ施加水平推力。所述步进电机4-1与作动控制箱4-5通过导线相连，用于控制所述丝杆升降装置2-10产生水平运动。所述步进电机4-1与所述直角减速机3-1通过传动轴4-3相连，所述直角减速机3-1用于降低所述丝杆升降装置2-10中丝杆2-6的转速。在步进电机4-1功率不变的情况下，直角减速器3-1通过降低转速、增大扭矩，提高水平推力。直角减速器3-1通过齿轮与上下两个水平推进器的丝杆2-6相连，带动丝杆2-6发生可控的水平运动。丝杆2-3通过轮辐传感器2-4与接触面板2-1连接，三者间通过销钉与内螺纹组合的方式连接。轮辐传感器2-4可获取实时推力值，并通过导线与运动控制箱4-5相连，为应力控制试验提供控制信号。
如图5和图6所示，丝杆升降装置2-10沿水平方向依次设置有接触面板2-1、加载面板2-2、轮辐传感器2-4、法兰盘2-5、丝杆2-6、转轴2-9、行程限位器2-7和升降机2-10。接触面板2-1直接与模拟断层接触，以控制断层运动。所述接触面板2-1的一面与所述加载面板2-2之间通过螺栓2-8连接，其另一面与模拟地震断层Ⅳ及场地覆盖层Ⅱ紧密接触。所述加载面板2-2和所述轮辐传感器2-4之间通过销钉2-3连接，所述轮辐传感器2-4和所述法兰盘2-5之间通过螺栓2-8连接，轮辐传感器2-4中心设置内螺纹，内螺纹具有力传感性能，在轮辐传感器2-4无测力性能外围和加载面板2-2对应位置打孔，方便安装销钉2-3，加载面板2-2和轮辐传感器2-4分别通过内螺纹和销钉2-3组合连接。其中，销钉组合只提供抗剪切强度，不提供抗拉压强度，以保证传感器反馈的作动力全部由内螺纹接触承担。在法兰盘2-5和轮辐传感器2-4接触侧开槽，将传感器置于所开槽中。在轮辐传感器2-4无测力性能外围和法兰盘2-5对应位置打孔、做内螺纹，并各自通过螺栓组合连接。法兰盘2-5和丝杆2-6为固接的整体，丝杆2-6和升降机2-10的底座为集成的机械装置，丝杆2-6在作动过程中只发生升降动作，和底座有足够长度的连接。
升降机2-10的底座和直角减速机3-1、步进电机 4-1通过转轴2-9和连接器集成为一个整体，通过连接盘3-2和销钉2-3固定在侧板和背板上。整体位于右侧，大幅优化空间利用效率。其中，所述升降机2-10带动所述转轴2-9和所述丝杆2-6运动，以产生水平推力，所述水平推力推动与所述接触面板2-1相接触的所述模拟地震断层Ⅳ或所述场地覆盖层Ⅱ。所述行程限位器2-7设置在所述升降机2-10朝向所述法兰盘2-5的表面，对升降机2-10的水平运动起到限位作用，当行程限位器2-7触碰到法兰盘2-5时，停止升降机2-10的水平运动。例如，在轮辐传感器2-4靠近步进电机4-1一侧设置法兰盘2-4，当法兰盘2-4与2-7行程限位装置接触时，自动切断步进电机4-1的电源，水平运动停止，确保试验系统安全。
具体而言，接触面板2-1控制整体水平作动位移一致，加载面板2-2通过销钉2-3与内螺纹的组合形式与轮辐传感器2-4进行连接，内螺纹提供法向刚度，实现水平推力的较为精确的反馈。通过控制步进电机4-1脉冲个数和频率控制作动量和速率，实现精确定位和调速。经过直角减速机3-1降低转速，可满足丝杆2-6在较低速率下的高作动能力。结合轮辐传感器2-4的力反馈可获得水平作动系统Ⅲ的工作状态，在离心机主控室通过控制箱4-5调节作动速率。当法兰盘2-5底部触碰到行程限位器2-6，控制箱4-5自动停止步进电机4-1，实现丝杆2-6作动行程的精确控制，避免接触到离心机铝合金模型箱Ⅰ侧板。
底部支座系统Ⅴ主要包括铝制刚性支座、钢制弹簧支座、升降机刚性支架。刚性支座将试样置于相对固定的高度，弹簧支座提供试样的移动空间。升降机支架固定水平作动合力点位置，使丝杆升降机反力接近，最大程度发挥作动能力。也即，所述底部支座系统Ⅴ包括刚性支座、弹性支座、升降机支架和电机支座，所述刚性支座用于支撑所述模拟地震断层Ⅳ中的断层下盘，所述弹性支座用于支撑所述模拟地震断层Ⅳ中的断层上盘，所述升降机支架用于支撑所述水平作动系统Ⅲ中的丝杆升降装置，所述电机支座用于支撑所述水平作动系统Ⅲ中的步进电机。底部支座系统Ⅴ的支座、升降机支架通过螺栓和钢板连接，后侧紧贴背板，前侧和有机玻璃面板侧留出空隙，安装螺纹拉杆。底部支座系统Ⅴ可降低试验过程中的冲击效应，同时可准确调节断层垂向空间位置。如图5和图8所示，底部支座系统Ⅴ由铝制刚性支座5-1、钢制弹簧支座5-2、减震橡胶垫5-3、支承垫块5-4、升降机支架5-5、电机支座5-6、底板5-7组成。铝制刚性支架5-1用于支撑断层下盘；弹簧支架5-2用于支撑断层上盘，并允许上盘在一定范围内移动；刚性支架5-5用于支撑水平作动装置；箱体底座5-6用于支撑整个水平作动器的重量。具体而言，水平作动系统Ⅲ的底部设有升降机支架5-5，通过调节升降机支架5-5的螺杆高度改变其高度，从而改变水平作动系统Ⅲ。相应的，通过调节模拟地震断层IV的下盘底部的刚性支座5-1，使其高度与水平作动系统Ⅲ的高度协调；模拟地震断层IV的上盘底部设有钢制弹簧支座5-2，其能够自适应的调节上盘高度与水平作动系统Ⅲ的高度协调。
在场地覆盖层II和模拟地震断层IV区域中，可通过装填不同材料、类型的试样，探究多种地质材料的破裂、摩擦激振强度和破裂模式。具体地，场地覆盖层II可采用满足相似设计要求的岩土相似材料制作，通过控制厚度及组成，模拟不同场地。模拟地震断层IV可采用不同材质、倾角、走向、表面粗糙度等块体制作，实现了不同活动断层的准确模拟。模型箱Ⅰ与模拟地震断层Ⅳ的接触表面设置橡胶垫层实现减震滤波，可有效减小试验过程中试样和装置的碰撞振动，从而降低试验误差。在一些例子中，橡胶垫层和箱体接触侧使用胶粘，和试样接触侧涂抹凡士林，以减少摩擦。
所述场地覆盖层Ⅱ中设有隧道，所述隧道沿水平方向贯穿所述场地覆盖层Ⅱ。本实施例中，模拟地震断层IV使用水泥砂浆浇筑，场地覆盖层II使用ISO标准砂层铺填场地筑，其内有不同类型的隧道结构，走向均为穿越断层方向。
全方位立体监测系统包括高速相机、加速度传感器、土压力传感器、位移传感器、轮辐传感器、应变片等，还远程连接计算机，如此可准确记录断层错动过程、场地地震动及工程结构动力响应等特性。如图9所示，全方位立体监测系统Ⅵ由多种类型传感器监测体系构成，通常包括激光位移计7-1（及位移计支架7-2）、加速度计7-3、土压力盒7-5、应变片7-6、高速摄像机7-9等。所述激光位移计7-1设置在所述模型箱Ⅰ的所述拉杆系统上，以监测所述场地覆盖层Ⅱ地表Ⅰ的水平位移和垂向位移，所述加速度计7-3和所述土压力盒7-5分别设置在所述隧道附近的所述砂层材料中，以监测所述砂层材料，所述应变片7-6设置在所述隧道的拱顶和拱底，以监测所述隧道的拱顶和拱底的应变，所述高速摄像机7-9设置在所述土工离心机平台上且面向所述模型箱的正面。激光位移计7-1、加速度计7-3、土压力盒7-5、应变片7-6、高速摄像机7-9均与计算机7-11远程通信连接。
基于本实施例，以近断层场地中隧道结构的抗震性能研究试验为例，探究不同断层错动工况下，场地地震动响应及其与隧道结构的相互作用过程。本发明具体操作流程如下：
S1. 将模型箱I放置在地面上，依次将底部支座系统V与水平作动系统III安装至模型箱I中，测试其工作性能。
S2. 将制备好的一定倾角的断层试块放入模拟地震断层区IV，在断层基岩顶部（记为采集系统高程面7-7层0）分别打孔并布置加速度计7-3、土压力盒7-5。
S3. 安装有机玻璃面板1-7，使用橡胶膜包裹有机玻璃面板1-7和断层试块的缝隙，允许断层试块发生厘米级水平作动。
S4. 采用不同材料、不同设计方法制作两条隧道7-4，隧道表面粘贴全桥应变片，测量隧道拱顶和拱底的应变差。此处两条隧道便于后期的数据比对。
S5. 层铺标准砂填充场地覆盖层II达到一定深度（记为采集系统高程面7-7层1、层2，如图9），在场地覆盖层II内相同深度和相对位置布置粘贴好应变片的隧道模型，走向为穿越断层，在相同场地和断层运动状态下实现水平作动加载。
S6. 同时在层1、层2分别布置加速度计7-3、土压力盒7-5，此时需要先将隧道7-4结构两端刚性密封，使用速干胶将传感器粘贴至隧道7-4两个端部。
S7. 层铺标准砂填充场地覆盖层II达到地表高程设计值（记为采集系统高程面7-7层3），布设加速度计7-3、土压力盒7-5各1只即可。
S8. 反力螺栓1-6将各螺纹拉杆1-3拧紧，密封模型箱I，将吊装板1-4上的吊装孔1-5和起重机的吊环连接，将模型箱I侧入离心机铝合金模型箱。
S9. 在离心机模型箱上安装激光位移计7-1，监测竖向和水平位移。将离心机模型箱吊装入离心机振动台平面7-10上。安装定制的摄影机支架7-8，并固定高速摄像机7-9，安装大功率灯带提供光源。
S10．连接并调试所有传感器（如图8）、数据采集器和控制装置和作动控制箱4-5。
S11. 启动离心机静态、动态采集系统，启动控制箱4-5，启动土工离心机，观察离心机转速到达预设值过程中的曲线是否正常。
S12. 按照试验方案开始试验，在主控室通过控制箱4-5改变作动方向和作动速率，得到实时的场地覆盖层II不同高程的加速度、不同材料的隧道的端部受力、局部变形、地表位移、作动量和作动力，以及通过面板监测表面裂缝破裂和场地变形状态。
S13. 试验结束。按照离心机使用要求依次关闭离心机拖动装置、油泵和电源开关，关闭装置的作动器和采集系统，导出多源监测数据和连续图像。
S14. 将模型箱I分两步吊出离心机和离心机模型箱，拆卸螺纹拉杆1-3，将场地覆盖层II中的两类隧道7-4的破坏状态原位拍照记录留存，对断口形态进行3D扫描分析。
S15. 移除全部材料与传感器。可根据试验目的决定模拟地震断层IV与场地覆盖层II材料、以及是否进行耦合结构的动力响应测试，按照试验方案重复S2~S14。
以上已详细描述了本发明的较佳实施例，但应理解到，若需要，能修改实施例的方面来采用各种专利、申请和出版物的方面、特征和构思来提供另外的实施例。
考虑到上文的详细描述，能对实施例做出这些和其它变化。一般而言，在权利要求中，所用的术语不应被认为限制在说明书和权利要求中公开的具体实施例，而是应被理解为包括所有可能的实施例连同这些权利要求所享有的全部等同范围。
Claims (7)
1.一种基于土工离心机平台的地震断层模拟系统，其特征在于，包括置于所述土工离心机平台上的模型箱，在所述模型箱内具有容纳空间，所述容纳空间中自下而上设置有底部支座系统、模拟地震断层和场地覆盖层，在所述模拟地震断层和所述场地覆盖层的侧面设置有水平作动系统；
所述底部支座系统用于支撑所述水平作动系统、所述模拟地震断层和所述场地覆盖层；
所述水平作动系统用于对所述模拟地震断层和所述场地覆盖层施加水平推力；
所述模拟地震断层用于填充断层试块，以模拟所述地震断层的基岩层；
所述场地覆盖层用于在所述模拟地震断层上填充砂层材料，以模拟所述地震断层的土壤层；
所述底部支座系统包括刚性支座、弹性支座、升降机支架和电机支座；
所述刚性支座用于支撑所述模拟地震断层中的断层下盘；
所述弹性支座用于支撑所述模拟地震断层中的断层上盘；
所述升降机支架用于支撑所述水平作动系统中的丝杆升降装置；
所述电机支座用于支撑所述水平作动系统中的步进电机；
所述水平作动系统包括丝杆升降装置、直角减速机、步进电机；
所述丝杆升降装置用于对所述模拟地震断层和所述场地覆盖层施加水平推力；
所述步进电机用于控制所述丝杆升降装置产生水平运动；
所述直角减速机用于降低所述丝杆升降装置中丝杆的转速；
丝杆升降装置中沿水平方向依次设置有接触面板、加载面板、轮辐传感器、法兰盘、丝杆、转轴和升降机；
所述接触面板与所述加载面板之间通过螺栓连接，所述加载面板和所述轮辐传感器之间通过销钉连接，所述轮辐传感器和所述法兰盘之间通过螺栓连接；
所述升降机带动所述转轴和所述丝杆运动，以产生水平推力，所述水平推力推动与所述接触面板相接触的所述模拟地震断层或所述场地覆盖层。
2.根据权利要求1所述的基于土工离心机平台的地震断层模拟系统，其特征在于，所述模型箱由两个侧板、底板和背板形成顶面开口的箱体，所述模型箱的正面设有透明玻璃面板；
所述模型箱的顶面可拆卸安装有拉杆系统，所述拉杆系统用于吊装所述模型箱，并限制箱体变形。
3.根据权利要求2所述的基于土工离心机平台的地震断层模拟系统，其特征在于，所述场地覆盖层中设有隧道，所述隧道沿水平方向贯穿所述场地覆盖层。
4.根据权利要求3所述的基于土工离心机平台的地震断层模拟系统，其特征在于，所述系统还包括立体监测系统，所述立体监测系统包括激光位移计、加速度计、土压力盒、应变片；
所述激光位移计设置在所述模型箱的所述拉杆系统上，以监测所述场地覆盖层的水平位移和垂向位移；
所述加速度计和所述土压力盒分别设置在所述隧道附近的所述砂层材料中，以监测所述砂层材料的加速度和土压力；
所述应变片设置在所述隧道的拱顶和拱底，以监测所述隧道的拱顶和拱底的应变。
5.根据权利要求4所述的基于土工离心机平台的地震断层模拟系统，其特征在于，所述立体监测系统还包括高速摄像机，所述高速摄像机设置在所述土工离心机平台上且面向所述模型箱的正面。
6.根据权利要求1所述的基于土工离心机平台的地震断层模拟系统，其特征在于，所述丝杆升降装置中还包括有行程限位器，所述行程限位器设置在所述升降机朝向所述法兰盘的表面。
7.根据权利要求3所述的基于土工离心机平台的地震断层模拟系统，其特征在于，所述模拟地震断层与所述模型箱的一个侧板相接触，所述模拟地震断层与所述一个侧板之间设置有用于减震的垫层。
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