CN207908500U - 模拟隧道穿越断层破碎带的试验装置 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了模拟隧道穿越断层破碎带的试验装置,包括活动箱体、固定箱体、破碎带模拟区、刚性底板、纵向约束装置、竖向加载装置、侧向加载装置。该装置可模拟不同埋深条件下,不同断层与隧道交角,不同破碎带宽度,隧道穿越走滑断层的受力状况,探究隧道衬砌的受力机理及破坏模式,为跨断层隧道结构设计提供真实的参考依据。该装置真实的模拟了断层破碎带。通过调节约束框弹簧压缩量和配重块高度,该装置可以模拟在不同埋深条件下,隧道穿越走滑断层,隧道衬砌的受力机理及破坏模式。通过调节衬砌开孔板和调节板的大小、布置方式,可以模拟隧道与断层在不同交角条件下,隧道穿越走滑断层,隧道衬砌的受力机理及破坏模式。
Description
技术领域
本实用新型属于隧道模型试验装置领域,涉及一种模拟隧道穿越走滑断层的试验装置。
背景技术
断层作为一种地质构造,其活动主要表现为相对错动。根据断层两盘相对运动的性质和力学背景,可将断层分为倾滑断层和走滑断层。其中,走滑断层发震时破坏规模大,长度达数十公里至数百公里。构造运动中,大规模的断层往往不是沿一个简单的面发生,而是沿着一个错动带发生,该带称为断层破碎带,其宽度以数十米居多。
我国西南地区,地震活动频繁,地震烈度高,为我国地震最活跃的区域之一。由于地处高山峡谷,基础设施工程中,隧道比重较大。随着我国建设大西南的力度不断加大,高速铁路、高速公路、引水隧洞等重大工程建设当中,特别是长大隧道,不可避免的需要穿越多条断裂带。如邓家坪隧道长10km,穿越9条断裂带;雅泸高速的泥巴山隧道长10km,穿越15条断裂带;滇中引水香炉山隧洞长约63km,穿越16条主要断裂带,其中40%为走滑断层。因此,通过模型试验平台,研究断层错动下,真实的反应隧道衬砌结构的响应机理及破坏模式,成为解决隧道抗震设防中的关键问题。
目前,国内已有的跨断层隧道错动模型试验装置中,如刘学增、崔光耀等探究了倾滑断层下隧道衬砌抗错断的受力机理;高波等探究了走滑断层下隧道衬砌抗错断的受力机理。但大部分模型试验装置均适用于浅埋隧道,对于深埋隧道的错动试验装置,还属空白。其次,各试验装置中断层破碎带的模拟,仅在岩性上加以区分,模型箱并没有断层破碎带段的设计,导致试验结果的真实性不能保证。
实用新型内容
本实用新型的目的是提供一种模拟隧道穿越走滑断层的试验装置,该装置能够实现断层破碎带宽度的模拟,并为断层破碎带提供独立的刚性约束。另外,该试验装置可模拟不同埋深条件下,不同断层与隧道交角,不同破碎带宽度,隧道穿越走滑断层的受力状况,探究隧道衬砌的受力机理及破坏模式,为跨断层隧道结构设计提供真实的参考依据。
为实现上述目的,模拟隧道穿越走滑断层的试验装置,其特征为:
模拟隧道穿越走滑断层的试验装置,包括活动箱体、固定箱体、破碎带模拟区、刚性底板、纵向约束装置、竖向加载装置、侧向加载装置。
活动箱体部分由加载侧约束板、侧约束板、横断面约束板、连接横梁及活动底座组成。各约束板及活动底座均由型钢焊接而成;活动箱体由各约束板和活动底座,通过螺栓连接而成。活动底座之下放置圆钢,圆钢置于刚性底板之上,以使箱体横向错动。横断面约束板中的衬砌开孔板和调节板,可设置不同大小,不同的布置方式,可以模拟隧道与断层的不同交角。开孔板、调节板与横断面约束板螺栓连接。
固定箱体部分由侧约束板、横断面约束板、连接横梁及固定底座组成。各约束板及固定底座均由型钢焊接而成,活动箱体由各约束板和固定底座,通过螺栓连接而成。底座与刚性底板焊接,约束箱体运动。横断面约束板中的衬砌开孔板和调节板,可设置不同大小,不同的布置方式,可以模拟隧道与断层的不同交角。开孔板、调节板与横断面约束板螺栓连接。
破碎带模拟区由数个约束框组成,每个约束框由底部滑轮、上部弹簧加载装置、框间防挤压轴承组成。底部滑轮置于刚性底板之上,使约束框可以横向自由错动;上部弹簧加载装置中螺口钢棍固定在约束框上,围岩加载板与传力压杆、传力横板、标尺杆焊接一体,且传力压杆自由穿越约束框,标尺杆自由穿越弹簧和顶横梁;顶横梁被螺母约束在螺口钢棍上。
刚性底板为10~15mm厚钢板,通过螺栓固定于平整的实验地面上。
纵向约束装置由上部约束装置和下部约束装置组成。上部约束装置与固定箱体的侧约束板顶相连,与活动箱体的连接横梁轴承相连;下部约束固定于底部钢板,与活动箱体的活动底座轴承相连,以使活动箱体纵向受约束,而横向可以移动。
竖向加载装置包括围岩段加载的配重块,和破碎带加载的上部弹簧加载装置。
侧向加载装置由通过固定在反力墙上的千斤顶驱动,通过千斤顶给侧向加载装置施加位移,使整个活动箱体移动。
本实用新型与现有技术相比,具有如下显著特点:
1、通过组装不同数量的断层约束框,该装置能够实现断层破碎带不同宽度的模拟,并为断层破碎带提供独立的刚性约束。更真实的模拟了断层破碎带。
2、通过调节约束框弹簧压缩量和配重块高度,该装置可以模拟在不同埋深条件下,隧道穿越走滑断层,隧道衬砌的受力机理及破坏模式。
3、通过调节衬砌开孔板和调节板的大小、布置方式,可以模拟隧道与断层在不同交角条件下,隧道穿越走滑断层,隧道衬砌的受力机理及破坏模式。为隧道设计提供更可靠的参考依据。
附图说明
图1为本装置组装后的斜视图。
图2为本装置组装后的正视图。
图3为本装置组装后的后视图。
图4为本装置活动箱体斜视图。
图5为本装置固定箱体斜视图。
图6为本装置纵向约束上部约束示意图。
图7为本装置纵向约束下部约束示意图。
图8为本装置断层约束框示意图。
具体实施方式
以下结合附图1-8,说明本实用新型的具体实施方式。
模拟隧道穿越走滑断层的试验装置,该装置包括活动箱体10、破碎带模拟区20、固定箱体30、刚性底板40、上部纵向约束50、下部纵向约束60、配重块70和侧向加载装置80。活动箱体10、破碎带模拟区20放置在刚性底板40上;固定箱体30底部与刚性底板40焊接;破碎带模拟区20与固定箱体30、活动箱体10纵向通过承压轴承24接触连接,限制固定箱体30和活动箱体10的纵向位移,固定箱体30和活动箱体10的横向能够自由错动。配重块70设置在活动箱体10和固定箱体30的顶部,侧向加载装置80设置在活动箱体10的一侧,侧向加载装置80由千斤顶驱动。
活动箱体10由横向约束板11、第一横断面约束板12、第一连接横梁13及第一活动底座14组成。横向约束板11、第一横断面约束板12均由型钢焊接而成;横向约束板11、第一横断面约束板12、第一连接横梁13及第一活动底座14之间通过螺栓连接。横向约束板11和第一横断面约束板12连接后组成活动箱体10的主体框架结构,第一连接横梁13设置在活动箱体10的主体框架结构的外侧,第一活动底座14设置在活动箱体10的主体框架结构的底部;第一活动底座14的底部放置有圆钢15,圆钢15置于刚性底板40上,通过圆钢15能够使活动箱体10发生横向错动。第一横断面约束板12中设有顺次连接的第一衬砌开孔板16和第一调节板17,第一衬砌开孔板16和第一调节板17能够设置不同的大小和不同的布置方式,以模拟隧道与断层的不同交角。第一衬砌开孔板16、第一调节板17与第一横断面约束板12通过螺栓连接。侧向加载装置80与横向约束板11焊接。
固定箱体30部分由侧约束板31、第二横断面约束板32、第二连接横梁33及第二固定底座34组成。侧向约束板31、第二横断面约束板32、第二连接横梁33及第二固定底座34均由型钢焊接而成;侧向约束板31、第二横断面约束板32、第二连接横梁33及第二固定底座34之间通过螺栓连接而成。侧向约束板31、第二横断面约束板32连接后组成固定箱体30的主体框架结构,第二连接横梁33设置在固定箱体30的主体框架结构的外侧,第二固定底座34设置在固定箱体30的主体框架结构的底部。第二固定底座34与刚性底板40焊接,以约束固定箱体30的运动。横断面约束板32中设有顺次连接的第二衬砌开孔板35和第二调节板36,第二衬砌开孔板35和第二调节板36能够设置不同的大小和不同的布置方式,以模拟隧道与断层的不同交角。第二衬砌开孔板35、第二调节板36与第二横断面约束板32通过螺栓连接。
破碎带模拟区20由数个方钢约束框21组成,每个方钢约束框21上均设有底部滑轮22、滑轮固定支架23、承压轴承24和上部弹簧加载装置。各个承压轴承24设置在方钢约束框21上,上部弹簧加载装置安装在方钢约束框21的顶部;底部滑轮22安装在滑轮固定支架23上并置于刚性底板40上,使方钢约束框21能够沿横向自由错动;
上部弹簧加载装置中的螺纹钢棍25-1螺栓固定在方钢约束框21上,围岩加载板25-2与传力压杆25-3、传力横板25-4、标尺杆23-5焊接一体。传力压杆25-3自由穿越方钢约束框21,标尺杆25-5自由穿越弹簧25-6和顶部横梁25-7;顶部横梁25-7与螺纹钢棍25-1通过螺栓相连。
刚性底板40由10~15mm厚的钢板制成,刚性底板40通过地锚螺栓固定于实验场地底面上。
上部纵向约束50的纵向承拉角钢51末端与固定箱体30的侧约束板31顶螺栓相连;纵向承拉角钢51、第一轴承52及横向连接角钢53端部焊接;第一轴承52与活动箱体10的第一活动底座14接触连接。
下部纵向约束60的连接钢板62与刚性底板40焊接;轴承支架61与第二轴承63焊接;轴承支架61与连接钢板62通过螺栓连接。
配重块70为250mm×120mm×100mm或250mm×120mm×50mm的铁块。
侧向加载装置80由槽钢和钢板相互焊接而成。
Claims (5)
1.模拟隧道穿越断层破碎带的试验装置,其特征在于:该装置包括活动箱体(10)、破碎带模拟区(20)、固定箱体(30)、刚性底板(40)、上部纵向约束(50)、下部纵向约束(60)、配重块(70)和侧向加载装置(80);活动箱体(10)、破碎带模拟区(20)放置在刚性底板(40)上;固定箱体(30)底部与刚性底板(40)焊接;破碎带模拟区(20)与固定箱体(30)、活动箱体(10)纵向通过承压轴承(24)接触连接,限制固定箱体(30)和活动箱体(10)的纵向位移,固定箱体(30)和活动箱体(10)的横向能够自由错动;配重块(70)设置在活动箱体(10)和固定箱体(30)的顶部,侧向加载装置(80)设置在活动箱体(10)的一侧,侧向加载装置(80)由千斤顶驱动;
活动箱体(10)由横向约束板(11)、第一横断面约束板(12)、第一连接横梁(13)及第一活动底座(14)组成;横向约束板(11)、第一横断面约束板(12)均由型钢焊接而成;横向约束板(11)、第一横断面约束板(12)、第一连接横梁(13)及第一活动底座(14)之间通过螺栓连接;横向约束板(11)和第一横断面约束板(12)连接后组成活动箱体(10)的主体框架结构,第一连接横梁(13)设置在活动箱体(10)的主体框架结构的外侧,第一活动底座(14)设置在活动箱体(10)的主体框架结构的底部;第一活动底座(14)的底部放置有圆钢(15),圆钢(15)置于刚性底板(40)上,通过圆钢(15)能够使活动箱体(10)发生横向错动;第一横断面约束板(12)中设有顺次连接的第一衬砌开孔板(16)和第一调节板(17),第一衬砌开孔板(16)和第一调节板(17)能够设置不同的大小和不同的布置方式,以模拟隧道与断层的不同交角;第一衬砌开孔板(16)、第一调节板(17)与第一横断面约束板(12)通过螺栓连接;侧向加载装置(80)与横向约束板(11)焊接;
固定箱体(30)部分由侧向约束板(31)、第二横断面约束板(32)、第二连接横梁(33)及第二固定底座(34)组成;侧向约束板(31)、第二横断面约束板(32)、第二连接横梁(33)及第二固定底座(34)均由型钢焊接而成;侧向约束板(31)、第二横断面约束板(32)、第二连接横梁(33)及第二固定底座(34)之间通过螺栓连接而成;侧向约束板(31)、第二横断面约束板(32)连接后组成固定箱体(30)的主体框架结构,第二连接横梁(33)设置在固定箱体(30)的主体框架结构的外侧,第二固定底座(34)设置在固定箱体(30)的主体框架结构的底部;第二固定底座(34)与刚性底板(40)焊接,以约束固定箱体(30)的运动;第二横断面约束板(32)中设有顺次连接的第二衬砌开孔板(35)和第二调节板(36),第二衬砌开孔板(35)和第二调节板(36)能够设置不同的大小和不同的布置方式,以模拟隧道与断层的不同交角;第二衬砌开孔板(35)、第二调节板(36)与第二横断面约束板(32)通过螺栓连接;
破碎带模拟区(20)由数个方钢约束框(21)组成,每个方钢约束框(21)上均设有底部滑轮(22)、滑轮固定支架(23)、承压轴承(24)和上部弹簧加载装置;各个承压轴承(24)设置在方钢约束框(21)上,上部弹簧加载装置安装在方钢约束框(21)的顶部;底部滑轮(22)安装在滑轮固定支架(23)上并置于刚性底板(40)上,使方钢约束框(21)能够沿横向自由错动;
上部纵向约束(50)的纵向承拉角钢(51)末端与固定箱体(30)的侧约束板(31)顶螺栓相连;纵向承拉角钢(51)、第一轴承(52)及横向连接角钢(53)端部焊接;第一轴承(52)与活动箱体(10)的第一活动底座(14)接触连接;
下部纵向约束(60)的连接钢板(62)与刚性底板(40)焊接;轴承支架(61)与第二轴承(63)焊接;轴承支架(61)与连接钢板(62)通过螺栓连接。
2.根据权利要求1所述的模拟隧道穿越断层破碎带的试验装置,其特征在于:上部弹簧加载装置中的螺纹钢棍(25-1)螺栓固定在方钢约束框(21)上,围岩加载板(25-2)与传力压杆(25-3)、传力横板(25-4)、标尺杆(25-5)焊接一体;传力压杆(25-3)自由穿越方钢约束框(21),标尺杆(25-5)自由穿越弹簧(25-6)和顶部横梁(25-7);顶部横梁(25-7)与螺纹钢棍(25-1)通过螺栓相连。
3.根据权利要求1所述的模拟隧道穿越断层破碎带的试验装置,其特征在于:刚性底板(40)由10~15mm厚的钢板制成,刚性底板(40)通过地锚螺栓固定于实验场地底面上。
4.根据权利要求1所述的模拟隧道穿越断层破碎带的试验装置,其特征在于:配重块(70)为铁块。
5.根据权利要求1所述的模拟隧道穿越断层破碎带的试验装置,其特征在于:侧向加载装置(80)由槽钢和钢板相互焊接而成。
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2018
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