CN216484995U - 一种模拟隧道穿越活断层的抗错动性能试验装置 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种模拟隧道穿越活断层的抗错动性能试验装置，包括框架、模型箱、加载装置和导向装置；模型箱顶部开口无封闭；左右为亚克力板做成的侧壁，前后为钢板制成的前壁、后壁；模型箱底板由上盘和下盘构成，下盘的底面安装加载装置；加载装置由丝杆、丝杆滑块、直线型滑块和传力杆组成；导向装置包括底部导向装置和侧向导向装置；底部导向装置包括三角形支架，伸缩杆，下叶和上叶；侧向导向装置由静止导向块、滑块、滑轨、变角度导向块、滑轮和固定板组成。本实用新型结构简单、造价低廉，易拆卸、运输方便，适合室内环境下对穿越或邻近不同断层倾角的隧道进行快速、高效地抗错动性能试验。
Description
技术领域
本实用新型属于模拟隧道试验装置，尤其涉及一种模拟隧道穿越活断层的抗错动性能试验装置。
背景技术
由于我国不断发展地下空间建设，同时我国的地理地质条件非常复杂，在隧道建设中，不可避免的出现穿越隧道断层带的情况。而断层带易使隧道出现断裂、错动等灾害现象，危及隧道使用安全。纵观国内外穿越活动断层隧道工程的设计经验，隧道在断层错动时产生过大变形而受到严重危害的几率远大于由于地震波振动造成的破坏。而国内外关于断层区隧道抗震的研究较少，且多为理论研究，因此有必要实施隧道过活断层模型试验对其受力特征进行研究。
目前针对盾构隧道的试验研究主要有理论分析和数值模拟等，理论分析用于研究活断层的影响范围和隧道规避原则等；数值模拟主要用于隧道参数化研究和结构破坏模式等。以上两种模型过于简化，实际应用过程中限制条件过多，对于隧道细部节段受断层运动作用下的力学特性和破坏特征涉及较少，无法高效、快速地对隧道穿越活断层的破坏性能进行评估。
对于活断层，常见的断层形式有正断层、逆断层和走滑断层。针对活断层与隧道结构的相对位置，可以将已知断层面分为：穿越、跨越、非相交。为了全面研究隧道在断层错动作用下的特性，需要频繁调整隧道和断层的位置。目前尚未有试验装置能同时对不同断层形式、不同活断层与隧道相对位置工况进行模拟，故开发一种能快速、高效地对穿越不同断层形式的隧道进行不同断层角度的抗错动性能试验的装置是非常必要的。
实用新型内容
为了快速、高效地对跨越不同活断层形式的隧道进行不同断层倾角的抗错动性能试验，本实用新型提供一种模拟隧道穿越活断层的抗错动性能试验装置。
本实用新型的一种模拟隧道穿越活断层的抗错动性能试验装置，包括框架、模型箱、加载装置和导向装置。
框架为若干横梁、纵梁和立柱组成长方体框架，底部设置若干竖向支撑柱。
模型箱顶部开口无封闭；模型箱左右为对称的透明的亚克力板做成的侧壁，侧壁上开有隧道模型槽；模型箱前面为钢板制成的前壁，前壁上切割出一个隧道横断面用于放置隧道模型和走线；模型箱后面为钢板制成的后壁；模型箱底板由上盘和下盘构成，上盘固定于框架上，下盘与后壁固定连接，且与侧壁和上盘保持空隙，下盘的底面安装加载装置。
加载装置由丝杆、丝杆滑块、直线型滑块和传力杆组成；传力杆一端铰接在下盘的底面，另一端铰接直线型滑块；直线型滑块和丝杆滑块固定连接，丝杆滑块和丝杆滑动配合安装。
导向装置包括底部导向装置和侧向导向装置。
底部导向装置包括三角形支架，伸缩杆，下叶和上叶；三角形支架和下叶固定于上盘上，并通过伸缩杆连接；上叶固定于下盘上，上叶和下叶之间保持空隙，并用聚四氟乙烯薄膜填充。
侧向导向装置由静止导向块、滑块、滑轨、变角度导向块、滑轮和固定板组成；变角度导向块安装在框架的立柱上，静止导向块固定于后壁上，滑块一端连接静止导向块，另一端在滑轨上直线滑动运动，滑轨与变角度导向块固定，且变角度导向块的边缘通过齿轮传动与滑轮连接，滑轮固定在固定板上。
进一步的，上盘与前壁、下盘与后壁之间的空隙用土工布和凡士林密封，上盘和下盘的交界处铺设一层聚乙烯薄膜。
进一步的，前壁和后壁采用16号工字钢，上盘和下盘采用18号工字钢。
进一步的，加载装置连接伺服电机，由电脑控制加载装置。
进一步的，底部导向装置中，通过伸缩杆调节上叶和下叶的角度，实现无极旋转15-90°，模拟断层倾角。
进一步的，侧向导向装置中，通过滑轮组控制侧变角度导向块的旋转角度，使侧向和底部导向装置的角度一致，下盘加载方向沿着断层线保持一致。
本实用新型的有益技术效果为：
本实用新型导向装置和加载装置的角度可调节，能适应隧道穿越不同正逆断层角度(15°-90°)，且可变角度的断层线与隧道相对位置的组合方式多样，既可实现隧道正交、斜交不同断层倾角的错动工况，也可以实现隧道与断层平行的邻近断层错动工况，检测土层和隧道在断层错动作用下的动力响应。避免改变试验工况重复制作模型箱，造成的安装、调试、拆卸等工作，节约成本，提高试验效率。试验系统结构简单、造价低廉，易拆卸、运输方便，适合室内环境下对穿越或邻近不同断层倾角的隧道进行快速、高效地抗错动性能试验。
附图说明
图1是本实用新型的结构正视图。
图2是本实用新型的结构左视图。
图3是本实用新型的结构俯视图。
图4是本实用新型的加载装置三维示意图。
图5是本实用新型的底部导向装置三维示意图。
图6是本实用新型的侧向导向装置三维示意图。
图中：1-竖向支撑柱，2-横梁，3-侧壁，4-后壁，5-下盘，6-丝杆，7-丝杆滑块，8-直线型滑块，9-传力杆，10-三角形支架，11-伸缩杆，12-下叶，13-上叶，14-侧向导向装置，15-滑轮组，16-隧道模型，17-断层线，18-上盘，19-前壁，20-静止导向块，21-滑块，22-滑轨，23-变角度导向块，24-滑轮，25固定板，26-隧道模型槽。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方法对本实用新型做进一步详细说明。
本实用新型的一种模拟隧道穿越活断层的抗错动性能试验装置如图1所示，包括框架、模型箱、加载装置和导向装置。
框架为若干横梁2、纵梁和立柱组成长方体框架，底部设置若干竖向支撑柱1(左右对称共14个)。
模型箱顶部开口无封闭；模型箱左右为对称的透明的亚克力板(便于观察土层变形)做成的侧壁3，侧壁3上开有隧道模型槽26，用于放置隧道模型，其余空间用木板填充，防止砂土泄漏。为了承载土压力，模型箱前面为钢板制成的前壁19，如图2所示，前壁19上切割出一个隧道横断面用于放置隧道模型16和走线。模型箱后面为钢板制成的后壁4。如图3所示，模型箱底板由上盘18和下盘5构成，上盘18固定于框架上，下盘5与后壁4固定连接，且与侧壁3和上盘18保持空隙，下盘5的底面安装加载装置。
如图4所示，加载装置由丝杆6、丝杆滑块7、直线型滑块8和传力杆9组成；传力杆9一端铰接在下盘5的底面，另一端铰接直线型滑块8；直线型滑块8和丝杆滑块7固定连接，丝杆滑块7和丝杆6滑动配合安装。丝杆滑块7可以在丝杆6上通过旋转调节位置，带动直线型滑块8运动，使传力杆撬动下盘5上升或下降。
导向装置包括底部导向装置和侧向导向装置14。
如图5所示，底部导向装置包括三角形支架10，伸缩杆11，下叶12和上叶13；三角形支架10和下叶12固定于上盘18上，并通过伸缩杆11连接；上叶13固定于下盘5上，上叶12和下叶13之间保持空隙，并用聚四氟乙烯薄膜填充。
如图6所示，侧向导向装置14由静止导向块20、滑块21、滑轨22、变角度导向块23、滑轮24和固定板25组成；变角度导向块23安装在框架的立柱上，静止导向块20固定于后壁4上，滑块21一端连接静止导向块20，另一端在滑轨22上直线滑动运动，滑轨22与变角度导向块23固定，且变角度导向块23的边缘通过齿轮传动与滑轮24连接，滑轮24固定在固定板25上。
进一步的，上盘18与前壁19、下盘5与后壁4之间的空隙用土工布和凡士林密封，上盘18和下盘5的交界处铺设一层聚乙烯薄膜。
进一步的，前壁19和后壁4采用16号工字钢，确保整个每部分强度和稳定性，上盘18和下盘5采用18号工字钢，确保整个每部分强度和稳定性。
进一步的，通过丝杆6和丝杆滑块7将上下断层运动的推力转换为丝杆6旋转，可以精确控制断层运动速度，实现最低0.01m/s的错动速度。利用铰接装置，提供竖向荷载，并可以上下竖向加载，模拟正逆断层。结合电动伺服光电控制加载装置，通过电脑控制，使两套传力杆9可以同步运动。
进一步的，底部导向装置中，通过伸缩杆11调节上叶13和下叶12的角度，实现无极旋转15-90°，模拟断层倾角。
进一步的，侧向导向装置14中，通过滑轮组15控制侧变角度导向块23的旋转角度，使侧向和底部导向装置的角度一致，下盘5加载方向沿着断层线17保持一致。
进一步的，侧壁3上的隧道模型槽26：为了模拟隧道斜交穿越和隧道非相交断层的工况，将隧道模型16从一端侧壁3的隧道模型槽26放入，从另一端侧壁3穿出。根据隧道模型与断层面的相对位置，可以模拟斜交和非相交两种工况。且斜交角度可以达到0°-30°。
具体试验方式：
一、对于隧道正交正逆断层工况：
1、放置模型箱，调整水平且将加载装置复原归位，使上盘18和下盘5在同一水平面，上盘18和下盘5与侧壁3的空隙用土工布和凡士林封堵。
2、调试底部导向装置，调节伸缩杆11的长度，使下叶12与上盘18的夹角等于断层错动的预设角度，停止调节伸缩杆11，将上叶13与下叶12固定为整体，并铺设聚乙烯薄膜。
3、调试侧向导向装置14，转动滑轮24，带动调节变角度导向块23旋转，使滑轨22与水平面的夹角和错动倾角相同，复原滑块21，卡紧静止导向块20，使滑块21在滑轨22上做直线运动。
4、制备实验用土，分层填土并压实，直至填土高度达到隧道模型16的仰拱既定高度。从前壁19放置隧道模型16，从后壁4穿出，然后继续填土。
5、启动加载设备和数据采集系统，电脑控制丝杆滑块7沿着丝杆6转动前进，带动传力杆9提供竖向荷载，使下盘5向上错动，开始正断层错动。
6、待下盘5到达指定位置，关闭加载设备，提取数据和图像。
7、对于逆断层错动，应先将下盘5错动抬升至指定高度，然后启动加载装置使丝杆滑块7向后移动，带动传力杆9下降，使下盘5向下错动，开始逆断层错动。
二、对于隧道斜交或不相交(平行)正逆断层工况：
1、放置模型箱，调整水平且将加载装置复原归位，使上盘18和下盘5在同一水平面，上盘18和下盘5与侧壁3的空隙用土工布和凡士林封堵。
2、调试底部导向装置，调节伸缩杆11的长度，使下叶12与上盘18的夹角等于断层错动的预设角度，停止调节伸缩杆11，将上叶13与下叶12固定为整体，并铺设聚乙烯薄膜。
3、调试侧向导向装置14，转动滑轮24，带动调节变角度导向块23旋转，使滑轨22与水平面的夹角和错动倾角相同，复原滑块21，卡紧静止导向块20，使滑块21在滑轨22上做直线运动。
4、制备实验用土，分层填土并压实，直至填土高度达到隧道模型16的仰拱既定高度。从隧道模型槽26放置隧道模型16，从侧壁3另一端穿出。如图3中虚线所示布置。隧道模型槽26与侧壁3的其余空隙用模板覆盖，然后继续填土。
5、对于隧道非相交断层的工况，则注意隧道模型放置的相对位置保持与断层面平行即可。
6、启动加载设备和数据采集系统，电脑控制丝杆滑块7沿着丝杆6转动前进，带动传力杆9提供竖向荷载，使下盘5向上错动，开始正断层错动。
7、待下盘5到达指定位置，关闭加载设备，提取数据和图像。
8、对于逆断层错动，应先将下盘5错动抬升至指定高度，然后启动加载装置使丝杆滑块7向后移动，带动传力杆9下降，使下盘5向下错动，开始逆断层错动。
Claims (6)
1.一种模拟隧道穿越活断层的抗错动性能试验装置，其特征在于，包括框架、模型箱、加载装置和导向装置；
所述框架为若干横梁(2)、纵梁和立柱组成长方体框架，底部设置若干竖向支撑柱(1)；
所述模型箱顶部开口无封闭；模型箱左右为对称的透明的亚克力板做成的侧壁(3)，侧壁(3)上开有隧道模型槽(26)；模型箱前面为钢板制成的前壁(19)，前壁(19)上切割出一个隧道横断面用于放置隧道模型(16)和走线；模型箱后面为钢板制成的后壁(4)；模型箱底板由上盘(18)和下盘(5)构成，上盘(18)固定于框架上，下盘(5)与后壁(4)固定连接，且与侧壁(3)和上盘(18)保持空隙，下盘(5)的底面安装加载装置；
所述加载装置由丝杆(6)、丝杆滑块(7)、直线型滑块(8)和传力杆(9)组成；传力杆(9)一端铰接在下盘(5)的底面，另一端铰接直线型滑块(8)；直线型滑块(8)和丝杆滑块(7)固定连接，丝杆滑块(7)和丝杆(6)滑动配合安装；
所述导向装置包括底部导向装置和侧向导向装置(14)；
所述底部导向装置包括三角形支架(10)，伸缩杆(11)，下叶(12)和上叶(13)；三角形支架(10)和下叶(12)固定于上盘(18)上，并通过伸缩杆(11)连接；上叶(13)固定于下盘(5)上，上叶(13)和下叶(12)之间保持空隙，并用聚四氟乙烯薄膜填充；
所述侧向导向装置(14)由静止导向块(20)、滑块(21)、滑轨(22)、变角度导向块(23)、滑轮(24)和固定板(25)组成；变角度导向块(23)安装在框架的立柱上，静止导向块(20)固定于后壁(4)上，滑块(21)一端连接静止导向块(20)，另一端在滑轨(22)上直线滑动运动，滑轨(22)与变角度导向块(23)固定，且变角度导向块(23)的边缘通过齿轮传动与滑轮(24)连接，滑轮(24)固定在固定板(25)上。
2.根据权利要求1所述的一种模拟隧道穿越活断层的抗错动性能试验装置，其特征在于，所述上盘(18)与前壁(19)、下盘(5)与后壁(4)之间的空隙用土工布和凡士林密封，上盘(18)和下盘(5)的交界处铺设一层聚乙烯薄膜。
3.根据权利要求1所述的一种模拟隧道穿越活断层的抗错动性能试验装置，其特征在于，所述前壁(19)和后壁(4)采用16号工字钢，上盘(18)和下盘(5)采用18号工字钢。
4.根据权利要求1所述的一种模拟隧道穿越活断层的抗错动性能试验装置，其特征在于，所述加载装置连接伺服电机，由电脑控制加载装置。
5.根据权利要求1所述的一种模拟隧道穿越活断层的抗错动性能试验装置，其特征在于，所述底部导向装置中，通过伸缩杆(11)调节上叶(13)和下叶(12)的角度，实现无极旋转15-90°，模拟断层倾角。
6.根据权利要求1所述的一种模拟隧道穿越活断层的抗错动性能试验装置，其特征在于，所述侧向导向装置(14)中，通过滑轮组(15)控制侧变角度导向块(23)的旋转角度，使侧向和底部导向装置的角度一致，下盘(5)加载方向沿着断层线(17)保持一致。
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