模拟断层处隧道应力特征的实验装置及方法与流程

本发明属于力学分析技术领域，尤其是涉及一种模拟隧道穿越断层时应力特征的实验装置及方法。

背景技术：

随着我国交通建设的快速发展，在其修建过程中一些隧道不可避免的会穿越活断层，且穿越断层的隧道在断层处极易受到破坏。为了提高隧道安全性，需要通过模型实验模拟确定断层对隧道应力特征的影响，而这一操作是非常困难的。现有技术中，常用的方法如下：(1)通过专门的大型设备如振动台等大型实验设备来模拟，(2)通过小型断层错动隧道模型实验装置进行模拟。然而，前者的设备占地面积大，实验仪器操作复杂，不便于操作；后者的精度不高，难以准确模拟断层处隧道应力特征及变形。因此，亟需一种方便实用的模拟断层处隧道应力特征的实验装置及方法，便于操作且有助于提高工作效率。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是为了克服现有设备的操作不便、精度不高的缺点，提供一种模拟断层处隧道应力特征的实验装置及方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：模拟断层处隧道应力特征的实验装置，包括基座以及布设于基座上的轨道，基座上轴对称设置有左箱和右箱，左箱和右箱能够在基座上活动，左箱包括相互拼接的前板、后板、左板、右板和底板，前板和后板对称设置，左板和右板对称设置，前板包括前下板及前中板，前下板及前中板能够拼接成无缝的板面，左板包括相拼接的左下板和左中板，左下板和左中板形成供隧道模型穿过的隧道洞口，左箱还包括对称设置的前支撑板和后支撑板，前下板与水平液压千斤顶的后端相连，水平液压千斤顶的前端与前支撑板相连，左箱在水平液压千斤顶的作用下能够前后移动；底板通过垂直加载部件与水平支撑板相连，水平支撑板底部设置有可沿着轨道左右滑动的滑轮，左箱在垂直加载部件的作用下能够左右移动。

进一步的，左箱上还设置有位移传感器及倾角测量仪。

具体的，垂直加载部件的个数为4个，分别设置在底板底部前、后、左、右四个方向上。

进一步的，左箱上还设置有荷重传感器。

进一步的，绕隧道洞口周边设置有垫片。

优选的，前板还包括与前中板拼接的前上板，左板还包括与左中板相拼接的左上板，左上板顶部与前上板顶部在同一水平面上，前上板与左上板相连接，同理，后板与右板也同样设置。

进一步的，前左下板、前右下板、前左中板、前右中板、前支撑板和后支撑板皆采用矩形板。

本发明解决其技术问题所采用的另一技术方案是：基于如上的装置的模拟断层处隧道应力特征的实验方法，包括以下步骤：

a.放置隧道模型，并使得其两端分别放置在左箱的左侧的隧道洞口与右箱的右侧的隧道洞口上，在左箱和右箱内填土并压密，并将隧道模型与隧道洞口不贴合的部分填土压实；

b.在轨道上左右移动左箱和右箱，使二者之间距离达到设置的断层宽度，再分别调整左箱和右箱的各个垂直加载部件，调节左箱与右箱的倾角，通过倾角测量仪测量倾角是否满足预设的断层倾角，并不断调整相应的垂直加载部件，使得倾角达到预设的断层倾角；

c.调节各个水平液压千斤顶，使左箱与右箱前后缓慢移动，以模拟断层缓慢错动下隧道应力特征的变化，并利用位移传感器监测错动量，同时利用荷重传感器监测应力大小，记录各数据以便完成后续实验分析。

具体的，改变各个预设的断层宽度及倾角，重复步骤b-c。

本发明的有益效果是：结构小巧，便于安装，易于操作，且能够在基座上前后左右四个方向活动，能够独立准确调整移动距离与倾角，利用位移传感器及倾角测量仪能够对移动距离及倾角进行定量分析，以模拟各种断层宽度、断层倾角的组合情况，提高结果准确度与可靠性。本发明用于测量断层隧道附近应力特征。

附图说明

图1是本发明实施例的俯视图；

图2是本发明实施例的正视图；

图3是本发明实施例的后视图；

图4是本发明实施例的左视图；

图5是本发明实施例的右视图；

图6是本发明实施例中水平液压千斤顶主体单元的结构示意图；

图7为实施例前下板及前中板的结构示意图；

其中，12为轨道，13为基座，221为左箱，222为右箱，111为左箱前上板，112为左箱前中板，113为左箱前下板，121为右箱前上板，122为右箱前中板，123为右箱前下板，131为左箱后上板，132为左箱后中板，133为左箱后下板，141为右箱后上板，142为右箱后中板，143为右箱后下板，151为左箱左上板，152为左箱左中板，153为左箱左下板，161为右箱右上板，162为右箱右中板，163为右箱右下板，231为左箱底板，232为右箱底板，251为左箱右上板，252为左箱右中板，253为左箱右下板，261为右箱左上板，262为右箱左中板，263为右箱左下板，51为左箱后支撑板，52为左箱前支撑板，53为右箱后支撑板，54为右箱前支撑板，61为左箱荷重传感器，62为右箱荷重传感器，71为左箱位移传感器，72为右箱位移传感器，191为左箱倾角测量仪，192为右箱倾角测量仪，81为左箱第二水平液压千斤顶，82为左箱第一水平液压千斤顶，83为右箱第二水平液压千斤顶，84为右箱第一水平液压千斤顶，21为水平液压千斤顶主体单元，91为左箱后左侧垂直加载部件，92为左箱前左侧垂直加载部件，93为左箱后右侧垂直加载部件，94为左箱前右侧垂直加载部件，95为右箱后左侧垂直加载部件，96为右箱前左侧垂直加载部件，97为右箱后右侧垂直加载部件，98为右箱前右侧垂直加载部件，172隧道洞口，41为垫片，201为后液压支座，202为前液压支座，181为高强螺栓，24为铰支座，101为左箱水平支撑板，102为右箱水平支撑板。

具体实施方式

下面结合附图及实施例，详细描述本发明的技术方案。

实施例

如图1-5所示，本发明的模拟隧道穿越断层时应力特征的实验装置，包括基座13以及布设于基座13上的轨道12，基座13上轴对称设置有中空的左箱221和右箱222，左箱221和右箱222均可沿基座独立的前后左右移动。

为了便于区分，在本例中，具体描述左箱221和右箱222的结构。具体而言，在左箱部件前加左箱，在右箱部件前加右箱，以便于区分。

左箱221包括相互拼接的左箱前板、左箱后板、左箱左板、左箱右板和左箱底板，左箱前板、左箱后板、左箱左板、左箱右板和左箱底板围绕成中空且无顶盖的腔体，左箱前板和左箱后板对称设置，左箱左板和左箱右板对称设置，也可以不对称设置，但是考虑到装置平衡性及实验效果上，优选对称设置。

左箱221的前板包括左箱前下板113及左箱前中板112，左箱前下板113及左箱前中板112以卡接或其他方式拼接能够拼接成无缝的板面。左箱前下板113及左箱前中板112结构示意图如图7所示，在左箱前下板的顶端设置有凸头，在左箱前中板底端设置有与凸头匹配的凹槽，如此可以固定连接左前下板及左前中板，其他板之间也可以使用类似的拼接方式。

左箱221的左板包括左箱左下板153和左箱左中板152，左箱左下板153和左箱左中板152形成供隧道模型穿过的隧道洞口，具体而言，左箱左下板153和左箱左中板152的凹槽部分可组成隧道断面所需形状即隧道洞口172。

左箱221的后板包括左箱后下板133及左箱后中板132，左箱后下板133及左箱后中板132拼接能够拼接成无缝的板面。左箱221的右板包括左箱右下板253和左箱右中板252，左箱右下板253和左箱右中板252形成供隧道模型穿过的隧道洞口172。

还可根据埋深情况增加左箱前上板111、左箱左上板151，左箱前上板111与左箱前中板112相拼接，左箱左上板151与左箱左中板152相拼接。同理，左箱后板与左箱右板也同样设置，即左箱后板还包括与左箱后中板132相拼接的左箱后上板131，左箱右板还包括与左箱右中板252相拼接的左箱右上板251。上述的各个上板相互拼接，且顶部在同一水平面上。

左箱221还包括对称设置的左箱前支撑板52和左箱后支撑板51，左箱前支撑板52和左箱后支撑板51皆与基板相连，左箱前下板113与前液压支座202通过高强螺栓181与左箱第一水平液压千斤顶82的后端相连，左箱第一水平液压千斤顶82的前端与后液压支座201通过高强螺栓181与左箱前支撑板52相连。由于后板与前板结构对称，左箱后下板133与前液压支座202通过高强螺栓181与左箱第二水平液压千斤顶81的前端相连，左箱第二水平液压千斤顶81的后端与后液压支座201通过高强螺栓181与左箱后支撑板51相连。水平液压千斤顶主体单元的结构如图6，水平液压千斤顶的主体单元即水平液压千斤顶除去位移传感器与荷重传感器的部分，水平液压千斤顶包括第一水平液压千斤顶82、左箱第二水平液压千斤顶81以及右箱第一水平液压千斤顶84、右箱第二水平液压千斤顶83。左箱可在第一水平液压千斤顶82、左箱第二水平液压千斤顶81的作用下前后移动，此处的前后是与轨道垂直的方向。

左箱底板231的底面通过铰支座24分别与左箱前左侧垂直加载部件92、左箱后左侧垂直加载部件91、左箱前右侧垂直加载部件94、左箱后右侧垂直加载部件93的上端相连，前述四个垂直加载部件的底端分别与左箱水平支撑板101相连，左箱水平支撑板101底部设置有滑轮，滑轮可沿基座上布设的轨道12左右滑动以便于调整断层的宽度。在上述垂直加载部件的作用下可调整左箱的倾角。各个支撑板及垂直加载部件均布设于基座上。

右箱222包括相互拼接的右箱前板、右箱后板、右箱左板、右箱右板和右箱底板，右箱前板、右箱后板、右箱左板、右箱右板和右箱底板围绕成中空且无顶盖的腔体，右箱前板和右箱后板对称设置，右箱左板和右箱右板对称设置，也可以不对称设置，但是考虑到装置平衡性及实验效果上，优选对称设置。

右箱222的前板包括右箱前下板123及右箱前中板122，右箱前下板123及右箱前中板122以卡接或其他方式拼接能够拼接成无缝的板面。其拼接方式类似左箱的前板。右箱222的左板包括右箱左下板263和右箱左中板262，右箱左下板263和右箱左中板262形成供隧道模型穿过的隧道洞口。右箱222的后板包括右箱后下板143及右箱后中板142，右箱后下板133及右箱后中板132拼接能够拼接成无缝的板面。右箱的右板包括右箱右下板163和右箱右中板162，右箱右下板163和右箱右中板162形成供隧道模型穿过的隧道洞口172。

还可根据埋深情况增加右箱前上板121、右箱左上板261，右箱前上板121与右箱前中板122相拼接，右箱左上板261与右箱左中板262相拼接。同理，右箱后板与右箱右板也同样设置，即右箱后板还包括与右箱后中板142相拼接的右箱后上板141，右箱右板还包括与右箱右中板162相拼接的右箱右上板161。上述的各个上板相互拼接，且顶部在同一水平面上。

右箱222还包括对称设置的右箱前支撑板54和右箱后支撑板53，右箱前支撑板54和右箱后支撑板53皆与基板相连。右箱前下板123与前液压支座202通过高强螺栓181与右箱第一水平液压千斤顶84的后端相连，右箱第一水平液压千斤顶84前端与后液压支座201通过高强螺栓181与右箱前支撑板54相连。由于后板与前板结构对称，右箱后下板143与前液压支座202通过高强螺栓181与右箱第二水平液压千斤顶83的前端相连，右箱第二水平液压千斤顶83的后端与后液压支座201通过高强螺栓181与右箱后支撑板53相连。右箱可在右箱第一水平液压千斤顶84、右箱第二水平液压千斤顶83的作用下前后移动。

右箱底板232的底面分别通过铰支座24与右箱前右侧垂直加载部件98、右箱后右侧垂直加载部件97、右箱前左侧垂直加载部件96、右箱后左侧垂直加载部件95的上端相连，前述四个垂直加载部件的底端分别与右箱水平支撑板102相连，右箱水平支撑板102底部设置有滑轮，滑轮可沿基座上布设的轨道12左右滑动以便于调整断层的宽度。在上述垂直加载部件的作用下可调整右箱的倾角。

在左箱、右箱上都还可以设置位移传感器、倾角测量仪、荷重传感器中的一个或多个。其位置可以随意选择，但为了提高测量准确率，可以进行如下设置：

在左箱、右箱上各布设有位移传感器，左箱与右箱均可沿基座独立的前后左右移动，并通过位移传感器读出其移动距离。具体而言，可以分别设置在左箱、右箱上的任意位置处，优选的，在左箱第一水平液压千斤顶82上部布设有左箱位移传感器71，在右箱第一水平液压千斤顶84上部布设有右箱位移传感器72，如此设置是基于水平液压千斤顶水平稳定性，不会产生水平位移，提高测量准确度考虑的。

在左箱、右箱的水平液压千斤顶上还各布设有荷重传感器，荷重传感器用于监测水平液压千斤顶作用于左箱与右箱的力，具体而言，在左箱第二水平液压千斤顶81上设置有左箱荷重传感器61，在右箱第二水平液压千斤顶上设置有右箱荷重传感器62。在左箱与右箱上还分布设置有左箱倾角测量仪191与右箱倾角测量仪192，在垂直加载部件的作用下可独立调整左箱或右箱的倾角，并通过倾角传感器读出其倾角大小，以模拟各种断层宽度、断层倾角的组合情况。使用时按预设断层宽度、倾角调整左箱221、右箱222之间的距离与其倾角，使其满足实验要求。

在隧道洞口172处绕隧道洞口周边设置有刚度较好的垫片41以防止实验过程中隧道模型与隧道洞口接触不好导致该处隧道模型变形不受约束，提高装置的可靠性及测量准确率。

考虑到平衡及实现效果，上述各个板都采用矩形板。

基于如上的装置的模拟隧道穿越断层时应力特征的实验方法，包括以下步骤：

1.先取下左箱及右箱的前中板与前上板，同理，后板、左板、右板也同样设置，待取下各个中板与上板后，将隧道模型的两端分别放置在左箱的左隧道洞口与右箱的右隧道洞口上，再在模型箱内填土并压密，并将隧道模型与隧道洞口不贴合的部分填土压实。而后将各个中板与上板重新加载上去。

如果隧道模型尺寸和隧道洞口匹配，则无需拆卸各个中板与上板。

2.在轨道上左右移动左箱和右箱，使二者之间距离达到设置的断层宽度，再分别调整左箱和右箱的各个垂直加载部件，调节左箱与右箱的倾角，通过倾角测量仪测量倾角是否满足预设的断层倾角，并不断调整相应的垂直加载部件，使得倾角达到预设的断层倾角。

3.调节各个水平液压千斤顶，使左箱与右箱前后缓慢移动，以模拟断层缓慢错动下隧道应力特征的变化，并利用位移传感器监测错动量，同时利用荷重传感器监测应力大小，记录各数据以便完成后续实验分析。

通过荷重传感器及位移传感器的监测可实时反馈调节水平液压千斤顶对左箱与右箱的作用力与位移。

4.多次改变各个预设的断层宽度及倾角，多次重复步骤2-3，提高结果准确率。