一种模拟断裂错动与地下水变化的地裂缝试验装置及方法与流程

文档序号:20274784发布日期:2020-04-03 19:30阅读:来源:国知局

技术特征:

1.一种模拟断裂错动与地下水变化的地裂缝试验装置,其特征在于:包括模型箱(1)、设置在模型箱(1)内的固定平台(4)和设置在模型箱(1)内的移动平台(8),所述模型箱(1)上设置有透明玻璃(19),所述模型箱(1)内铺设有模型土层,所述移动平台(8)的底部设置有错位调节机构,所述固定平台(4)上表面由下至上依次设置有第一底板(3)、第一防水板(2)和第一隔水板(12),所述移动平台(8)上表面由下至上依次设置有第二底板(11)、第二防水板(9)和第二隔水板(10),所述错位调节机构包括支架(6)、设置在移动平台(8)底部的千斤顶(5)和设置在移动平台(8)底部四角且能沿支架(6)滑动的滑移限位部件(7),所述模型土层位于第一隔水板(12)和第二隔水板(10)上,所述模型土层包括基岩层和多个由下至上依次铺设的模拟土层,所述模拟土层内铺设有注水管,所述注水管的进水口与供水管(18-3)连接,所述注水管的出水口与排水管(17-1)连接,所述排水管(17-1)伸入收集量筒(17-3),所述供水管(18-3)与供水量筒(18-1)连接,所述排水管(17-1)上设置有排水阀(17-2),所述供水管(18-3)上设置有供水阀(18-2);

所述固定平台(4)远离移动平台(8)的一端设置有第一侧板(2-1),所述移动平台(8)远离移动平台(8)的一侧设置有第二侧板(17),所述第二侧板(17)与模型箱(1)的内侧面之间设置有错位角度调节机构。

2.按照权利要求1所述的一种模拟断裂错动与地下水变化的地裂缝试验装置,其特征在于:所述支架(6)包括安装在移动平台(8)两端的第一倾斜支撑板(6-3)和第二倾斜支撑板(6-1),以及两个对称连接于第一倾斜支撑板(6-3)和第二倾斜支撑板(6-1)之间的连接板(6-2),所述连接板(6-2)的两端与第一倾斜支撑板(6-3)和第二倾斜支撑板(6-1)铰接;

所述第一倾斜支撑板(6-3)的顶端设置有多个沿移动平台(8)的宽度方向布设的第一耳座(6-4),所述第二倾斜支撑板(6-1)的顶端设置有多个沿移动平台(8)的宽度方向布设的第二耳座(6-7),所述第一耳座(6-4)内穿设有第一转轴(6-5),所述第二耳座(6-7)内穿设有第二转轴(6-6),所述第一转轴(6-5)的两端穿过固定平台(4)靠近移动平台(8)的一端。

3.按照权利要求2所述的一种模拟断裂错动与地下水变化的地裂缝试验装置,其特征在于:所述固定平台(4)靠近移动平台(8)的一端设置第一凸起(4-1)、第二凸起(4-2)和第三凸起(4-3),所述第一凸起(4-1)和第二凸起(4-2)之间的间距与第二凸起(4-2)和第三凸起(4-3)之间的间距相同,所述第二凸起(4-2)的底部设置有容纳槽(4-4);

所述第一耳座(6-4)包括第一个左耳座(6-4-1)、第二个左耳座(6-4-2)和第三个左耳座(6-4-3),所述第一个左耳座(6-4-1)位于第一凸起(4-1)和第二凸起(4-2)之间,且第一个左耳座(6-4-1)与第一凸起(4-1)贴合,所述第二个左耳座(6-4-2)位于容纳槽(4-4)内,所述第三个左耳座(6-4-3)位于第三凸起(4-3)和第二凸起(4-2)之间,且第二个左耳座(6-4-2)与第三凸起(4-3)贴合,所述第一转轴(6-5)依次穿过第一凸起(4-1)、第一个左耳座(6-4-1)、第二个左耳座(6-4-2)、第三个左耳座(6-4-3)和第三凸起(4-3)。

4.按照权利要求1所述的一种模拟断裂错动与地下水变化的地裂缝试验装置,其特征在于:所述滑移限位部件(7)的数量为四个,四个所述滑移限位部件(7)的结构均相同,所述滑移限位部件(7)包括两个对称布设的l形板(7-1)、穿设在两个l形板(7-1)之间的限位转轴(7-4)和套装在限位转轴(7-4)上且位于两个l形板(7-1)之间的转动轮(7-2),所述转动轮(7-2)远离支架(6)的一端设置有挡板(7-3),所述转动轮(7-2)的圆弧面靠近支架(6)布设;

所述l形板(7-1)包括安装在移动平台(8)底面的水平部和与所述水平部呈垂直布设的竖直部,所述水平部上设置有腰形孔(7-5),所述移动平台(8)上设置有安装孔(8-1),所述安装孔(8-1)和腰形孔(7-5)内穿设有用于固定连接移动平台(8)与l形板(7-1)的固定螺栓,所述竖直部上设置有供限位转轴(7-4)穿设的转轴安装孔。

5.按照权利要求1所述的一种模拟断裂错动与地下水变化的地裂缝试验装置,其特征在于:所述错位角度调节机构包括倾斜布设在模型箱(1)靠近移动平台(8)的一侧的倾斜滑轨(13)、设置在倾斜滑轨(13)上的滑移座(16)和对移动平台(8)进行限位的限位板(15),所述限位板(15)通过连接架(14)与滑移座(16)固定连接。

6.一种利用如权利要求1所述的装置模拟断裂错动与地下水变化的地裂缝试验方法,其特征在于,该试验方法包括以下步骤:

步骤一、试验前准备:

步骤101、在模型箱(1)内搭建固定平台(4)和移动平台(8);其中,移动平台(8)的底部设置有错位调节机构;

步骤102、在固定平台(4)上表面由下至上依次设置第一底板(3)、第一防水板(2)和第一隔水板(12),在移动平台(8)上表面由下至上依次设置有第二底板(11)、第二防水板(9)和第二隔水板(10);

步骤103、在第一隔水板(12)上铺设第一土工布,第二隔水板(10)上铺设第二土工布;

步骤104、在模型箱(1)的前侧面正对设置摄像头,在模型箱(1)的顶部架设上摄像头;

步骤二、在模型箱内铺设模型土层、注水管、埋设传感器并与数据采集仪连接:

步骤201、在第一土工布和第二土工布上均铺设基岩,形成基岩层;

步骤202、在基岩层上铺设粉砂,形成下粉砂层;其中,所述下粉砂层内铺设有第一注水管;

步骤203、在固定平台(4)上的下粉砂层内沿固定平台(4)的长度方向埋设四个第一个左土压力盒(20),并在四个第一个左土压力盒(20)的中心处埋设第一个左水分计(21);

步骤204、按照步骤203所述的方法,在移动平台(8)上的下粉砂层内埋设四个第一个右土压力盒(22)和第一个右水分计(23);

步骤205、在下粉砂层上铺设粉质粘土,形成下粉质粘土层;其中,所述下粉质粘土层内铺设有第二注水管,所述第二注水管与所述第一注水管连接;

步骤206、按照步骤203和步骤204,分别埋设四个第二个左土压力盒(24)和第二个左水分计(25),以及四个第二个右土压力盒(26)和第二个右水分计(27);

步骤207、在下粉质粘土层上铺设粉砂,形成上粉砂层;其中,所述上粉砂层内铺设有第三注水管,所述第三注水管与所述第二注水管连接;

步骤208、按照步骤203和步骤204,在上粉砂层中分别埋设四个第三个左土压力盒(28)和第三个左水分计(29),以及四个第三个右土压力盒(30)和第三个右水分计(31);

步骤209、在固定平台(4)上的上粉砂层中埋设第一个左孔压计(32),在移动平台(8)上的上粉砂层中埋设第一个右孔压计(33);

步骤2010、在上粉砂层上铺设粉质粘土,形成上粉质粘土层;其中,所述上粉质粘土层内铺设有第四注水管,所述第四注水管与所述第三注水管连接,且所述第一注水管、所述第二注水管、所述第三注水管和所述第四注水管一体连接组成所述注水管;

步骤2011、按照步骤203和步骤204,分别埋设四个第四个左土压力盒(34)和第四个左水分计(35),以及四个第四个右压力盒(36)和第四个右水分计(37),并按照步骤209所述的方法,分别埋设第二个左孔压计(38)和第二个右孔压计(39);

步骤2012、在上粉质粘土层上铺设粉土,形成粉土层;

步骤2013、在模型箱(1)的顶部架设横梁,并沿横梁的长度方向均布多个位移计(40);

步骤2014、将第一个左水分计(21)、第一个右水分计(23)、第二个左水分计(25)、第二个右水分计(27)、第三个左水分计(29)、第三个右水分计(31)、第四个左水分计(35)、第四个右水分计(37)、第一个左孔压计(32)、第一个右孔压计(33)、第二个左孔压计(38)和第二个右孔压计(39)、第一个左土压力盒(20)、第一个右土压力盒(22)、第二个左土压力盒(24)、第二个右土压力盒(26)、第三个左土压力盒(28)、第三个右土压力盒(30)、第四个左土压力盒(34)、第四个右压力盒(36)的输出端均与数据采集仪连接;

步骤2015、将下粉砂层、下粉质粘土层、上粉砂层、上粉质粘土层均称为模拟土层,并将其由下至上进行排序,得到第j个模拟土层;其中,j为正整数,且1≤j≤4;

步骤三、向模型土层内部注水:

步骤301、位移计(40)对模型土层表面的初始间距进行检测,并将第i个位移计(40)检测到的初始间距记作si,0;

步骤302、在模型箱(1)顶部安装供水量筒(18-1),模型箱(1)底部放置收集量筒(17-3),并使排水管(17-1)伸入收集量筒(17-3),供水管(18-3)与供水量筒(18-1)连接;其中,供水管(18-3)与所述注水管的入口连接,所述注水管的出口与排水管(17-1)连接;

打开供水阀(18-2)通过注水管为模型箱(1)内的模型土层注水,之后,注水后的模型土层室温下静置;

步骤303、在注水后的模型土层室温下静置的过程中,当第一个左水分计(21)、第一个右水分计(23)、第二个左水分计(25)、第二个右水分计(27)、第三个左水分计(29)、第三个右水分计(31)、第四个左水分计(35)、第四个右水分计(37)检测到的含水量与实际地层对应的不同深度的含水量相同,第一个左孔压计(32)、第一个右孔压计(33)、第二个左孔压计(38)和第二个右孔压计(39)检测到的孔隙水压力与实际地层对应的不同深度的孔隙水压力相同,则停止为模型箱(1)内的模型土层注水,并获取总注水体积vz和模型土层的模拟地下水位hd;否侧,继续为模型箱(1)内的模型土层注水并静置;

步骤四、模拟模型土层断裂错动模拟:

步骤401、调节错位角度调节机构,以使移动平台(8)下降时形成断层与固定平台水平面延长线之间的夹角为45°~80°;

步骤402、操作千斤顶(5)收缩,滑移限位部件(7)沿支架(6)滑动而带动移动平台(8)下降,在移动平台(8)下降的过程中,模型土层发生断层;

步骤403、在模型土层发生断层的过程中,前摄像头按照预先设定的采样时间对模型土层的前侧面地裂缝图像进行实时采集,上摄像头按照预先设定的采样时间对模型土层的上表面地裂缝图像进行实时采集,通过第k个采样时刻的上表面地裂缝图像得到第k个采样时刻上表面地裂缝最大宽度as(k),通过第k个采样时刻的前侧面地裂缝图像得到第k个采样时刻第j个模拟土层的侧面地裂缝最大宽度ac,j(k);其中,k为正整数;

同时,通过第j个左土压力盒按照预先设定的采样时间对第j个左土压力盒处的应力进行检测,得到第k个采样时刻第j个模拟土层的左应力εj,z(k),通过第j个右土压力盒按照预先设定的采样时间对第j个右土压力盒处的应力进行检测,得到第k个采样时刻第j个模拟土层的右应力εi,y(k),根据公式εj,zy(k)=|εj,z(k)-εj,y(k)|,得到第k个采样时刻第j个模拟土层的应力变化量εj,zy(k);通过第j个左孔压计按照预先设定的采样时间对第j个左孔压计处的孔隙水压力进行实时检测,得到第k个采样时刻第j个模拟土层的左孔隙水压力pj,z(k),通过第j个右孔压计按照预先设定的采样时间对第j个右孔压计处的孔隙水压力进行实时检测,得到第k个采样时刻第j个模拟土层的右孔隙水压力pj,y(k),根据公式pj,zy(k)=|pj,z(k)-pj,y(k)|,得到第k个采样时刻第j个模拟土层的孔隙水压力变化量pj,zy(k);

步骤404、在移动平台(8)下降的过程中,获取第k个采样时刻移动平台(8)的下降量,并记作第k个采样时刻断裂错动量为b(k);

步骤405、直至移动平台(8)下降的垂直位移为30cm~40cm时,停止千斤顶(5)收缩,将得到的第k个采样时刻第j个模拟土层的应力变化量和第k个采样时刻第j个模拟土层的侧面地裂缝最大宽度ac,j(k)按照采样时间先后顺序排序,并以横坐标为应力变化量,纵坐标为侧面地裂缝最大宽度,得到第j个模拟土层的侧面地裂缝宽度应力变化曲线;

将得到的第k个采样时刻第j个模拟土层的应力变化量和第k个采样时刻上表面地裂缝最大宽度as(k)按照采样时间先后顺序排序,并以横坐标为应力变化量,纵坐标为上表面地裂缝最大宽度,得到上表面地裂缝宽度应力变化曲线;

将得到的第k个采样时刻第j个模拟土层的孔隙水压力变化量和第k个采样时刻侧面地裂缝最大宽度ac,j(k)按照采样时间先后顺序排序,并以横坐标为孔隙水压力变化量,纵坐标为侧面地裂缝最大宽度,得到第j个模拟土层的侧面地裂缝宽度孔隙水压力变化曲线;将得到的第k个采样时刻第j个模拟土层的孔隙水压力变化量和第k个采样时刻上表面地裂缝最大宽度as(k)按照采样时间先后顺序排序,并以横坐标为孔隙水压力变化量,纵坐标为上表面地裂缝最大宽度,得到上表面地裂缝宽度孔隙水压力变化曲线;

步骤406、将得到的第k个采样时刻断裂错动量为b(k)和第k个采样时刻第j个模拟土层的侧面地裂缝最大宽度ac,j(k)按照采样时间先后顺序排序,并以横坐标为断裂错动量,纵坐标为侧面地裂缝最大宽度,得到第j个模拟土层的侧面地裂缝断裂错动量变化曲线;

将得到的第k个采样时刻断裂错动量为b(k)和第k个采样时刻上表面地裂缝最大宽度ac(k)按照采样时间先后顺序排序,并以横坐标为断裂错动量,纵坐标为上表面地裂缝最大宽度,得到上表面地裂缝断裂错动量变化曲线;

步骤407、位移计(40)对模型土层表面的间距进行检测,并将第i个位移计(40)检测到的一次间距记作si,1,根据公式li,1=si,1-si,0,从而得到模型土层发生断层时第i个位移计(40)检测到的模型土层的上表面沉降量li,1;

步骤五、模型土层排水模拟地下水位变化:

步骤401、将排水阀(17-2)打开,并在模型土层的顶部加压进行排水,模拟地下水位变化;

步骤402、在模型土层排水的过程中,按照步骤405和步骤407所述的方法,得到地下水位变化过程中第j个模拟土层的侧面地裂缝宽度应力变化曲线和地下水位变化过程中第j个模拟土层的上表面地裂缝宽度应力变化曲线,以及地下水位变化过程中第j个模拟土层的侧面地裂缝宽度孔隙水压力变化曲线和地下水位变化过程中第j个模拟土层的上表面地裂缝宽度孔隙水压力变化曲线;

同时位移计(40)对模型土层表面的二次间距进行检测,并将第i个位移计(40)检测到的二次间距记作si,2;根据公式li,2=si,2-si,1,从而得到模型土层地下水位变化时第i个位移计(40)检测到的模型土层的上表面沉降量li,2。

步骤403、直至第一个左水分计(21)、第一个右水分计(23)、第二个左水分计(25)、第二个右水分计(27)、第三个左水分计(29)、第三个右水分计(31)、第四个左水分计(35)、第四个右水分计(37)检测到的含水量不发生变化,第一个左孔压计(32)、第一个右孔压计(33)、第二个左孔压计(38)和第二个右孔压计(39)检测到的孔隙水压力不发生变化时,且模型土层的上表面不再沉降,前侧面地裂缝图像和上表面地裂缝图像中地裂缝不变化时,完成模拟试验。

7.按照权利要求6所述的试验方法,其特征在于:步骤201中基岩层的厚度为20cm~30cm;步骤202中下粉砂层的厚度为60cm~70cm;步骤205中下粉质粘土层的厚度为40cm~50cm;步骤207中上粉砂层的厚度为40cm~50cm;步骤2010中上粉质粘土层的厚度为60cm~70cm;步骤2012中粉土层的厚度为30cm~40cm;预先设定的采样时间为1min~10min。

8.按照权利要求6所述的试验方法,其特征在于:步骤四中还进行如下具体过程:

步骤a、通过第k个采样时刻的上表面地裂缝图像得到第k个采样时刻上表面地裂缝长度ls(k),通过第k个采样时刻的前侧面地裂缝图像得到第k个采样时刻的侧面地裂缝长度lc(k);其中,k为正整数;

步骤b、根据得到第k个采样时刻模型土层的平均应力变化量将第k个采样时刻上表面地裂缝长度ls(k)和第k个采样时刻模型土层的平均应力变化量按照采样时间先后顺序排序,并以横坐标为平均应力变化量,纵坐标为上表面地裂缝长度,得到上表面地裂缝长度应力变化曲线;

将第k个采样时刻的侧面地裂缝长度lc(k)和第k个采样时刻模型土层的平均应力变化量按照采样时间先后顺序排序,并以横坐标为平均应力变化量,纵坐标为侧面地裂缝长度,得到侧面地裂缝长度应力变化曲线;

步骤c、根据得到第k个采样时刻模型土层的平均孔隙水压力变化量

步骤d、按照步骤b所述的方法,得到上表面地裂缝长度孔隙水压力变化曲线和侧面地裂缝长度孔隙水压力变化曲线。

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