地应力效应下活动断裂带错动位移分布模型试验装置的制造方法
【技术领域】
[0001]本发明属于岩体力学模型试验装备技术领域，具体涉及一种地应力效应下活动断裂带错动位移分布模型试验装置。
【背景技术】
[0002]活动断裂带是指晚第四纪期间(特指距今约0.15Ma以来)曾多次活动，现在及未来仍将继续活动的断裂带；它做为最新的地表构造形迹，其活动性必会体现在地貌、强震活动、地质体错动等方面。
[0003]当交通隧道或水工隧洞等穿越活动断裂带时，活动断裂带的错动(黏滑和蠕滑)会使隧道(洞)围岩、支护结构经受严重的剪切作用，使隧道(洞)产生大规模塌方、支护结构破坏，造成极大的伤亡和损失。我国属于地震多发国家，活动断裂带广泛分布，近年来在西部建设诸多交通隧道、水工隧洞不可避免地穿越了活动断裂带。因此，在隧道(洞)无法规避活动断裂带的情况下，研究活动断裂带错动时断裂带内地质体的位移分布模式及其演化规律，对于揭示隧道(洞)围岩响应，科学设计支护体系具有重要意义。
[0004]岩体工程模型试验是以相似理论为基础，通过在比例缩小的模型试件中进行加载、开挖等操作，模拟工程现场隧道(洞)所处的应力状态、开挖等条件，监测试件在给定条件下的变形与位移特征、应力分布、破坏形态和破坏机制等；从而为工程现场隧道(洞)的开挖施工及支护设计提供指导和借鉴。因此，模型试验被广泛应用于岩体工程(隧道(洞)、巷道等)的施工和研究中。在涉及活动断裂带的施工研究中，国内外学者为了不同研究目的研制了各种活动断裂带或错动带模型试验装置，应用于穿越活动断裂带隧道(洞)的支护研究中，如:
[0005]岩石力学与工程学报(2008年第11期)设计了一种大比例尺三维地裂缝与地铁隧道结构模型试验装置用于研究地裂缝活动对地铁衬砌隧道变形破坏规律与受力模式的影响，隧道模型一端跨地面，一端跨沉降平台，采用多个等间距成排布设的千斤顶人为控制上下盘岩体的升降速度。
[0006]岩石力学与工程学报(2011年第12期)设计了一种断层粘滑错动条件下隧道支护监测系统，通过固定断层下盘，在上盘部位底部施加整体抬升的竖向位移来模拟逆断层的错动。
[0007]中国专利申请公布号为CN104142274A，公布日为2014.11.12，发明名称为《岩土直剪试验装置及方法》，该申请案公布了一种可以对加载试件竖向和横向加载量进行控制的剪切试验装置。
[0008]当前，对于活动断裂带运动效应的模型试验研究主要是通过剪切试验或者简单的物理模型试验装置模拟，这与活动断裂带地质体实际状况不符。当前试验装置与设备主要存在以下问题:
[0009]1、直剪试验设备中
[0010]模型试验往往通过简单的剪切设备完成，不能给试样中间软弱带施加围压，无法形成三向荷载，剪切带厚度较小，实际为面剪切而不是带剪切；不能模拟隧洞的开挖，无法研究开挖后效应。
[0011]2、常规三轴试验设备中
[0012]模型试验不能控制剪切方向，不能限制试样转动，不能开挖隧洞。
[0013]3、现有的活动断裂带或错动带模型试验装置中
[0014]现有部分试验装置中，隧道在试验开始前就已经开挖完成，随后在施加荷载研究其规律。这与地下工程隧道开挖是在地应力已存在的给定应力状态下进行开挖不同，即开挖时的受力情况与实际不符。同时，部分试验装置模型尺寸太大，试验成本太高、重复试验性不强或不能施加三向荷载。
[0015]在对考虑地应力作用的活动断裂带地质体位移分布模式的问题进行分析时，大多采用数值模拟进行分析，缺乏相关的模型试验装置。
【发明内容】
[0016]鉴于当前试验装置存在的问题，本发明的目的在于设计一种地应力效应下活动断裂带错动位移分布模型试验装置，可以实现对试件进行三向加载与开挖，实现活动断裂带两盘闭合与沿断裂带滑动效应的模拟。研究活动断裂带错动时断裂带内地质体的位移分布模式及其演化规律，为揭示隧道(洞)围岩响应，科学设计支护体系提供了可靠的实验手段。
[0017]为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案包括液压缸、空心千斤顶、顶盖、底座、限位筒、加载压头、承载压头、上部垫块、下部垫块、直线导轨和外套筒，其特征在于:顶盖和底座之间为试样室，试样室由上方的空心千斤顶和顶盖、侧面环绕的液压缸和底部的底座安装构成；空心千斤顶固定在顶盖顶部，顶盖固定在液压缸上缘，底座固定在液压缸下缘；在顶盖的下表面固定有限位筒；底座的上表面沿直径安装有直线导轨；空心千斤顶的加载活塞穿过顶盖的中心伸入限位筒内。限位筒内、加载活塞下方为加载压头；加载压头和承载压头分别外套在外套筒的上部和下部；外套筒中从上至下依次包裹有上部垫块、上试件、岩土试样、下试件和下部垫块；承载压头的底部安装在直线导轨上；底座上还设置有连通试样室的进液口和排液口；进、排液口均连接液压油机。
[0018]上述技术方案中，所述的加载压头设置在限位筒中；加载压头为一端开口的圆柱桶形，开口端的侧面为加载压头侧壁，另一端为加载压头顶部；在加载压头顶部的上方设置轴向加载装置；加载压头侧壁内部、加载压头顶部的下方设置有外套筒；在加载压头侧壁上还设置有多个加载压头穿孔。
[0019]上述技术方案中，所述的液压缸、空心千斤顶、限位筒、加载压头、承载压头均为圆筒形，上部垫块、下部垫块均为圆柱形，液压缸、空心千斤顶、限位筒、加、承载压头以及上、下部垫块的中心轴线重合。
[0020]上述技术方案中，岩土试样整体为斜截圆柱体形，顶部和底部的椭圆的长轴与水平面夹角均为α，α在30°?45°之间；上试件是底部为斜截圆柱体的圆柱体，其底面为被与水平面夹α角的平面切得长轴和水平面夹角α的椭圆形；下试件是顶部为斜截圆柱体的圆柱体，其顶面为被与水平面夹α角的平面切得长轴和水平面夹角α的椭圆形；岩土试样、上试件的底面和下试件的顶面的各个椭圆形斜面尺寸相同，且各个椭圆形斜面的长轴与底座的直线导轨的轴线位于同一铅垂面内。
[0021]上述技术方案中，加载压头是底部为斜截圆柱体的圆柱体，其底面为被与水平面夹β角的平面切得长轴和水平面夹角β的椭圆形；加载压头和承载压头的直径相同，承载压头是顶部为斜截圆柱体的圆柱体，其顶面为被与水平面夹β角的平面切得长轴和水平面夹角β的椭圆形；β在30°?45°之间；每个椭圆形的长轴与直线导轨的中轴线位于同一铅垂面内。
[0022]上述技术方案中，加载活塞、加载压头、上部垫块沿中轴线位置设置有直径相同的预留孔，预留孔直径为上试件直径的1/3?1/5。
[0023]上述技术方案中，上试件和下试件的圆柱体的直径均为0.5m、上试件和下试件的圆柱体最高高度在0.3?0.5m之间；岩土试样为斜截圆柱体，相应的两个椭圆面之间的距离为0.3?0.5m之间ο
[0024]上述技术方案中，所述外套筒为弹性材质制成。
[0025]上述技术方案中，上下试件和下试件使用同样的材料制作，且上、下试件比岩土试样的硬度大。
[0026]由上述提供的技术方案可以看出，本发明设计的一种地应力效应下活动断裂带错动位移分布模型试验装置，具有以下优点:
[0027]1、整体上岩土结构模型由相似材料制作而成的上、下试件和岩土试样组合而成，整体为圆柱体。中部的岩土试样相比于上、下试件的硬度低，岩性软弱，模拟活动断裂带上、下盘之间的软弱地质体，上、下试件则模拟断裂带上、下盘，三者组合而成的模型试样与活动断裂带地质体特征更相符。岩土试样的设