一种可以考虑走滑型断层的隧道抗错断模型试验装置的制作方法

本发明设计隧道模型试验装置领域，具体涉及一种可以考虑走滑型断层的隧道抗错断模型试验装置。

背景技术：

随着经济建设持续向西部倾斜，对于新建的隧道工程，特别是长大隧道而言，往往不可避免的穿越位于西部地区的复杂不良地质区段，接近或跨越地震活动断裂带。一直以来对，对于隧道在运行期内对于地质灾害的防御，主要研究力量集中在隧道抗震问题上，但历次地震实践证明，隧道的破坏除振动破坏外，多发生在围岩质量差和地层条件有较大变化的断层破碎带。这些断层破碎带通常具有活动时代新、规模大、活动（较）强烈的特点，具有发生较为强烈错动的构造条件，断层破碎带的错动有蠕滑和粘滑两种运动形式，蠕滑一般瞬时位移量较小，对隧道结构威胁不大；而粘滑错动不仅错动量值较大，且往往会引发地震，造成隧道结构的不可修复性破坏。因此研究隧道结构在断层错动条件下的响应机理及破坏模式，是一个重要的科研方向。

由于模型试验相对数值模拟、理论推导等其它手段而言，非常形象、直观，可以较好的反应与隧洞工程有关的岩体地质特征并直接给出岩体-隧道的相互影响，且试验结果可以方便的与数值、理论模型相互验证，使得模型试验在研究中得以广泛应用。

而断层的类型可以按照其运动方式分为走滑断层和倾滑型断层。走滑断层的等震线通常对称分布于发震断层的两侧。其发震时破坏规模大，长度通常为数十公里甚至数百公里，宽度以数十米常见，整体来看呈狭长形状。倾滑型断层包括正断层和逆断层，两者产生的震害，在类型、力学性质及分布位置上基本相似。所产生的地面灾害一般情况下均为面状，主要表现为大面积挎山、滑坡、地面沉陷、砂土液化及松散堆积物上散步的张性，张扭性裂缝。其除此之外，断层还有可能兼具走滑型断层和倾滑型断层的性质，可称之为走倾兼备型。

目前，国内外已有的隧道抗错断模型试验装置中，如（刘学增, 刘金栋, 李学锋, 等. 逆断层铰接式隧道衬砌的抗错断效果试验研究[J]. 岩石力学与工程学报. 2015, 34(10): 2083-91.）（Majid Kiani, Tohid Akhlaghi, Abbas Ghalandarzadeh. Experimental modeling of segmental shallow tunnels in alluvial affected by normal faults[J]. Tunnelling and Underground Space Technology. 2016, 51(1): 108-19.），均仅考虑了正断层、逆断层这两种倾滑型断层，对走滑型断层缺乏考虑，更无法考虑兼具两种滑动特性的走倾兼备型断层错动。由于缺少可以考虑走滑型断层和走倾兼备型断层的试验手段，使得此类问题的研究主要通过数值模拟进行，导致研究结果的真实性不能保证。

技术实现要素：

本发明的目的就是为了克服以往的隧道抗错断试验装置的缺点和不足，针对以上以往的隧道抗错断试验装置不能考虑走滑型断层和走倾兼备型断层的现状，提出一种可以考虑走滑型断层的隧道抗错断模型试验装置。该装置既可考虑不同错动角度的正断层错动、走滑断层错动，也可考虑二者组合而成的走倾兼备型断层错动。具有广泛的应用前景。

为了实现上述目的，本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种可以考虑走滑型断层的隧道抗错断模型试验装置，包括模拟箱、走滑向推力系统和倾滑向推力系统，所述的模拟箱内放置隧道缩尺模型，隧道缩尺模型的端部设置三向推力钢板，模拟箱内填充有岩体填充材料，三向推力钢板包括两两相互垂直的侧部矩形钢板、底部矩形钢板、端部矩形钢板拼接而成，侧部矩形钢板垂直于水平面且位于隧道缩尺模型的侧部，底部矩形钢板平行于水平面且位于隧道缩尺模型的底部，端部矩形钢板位于隧道缩尺模型的端部，侧部矩形钢板设置有×形的三向推力钢板走滑侧加强筋，三向推力钢板走滑侧加强筋连接走滑向推力系统，底部矩形钢板设置有×形的三向推力钢板倾滑侧加强筋，三向推力钢板倾滑侧加强筋连接倾滑向推力系统。

如上所述的倾滑向推力系统包括倾滑向千斤顶推力万向转换头、第一连杆、倾滑向千斤顶和万向地锚支撑，倾滑向千斤顶推力万向转换头与三向推力钢板倾滑侧加强筋连接，倾滑向千斤顶的伸缩端穿过设置在模拟箱底板上的穿孔与倾滑向千斤顶推力万向转换头连接，倾滑向千斤顶的固定端与第一连杆一端连接，第一连杆另一端与万向地锚支撑连接；

所述的走滑向推力系统包括走滑向千斤顶推力万向转换头、第二连杆、走滑向千斤顶、万向支承和走滑向千斤顶反力支座，走滑向千斤顶推力万向转换头与三向推力钢板走滑侧加强筋连接，走滑向千斤顶的伸缩端穿过模拟箱的侧板上的穿孔与走滑向千斤顶推力万向转换头连接，走滑向千斤顶的固定端与第二连杆一端连接，第二连杆另一端与万向支承连接，万向支承设置在走滑向千斤顶反力支座上。

如上所述的模拟箱上四个侧部棱边和模拟箱的侧板上均设置有加强柱，模拟箱的侧板上还设置有有机玻璃观察窗。

如上所述的加强柱下方设置有模型箱支柱。

本发明与现有技术相比较，具有如下显著优点:

1.本发明通过设置侧向的走滑向推力系统，使得模型箱可以模拟在走滑断层错动下隧道模型的破坏模式；

2.本发明通过同时设置侧向的走滑向推力系统和底部的倾滑向推力系统，两部推力系统联合作用，使得模型箱可以模拟走倾兼备型断层错动。

采用本模型试验装置，对于研究穿越走滑断层、走倾兼备型断层的错断破坏模式与抗错断工程措施具有重要意义。

附图说明

图1为本发明的俯视结构示意图；

图2为本发明的侧视结构示意图；

图3为本发明的正视结构示意图；

图4为本发明的立体结构示意图；

图5为三向推力钢板部分俯视角立体结构示意图；

图6为三向推力钢板部分仰视角立体结构示意图。

其中，1-三向推力钢板；2-万向地锚支撑；3-第一连杆；4-加强柱；5-模型箱支柱；6-隧道缩尺模型；7-走滑向千斤顶；8-第二连杆；9-万向支承；10-走滑向千斤顶反力支座；11-模型箱；12-倾滑向千斤顶；13-走滑向千斤顶推力万向转换头；14-三向推力钢板走滑侧加强筋；15-倾滑向千斤顶推力万向转换头；16-三向推力钢板倾滑侧加强筋；17-有机玻璃观察窗；18-走滑向推力系统；19-倾滑向推力系统；20-岩体填充材料；101-侧部矩形钢板；102-底部矩形钢板；103-端部矩形钢板。

具体实施方式

结合附图，说明本发明的具体实施方式。

一种可以考虑走滑型断层的隧道抗错断模型试验装置，包括模拟箱11、走滑向推力系统18和倾滑向推力系统19，所述的模拟箱11内放置隧道缩尺模型6，隧道缩尺模型6的端部设置三向推力钢板1，模拟箱11内填充有岩体填充材料，三向推力钢板1包括两两相互垂直的侧部矩形钢板101、底部矩形钢板102、端部矩形钢板103拼接而成，侧部矩形钢板101垂直于水平面且位于隧道缩尺模型6的侧部，底部矩形钢板102平行于水平面且位于隧道缩尺模型6的底部，端部矩形钢板103位于隧道缩尺模型6的端部，侧部矩形钢板101设置有×形的三向推力钢板走滑侧加强筋14，三向推力钢板走滑侧加强筋14连接走滑向推力系统18，底部矩形钢板102设置有×形的三向推力钢板倾滑侧加强筋16，三向推力钢板倾滑侧加强筋16连接倾滑向推力系统19。

作为一种优选方案，模拟箱11包括钢板制成的顶部开口的长方形的模拟箱11，模拟箱11包括底板和四个侧板，四个侧板包括左壳板、右壳板、前壳板、后壳板，模拟箱11顶部开口，模型箱四个侧部棱边、前壳板的中部和后壳板的中部设置有加强刚度的加强柱4，前壳板和后壳板分别设置有2块透明的有机玻璃观察窗17。加强柱4下方设置有模型箱支柱5。模型箱11内部放置隧道缩尺模型6，在隧道缩尺模型6与模型箱11及三向推力钢板1之间的部分填充岩体填充材料20，并经由模型箱11上的穿孔由走滑向推力系统18和倾滑向推力系统19驱动，以模拟断层剪切错动，相似材料的剪切变位继而造成隧道缩尺模型的破坏。

隧道缩尺模型6依据真实隧道设计图纸，按照真实隧道的材料制成的模型。模型箱11内以及隧道缩尺模型6与三向推力钢板1之间填充岩体填充材料20。岩体填充材料20的材质与真实工程的地质条件的岩体相同或相似，也可以选用干燥黄沙。

倾滑向推力系统包括倾滑向千斤顶推力万向转换头15、第一连杆3、倾滑向千斤顶12和万向地锚支撑2，倾滑向千斤顶推力万向转换头15与三向推力钢板倾滑侧加强筋16连接，倾滑向千斤顶12的伸缩端穿过设置在模拟箱11底板上的穿孔与倾滑向千斤顶推力万向转换头15连接，倾滑向千斤顶12的固定端与第一连杆3一端连接，第一连杆3另一端与万向地锚支撑2连接。第一万向地锚支承2安装的部位决定模拟断层的错动角度，倾滑向千斤顶12提供推力以模拟错动，倾滑向千斤顶推力万向转换头15将推力施加于推力钢板1的底部矩形钢板102。

走滑向推力系统包括走滑向千斤顶推力万向转换头13、第二连杆8、走滑向千斤顶7、万向支承9和走滑向千斤顶反力支座10，走滑向千斤顶推力万向转换头13与三向推力钢板走滑侧加强筋14连接，走滑向千斤顶7的伸缩端穿过模拟箱11的侧板上的穿孔与走滑向千斤顶推力万向转换头13连接，走滑向千斤顶7的固定端与第二连杆8一端连接，第二连杆8另一端与万向支承9连接，万向支承9设置在走滑向千斤顶反力支座10上。走滑向千斤顶反力支座10安装的部位决定模拟断层的错动角度，走滑向千斤顶7提供推力以模拟错动、走滑向千斤顶推力万向转换头13将推力施加于推力钢板1的侧部矩形钢板。

利用一种可以考虑走滑型断层的隧道抗错断模型试验装置进行试验的方法：

步骤1、按照图1～4所示，制作本发明装置；

步骤2、按照真实工程的地质条件制作岩体填充材料20，岩体填充材料20的材质与真实工程的地质条件的岩体相同或相似，也可以选用干燥黄沙；

步骤3、按照真实工程的隧道图纸制作缩小尺寸的隧道缩尺模型6；

步骤4、按照拟研究的断层实际条件，设置安装万向地锚支撑2和走滑向千斤顶反力支座10，使得错断角度断层符合研究要求；

步骤5、将三向推力钢板1放置入模型箱11中，组装走滑向推力系统18和倾滑向推力系统19；

步骤6、在模型箱11内填筑岩体填充材料20至设定标高，放置隧道缩尺模型6进入模型箱11；

步骤7、继续填筑岩体填充材料20直至模型箱11的顶部；

步骤8、开动走滑向千斤顶7和倾滑向千斤顶12，进行试验；

步骤9、通过有机玻璃观察窗17观察并记录拍摄岩体填充材料20的破坏情况；

步骤10、记录试验数据，分析处理试验结果。

步骤11、待试验结束后，取出隧道缩尺模型6，观察记录隧道缩尺模型6破坏情况。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明的结构做任何形式上的限制。凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明的技术方案的范围内。