本发明涉及一种倾斜岩层物理模型试验装置及方法，尤其是一种用于地下工程中不同倾角倾斜岩层物理模型试验装置及方法。
背景技术：
随着地下工程建设的快速发展，地下工程不断走向深部，围岩环境也越来越复杂，地下岩层在地应力和外力等作用下形成倾斜分布岩层，为保障倾斜岩层中工程施工开挖与运行安全，研究岩层的变形破坏及围岩的应力位移变化等物理力学特性已经成为地质岩层研究领域的一个重要课题。但是由于地质岩层复杂多变，影响因素众多，传统理论方法难以胜任，数值模拟困难重重，现场监测工作量大、周期长、成本高，相比之下，物理力学模型试验以其形象、直观、真实的特性成为成为了研究这一复杂地质环境的重要科学手段。物理模型试验是根据相似原理采用缩尺模型将复杂的地质岩层通过物理模型进行相似再现，研究真实岩层中发生的现象和过程的规律，对复杂地质岩层中工程建设具有指导意义。
传统的物理模型试验装置只适用于水平岩层的相似模拟，倾斜岩层的制备技术尚不成熟，模型试验中较小的误差就会造成与实际工程有很大的偏差，因此如何进行精准制备倾斜岩层就成为模型试验能否取得成功的关键，目前国内外有关倾斜岩层物理模型试验装置及方法研究现状如下：
《岩土力学》2009年第7期介绍了一种缓倾角层理各向异性岩体隧道稳定性的物理模型试验，将层状岩体概化为层状制作的模型，模型的层间采用极软的薄膜隔断实现分层，但方法仅实现缓倾角层理，且每层岩层的厚度无法保证相等，加载方式为平面应变加载方式。
《岩石力学与工程学报》2013年第8期介绍了一种75°倾角正断层黏滑错动对公路隧道影响的模型试验装置，通过箱底施加强制位移，模拟断层的错动，实现隧道在断层影响下的受力和变形研究，但只能模拟单一断层，且不能实现三维加载。
《煤炭学报》2013年第7期介绍了一种特厚急倾斜煤层开采岩层移动模拟试验，制备了不同厚度的倾斜煤层，揭示了50°倾角特厚煤层分层开采时岩层变形破坏的特征和机理，但是该实验装置没有进行倾斜煤层分层压实，没有实现真三维加载。
《岩土力学》2016年第10期介绍了一种不同倾角多层节理深部岩体开挖模型试验，在试验台架内倾斜摊铺材料，人工逐层夯实材料实现节理岩体模拟，但是人工夯实倾斜材料难以做到节理角度和方向的精确控制，精度差、误差大，从而导致模型节理岩体形态与实际岩体存在较大差异，严重影响模型试验结果的可靠性。
《岩土工程学报》2017年第12期介绍了一种层状围岩与盾构管片衬砌相互作用关系的相似模型试验，试验中通过将模型围岩沿不同的层理方向锯切出2.0mm的间隙来模拟层状围岩的层理面，实现了不同层理倾角下管片衬砌壁后围岩变性破坏分析研究，但锯切节理面无法精准控制方向与开度，且该实验只能实现平面应变加载。
申请号为201510011652.X的发明专利介绍了一种倾斜岩层物理相似模拟试验装置及方法，通过液压千斤顶调节整个模型试验架的倾斜角度实现倾斜岩层的制备，但是该装置成本高，操作难度大，难以用于大型物理模型试验。
技术实现要素：
本发明的目的是为克服上述现有技术的不足，提供一种可模拟不同倾角倾斜岩层的物理模型试验装置及方法，该装置可精确制备物理模型试验中中不同倾角的倾斜岩层，实现倾角，厚度，材料用量的精确控制，且该装置造价较低，构造简单，操作便捷，安全性好，且能用于大型三维物理模型试验。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
一种模拟不同倾角倾斜岩层物理模型试验装置，包括反力系统、加载系统、制备系统、压实系统；通过调整倾斜角度既可以进行水平岩层物理模型试验，也能够满足不同倾斜角度的倾斜岩层物理模型试验。
具体的，每个系统结构如下：
所述的制备系统包括导向框、加载板、条形控制板和阻板件，所述的导向框固定在所述的反力系统内，所述的加载板安装在导向框上；所述的条形控制板用于控制每层材料用量，其通过连接件安装在位于导向框前、后两个面的加载板上；所述的阻板件安装在位于导向框底部的加载板上，用于阻挡压实板的滑动；
所述的压实系统用于压实倾斜岩层每层的相似材料，其包括三角形加载块、压实板、弧面承载块和锚固螺栓；所述的压实板倾斜安装在所述的导向框内，其与条形控制板、底部加载板和左加载板或者右加载板形成一个横截面为三角形的加载区域；所述的压实板上固定有多个弧面承载块，每个弧面承载块与一个所述的三角形加载块配合；
所述的加载系统对上、下、前、后、左、右加载板和所述的压实板提供加载力，所述的反力系统为所述的加载系统提供反力。
通过条形控制板和阻板件精确控制倾斜岩层的倾角和方向以及每层的材料用量，实现倾斜岩层制备的高度精细化，克服了人工摊料压实导致的误差影响。
进一步优选的，所述的反力系统由上、下、左、右、前、后六面的反力架组成，反力架之间通过高强螺栓连接。
进一步优选的，所述的加载系统包括位于反力架前、后、左、右、上、下六个面上的液压千斤顶，位于前、后、左、右、下方的液压千斤顶的缸体固定于所述的反力架上，动力杆安装矩形推力器对加载板进行加载；位于反力架上方的液压千斤顶的缸体固定于所述的反力架上，其动力端连接圆形垫筒，所述的圆形垫筒连接所述的三角形加载块，对压实板进行施力。
进一步优选的，位于反力架上面的液压千斤顶在进行地应力加载时，拆除其动力端连接的圆形垫筒，连接上加载板，进行地应力加载。
进一步优选的，所述的条形控制板包括多个，多个条形控制板按照一定的倾斜角度依次安装导向框前、后两个面的加载板上。
进一步优选的，所述的阻板件包括多个，多个阻板件按照设定的间距和位置水平的安装在所述的底部加载板上。
进一步优选的，所述的阻板件为阻板钢筋。
进一步优选的，所述的三角形加载块可在弧面承载块上自由滑动。
进一步优选的，所述的圆形垫筒用于连接顶端液压千斤顶与三角形加载块，两者之间的间距通过调节圆形垫筒的数量来控制。
进一步优选的，所述的导向框放在所述的反力架内，其为一个矩形框架结构，其上设有导轨，六面加载板插装在所述的导轨内。
本发明公开来的一种利用本发明的装置进行倾斜岩层物理模型试验的方法是：
第一步，制作条形控制板。根据试验设计的倾斜岩层的倾角以及分层厚度h，将矩形钢板切割成条形控制板，并用连接螺栓将第一块条形控制板固定在加载板上。
第二步，铺填岩层相似材料。根据计算好的比例称取实验所需第一层相似材料原料，采用搅拌机搅拌均匀后倒入制备系统的第一层相似材料铺填空间，沿条形控制板边缘用刮板刮平，刮平后用木板轻轻碾压。
第三步，安装压实系统。
3-1、将压实板放在相似材料上面，压实板底部放在底部加载板上的阻板件前面，防止压实过程中钢板滑动。
3-2、用锚固螺栓将弧面承载块固定在压实板上，将三角形加载块盛放于弧面加载块上，保证在加载过程中三角形加载块顶面始终保持水平。
3-3、测量顶部液压千斤顶与三角形加载块顶面之间的间距，选取合适数量的圆形垫筒，将液压千斤顶与三角形加载块进行连接。
第四步，压实相似材料。根据相似材料成型压力P0计算液压千斤顶的压力设定值P＝P0/cosα，启动加载系统对铺填好的相似材料进行加载压实，并稳压24小时。
第五步，试验模型成型。第一层压实后，拆除压实系统，并在第一层材料表面撒云母片(或隔层相似材料)作为隔层。安装第二块条形控制板，重复操作第二步至第四步，依次类推，直至第二层、第三层、......，将各层相似材料铺填压实完毕形成试验设计的倾斜岩层。
第六步，地应力加载。根据相似比尺和实际工程中的地应力设定六面液压千斤顶的压力值，进行地应力加载，形成实验所需的地应力。
本发明技术优势如下：
1、通过调整倾斜角度既可以进行水平岩层物理模型试验，也能够满足不同倾斜角度的倾斜岩层物理模型试验。
2、克服只能制备单一断层的缺点，采用倾斜分层压实的方法制备倾斜岩层，保证材料压得均匀密实。
3、精确控制倾斜岩层的倾角和方向以及每层的材料用量，实现倾斜岩层制备的高度精细化，克服了人工摊料压实导致的误差影响。
4、本发明保证整体物理模型试验系统不移动，不旋转，极大减小人力物力及外部影响，操作安全系数高。
5、本发明不受试验位置影响，满足不同现场需要，且能够用于大型三维物理模型试验。
6、本发明装置结构紧凑、操作简便安全、稳定性好、造价成本低，实验测试方便、周期短，模拟过程形象直观可控，具有广泛的应用前景。
附图说明
构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。
图1是本发明的整体结构示意图；
图2是本发明的平面结构示意图；
图3是本发明的制备系统结构示意图；
图4是本发明的压实系统结构示意图；
其中，1.反力架、2.液压千斤顶、3.矩形推力器、4.导向框、5.加载板、6.条形控制板、7.圆形垫筒、8.三角形加载块、9.压实板、10.阻板件、11.连接螺栓、12.弧面承载块、13.锚固螺栓。
具体实施方式
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
为了方便叙述，本发明中如果出现“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”字样，仅表示与附图本身的上、下、左、右、前、后方向一致，并不对结构起限定作用,仅仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的设备或元件必须具有特定的方位，以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
术语解释部分:本发明中的术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或为一体；可以是机械连接，也可以是电连接，可以是直接连接，也可以是通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部连接，或者两个元件的相互作用关系，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明的具体含义。
正如背景技术部分所指出的，传统的物理模型试验装置只适用于水平岩层的相似模拟，倾斜岩层的制备技术尚不成熟，模型试验中较小的误差就会造成与实际工程有很大的偏差，因此如何进行精准制备倾斜岩层就成为模型试验能否取得成功的关键；因此本申请提出了一种可模拟不同倾角倾斜岩层的物理模型试验装置及方法，该装置可精确制备物理模型试验中中不同倾角的倾斜岩层，实现倾角，厚度，材料用量的精确控制，且该装置造价较低，构造简单，操作便捷，安全性好，且能用于大型三维物理模型试验。
本申请的一种典型的实施方式中，如图1-4所示，一种模拟不同倾角倾斜岩层物理模型试验装置，包括反力系统、加载系统、制备系统、压实系统，其中：
反力系统由上、下、左、右、前、后六面的由高强钢板制成的反力架1组成，为加载系统提供反力，多个反力架1之间通过高强螺栓连接；
加载系统由液压千斤顶2和矩形推力器3组成，其中位于反力架左、右、前、后、上、下五个面上的液压千斤顶2的缸体部分固定于反力架1上，动力端安装有矩形推力器3对模型材料进行加载，模拟地应力条件；其中位于反力架上面的液压千斤顶2连接圆形垫筒7对压实板进行加载。
进一步优选的，位于顶部的液压千斤顶在进行地应力加载时，拆除其动力端连接的圆形垫筒，连接上加载板，进行地应力加载。制备系统由导向框4、加载板5、条形控制板6、阻板件10以及连接螺栓11组成，主要用于盛放并制备倾斜岩层。所述的导向框4用于控制六面加载板5的移动方向；所述的条形控制板6通过连接螺栓11与加载板5连接，安装于导向框4前后面，用于控制每层材料用量以及控制倾斜岩层的倾角和方向。所述的阻板件10安装于导向框4底部的加载板5上，用于阻挡在材料压实过程中压实板9的滑动。
进一步的优选的，导向框4为一个矩形框架结构，其上设有导轨，六面加载板插装在所述的导轨内。
进一步的优选的，条形控制板6包括多个，多个条形控制板按照一定的倾斜角度依次安装导向框前、后两个面的加载板上。
进一步的优选的，阻板件10包括多个，多个阻板件按照设定的间距和位置水平的安装在所述的底部加载板上。
压实系统由圆形垫筒7、三角形加载块8、压实板9、弧面承载块12和锚固螺栓13组成，用于压实倾斜岩层每层的相似材料。所述的圆形垫筒7用于连接顶端液压千斤顶2与三角形加载块8，两者之间的间距通过调节圆形垫筒7的数量来控制。所述的弧面承载块12通过锚固螺栓13固定在压实板9上，用于盛放三角形加载块8，三角形加载块8可在弧面承载块12上自由滑动，保证在压实板9方向发生变化时圆形垫筒7始终保持竖直向下，从而保证液压千斤顶2的安全使用。
进一步的，压实板9倾斜安装在导向框内，其与条形控制板、底部加载板和左加载板或者右加载板形成一个横截面为三角形的加载区域。
本发明提供的一种利用本发明的装置进行倾斜岩层物理模型试验的方法是：
第一步，制作条形控制板
如图1和图2所示，根据试验设计的倾斜岩层的倾角以及分层厚度h，将矩形钢板切割成条形控制板6，并用连接螺栓11将第一块条形控制板6固定在加载板5上。
第二步，铺填岩层相似材料
根据计算好的比例称取实验所需第一层相似材料原料，采用搅拌机搅拌均匀后倒入制备系统的第一层相似材料铺填空间，沿条形控制板6边缘用刮板刮平，刮平后用木板轻轻碾压。
第三步，安装压实系统
1、如图1和图2所示，将压实板9放在相似材料上面，压实板9底部放在底部加载板5上的阻板件10前面，防止压实过程中钢板滑动。
2、如图4所示，用锚固螺栓13将弧面承载块12固定在压实板9上，将三角形加载块8盛放于弧面加载块12上，保证在加载过程中三角形加载块8顶面始终保持水平。
3、测量顶部液压千斤顶2与三角形加载块8顶面之间的间距，选取合适数量的圆形垫筒7，将液压千斤顶2与三角形加载块8进行连接。
第四步，压实相似材料
根据相似材料成型压力P0计算液压千斤顶2的压力设定值P＝P0/cosα，启动加载系统对铺填好的相似材料进行加载压实，并稳压24小时。
第五步，试验模型成型
第一层压实后，拆除压实系统，并在第一层材料表面撒云母片(或隔层相似材料)作为隔层。安装第二块条形控制板6，重复操作第二步至第四步，依次类推，直至第二层、第三层、......，将各层相似材料铺填压实完毕形成试验设计的倾斜岩层。
第六步，地应力加载
根据相似比尺和实际工程中的地应力设定六面液压千斤顶2的压力值，进行地应力加载，形成实验所需的地应力；
具体的是，拆除顶面液压千斤顶在第五步中连接的圆形垫筒7和三角形加载块8，直接在动力端安装有矩形推力器，矩形推力器连接顶部的加载板，进行地应力加载。
以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。