隧道断层错动模型试验装置及错动模型试验系统的制作方法

本发明涉及一种隧道断层错动模型试验装置及错动模型试验系统。

背景技术

断层黏滑错动，不仅能够引起地震灾害，而且带来的地层永久性变形会因断层两侧的差异运动而对地上及地下工程造成很大影响。

在活动断层作用下，山岭隧道的变形破坏特征如何，其影响范围为多少，隧道所能承受的最大断层位移有多大等，这一系列问题成为活动断层区隧道工程的关键所在。

国内外很多学者针对地震引起的地层永久变形，通过理论解析方法、数值模拟方法以及室内模型试验方法等，研究地下构造物的受力变形机理，并测量相关数据。但是，断层黏滑错动是一个复杂的过程，多数研究只是针对某一方面进行研究，测量结果不够准确。

因此，室内试验需要研发出新型综合模型箱，以尽最大可能模拟断层黏滑错动效果，以期了解地层结构相互作用特征，断层错动引起的结构变形和内力变化规律，为穿越断裂带的隧道结构设计提供相对准确的技术参考。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种隧道断层错动模型试验装置及错动模型试验系统，以解决现有技术中存在的断层黏滑错动模型试验装置测量不够准确的技术问题。

为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

本发明提供的一种隧道断层错动模型试验装置，包括外箱、内箱、加载部及测量部；

所述内箱设置在所述外箱的内部，所述内箱与所述外箱之间具备间隙；

所述内箱的底壁及相邻的两个侧壁上均设有加载部，所述加载部用于对所述内箱施加推力；

所述测量部设置在所述内箱的内部。

进一步地，所述外箱为顶部开口的箱体。

进一步地，所述内箱为顶部开口的箱体。

进一步地，所述外箱的侧壁上设有横撑。

进一步地，所述外箱的侧壁上设有竖撑。

进一步地，还包括基座；

所述外箱设置在所述基座上。

进一步地，所述基座的顶部设有限位凸起。

进一步地，所述加载部通过所述基座设置在所述内箱的底壁。

进一步地，所述加载部通过反力墙设置在所述内箱的侧壁。

本发明还提供一种错动模型试验系统，包括加料装置、控制装置及如前述的隧道断层错动模型试验装置；

所述加料装置用于将隧道模型放置到所述内箱内部并向所述内箱内部填充实验用土；

所述控制装置用于控制所述加料装置进行加料及控制所述加载部推动所述内箱。

本发明提供的隧道断层错动模型试验装置及错动模型试验系统，将隧道模型放置在内箱的内部，在内箱的内部填充实验用土埋置隧道模型，待稳定后记录测量部的初始数据，开始试验，启动全部或部分加载部，对内箱施加推力，模拟断层错动，得到在发生断层错动时隧道的受力变形数据和裂缝分布规律，测量准确，测试范围广，使用方便，成本低，解决了现有的断层黏滑错动模型试验装置测量不够准确的问题，适于进行推广应用。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例一提供的一种隧道断层错动模型试验装置的主视结构示意图；

图2为本发明实施例一提供的一种隧道断层错动模型试验装置的侧视结构示意图；

图3为本发明实施例一提供的一种隧道断层错动模型试验装置的俯视结构示意图。

附图标记：

100-外箱；200-内箱；300-加载部；

400-基座；500-反力墙；201-横撑；

202-竖撑；401-限位凸起。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，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装置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。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

实施例一：

在本实施例的可选方案中，如图1至图3所示，本实施例提供的一种隧道断层错动模型试验装置，包括外箱100、内箱200、加载部300及测量部；

内箱200设置在外箱100的内部，内箱200与外箱100之间具备间隙；

内箱200的底壁及相邻的两个侧壁上均设有加载部300，加载部300用于对内箱200施加推力；

测量部设置在内箱200的内部。

在本实施例中，在模具内浇筑隧道模型，达到强度后取出，并在隧道模型上粘贴应变片；然后将隧道模型放置在内箱200的内部，在内箱200的内部填充实验用土埋置隧道模型，待稳定后记录测量部的初始数据，准备开始试验；启动全部或部分加载部300，对内箱200施加推力，模拟断层错动，得到在发生断层错动时隧道的受力变形数据和裂缝分布规律，测量准确，测试范围广，功能多样，加载速率可调控，使用方便，成本低。

在本实施例中，内箱200与外箱100之间垫设有钢板或其他材料，在支撑内箱200以使内箱200与外箱100之间保持一定的间隙的同时，使内箱200具备一定的移动空间。

在本实施例中，具体地，加载部300对应设置在内箱200的下侧、左侧、后侧。

在本实施例中，优选地，加载部300包括千斤顶；具体采用液压千斤顶，数控可调。

在本实施例中，测量部包括压力传感器及测试仪，埋置在内箱200内部；具体地，压力传感器设置在围岩和初支之间、初支与二衬之间，测量围压的变化。

在本实施例中，采集应变片被拉伸或压缩的数据，获取隧道模型的尺寸变形，分析后得到相关数据。

需要说明的是，根据隧道实际所处断层的不同的运动特点，将按实际断层地质条件填充完毕的内箱200分为上盘(沉降盘)和下盘(固定盘)；保持下盘不动，左侧和下侧的加载部300合力升降实现上盘沉降，可以任意调节断层的倾角，从而实现断层黏滑错动模拟；保持下盘不动，后侧的加载部300推动上盘沿前后方向滑动，从而实现断层走滑错动的模拟。

在本实施例中，本装置能够模拟出试验所需的一定范围的黏滑错动角度，并且，还可以进行走滑错动模拟而不需要再制作一个走滑试验装置。

在本实施例的可选方案中，外箱100为顶部开口的箱体。

在本实施例的可选方案中，内箱200为顶部开口的箱体。

在本实施例中，外箱100和内箱200均顶部开口，一方面方便装置的架设，另一方面，便于隧道模型及物料的加入和取出，使得装置整体的使用更加便利。

在本实施例的可选方案中，外箱100的侧壁上设有横撑201。

在本实施例中，横撑201平行于水平方向，固定连接在外箱100的内壁或外壁上；相邻的侧壁上的横撑201设置高度相同且相互连接。

在本实施例的可选方案中，外箱100的侧壁上设有竖撑202。

在本实施例中，竖撑202平行于竖直方向，固定连接在外箱100的内壁或外壁上；竖撑202与横撑201交叉，竖撑202使得横撑201的位置更加稳定。

在本实施例中，横撑201和竖撑202配合作用，使得外箱100的结构更加坚固，更加稳定。

在本实施例的可选方案中，还包括基座400；外箱100设置在基座400上。

在本实施例中，基座400对外箱100起支撑及固定的作用，进而支撑并固定内箱200。

在本实施例中，外箱100支撑并固定内箱200，防止内箱200由基座400上掉落。

在本实施例的可选方案中，基座400的顶部设有限位凸起401。

在本实施例中，基座400顶部靠近侧边处设有限位凸起401，防止外箱100在试验时被加载部300由基座400上推落，增加了试验的安全性。

在本实施例中，具体地，限位凸起401对应设置在基座400的右侧、前侧。

在本实施例中，基座400的材质为混凝土。

在本实施例的可选方案中，加载部300通过基座400设置在内箱200的底壁。

在本实施例中，对应内箱200底壁的加载部300，其一端固定在基座400上，其另一端用于对内箱200的底壁施加推力。

在本实施例的可选方案中，加载部300通过反力墙500设置在内箱200的侧壁。

在本实施例中，对应内箱200侧壁的加载部300，其一端固定在反力墙500上，其另一端用于对内箱200的侧壁施加推力。

在本实施例中，不工作时，加载部300整体处于外箱100的外侧，工作时，加载部300的自由端由外箱100上的预留孔伸入外箱100，与内箱200接触并对内箱200施加推力。

需要说明的是，本装置能够模拟的断层活动情形主要包括：

1、逆断层黏滑错动

对应内箱200底壁和左侧壁的加载部300加载，上盘整体上升，在内箱200内部模拟的覆盖层中形成了明显的断裂，并向上传播至模拟的砂土表面，断层情形得以模拟；本试验考虑的逆断层黏滑错动，主要是通过较快的加载速率来模拟，兼顾数据采集的可操作性，取上盘的垂直位移速率为1mm·min^-1；加载过程中，自动采集应变片和压力传感器数据，以断层垂直方向位移为控制量，测试不同位移时隧道模型的受力变形；加载结束后，开挖内箱200内的填充物料，并观察隧道模型的最终破坏形态，了解裂缝的分布规律。

2、正断层黏滑错动

对应内箱200底壁和左侧壁的加载部300加载，将上盘提升至设定高度处后固定，然后在内箱200内填充实验用土，再埋置隧道模型、压力传感器及测试仪，待稳定后记录初始数据，而后开始试验，对应内箱200底壁和左侧壁的加载部300收缩，上盘整体下沉，在覆盖层中形成了明显的断层，并向上传播至砂土表面，断层情形得以模拟；本试验考虑的正断层黏滑错动，主要是通过较快的加载速率来模拟，兼顾数据采集的可操作性，取上盘的垂直位移速率为1mm·min^-1，后续步骤同逆断层黏滑错动。

3、断层走滑

仅加载对应内箱200后侧壁的加载部300，推动上盘走滑；本试验考虑的断层走滑错动，主要是通过较快的加载速率来模拟，兼顾数据采集的可操作性，取上盘的位移速率为1mm·min^-1；加载过程中，自动采集应变片和压力传感器数据，以断层水平方向位移为控制量，测试不同位移时隧道模型的受力变形；加载结束后，开挖并观察隧道模型的最终破坏形态，了解裂缝的分布规律。

实施例二：

在本实施例的可选方案中，本实施例提供的一种错动模型试验系统，包括加料装置、控制装置及如实施例一所述的隧道断层错动模型试验装置；

加料装置用于将隧道模型放置到内箱200内部并向内箱200内部填充实验用土；

控制装置用于控制加料装置进行加料及控制加载部300推动内箱200。

在本实施例中，加料装置包括机械手，机械手抓取隧道模型并将其放置在内箱200内部。

在本实施例中，加料装置还包括加料铲，用于向内箱200内部添加实验用土以埋置隧道模型。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。