一种锁固型走滑断裂局部应力场演化的物理模拟系统

1.本发明涉及工程岩体物理模拟技术领域，特别是涉及一种锁固型走滑断裂局部应力场演化的物理模拟系统。


背景技术：

2.走滑断裂是与大地震关系最紧密的构造形迹。在实际地质作用中，走滑断裂的形成与构造应力密切相关，而构造应力的作用导致断裂面及紧邻的两盘岩体发生变形乃至错动，不同的运动方式对断层局部应力状态所造成的影响结果不同，进而派生出不同的断裂局部应力场。断层局部应力状态的变化与断裂的活动性又密切相关，从断裂活动性研究考虑，在地质组构上将断裂概化为断裂面及其两盘岩体，按力学行为进一步将断裂区分为具有不同力学属性的蠕滑段和锁固段，深入研究走滑断裂锁固单元(蠕滑段+锁固段+蠕滑段)对构造应力作用的响应过程和力学行为，构建反映活动断裂力学特性的概化模型，研究走滑断裂对构造应力作用的响应规律，揭示断裂活动的关键物理力学过程，全面认识走滑断裂局部应力场演化的影响因素，分析断裂局部应力场相对于构造应力场偏转对各影响因素的敏感性，建立走滑断裂活动性判据，更好地服务于防灾减灾监测预警的重大需求，对区域地壳稳定性评价具有重要的理论意义和实用价值。
3.在断裂应力场研究中通常采用理论分析、数值模拟以及物理模拟等研究方法，而物理模拟实验可将漫长地质时代中形成的某一构造形迹在符合实际地质背景的实验室条件下再现其演化过程，从而揭示地质体局部应力场在构造应力作用下的变化规律和机理，对于锁固型走滑断裂局部应力场演化及断裂活动性研究具有重要意义。目前已有一些对走滑断裂进行物理模拟的试验装置。例如专利cn201383278y，该专利是一种将已经做好的断层试样进行地震模拟演示，但其无法体现构造应力加载场的多向加载过程。又例如专利cn206312488u，运用物理模拟方式，实现了走滑断层形成过程的可视化模拟，但无法对既有走滑断层进行提前预制并模拟其加载破裂过程。又例如专利cn1128579398，实现了试件制备及试验加载的一体化，但操作较复杂，需要大量人力辅助装置工作，且只能制作土体的试样构件，无法制作类岩体材料的试样。
4.因此，亟需设计一种可以实现集成度高、智能化的锁固型走滑断裂局部应力场演化的物理模拟系统。


技术实现要素：

5.本发明的目的是提供一种锁固型走滑断裂局部应力场演化的物理模拟系统，以解决上述现有技术存在的问题，能够实现一体化、智能化的物理模拟试件制备及试验加载，通过计算机监测，机械臂辅助操作装置即可完成锁固型走滑断裂物理模拟试验过程中试件的制备与试验加载，本发明主要面向类岩体材料的试样构件，为锁固型走滑断裂局部应力场演化以及断裂活动性研究提供了一种操作简便、集成度高、人为干扰少的的试验系统。
6.为实现上述目的，本发明提供了如下方案：本发明提供一种锁固型走滑断裂局部
应力场演化的物理模拟系统，包括：
7.纵向压力组件，所述纵向压力组件安装于纵向支撑框架上；
8.横向压力组件，所述横向压力组件内安装有模具；
9.智能集成系统，所述智能集成系统在所述横向压力组件上滑动设置；
10.滑轨，所述滑轨限定于所述纵向支撑框架下方；所述滑轨上滑动设置有所述滑车；所述滑车上设置有所述模具及所述横向压力组件；
11.图像采集装置，所述图像采集装置设置于所述滑轨一侧，用于观测所述模具内应变场数据。
12.所述纵向压力组件还包括纵向作动机和纵向加压板；所述纵向支撑框架顶部横梁中部固定安装有所述纵向作动机；所述纵向作动机输出端固定安装有所述纵向加压板；所述纵向加压板水平设置。
13.所述横向压力组件包括两横向支撑板，两所述横向支撑板平行设置且两所述横向支撑板四角部通过连接杆固定连接；所述模具设置于两所述横向支撑板之间；
14.两所述横向支撑板上的两相对侧壁均固定安装有液压升降机；两侧所述液压升降机置于所述滑轨两侧；任一所述横向支撑板上还安装有固定螺栓，所述横向压力组件通过所述固定螺栓固定安装在所述滑车的定位螺孔上；
15.一所述横向支撑板上安装有横向作动机，所述横向作动机的输出端安装有旋转辅助板；所述模具一侧端面通过定位螺栓与所述旋转辅助板螺纹安装；
16.另一所述横向支撑板侧壁上安装有从动旋转器，且该述横向支撑板顶面开设有滑槽，所述滑槽上滑动设置有所述智能集成系统；所述从动旋转器设置于伸缩耦合器内，所述伸缩耦合器通过控制电机伸出或收入所述从动旋转器内。
17.所述模具为立方体结构，所述模具一侧通过所述定位螺栓固定安装在所述旋转辅助板；所述模具另一相对侧中部开设有定位槽，所述定位槽与所述伸缩耦合器耦合。
18.所述横向压力组件还包括横向加压板；所述横向加压板与所述旋转辅助板可替换设置。
19.所述智能集成系统包括滑动装置，伸缩机械臂，集成中枢，伸缩拉力杆，观测器，洒水器和振捣棒；
20.所述滑动装置底部沿所述滑槽水平滑移；所述滑动装置顶面安装有一所述伸缩机械臂；所述伸缩机械臂设置有至少两个，且所述伸缩机械臂之间彼此连接，实现方向转化；一所述伸缩机械臂的活动端与所述集成中枢一侧固定连接；所述集成中枢内安装有所述观测器和洒水器；所述观测器和洒水器均朝向所述模具顶面设置；所述集成中枢底面中心可替换传动连接有所述伸缩拉力杆或振捣棒；所述洒水器与所述集成中枢内水箱连通。
21.所述滑轨两侧形成有轨道；两侧所述轨道上均设置有滑动挡块；所述滑动挡块上开设有限位螺孔；一螺栓贯穿所述限位螺孔与所述轨道上开设的限定螺孔实现所述滑动挡块的限位。
22.所述滑车上开设有用于放置所述横向压力组件的安装槽；所述安装槽一侧开设有定位螺孔，所述定位螺孔用于固定所述横向压力组件；所述滑车上安装有滑轮，所述滑车通过滑轮在所述轨道上滑动。
23.所述滑车底面固定安装有至少一个液压支撑柱；所述液压支撑柱与所述滑轨上开
设的卡位槽对应配合。
24.所述图像采集装置包括图形采集器；所述图形采集器安装在支架上。
25.本发明公开了以下技术效果：本发明通过纵向压力组件和横向压力组件实现载荷控制，通过图像采集装置监测模具内应力场变化；将模具置于横向压力组件内，并将模具置于滑车上，通过滑车与滑轨实现模具的位置调节；通过安装在横向压力组件上的智能集成系统实现模具制备；本发明主要面向类岩体材料的试样构件，为锁固型走滑断裂局部应力场演化以及断裂活动性研究提供了一种操作简便、集成度高、人为干扰少的试验系统。
附图说明
26.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
27.图1为整体结构示意图；
28.图2为纵向压力组件结构示意图；
29.图3为智能集成系统结构示意图；
30.图4为模具结构示意图；
31.图5为横向压力组件结构示意图；
32.图6为横向压力组件结构示意图；
33.图7为横向加压板及承压板结构示意图；
34.图8为滑轨结构示意图；
35.图9为滑车结构示意图；
36.图10为图像采集装置结构示意图；
37.图11为试样构件及其侧视图(制样阶段)；
38.图12为试样构件及其侧视图(试验阶段)；
39.图13为液压升降机抬升横向压力机组件示意图；
40.其中，1、纵向压力组件；11、纵向支撑框架；12、纵向作动机；13、纵向加压板；2、智能集成系统；21、滑动装置；22、伸缩机械臂；23、振捣棒；24、集成中枢；25、伸缩拉力杆；26、观测器；27、洒水器；3、模具；31、定位槽；32、定位螺栓；4、横向压力组件；41、液压升降机；42、横向作动机；43、旋转辅助板；44、伸缩耦合器；45、从动旋转器；46、滑槽；47、固定螺栓；48、横向加压板；49、承压板；5、滑轨；51、轨道；52、限定螺孔；53、滑动挡块；54、限位螺孔；55、卡位槽；6、滑车；61、安装槽；62、定位螺孔；63、滑轮；64、液压支撑柱；7、图像采集装置；71、图形采集器；72、支架；81、声发射探头；82、预制裂隙；83、应变砖。
具体实施方式
41.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅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。
42.为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
43.本发明提供一种锁固型走滑断裂局部应力场演化的物理模拟系统，包括：
44.纵向压力组件1，纵向压力组件安装于纵向支撑框架11上；
45.横向压力组件4，横向压力组件内安装有模具3；
46.智能集成系统2，智能集成系统2在横向压力组件4上滑动设置；
47.滑轨5，滑轨5限定于纵向支撑框架11下方；滑轨5上滑动设置有滑车6；滑车6上设置有模具3及横向压力组件4；
48.图像采集装置7，图像采集装置7设置于滑轨5一侧，用于观测模具3内应变场数据。
49.纵向压力组件还包括纵向作动机12和纵向加压板13；纵向支撑框架11顶部横梁中部固定安装有纵向作动机12；纵向作动机12输出端固定安装有纵向加压板13；纵向加压板13水平设置。
50.在本发明的一个实施例中，本技术中纵向作动机12和横向作动机42均通过电脑控制工作。
51.横向压力组件4包括两横向支撑板，两横向支撑板平行设置且两横向支撑板四角部通过连接杆固定连接；模具3设置于两横向支撑板之间；
52.两横向支撑板上的两相对侧壁均固定安装有液压升降机41；两侧液压升降机41置于滑轨5两侧；任一横向支撑板上还安装有固定螺栓47，横向压力组件4通过固定螺栓47固定安装在滑车6的定位螺孔62上；
53.一横向支撑板上安装有横向作动机42，横向作动机42的输出端安装有旋转辅助板43；模具3一侧端面通过定位螺栓32与旋转辅助板43螺纹安装；
54.另一横向支撑板侧壁上安装有从动旋转器45，且该述横向支撑板顶面开设有滑槽46，滑槽46上滑动设置有智能集成系统2；从动旋转器45设置于伸缩耦合器44内，伸缩耦合器44通过控制电机伸出或收入从动旋转器45内。
55.在本发明的一个实施例中，通过将模具3先固定在旋转辅助板43上，再通过伸缩耦合器44伸缩实现模具3完全固定，便于拿取。
56.模具3为立方体结构，模具3一侧通过定位螺栓32固定安装在旋转辅助板43；模具3另一相对侧中部开设有定位槽31，定位槽31与伸缩耦合器44耦合。
57.进一步的，模具3六个面通过四个直角固定角铁固定。
58.横向压力组件4还包括横向加压板48；横向加压板48与旋转辅助板43可替换设置。
59.进一步的，还可将模具3定位槽31侧固定在横向加压板48上，具体使用根据不同的工作需求替换。
60.进一步的，还设置有承压板49，承压板49与横向加压板48配合使用，将其固定在伸缩耦合器44侧，用于固定模具3。
61.智能集成系统2包括滑动装置21，伸缩机械臂22，集成中枢24，伸缩拉力杆25，观测器26，洒水器27和振捣棒23；
62.滑动装置21底部沿滑槽46水平滑移；滑动装置21顶面安装有一伸缩机械臂22；伸缩机械臂22设置有至少两个，且伸缩机械臂22之间彼此连接，实现方向转化；一伸缩机械臂22的活动端与集成中枢24一侧固定连接；集成中枢24内安装有观测器26和洒水器27；观测
器26和洒水器27均朝向模具3顶面设置；集成中枢24底面中心可替换传动连接有伸缩拉力杆25或振捣棒23；洒水器27与集成中枢24内水箱连通。
63.进一步的，伸缩机械臂22实现对集成中枢24的位置调节，伸缩机械臂22采用耦合的形式与滑动装置21连接，可实现旋转。
64.进一步的，集成中枢24内设置有两套系统，分别控制伸缩拉力杆25和振捣棒23；伸缩拉力杆25和振捣棒23安装位置相同，可拆卸替换。
65.滑轨5两侧形成有轨道51；两侧轨道51上均设置有滑动挡块53；滑动挡块53上开设有限位螺孔54；一螺栓贯穿限位螺孔54与轨道51上开设的限定螺孔52实现滑动挡块53的限位。
66.滑车6上开设有用于放置横向压力组件4的安装槽61；安装槽61一侧开设有定位螺孔62，定位螺孔62用于固定横向压力组件4；滑车6上安装有滑轮63，滑车6通过滑轮63在轨道51上滑动。
67.滑车6底面固定安装有至少一个液压支撑柱64；液压支撑柱64与滑轨5上开设的卡位槽55对应配合。
68.图像采集装置7包括图形采集器71；图形采集器71安装在支架72上。
69.在本发明的一个实施例中，每一滑轮63外侧均设置有一滑动挡块53；滑轮63设置有四个。
70.在本发明的一个实施例中，液压支撑柱64设置有四个。
71.本发明的具体实施过程为，制样阶段：制样时将系统按使用方法组装，将滑车6的液压支撑柱64下降于滑轨5的卡位槽55内，另外三个支撑柱同步下降至与其对应的定位槽内，使滑车所受的压力通过液压支撑柱64传至地面；
72.同时，将滑动挡块53上的限位螺孔54与限定螺孔52对应，用螺丝固定，另外三个挡块同步与对应的螺孔固定，使滑车6固定在该位置，无法移动。安装智能集成系统2，安装旋转辅助板43，组装模具3，将模具3上的定位槽31和定位螺栓32与伸缩耦合器44使用螺纹连接，将模具3与旋转辅助板43螺纹连接。打开模具3顶面，分两层加入试样材料，第一份料加入完毕后，利用智能集成系统2组合振捣棒23振捣第一层材料，插入预制裂隙的钢片时在钢片的表面涂油，能够使预制的裂隙内部光滑，再把应变砖埋到第一层上，加入第二份料，再次振捣，然后养护试样通过观测器26和智能洒水器27根据试样的情况定时洒水，保证养护过程。
73.养护完成后通过智能集成系统2组合伸缩拉力杆25，抽出预制裂隙的钢片，然后拆下智能集成系统2，安装模具3顶面，使用直角固定角铁固定模具，解除固定螺栓47与定位螺孔62的连接，使用液压升降机41将整个横向压力组件4连同模具升起，通过横向作动机42将模具旋转90
°
模具3底面向上，降下横向压力组件4与模具3，重新连接固定固定螺栓47与定位螺孔62。
74.试验阶段：
75.制样阶段结束后，将滑动挡块53与限定螺孔52解除固定，另外三个挡块同步与对应的定位螺孔解除固定，收起液压支撑柱64，将液压升降机41升起，沿轨道51移动滑车使液压支撑柱64与卡位槽55重合，下降液压支撑柱64于卡位槽55内；另外三个支撑柱同步下降至与其对应的卡位槽55内，将滑动挡块53上的限位螺孔54与限定螺孔52对应，用螺丝固定，
另外三个挡块同步与对应的螺孔固定，使滑车6固定在该位置，无法移动。解除模具3上的定位槽31与伸缩耦合器44的连接，解除模具3与旋转辅助板43的连接，拆除模具3，使用横向加压板48替换旋转辅助板43，将承压板49置于拆除模具前模具3的位置。开始试验，控制纵向，横向作动机12和42开始对试样进行施压，加载控制方式采用荷载控制，设定固定大小的应力加载速率，加载方向与试样表面垂直，加载过程中通过图像采集装置7收集数据。
76.工作过程如下：
77.制样阶段：组装完成模具3，使其与横向压力组件4组合连接，将横向压力组件4与滑车6组合，使滑车6与滑轨5组合固定，按要求加入试样材料、插入预制裂隙的钢片、放置应变砖，养护试样，抽出预制裂隙的钢片，组装固定模具3,解除横向压力组件4与滑车6的固定，液压升降机开始工作，
78.使横向压力组件4与模具3升起，通过横向作动机42使模具90
°
旋转，下降横向压力组件4与模具3，重新固定横向压力组件4与滑车6。
79.试验阶段：试样制成之后，解除滑车6与滑轨5的固定，移动滑车6至纵向压力机下指定位置，重新固定滑车6与滑轨5，拆除模具，替换零件，确认试验设备安全无误后，开始试验，控制纵向，横向作动机12和42开始对试样进行施压，通过图像采集装置7收集数据。
80.进一步的，如图11和图12，为制样阶段到试验阶段带有预制裂隙的钢片与应变砖旋转后的结构布置，由于预制裂隙的钢片在制样阶段不便于人工制作翻转，故采用横向作动机42将模具3旋转使模具内应力场成型。
81.在本发明的描述中，需要理解的是，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“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，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。
82.以上所述的实施例仅是对本发明的优选方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。