[发明专利]一种模拟岩土体正逆断层运动的试验装置及方法

权利要求书

1.一种模拟岩土体正逆断层运动的试验装置，其特征在于：包括框架、模型箱和导向装置等。

所述框架由竖向柱(1)、横梁(2)和水平板(3)连接而成，竖向柱(1)下端固定于水平板(3)上，上部与各个横梁(2)焊接构成模型箱框架；框架左侧上部横梁(2)安装摄像装置(5)，后侧上部横梁(2)安装位移量测装置(6)，二者共同记录错动过程中土层(7)上表面的变形。

所述模型箱包括前壁(8)、后壁(23)、左壁(24)、右壁(9)及底板，上部开口无封闭；左壁(24)利用合页结构(25)实现开闭功能，便于试验后土层(7)卸除；底板由上盘(10)和下盘(11)构成，下盘(11)固定于横梁(2)上，上盘(10)与右壁(9)固定连接且与前壁(8)、后壁(23)保持空隙，上盘(10)的底面与水平板(3)间安装加载设备(12)，为正/拟断层错动提供动力。

所述导向装置包括模型箱侧向导向装置和底板导向装置；模型箱侧向导向装置包括至少一个导向设备(22)，导向设备(22)安装于模型箱的右壁(9)和框架右壁(13)之间，包括静止导向块(27)、滑动装置(29)、直线型滑动轨道(26)、扇形可调导向块(28)和固定板(30)，固定板(30)右侧固定于框架右壁(13)，扇形可调导向块(28)左侧圆心处铆接于固定板(30)，右侧弧形边缘处开设穿透圆弧轨并插入螺钉连接于固定板(3)(0)，下侧与直线型滑动轨道(26)固定在一起，静止导向块(27)锚固于模型箱的右壁(9)，并通过滑动装置(29)连接直线型滑动轨道(26)，转动扇形可调导向块(28)使其上直线型滑动轨道(26)倾角与错动倾角一致，即可控制模型箱的右壁(9)沿直线型滑动轨道(2)(6)向斜上方错动。

底板导向装置包括导向板和可调节导向部件，导向板包括上叶(17)和下叶(18)，上叶(17)与上盘(10)左端固定连接，下叶(18)一端与下盘(11)转动连接，另一端与可调节导向部件固定连接，上叶(17)置于下叶(18)上表面；可调节导向部件沿水平方向伸缩，带动下叶(18)沿下盘(11)转动，从而带动上叶(17)沿下叶(18)向斜上方滑动。

2.根据权利要求1所述的模拟岩土体正逆断层运动的试验装置，其特征在于：长度方向的模型箱框架底部的横梁(2)肋部与水平板(3)间增设竖向支撑(4)。

3.根据权利要求1所述的模拟岩土体正逆断层运动的试验装置，其特征在于：所述模型箱侧向导向装置包括2n个导向设备(22)，以n行2列安装在模型箱的右壁(9)和框架右壁(13)之间。

4.根据权利要求1所述的模拟岩土体正逆断层运动的试验装置，其特征在于：所述模型箱的前壁(8)为透明钢化玻璃板，透明钢化玻璃板上布置若干阵列式排布的圆形黑色实心PIV技术控制点(14)，追踪土层(7)的变形，模型箱的前壁(8)正前方摆放高分辨率相机，相机固定在三脚架底座，按一定时间间隔拍照记录断层错动引起的土体破裂过程。

5.根据权利要求1所述的模拟岩土体正逆断层运动的试验装置，其特征在于：上盘(10)与前壁(8)、后壁(23)之间的空隙采用土工布(15)和凡士林密封，上盘(10)和下盘(11)交界处铺设一层聚乙烯薄膜(16)，聚乙烯薄膜(16)通过凡士林粘附于上盘(10)表面。

6.根据权利要求1所述的模拟岩土体正逆断层运动的试验装置，其特征在于：可调节导向部件包括L型三角板(19)、钢管(20)和螺纹杆(21)，L型三角板(19)垂直焊接于底板下部横梁(2)上；钢管(20)分为两段，水平放置，内部设螺纹；第一段左端固定于L型三角板(19)右侧，螺纹杆(21)左端旋入第一段内，右端旋入第二段内，第二段另一端与下叶(18)固定连接。

7.根据权利要求1所述的模拟岩土体正逆断层运动的试验装置，其特征在于：位移量测装置(6)包括固定杆、线性位移传感器、直流式稳压电源和水平标定板，固定杆将线性位移传感器固定于框架后侧上部横梁(2)，水平标定板固定于模型箱的右壁(9)上部，线性位移传感器与直流稳压电源连接，另一端竖向探头与水平标定板接触，错动时水平标定板随模型箱的右壁(9)一起运动，探头与之作用力变化引起线性位移传感器电压读数的改变，进而可转换为上盘(10)的竖向位移。

8.一种模拟岩土体正逆断层运动的试验方法，其特征在于：包括以下步骤：

第一步：试验装置安放与调试

(1.1)选取空旷、平整场地，将试验装置置于地表，调整试验装置至水平且底部的水平板(3)与地面间不得有空隙，试验装置应摆正，模型箱的前壁(8)正前方留有一定空间，用于安放摄像设备；

(1.2)底板导向装置调试：调节可调节导向部件，使导向板的下叶(18)沿下盘(11)转动，导向板的上叶(17)在下叶(18)支撑力作用下顺势转动，待上叶(17)与上盘(10)夹角等于断层错动预设角度时，停止调节可调节导向部件，且将上叶(17)上端与上盘(10)固定为整体；

(1.3)侧向导向装置调试：静止导向块(27)斜面与水平面夹角与错动倾角值相同，松开扇形可调导向块(28)上螺钉，调整螺钉在圆弧轨的位置，使直线型滑动轨道(26)与静止导向块(27)的斜面平行，将螺钉拧紧，确保错动过程中扇形可调导向块(28)不会出现松动；

(1.4)加载设备(12)调试：按断层错动类型和错动速率，设置加载设备(12)伺服电机的转向和转速，加载设备(12)对上盘(10)底部作用力的方向与错动倾角的方向一致；

(1.5)量测和摄像装置调试：线性位移传感器的探头沿竖向与水平标定板接触，改变水平标定板的水平高度，读取传感器电压读数，并利用游标卡尺记录各电压数对应的标定板竖向位移，对线性位移传感器进行标定；调整框架左侧上部横梁(2)上的摄像装置(5)与水平面夹角，使拍摄范围尽可能多的覆盖土层(7)表面；三脚架相对模型箱的前壁(8)正前方应保持合适距离，调整底座高度至可拍摄到PIV分析控制点(14)，然后将底座调平，固定相机；根据错动总时间调整摄像装置(5)的自动拍摄时间间隔；

(1.6)PIV技术控制点(14)：取抹布将模型箱的前壁(8)内、外侧擦拭干净，取黑色记号笔在透明钢化玻璃外侧轻涂，得到阵列式的黑色实心PIV技术控制点(14)，且黑色点间距相同、大小均匀；

(1.7)调整上盘(10)与下盘(11)至同一水平面，上盘(10)与模型箱右壁(9)和模型箱前壁(8)、后壁(23)空隙用棒状土工布(15)和凡士林封堵，上盘(10)和下盘(11)交界面铺设聚乙烯薄膜(16)，模型箱左壁(24)用橡胶皮垫和螺丝密闭，将模型箱内的杂物全部清除；

第二步：土体模型制备

采用密度控制法控制所浇砂的相对密实度：

(2.1)首先确定试验用土类型，对试验用土相对密实度-落距进行标定，得到不同落距浇土对应的相对密实度关系曲线；

(2.2)根据土体相对密实度大小、所需的地表倾角α及土层厚度H，计算得到需装入土体的总体积V和总质量M，同时计算出模型箱中100mm厚土体的质量m，将总质量M的土体按质量m分为若干份浇筑；

(2.3)为了准确分辨、追踪模型箱中土层(7)的变形开裂，土体分层浇筑，每浇筑层在模型箱前壁(8)内侧加铺一层厚1.5-2mm的彩色土体；

(2.4))每层刚浇筑完的土样表面难以避免的会出现起伏不平，采用刚度较大、宽度略小于土箱宽度的钢条初步找平，再用面积较大的刚性平板分区域来回反复按压，直到该层各处厚度均匀，均为100mm；

(2.5)为保证先后浇筑的两层砂接触良好，不产生人工节理，用软毛刷将表面刷到平整并适当刮毛；

(2.6)当所有砂浇注完成后，用软毛刷沿土箱侧壁事先绘制好的边界线将地表按所需场地倾角α刷成一个斜面，多缺少补；

(2.7)量测土体总高度，计算浇筑总体积，计算浇筑土体的密实度，检查其是否满足试验要求；

第三步：模型加载及土样拆除

(3.1)检查导向装置、量测装置和加载设备(12)的工作性能，查看模型箱的密封性；

(3.2)在试验室工作人员协助下，启动加载设备(12)和位移量测装置(6)等，开始断层错动，时刻关注仪器设备的性能指标，若出现异常立即停止加载；

(3.3)待上盘(10)错动至指定位置处，关闭加载设备(12)和位移量测装置(6)，提取试验数据和图像、视频资料；

(3.4)将上盘(10)回落至与下盘(11)同一水平面，打开模型箱左壁(24)，开口位置下部放塑料桶，把模型箱内的土体利用铲具盛入桶内，最后将模型箱中粘有凡士林的不可用土体、土工布(15)、聚乙烯膜(16)等一并清扫倾倒。