[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

说明书

技术领域

本发明涉及岩土工程领域的模型试验装置，具体地说，涉及一种模拟岩土体正逆断层运动的试验装置及方法。

背景技术

我国地处环太平洋与喜马拉雅山火山地震带，活断层广泛分布，地壳运动较为活跃，近年来更是呈现出地震高发状态。随着国家城镇化的不断推进，在城市规划设计中，地下管道(给排水及输电)、地铁及隧道等工程线路很难完全避开活断层，特别是多山和多丘陵地区。地震作用通常会诱发活断层的错动运动，导致上覆土体破裂，造成上述地下基础设施及地表建筑物的破坏，给城市人民的生命和财产安全带来重大隐患。因此，模拟断层的错动运动，分析错动引起的上覆土体变形和破坏过程，对于城市地下基础设施的选址、设计及施工，具有重要的指导意义和参考价值。

断层错动的研究手段主要有震后调查、数值模拟和模型试验。其中，震后调查无法真实再现断层错动导致的上覆土体破裂扩展过程；数值模拟构建的计算模型比较理想化，与真实断层错动相比具有较大偏差；模型试验能够更加真实可靠的再现断层错动作用下的上覆土体破裂、扩展过程。模型试验的操作环境通常分为常重力和超重力两类，后者通过缩尺模型能够模拟不同深度处的断层错动活动，但试验成本高昂且操作难度大，因此断层错动模型试验大多在常重力环境下进行。常重力环境下的断层错动模型试验广泛开展，但试验装置在技术和操作上仍存在一些不足：

(1)模型试验装置设计和加工时，假定断层沿垂直方向或30-90°间的某单一倾角方向错动，同一装置无法完成不同倾角的断层错动试验；

(2)试验加载完成后，土样模型的拆卸、回收费时费力；

(3)只能模拟正断层和逆断层中的一种。

上述诸问题将导致试验装置的重复使用率降低，试验成本提高，若试验工况发生改变则需另行设计相匹配的模型装置以满足科学研究的需要；另外，模型加载完毕后的土样拆除工作效率低下，将会延长试验周期。

为此，设计一种高效、多功能的断层错动试验模型装置，根据工况要求任意调整(30-90°范围内)断层错动倾角，模型箱侧壁开设门洞方便土体拆卸，模拟正/逆断层错动运动引起的上覆土体变形破坏，是研究地震诱发城市地下基础设施和地表建筑物破坏的较为切实可行的方法。

发明内容

本发明的目的之一在于提供一种改进的模型试验装置，解决现有试验装置断层错动倾角无法根据研究需要灵活调整、加载完毕后土样模型拆除效率低以及只能模拟正或逆断层错动的问题，本发明的另一目的在于提供一种模拟正/逆断层错动运动的试验方法。

本发明为实现上述目的所采用的技术方案是：一种模拟岩土体正逆断层运动的试验装置，包括框架、模型箱和导向装置；

所述框架由竖向柱、横梁和水平板连接而成，竖向柱下端固定于水平板上，上部与各个横梁焊接构成模型箱框架；框架左侧上部横梁安装摄像装置，后侧上部横梁安装位移量测装置，二者共同记录错动过程中土层上表面的变形；

所述模型箱包括前壁、后壁、左壁、右壁及底板，上部开口无封闭；左壁利用合页结构实现开闭功能，便于试验后土层卸除；底板由上盘和下盘构成，下盘固定于横梁上，上盘与右壁固定连接且与前壁、后壁保持空隙，上盘的底面与水平板间安装加载设备，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，导向设备安装于模型箱的右壁和框架右壁之间，包括静止导向块、滑动装置、直线型滑动轨道、扇形可调导向块和固定板，固定板右侧固定于框架右壁，扇形可调导向块左侧圆心处铆接于固定板，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，下侧与直线型滑动轨道固定在一起，静止导向块锚固于模型箱的右壁，并通过滑动装置连接直线型滑动轨道，转动扇形可调导向块使其上直线型滑动轨道倾角与错动倾角一致，即可控制模型箱的右壁沿直线型滑动轨道向斜上方错动；

底板导向装置包括导向板和可调节导向部件，导向板包括上叶和下叶，上叶与上盘左端固定连接，下叶一端与下盘转动连接，另一端与可调节导向部件固定连接，上叶置于下叶上表面；可调节导向部件沿水平方向伸缩，带动下叶沿下盘转动，从而带动上叶沿下叶向斜上方滑动。

进一步地，长度方向的模型箱框架底部的横梁肋部与水平板间增设竖向支撑，提高模型箱框架的承载力。

进一步地，所述模型箱侧向导向装置包括2n个导向设备，以n行2列安装在模型箱的右壁和框架右壁之间。