[发明专利]一种加载缓冲装置及用于断层模拟的试验系统和方法

说明书

本发明提供了一种加载缓冲装置及用于断层模拟的试验系统和方法，涉及岩石力学试验技术领域，解决了模型刚性加载和尺寸限制的问题。加载缓冲装置包括调节机构，以及多个加载单元，加载单元包括伸缩框、缓冲弹簧、推杆、球头杆和钢丝绳，调节机构包括齿轮和齿条，加载缓冲单元沿着竖直方向和水平方向分别布置多个，沿同一条直线布置的加载缓冲单元由钢丝绳串联，加载缓冲装置在加载过程中协调模拟试验体在水平方向和竖直方向上的变形。该加载缓冲装置可以应用于断层模拟的相似材料模拟试验系统，提供瞬时动能，并控制断层形成时上下盘的相对运动。以及利用该试验系统进行正断层和逆断层相似材料模拟的试验方法；还具有操作简单，适用范围广的优点。

技术领域

本发明涉及岩石力学试验技术领域，尤其是一种加载缓冲装置及用于断层模拟的试验系统和方法。

背景技术

构造物理中相似材料模拟试验是研究地质构造的一种有效方法，同时也是协助研究地层变形过程和断层形成机制的重要手段。目前，地质构造模拟中所用的构造模拟试验装置是根据相似性原理，通过控制运动或力对试验模型(砂体)进行变形试验，模拟或反演断层等构造地质成因的设备，设备主体多采用砂箱等试验容器，通过在砂箱内铺设多层不同厚度、不同材料配比的试验材料来模拟构造形成过程，研究地质构造的成因和演化机理，对地质构造的成因进行定性和定量分析。现有的模拟断层形成试验装置，一般通过水平与垂直方向压力作用于沙箱内模型模拟断层形成过程，但根据现有试验条件，有时难以形成理想断层，甚至不能形成断层，这使得耗时费力的试验收效甚微。现有技术中，中国专利(CN110006757B)提供了一种控制断层倾角和断层起裂位置的试验系统，但是该试验系统也不能解决试验机装置刚性加载以及尺寸限制的问题。

另外现有的相似材料模拟试验系统中，常见的加载装置都是刚性的加载，但是试验体的材料在在受到刚性加载时往往出现异常变形，导致难以产生理想的断层；并并且在断层形成后缺乏断层上下盘继续运动的有利条件，现有的加载装置不能协调试验体的变形也不能在断层形成后持续加载。

发明内容

为了解决试验机装置刚性加载以及尺寸限制的问题，本发明提供了一种加载缓冲装置及用于断层模拟的试验系统和方法，不仅可以实现柔性加载，还可以保证断层成形，改善加载的应力状态和运动状态，协调试验体在不同方向上产生的变形。具体技术方案如下：

一种加载缓冲装置，包括调节机构，以及多个加载单元；所述加载单元沿着第一方向和第二方向分别排列连接布置有多个，沿同一条直线布置的加载缓冲单元由钢丝绳串联，加载缓冲装置在加载过程中协调第一方向和第二方向上的变形；所述加载单元包括伸缩框、缓冲弹簧、推杆、球头杆和钢丝绳，所述伸缩框包括上垫层、下垫层、杆套和伸缩支撑杆架，所述推杆包括上推杆和下推杆；多个缓冲弹簧固定配置在上垫层和下垫层之间，上推杆两端分别与上垫层和球头杆铰接，下推杆的两端分别与下垫层和球头杆铰接，多个球头杆在杆套内沿着杆套首尾相接，钢丝绳依次穿过球头杆轴线上的通孔；伸缩支撑杆架支撑配置在上垫层和下垫层之间；所述调节机构包括齿轮和齿条，所述齿条包括第一齿条和第二齿条，第一齿条和第二齿条分别与球头杆相连。

优选的是，加载单元沿着第一方向、第二方向和第三方向分别排列连接布置有多个，加载缓冲装置在加载过程中协调第一方向、第二方向和第三方向上的变形；所述齿条包括第一齿条、第二齿条和第三齿条，第一齿条、第二齿条和第三齿条分别与球头杆相连。

还优选的是，调节结构内部还设置有张紧装置，钢丝绳和张紧装置相连。

还优选的是，杆套上设置有开槽，上推杆和下推杆沿杆套对称布置；所述球头杆的端部设置有球形接头，球形杆的尾部设置有球槽，球形接头和球槽相互配合。

还优选的是，加载单元沿着水平方向和竖直方向分别排列连接布置有多个，沿同一条直线布置的加载缓冲单元由钢丝绳串联，加载缓冲装置在加载过程中协调水平方向和竖直方向上的变形；所述齿条包括水平齿条和竖直齿条，水平齿条和竖直齿条分别与球头杆相连。