阅读说明：本技术 模拟活动断层对隧道损伤机理研究的试验装置及使用方法 (Test device for simulating movable fault to research on tunnel damage mechanism and using method ) 是由 李林 刘成亮 郭子红 邹祖银 郭晓丹 余龙 黄河 刘智 于 2019-11-18 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种模拟活动断层对隧道损伤机理研究的试验装置及使用方法,该装置的模型试验箱包含a箱体和b箱体,a箱体和b箱体拼合成为中空封闭箱体,在拼合位置所述a箱体和所述b箱体可以错动移动,a箱体、b箱体都包含固定板和活动板,模型试验箱外围设置有水平加压系统,水平加压系统可同时对活动板施压,b箱体上方设置可调节荷载的竖向加压设备,b箱体下方固定设置弹性件。一种模拟活动断层对隧道损伤机理研究装置的使用方法：先启动水平加压系统对活动板加压,再启动竖向加压设备对活动的b箱体加压,加压情况通过传感器实时监控,加压可根据所需调节,该系统能模拟不同地应力场应力下不同断层错动速率对隧道损伤情况。(The invention discloses a test device for simulating a movable fault to research a tunnel damage mechanism and a using method thereof.A model test box of the device comprises a box body a and a box body b, wherein the box body a and the box body b are spliced into a hollow closed box body, the box body a and the box body b can move in a staggered manner at the splicing position, both the box body a and the box body b comprise a fixed plate and a movable plate, a horizontal pressurizing system is arranged at the periphery of the model test box, the horizontal pressurizing system can simultaneously pressurize the movable plate, vertical pressurizing equipment capable of adjusting load is arranged above the box body b, and an elastic part is fixedly arranged below the box body b. A use method of a device for simulating a movable fault to study a tunnel damage mechanism comprises the following steps: the horizontal pressurizing system is started to pressurize the movable plate, then the vertical pressurizing equipment is started to pressurize the movable box body b, the pressurizing condition is monitored in real time through a sensor, the pressurizing can be adjusted according to needs, and the system can simulate the tunnel damage condition caused by different fault dislocation rates under different stress field stresses.)

模拟活动断层对隧道损伤机理研究的试验装置及使用方法

技术领域

本发明涉及一种模拟活动断层对隧道损伤机理研究的试验装置及使用方法，模拟隧道工程在不同地应力场下不同断层错动速率对隧道损伤情况进行研究，属于隧道工程领域。

背景技术

随着经济的快速发展，西部大开发战略的大力推进，大量新兴隧道工程处于规划或建设中，而我国是一个山地面积较大的国家，部分地区地质情况复杂，活动断层分布较为广泛，尤其在西部山地丘陵普遍地区，需要建设大量隧道工程，不可避免的会遇到或穿越活断层等不良地质。

断层是指岩层受力断开后，断裂面两侧岩层沿断裂面有明显相对位移的地质构造，一般来说，断层规模越大，受挤压、剪切作用越强烈，破碎带就越宽；它的活动形式分为粘滑和蠕滑，由于粘滑是快速破裂的运动，对地下工程的破坏能直接表现出来；而蠕滑运动相对时间长，运动缓慢，对地下工程的破坏被认为不严重，没有多少人重视。最新研究表明，在高速运动下，依然可以使得断层从稳定蠕滑运动转变为瞬间的地震滑移，不得不引起重视。

现有断层模型箱研究主要针对断层错动方式、断层倾角、错动距离、隧道洞径大小等方面，缺乏地应力场变化和不同断层错动速率方面的研究，针对这一现象，研究对断层地应力场变化和不同断层错动速率对隧道损伤机理研究的试验模型系统，有助于丰富研究断层蠕滑效应下对隧道的影响研究，对今后隧道跨断层区的设计施工有借鉴意义。

发明内容

本发明的发明目的是弥补现有技术存在的空白项，提供一种模拟活动断层对隧道损伤机理研究的试验装置及使用方法，以实现隧道工程在不同地应力场下不同断层错动速率对隧道损伤情况的模拟。

为解决上述技术问题，本发明提供了一种模拟活动断层对隧道损伤机理研究的试验装置：模型试验箱包含a箱体和b箱体，所述a箱体和所述b箱体拼合成为中空封闭箱体，在拼合位置所述a箱体和所述b箱体可以错动移动；所述a箱体、所述b箱体都包含固定板和活动板；所述模型试验箱***设置有水平加压系统，水平加压系统同时对所述活动板施压且压力可调节；所述b箱体上方设置可调节荷载的竖向加压设备；所述b箱体下方固定设置弹性件。

在上述模拟活动断层对隧道损伤机理研究的试验装置中，试验模型箱采用封闭结构，a箱体、b箱体包含活动板，在水平加压系统工作时，通过活动板给围岩相似材料施压，避免围岩模拟材料从缝隙挤压出，提供可靠的围压，水平加压系统向活动板施加荷载，使模型试验箱内部得到均匀分布的应力，可模拟不同地应力场的变化。b箱体下方设置弹性件，b箱体上方设置可调节荷载的竖向加压设备，竖向加压设备给b箱体上方施加压力，使b箱体按设定的位移速度移动，即模拟出断层发生斜向错动，并能模拟断层不同的错动速率。

a箱体包括固定拼接的固定板a上板、a侧板、a底板和活动设置的活动板a前板、a后板，a上板和a侧板之间、a底板和a侧板之间固定形成“匚”形，a侧板垂直于a上板和a底板，a上板和a底板相平行，a前板同时垂直于a上板、a侧板，a前板和a后板相互平行，a前板和a后板三个边缘紧贴“匚”形结构内侧，a前板、a后板可在a上板、a侧板、a底板围成的“匚”形区域内前后移动；b箱体包括固定拼接的固定板b上板、b侧板、b底板和活动设置的活动板b前板、b后板，b上板和b侧板之间、b底板和b侧板之间固定形成“匚”形，b侧板垂直于b上板和b底板，b上板和b底板相平行，b前板同时垂直于b上板、b侧板，b前板和b后板相互平行，b前板和b后板三个边缘紧贴“匚”形结构内侧，b前板、b后板可在b上板、b侧板、b底板围成的“匚”形区域内前后移动；a箱体和b箱体之间组合部分断层面为倾斜的平面，且这个平面垂直于b前板、a前板。

弹性件为弹簧矩阵，弹簧矩阵可以提供均匀的支撑效果，还有很好的形变能力及复位能力。

a箱体下方有与弹性件高度相同的底座，底座与弹性件保持同水平固定在水平支撑物上；水平支撑物为固定底板或者水平地面；水平加压系统，包括上角钢、前角钢、下角钢、后角钢、加压装置；上角钢固定于a上板、b上板；下角钢固定于a底板、b底板；前角钢与上角钢、下角钢固定连接呈口字型，内侧紧靠加压装置前端；后角钢分别紧贴a前板、a后板、b前板、b后板并固定，加压装置底部紧贴后角钢；前角钢与后角钢之间放置两台加压装置。

在上述模拟活动断层对隧道损伤机理研究的试验装置中，试验模型箱***箱体上固定支架，使用加压装置以固定支架作为支撑，给活动板以反作用力，形成水平加压系统。这样设计节省成本，试验设备易整体搬运。

b箱体和加压装置配有位移传感器，b箱体与竖向加压设备之间配有荷重传感器，加压装置与后角钢之间配有荷重传感器，使用荷重传感器和位移传感器能够获得直观可靠的数据。

前角钢与后角钢之间加压装置为千斤顶。

b箱体上方可调节荷载的竖向加压设备为2000KN四柱反力支架。

本发明还提供了一种模拟活动断层对隧道损伤机理研究的试验装置的使用方法，该方法包括以下步骤:

a.根据试验条件确定试验相似比，配出模型试验材料，制作出隧道模型，将隧道模型按设定的位置固定在模型试验箱内，然后用围岩的相似材料填充；

b.开启水平加压系统，给模型试验箱箱各活动板施加相同压力，模拟地应力场；

c.启动竖向加压设备，根据不同需求给b箱体施加荷载，使b箱体震荡移动；

d.加压的同时，通过位移传感器实时监测b箱体的位移，使其按预定的位移速度加载，通过荷重传感器实时监测活动的b箱体受到的荷载数据，取出隧道模型得出隧道模型破坏情况，分析不同地应力场下不同断层错动速率对隧道的破坏机理、判断隧道损伤阙值以及模拟不同抗错断措施的效果，为隧道的设计与施工提供更全面、更可靠的试验数据。

与现有技术相比，本发明提供的装置和方法有益效果如下：

1、根据试验条件确定试验相似比，配出模型试验材料，制作出隧道模型，将隧道模型按设定的位置固定在模型试验箱内，然后用围岩的相似材料填充；试验模型箱采用封闭结构，避免围岩模拟材料从缝隙挤压出，a箱体、b箱体包含活动板和固定板，开启水平加压系统，通过活动板给围岩相似材料施压，给模型试验箱箱各活动板施加相同压力，模拟不同地应力场的变化，提供可靠的均匀分布的地应力场；b箱体下方设置弹性件，b箱体上方设置可调节荷载的竖向加压设备，启动竖向加压设备，根据不同需求给b箱体施加荷载，使b箱体震荡移动；加压的同时，通过位移传感器实时监测b箱体的位移，使其按预定的位移速度加载，通过荷重传感器实时监测活动的b箱体受到的荷载数据，取出隧道模型得出隧道模型破坏情况，分析不同地应力场下不同断层错动速率对隧道的破坏机理、判断隧道损伤阙值以及模拟不同抗错断措施的效果，为隧道的设计与施工提供更全面、更可靠的试验数据。

2、弹簧矩阵可以提供均匀的支撑效果，还有很好的形变能力及复位能力。

3、试验模型箱***箱体上固定支架，使用加压装置以固定支架作为支撑，给与活动板以反作用力，形成水平加压系统。这样设计节省成本，试验设备易整体搬运。

附图说明

图1为本发明的立体结构示意图。

图2为本发明的后视结构示意图。

图3为本发明的俯视结构示意图。

具体实施方式

图1-图3所示，该模拟活动断层对隧道损伤机理研究的试验装置包含a箱体100和b箱体200，所述a箱体100和所述b箱体200拼合成为中空封闭箱体，在拼合位置所述a箱体100和所述b箱体200可以错动移动，如附图1中箭头所示；所述a箱体100、所述b箱体200都包含固定板和活动板；所述模型试验箱***设置有水平加压系统，水平加压系统同时对所述活动板施压且压力可调节；所述b箱体200上方设置可调节荷载的竖向加压设备900；所述b箱体200下方固定设置弹性件601；其中：

a箱体100包括固定拼接的固定板a上板101、a侧板103、a底板104和活动设置的活动板a前板102、a后板105；a上板101和a侧板103之间、a底板104和a侧板103之间用高强螺栓固定形成“匚”形；a侧板103垂直于a上板101和a底板104，a上板101和a底板104相平行，a前板102同时垂直于a上板101、a侧板103，a前板102和a后板105相互平行；a前板102、a后板105三个边缘紧贴“匚”形结构内侧，a前板102、a后板105可在a上板101、a侧板103、a底板104围成的“匚”形区域内前后移动；a上板101短于a底板104。

b箱体200包括固定拼接的固定板b上板201、b侧板203、b底板204和活动设置的活动板b前板202、b后板205；b上板201和b侧板203之间、b底板204和b侧板203之间用高强螺栓固定形成“匚”形；b侧板203垂直于b上板201和b底板204，b上板201和b底板204相平行，b前板202同时垂直于b上板201、b侧板203，b前板202和b后板205相互平行；b前板202、b后板205三个边缘紧贴“匚”形结构内侧，b前板202、b后板205可在b上板201、b侧板203、b底板204围成的“匚”形区域内前后移动，b上板201长于b底板204。

a箱体100和b箱体200可组合为中空封闭的长方体箱体，a箱体100和b箱体200之间组合部分断层面801为倾斜的平面，且这个平面垂直于模型试验箱前后板。

水平加压系统，包括上角钢301、前角钢302、下角钢303、后角钢304、千斤顶；上角钢301用高强螺栓固定于a上板101、b上板201，下角钢303用高强螺栓固定于a底板104、b底板204；前角钢302与上角钢301、下角钢303用高强螺栓固定连接呈口字型，这个口字型平面垂直于模型试验箱前后板平面，上述口字型结构内侧紧靠千斤顶前端；后角钢304垂直于模型试验箱底板，并且在前角钢302与上角钢301、下角钢303组成口字型平面内，后角钢304分别紧贴a前板102、a后板105、b前板202、b后板205外侧并用高强螺栓固定，千斤顶底部紧贴后角钢304，前角钢302与后角钢304之间水平放置两台千斤顶。

a箱体100下方有与弹簧矩阵高度相同的底座501，a箱体100用高强度螺栓穿过底座501，固定于固定底板上；b箱体200下方固定连接弹簧矩阵上端，弹簧矩阵下端固定连接与固定底板，使a箱体100与b箱体200处于一个水平面上。

b箱体上方设置2000KN四柱反力支架。

b箱体200和千斤顶配有位移传感器，b箱体200与2000KN四柱反力支架之间配有荷重传感器，千斤顶与后角钢之间配有荷重传感器。

本例的模拟活动断层对隧道损伤机理研究的试验装置，其使用方法包括以下步骤：

a.根据试验条件确定试验相似比，配出模型试验材料，制作出隧道模型，将隧道模型按设定的位置固定在模型箱内，然后用围岩的相似材料填充；

b.开启水平加压系统，给模型试验箱箱a前板102、a后板105、b前板202、b后板205施加相同压力，使模型试验箱内受到均匀的应力，模拟地应力场，不同地应力场可通过千斤顶进行调节；

c.启动2000KN四柱反力支架，输入支架需要的错动数据，给b箱体200施加荷载，使b箱体200震荡移动；

d.加压的同时，通过位移传感器实时监测b箱体200的位移，使其按预定的位移速度加载，通过荷重传感器实时监测活动的b箱体200受到的荷载数据，取出隧道模型得出隧道模型破坏情况，分析不同地应力场下不同断层错动速率对隧道的破坏机理、判断隧道损伤阙值以及模拟不同抗错断措施的效果，为隧道的设计与施工提供更全面、更可靠的试验数据。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。