一种模拟断层蠕滑和粘滑错动隧道结构的实验系统

摘要

本发明属于岩体工程地质力学技术领域，旨在解决现有的试验装置获得的数据可靠性差的问题，具体涉及一种模拟断层蠕滑和粘滑错动隧道结构的实验系统，包括箱体结构、支撑装置、断层错动加载系统，箱体结构内从下向上依次设置有摩擦效果层、第一围岩层、隧道结构模型、第二围岩层和上覆压力层；箱体结构底部设有通孔，通孔上部设有包括第一导向板、第二导向板和加载板的板状组件；第一导向板、第二导向板的内侧分别设有第一滑轨、第二滑轨；加载板在断层错动加载系统的作用下沿第一滑轨、第二滑轨运动，通过摩擦效果层产生试验所需的粘滑和蠕滑错动效果，通过第一围岩层对隧道结构模型传递断层错动力；通过本发明可获得可靠、有效的模拟试验数据。

说明书

技术领域

本发明属于岩体工程地质力学实验技术领域，具体涉及一种模拟断层蠕滑和粘滑错动隧道结构的实验系统。

背景技术

当前我国中西部地区正大力开展铁路、公路等基础设施的建设，由于该地区构造复杂、地震频发，工程建设中需解决跨断层隧道工程的稳定性难题。因此，亟待深入研究断层错动对隧道工程的影响。断层的错动效应又分为蠕滑和粘滑两种，现有的研究主要通过模型箱物理模拟研究进行，仅能单一地实现蠕滑或者粘滑；同时，错动效果的实现仅通过加载装置直接作用于围岩相似材料，没有反映断层两层岩体的相对运动传递到上覆围岩的效应。

发明内容

为了解决现有技术中的上述问题，即为了解决现有的试验装置获得数据可靠性差的问题，本发明提供了一种模拟断层蠕滑和粘滑错动隧道结构的实验系统，其特征在于，包括模型箱系统和断层错动加载系统，所述断层错动加载系统设置于所述模型箱系统的下方。

所述模型箱系统包括中空设置的箱体结构以及设置于所述箱体结构下方的支撑装置，所述箱体结构的内部从下向上依次设置有摩擦效果层、第一围岩层、隧道结构模型、第二围岩层和上覆压力层；所述箱体结构的底部开设有通孔，所述通孔的上部设置有板状组件，以封闭所述箱体结构的底部。

所述板状组件包括加载板、第一导向板和第二导向板，所述加载板覆盖所述通孔设置；所述第一导向板、所述第二导向板设置于所述加载板的两侧，且与所述箱体结构的底板连接；所述第一导向板靠近所述第二导向板的一侧设置有第一滑轨；所述第二导向板靠近所述第一导向板的一侧设置有第二滑轨；所述加载板的两侧与所述第一滑轨、所述第二滑轨可滑动设置。

所述断层错动加载系统设置于所述加载板的底部，所述加载板在所述断层错动加载系统的作用下沿所述第一滑轨、所述第二滑轨运动，所述摩擦效果层在所述加载板的作用下通过所述第一围岩层对所述隧道结构模型提供断层错动力。

在一些优选实施例中，所述第一导向板、所述第二导向板均为倾斜板状结构；所述加载板的两侧端面均为倾斜平面；所述第一导向板、所述第二导向板与所述加载板的两侧端面平行设置。

所述加载板的底部设置有第三滑轨。

所述断层错动加载系统包括多个液压动力装置，在试验过程中，多个所述液压动力装置的顶部均与所述第三滑轨抵触，并且所述第三滑轨与多个所述液压动力装置的顶部可滑动。

在一些优选实施例中，所述摩擦效果层包括粘土矿物和石英砂；所述第一围岩层、所述第二围岩层均为石英砂、重晶石粉、石膏与水的混合物；所述隧道结构模型设置于所述第一围岩层与所述第二围岩层的中间。

在一些优选实施例中，所述粘土矿物与所述石英砂的重量比为1：1，粘土矿物采用蒙脱石，石英砂采用颗粒粒径80目的普通石英砂。

在一些优选实施例中，所述粘土矿物与所述石英砂的重量比为1：9，粘土矿物采用高岭石，石英砂采用颗粒粒径40目的普通石英砂。

在一些优选实施例中，所述第一导向板的高度、所述第二导向板的高度均小于所述摩擦效果层的高度。

所述第一导向板与所述箱体结构的底板之间的夹角为

在一些优选实施例中，所述摩擦效果层的高度为h，箱体结构的高度为H，h∈

在一些优选实施例中，所述上覆压力层为铁砂层。

所述支撑装置包括多个支撑架，多个所述支撑架阵列设置。

所述支撑架为T字型结构，所述T字型结构的顶部与所述箱体结构的底部可拆卸连接。

在一些优选实施例中，所述箱体结构的底板包括第一区域和第二区域，所述第一区域与所述第二区域对称设置；所述通孔设置于所述第一区域或者所述第二区域；所述箱体结构的前侧板、后侧板、左侧板、右侧板均为有机玻璃面板。

在一些优选实施例中，该系统还包括总控中心、变形检测装置和高能加速器CT扫描系统，所述变形检测装置、所述图像采集装置均与所述总控中心信号连接。

所述变形检测装置包括第一变形检测组件、第二变形检测组件、第三变形检测组件和第四变形检测组件，所述第一变形检测组件设置于所述摩擦效果层中，以实时检测所述摩擦效果层的变形信息。

所述第二变形检测组件设置于所述第一围岩层中，以实时检测所述第一围岩层的变形信息。

所述第三变形检测组件设置于所述隧道结构模型中，以实时检测所述隧道结构模型的周侧侧壁的变形信息。

所述第四变形检测组件所述第二围压层中，以实时检测所述第二围压层的变形信息。

所述高能加速器CT扫描系统包括射线源装置和探测器装置，所述射线源装置和所述探测器装置分别设置于所述箱体结构中的隧道结构模型的两侧，用于实时检测隧道围岩和隧道结构的受力变形状态。

1）本发明利用围岩相似材料摩擦效果层中粘土矿物的比例对摩擦稳定性的影响效应，实现了同一装置下对断层蠕滑和粘滑两种效应对隧道结构影响的模拟，仅需要改变摩擦层中粘土矿物和石英砂的比例，可操作性高且成本较低；同时，有助于推动跨断层隧道工程的稳定性研究，对跨断层隧道的工程建设具有重要借鉴意义。

2）本发明中围岩相似材料进行了分层铺设，摩擦效果层负责模拟断层岩体的错动，并将其传递到上覆围岩层；围岩层负责模拟隧道所处围岩环境；铁砂层负责模拟上覆埋深应力。较前人提出的相似材料铺设方法，本发明对真实环境的还原度更好，更加科学合理，实验结果可信度得到提高。

3）本发明在实现两种错动效果时，不需要昂贵的液压伺服动力源；仅使用液压千斤顶，大大降低实验成本。

4）本发明结构简单，装配简易，便于开展大量实验，提高了实验效率和结果可信度。

附图说明

通过阅读参照以下附图所作的对非限制性实施例所作的详细描述，本申请的其它特征、目的和优点将会变得更明显。

图1是本发明的一种具体实施例的剖视示意图。

图2是图1中的板状组件的示意图。

图3是图1的另一角度示意图。

附图标记说明：110、箱体结构；120、支撑装置；131、加载板，132、第一导向板，133、第二导向板，134、第一滑轨，135、第二滑轨，136、第三滑轨；200、断层错动加载系统；310、摩擦效果层，320、第一围岩层，330、隧道结构模型，340、第二围岩层，350、上覆压力层。

具体实施方式

下面参照附图来描述本发明的优选实施方式。本领域技术人员应当理解的是，这些实施方式仅仅用于解释本发明的技术原理，并非旨在限制本发明的保护范围。

本发明提供了一种模拟断层蠕滑和粘滑错动隧道结构的实验系统，包括模型箱系统和断层错动加载系统，断层错动加载系统设置于模型箱系统的下方；模型箱系统包括中空设置的箱体结构以及设置于箱体结构下方的支撑装置，箱体结构的内部从下向上依次设置有摩擦效果层、第一围岩层、隧道结构模型、第二围岩层和上覆压力层；箱体结构的底部开设有通孔，通孔的上部设置有板状组件，以封闭箱体结构的底部；板状组件包括加载板、第一导向板和第二导向板，加载板覆盖通孔设置；第一导向板、第二导向板设置于加载板的两侧，且与箱体结构的底板连接；第一导向板靠近第二导向板的一侧设置有第一滑轨；第二导向板靠近第一导向板的一侧设置有第二滑轨；加载板的两侧与第一滑轨、第二滑轨可滑动设置；断层错动加载系统设置于加载板的底部，加载板在断层错动加载系统的作用下沿第一滑轨、第二滑轨运动，摩擦效果层在加载板的作用下通过第一围岩层对隧道结构模型提供断层错动力。

本发明为一种实现断层蠕滑、粘滑错动对隧道结构影响物理模拟的实验系统，在同一套实验装备中，仅改变围岩中相似材料的配比，利用其对材料摩擦稳定性的影响效果，实现断层错动效应在蠕滑和粘滑之间的转换，从而研究不同断层错动效应对隧道工程的影响。通过摩擦效果层产生试验所需的粘滑和蠕滑错动效果，通过第一围岩层对隧道结构模型传递断层错动力，有助于推动跨断层隧道工程的稳定性研究，对跨断层隧道的工程建设具有重要借鉴意义。

以下参照附图结合实施例进一步说明本发明。

参照附图1至附图3，本发明提供了一种模拟断层蠕滑和粘滑错动隧道结构的实验系统，包括模型箱系统和断层错动加载系统，断层错动加载系统设置于模型箱系统的下方；模型箱系统包括中空敞口设置的箱体结构110以及设置于箱体结构下方的支撑装置120，中空敞口设置的箱体结构提供了放置围岩相似材料和隧道结构模型的场所。

进一步地，箱体结构的内部从下向上依次设置有摩擦效果层310、第一围岩层320、隧道结构模型330、第二围岩层340和上覆压力层350；箱体结构的底部开设有通孔，通孔的上部设置有板状组件，以封闭箱体结构的底部；在本实施例中，由摩擦效果层、第一围岩层、第二围岩层与上覆压力层构成围岩相似材料层，以真实模拟隧道所处环境。

板状组件包括加载板131、第一导向板132和第二导向板133，加载板覆盖通孔设置；第一导向板、第二导向板设置于加载板的两侧，且与箱体结构的底板连接；第一导向板靠近第二导向板的一侧设置有第一滑轨134；第二导向板靠近第一导向板的一侧设置有第二滑轨135；加载板的两侧与第一滑轨、第二滑轨可滑动设置；断层错动加载系统200设置于加载板的底部，加载板在断层错动加载系统的作用下沿第一滑轨、第二滑轨运动，摩擦效果层在加载板的作用下通过第一围岩层对隧道结构模型提供断层错动力，实现断层错动的效果模拟。

优选地，第一导向板、第二导向板均为倾斜板状结构；加载板的两侧端面均为倾斜平面；第一导向板、第二导向板与加载板的两侧端面平行设置；第一导向板、第二导向板与箱体结构的底部可拆卸设置，可灵活调节倾斜角度。通过倾斜的第一导向板、第二导向板的设置，是加载板保持一定的角度斜向上移动，以模拟特定的错动角度，开展不同断层错动角度下的模拟试验，提高了试验精度。

进一步地，加载板的底部设置有第三滑轨136；断层错动加载系统包括多个液压动力装置，在试验过程中，多个液压动力装置的顶部均与第三滑轨抵触，并且第三滑轨与多个液压动力装置的顶部可滑动。

在本实施例中，液压动力装置为千斤顶，千斤顶的底座与地面固定连接，千斤顶的活塞杆与加载板接触，为实验提供加载动力来源。

进一步地，摩擦效果层包括粘土矿物和石英砂；第一围岩层、第二围岩层均为石英砂、重晶石粉、石膏与水的混合物，对隧道围岩体进行模拟，其配比根据原型隧道的围岩环境通过相似理论进行计算，隧道结构埋设在该层中部。粘土矿物为高岭石、伊利石、蒙脱石等。

优选地，隧道结构模型设置于第一围岩层与第二围岩层的中间。

优选地，在模拟蠕滑工况中，粘土矿物与石英砂的重量比为1：1，粘土矿物采用蒙脱石，石英砂采用颗粒粒径80目的普通石英砂。

优选地，在模拟粘滑工况中，粘土矿物与石英砂的重量比为1：9，粘土矿物采用高岭石，石英砂采用颗粒粒径40目的普通石英砂。

优选地，第一导向板的高度、第二导向板的高度均小于摩擦效果层的高度。

进一步地，第一导向板与箱体结构的底板之间的夹角为

进一步地，摩擦效果层的高度为h，箱体结构的高度为H，h∈

优选地，上覆压力层为铁砂层，覆盖在最表层，作为配重材料，提供上覆压力，其目的是模拟较大埋深隧道所承受的上覆埋深应力。

进一步地，支撑装置包括多个支撑架，多个支撑架阵列设置；支撑架为T字型结构，T字型结构的顶部与箱体结构的底部可拆卸连接。

优选地，支撑架为钢制支撑腿，钢制支撑腿与地面固定连接，确保实验过程中箱体的稳定。

进一步地，箱体结构的底板包括第一区域和第二区域，第一区域与第二区域对称设置；通孔设置于第一区域或者第二区域，在本实施例中，即通孔设置于箱体结构的底板的左半部分或者右半部分。在本实施例中，通孔为设置于箱体结构底部左半侧面积的方孔，方孔的面积小于加载板的面积。

优选地，箱体结构的前侧板、后侧板、左侧板、右侧板均为有机玻璃面板，便于实时观察实验过程中隧道结构及围岩的变形破坏情况。

进一步地，该系统还包括总控中心、变形检测装置和高能加速器CT扫描系统，变形检测装置、图像采集装置均与总控中心信号连接；变形检测装置包括第一变形检测组件、第二变形检测组件、第三变形检测组件和第四变形检测组件，第一变形检测组件设置于摩擦效果层中，以实时检测摩擦效果层的变形信息；第二变形检测组件设置于第一围岩层中，以实时检测第一围岩层的变形信息；第三变形检测组件设置于隧道结构模型中，以实时检测隧道结构模型的周侧侧壁的变形信息；第四变形检测组件第二围压层中，以实时检测第二围压层的变形信息；高能加速器CT扫描系统包括射线源装置和探测器装置，射线源装置和探测器装置分别设置于箱体结构中的隧道结构模型的两侧，用于实时检测隧道围岩和隧道结构的受力变形状态。

进一步地，在本实施例中的隧道结构模型为长筒状的石膏模型，截面形状可以根据所模拟的隧道制定为圆形、马蹄形等；可根据需要布设应变片、微型摄像头等进行实时的变形测量、破裂动态拍摄等实验检测手段。

本系统实现两种蠕滑错动和粘滑错动不同的实验模拟需求时，只需改变围岩相似材料摩擦效果层中粘土矿物的成分及比例。本实验所研究的断层错动对隧道的影响，在于发生错动的断层两侧岩体的相对运动传播到上覆岩土体中，并对埋藏其中的隧道结构产生变形破坏作用。断层错动的本质为岩体结构面的剪切错动问题，涉及结构面剪切的本构关系。结构面剪切对接触时间、速度和位移具有依赖性，该特性将决定摩擦滑动的稳定性（蠕滑）或非稳定性（粘滑）。

表述岩体结构面剪切本构关系的Dieterich-Ruina定律（或称慢度律）为：

决定摩擦稳定性的主要参数为a-b，符合a-b≥0的材料为速度加强型，将保持稳定滑动（蠕滑）；符合a-b<0的材料为速度弱化型，其滑动是不稳定的（粘滑）。岩体结构面剪切实验显示，粘土矿物重量百分比大于30%的情况下，滑动具有速度强化效应，表现为蠕滑；粘土矿物重量百分比小于30%的情况下，滑动具有速度弱化效应，表现为粘滑。因此，本发明考虑了围岩相似材料摩擦效果层中粘土矿物的比例对摩擦稳定性的影响效应，在模拟蠕滑工况中，摩擦效果层的粘土矿物、石英砂的重量占比优选为50%：50%，粘土矿物采用蒙脱石，石英砂采用颗粒粒径80目的普通石英砂；在模拟粘滑工况中，摩擦效果层的粘土矿物、石英砂的重量占比为10%：90%，粘土矿物采用高岭石，石英砂采用颗粒粒径40目的普通石英砂。

此外，可加入适量重晶石粉对摩擦系数及摩擦效果微调。

本实验系统的具体实验方法如下：1）根据实验需求，对实验装置进行组装和调节；首先将加载板放置于箱体结构的底板的方孔（即通孔）之上，保证加载板的四个侧边不与箱体结构的侧壁接触，避免产生摩擦。调节加载千斤顶群（即断层错动加载系统），使千斤顶的活塞杆与加载板底部的第三滑轨紧密接触；松开倾斜导向板的固定螺栓，调节导向板的倾斜角度使其等于模拟的断层错动倾角，然后拧紧固定螺栓。

2）制作隧道结构模型；利用石膏材料对隧道结构及其内部衬砌模型进行制作，截面形状与模拟隧道的截面形状一致，在隧道内部根据实验需求还可以制作衬砌、路轨系统模型，同时可布设应变片、微型摄像头等监测设备。

3）装载围岩相似材料；首先根据实验所模拟的断层错动效果（蠕滑或粘滑），选择相应的摩擦层相似材料配比，将材料按配比拌匀后分多次铺设于箱体结构的底层，高度应不超过箱体结构内部高度的1/3。其次，根据相似理论等方法确定围岩层相似材料的配比，根据配比将材料拌匀；先将一半用量分数次铺设于摩擦效果层之上，作为第一围岩层。放入隧道结构模型，根据具体要求布设应变片、土压力盒等监测设备；再分多次将剩余材料铺设，将隧道结构覆盖，作为第二围岩层；根据模拟的埋深在表面铺一层铁砂以增大埋深压力，铁砂的用量根据模拟的上覆埋深压力进行计算。

4）实验加载、监测。利用加载千斤顶群向上推动加载板，摩擦效果层在加载板的作用下产生摩擦错动，在不同粘土矿物含量条件下产生蠕滑或粘滑效果，并进一步将错动效果传递第一围岩层、第二围岩层；在错动作用下，第一围岩层、第二围岩层和隧道结构模型互相作用并发生变形破坏，模拟断层错动对隧道结构的影响。实验过程中可通过模型箱各有机玻璃侧面实时观察围岩层变形情况，通过布设好的应变片、微摄像头、土压力盒等监测设备收集实验数据。

5）结束实验。当加载板位移达到预设错动量时，停止加载；逐层清除上覆材料，并取出隧道结构模型；最后对加载千斤顶群和加载板进行复位，结束实验。

虽然已经参考优选实施例对本发明进行了描述，但在不脱离本发明的范围的情况下，可以对其进行各种改进并且可以用等效物替换其中的部件，尤其是，只要不存在结构冲突，各个实施例中所提到的各项技术特征均可以任意方式组合起来。本发明并不局限于文中公开的特定实施例，而是包括落入权利要求的范围内的所有技术方案。

在本发明的描述中，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示方向或位置关系的术语是基于附图所示的方向或位置关系，这仅仅是为了便于描述，而不是指示或暗示所述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。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

此外，还需要说明的是，在本发明的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域技术人员而言，可根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

术语“包括”或者任何其它类似用语旨在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、物品或者设备/装置不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其它要素，或者还包括这些过程、物品或者设备/装置所固有的要素。

至此，已经结合附图所示的优选实施方式描述了本发明的技术方案，但是，本领域技术人员容易理解的是，本发明的保护范围显然不局限于这些具体实施方式。在不偏离本发明的原理的前提下，本领域技术人员可以对相关技术特征做出等同的更改或替换，这些更改或替换之后的技术方案都将落入本发明的保护范围之内。