一种耦合多因素的断层错动模拟试验系统及试验方法

本发明涉及岩土工程，具体涉及一种耦合多因素的断层错动模拟试验系统及试验方法。

背景技术：

1、当前破坏性地震仍处于频发多发期，而针对研究边坡、隧道、断层在地震作用下的震害机理研究还十分的有限，所以研究断层、隧道、边坡在地震作用下的稳定性已成为极为重要的研究课题。室内振动台试验则是研究地震激励作用下断层、隧道、边坡结构动力响应和损伤破坏机理的有效途径，将试验原型根据buckinghamπ理论进行换算得到特定的相似比，从而得到相似材料，制作按比例缩放的模型放置于振动台上，通过振动台系统模拟真实地震波进行激振可实时监测振动过程中结构的动力响应，可以直观有效地反映模拟含断层边坡以及隧道洞口原型的动力响应和变形破坏特征。

2、断层在强烈地震作用下容易发生错动，断层处上下盘在地震作用过程中还会发生持续的错动。而针对于可以耦合多因素模拟的地震模拟模型箱，以往相关的试验装置往往是模型箱两部分互相分离式，这样在试验中侧面监测就会受到影响。也未考虑到传统电机驱动下瞬间驱动力不足的问题。随着考虑多个因素之间耦合作用下的震害机理及抗减震措施研究重要性日益增加，真实还原断层、隧道、边坡在地震作用下的破坏机理研究的深入开展具有重要意义，但考虑既能实现模拟断层、隧道、边坡相互耦合，又能有着模型箱整体化，不分离式且拥有更优监测条件的断层地震模拟模型箱的开发至今为止仍比较空缺。

3、鉴于此，有必要研发一种能实现断层、隧道、边坡在地震作用下的倾滑错动，分析震害机理和观测到整个累积破坏的进程模型试验系统，为断层、隧道、边坡在地震作用下耦合的动力响应破坏机理及抗减震措施的研究提供实验基础。

技术实现思路

1、本发明所要解决的技术问题是克服现有技术中的不足，目的在于提供一种耦合多因素的断层错动模拟试验系统，能实现断层、隧道、边坡在地震作用下的倾滑错动，分析震害机理和观测到整个累积破坏的进程。

2、本发明通过下述技术方案实现：

3、一种耦合多因素的断层错动模拟试验系统，包括底部设有开口的模型箱，所述模型箱内还设有错动组件，所述模型箱的底部设有断层倾斜角调节组件和扭转驱动模拟组件，所述断层倾斜角调节组件包括断层倾角板和调节单元，所述断层倾角板位于所述模型箱内，所述调节单元用于调节断层倾角板在模型箱内的倾斜角度，所述扭转驱动模拟组件用于推动错动组件沿调节断层倾角板的倾斜方向移动。

4、进一步地，还包括振动台台面，所述扭转驱动模拟组件和调节单元均固定在所述振动台台面上；

5、所述模型箱包括两个矩形框体以及若干隔板，所述振动台台面的顶部设置有若干支撑柱，两个所述矩形框体相对设置在所述支撑柱上，所述错动组件和隔板均分布在两个矩形框体之间，且隔板、矩形框体以及动组件围成矩形模型箱结构；

6、所述矩形框体上设有玻璃。

7、进一步地，所述错动组件包括错动端后板和错动板，所述错动端后板与所述错动板连接，整体呈l型结构，所述错动端后板位于两个所述矩形框体之间，所述错动板位于所述模型箱底部的开口内，且所述扭转驱动模拟组件与错动板连接；所述错动板的底部还设有滑块，所述断层倾角板上设有与滑块匹配的第一滑槽，所述滑块位于所述第一滑槽内。

8、进一步地，所述错动端后板的两侧均设有第二滑槽，所述第二滑槽内设有若干支撑板，所述支撑板上镶嵌有滚珠，且所述滚珠与所述矩形框体相切。

9、进一步地，所述扭转驱动模拟组件包括两个横向挡板、气缸以及u型架，所述横向挡板均固定在所述振动台台面上，所述横向挡板上还设有旋转单元；

10、所述u型架位于两个横向挡板之间，所述气缸固定在u型架内，所述u型架上还设有固定板，所述气缸的输出轴贯穿所述固定板后设有固定块，所述固定块与所述气缸的端部铰接，所述固定块与所述错动板的底部连接，所述旋转单元用于驱动气缸在横向挡板之间沿竖直平面转动。

11、进一步地，所述旋转单元包括第一齿轮、第二齿轮；

12、所述横向挡板上均设有转轴，所述转轴水平贯穿所述横向挡板，所述转轴一端设有扭转轮，另一端设有与所述第二齿轮连接；

13、所述固定板上还设有连接固定件，所述连接固定件一端与所述固定板固定连接，另一端与所述第一齿轮固定连接，且所述第一齿轮与所述第二齿轮啮合，当第二齿轮转动时，所述第一齿轮能够带动气缸在竖直平面内转动。

14、进一步地，所述调节单元包括第一支撑台、第一电机，所述第一支撑台固定在所述振动台台面的顶部，所述第一电机固定在所述第一支撑台的顶部，所述第一电机的输出端设有第一扭转减速箱，所述第一扭转减速箱上设置第一转动齿轮，所述第一转动齿轮上设置第一旋转伸缩杆，所述第一旋转伸缩杆上设有倾滑支撑块，所述倾滑支撑块与所述第一旋转伸缩杆铰接，所述倾滑支撑块与所述断层倾角板连接；

15、所述第一支撑台上还设有第二支撑台，所述第二支撑台上还设有活动块，所述活动块与所述断层倾角板的底部铰接。

16、进一步地，所述振动台台面上还设有滑轨，所述滑轨上设置有x型结构的升降台，所述升降台上设有内板；

17、所述倾滑支撑块还设有凸块，所述凸块上设有扭转杆，所述扭转杆能够在凸块内绕着自身的轴线转动，且所述内板的一端与所述扭转杆连接；

18、所述振动台台面上还还设有第三支撑台，所述第三支撑台上设有第二电机，所述第二电机的输出端设有第二扭转减速箱，所述第二扭转减速箱上设置第二转动齿轮，所述第二转动齿轮上设置第二旋转伸缩杆，所述第二旋转伸缩杆与所述内板底部铰接。

19、进一步地，还包括摄相机监测单元和真空压缩气单元，所述摄相机监测单元包括摄像机，所述摄像机正对所述矩形框体上的玻璃；

20、所述真空压缩气单元包括缸体，所述缸体位于所述，所述缸体上设有真空压缩电机和压缩器，所述真空压缩电机通过传动皮带与所述压缩器的风扇叶连接，所述缸体与所述气缸连接。

21、一种耦合多因素的断层错动模拟试验方法，包括以下步骤：

22、步骤1：根据研究主题，确定断层倾角；

23、步骤2：模型箱内部前后两侧设置10cm厚聚苯乙烯泡沫板，以减小地震波在模型箱边界产生的反射与折射效应；

24、步骤3：根据原型实际工程的地形地貌条件，确定边坡、断层、隧道材料，边坡、隧道模型材料的组成与配合比，使断层、边坡、隧道模型的物理力学性能参数满足相似比；

25、步骤4：分层铺设并夯实材料，逐层安装加速度计、应变片、土压力盒、位移计等传感器；

26、步骤5：通过控制系统打开模拟断层倾斜角调节组件，配合升降台和与断层铰接处的内板使断层倾向调整至理想角度，待定调整好角度之后，手动调节气缸旋转角度，将气缸旋转至同断层倾向的方面，放置材料隔板；

27、步骤6：在设计高度放置隧道，将其逐层掩埋压实，并在洞口处外表面粘贴保鲜膜；

28、步骤7：架设高速摄相机，以至最优视角；

29、步骤8：开启振动台，使模型受到地震激励；

30、步骤9：启动压缩器，使缸体导入高压气体实现可控速率情况下边坡、断层、隧道在地震作用下沿着断层倾向的错动；

31、步骤10：分析试验过程中采集到的加速度、土压力、应变、位移云图等数据，从而研究边坡、断层、隧道在地震作用下耦合的震害机理以及渐进破坏过程与抗减震措施。

32、本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：

33、本发明为了解决传统地震模拟模型箱在模拟断层、隧道、边坡在地震作用下侧面监测不便的问题，旨在为振动台试验提供一种能够与各种监测设备配套从而提供更详细的监测，通过压缩机将高压气体输入旋转气缸实现断层的错动，最大限度减轻因电机的瞬时驱动力不足与对数据采集的电磁信号干扰的，真实还原断层、隧道、边坡的工程情况，得到更为准确的数据和更为清晰的云图，提高振动台模拟断层、隧道、边坡结构动力结构响应的准确性和真实性。