一种用于模拟跨断层隧道错动作用的试验装置及方法

本发明属于隧道工程模型试验，尤其涉及一种用于模拟跨断层隧道错动作用的试验装置及方法。

背景技术：

1、正断层和逆断层是地质学中常见的两种断层类型，二者在地质构造、形成机制和活动特征有显著差别。其中，正断层指上盘岩层相对下降，下盘岩层相对上升的断层，主要导致隧道发生张拉破坏；逆断层指上盘岩层相对上升，下盘岩层相对下降的断层，导致隧道产生较大挤压作用。两种断层错动现象都会对隧道设计施工带来一定困难，因此，在隧道设计和施工过程中，需要针对正断层和逆断层采取相应的措施以确保隧道的安全运行。

2、模拟隧道受断层错动作用的试验对于隧道施工具有重要意义，隧道施工过程中往往不可避免地需要穿越断层，断层处岩体强度和稳定性较低且在地震等地质灾害发生时容易发生错动现象，而断层错动过程中，隧道会受到剪切、拉伸等力的作用，会对隧道造成变形、破坏等不良影响，这会极大影响隧道的正常使用和安全性能。为了防止隧道因断层错动而影响正常使用和安全性能，相关研究团队需要进行模型试验，通过模拟断层错动现象改良隧道结构以提高其抵抗断层错动的能力。

3、目前，大部分模拟隧道抵抗断层错动的模型试验只进行了基本的断层错动模拟，在实际工程施工中，由于隧道大多布设于地下，隧道的受力情况往往较为复杂，只还原断层错动现象不能完全真实地模拟隧道实际受力情况。因此本技术方案旨在提出一种跨断层隧道错动模拟试验装置，解决上述问题。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供一种用于模拟跨断层隧道错动作用的试验装置及方法，以解决上述问题。

2、为实现上述目的，本发明提供了如下方案：一种用于模拟跨断层隧道错动作用的试验装置，包括：

3、试验腔，用于模拟隧道断层错动试验；

4、第一主动面，被赋予限定出试验腔侧壁面，且所述第一主动面被配置为在试验过程中，能够沿水平方向形成有恒定作用至所述试验腔的第一加载力；

5、第二主动面，被赋予限定出试验腔端面，所述第二主动面被配置为形成有沿竖直方向作用至所述试验腔的第二加载力，且所述第二加载力分别具有可切换的竖直向上/向下或静止的作用方向，用以使所述试验腔内分别构成向上/向下或静止区间；

6、其中，当所述试验腔内同时形成有所述静止区间和所述向上区间时，所述试验腔用于模拟逆断层错动，当所述试验腔内同时形成有所述静止区间和所述向下区间时，所述试验腔用于模拟正断层错动。

7、优选的，还包括：

8、加载单元，包括均布于所述第一主动面和第二主动面上的若干加载板，所述加载板被配置为配合以形成有覆盖所述第一主动面和第二主动面的若干加载区间，所述加载板与相邻所述第一主动面或第二主动面滑动连接，当通过加载机构的加载端作用至所述加载板时，所述加载板分别形成有所述第一加载力和第二加载力。

9、优选的，所述第一主动面包括：

10、四个侧壁板，两两相对分布且相邻侧边之间相互固定，四所述侧壁板配合以围合出所述试验腔侧壁面；

11、其中，所述加载板于任意一所述侧壁板上呈阵列分布有若干个，且该侧壁板上开设有与所述加载板一一对应的若干第一限位孔，所述加载板与所述第一限位孔限位滑接、并贯穿该侧壁板。

12、优选的，所述第二主动面包括：

13、两端板，分别固定在所述试验腔的顶端和底端，所述端板上开设有若干呈阵列分布的第二限位孔，所述第二限位孔内限位滑接有所述加载板。

14、优选的，所述加载机构包括：

15、反力架，与所述加载板数量相同且一一对应，所述反力架安装在所述试验腔外壁面且相对于所述试验腔固定，所述反力架靠近所述试验腔的一侧固接有油缸的一端，所述油缸的另一端与相邻所述加载板固接。

16、优选的，还包括：

17、若干横梁，依次固接在位于上方的所述端板顶面，相邻两横梁之间对应所述第二限位孔设置有间隙。

18、优选的，还包括：

19、模型孔，开设在任意一所述侧壁板的中心。

20、一种用于模拟跨断层隧道错动作用的试验方法，根据上述任一项所述的用于模拟跨断层隧道错动作用的试验装置，还包括以下步骤：

21、通过依次安装侧壁板和端板，从而围合构成试验腔；

22、向试验腔内填充并夯实模拟材料，然后通过模型孔在试验腔内放置隧道模型；

23、在侧壁板和端板上安装反力架，通过反力架连接相对于试验腔滑动的加载板；

24、在试验时，分别通过油缸使两端板上的部分加载板沿向上或向下方向移动，而端板上的其余加载板保持静止，同时，侧壁板上的加载板沿试验腔由外向内的方向提供恒定加载，以分别模拟地应力作用下的隧道逆断层和正断层；

25、当试验结束后，将端板和侧壁板依次拆卸，并取出内部模拟材料和隧道模型。

26、优选的，在使端板上的部分加载板沿向上或向下方向移动时，将端板上的若干加载板划分为a、b组，且位于顶端端板上的a组加载板与位于底端上的b组加载板相同，其中，a组为所述的部分加载板，b组为所述的其余加载板。

27、与现有技术相比，本发明具有如下优点和技术效果：

28、本技术方案在模拟正断层错动时，试验腔内分别形成静止区间和向下区间，而在逆断层错动时，试验腔内分别形成有静止区间和向上区间，利用第二加载力作用方向的不同，使得静止区间和向上、向下区间的接缝处产生断层，不仅能够分别进行正、逆断层错动试验，同时整体装置更贴合实际环境，保障模拟试验的效果；

29、另外，在试验过程中，静止区间和向上区间、向下区间之间的比例关系可通过切换第二加载力的状态进行调整，进而产生不同断层位移情况，提高试验效果，便于人员自由设定试验数据，模拟不同断层倾角系数。

技术特征：

1.一种用于模拟跨断层隧道错动作用的试验装置，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的用于模拟跨断层隧道错动作用的试验装置，其特征在于，还包括：

3.根据权利要求2所述的用于模拟跨断层隧道错动作用的试验装置，其特征在于，所述第一主动面(1)包括：

4.根据权利要求2所述的用于模拟跨断层隧道错动作用的试验装置，其特征在于，所述第二主动面(2)包括：

5.根据权利要求2所述的用于模拟跨断层隧道错动作用的试验装置，其特征在于，所述加载机构包括：

6.根据权利要求4所述的用于模拟跨断层隧道错动作用的试验装置，其特征在于，还包括：

7.根据权利要求3所述的用于模拟跨断层隧道错动作用的试验装置，其特征在于，还包括：

8.一种用于模拟跨断层隧道错动作用的试验方法，根据权利要求1-7任一项所述的用于模拟跨断层隧道错动作用的试验装置，其特征在于，还包括以下步骤：

9.根据权利要求8所述的用于模拟跨断层隧道错动作用的试验方法，其特征在于，在使端板(21)上的部分加载板(4)沿向上或向下方向移动时，将端板(21)上的若干加载板(4)划分为a、b组，且位于顶端端板(21)上的a组加载板(4)与位于底端上的b组加载板(4)相同，其中，a组为所述的部分加载板(4)，b组为所述的其余加载板(4)。

技术总结本发明属于隧道工程模型试验技术领域，提出一种用于模拟跨断层隧道错动作用的试验装置及方法，包括：第一主动面，被赋予限定出试验腔侧壁面，且第一主动面在试验过程中，能够沿水平方向形成有恒定作用至试验腔的第一加载力；第二主动面，被赋予限定出试验腔端面，第二主动面形成有沿竖直方向作用至试验腔的第二加载力，且第二加载力分别具有可切换的竖直向上/向下或静止的作用方向，用以使试验腔内分别构成向上/向下或静止区间；其中，当试验腔内同时形成有静止区间和向上区间时，试验腔用于模拟逆断层错动，当试验腔内同时形成有静止区间和向下区间时，试验腔用于模拟正断层错动。能够提高进行正、逆断层错动试验的模拟效果。技术研发人员：程毅,王永哲,焦玉勇,庄游龙,唐志成,陈显辉受保护的技术使用者：中国地质大学（武汉）技术研发日：技术公布日：2024/9/12