一种满足强震位错耦合加载的断层模拟试验装置及方法制造方法及图纸

技术编号：42182729 阅读：6 留言：0更新日期：2024-07-30 18:35

本发明专利技术涉及一种满足强震位错耦合加载的断层模拟试验装置及方法，装置包括：刚性模型箱、模块装配式组件、层状剪切组件、振动台加载装置、托架；托架设于两个振动台加载装置中间，模块装配式组件的一端与刚性模型箱相连，模块装配式组件的另一端与层状剪切组件相连，层状剪切组件的底部与托架滑动连接；土体和隧道模型设置在刚性模型箱、模块装配式组件内并穿过层状剪切组件；通过控制振动台加载装置的地震波输入使刚性模型箱与模块装配式组件沿振动台加载装置的振动方向发生运动，从而带动层状剪切组件发生错动。与现有技术相比，本发明专利技术能够有效模拟强震位错耦合作用情况下断层破碎带发生位移对隧道结构的影响、易于操作、通用性强。

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【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及岩土工程，尤其是涉及一种满足强震位错耦合加载的断层模拟试验装置及方法。

技术介绍

1、我国是全球大陆地震最频繁、地震灾害最严重的国家，尤其是川滇地区，长大活动断裂带分布广泛，随着“十四五”现代综合交通运输体系发展规划深入推进，越来越多的隧道工程不可避免地穿越强震活动断裂带，所面临的工程灾害风险也日益增加。目前跨断层工程抗震已成为国际地震工程领域的研究热点和难点，但在研究中仍存在着地震过程中断层的错动模式不明以及穿越活动断层隧道的灾变机理不清等问题。国内外现行制度规范也以避让断层开展工程建设为主，尚未形成系统性的设计指导。而为了厘清穿断层隧道的震害机制，依托于振动台的物理模型试验无疑是帮助我们客观认识理论机理的重要研究手段，而物理模型的关键点便在于如何设计出能够满足强震位错耦合加载的断层模拟试验装置。

2、近年来，国内外学者开展了众多有关于近断层地震动特性以及穿断层工程设施破坏的研究工作，同样也进行了一系列断层模拟试验装置的研发，然而现有的试验装置大多针对某一特定的工程或试验进行加工制作，普适性较差且可能会影响试验结果的科学性，并且现有断层模拟试验装置的加载方式多为静力加载，即首先将断层上下盘分为固定盘与错动盘，通过对错动盘施加荷载的方式模拟断层的错动，但这种装置形式无法有效模拟断层破碎带内部位移的分布模式，并且这种静力加载方式也无法模拟地震过程中强震及断层位错耦合的真实应力场组合形式。因此需要研发一套具有一定通用性的断层模拟试验装置来研究地震过程中强烈地震动与断层错动的耦合作用对地下结构的影响。

技术实现思路

1、本专利技术的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种满足强震位错耦合加载的断层模拟试验装置及方法。本专利技术提供的试验装置和试验方法，能够有效模拟强震位错耦合作用情况下断层破碎带发生位移对隧道结构的影响；采用多层框架结构对断层破碎带进行模拟，相较于以往将错动位移施加至单一错动面上更能够反映断层破碎带实际位移情况；采用模块装配式组件，试验人员可根据具体试验需求对组件进行拼装，满足不同断层参数工况下的试验需求，便于重复利用；通用性强，可以通过改变模块装配式组件及层状剪切组件的组合来模拟断层错动过程，装置具有良好的通用性。

2、本专利技术的目的可以通过以下技术方案来实现：

3、本专利技术用以探究强震-位错耦合加载对隧道结构的影响。采用分段构造的结构型式对断层结构进行模拟，通过模块装配式组件的组合实现断层参数的改变，并利用框架式的层状剪切组件来模拟断层真实位移。试验装置易于操作，通用性强，试验方法科学性强。

4、本专利技术提供一种满足强震位错耦合加载的断层模拟试验装置，包括：刚性模型箱、模块装配式组件、层状剪切组件、振动台加载装置、托架；

5、托架设于两个振动台加载装置中间，模块装配式组件的一端与刚性模型箱相连，模块装配式组件的另一端与层状剪切组件相连，刚性模型箱、模块装配式组件的底部均与振动台加载装置相连接，层状剪切组件的底部与托架滑动连接；

6、模块装配式组件与刚性模型箱共同组成上下盘结构，用于模拟不同的试验工况，模块装配式组件根据试验所模拟的断层参数进行设计，断层参数包括断层倾角、断层与隧道的夹角，模块装配式组件的与层状剪切组件连接的开放面的形状与断层面相同，模块装配式组件的与刚性模型箱连接的开放面与刚性模型箱侧面尺寸相同；

7、土体和隧道模型设置在刚性模型箱、模块装配式组件内并穿过层状剪切组件；通过控制振动台加载装置的地震波输入使刚性模型箱与模块装配式组件沿振动台加载装置的振动方向发生运动，从而带动层状剪切组件发生错动。

8、进一步的，刚性模型箱的箱体框架包括h型钢与槽钢，刚性模型箱的箱体包括四个封闭面和两个开放面，刚性模型箱的箱体的底部、一侧端部以及箱体前后两面为封闭面，刚性模型箱的端部开放面位于刚性模型箱与模块装配式组件的连接面，刚性模型箱的顶部开放面位于刚性模型箱的顶部。

9、进一步的，模块装配式组件是针对单一试验进行预制化的结构，模块装配式组件结包括相互焊接的钢板，模块装配式组件通过螺栓与刚性模型箱连接。只能满足一种加工工况，进行下一组试验时需要进行整体更换。

10、进一步的，模块装配式组件是适用于不同断层参数的可拆卸式结构，模块装配式组件包括多个子结构，在试验过程中通过更改子结构的组合形式来满足不同断层参数，多个子结构通过螺栓相互连接。在试验中可通过拆卸、拼装的方式来满足试验要求。

11、进一步的，模块装配式组件的子结构包括相互连接的块状钢板，模块装配式组件的一侧的侧壁包括多个形状不同的断层倾向控制组件，模块装配式组件的另一侧包括多个形状不同的的断层走向控制组件，断层倾向控制组件控制断层倾角的变化，断层走向控制组件控制断层走向的变化，模块装配式组件的两个侧壁的断层倾角一一对应。在进行试验时可根据断层参数首先选择两个侧壁的断层倾向控制组件，对断层倾角进行模拟，之后通过断层走向控制组件的组合改变断层的走向。

12、进一步的，层状剪切组件与托架之间通过导轨或滚珠进行连接，层状剪切组件能够在托架上自由滑动。

13、进一步的，层状剪切组件对断层破碎带进行模拟，层状剪切组件的框体组装总长度根据断层破碎带宽度进行设置，层状剪切组件包括外层层状剪切型框架、内层层状剪切型框架、层状剪切型框架内部连接件、层状剪切型框架底部连接件，层状剪切组件通过层状剪切型框架底部连接件与托架连接，外层层状剪切型框架、内层层状剪切型框架通过层状剪切型框架内部连接件连接，层状剪切型框架内部连接件用于发生错动位移，通过模块装配式组件带动层状剪切组件沿着振动台加载装置振动方向产生错动；层状剪切型框架底部连接件能够起到导向及限制位移的作用。根据断层破碎带发生错动时的位移曲线计算出断层破碎带任一位置处的位移，之后对断层破碎带进行分段划分，确定每一榀框架的最优尺寸，并且通过数学方法将每一榀框架内的曲线位移等效为直线均匀位移，进而确定出每一榀框架底部限位装置的行程。

14、进一步的，层状剪切型框架内部连接件为轴承或弹簧，外层层状剪切型框架、内层层状剪切型框架的宽度沿模块装配式组件向中间位置逐渐减小，用于满足加载过程中断层破碎带“s”形位移的变化趋势。

15、进一步的，层状剪切组件包括相互焊接的四个开口式钢管，钢管的开口面形状与断层面相同。

16、本专利技术还提供一种满足强震位错耦合加载的断层模拟试验方法，包括以下步骤：

17、s、根据试验所需要模拟的断层，确定断层参数，断层参数包括倾角参数、断层破碎带宽度参数、断层与隧道之间的夹角，根据试验相似比设计，按照围岩参数选取模型岩体材料，制作隧道模型；

18、s、按照断层参数制作相对应的模块装配式组件，将模块装配式组件与刚性模型箱相连，将模块装配式组件与刚性模型箱固定于振动台加载装置上；

19、s、按照断层参数制作相对应的层状剪切组件，将状剪切组件与模块装配式组件相连，并将状剪切本文档来自技高网...

【技术保护点】

1.一种满足强震位错耦合加载的断层模拟试验装置，其特征在于，包括：刚性模型箱(1)、模块装配式组件(2)、层状剪切组件、振动台加载装置(4)、托架(5)；

2.根据权利要求1所述的一种满足强震位错耦合加载的断层模拟试验装置，其特征在于，所述刚性模型箱(1)的箱体框架包括H型钢与槽钢，所述刚性模型箱(1)的箱体包括四个封闭面和两个开放面，所述刚性模型箱(1)的箱体的底部、一侧端部以及箱体前后两面为封闭面，所述刚性模型箱(1)的端部开放面位于所述刚性模型箱(1)与模块装配式组件(2)的连接面，所述刚性模型箱(1)的顶部开放面位于刚性模型箱(1)的顶部。

3.根据权利要求1所述的一种满足强震位错耦合加载的断层模拟试验装置，其特征在于，所述模块装配式组件(2)是针对单一试验进行预制化的结构，所述模块装配式组件(2)结包括相互焊接的钢板，所述模块装配式组件(2)通过螺栓与刚性模型箱(1)连接。

4.根据权利要求1所述的一种满足强震位错耦合加载的断层模拟试验装置，其特征在于，所述模块装配式组件(2)是适用于不同断层参数的可拆卸式结构，所述模块装配式组件(2

5.根据权利要求4所述的一种满足强震位错耦合加载的断层模拟试验装置，其特征在于，所述模块装配式组件(2)的子结构包括相互连接的块状钢板，所述模块装配式组件(2)的一侧的侧壁包括多个形状不同的断层倾向控制组件(22)，所述模块装配式组件(2)的另一侧包括多个形状不同的的断层走向控制组件(21)，所述断层倾向控制组件(22)控制断层倾角的变化，断层走向控制组件(21)控制断层走向的变化，所述模块装配式组件(2)的两个侧壁的断层倾角一一对应。

6.根据权利要求1所述的一种满足强震位错耦合加载的断层模拟试验装置，其特征在于，所述层状剪切组件与托架(5)之间通过导轨或滚珠进行连接，所述层状剪切组件能够在托架(5)上自由滑动。

7.根据权利要求1所述的一种满足强震位错耦合加载的断层模拟试验装置，其特征在于，所述层状剪切组件对断层破碎带进行模拟，所述层状剪切组件的框体组装总长度根据断层破碎带宽度进行设置，所述层状剪切组件包括外层层状剪切型框架(31)、内层层状剪切型框架(32)、层状剪切型框架内部连接件(33)、层状剪切型框架底部连接件(34)，所述层状剪切组件通过层状剪切型框架底部连接件(34)与托架(5)连接，所述外层层状剪切型框架(31)、内层层状剪切型框架(32)通过层状剪切型框架内部连接件(33)连接，所述层状剪切型框架内部连接件(33)用于发生错动位移，通过模块装配式组件(2)带动层状剪切组件沿着振动台加载装置(4)振动方向产生错动；所述层状剪切型框架底部连接件(34)能够起到导向及限制位移的作用。

8.根据权利要求7所述的一种满足强震位错耦合加载的断层模拟试验装置，其特征在于，所述层状剪切型框架内部连接件(33)为轴承或弹簧，所述外层层状剪切型框架(31)、内层层状剪切型框架(32)的宽度沿模块装配式组件(2)向中间位置逐渐减小，用于满足加载过程中断层破碎带“S”形位移的变化趋势。

9.根据权利要求1所述的一种满足强震位错耦合加载的断层模拟试验装置，其特征在于，所述层状剪切组件(3)包括相互焊接的四个开口式钢管，钢管的开口面形状与断层面相同。

10.一种满足强震位错耦合加载的断层模拟试验方法，其特征在于，包括以下步骤：

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【技术特征摘要】

2.根据权利要求1所述的一种满足强震位错耦合加载的断层模拟试验装置，其特征在于，所述刚性模型箱(1)的箱体框架包括h型钢与槽钢，所述刚性模型箱(1)的箱体包括四个封闭面和两个开放面，所述刚性模型箱(1)的箱体的底部、一侧端部以及箱体前后两面为封闭面，所述刚性模型箱(1)的端部开放面位于所述刚性模型箱(1)与模块装配式组件(2)的连接面，所述刚性模型箱(1)的顶部开放面位于刚性模型箱(1)的顶部。

4.根据权利要求1所述的一种满足强震位错耦合加载的断层模拟试验装置，其特征在于，所述模块装配式组件(2)是适用于不同断层参数的可拆卸式结构，所述模块装配式组件(2)包括多个子结构，在试验过程中通过更改子结构的组合形式来满足不同断层参数，多个所述子结构通过螺栓相互连接。

【专利技术属性】
技术研发人员：禹海涛，李硕，卫一博，袁勇，
申请(专利权)人：同济大学，
类型：发明
国别省市：

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