[发明专利]模拟隧道穿越活动断层的位移同步控制装置及试验方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种模拟隧道穿越活动断层的位移同步控制装置及试验方法。

背景技术

活动断层由断层面与断盘组成。断层面是岩块发生相对位移的破裂面。断盘指断层面两侧的岩块，位于断层面之上的称为上盘，断层面之下的称为下盘，如断层面直立，则按岩块相对于断层走向的方位(东、西、南、北)来描述。20世纪大量的岩石(土)力学摩擦滑动实验研究结果指出，岩石(土体)摩擦滑动有两类基本形式：稳定滑动(蠕滑)和突发滑动(粘滑)。粘滑是一种不稳定滑动，它是对外加负荷产生的振荡位移响应。活动断层粘滑错动是一种断裂构造特征的地区性地质灾害，是造成跨断层隧道结构严重破坏的主要因素，严重影响隧道衬砌结构的稳定性，具体表现为断层上、下盘突发性大变形位移错动。

随着城市化进程的加速，以及西部大开发引起的隧道工程的大量兴建，将不可避免地遇到跨越活动断层问题，如新疆乌鲁木齐地铁修建时，根据工程建设，面临着穿越多条活动断层的技术难题。隧道衬砌结构在断层两侧土体相对位移牵制下将产生附加应力和附加变形，过大的错动位移使衬砌兼受拉压、剪切、扭转和弯曲的复合力学性质，可能导致衬砌开裂和屈服破坏，影响地铁区间隧道正常运营。

中国专利申请201010156366.X的公开了一种“地裂缝土质隧道物理模型试验装置及模型试验方法”。该模拟地裂缝土质隧道物理模型试验装置，按照设置的模拟地裂缝的错位量，由控制装置控制沉降装置工作，传动活塞杆向下移动，上盘土体在自重及气压囊的作用下向下沉降，上盘土体与地裂缝之间产生向下错位移动；为了模拟隧道轴线与地裂缝立面的横轴线间不同夹角对隧道受力和变形状态的影响，模型装置通过设置四个水平的不同方向的隧道洞口，模拟隧道轴线与地裂缝立面横轴线间的不同夹角(交角)，夹角分别为30°、45°、60°、90°。其存在的问题是：1、只能模拟隧道与裂缝立面呈30°、45°、60°、90°四个交角时，裂缝对隧道的破坏行为，不能模拟隧道与裂缝立面呈任意交角时，裂缝对隧道的破坏行为；2、但由于其地裂缝立面是垂直的，四个隧道模型也始终是水平的，它只能模拟垂直的土体裂缝对隧道的破坏作用，而不能模拟裂缝面与水平面的倾角不等于90°的倾斜裂缝对隧道的破坏作用。3、只能模拟活动速率很低的稳定滑动的裂缝对隧道的破坏机理，而不能模拟错动速率很高的不稳定滑动活动断层的粘滑错动对隧道的破坏机理。4、按照预设的位移总量进行控制，不能模拟不同位移速度下的断层错动对隧道的破坏行为。

发明内容

本发明的第一目的是提供一种模拟隧道穿越活动断层的位移同步控制试验装置，该装置能够实现隧道结构与活动断层任意倾角、任意交角的空间位置，活动断层水平、竖向位移合成同步控制加载，从而模拟活动断层错动时对隧道的破坏行为，为隧道的设计与施工提供可靠的试验数据，以保证隧道的运营安全。

本发明实现其第一目的所采用的技术方案是，一种模拟隧道穿越活动断层的位移同步控制试验装置，其特征在于：

无盖的模型试样箱由活动的左半箱和固定的右半箱构成；

所述的左半箱由左前板、左后板、左侧板、左底板构成，左底板的底面与竖向加载装置的上端通过铰支座铰接，竖向加载装置的下端连接于底座左侧可前后移动的水平移动平台上；左前板的前面紧贴前加载条，前加载条的前面抵紧前水平加载装置的后端，前水平加载装置的前端与底座上的前反力架连接，前加载条向下伸出与底座接触，且底座的水平移动平台的前部与前加载条的后面接触；左后板后面紧贴后加载条，后加载条的后面抵紧后水平加载装置的前端，后水平加载装置的后端与底座上的后反力架连接，后加载条向下伸出与底座接触，且底座的水平移动平台的后部与后加载条的前面接触；

所述的右半箱由右前板、右后板、右侧板、右底板构成，右底板直接通过高强螺栓固定于底座上；

所述的左半箱的左前板的右边、左后板的右边、右半箱的右前板的左边、右后板的左边均为倾斜的斜边；右前板的左边与左前板的右边通过既能沿左前板的右边移动又能前后移动的前移动副连接，右后板的左边与左后板的右边通过既能沿左后板的右边移动又能前后移动的后移动副连接；

所述的左后板和右前板的内壁上设置模型支架，模型支架的具体构成是：连杆的一端通过带锁紧螺母的连杆球铰铰接于左后板或右前板的内壁上，连杆另一端的上侧、下侧均夹持球铰与圆弧形的上夹持架的内端和圆弧形的下夹持架的内端铰接；上夹持架的外端和下夹持架的外端通过螺杆连接。

进一步，本发明的竖向加载装置配有荷重传感器和位移传感器。所述的前水平加载装置和后水平加载装置也均配有荷重传感器和位移传感器。