[发明专利]一种断层错动失稳冻融的试验系统及试验方法

说明书

本发明是一种断层错动失稳冻融的试验系统及试验方法，用于断层结构的物理模型模拟试验，包括模型试验框架、压力加载系统、冻融循环系统和图像采集系统，在物理模型水平方向的两侧各布置若干组水平加载活塞，通过加载钢板实现水平方向应力的加载传递梯度载荷，在物理模型竖直方向上方布置气囊，对气囊充气加压后通过柔性加载板实现对模型竖直方向应力的加载传递柔性荷载；在物理模型的断层上盘和断层破碎带的下方，分别设置有转动式活塞和柔性加载活塞，转动式活塞提供的变角度载荷，变角度载荷能够根据所述断层破碎带角度的变化而改变，从而提供沿断层破碎带倾向的剪切错动载荷；断层下盘下方受到位移约束钢板的固定约束。

技术领域

本发明属于岩土工程技术领域，尤其涉及一种断层错动失稳冻融的试验系统及试验方法。

背景技术

我国寒区分布广泛，随着寒冷地区工程建设项目的不断增多，冻融灾害已经成为岩土及地下工程安全建设的突出问题。以正在修建的川藏铁路为例，工程沿线大部分路段位于海拔3000米以上的高原地区，季节性气候和昼夜温差变化都比较显著。同时，西部地区复杂的地质环境，导致川藏铁路沿途不良地质发育，断层的存在加剧了岩土体的非稳定性，因断层活动造成的岩体失稳和工程灾害频发。当前，寒区冻融环境下断层错动过程的岩体动态响应已成为工程建设关注的焦点，开展相关研究对于西部寒区复杂岩土工程的推进具有重要意义。

物理模拟试验是一种对岩土体进行缩尺模拟的室内试验方法，可以真实直观地反映工程实际情况，是研究地下工程问题常用的重要手段。相比于传统的物理模型试验，由于寒区工程涉及温度对工程结构的影响，冻融作用下的复杂性使得以往的模型试验研究无法满足冻融循环下断层失稳模型试验的需要。

在实现本发明的过程中，申请人发现现有技术中至少存在以下不足：

CN112179782A专利，仅仅针对试验样品施加简单的应力，并不能进行物理模拟试验。现有技术中的模型试验研究不涉及温度对岩土体工程特性的影响，无法反映复杂不良地质环境下冻融灾变过程；同时，试验系统的地应力加载、监测手段等方面还存在不足之处，为此有必要研制一套可靠、实用的物理模型试验系统，采用适当的室内物理模型试验方法开展相关研究。

发明内容

针对上述现有技术存在的问题，本发明提供一种模拟寒区冻融环境下断层错动失稳的试验系统及试验方法，以很好地反映冻融循环作用下断层错动失稳灾变过程。

本发明通过以下技术方案来实现上述目的：

一种模拟寒区冻融环境下断层错动失稳的试验系统，具体包括模型试验框架、压力加载系统、冻融循环系统和图像采集系统。

所述模型试验框架是用于铺设模型试验材料，待模型试验材料成型稳定后，对物理模型进一步实施压力加载、温度控制、信息监测的结构框架，所述物理模型包括断层上盘、断层下盘和断层破碎带。

所述压力加载系统可以对所述物理模型的水平方向和竖直方向实施应力加载；在所述物理模型水平方向的两侧各布置三个水平加载活塞，通过加载钢板实现水平方向应力的加载传递；在所述物理模型竖直方向上方布置一个气囊，对所述气囊充气加压后通过柔性加载板实现对模型竖直方向应力的加载传递；在所述断层上盘和断层破碎带的下方，分别设置有转动式活塞和柔性加载活塞。

所述物理模型在水平方向受到水平加载活塞提供的梯度载荷，同时受到竖直方向上方气囊提供的柔性荷载，以及转动式活塞提供的变角度载荷，所述变角度载荷可以根据所述断层破碎带角度的变化而改变，从而提供沿断层破碎带倾向的剪切错动载荷；所述断层下盘下方受到位移约束钢板的固定约束。

所述压力加载系统可以由动力控制系统提供活塞伸缩的动力；所述气囊由气泵提供动力，通过连接的压力表可以显示和读取气囊压力，并通过阀门控制和稳定气囊压力保持恒定。