CN110160725A - 一种模拟地层不均匀沉降和地震引发断层三维错动的试验装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种模拟地层不均匀沉降和地震引发断层三维错动的试验装置，包括：振动台；顶部开口的模型箱，所述模型箱安装在所述振动台上，其内部设置有隧道模型、围岩模型以及断层模型，所述隧道模型上粘贴有应变片；所述模型箱内断层上盘底部设置有同步千斤顶，所述同步千斤顶上水平设有中板，所述中板上设有若干均匀分布的滚槽，所述滚槽内设有滚珠，所述滚珠可在所述滚槽中自由滚动且部分从滚槽中外露出，所述滚珠上水平放置有顶板，所述顶板与所述围岩模型底部之间填充有第一砂浆垫层。本发明可模拟地层不均匀沉降以及地震动引发断层三维错动对于隧道整体结构稳定性的影响，可对隧道的抗震效果及隔震、减震性能做出了准确模拟。

Description

一种模拟地层不均匀沉降和地震引发断层三维错动的试验装 置及方法

技术领域

本发明涉及隧道震动响应的试验装置，尤其涉及一种模拟地层不均匀沉降和地震引发断层三维错动的试验装置及方法。

背景技术

随着我国隧道工程的不断发展，隧道在地震中的安全性越来越受到人们的重视；相似模型试验作为隧道研究分析的两大主要研究方法之一，相较于数值仿真法，具有更强的直观性和可靠性，因此被广泛地应用于隧道防灾的研究当中；目前应用的隧道在地震动影响下的模拟实验研究方法一般是振动台试验，即将隧道放置在模型箱中，模型箱放置在振动台上；振动台按照预定方向振动，接着观察在振动中引发的隧道断层的错动，振动台整体作为一个平面，其上每个部分的振动方向和速率均相同，故振动台试验本质上是模拟地震动过程中地震波垂直入射的一种激励。本装置以此为背景，采用振动台进行相似模拟试验继而模拟地层不均匀沉降和地震引发的断层三维错动。

现有的用以模拟隧道断层错动的振动台试验，一般是设计底部装有滚动轴承或木棍的模拟箱，以模拟二维平面中地震波对于箱体中部隧道断层的错动影响，然而在实际的工程应用中，作用于隧道的地震方向并不可简单理想地视为单一方向，故单纯用木棍或滚动轴承来模拟地震方向与实际情况存在着较大差异，也影响着试验结果的准确性。

另外，现有的模拟装置忽略了实际情况下地质不均匀沉降对断层错动的影响。实际条件下随着地质层的不断演化、形变，隧道的受力并不是均匀的，诸如东非大裂谷就在板块运动和断裂运动中产生了巨大的裂谷带,并引发了地质不均匀沉降，地形地貌发生了显著变化，在这类地质条件下，隧道本身就会存在不利于稳定的初始应力，这类应力对于隧道的抗震、减震效果有着不可忽视的影响。由于实际情况与模拟试验的差异性，现有的装置的忽略了地质不均匀沉降对断层错动的影响，亦或是无法同时模拟地层不均匀沉降和地震引起的断层三维错动，实验过程的真实性和精度都不高，较难用其去指导解决实际存在的工程问题，故发明一种能同时模拟地质不均匀沉降和地震引发的断层三维错动的试验装置是目前亟待解决的一个技术问题。

发明内容

本发明所要解决的第一个技术问题在于提供一种能够模拟地层不均匀沉降及地震动引发断层三维错动的试验装置。

本发明所要解决的第二个技术问题在于提供一种模拟地层不均匀沉降和地震引发断层三维错动的方法。

为解决上述第一个技术问题，本发明采用如下技术方案：

一种模拟地层不均匀沉降和地震引发断层三维错动的试验装置，包括：

振动台；

顶部开口的模型箱，所述模型箱安装在所述振动台上，其内部设置有隧道模型、围岩模型以及断层模型，所述隧道模型上粘贴有应变片；

所述模型箱内断层模型上盘底部设置有同步千斤顶，所述同步千斤顶上水平设有中板，所述中板上设有若干均匀分布的滚槽，所述滚槽内设有滚珠，所述滚珠可在所述滚槽中自由滚动且部分从滚槽中外露出，所述滚珠上水平放置有顶板，所述顶板与所述围岩模型底部之间填充有第一砂浆垫层。

进一步的，所述模型箱的内侧壁上设有缓冲吸收层。

进一步的，所述模型箱内断层下盘底部与所述围岩模型底部之间填充有第二砂浆垫层。

进一步的，所述围岩模型由砌块及砂浆浇筑而成。

进一步的，所述断层模型的模拟材料为聚丙烯薄膜，填充材料为砌块。

进一步的，所述滚珠采用钢制滚珠。

为解决上述第二个技术问题，本发明采用如下技术方案：

一种模拟地层不均匀沉降和地震引发断层三维错动的方法，采用上述试验装置，包括如下步骤：

(1)启动同步千斤顶，千斤顶顶推上盘，使得上下盘产生错动，从而模拟多种地质不均匀沉降的具体情况；

(2)静置至模型箱内各模型趋于平稳状态；

(3)开启振动台，输入地震动，带动模型箱底部的滚珠振动，由于滚珠处于滚槽内，故滚珠可在一定范围内无序振动，滚珠的无序振动最大程度地还原了地震动的实际振动；

(4)待模型箱停止振动后，提取粘贴在模拟隧道上的应变片以及预埋在围岩模型中的加速度计的数据，根据加速度的数据，计算振动前后隧道模型的位移；

(5)重新调整千斤顶的预设高度，重复上述步骤，以模拟不同程度的地质不均匀沉降条件下地震动引发的断层三维错动；

(6)对所有实验数据进行统计，得出在该断层倾角和不同程度的地质不均匀沉降的条件下，地震动对于断层三维错动的影响以及隧道模型受力变形特点和地层加速度的规律性；

(7)重新设置新的断层倾角，重复以上步骤，得到在不同的断层倾角和不同程度的地质不均匀沉降的条件下，地震动对于断层三维错动的影响以及隧道模型受力变形特点和地层加速度的规律性。

与现有技术相比，本发明能够模拟地层不均匀沉降和地震动引发断层三维错动对于隧道整体结构稳定性的影响，创新性地利用同步千斤顶模拟出了自然界岩石层原有的地质沉降现象，拓宽了隧道的抗震效果及隔震、减震性能的研究的思路，并且提出使用多个钢制滚珠来模拟受力，使得隧道的振动方向和效果与之前已有的试验结果相比变得更为准确、真实，最后得出的结论也更为全面可靠。

附图说明

图1为本发明的正视图；

图2为本发明的侧视图；

图3为本发明的俯视图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

参见图1-图3，一种模拟地层不均匀沉降和地震引发断层三维错动的试验装置，包括振动台(图中未示出)及安装在振动台上且顶部敞口的模型箱1。模型箱1内部设置有隧道模型11、围岩模型10以及断层模型12，断层模型12位于模型箱1中部，与隧道模型11斜交呈一定倾角(倾角小于90°)，隧道模型11上粘贴有应变片。至于隧道模型11、围岩模型10以及断层模型12的具体制作方式均为现有公知技术，在此不再赘述。

参见图1和图2，模型箱1上盘底部设置有同步千斤顶5，千斤顶5上设中板6，中板6上均匀布设有滚槽8，在每个滚槽8内均放置有钢制滚珠7，钢制滚珠7从滚槽8中外露出且可在滚槽中自由滚动，当振动台工作时，带动滚珠振动。在滚珠上水平放置顶板9，顶板9与围岩模型10之间均匀铺设有厚度为4cm的第一砂浆垫层4。

具体的，模型箱1为长2.84m，宽2.4m，高2.3米的长方体结构，底板3厚度为15cm，滚槽8为圆柱滚槽，数量为12个，直径为12cm；滚珠的直径为4cm，顶板9厚度为3cm。

本装置利用滚珠来模拟振动，优势在于不仅可以模拟出之前试验装置无法模拟的地震动对于隧道断层错动在三维平面范围内的影响，即可模拟断层在振动过程中发生的上下、前后、左右各个方向是错动，而且由于十二个滚珠同时在模拟箱底部发生振动，其振动方向和幅度都有很大差异，可模拟围岩模型以及隧道模型在振动台工作时的复杂受力情况以及地震动引发断层三维错动，从而研究地震对于隧道的影响。

由于滚珠放置于滚槽内，所以滚槽可以防止相对滑动位移过大，保证滚珠与围岩模型的之间的相对滑动不影响实验结果。另外，由于每个滚珠置于滚槽内，故滚珠振动时不会失控，而是在一定范围内有效振动。

模型箱1中部设有高60cm，宽44cm的隧道模型11，其中隧道模型11的内壁用水泥13浇筑，其厚度为6cm，并在隧道模型11与模型箱1之间填充砌块构成围岩模型10，断层模型12的模拟材料为聚丙烯薄膜，填充材料为砌块。

本实施例上部围岩模型总质量为16吨，滚珠总质量为1.34吨，压力为13400N，假设滚珠沉降量为X，则沉降面积S＝π(40X-X²)mm²，则滚珠顶部所承受的压强为P＝13400/S,又钢筋的屈服强度为210MPA，解方程P＝210，得X＝0.52mm，0.52mm属于正常沉降范围内，并不会影响滚珠的正常滚动，同时，低碳钢钢板表面滚动摩擦系数是0.1-0.15，振动台为模型箱所提供的是加速度最小为0.2g，所提供的的动力大于其摩擦力，所以滚珠能正常滚动。

使用时，模型箱1作为承载容器，构成了半封闭的长方体结构；模拟隧道模型11设置在箱体中上部，可保证其具有一定的埋深及足够的地基土层。

可以想到的是，在实际设计中，为吸收模型箱1边界处的弹性波，防止弹性波的反射，在模型箱1的四个侧面都设置有柔性吸能的缓冲吸收层2。具体的，缓冲吸收层2可以采用泡沫板或橡胶板制作。

试验装置的具体制作过程如下：首先完成模型箱1的焊接；在模型箱1侧面内壁表面胶结泡沫板，构成缓冲吸收层2；将模型箱1水平放置于地面上，在模拟箱体上盘底板上焊接同步千斤顶5，然后在水平方向钢板，即中板6，在中板6上表面焊接圆环，圆环的内腔形成滚槽8；在滚槽8内放置滚珠7，并将顶板9水平放置于滚珠7上方；在模型箱1下盘底部铺设第二砂浆垫层14，在模型箱1上盘底部的顶板上铺设第一砂浆垫层4；模型箱1中部用以薄膜填充砌块来模拟断层；铺设模拟隧道下方的围岩模型10；在隧道模型11上粘贴应变片，铺设隧道模型11，在隧道模型11上部铺设2cm厚的砂浆垫层；铺设模拟隧道上方的围岩模型10；放置一定时间，使得模型箱1中的各部分趋于平稳状态，制作完成地层不均匀沉降以及地震动引发断层三维错动的试验装置。

一种模拟地层不均匀沉降和地震引发断层三维错动的方法，包括如下步骤：

(1)启动同步千斤顶5，预设千斤顶的支撑高度为2cm。千斤顶预设高度使得上下盘产生不同的高度差，从而模拟多种地质不均匀沉降的具体情况。预设液压千斤顶的支撑角度来设置断层倾角；

(2)静置至模型箱1内各模型部分趋于平稳状态；

(3)开启振动台，输入地震动，带动模型箱底部的滚珠7振动，由于滚珠7处于滚槽8内，故滚珠可在一定范围内无序振动，12个滚珠的无序振动最大程度地还原了地震动的实际振动，可真实模拟地震对于断层装置的影响；

(4)待模型箱体1停止振动后，提取粘贴在模拟隧道11上的应变片以及预埋在地层中加速度计的数据，根据加速度的数据，计算振动前后隧道模型11的位移；

(5)重新调整千斤顶的预设高度(4、6cm等)，重复上述步骤，以模拟不同程度的地质不均匀沉降条件下地震动引发的断层三维错动；

(6)对所有实验数据进行统计，得出在该断层倾角和不同程度的地质不均匀沉降的条件下，地震动对于断层三维错动的影响以及隧道模型受力变形特点和地层加速度的规律性；

(7)重新设置新的断层倾角，重复以上步骤，得到在不同的断层倾角和不同程度的地质不均匀沉降的条件下，地震动对于断层三维错动的影响以及隧道模型受力变形特点和地层加速度的规律性。

本发明能够地模拟地层不均匀沉降和地震动引发断层三维错动对于隧道整体结构稳定性的影响，创新性地利用同步千斤顶模拟出了自然界岩石层原有的地质沉降现象，拓宽了隧道的抗震效果及隔震、减震性能的研究的思路。并且在地震动的模拟方向上做出了良好改进，使用多个滚珠来改变受力方向，使得隧道的振动方向和效果与之前已有的试验结果相比变得更为准确，最后得出的结论也更为全面可靠。

上述实施例仅仅是清楚地说明本发明所作的举例，而非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里也无需也无法对所有的实施例予以穷举。而由此所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之中。

Claims (7)

1.一种模拟地层不均匀沉降和地震引发断层三维错动的试验装置，包括：

振动台；

顶部开口的模型箱，所述模型箱安装在所述振动台上，其内部设置有隧道模型、围岩模型以及断层模型，所述隧道模型上粘贴有应变片；

其特征在于：所述模型箱内断层上盘底部设置有同步千斤顶，所述同步千斤顶上水平设有中板，所述中板上设有若干均匀分布的滚槽，所述滚槽内设有滚珠，所述滚珠可在所述滚槽中自由滚动且部分从滚槽中外露出，所述滚珠上水平放置有顶板，所述顶板与所述围岩模型底部之间填充有第一砂浆垫层。

2.根据权利要求1所述的试验装置，其特征在于：所述模型箱的内侧壁上设有缓冲吸收层。

3.根据权利要求1所述的试验装置，其特征在于：所述模型箱内断层下盘底部与所述围岩模型底部之间填充有第二砂浆垫层。

4.根据权利要求1所述的试验装置，其特征在于：所述围岩模型由砌块及砂浆浇筑而成。

5.根据权利要求1所述的试验装置，其特征在于：所述断层模型的模拟材料为聚丙烯薄膜，填充材料为砌块。

6.根据权利要求1所述的试验装置，其特征在于：所述滚珠采用钢制滚珠。

7.一种模拟地层不均匀沉降和地震引发断层三维错动的方法，其特征在于：采用权利要求1-6任一项所述的试验装置，包括如下步骤：

(1)启动同步千斤顶，千斤顶顶推上盘，使得上下盘产生错动，从而模拟多种地质不均匀沉降情况；

(2)静置至模型箱内各模型趋于平稳状态；

(3)开启振动台，输入地震动，带动模型箱底部的滚珠振动，由于滚珠处于滚槽内，故滚珠可在一定范围内无序振动，滚珠的无序振动最大程度地还原了地震动的实际振动；

(4)待模型箱停止振动后，提取粘贴在模拟隧道上的应变片以及预埋在围岩模型中的加速度计的数据，根据加速度的数据，计算振动前后隧道模型的位移；

(5)重新调整千斤顶的预设高度，重复上述步骤，以模拟不同程度的地质不均匀沉降条件下地震动引发的断层三维错动；

(6)对所有实验数据进行统计，得出在该断层倾角和不同程度的地质不均匀沉降的条件下，地震动对于断层三维错动的影响以及隧道模型受力变形特点和地层加速度的规律性；

(7)重新设置新的断层倾角，重复以上步骤，得到在不同的断层倾角和不同程度的地质不均匀沉降的条件下，地震动对于断层三维错动的影响以及隧道模型受力变形特点和地层加速度的规律性。