CN115201012B - 模拟大型地裂缝形成演化过程的离心模型试验装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种模拟大型地裂缝形成演化过程的离心模型试验装置及方法，属于地质灾害模拟领域。所述方法按方案填筑箱体，构建上盘、下盘及断层破碎带的土体模型；将箱体内土体浸泡至饱和后，吊入离心机吊篮；离心机启动后分步加载，达到预设值后保持匀速转动，箱体内初始沉降稳定后，进行远程水位升降调控模拟，离心及水位变化过程监测孔隙水压力、土体模型位移、土体模型实时变形破坏情况及离心机运行状态，根据监测结果分析不同抽水方式下水位下降后的形成演化差异变化和水位上涨对演化的干扰或逆转作用；分析不同类型水文地质结构在应力驱动作用下的位移场变化规律。本发明较准确地还原了大型地裂缝形成演化过程，为灾害风险防控提供科学依据。

Description

模拟大型地裂缝形成演化过程的离心模型试验装置及方法
技术领域
本发明属于地质灾害模拟领域，具体涉及一种模拟大型地裂缝形成演化过程的离心模型试验装置及方法。
背景技术
地裂缝是一种常见的地质灾害类型，以在地表形成显著破裂为特征，能对沿线的建构筑物和工程设施造成持续破坏。大型地裂缝灾害一般由断裂构造控制，经抽水活动诱发，在盆地和平原地区危害严重，通常有以下几个特点：(1)启裂位置隐蔽，主要沿隐伏断裂的特定区段展布；(2)发育时间长，数年至数十年内持续扩展延伸；(3)延伸长度大，单条地裂缝长度可达数公里至数十公里之巨；(4)破坏能力强，能持续造成各类岩土体和工程结构开裂错断。由于隐蔽性强和时空尺度大，大型地裂缝灾害的实际发育过程目前还难以被完整观察和记录。为了对大型地裂缝进行研究，需要通过试验方式模拟地裂缝形成演变的过程。
现有技术中，有些方案采用若干试验依托大比例尺模型的方式模拟地裂缝的形成过程。例如，授权公开号为CN 109709308 B的中国专利，公开了一种采水型地裂缝物理模型试验装置及试验方法，采用大比例尺常规模型试验，利用抽水泵，模拟了基岩潜山条件下的“采水型”地裂缝灾害形成演化过程；但此技术方案模拟场景未考虑断裂的影响，不适用于大型地裂缝灾害的实际发育情况。授权公开号为CN 110954680 B的中国专利，公开了一种模拟断裂错动与地下水变化的地裂缝试验装置及方法，采用大比例尺常规模型试验，利用千斤顶和顶部加压的方式，分步模拟了断裂错动与地下水变化下的地裂缝形成过程；但此方案使用千斤顶模拟断裂错动后地表就已发生破裂形成裂缝，难以体现地裂缝由抽水诱发的成因机制。
发明内容
鉴于现有技术中的上述缺陷或不足，本发明实施例旨在提供一种模拟大型地裂缝形成演化过程的离心模型试验装置及方法，最大限度还原大型地裂缝灾害的实际形成演化过程，全面展现断裂构造场地在水位变化下的复杂力学行为，最终为大型地裂缝灾害风险防控提供科学依据。
为了实现上述目的，本发明实施例采用如下技术方案：
第一方面，本发明实施例提供了一种模拟大型地裂缝形成演化过程的离心模型试验装置，包括：箱体15及箱体内部的土体模型，且所述土体模型包括上盘18、断层破碎带19和下盘17；
所述箱体15顶部开口，其中一个侧面为正面，设置为透明有机玻璃板16，箱体15内预定位置处设置有断层破碎带19，断层破碎带19两侧分别设置上盘18和下盘17；在透明有机玻璃板16四个边的旁侧分别设置第一标尺20、第二标尺21、第三标尺22和第四标尺23，透明有机玻璃板16内侧面的土体模型内预埋可视位移标志24，在断层破碎带19内预埋有孔压传感器25；
箱体中配置远程电控水位升降***；具体布置方式如下：在所述箱体15内底部设置蓄水箱3、顶部设置供水箱1并在侧面设置水位监控箱2，供水箱1上设置有出水口4，并连接有第一导管5，第一导管5通过第一电磁阀门6接入水位监控箱2内；水位监控箱2的底部设置导水孔7；蓄水箱3顶部预设位置处设置进水口8，进水口8连接有第二导管9，第二导管9通过第二电磁阀门10接入箱体内部的土体模型；蓄水箱3顶部远离水位监控箱2的一侧设置有出气口11，出气口11与第三导管12底部连通，第三导管12竖直设置，顶部伸出箱体外；第一电磁阀门6和第二电磁阀门10同时经导线14与电控开关13相连，在电控开关的控制下分别独立执行开关任务；
在所述箱体15顶部远离供水箱的一侧上部设置有第一摄像头26，箱体15外侧正对透明有机玻璃板16一侧设置有第二摄像头32，在透明有机玻璃板16上设置有导水方向标志29、进水方向标志30、稳定水位线31，同时在箱体15顶部的垂直上方设置有激光位移计28；
所述孔压传感器25、第一摄像头26、第二摄像头32和激光位移计28作为监测终端同时与离心机数字***相连。
作为本发明的一个优选实施例，所述下盘17、断层破碎带19和上盘18用于模拟水文地质单元，共同组成水文地质结构，其中下盘17和上盘18摸拟含水层、相对隔水层中的任意一种。
作为本发明的一个优选实施例，所述水文地质结构，包括下盘相对隔水层—断层破碎带—上盘相对隔水层、下盘相对隔水层—断层破碎带—上盘含水层、下盘含水层—断层破碎带—上盘相对隔水层或下盘含水层—断层破碎带—上盘含水层。
作为本发明的一个优选实施例，所述含水层、相对隔水层和断层破碎带采用粘土和砂土进行材料配置，通过材料的不同配比，模拟含水层、相对隔水层和断层破碎带。
作为本发明的一个优选实施例，所述远程电控水位升降***，模拟持续抽水、阶梯式抽水、或抽水后注水。
第二方面，本发明实施例还提供了一种模拟大型地裂缝形成演化过程的离心模型试验方法，包括如下步骤：
步骤S1，按试验设计方案进行箱体填筑，在箱体内构建包括上盘、断层破碎带和下盘的土体模型，在上盘、下盘及断层破碎带填筑预设配比的土体；
步骤S2，对每种试验设计方案，将箱体内土体浸泡至饱和后，吊入离心机吊篮；
步骤S3，离心机启动后分步加载，并在分步加载过程中监测孔隙水压力、土体模型位移、土体模型实时变形破坏情况及离心机运行状态；
步骤S4，离心机速度达到预设值后保持匀速转动，在匀速转动状态下持续监测孔隙水压力、土体模型位移、土体模型实时变形破坏情况及离心机运行状态；
步骤S5，箱体内初始沉降总体稳定后，控制第一电磁阀门和第二电磁阀门，进行远程水位升降调控模拟，对于当前水文地质结构下的不同抽水方式进行试验操作，观察并记录不同抽水方式下的孔隙水压力、土体模型位移、土体模型实时变形破坏状态和离心机运行状态参数变化；
步骤S6，根据试验数据分析不同抽水方式下水位下降后的地裂缝形成演化差异变化，分析水位上涨对地裂缝演化的干扰或逆转作用；分析不同类型水文地质结构在应力驱动作用下的位移场变化规律，分析断裂构造对地表抽水差异沉降的控制作用；基于孔隙水压力、位移、实时变形破坏情况、离心机运行状态的监测结果，分析断裂构造场地在水位变化下的复杂力学行为。
作为本发明的一个优选实施例，所述试验设计，包括水文地质结构和抽水方案两个维度，其中，水文地质结构包括“下盘相对隔水层—断层破碎带—上盘相对隔水层”、“下盘相对隔水层—断层破碎带—上盘含水层”、“下盘含水层—断层破碎带—上盘相对隔水层”、“下盘含水层—断层破碎带—上盘含水层”四种；在每种水文地质结构下，抽水方案包括持续抽水、阶梯式抽水、抽水后注水三种。
作为本发明的一个优选实施例，所述离心机启动后分步加载，每升一级保持该加速度转动3～5分钟；离心加速度达到设计值后离心机不再继续加载，保持匀速转动；当达到的设计值为n g时，离心机匀速转动期间的试验时间与原型时间比例关系为1/n2。
作为本发明的一个优选实施例，孔隙水压力通过孔压传感器监测；位移监测包括两个方面，一是利用四个标尺和可视位移标志观察并记录箱体正面土体模型的位移变化，二是利用激光位移计监测箱体顶部土体模型的位移变化；土体模型实时变形破坏情况通过第一摄像头和第二摄像头监测；离心机运行状态通过离心机自带的自控***监测，监测结果包括主机运行参数、电机运行参数和转臂平衡性。
作为本发明的一个优选实施例，所述远程水位升降调控模拟，具体包括：打开第一电磁阀门和第二电磁阀门进行模型远程水位调控，模拟持续抽水、阶梯式抽水或抽水后注水；对于持续抽水，打开第二电磁阀门，模型持续排水，直至土样中的自由水排完；对于阶梯式抽水，通过调控第二电磁阀门，使模型进行若干次阶梯式排水，最后一次排水将土样中的自由水排完；对于抽水后注水，打开第二电磁阀门，模型持续排水至土样中的自由水大致排完后关闭第二电磁阀门，再打开第一电磁阀门，使自由水通过水位监控箱再次渗入模型土体，从而使模型水位回升。
本发明实施例所提供的技术方案具有如下有益效果：
(1)能完整获得“水文地质构造”—“抽水”耦合作用下的大型地裂缝在持续抽水、阶梯式抽水和抽水后注水等三种工况下的形成发育全过程；
(2)通过对比分析断裂构造对不同类型含水***在地裂缝形成演化过程中的影响作用，可以得到土体覆盖区活动断裂与地裂缝之间的继承及新生关系，为不同地区的大型地裂缝灾害的风险评估提供试验技术支持；
(3)综合利用孔隙水压力、位移、实时变形破坏情况、离心机运行状态的监测结果，可以展现水位变化下隐伏断裂分布区的复杂力学行为，为建立活动断裂场地地下水开采与地表新生错断时空关系提供数据支撑；
(4)试验操作简便，有效缩小了模型的尺寸，并大幅度缩短了试验时间，试验结果可靠有效，可以证实抽水将导致先存断裂浅部激活并形成地裂缝灾害，而水位回升后地裂缝灾害减缓；
(5)可进一步开展地裂缝形成机理和防灾减灾研究，为大型地裂缝灾害风险防控提供科学依据。
当然，实施本发明的任一产品或方法并不一定需要同时达到以上所述的所有优点。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来说，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他附图。
图1为本发明实施例中大型地裂缝形成演化过程的离心模型试验装置的水位升降***布置图；
图2为本发明实施例中大型地裂缝形成演化过程的离心模型试验装置的箱外正视图；
图3为本发明实施例中大型地裂缝形成演化过程的离心模型试验装置的箱内正视图；
图4为本发明实施例中大型地裂缝形成演化过程的离心模型试验装置的箱内俯视图；
图5为本发明实施例中一种可选的试验设计方案组合；
图6为本发明实施例中模拟方法所绘制的孔隙水压力随时间变化曲线图示例；
图7为本发明实施例中模拟方法所绘制的水位竖向位移随时间变化曲线图示例；
图8为本发明实施例中模拟方法所绘制的离心加速度随时间变化曲线图示例。
附图标记说明：
1—供水箱；2—水位监控箱；3—蓄水箱；4—出水口；5—导管1；6—第一电磁阀门；7—导水孔；8—进水口；9—导管2；10—第二电磁阀门；11—出气口；12—导管3；13—电控开关；14—导线；15—箱体；16—透明有机玻璃板；17—下盘；18—上盘；19—断层破碎带；20—第一标尺1；21—第二标尺2；22—第三标尺3；23—第四标尺4；24—可视位移标志；25—孔压传感器；26—第一摄像头；27—计算机；28—激光位移计；29—导水方向标志；30—进水方向标志；31—稳定水位线；32—第二摄像头。
具体实施方式
本申请发明人在发现上述问题后，对现有的大型地裂缝模拟方法进行了深入分析。研究发现，现有的模拟技术存在以下缺陷：没有考虑大型地裂缝时空尺度大的特性，试验观测周期一般为数天至十余天，形成的地裂缝延伸长度受试验场地和模型箱尺寸限制难以超过10米，与大型地裂缝的实际发育历史和发育规模相差甚远；没有考虑持续抽水、阶梯式抽水、抽水后注水等三种水位变化形式对地裂缝形成发育的差异影响；没有建立不同类型断裂场地含水***模型进行比较分析；没有采用土工离心机试验装置，未建立模型远程电控水位升降***和孔隙水压力、位移、变形破坏状态、离心机运行状态四维监测***。
另外，离心模型试验采用小比例尺模型，通过使离心机高速旋转增加模型的离心加速度，以补偿因模型缩尺造成的自重应力损失，从而使模型在离心力场中的应力状态与原型在重力场中一致。根据模型与原型的相似关系，离心模型试验可以在较小的模型尺度和较短的试验时间内重现试验原型的变形破坏情况，可以用来研究大型地裂缝灾害形成演化过程。
应注意的是，以上现有技术中的方案所存在的缺陷，均是发明人在经过实践并仔细研究后得出的结果，因此，上述问题的发现过程以及下文中本发明实施例针对上述问题所提出的解决方案，都应该是发明人在本发明过程中对本发明做出的贡献。
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的一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征也可以相互组合。
应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。在本发明的描述中，术语“第一”、“第二”、“第三”、“第四”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
经过上述深入分析后，本发明实施例提供了一种大型地裂缝形成演化过程的离心模型试验装置及方法，基于常规土工离心机装置，搭建模型远程电控水位升降***，并利用一系列监测元件和平台，对模型的孔隙水压力、位移、变形破坏状态和离心机运行状态进行实时监测。所提供的试验方法通过比较分析不同类型含水***在多种“水文地质构造”和“水位变化”耦合作用下的位移场变化规律，再现大型地裂缝灾害的形成演化全过程，为地裂缝成因机理研究提供有效技术支持，也为地裂缝灾害风险防控提供有益思路。
本发明实施例在模拟过程中，通过比较“持续抽水”、“阶梯式抽水”、“抽水后注水”等三种试验方案，呈现不同层位水位下降后的地裂缝形成演化差异变化，展示水位上涨对地裂缝演化的干扰或逆转作用，为科学协调地裂缝灾害风险防控和地下水资源开采利用的矛盾关系提供技术支撑；通过对比“下盘相对隔水层—断层破碎带—上盘相对隔水层”、“下盘相对隔水层—断层破碎带—上盘含水层”、“下盘含水层—断层破碎带—上盘相对隔水层”、“下盘含水层—断层破碎带—上盘含水层”等四种试验模型，分析不同类型含水***在应力驱动作用下的位移场变化规律，研究断裂构造对地表抽水差异沉降的控制作用，证实了抽水将导致先存断裂浅部激活并形成地裂缝灾害。
如图1至图4所示，本发明实施例所提供的大型地裂缝形成演化过程的离心模型试验装置，包括：箱体15及箱体内部的土体模型，且所述土体模型包括上盘18、断层破碎带19和下盘17；所述箱体15顶部开口，其中一个侧面为正面，设置为透明有机玻璃板16，箱体15内预定位置处设置有断层破碎带19，断层破碎带19两侧分别设置上盘18和下盘17；在透明有机玻璃板16的四个边的旁侧分别设置第一标尺20、第二标尺21、第三标尺22和第四标尺23，透明有机玻璃板16内侧面的土体模型内预埋可视位移标志24，在断层破碎带内预埋孔压传感器25。
同时，在所述箱体15内底部设置蓄水箱3、顶部设置供水箱1并在侧面设置水位监控箱2，供水箱1上设置有出水口4，并连接有第一导管5，第一导管5通过第一电磁阀门6接入水位监控箱2内；水位监控箱2的底部设置导水孔7，蓄水箱3顶部预设位置处设置进水口8，进水口8连接有第二导管9，第二导管9通过第二电磁阀门10接入箱体内部的土体模型；蓄水箱3顶部远离水位监控箱2的一侧设置有出气口11，出气口11与第三导管12底部连通，第三导管12竖直设置，顶部伸出箱体外；第一电磁阀门6和第二电磁阀门10同时经导线14与电控开关13相连，在电控开关的控制下分别独立执行开关任务。这里的供水箱1、水位监控箱2、蓄水箱3、出水口4，第一导管5、第一电磁阀门6、导水孔7、进水口8、第二导管9、第二电磁阀门10、出气口11、第三导管12、电控开关13和导线14共同构成远程电控水位升降***。
在所述箱体15顶部远离供水箱的一侧上部设置第一摄像头26，箱体15外侧正对透明有机玻璃板16一侧设置第二摄像头32，在透明有机玻璃板16上设置有导水方向标志29、进水方向标志30、稳定水位线31，同时在箱体15顶部的垂直上方设置激光位移计28。优选地，导水孔7处设置导水方向标志29；断层破碎带19与箱体15的接触面上设置进水方向标志30。
所述可视位移标志、孔压传感器、第一摄像头、第二摄像头和激光位移计共同构成分布式模拟试验监测***，至少包括上述五个监测终端。孔压传感器、第一摄像头、第二摄像头和激光位移计监测终端均与离心机数字***相连，将所监测的数据上传给所述离心机数字***。优选地，所述第一摄像头、第二摄像头均为高速摄像头。
其中，所述箱体的尺寸根据离心模型试验中的离心机最大加速度、容重、吊篮尺寸等参数进行选取。所述下盘17、断层破碎带19和上盘18用于模拟水文地质单元，其中下盘17和上盘18可以摸拟含水层、相对隔水层中的任意一种。对上盘17和下盘18进行组合，可以模拟四种水文地质结构，即“下盘相对隔水层—断层破碎带—上盘相对隔水层”、“下盘相对隔水层—断层破碎带—上盘含水层”、“下盘含水层—断层破碎带—上盘相对隔水层”、“下盘含水层—断层破碎带—上盘含水层”。所述含水层、相对隔水层和断层破碎带采用粘土和砂土进行材料配置，通过材料的不同配比，模拟含水层、相对隔水层和断层破碎带。
所述远程电控水位升降***，通过各结构部件的配合，在每种水文地质结构下，可以模拟不同的水文现象，包括：持续抽水、阶梯式抽水、抽水后注水等。其中，蓄水箱顶部的进水口安装有第二电磁阀门和第二导管，实现模型远程电控排水，出气口连接竖直的第三导管使蓄水箱与大气压连通，模型排水方向向下，用于模拟模型抽水过程；所述水位监控箱用于及时掌握箱体内的水位变化，水位监控箱底部钻若干导水孔并包裹纱布，与箱体内水文地质结构中的土体相连通；供水箱箱外设置出水口，通过导管与侧边水位监控箱连通，安装第一电磁阀门后实现模型远程电控注水。
基于以上所述的大型地裂缝形成演化过程的离心模型试验装置，本发明实施例还提供了一种大型地裂缝形成演化过程的离心模型试验方法，如图5所示，所述离心模型试验方法包括如下步骤：
步骤S1，按试验设计方案进行箱体填筑，在箱体内构建包括上盘、断层破碎带和下盘的土体模型，在上盘、下盘及断层破碎带填筑预设配比的土体。
本步骤中，所述试验设计，包括水文地质结构和抽水方案两个维度，其中，水文地质结构包括“下盘相对隔水层—断层破碎带—上盘相对隔水层”、“下盘相对隔水层—断层破碎带—上盘含水层”、“下盘含水层—断层破碎带—上盘相对隔水层”、“下盘含水层—断层破碎带—上盘含水层”四种；在每种水文地质结构下，抽水方案包括持续抽水、阶梯式抽水、抽水后注水三种。每种方案进行交叉，共包括12种设计方案。
本步骤中，进行箱体填筑，由水文地质结构维度决定。在水文地质结构的模拟中，将断层破碎带概化为压缩模量小于周围土体的粘土和砂土混合物，并将土体覆盖区断裂构造场地的地质条件概化为“下盘相对隔水层—断层破碎带—上盘相对隔水层”、“下盘相对隔水层—断层破碎带—上盘含水层”、“下盘含水层—断层破碎带—上盘相对隔水层”、“下盘含水层—断层破碎带—上盘含水层”等四种模型。
优选地，采用粘土模拟相对隔水层，采用砂土模拟含水层；按粘土:砂土干质量比＝1:1的配比模拟断层破碎带。进行填筑时，将干土料和水按比例均匀搅拌，按最优含水率配置土样；土样搅拌后用油布纸盖好，封存24小时，使土水混合均匀；混合均匀后取样测量含水率，计算土的干密度；模型箱体内按每5cm高度划线设置位移线，便于模型分层填筑。
所述填筑预设配比的土体，根据位移线进行分层填筑，在保障模型箱中各类装置、传感器、线路无损坏的条件下，最大限度击实粘土和砂土；当离心机加速度为n g时，土体模型与地质结构原型的长度比例关系为1/n；断层破碎带倾斜置于箱体中部，倾角设置为60～85°，厚度设置为8～20cm，与周围土体连续接触。每种水文地质结构中断层破碎带的材料选取和填筑方式相同，保证物理力学性质和水文地质特性一致；断层破碎带的击实度相对较低，确保断层破碎带的压缩模量小于周围土体，渗透系数介于粘土和砂土之间。
步骤S2，对每种试验设计方案，将箱体内土体浸泡至饱和后，吊入离心机吊篮。
步骤S3，离心机启动后分步加载，并在分步加载过程中监测孔隙水压力、土体模型位移、土体模型实时变形破坏情况及离心机运行状态。
本步骤中，所述离心机启动后分步加载，每升一级保持该加速度转动3～5分钟；离心加速度达到设计值后离心机不再继续加载，保持匀速转动；当达到的设计值为n g时，离心机匀速转动期间的试验时间与原型时间比例关系为1/n2。
其中，孔隙水压力通过孔压传感器监测。优选地，孔压传感器用纱布包裹，防止细粒土通过渗流进入元件造成装置损坏。位移监测包括两个方面，一是利用四个标尺和可视位移标志观察并记录箱体正面土体模型的位移变化，二是利用激光位移计监测箱体顶部土体模型的位移变化，箱体内土体模型实时变形破坏情况通过第一摄像头和第二摄像头监测，监测结果可以实时观看，也可以录制成视频回放；上述各监测终端的监测结果实时上传给离心机数字***。离心机运行状态通过离心机自带的自控***监测，监测结果包括离心加速度、主机运行参数、电机运行参数、转臂平衡性等，可以在离心机运转平台上直接显示。
步骤S4，离心机速度达到预设值后保持匀速转动，在匀速转动状态下持续监测孔隙水压力、土体模型位移、土体模型实时变形破坏情况及离心机运行状态。本步骤中监测，依然采用步骤S3中各参数的监测方法。
步骤S5，箱体内初始沉降总体稳定后，控制第一电磁阀门和第二电磁阀门，进行远程水位升降调控模拟，对于当前水文地质结构下的不同抽水方式进行试验操作，观察并记录不同抽水方式下的孔隙水压力、土体模型位移、土体模型实时变形破坏状态和离心机运行状态参数变化。
本步骤中，所述不同抽水方式，包括：持续抽水、阶梯式抽水和抽水后注水。
所述远程水位升降调控模拟，具体包括：打开电磁阀进行模型远程水位调控；对于持续抽水，打开蓄水箱电磁阀，模型持续排水，直至土样中的自由水大致排完；对于阶梯式抽水，通过调控蓄水箱电磁阀开关，使模型进行若干次阶梯式排水，最后一次排水将土样中的自由水大致排完；对于抽水后注水，打开蓄水箱电磁阀，模型持续排水至土样中的自由水大致排完后关闭蓄水箱电磁阀，再打开供水箱电磁阀，使自由水通过水位监控箱再次渗入模型土体，从而使模型水位回升。
在步骤S3-5中，通过离心机数字***采集、查看和保存孔压传感器、激光位移计、第一摄像头和第二摄像头监测数据，得到孔隙水压力、竖向位移随时间变化曲线和模型实时变形破坏状态；在离心机自控***中查看和保存离心机运行状态，得到离心加速度随时间变化曲线。
步骤S6，根据试验数据分析不同抽水方式下水位下降后的地裂缝形成演化差异变化，研究水位上涨对地裂缝演化的干扰或逆转作用；分析不同类型水文地质结构在应力驱动作用下的位移场变化规律，研究断裂构造对地表抽水差异沉降的控制作用；基于孔隙水压力、位移、实时变形破坏情况、离心机运行状态的监测结果，全面分析断裂构造场地在水位变化下的复杂力学行为。
本步骤中，进行试验数据分析时，至少包括绘制孔隙水压力随时间变化曲线图、水位竖向位移随时间变化曲线图、离心加速度随时间变化曲线图等。
采用本实施例所提供的大型地裂缝形成演化过程的离心模型试验装置及方法进行离心模型试验，以如图5所示的12种组合作为12种试验设计方案，试验时离心机加速度为100g时，土体模型与地质结构原型的长度比例关系为1/100；断层破碎带倾斜置于箱体中部，倾角设置为70°，厚度设置为10cm；孔隙水压力每秒记录1次数值，激光位移计每秒记录1次数值，离心机自控***每秒记录1次数值，最后根据试验数据绘制孔隙水压力随时间变化曲线图(图6)、水位竖向位移随时间变化曲线图(图7)、离心加速度随时间变化曲线图(图8)。
如图6-8所示，本发明所模拟的大型地裂缝形成演化过程，接近真实变化，能够较准确的反映大型地裂缝在不同水文地质结构、不同抽水方式下的形成及演化过程；同时，可以根据监测数据反映形成演化过程中的力学变化。
由以上技术方案可以看出，本发明实施例所提供的模拟大型地裂缝形成演化过程的离心模型试验装置及方法，依据大型地裂缝的时空尺度特性，创新搭建了模型远程电控水位升降***，设计了四种常见的断裂场地含水***结构模型，可以用于模拟大型地裂缝灾害在水位变化过程中的形成演化过程；通过孔隙水压力、位移、实时变形破坏情况、离心机运行状态的监测结果，可以展现水位变化下隐伏断裂分布区的复杂力学行为；该模型试验操作简便，有效缩小了模型的尺寸，并大幅度缩短了试验时间，试验结果可靠有效，可以证实抽水将导致先存断裂浅部激活并形成地裂缝灾害；试验结果可以为大型地裂缝灾害风险防控提供科学依据。
以上描述仅为本发明的较佳实施例以及对所运用技术原理的说明，并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的优选实施例。本领域技术人员应当理解，本发明中所涉及的发明范围，并不限于上述技术特征的特定组合而成的技术方案，同时也应涵盖在不脱离所述发明构思的情况下，由上述技术特征或其等同特征进行任意组合而形成的其它技术方案。基于本发明的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的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。
以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，本发明并不受限于以上所公开的示范性实施例，说明书的实质仅仅是帮助相关领域技术人员综合理解本发明的具体细节。对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，在本发明揭露的技术范围做出的若干改进和润饰、可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种模拟大型地裂缝形成演化过程的离心模型试验装置，其特征在于，包括：箱体（15）及箱体内部的土体模型，且所述土体模型包括上盘（18）、断层破碎带（19）和下盘（17）；
所述箱体（15）顶部开口，其中一个侧面为正面，设置为透明有机玻璃板（16），箱体（15）内预定位置处设置有断层破碎带（19），断层破碎带（19）两侧分别设置上盘（18）和下盘（17）；在透明有机玻璃板（16）四个边的旁侧分别设置第一标尺（20）、第二标尺（21）、第三标尺（22）和第四标尺（23），透明有机玻璃板（16）内侧面的土体模型内预埋可视位移标志（24），在断层破碎带（19）内预埋有孔压传感器（25）；
箱体中配置远程电控水位升降***；具体布置方式如下：在所述箱体（15）内底部设置蓄水箱（3）、顶部设置供水箱（1）并在侧面设置水位监控箱（2），供水箱（1）上设置有出水口（4），并连接有第一导管（5），第一导管（5）通过第一电磁阀门（6）接入水位监控箱（2）内；水位监控箱（2）的底部设置导水孔（7）；蓄水箱（3）顶部预设位置处设置进水口（8），进水口（8）连接有第二导管（9），第二导管（9）通过第二电磁阀门（10）接入箱体内部的土体模型；蓄水箱（3）顶部远离水位监控箱（2）的一侧设置有出气口（11），出气口（11）与第三导管（12）底部连通，第三导管（12）竖直设置，顶部伸出箱体外；第一电磁阀门（6）和第二电磁阀门（10）同时经导线（14）与电控开关（13）相连，在电控开关的控制下分别独立执行开关任务；
在所述箱体（15）顶部远离供水箱的一侧上部设置有第一摄像头（26），箱体（15）外侧正对透明有机玻璃板（16）一侧设置有第二摄像头（32），在透明有机玻璃板（16）上设置有导水方向标志（29）、进水方向标志（30）、稳定水位线（31），同时在箱体（15）顶部的垂直上方设置有激光位移计（28）；
所述孔压传感器（25）、第一摄像头（26）、第二摄像头（32）和激光位移计（28）作为监测终端同时与离心机数字***相连。
2.根据权利要求1所述的模拟大型地裂缝形成演化过程的离心模型试验装置，其特征在于，所述下盘（17）、断层破碎带（19）和上盘（18）用于模拟水文地质单元，共同组成水文地质结构，其中下盘（17）和上盘（18）摸拟含水层、相对隔水层中的任意一种。
3.根据权利要求2所述的模拟大型地裂缝形成演化过程的离心模型试验装置，其特征在于，所述水文地质结构，包括下盘相对隔水层—断层破碎带—上盘相对隔水层、下盘相对隔水层—断层破碎带—上盘含水层、下盘含水层—断层破碎带—上盘相对隔水层或下盘含水层—断层破碎带—上盘含水层。
4.根据权利要求2或3所述的模拟大型地裂缝形成演化过程的离心模型试验装置，其特征在于，所述含水层、相对隔水层和断层破碎带采用粘土和砂土进行材料配置，通过材料的不同配比，模拟含水层、相对隔水层和断层破碎带。
5.根据权利要求1所述的模拟大型地裂缝形成演化过程的离心模型试验装置，其特征在于，所述远程电控水位升降***，模拟持续抽水、阶梯式抽水、或抽水后注水。
6.一种根据权利要求1-5任一项所述模拟大型地裂缝形成演化过程的离心模型试验装置实现的试验方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤S1，按试验设计方案进行箱体填筑，在箱体内构建包括上盘、断层破碎带和下盘的土体模型，在上盘、下盘及断层破碎带填筑预设配比的土体；
步骤S2，对每种试验设计方案，将箱体内土体浸泡至饱和后，吊入离心机吊篮；
步骤S3，离心机启动后分步加载，并在分步加载过程中监测孔隙水压力、土体模型位移、土体模型实时变形破坏情况及离心机运行状态；
步骤S4，离心机速度达到预设值后保持匀速转动，在匀速转动状态下持续监测孔隙水压力、土体模型位移、土体模型实时变形破坏情况及离心机运行状态；
步骤S5，箱体内初始沉降总体稳定后，控制第一电磁阀门和第二电磁阀门，进行远程水位升降调控模拟，对于当前水文地质结构下的不同抽水方式进行试验操作，观察并记录不同抽水方式下的孔隙水压力、土体模型位移、土体模型实时变形破坏状态和离心机运行状态参数变化；
步骤S6，根据试验数据分析不同抽水方式下水位下降后的地裂缝形成演化差异变化，分析水位上涨对地裂缝演化的干扰或逆转作用；分析不同类型水文地质结构在应力驱动作用下的位移场变化规律，分析断裂构造对地表抽水差异沉降的控制作用；基于孔隙水压力、位移、实时变形破坏情况、离心机运行状态的监测结果，分析断裂构造场地在水位变化下的复杂力学行为。
7.根据权利要求6所述的模拟大型地裂缝形成演化过程的离心模型试验方法，其特征在于，所述试验设计，包括水文地质结构和抽水方案两个维度，其中，水文地质结构包括“下盘相对隔水层—断层破碎带—上盘相对隔水层”、“下盘相对隔水层—断层破碎带—上盘含水层”、“下盘含水层—断层破碎带—上盘相对隔水层”、“下盘含水层—断层破碎带—上盘含水层”四种；在每种水文地质结构下，抽水方案包括持续抽水、阶梯式抽水、抽水后注水三种。
8.根据权利要求6所述的模拟大型地裂缝形成演化过程的离心模型试验方法，其特征在于，所述离心机启动后分步加载，每升一级保持该加速度转动3~5分钟；离心加速度达到设计值后离心机不再继续加载，保持匀速转动；当达到的设计值为n g时，离心机匀速转动期间的试验时间与原型时间比例关系为1/n2。
9.根据权利要求6所述的模拟大型地裂缝形成演化过程的离心模型试验方法，其特征在于，孔隙水压力通过孔压传感器监测；位移监测包括两个方面，一是利用四个标尺和可视位移标志观察并记录箱体正面土体模型的位移变化，二是利用激光位移计监测箱体顶部土体模型的位移变化；土体模型实时变形破坏情况通过第一摄像头和第二摄像头监测；离心机运行状态通过离心机自带的自控***监测，监测结果包括主机运行参数、电机运行参数和转臂平衡性。
10.根据权利要求6所述的模拟大型地裂缝形成演化过程的离心模型试验方法，其特征在于，所述远程水位升降调控模拟，具体包括：打开第一电磁阀门和第二电磁阀门进行模型远程水位调控，模拟持续抽水、阶梯式抽水或抽水后注水；对于持续抽水，打开第二电磁阀门，模型持续排水，直至土样中的自由水排完；对于阶梯式抽水，通过调控第二电磁阀门，使模型进行若干次阶梯式排水，最后一次排水将土样中的自由水排完；对于抽水后注水，打开第二电磁阀门，模型持续排水至土样中的自由水大致排完后关闭第二电磁阀门，再打开第一电磁阀门，使自由水通过水位监控箱再次渗入模型土体，从而使模型水位回升。
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Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN116297036B (zh) * 2023-02-17 2023-12-01 中国地质大学（武汉） 一种岩堆冻融循环分选作用模拟试验装置的试验方法

Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN109709308A (zh) * 2019-01-21 2019-05-03 南京大学 一种采水型地裂缝物理模型试验装置及试验方法

Family Cites Families (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101900642B (zh) * 2010-04-27 2012-01-11 西安理工大学 地裂缝土质隧道物理模型试验装置及模型试验方法
US11249208B2 (en) * 2016-10-14 2022-02-15 Schlumberger Technology Corporation Geologic structural model generation
CN108828189A (zh) * 2018-06-21 2018-11-16 成都理工大学 一种模拟地下水诱发土质边坡失稳的方法
CN110954680B (zh) * 2019-12-27 2022-03-04 长安大学 一种模拟断裂错动与地下水变化的地裂缝试验装置及方法
CN111948379A (zh) * 2020-09-10 2020-11-17 长安大学 一种考虑地下水的地裂缝场地危害模拟装置及模拟方法

Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN109709308A (zh) * 2019-01-21 2019-05-03 南京大学 一种采水型地裂缝物理模型试验装置及试验方法

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