CN115628872A - 一种错动式断层模拟试验***及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种错动式断层模拟试验***及方法，涉及岩土工程技术领域。所述***包括底座及设置于底座上的第一模型箱、第二模型箱，所述第一模型箱和第二模型箱相对一侧开口并可拼接为上部开口的箱体结构；还包括第一驱动件和第二驱动件；第一驱动件与第一模型箱连接，用于驱使第一模型箱相对于第二模型箱水平横向位移以模拟走滑断层；第二驱动件与第二模型箱连接，用于驱使第二模型箱相对于第一模型箱竖直位移以模拟倾滑断层。所述方法应用于该***。本发明能更为真实地模拟地震作用下断层滑动的动力行为，可模拟走滑断层与倾滑断层以及两者的耦合作用，解决了常规振动台模型箱不能模拟断层滑动或只能模拟单一方向滑动的问题。

Description

一种错动式断层模拟试验***及方法

技术领域

本发明涉及岩土工程技术领域，具体是一种错动式断层模拟试验***。

背景技术

岩土与隧道工程是我国土木工程、水利工程、市政工程中核心的研究课题，在建设隧道时，常会遇到穿越断层或破碎带等不良地质体的情况，且由于近年来我国地震频发，地震所致断层滑动下的隧道结构震害机理与抗减震措施是隧道工程面临的重大问题，如何提高跨断层隧道的抗减震性能，避免重大事故发生，是隧道建设中极为重要的研究课题。

对于岩土与隧道工程的研究，常用的方法有理论推导、现场调查、数值模拟分析、物理模型试验等，其中物理模型试验能够直观有效的模拟原型的动力响应，更有助于分析破坏机理，是研究岩土结构与隧道在地震作用下动力响应特征及破坏机理不可或缺的重要手段。

物理模型试验多采用模型箱在地震模拟振动台中进行试验，试验中常用的模型箱主要有三种：刚性模型箱，碟式柔性模型箱和层间剪切模型箱：

刚性模型箱四周采用钢板并设置加劲肋或短边方向两侧采用钢板，长边方向两侧采用钢框架，内部设置透明的有机玻璃板，便于观测模型在地震作用下的动力破坏演化过程，刚性模型箱主要用于岩质材料的模型，通常在端部两侧铺设5~20cm厚的聚苯乙烯泡沫板，长边方向两侧铺设聚乙烯膜来减小边界效应，使试验数据更加可靠。

碟式柔性模型箱自重较轻，一般为圆筒形结构，箱壁由圆筒形橡胶模组成，侧向刚度小，模型易产生土拱效应。

层间剪切模型箱由多层矩形中空框架组合而成，框架之间设置滚珠或轴承，并设置限位装置，使滚珠或轴承在一定范围内活动，土体能够产生剪切变形，从而模拟土层的边界条件。

由于我国幅员辽阔，不同区域展现出不同的地形地貌与地质构造特征，兴建大型工程的时，穿越断层的隧道越来越多，上述三种模型箱无法控制断层滑动的方向、速度与距离等，导致研究穿越断层隧道的动力响应破坏机理研究较少。目前，模拟断层走滑、倾滑且控制滑动方向、滑动速度、滑动距离等变量耦合的试验装置的开发，至今也处于空白状态。

鉴于此，为研究地震作用下跨断层隧道的动力响应与破坏机理奠定试验基础，更加真实和完善地模拟地震作用下断层滑动，还原实际工程情况，提高模拟地震作用下跨断层隧道结构动力响应的真实度与准确性，需要研发可控制和变量耦合断层倾角、滑动方向、滑动距离和滑动速度的模型设备，以研究穿越断层隧道的动力响应破坏机理。

发明内容

本发明的目的在于提供一种错动式断层模拟试验***，该错动式断层模拟试验***能更为真实地模拟地震作用下断层滑动的动力行为，可模拟走滑断层与倾滑断层以及两者的耦合作用，解决了常规振动台模型箱不能模拟断层滑动或只能模拟单一方向滑动的问题。本发明同时提供了一种错动式断层模拟试验方法。

本发明的目的主要通过以下技术方案实现：一种错动式断层模拟试验***，包括底座及设置于底座上的第一模型箱、第二模型箱，所述第一模型箱和第二模型箱相对一侧开口并可拼接为上部开口的箱体结构；还包括第一驱动件和第二驱动件；第一驱动件与第一模型箱连接，用于驱使第一模型箱相对于第二模型箱产生水平横向位移以模拟走滑断层；第二驱动件与第二模型箱连接，用于驱使第二模型箱相对于第一模型箱产生竖直位移以模拟倾滑断层。

基于以上技术方案，所述第一模型箱和第二模型箱相互拼接的侧壁均为断面，且二者断面的断面角度相同以在二者拼接后形成完整贴合面。

基于以上技术方案，所述断面角度为45°、60°、70°或0°。

基于以上技术方案，所述第一模型箱和第二模型箱相互拼接的侧壁外侧均设置有配对的连接板，所述第一模型箱的连接板上设置有沿第二模型箱竖直位移方向设置的竖向通槽，所述第二模型箱的连接板上设置有沿第一模型箱水平横向位移方向设置的横向通槽，配对的所述连接板通过贯穿其上横向通槽和竖向通槽的连接件配对连接。

基于以上技术方案，所述第一模型箱底部设置有第一滚轮，所述底座上端设置有与第一滚轮配合的第一滑槽，所述第一滑槽沿第一模型箱水平横向位移方向设置。

基于以上技术方案，所述第一驱动件包括第一反力架、固定于第一反力架上的第一动力元件以及连接于第一动力元件动力端的支撑件，所述支撑件固定于第一模型箱外侧壁。

基于以上技术方案，所述第二驱动件包括：被动驱动件，固定于底座和第二模型箱之间，所述被动驱动件可随第二模型箱竖直位移运动以改变竖直高度；主动驱动件，设置于底座上端，用于带动第二模型箱竖直位移。

基于以上技术方案，所述主动驱动件包括第二反力架、固定于第二反力架上的第二动力元件以及连接于第二动力元件动力端的滑板，所述滑板可随第二动力元件动力端运动以在底座上端面滑动；所述滑板上端沿第二动力元件运动方向设置有倾斜的支撑面，支撑面上沿其倾斜方向设置有第二滑槽；所述第二模型箱底部设置有第二滚轮，第二滚轮配对于第二滑槽内。

基于以上技术方案，所述滑板上端形成连续的两个支撑面，两个支撑面连续处形成竖直断面。

基于以上技术方案，所述底座上沿第二动力元件运动方向设置有限位板，所述限位板设置于滑板一侧用于限制滑板沿第二动力元件运动方向运动。

基于以上技术方案，所述第一模型箱和第二模型箱均由多个侧板围合形成顶部和相对一侧开口的方形箱体结构；所述第一模型箱和第二模型箱的侧板内壁均设置有吸能边界板；所述第一模型箱和第二模型箱的侧板外壁均设置有纵横交错的加强板。

与现有技术相比，本发明的有益效果如下：

1、本发明利用相互拼接的第一模型箱和第二模型箱来构成完整的模拟箱，用于放置围岩材料、断层材料及隧道模型，且第一模型箱和/或第二模型箱通过第一驱动件和/或第二驱动件，可以进行水平横向位移和/或竖直位移，进而能更为真实地模拟地震作用下断层滑动的动力行为，可模拟走滑断层与倾滑断层以及两者的耦合，解决了常规振动台模型箱不能模拟断层滑动或只能模拟单一方向滑动的问题，能够提高模型箱的使用效率、降低试验成本并提高试验精度。

2、本发明第一模型箱和第二模型箱相互拼接的侧壁可以根据需要调节断面角度，进而结合第一驱动件和/或第二驱动件的驱动，能够模拟更多不同类型的断层滑动问题，耦合更多变量，使得模拟结果更加真实、准确及可靠，为实际工程提供更为合理的理论基础与技术支持。

本发明还基于以上错动式断层模拟试验***，公开了一种错动式断层模拟试验方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

S1 基于模拟试验需求，确定第一模型箱和第二模型箱相互拼接的侧壁断面角度，并将第一模型箱和第二模型箱固定在地震模拟振动台台面上形成完整箱体结构；

S2 在第一模型箱和第二模型箱的内侧壁均设置吸能边界板；

S3 根据需要模拟的地质条件，确定围岩材料、断层材料及隧道模型材料，并搭建隧道模型；

S4 在第一模型箱和第二模型箱内填充围岩与断层材料，断层材料设置于第一模型箱和第二模型箱相互拼接的位置并随侧壁断面角度相同角度倾斜填充，并在设计高度埋设隧道模型，在填充材料和埋设隧道模型时同步安装传感器用于采集围岩和/或隧道模型在地震作用下的动力响应数据；

S5 开启地震模拟振动台进行地震模拟，使得隧道模型受到地震作用；

S6 根据模拟试验需求执行：

启动第一驱动件，调节第一驱动件的运动速度与位移量，控制第一模型箱水平运动的速度和距离，实现不同滑动速度和滑动距离的走滑断层模拟；

或，启动第二驱动件，调节第二驱动件的运动速度与位移量，控制第二模型箱竖直运动的速度和距离，实现不同滑动速度和滑动距离的倾滑断层模拟；

或，同步开启第一驱动件和第二驱动件，调节第一驱动件和第二驱动件的运动速度、位移量，同步控制第一模型箱水平运动、第二模型箱竖直运动的速度和距离，实现不同滑动速度、滑动距离的走滑断层和倾滑断层耦合模拟；

S7 通过传感器采集试验数据，完成数据采集后关闭第一驱动件和/或第二驱动件，完成模拟试验。

本错动式断层模拟试验方法基于错动式断层模拟试验***进行，能够模拟地震作用下走滑断层、倾滑断层及二者耦合对隧道结构动力响应影响，进而可以结合试验需求进行多种断层类型的隧道结构动力响应试验，真实地模拟地震作用下断层滑动的动力行为，能够模拟更多不同类型的断层滑动问题，耦合更多变量，试验结果更加真实与准确及可靠，为实际工程提供了更为合理的理论基础与技术支持。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：

图1是本发明的结构示意图；

图2是图1所示结构的俯视图；

图3是第一模型箱的结构示意图；

图4是第二模型箱的结构示意图；

图5是连接板c的结构示意图；

图6是连接板d的结构示意图；

图7是连接板c和连接板d的配对结构图；

图8是图1中去除第一模型箱和第二模型箱的结构示意图；

图9是滑板的结构示意图；

图中标号分别表示为：

1、底座；2、第一模型箱；3、第二模型箱；4、第一驱动件；5、第二驱动件；6、加强板；7、完整贴合面；8、竖向通槽；9、横向通槽；10、连接件；11、吸能边界板；12、第一滚轮；13、第一滑槽；14、第一反力架；15、第一动力元件；16、支撑件；17、被动驱动件；18、主动驱动件；19、第二反力架；20、第二动力元件；21、滑板；22、第二滑槽；23、第二滚轮；24、限位板。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。

如图1、图2所示，本发明第一个实施例提供了一种错动式断层模拟试验***，该***主要用于模拟和试验地震作用下走滑与倾滑断层对隧道结构动力响应影响，其主要包括底座1、第一模型箱2、第二模型箱3、第一驱动件4及第二驱动件5，其中，第一模型箱2、第二模型箱3均设置于底座1上，第一模型箱2和第二模型箱3相对一侧形成开口，二者通过开口处的侧壁相互拼接即可形成上部开口的箱体结构，而第一驱动件4与第一模型箱2连接，用于驱使第一模型箱2相对于第二模型箱3水平横向位移以模拟走滑断层；第二驱动件5与第二模型箱3连接，用于驱使第二模型箱3相对于第一模型箱2竖直位移以模拟倾滑断层。

基于此，本实施例使用时可设置于地震模拟振动台台面上，利用地震模拟振动台模拟地震作用，并利用相互拼接的第一模型箱2和第二模型箱3来构成完整的模型箱结构，用于放置围岩材料、断层材料及隧道模型，且第一模型箱2和/或第二模型箱3通过第一驱动件4和/或第二驱动件5，可以进行水平横向位移和/或竖直位移，进而能更为真实地模拟地震作用下断层滑动的动力行为，且通过控制第一驱动件4和第二驱动件5，可以控制第一模型箱2和第二模型箱3位移的速度和距离，进而可模拟不同滑动速度和滑动距离的走滑断层、倾滑断层以及两者的耦合，更好的模拟和试验地震作用下走滑与倾滑断层对隧道结构动力响应影响，解决了常规振动台模型箱不能模拟断层滑动或只能模拟单一方向滑动的问题，能够提高模型箱的使用效率、降低试验成本并提高试验精度。

需要说明的是，上述的水平横向位移，可以理解为第一模型箱2相对于第二模型箱3在横向的位移，也即向图1中第一模型箱2的宽度方向x位移，而竖直位移可以理解为第二模型箱3沿竖直方向的位移，也即图1中第二模型箱3的高度方向y位移。

为了更好的理解和实施，下面将结合附图对本实施例的错动式断层模拟试验***做进一步详细说明。

继续参阅图1、图2，底座1主要用于支撑和搭建第一模型箱2、第二模型箱3、第一驱动件4及第二驱动件5。

在具体应用时，底座1整体为板体结构，可以选用金属材料如钢制成，整体面积最好大于第一模型箱2和第二模型箱3拼接后的占地面积，以便于第一模型箱2、第二模型箱3、第一驱动件4及第二驱动件5的搭建。具体的，底座1上还可进一步设置连接结构，用于底座1与地震模拟振动台配对连接，例如，该连接结构可以为螺纹孔，在与地震模拟振动台配对连接时，可通过螺栓、螺钉等与螺纹孔配合将底座1固定于地震模拟振动台上，实现快捷方便的拆装。

如图3所示，第一模型箱2主要用于与第二模型箱3拼接配对形成完整的箱体结构，用于搭载试验所需的围岩材料、断层材料及隧道模型。

在具体应用时，第一模型箱2整体为半箱体结构，由多个侧板围合形成，整体可以为方形，其顶部和其中一个竖直侧壁均不用侧板围合，形成顶部和一侧侧壁开口的半封闭式结构，其内部形成的空腔即可用于容纳和搭载围岩材料、断层材料及隧道模型，在具体拼接时，其开口的侧壁与第二模型箱3拼接，进而可以与第二模型箱3拼接为完整箱体。具体的，第一模型箱2的侧板可以采用硬质金属制成，例如金属钢材料，以增加第一模型箱2的抗变形能力。具体的，第一模型箱2的侧板外壁还设置有纵横交错的加强板6，用于进一步加强第一模型箱2的抗变形能力。

如图4所示，第二模型箱3主要用于与第一模型箱2拼接配对形成完整的箱体结构，用于搭载试验所需的围岩材料、断层材料及隧道模型。

在具体应用时，第二模型箱3与上述的第一模型箱2在结构、材料上均可相同配置，在此不再进一步对第二模型箱3的具体结构和材料等说明，由此二者侧壁开口的位置相对设置，即可相互拼接形成完整的箱体结构，二者拼接后侧板内部即可形成完整、连通的且上端开口的空腔结构。

如图1-图4所示，为了进一步的模拟更多不同类型的断层滑动问题，耦合更多变量，在具体应用时，所述第一模型箱2和第二模型箱3相互拼接的侧壁均为断面，且二者断面的断面角度相同以在二者拼接后形成完整贴合面7。

基于此，在上述第一模型箱2和第二模型箱3结构基础上，第一模型箱2开口处的侧壁形成断面a，断面a的断面角度为α，而与之对应的第二模型箱3的侧壁则形成断面b，断面b的断面角度为β，当第一模型箱2和第二模型箱3相互拼接后，断面a和断面b相互贴合，且断面角度α和断面角度为β角度相同，从而第一模型箱2和和第二模型箱3相互拼接形成完整贴合面7。

在具体应用时，第一模型箱2和第二模型箱3的断面角度可以为45°、60°、70°或0°。需要说明的是，当二者断面角度为45°、60°、70°，则说明二者的侧壁断面均为斜面，而当二者断面角度为0°时，则说明二者的侧壁均为竖直的直面而非斜面。

参阅图3-图7，为了确保第一模型箱2和第二模型箱3相互拼接后，在各自运动过程中不会相互影响，本实施例中，在上述第一模型箱2和第二模型箱3结构基础上还包括：

第一模型箱2与第二模型箱3相互拼接的侧壁外侧设置有连接板c，连接板c上设置有沿第二模型箱3竖直位移方向设置的竖向通槽8；

第二模型箱3与第一模型箱2相互拼接的侧壁外侧设置有连接板d，连接板d上设置有沿第一模型箱2水平横向位移方向设置的横向通槽9；

当第一模型箱2和第二模型箱3拼接时，连接板c和连接板d可相互配对贴合，且在配对贴合后，竖向通槽8和横向通槽9至少部分重叠形成，配对的所述连接板c和连接板d即可通过贯穿竖向通槽8和横向通槽9的重叠区域的连接件10配对连接。

通过如此设置，当第一模型箱2和第二模型箱3拼接后，其在运动过程中时，连接件10可以在横竖向通槽8和/或横向通槽9内沿对应的运动方向移动，进而在确保第一模型箱2和第二模型箱3连接的同时，可以进一步确保第一模型箱2和第二模型箱3仅能沿竖向通槽8和/或横向通槽9的设置方向沿着二者分别的位移方向移动，起到很好的运动导向作用，保证第一模型箱2和第二模型箱3在模拟时是按照设定方向位移，提高模拟精度。

在此基础上，第一模型箱2与第二模型箱3相互拼接的侧壁外侧沿其断面可间隔设置多个连接板c，于此同时对应的第二模型箱3侧壁外侧可设置对应位置和数量的连接板d形成配对，进而利用多个配对结构实现更为稳固、有效的连接和导向作用。

在此基础上，所述连接件10为螺纹连接件。例如在连接时，连接件10可以是螺栓连接件，螺栓可贯穿竖向通槽8和横向通槽9的重叠区域，两端分别通过螺栓头和螺母卡在连接板c和连接板d上；又例如，连接件10可以为带两个锁紧螺母的螺纹柱连接件，螺纹柱连接件两端贯穿竖向通槽8和横向通槽9的重叠区域并伸出，伸出的两端则与锁紧螺母螺纹配合，将螺纹柱连接件卡在连接板c和连接板d上，进而可以通过两个锁紧螺母进行锁紧调节。

需要说明的是，由于第一模型箱2与第二模型箱3使用时需要按照各自运动方向运动，因此，本实施例中的连接件10在具体应用时，仅用于连接连接板c、连接板d以及进行两个模型箱的导向，并不卡紧或锁紧连接板c和连接板d。例如，当连接件10为螺栓件时，只需要保证螺栓件连接在连接板c、连接板d上，并提供一定的轴向压紧力而不完全锁死，确保螺栓件能够在竖向通槽8和/或横向通槽9内沿槽体移动。

继续参阅图1，在具体应用时，所述第一模型箱2和第二模型箱3的侧板内壁均设置有吸能边界板11。

在使用时，由于本实施例的错动式断层模拟试验***需要安装于地震模拟振动台上模拟振动，为了避免地震波的反射与折射效应，本实施例的吸能边界板11设置于第一模型箱2和第二模型箱3的侧板内壁，从而使得二者箱体内部均形成一定厚度的、围合的板体结构，当地震模拟时，吸能边界板11用于吸收地震波，减小地震波在第一模型箱2和第二模型箱3边界产生的反射与折射效应。

在具体应用时，吸能边界板11可以选用泡沫板，通过放置或者粘接等方式设置于第一模型箱2和第二模型箱3的侧板内壁。具体的，泡沫板可以选用聚苯乙烯泡沫板。进一步的，聚苯乙烯泡沫板的厚度可以在15~25cm之间，优选的，聚苯乙烯泡沫板的厚度为20cm。

如图8所示，作为第一模型箱2的进一步结构优化，本实施例中，第一模型箱2底部设置有第一滚轮12，所述底座1上端设置有与第一滚轮12配合的第一滑槽13，所述第一滑槽13沿第一模型箱2水平横向位移方向设置。

在具体应用时，第一模型箱2可以通过第一滚轮12配合在第一滑槽13内，进而滑动连接于底座1上，当第一驱动件4驱动其水平横向位移时，其可以通过第一滚轮12实现很好的位移效果，并且可通过第一滑槽13限制其位移方向，进一步确保第一模型箱2的运动轨迹。

在进一步实施时，第一滚轮12可以间隔设置多个，多个第一滚轮12位于同一直线同向设置形成一排滚轮组，与其对应的第一滑槽13同样位于同一直线同向设置多个，这样，通过多个第一滚轮12和第一滑槽13的配合，可以方便第一模型箱2的位移以及确保其位移方向。进一步的，上述的滚轮组可以设置多排，进一步加强对应效果。具体的，上述的滚轮组可以设置两排。

在具体应用时，第一滑槽13的长度可以根据需要设置，例如长度可以选择为10cm，从而可以通过其长度限制第一模型箱2的最大水平横向位移量，起到安全限位作用。

如图8所示，第一驱动件4主要与第一模型箱2连接，用于驱使第一模型箱2相对于第二模型箱3水平横向位移以模拟走滑断层。

在具体应用时，第一驱动件4包括第一反力架14、固定于第一反力架14上的第一动力元件15以及连接于第一动力元件15动力端的支撑件16，所述支撑件16固定于第一模型箱2外侧壁。

在使用时，第一反力架14可以固定于底座1上或者连接于地震模拟振动台上，用于为第一动力元件15提供支撑，而第一动力元件15则可通过其动力端带动支撑件16水平横向位移，进而通过支撑件16带动第一模型箱2运动，通过第一模型箱2相对于第二模型箱3水平横向位移，即可模拟走滑断层。

在具体应用时，第一反力架14可以是板体结构、箱体结构等，只要能安装并支撑第一动力元件15即可。

在具体应用时，第一动力元件15可以是直线运动机构，例如，第一动力元件15可以是直线运动模组，也可以是通过电力或介质驱动的电动伸缩缸、液压或气压伸缩缸等。具体的，本实施例中第一动力元件15为液压伸缩缸。

在具体应用时，支撑件16主要用于支撑、连接第一动力元件15和第一模型箱2，并避免第一模型箱2局部受力变形。具体的，支撑件16可以为板体结构或者是箱体结构，材料可选用金属材料如金属钢材料制成，进而在第一动力元件15驱动第一模型箱2位移时，可通过支撑件16分散受力，确保第一模型箱2完整性。

如图8所示，第二驱动件5主要与第二模型箱3连接，用于驱使第二模型箱3相对于第一模型箱2竖直位移以模拟倾滑断层。

具体的，所述第二驱动件5包括：被动驱动件17，固定于底座1和第二模型箱3之间，所述被动驱动件17可随第二模型箱3竖直位移运动以改变竖直高度；主动驱动件18，设置于底座1上端，用于带动第二模型箱3竖直位移。

在使用时，主动驱动件18主动驱动第二模型箱3竖直位移，而被动驱动件17由于与底座1、第二模型箱3固定连接并可以调节竖直高度，从而被动驱动件17可以限制第二模型箱3的运动方向使其保持竖直，并且其还可分担一部分支撑力，减少第二模型箱3重量对主动驱动件18的动力需求。

在具体应用时，被动驱动件17可以是具有伸缩功能的伸缩杆、伸缩气缸、压缩弹簧等。进一步的，被动驱动件17可以均匀分布多个，用于第二模型箱3均匀的支撑和竖直导向。在本实施例中，所述被动驱动件17选用伸缩气缸。

在具体应用时，主动驱动件18主要用于主动驱动第二模型箱3竖直位移。

如图8、图9所示，作为一种主动驱动件18的可行结构，其包括第二反力架19、固定于第二反力架19上的第二动力元件20以及连接于第二动力元件20动力端的滑板21，所述滑板21可随第二动力元件20动力端运动以在底座1上端面滑动；所述滑板21上端沿第二动力元件20运动方向设置有倾斜的支撑面e，支撑面e上沿其倾斜方向设置有第二滑槽22；所述第二模型箱3底部设置有第二滚轮23，第二滚轮23配对于第二滑槽22内。

在该主动驱动件18的可行结构中，第二反力架19、第二动力元件20的结构、选材、型号等均可参照上述的第一反力架14、第一动力元件15进行实施，此处不再多余累述。

当使用时，由于支撑面e的倾斜设置，其上的第二滑槽22形成与第二动力元件20运动方向相同方向设置的倾斜槽体结构，滑板21在第二动力元件20带动平移滑动时，由于第二滚轮23配对于第二滑槽22内，在第二滑槽22倾斜设置下，第二滚轮23同样会随着第二滑槽22倾斜方向下滑或上滑，进而在此过程中改变了其上第二模型箱3的高度，使得第二模型箱3可以在滑板21平移运动下实现竖直升降运动，进行竖直位移，即可模拟第二模型箱3的倾滑断层。

在具体应用时，所述第二滑槽22可以并排间隔设置多个，从而每个第二滑槽22可以配对一个或多个第二滚轮23，可以减少第二模型箱3与滑板21的摩擦力，使得滑板21在滑动时更为顺畅。

进一步的，所述滑板21上端形成连续的两个支撑面e，两个支撑面e连续处形成竖直断面f。在该结构中，由于设置两个支撑面e，可以增加其上第二滑槽22、第二滚轮23的数量，进一步的增加滑板21的滑动效果和支持效果，同时，竖直断面f在滑板21滑动时，可以将一侧的滑动或者第二滑槽22抵住而限位，从而可以以此来限制滑板21的最大位移量或最小位移量，避免第二滚轮23过度位移而滑出第二滑槽22，也可以避免误操作导致第二模型箱3高度改变过大而损坏、失效等。

在具体应用时，所述底座1上沿第二动力元件20运动方向设置有限位板24，所述限位板24设置于滑板21一侧或两侧用于限制滑板21沿第二动力元件20运动方向运动。

在以上结构基础上，在具体实施时，被动驱动件17可以间隔设置两排，每排设置多个，而滑板21可设置于两排被动驱动件17之间，沿被动驱动件17设置方向运动，进而可以错开二者以免相互影响，并减少结构的复杂设计，合理利用空间进行结构设置。具体的，第二动力元件20可以沿与第一动力元件15运动方向相垂直的方向进行设置和运动，进而其可以与第一动力元件15相互区分开而不受对应运动影响。

在以上结构基础上，在具体实施时，当第一动力元件15、第二动力元件20均采用液压伸缩缸时，二者均可以设置多个以提供足够的动力需求，并可设置对应的液压管路结构外接外部的液压供应***和液压控制***，以便于控制液压开闭、液体流量大小及流速等。

以上即为本实施例中错动式断层模拟试验***的详细描述，为了进一步的完善和实施错动式断层模拟试验***，本发明第二个实施例还基于以上错动式断层模拟试验***，公开了一种错动式断层模拟试验方法，该方法包括以下步骤：

S1 基于模拟试验需求，确定第一模型箱2和第二模型箱3相互拼接的侧壁断面角度，并将第一模型箱2和第二模型箱3固定在地震模拟振动台台面上形成完整箱体结构；

本步骤中，可根据模拟试验需要，选择需要的断面角度，从而改变断层材料g的倾角，可研究断层倾角变化对隧道结构动力响应的影响，也可研究断层滑动对隧道结构动力响应的影响，为隧道工程设计提供设计依据。

S2 在第一模型箱2和第二模型箱3的内侧壁均设置吸能边界板11；

S3 根据需要模拟的地质条件，确定围岩材料、断层材料g及隧道模型f材料，并搭建隧道模型f；

本步骤中，围岩材料可根据实际地质条件选择对应材料，而断层材料g则可以根据需要选择，例如选用砾石来模拟，而隧道模型f可根据真实隧道设计图纸按某一缩尺比例制作，常用材料可由微粒混凝土或石膏、重晶石、石英砂等材料组成，其中石膏、重晶石、石英砂等材料经过正交试验得到其最佳配合比，且物理力学性能参数须严格满足相似关系，当确定围岩材料，断层材料，隧道模型材料的组成与配合比后，使围岩、断层、隧道模型的物理力学性能参数满足相似比，即可开始试验。由于本步骤中确定围岩材料、断层材料g及隧道模型f材料，并搭建隧道模型f的具体过程现有技术中已经较为成熟，因此本步骤中不再进一步累述，本领域技术人员可以参照现有技术和地质条件需要进行实施。

S4 在第一模型箱和第二模型箱内填充围岩与断层材料g，断层材料g设置于第一模型箱2和第二模型箱3相互拼接的位置并随侧壁断面角度相同角度倾斜填充，并在设计高度埋设隧道模型f，在填充材料和埋设隧道模型f时同步安装传感器用于采集围岩和/或隧道模型在地震作用下的动力响应数据；

本步骤中，传感器可以是加速度计、土压力盒、应变片、位移计等传感器，用于采集试验过程中围岩、断层或隧道模型f的加速度、应力、应变、位移等数据，由于本步骤中传感器的安装和对应的数据采集在现有技术中已经较为成熟，因此本步骤中不再进一步累述，本领域技术人员可以参照现有技术和所需数据需要进行实施。

S5 开启地震模拟振动台进行地震模拟，使得隧道模型f受到地震作用；

S6 根据模拟试验需求执行：

启动第一驱动件4，调节第一驱动件4的运动速度与位移量，控制第一模型箱2水平运动的速度和距离，实现不同滑动速度和滑动距离的走滑断层模拟；

或，启动第二驱动件5，调节第二驱动件5的运动速度与位移量，控制第二模型箱3竖直运动的速度和距离，实现不同滑动速度和滑动距离的倾滑断层模拟；

或，同步开启第一驱动件4和第二驱动件5，调节第一驱动件4和第二驱动件5的运动速度、位移量，同步控制第一模型箱2水平运动、第二模型箱3竖直运动的速度和距离，实现不同滑动速度、滑动距离的走滑断层和倾滑断层耦合模拟；

S7 通过传感器采集试验数据，完成数据采集后关闭第一驱动件4和/或第二驱动件5，完成模拟试验。

基于该错动式断层模拟试验方法，即可模拟地震作用下走滑断层、倾滑断层及二者耦合对隧道结构动力响应影响，进而可以结合试验需求进行多种断层类型的隧道结构动力响应试验，真实地模拟地震作用下断层滑动的动力行为，能够模拟更多不同类型的断层滑动问题，耦合更多变量，试验结果更加真实与准确及可靠，通过分析试验过程中采集的对应试验结果数据，可以研究地震所致断层滑动下的隧道结构震害机理与抗减震措施，为实际工程提供了更为合理的理论基础与技术支持。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (12)

1.一种错动式断层模拟试验***，其特征在于，包括底座及设置于底座上的第一模型箱、第二模型箱，所述第一模型箱和第二模型箱相对一侧开口并可拼接为上部开口的箱体结构；

还包括第一驱动件和第二驱动件；

第一驱动件与第一模型箱连接，用于驱使第一模型箱相对于第二模型箱水平横向位移以模拟走滑断层；

第二驱动件与第二模型箱连接，用于驱使第二模型箱相对于第一模型箱竖直位移以模拟倾滑断层。

2.根据权利要求1所述的错动式断层模拟试验***，其特征在于，所述第一模型箱和第二模型箱相互拼接的侧壁均为断面，且二者断面的断面角度相同以在二者拼接后形成完整贴合面。

3.根据权利要求2所述的错动式断层模拟试验***，其特征在于，所述断面角度为45°、60°、70°或0°。

4.根据权利要求1所述的错动式断层模拟试验***，其特征在于，所述第一模型箱和第二模型箱相互拼接的侧壁外侧均设置有配对的连接板，所述第一模型箱的连接板上设置有沿第二模型箱竖直位移方向设置的竖向通槽，所述第二模型箱的连接板上设置有沿第一模型箱水平横向位移方向设置的横向通槽，配对的所述连接板通过贯穿其上横向通槽和竖向通槽的连接件配对连接。

5.根据权利要求1所述的错动式断层模拟试验***，其特征在于，所述第一模型箱底部设置有第一滚轮，所述底座上端设置有与第一滚轮配合的第一滑槽，所述第一滑槽沿第一模型箱水平横向位移方向设置。

6.根据权利要求1所述的错动式断层模拟试验***，其特征在于，所述第一驱动件包括第一反力架、固定于第一反力架上的第一动力元件以及连接于第一动力元件动力端的支撑件，所述支撑件固定于第一模型箱外侧壁。

7.根据权利要求1所述的错动式断层模拟试验***，其特征在于，所述第二驱动件包括：

被动驱动件，固定于底座和第二模型箱之间，所述被动驱动件可随第二模型箱竖直位移运动以改变竖直高度；

主动驱动件，设置于底座上端，用于带动第二模型箱竖直位移。

8.根据权利要求7所述的错动式断层模拟试验***，其特征在于，所述主动驱动件包括第二反力架、固定于第二反力架上的第二动力元件以及连接于第二动力元件动力端的滑板，所述滑板可随第二动力元件动力端运动以在底座上端面滑动；

所述滑板上端沿第二动力元件运动方向设置有倾斜的支撑面，支撑面上沿其倾斜方向设置有第二滑槽；

所述第二模型箱底部设置有第二滚轮，第二滚轮配对于第二滑槽内。

9.根据权利要求8所述的错动式断层模拟试验***，其特征在于，所述滑板上端形成连续的两个支撑面，两个支撑面连续处形成竖直断面。

10.根据权利要求8所述的错动式断层模拟试验***，其特征在于，所述底座上沿第二动力元件运动方向设置有限位板，所述限位板设置于滑板一侧用于限制滑板沿第二动力元件运动方向运动。

11.根据权利要求1-10任一项所述的错动式断层模拟试验***，其特征在于，所述第一模型箱和第二模型箱均由多个侧板围合形成顶部和相对一侧开口的方形箱体结构；

所述第一模型箱和第二模型箱的侧板内壁均设置有吸能边界板；

所述第一模型箱和第二模型箱的侧板外壁均设置有纵横交错的加强板。

12.一种错动式断层模拟试验方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

S1 基于模拟试验需求，确定第一模型箱和第二模型箱相互拼接的侧壁断面角度，并将第一模型箱和第二模型箱固定在地震模拟振动台台面上形成完整箱体结构；

S2 在第一模型箱和第二模型箱的内侧壁均设置吸能边界板；

S3 根据需要模拟的地质条件，确定围岩材料、断层材料及隧道模型材料，并搭建隧道模型；

S4 在第一模型箱和第二模型箱内填充围岩与断层材料，断层材料设置于第一模型箱和第二模型箱相互拼接的位置并随侧壁断面角度相同角度倾斜填充，并在设计高度埋设隧道模型，在填充材料和埋设隧道模型时同步安装传感器用于采集围岩和/或隧道模型在地震作用下的动力响应数据；

S5 开启地震模拟振动台进行地震模拟，使得隧道模型受到地震作用；

S6 根据模拟试验需求执行：

启动第一驱动件，调节第一驱动件的运动速度与位移量，控制第一模型箱水平运动的速度和距离，实现不同滑动速度和滑动距离的走滑断层模拟；

或，启动第二驱动件，调节第二驱动件的运动速度与位移量，控制第二模型箱竖直运动的速度和距离，实现不同滑动速度和滑动距离的倾滑断层模拟；

或，同步开启第一驱动件和第二驱动件，调节第一驱动件和第二驱动件的运动速度、位移量，同步控制第一模型箱水平运动、第二模型箱竖直运动的速度和距离，实现不同滑动速度、滑动距离的走滑断层和倾滑断层耦合模拟；

S7 通过传感器采集试验数据，完成数据采集后关闭第一驱动件和/或第二驱动件，完成模拟试验。

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