模擬斷層處隧道應力特徵的實驗裝置及方法與流程

2023-06-21 11:12:36

本發明屬於力學分析技術領域，尤其是涉及一種模擬隧道穿越斷層時應力特徵的實驗裝置及方法。

背景技術：

隨著我國交通建設的快速發展，在其修建過程中一些隧道不可避免的會穿越活斷層，且穿越斷層的隧道在斷層處極易受到破壞。為了提高隧道安全性，需要通過模型實驗模擬確定斷層對隧道應力特徵的影響，而這一操作是非常困難的。現有技術中，常用的方法如下：(1)通過專門的大型設備如振動臺等大型實驗設備來模擬，(2)通過小型斷層錯動隧道模型實驗裝置進行模擬。然而，前者的設備佔地面積大，實驗儀器操作複雜，不便於操作；後者的精度不高，難以準確模擬斷層處隧道應力特徵及變形。因此，亟需一種方便實用的模擬斷層處隧道應力特徵的實驗裝置及方法，便於操作且有助於提高工作效率。

技術實現要素：

本發明所要解決的技術問題是為了克服現有設備的操作不便、精度不高的缺點，提供一種模擬斷層處隧道應力特徵的實驗裝置及方法。

本發明解決其技術問題所採用的技術方案是：模擬斷層處隧道應力特徵的實驗裝置，包括基座以及布設於基座上的軌道，基座上軸對稱設置有左箱和右箱，左箱和右箱能夠在基座上活動，左箱包括相互拼接的前板、後板、左板、右板和底板，前板和後板對稱設置，左板和右板對稱設置，前板包括前下板及前中板，前下板及前中板能夠拼接成無縫的板面，左板包括相拼接的左下板和左中板，左下板和左中板形成供隧道模型穿過的隧道洞口，左箱還包括對稱設置的前支撐板和後支撐板，前下板與水平液壓千斤頂的後端相連，水平液壓千斤頂的前端與前支撐板相連，左箱在水平液壓千斤頂的作用下能夠前後移動；底板通過垂直加載部件與水平支撐板相連，水平支撐板底部設置有可沿著軌道左右滑動的滑輪，左箱在垂直加載部件的作用下能夠左右移動。

進一步的，左箱上還設置有位移傳感器及傾角測量儀。

具體的，垂直加載部件的個數為4個，分別設置在底板底部前、後、左、右四個方向上。

進一步的，左箱上還設置有荷重傳感器。

進一步的，繞隧道洞口周邊設置有墊片。

優選的，前板還包括與前中板拼接的前上板，左板還包括與左中板相拼接的左上板，左上板頂部與前上板頂部在同一水平面上，前上板與左上板相連接，同理，後板與右板也同樣設置。

進一步的，前左下板、前右下板、前左中板、前右中板、前支撐板和後支撐板皆採用矩形板。

本發明解決其技術問題所採用的另一技術方案是：基於如上的裝置的模擬斷層處隧道應力特徵的實驗方法，包括以下步驟：

a.放置隧道模型，並使得其兩端分別放置在左箱的左側的隧道洞口與右箱的右側的隧道洞口上，在左箱和右箱內填土並壓密，並將隧道模型與隧道洞口不貼合的部分填土壓實；

b.在軌道上左右移動左箱和右箱，使二者之間距離達到設置的斷層寬度，再分別調整左箱和右箱的各個垂直加載部件，調節左箱與右箱的傾角，通過傾角測量儀測量傾角是否滿足預設的斷層傾角，並不斷調整相應的垂直加載部件，使得傾角達到預設的斷層傾角；

c.調節各個水平液壓千斤頂，使左箱與右箱前後緩慢移動，以模擬斷層緩慢錯動下隧道應力特徵的變化，並利用位移傳感器監測錯動量，同時利用荷重傳感器監測應力大小，記錄各數據以便完成後續實驗分析。

具體的，改變各個預設的斷層寬度及傾角，重複步驟b-c。

本發明的有益效果是：結構小巧，便於安裝，易於操作，且能夠在基座上前後左右四個方向活動，能夠獨立準確調整移動距離與傾角，利用位移傳感器及傾角測量儀能夠對移動距離及傾角進行定量分析，以模擬各種斷層寬度、斷層傾角的組合情況，提高結果準確度與可靠性。本發明用於測量斷層隧道附近應力特徵。

附圖說明

圖1是本發明實施例的俯視圖；

圖2是本發明實施例的正視圖；

圖3是本發明實施例的後視圖；

圖4是本發明實施例的左視圖；

圖5是本發明實施例的右視圖；

圖6是本發明實施例中水平液壓千斤頂主體單元的結構示意圖；

圖7為實施例前下板及前中板的結構示意圖；

其中，12為軌道，13為基座，221為左箱，222為右箱，111為左箱前上板，112為左箱前中板，113為左箱前下板，121為右箱前上板，122為右箱前中板，123為右箱前下板，131為左箱後上板，132為左箱後中板，133為左箱後下板，141為右箱後上板，142為右箱後中板，143為右箱後下板，151為左箱左上板，152為左箱左中板，153為左箱左下板，161為右箱右上板，162為右箱右中板，163為右箱右下板，231為左箱底板，232為右箱底板，251為左箱右上板，252為左箱右中板，253為左箱右下板，261為右箱左上板，262為右箱左中板，263為右箱左下板，51為左箱後支撐板，52為左箱前支撐板，53為右箱後支撐板，54為右箱前支撐板，61為左箱荷重傳感器，62為右箱荷重傳感器，71為左箱位移傳感器，72為右箱位移傳感器，191為左箱傾角測量儀，192為右箱傾角測量儀，81為左箱第二水平液壓千斤頂，82為左箱第一水平液壓千斤頂，83為右箱第二水平液壓千斤頂，84為右箱第一水平液壓千斤頂，21為水平液壓千斤頂主體單元，91為左箱後左側垂直加載部件，92為左箱前左側垂直加載部件，93為左箱後右側垂直加載部件，94為左箱前右側垂直加載部件，95為右箱後左側垂直加載部件，96為右箱前左側垂直加載部件，97為右箱後右側垂直加載部件，98為右箱前右側垂直加載部件，172隧道洞口，41為墊片，201為後液壓支座，202為前液壓支座，181為高強螺栓，24為鉸支座，101為左箱水平支撐板，102為右箱水平支撐板。

具體實施方式

下面結合附圖及實施例，詳細描述本發明的技術方案。

實施例

如圖1-5所示，本發明的模擬隧道穿越斷層時應力特徵的實驗裝置，包括基座13以及布設於基座13上的軌道12，基座13上軸對稱設置有中空的左箱221和右箱222，左箱221和右箱222均可沿基座獨立的前後左右移動。

為了便於區分，在本例中，具體描述左箱221和右箱222的結構。具體而言，在左箱部件前加左箱，在右箱部件前加右箱，以便於區分。

左箱221包括相互拼接的左箱前板、左箱後板、左箱左板、左箱右板和左箱底板，左箱前板、左箱後板、左箱左板、左箱右板和左箱底板圍繞成中空且無頂蓋的腔體，左箱前板和左箱後板對稱設置，左箱左板和左箱右板對稱設置，也可以不對稱設置，但是考慮到裝置平衡性及實驗效果上，優選對稱設置。

左箱221的前板包括左箱前下板113及左箱前中板112，左箱前下板113及左箱前中板112以卡接或其他方式拼接能夠拼接成無縫的板面。左箱前下板113及左箱前中板112結構示意圖如圖7所示，在左箱前下板的頂端設置有凸頭，在左箱前中板底端設置有與凸頭匹配的凹槽，如此可以固定連接左前下板及左前中板，其他板之間也可以使用類似的拼接方式。

左箱221的左板包括左箱左下板153和左箱左中板152，左箱左下板153和左箱左中板152形成供隧道模型穿過的隧道洞口，具體而言，左箱左下板153和左箱左中板152的凹槽部分可組成隧道斷面所需形狀即隧道洞口172。

左箱221的後板包括左箱後下板133及左箱後中板132，左箱後下板133及左箱後中板132拼接能夠拼接成無縫的板面。左箱221的右板包括左箱右下板253和左箱右中板252，左箱右下板253和左箱右中板252形成供隧道模型穿過的隧道洞口172。

還可根據埋深情況增加左箱前上板111、左箱左上板151，左箱前上板111與左箱前中板112相拼接，左箱左上板151與左箱左中板152相拼接。同理，左箱後板與左箱右板也同樣設置，即左箱後板還包括與左箱後中板132相拼接的左箱後上板131，左箱右板還包括與左箱右中板252相拼接的左箱右上板251。上述的各個上板相互拼接，且頂部在同一水平面上。

左箱221還包括對稱設置的左箱前支撐板52和左箱後支撐板51，左箱前支撐板52和左箱後支撐板51皆與基板相連，左箱前下板113與前液壓支座202通過高強螺栓181與左箱第一水平液壓千斤頂82的後端相連，左箱第一水平液壓千斤頂82的前端與後液壓支座201通過高強螺栓181與左箱前支撐板52相連。由於後板與前板結構對稱，左箱後下板133與前液壓支座202通過高強螺栓181與左箱第二水平液壓千斤頂81的前端相連，左箱第二水平液壓千斤頂81的後端與後液壓支座201通過高強螺栓181與左箱後支撐板51相連。水平液壓千斤頂主體單元的結構如圖6，水平液壓千斤頂的主體單元即水平液壓千斤頂除去位移傳感器與荷重傳感器的部分，水平液壓千斤頂包括第一水平液壓千斤頂82、左箱第二水平液壓千斤頂81以及右箱第一水平液壓千斤頂84、右箱第二水平液壓千斤頂83。左箱可在第一水平液壓千斤頂82、左箱第二水平液壓千斤頂81的作用下前後移動，此處的前後是與軌道垂直的方向。

左箱底板231的底面通過鉸支座24分別與左箱前左側垂直加載部件92、左箱後左側垂直加載部件91、左箱前右側垂直加載部件94、左箱後右側垂直加載部件93的上端相連，前述四個垂直加載部件的底端分別與左箱水平支撐板101相連，左箱水平支撐板101底部設置有滑輪，滑輪可沿基座上布設的軌道12左右滑動以便於調整斷層的寬度。在上述垂直加載部件的作用下可調整左箱的傾角。各個支撐板及垂直加載部件均布設於基座上。

右箱222包括相互拼接的右箱前板、右箱後板、右箱左板、右箱右板和右箱底板，右箱前板、右箱後板、右箱左板、右箱右板和右箱底板圍繞成中空且無頂蓋的腔體，右箱前板和右箱後板對稱設置，右箱左板和右箱右板對稱設置，也可以不對稱設置，但是考慮到裝置平衡性及實驗效果上，優選對稱設置。

右箱222的前板包括右箱前下板123及右箱前中板122，右箱前下板123及右箱前中板122以卡接或其他方式拼接能夠拼接成無縫的板面。其拼接方式類似左箱的前板。右箱222的左板包括右箱左下板263和右箱左中板262，右箱左下板263和右箱左中板262形成供隧道模型穿過的隧道洞口。右箱222的後板包括右箱後下板143及右箱後中板142，右箱後下板133及右箱後中板132拼接能夠拼接成無縫的板面。右箱的右板包括右箱右下板163和右箱右中板162，右箱右下板163和右箱右中板162形成供隧道模型穿過的隧道洞口172。

還可根據埋深情況增加右箱前上板121、右箱左上板261，右箱前上板121與右箱前中板122相拼接，右箱左上板261與右箱左中板262相拼接。同理，右箱後板與右箱右板也同樣設置，即右箱後板還包括與右箱後中板142相拼接的右箱後上板141，右箱右板還包括與右箱右中板162相拼接的右箱右上板161。上述的各個上板相互拼接，且頂部在同一水平面上。

右箱222還包括對稱設置的右箱前支撐板54和右箱後支撐板53，右箱前支撐板54和右箱後支撐板53皆與基板相連。右箱前下板123與前液壓支座202通過高強螺栓181與右箱第一水平液壓千斤頂84的後端相連，右箱第一水平液壓千斤頂84前端與後液壓支座201通過高強螺栓181與右箱前支撐板54相連。由於後板與前板結構對稱，右箱後下板143與前液壓支座202通過高強螺栓181與右箱第二水平液壓千斤頂83的前端相連，右箱第二水平液壓千斤頂83的後端與後液壓支座201通過高強螺栓181與右箱後支撐板53相連。右箱可在右箱第一水平液壓千斤頂84、右箱第二水平液壓千斤頂83的作用下前後移動。

右箱底板232的底面分別通過鉸支座24與右箱前右側垂直加載部件98、右箱後右側垂直加載部件97、右箱前左側垂直加載部件96、右箱後左側垂直加載部件95的上端相連，前述四個垂直加載部件的底端分別與右箱水平支撐板102相連，右箱水平支撐板102底部設置有滑輪，滑輪可沿基座上布設的軌道12左右滑動以便於調整斷層的寬度。在上述垂直加載部件的作用下可調整右箱的傾角。

在左箱、右箱上都還可以設置位移傳感器、傾角測量儀、荷重傳感器中的一個或多個。其位置可以隨意選擇，但為了提高測量準確率，可以進行如下設置：

在左箱、右箱上各布設有位移傳感器，左箱與右箱均可沿基座獨立的前後左右移動，並通過位移傳感器讀出其移動距離。具體而言，可以分別設置在左箱、右箱上的任意位置處，優選的，在左箱第一水平液壓千斤頂82上部布設有左箱位移傳感器71，在右箱第一水平液壓千斤頂84上部布設有右箱位移傳感器72，如此設置是基於水平液壓千斤頂水平穩定性，不會產生水平位移，提高測量準確度考慮的。

在左箱、右箱的水平液壓千斤頂上還各布設有荷重傳感器，荷重傳感器用於監測水平液壓千斤頂作用於左箱與右箱的力，具體而言，在左箱第二水平液壓千斤頂81上設置有左箱荷重傳感器61，在右箱第二水平液壓千斤頂上設置有右箱荷重傳感器62。在左箱與右箱上還分布設置有左箱傾角測量儀191與右箱傾角測量儀192，在垂直加載部件的作用下可獨立調整左箱或右箱的傾角，並通過傾角傳感器讀出其傾角大小，以模擬各種斷層寬度、斷層傾角的組合情況。使用時按預設斷層寬度、傾角調整左箱221、右箱222之間的距離與其傾角，使其滿足實驗要求。

在隧道洞口172處繞隧道洞口周邊設置有剛度較好的墊片41以防止實驗過程中隧道模型與隧道洞口接觸不好導致該處隧道模型變形不受約束，提高裝置的可靠性及測量準確率。

考慮到平衡及實現效果，上述各個板都採用矩形板。

基於如上的裝置的模擬隧道穿越斷層時應力特徵的實驗方法，包括以下步驟：

1.先取下左箱及右箱的前中板與前上板，同理，後板、左板、右板也同樣設置，待取下各個中板與上板後，將隧道模型的兩端分別放置在左箱的左隧道洞口與右箱的右隧道洞口上，再在模型箱內填土並壓密，並將隧道模型與隧道洞口不貼合的部分填土壓實。而後將各個中板與上板重新加載上去。

如果隧道模型尺寸和隧道洞口匹配，則無需拆卸各個中板與上板。

2.在軌道上左右移動左箱和右箱，使二者之間距離達到設置的斷層寬度，再分別調整左箱和右箱的各個垂直加載部件，調節左箱與右箱的傾角，通過傾角測量儀測量傾角是否滿足預設的斷層傾角，並不斷調整相應的垂直加載部件，使得傾角達到預設的斷層傾角。

3.調節各個水平液壓千斤頂，使左箱與右箱前後緩慢移動，以模擬斷層緩慢錯動下隧道應力特徵的變化，並利用位移傳感器監測錯動量，同時利用荷重傳感器監測應力大小，記錄各數據以便完成後續實驗分析。

通過荷重傳感器及位移傳感器的監測可實時反饋調節水平液壓千斤頂對左箱與右箱的作用力與位移。

4.多次改變各個預設的斷層寬度及傾角，多次重複步驟2-3，提高結果準確率。