模擬隧道穿越活動(dòng)斷層的位移同步控制裝置及試驗(yàn)方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種模擬隧道穿越活動(dòng)斷層的位移同步控制裝置及試驗(yàn)方法。
【背景技術(shù)】
[0002]活動(dòng)斷層由斷層面與斷盤組成。斷層面是巖塊發(fā)生相對(duì)位移的破裂面。斷盤指斷層面兩側(cè)的巖塊，位于斷層面之上的稱為上盤，斷層面之下的稱為下盤，如斷層面直立，則按巖塊相對(duì)于斷層走向的方位(東、西、南、北)來描述。20世紀(jì)大量的巖石(土)力學(xué)摩擦滑動(dòng)實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果指出，巖石(土體)摩擦滑動(dòng)有兩類基本形式:穩(wěn)定滑動(dòng)(蠕滑)和突發(fā)滑動(dòng)(粘滑)。粘滑是一種不穩(wěn)定滑動(dòng)，它是對(duì)外加負(fù)荷產(chǎn)生的振蕩位移響應(yīng)?；顒?dòng)斷層粘滑錯(cuò)動(dòng)是一種斷裂構(gòu)造特征的地區(qū)性地質(zhì)災(zāi)害，是造成跨斷層隧道結(jié)構(gòu)嚴(yán)重破壞的主要因素，嚴(yán)重影響隧道襯砌結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，具體表現(xiàn)為斷層上、下盤突發(fā)性大變形位移錯(cuò)動(dòng)。
[0003]隨著城市化進(jìn)程的加速，以及西部大開發(fā)引起的隧道工程的大量興建，將不可避免地遇到跨越活動(dòng)斷層問題，如新疆烏魯木齊地鐵修建時(shí)，根據(jù)工程建設(shè)，面臨著穿越多條活動(dòng)斷層的技術(shù)難題。隧道襯砌結(jié)構(gòu)在斷層兩側(cè)土體相對(duì)位移牽制下將產(chǎn)生附加應(yīng)力和附加變形，過大的錯(cuò)動(dòng)位移使襯砌兼受拉壓、剪切、扭轉(zhuǎn)和彎曲的復(fù)合力學(xué)性質(zhì)，可能導(dǎo)致襯砌開裂和屈服破壞，影響地鐵區(qū)間隧道正常運(yùn)營。
[0004]中國專利申請(qǐng)201010156366.X的公開了一種“地裂縫土質(zhì)隧道物理模型試驗(yàn)裝置及模型試驗(yàn)方法”。該模擬地裂縫土質(zhì)隧道物理模型試驗(yàn)裝置，按照設(shè)置的模擬地裂縫的錯(cuò)位量，由控制裝置控制沉降裝置工作，傳動(dòng)活塞桿向下移動(dòng)，上盤土體在自重及氣壓囊的作用下向下沉降，上盤土體與地裂縫之間產(chǎn)生向下錯(cuò)位移動(dòng)；為了模擬隧道軸線與地裂縫立面的橫軸線間不同夾角對(duì)隧道受力和變形狀態(tài)的影響，模型裝置通過設(shè)置四個(gè)水平的不同方向的隧道洞口，模擬隧道軸線與地裂縫立面橫軸線間的不同夾角(交角)，夾角分別為30。、45。、60。、90。。其存在的問題是:1、只能模擬隧道與裂縫立面呈30°、45。、60。、90°四個(gè)交角時(shí)，裂縫對(duì)隧道的破壞行為，不能模擬隧道與裂縫立面呈任意交角時(shí)，裂縫對(duì)隧道的破壞行為;2、但由于其地裂縫立面是垂直的，四個(gè)隧道模型也始終是水平的，它只能模擬垂直的土體裂縫對(duì)隧道的破壞作用，而不能模擬裂縫面與水平面的傾角不等于90°的傾斜裂縫對(duì)隧道的破壞作用。3、只能模擬活動(dòng)速率很低的穩(wěn)定滑動(dòng)的裂縫對(duì)隧道的破壞機(jī)理，而不能模擬錯(cuò)動(dòng)速率很高的不穩(wěn)定滑動(dòng)活動(dòng)斷層的粘滑錯(cuò)動(dòng)對(duì)隧道的破壞機(jī)理。4、按照預(yù)設(shè)的位移總量進(jìn)行控制，不能模擬不同位移速度下的斷層錯(cuò)動(dòng)對(duì)隧道的破壞行為。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的第一目的是提供一種模擬隧道穿越活動(dòng)斷層的位移同步控制試驗(yàn)裝置，該裝置能夠?qū)崿F(xiàn)隧道結(jié)構(gòu)與活動(dòng)斷層任意傾角、任意交角的空間位置，活動(dòng)斷層水平、豎向位移合成同步控制加載，從而模擬活動(dòng)斷層錯(cuò)動(dòng)時(shí)對(duì)隧道的破壞行為，為隧道的設(shè)計(jì)與施工提供可靠的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，以保證隧道的運(yùn)營安全。
[0006]本發(fā)明實(shí)現(xiàn)其第一目的所采用的技術(shù)方案是，一種模擬隧道穿越活動(dòng)斷層的位移同步控制試驗(yàn)裝置，其特征在于:
[0007]無蓋的模型試樣箱由活動(dòng)的左半箱和固定的右半箱構(gòu)成；
[0008]所述的左半箱由左前板、左后板、左側(cè)板、左底板構(gòu)成，左底板的底面與豎向加載裝置的上端通過鉸支座鉸接，豎向加載裝置的下端連接于底座左側(cè)可前后移動(dòng)的水平移動(dòng)平臺(tái)上;左前板的前面緊貼前加載條，前加載條的前面抵緊前水平加載裝置的后端，前水平加載裝置的前端與底座上的前反力架連接，前加載條向下伸出與底座接觸，且底座的水平移動(dòng)平臺(tái)的前部與前加載條的后面接觸；左后板后面緊貼后加載條，后加載條的后面抵緊后水平加載裝置的前端，后水平加載裝置的后端與底座上的后反力架連接，后加載條向下伸出與底座接觸，且底座的水平移動(dòng)平臺(tái)的后部與后加載條的前面接觸；
[0009]所述的右半箱由右前板、右后板、右側(cè)板、右底板構(gòu)成，右底板直接通過高強(qiáng)螺栓固定于底座上；
[0010]所述的左半箱的左前板的右邊、左后板的右邊、右半箱的右前板的左邊、右后板的左邊均為傾斜的斜邊;右前板的左邊與左前板的右邊通過既能沿左前板的右邊移動(dòng)又能前后移動(dòng)的前移動(dòng)副連接，右后板的左邊與左后板的右邊通過既能沿左后板的右邊移動(dòng)又能前后移動(dòng)的后移動(dòng)副連接；
[0011 ]所述的左后板和右前板的內(nèi)壁上設(shè)置模型支架，模型支架的具體構(gòu)成是:連桿的一端通過帶鎖緊螺母的連桿球鉸鉸接于左后板或右前板的內(nèi)壁上，連桿另一端的上側(cè)、下側(cè)均夾持球鉸與圓弧形的上夾持架的內(nèi)端和圓弧形的下夾持架的內(nèi)端鉸接;上夾持架的外端和下夾持架的外端通過螺桿連接。
[0012]進(jìn)一步，本發(fā)明的豎向加載裝置配有荷重傳感器和位移傳感器。所述的前水平加載裝置和后水平加載裝置也均配有荷重傳感器和位移傳感器。
[0013]本發(fā)明的第二目的是提供一種模擬隧道穿越活動(dòng)斷層的位移同步控制裝置進(jìn)行隧道穿越活動(dòng)斷層的位移同步控制試驗(yàn)的方法，該方法能能夠?qū)崿F(xiàn)隧道結(jié)構(gòu)與活動(dòng)斷層任意傾角、任意交角的空間位置，活動(dòng)斷層水平、豎向位移合成同步控制加載，從而模擬活動(dòng)斷層錯(cuò)動(dòng)時(shí)隧道的破壞行為。
[0014]本發(fā)明實(shí)現(xiàn)其第二目的所采用的技術(shù)方案是，一種模擬隧道穿越活動(dòng)斷層的位移同步控制裝置進(jìn)行隧道穿越活動(dòng)斷層的位移同步控制試驗(yàn)的方法，其步驟是:
[0015]A.將隧道模型的兩端分別置于左后板的上夾持架和下夾持架之間，右前板的上夾持架和下夾持架之間；再調(diào)節(jié)左后板的連桿的上下傾角及左右交角，并擰緊球鉸上的鎖緊螺母；同時(shí)，調(diào)節(jié)右前板的連桿的上下傾角及左右交角，并擰緊球鉸上的鎖緊螺母，再將上夾持架的外端和下夾持架的外端通過螺桿固定，即將隧道模型按設(shè)定的上下傾角、前后交角固定在模型試樣箱內(nèi)；然后在模型試樣箱內(nèi)填埋試制土體；
[0016]B.啟動(dòng)前水平加載裝置通過前加載條或啟動(dòng)后水平加載裝置通過后加載條向左半箱施加載荷，使左半箱及其下方的豎向加載裝置隨水平移動(dòng)平臺(tái)向前或向后水平移動(dòng)；
[0017]同時(shí)，由豎向加載裝置對(duì)左半箱向上施加載荷，使左半箱通過前移動(dòng)副、后移動(dòng)副沿右前板的左邊、右后板的左邊傾斜向上移動(dòng)；
[0018]C.加載的同時(shí)，通過位移傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)左半箱的水平、豎向位移，使其按設(shè)定的位移速度達(dá)到設(shè)定的水平、豎向位移;通過荷重傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)活動(dòng)的左半箱受到的水平、豎向荷載。
[0019]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是:
[0020]—、水平加載裝置通過前加載條或后加載條向左半箱施加載荷，使左半箱及其下方的豎向加載裝置隨水平移動(dòng)平臺(tái)向前或向后水平移動(dòng)設(shè)定的前后水平位移，模擬出斷層發(fā)生前后水平錯(cuò)動(dòng);豎向加載裝置向左半箱施加載荷，使左半箱通過前、后移動(dòng)副沿右前板的左邊、右后板的左邊傾斜向上移動(dòng)設(shè)定的斜向位移，即模擬出斷層發(fā)生斜向錯(cuò)動(dòng)。前后水平錯(cuò)動(dòng)和斜向錯(cuò)動(dòng)可以獨(dú)立、同步地進(jìn)行，從而可以模擬出各種不同形式、不同角度的活動(dòng)斷層錯(cuò)動(dòng)，進(jìn)而試驗(yàn)、分析出各種不同形式、不同角度的活動(dòng)斷層錯(cuò)動(dòng)對(duì)隧道的破壞機(jī)理及影響因素，為隧道的設(shè)計(jì)與施工提供更全面、更可靠的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，以保證隧道的運(yùn)營安全。
[0021]二、與模型箱內(nèi)壁通過帶鎖緊螺母的球鉸鉸接的連桿可以任意調(diào)整其前后交角及上下傾角，使隧道模型的兩端的上下位置、前后位置可以任意調(diào)節(jié)設(shè)定，從而模擬出隧道模型與活動(dòng)斷層的任意傾角、任意交角的空間角度位置關(guān)系，實(shí)現(xiàn)活動(dòng)斷層與隧道模型在任意傾角、任意交角情況下的模型試驗(yàn)，進(jìn)而試驗(yàn)分析出隧道與斷層在不同傾角、交角情況下的斷層錯(cuò)動(dòng)對(duì)隧道結(jié)構(gòu)破壞的機(jī)理和影響因素，為隧道的設(shè)計(jì)與施工提供更全面、更可靠的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，以保證隧道的運(yùn)營安全。對(duì)隧道的設(shè)計(jì)和施工具有廣泛的指導(dǎo)意義。
[0022]上述的豎向加載裝置配有荷重傳感器和位移傳感器。上述的水平加載裝置也配有荷重傳感器和位移傳感器。
[0023]位移傳感器的設(shè)置，使位移的控制更精確、可靠。荷重傳感器的設(shè)置能實(shí)時(shí)測(cè)出活動(dòng)的左半箱受到的荷重，更方便的分析得出活動(dòng)斷層錯(cuò)動(dòng)對(duì)隧道的破壞機(jī)理及影響因素。
[0024]下面結(jié)合附圖和【具體實(shí)施方式】對(duì)本發(fā)明作進(jìn)行進(jìn)一步的詳細(xì)說明。
【附圖說明】
[0025]圖1是本發(fā)明實(shí)施例的正視結(jié)構(gòu)示意圖。
[0026]圖2是本發(fā)明實(shí)施例的后視結(jié)構(gòu)不意圖。
[0027]圖3是本發(fā)明實(shí)施例的左視結(jié)構(gòu)示意圖。
[0028]圖4是圖3的A-A剖視圖。
【具體實(shí)施方式】
[0029]圖1-4示出，一種模擬隧道穿越活動(dòng)斷層的位移同步控制裝置，其組成是:
[0030]無蓋的模型試樣箱由活動(dòng)的左半箱100和固定的右半箱200構(gòu)成；
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