一种走滑断裂物理模拟装置

技术领域

本发明涉及地质力学模型试验领域，特别是涉及一种走滑断裂物理模拟装置。

背景技术

地壳应力状态是地下工程稳定性评价、地下能源开发、核废料处置的关键基础资料，对地球动力学过程认识、地震危险性评价具有重要意义。在岩体工程中，由于构造应力的作用，岩体会产生一些形变或破裂，进而产生诸如褶皱、断裂等等，走滑断裂便是其中一种非常重要的地壳构造形迹。走滑断裂的断裂面通常比较平直光滑且与水平面近于垂直，当断层两侧岩体在构造应力作用下沿断裂面走向相对运动时，在断层的周围会形成拉张应力区和挤压应力区。如果断层产生缓慢的蠕滑变形，那么这种影响是长期缓慢的，如果断层产生粘滑错动，那么这种影响是短暂突然的。这种变化对断层局部应力状态的影响如何，这种变化与断裂的活动性有何关系？因此研究走滑断裂局部应力场的演化规律及断裂活动性是重要且必要的。

在岩体应力场的研究中通常采用数值模拟、物理模拟和现场监测等研究方法，其中走滑断裂物理模拟主要采用与地质原型符合一定相似关系的物理模型模拟断裂地质原型所处的构造应力环境和应力状态，再现构造行迹的形成和演化过程，从而揭示地质体局部应力场在构造应力作用下的演化机理及变化规律，对于断层应力场演化及断裂活动性研究具有重要意义。

目前，已有一些对走滑断裂进行物理模拟的试验装置。例如专利公开号为CN201383278Y的专利，是一种实现走滑断层的错动模拟演示装置，能实现走滑型地震的错动模拟演示，但其无法实现走滑断裂物理模拟的多角度断裂预制及双向加载过程。又例如公开号为CN206312488U的专利，虽然用物理模拟的方式实现了走滑断层形成过程的可视化模拟，但其无法对既有走滑断层进行提前预制并模拟其加载破裂过程。

发明内容

本发明的目的是提供一种走滑断裂物理模拟装置，以解决上述现有技术存在的问题，实现物理模拟过程中试样制备和试验加载的一体化。试样制作阶段可以实现断裂面预制并且具有少扰动断裂面的特点，加载阶段能够实现模拟过程的双向加载的便捷控制，为走滑断裂局部应力场演化以及断裂活动性研究提供重要支撑和方案参考。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：本发明提供一种走滑断裂物理模拟装置，包括压力机框架和试验箱，所述压力机框架与所述试验箱转动连接；

所述压力机框架上固定有侧向液压机和水平向液压机，所述试验箱一侧固定连接有侧向压力套件，所述侧向液压机输出端与所述侧向压力套件可拆卸连接，所述试验箱顶部可拆卸连接有盖板套件，所述侧向液压机的输出端与所述盖板套件可拆卸连接，所述侧向液压机的输出端和所述盖板套件配合后又与所述水平向压力套件配合，所述试验箱一端固定连接有水平向压力套件，所述水平向液压机的输出端与所述水平向压力套件可拆卸连接。

优选的，所述试验箱远离水平向液压机的一端固定有旋转手柄和若干第一定位器卡槽，所述压力机框架上固定有若干第二定位器卡槽，所述第一定位器卡槽和第二定位器卡槽之间可拆卸连接有定位器。

优选的，所述侧向压力套件包括侧框，所述侧框与所述试验箱固定连接，所述侧框上开设有第一通槽，所述侧框上固定有侧盖板，所述侧盖板上开设有第二通槽，所述第一通槽内放置有侧压板，所述侧压板尺寸大于所述第二通槽小于所述第一通槽，所述侧压板与所述侧向液压机输出端可拆卸连接。

优选的，所述水平向压力套件包括端框，所述端框与所述试验箱固定连接，所述端框上开设有第三通槽，所述端框上固定有端盖板，所述端盖板上开设有第四通槽，所述第三通槽内放置有端压板，所述端压板的尺寸大于所述第四通槽且小于所述第三通槽，所述端压板与所述水平向液压机的输出端可拆卸连接。

优选的，所述试验箱顶部可拆卸连接有盖板套件，所述盖板套件包括盖板，所述盖板与所述试验箱可拆卸连接，所述盖板上开设有第一通孔，所述第一通孔转动连接有盖板转盘，所述盖板转盘上开设有第五通槽，所述盖板与所述侧向液压机输出端可拆卸连接。

优选的，所述盖板转盘顶部设有转盘固定片，所述转盘固定片与所述盖板可拆卸连接，所述转盘固定片上开设有第二通孔，所述第二通孔的尺寸小于所述转盘固定片且大于第五通槽。

优选的，所述盖板上固定有固定器，所述盖板通过所述固定器与所述侧向液压机输出端可拆卸连接。

优选的，所述试验箱底面设有构造面装置，所述构造面装置包括第三通孔，所述第三通孔开设于所述试验箱底面，所述第三通孔转动连接有构造面转盘，所述构造面转盘内穿设有构造面板，所述构造面板与所述第五通槽相适配。

优选的，所述构造面转盘上固定有构造面固定器，所述构造面转盘与所述构造面板通过构造面固定器固定连接。

本发明公开了以下技术效果：本发明可以实现物理模拟过程中试样制备和试验加载的一体化。本发明使得试样制作阶段可以实现断裂面预制并且具有少扰动断裂面的特点，本发明设置侧向液压机和水平向液压机，加载阶段能够实现模拟过程的双向加载的便捷控制，为走滑断裂局部应力场演化以及断裂活动性研究提供重要支撑和方案参考。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例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讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为走滑断裂物理模拟装置的立体图；

图2为走滑断裂物理模拟装置的主视图；

图3为试验箱的结构示意图；

图4为侧向压力套件的结构示意图；

图5为水平向压力套件的结构示意图；

图6为盖板套件的结构示意图；

图中：试验箱1、试验箱转盘11、旋转手柄12、第一定位器卡槽13、定位器14、压力机框架2、侧向液压机21、水平向液压机22、第四通孔23、第五通孔24、第二定位器卡槽25、侧框3、第一通槽31、侧盖板32、第二通槽33、侧压板34、端框4、第三通槽41、端盖板42、第四通槽43、端压板44、盖板5、第一通孔51、盖板转盘52、第五通槽53、固定器54、转盘固定片55、第二通孔56、第三通孔6、构造面转盘61、构造面板62、构造面固定器63。

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做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。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

本发明提供一种走滑断裂物理模拟装置，包括压力机框架2和试验箱1，所述压力机框架2与所述试验箱1转动连接，液压机框架2的所有结构都是焊接在一起的，并且在与试验箱2连接处有试验箱卡槽，使其可以在卡槽内旋转但不掉出；

所述压力机框架2上固定有侧向液压机21和水平向液压机22，所述压力机框架2上开设有第四通孔23和第五通孔24；所述试验箱1两端分别固定有试验箱转盘11，两所述试验箱转盘11分别与所述第四通孔23和所述第五通孔24转动连接，所述试验箱1一侧固定连接有侧向压力套件，所述侧向液压机21输出端与所述侧向压力套件可拆卸连接，所述试验箱1顶部可拆卸连接有盖板套件，所述侧向液压机21的输出端与所述盖板套件可拆卸连接，水平向压力套件、侧向压力套件都有相应卡槽将端压板44和侧压板34卡住，用来限制活动方向，不允许其向试验箱1外侧移动只可向试验箱1内侧移动，所述侧向液压机21的输出端和所述盖板套件配合后又与所述水平向压力套件配合，所述试验箱1一端可拆卸连接有水平向压力套件，所述水平向液压机22的输出端与水平向压力套件可拆卸连接。

进一步优化方案，所述试验箱1远离水平向液压机22的一端固定有旋转手柄12和若干第一定位器卡槽13，旋转手柄12用于旋转试验箱1，所述压力机框架2上固定有若干第二定位器卡槽25，所述第一定位器卡槽13和第二定位器卡槽25之间可拆卸连接有定位器14，第一定位器卡槽13、第二定位器卡槽25和定位器14用于固定试验箱1，使其在加载时不会随意转动。

进一步优化方案，所述侧向压力套件包括侧框3，所述侧框3与所述试验箱1固定连接，所述侧框3上开设有第一通槽31，所述侧框3上固定有侧盖板32，所述侧盖板32上开设有第二通槽33，所述第一通槽31内放置有侧压板34，所述侧压板34尺寸大于所述第二通槽33小于所述第一通槽31，所述侧压板34与所述侧向液压机21输出端可拆卸连接。侧盖板32可以阻挡侧压板34，使其不能向试验箱1外侧滑动，侧向液压机21输出端可推动侧压板34在试验箱1内侧滑动。

进一步优化方案，所述水平向压力套件包括端框4，所述端框4与所述试验箱1固定连接，所述端框4上开设有第三通槽41，所述端框4上固定有端盖板42，所述端盖板42上开设有第四通槽43，所述第三通槽41内放置有端压板44，所述端压板44的尺寸大于所述第四通槽43且小于所述第三通槽41，所述端压板44与所述水平向液压机22的输出端可拆卸连接。端盖板42可以阻挡端压板44向试验箱1外侧滑动，水平向液压机22输出端可以推动端压板44向试验箱1内侧滑动。

进一步优化方案，所述试验箱1顶部可拆卸连接有盖板套件，所述盖板套件包括盖板5，所述盖板5与所述试验箱1可拆卸连接，盖板5可以在试验箱1内滑动，同时可脱离试验箱1，所述盖板5上开设有第一通孔51，所述第一通孔51转动连接有盖板转盘52，所述盖板转盘52上开设有第五通槽53，所述盖板5与所述侧向液压机21输出端可拆卸连接，使得第五通槽53角度可以调整。

进一步优化方案，所述盖板转盘52顶部设有转盘固定片55，所述转盘固定片55与所述盖板5可拆卸连接，所述转盘固定片55上开设有第二通孔56，所述第二通孔56的尺寸小于所述转盘固定片55且大于第五通槽53，使转盘固定片55将盖板转盘52固定在第二通孔56，防止盖板转盘52脱离第二通孔56。

进一步优化方案，所述盖板5上固定有固定器54，所述盖板5通过所述固定器54与所述侧向液压机21输出端可拆卸连接，方便盖板5随侧向液压机21输出端上升和下降，每层装入后使用向液压机21和盖板5进行压实，随后进行刮毛再填入下一层，试样制作完成之后，将盖板5拆下，方便做加载试验时观察试验情况。

进一步优化方案，为了可以调整构造面板62角度，所述试验箱1底面设有构造面装置，所述构造面装置包括第三通孔6，所述第三通孔6开设于所述试验箱1底面，所述第三通孔6转动连接有构造面转盘61，所述构造面转盘61内穿设有构造面板62，并且延伸到试验箱1内，所述构造面板62与所述第五通槽53相适配，使得盖板5下压时，构造面板62可穿过第五通槽53，方便压实试样层，构造面板62贯穿构造面转盘61并且延伸到试验箱1内，使得在试样制作阶段可以实现断裂面预制，并且第三通孔6与构造面转盘61转动连接，使得构造面转盘61可360度旋转，可设计任意角度的断裂面，并且具有少扰动断裂面的特点，增强模拟实验的准确性。

进一步优化方案，为了防止构造面板62移动，所述构造面转盘61上固定有构造面固定器63，所述构造面转盘61与所述构造面板62通过构造面固定器63固定连接。

制样阶段：

制样时需提前将试验箱1组装完成，将侧压板34装入侧框3内，然后整体装入试验箱，将端压板44装入端框4内，然后整体装入试验箱，并卡入相应位置。然后将组装完成的试验箱1装入压力机框架2内的第四通孔23和第五通孔24，并用旋转手柄12使试验箱1顶面向上并用定位器14固定位置。旋转构造面转盘61将构造面板62调整成试验预制角度，将构造面转盘61装入第三通孔6中固定。试验箱1固定好之后组装盖板5，将盖板转盘52装入第一通孔51内，将第五通槽53调整到角度与构造面板62一致，将固定器54与侧向液压机21输出端连接，将侧向液压机21输出端收缩抬起盖板5。

现在就可将需要试验的土样分层装入试验箱1内。每层装入后使用向液压机21和盖板5进行压实，随后进行刮毛再填入下一层试样同之前步骤，最后一层压实之后进行刮平处理，将盖板5拆下。制样阶段结束。

试验阶段：

制样阶段结束后，将固定器14取出，使用旋转手柄12将试验箱1转至侧压板34向上。开始试验；使用计算机分别控制侧向液压机21、水平向液压机22开始对试样进行施压，可选取不同大小的压力机头对侧压板34或端压板44进行施压。加载控制方式采用荷载控制，设定固定大小的应力加载速率，加载方向垂直于试样表面，加载过程中试样收缩变形。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

以上所述的实施例仅是对本发明的优选方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。