一种实现非一致地震激励和走滑断层耦合作用的试验装置

技术领域

本发明属于大比例尺地下工程模型的技术领域，具体涉及一种实现非一致地震激励和走滑断层耦合作用的试验装置。

背景技术

随着我国地下工程的迅猛发展，地质灾害在地下工程的建设与运维养护阶段已成为不容忽视的重要一环。地震作为自然界中一种常见的地质灾害，经常严重影响着地下结构的安全。据不完全统计，特大地震将造成公路隧道严重的破坏，大大降低了公路级别并威胁到安全运营，给国民经济造成了巨大损失。我国第一级阶梯的青藏高原，第二级阶梯的云贵高原地区等地区，分布着大大小小各种类型的活断层，其中不乏走滑型活动断裂，包括一条仍在活动的大规模走滑断裂带阿尔金断裂；部地区也存在一条名为郯庐断裂的北东走向巨大走滑断层。当产生构造障碍与强震活动围空段时，活动断裂极易发生地震活动。因此研究走滑形活动断裂下发生的地震破坏机理与破坏模式，对于跨断层隧道的建设有着极其重要的意义。然而，目前还尚未有能够将走滑断层活动与地震激励耦合在一起的大尺度模型试验装置，对于穿越走滑形活断层的隧道抗震与抗错研究仍以数值模拟为主要研究手段，缺乏有效可靠的模型试验数据的验证。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术中的上述不足，提供一种实现非一致地震激励和走滑断层耦合作用的试验装置，以解决目前还尚未有能够将走滑断层活动与地震激励耦合在一起的大尺度模型试验装置的问题。

为达到上述目的，本发明采取的技术方案是：

一种实现非一致地震激励和走滑断层耦合作用的试验装置，其包括断层走滑错动系统和非一致地震激励系统；断层走滑错动系统与所述非一致地震激励系统连接，且非一致地震激励系统对断层走滑错动系统施加非一致的地震激励。

进一步地，断层走滑错动系统包括设置于非一致地震激励系统上的至少两个主动箱、至少一个随动箱、多个顶推装置和多个反力装置；随动箱设于相邻的两个主动箱之间，且随动箱与主动箱之间通过剪缝胶皮柔性连接；主动箱的两侧配置有多个顶推装置，顶推装置对主动箱施加水平驱动力；顶推装置安装于反力装置上。

进一步地，主动箱包括多块主侧箱板和主底板；主侧箱板、主底板和顶板构成一个封闭空间，该封闭空间内装填模型地层材料。

进一步地，随动箱包括随侧箱板和随底板；随侧箱板、随底板和顶板构成一个随动封闭空间，该随动封闭空间内装填断层核部模型地层材料。

进一步地，随侧箱板和主侧箱板均呈平行四边形状，且位于同一侧的所述主侧箱板和随侧箱板的形状配合构成一个长方形板状结构。

进一步地，配置有所述顶推装置的主动箱底部设有滑轨，滑轨为安装在底板下的重型直线导轨。

进一步地，顶推装置为液压油缸；反力装置包括反力支承框架；液压油缸固定于反力支承框架上，并通过液压油缸顶推侧箱板上的顶推平板，以推动振动主台上的主动箱沿重型直线导轨运动。

进一步地，非一致地震激励系统包括振动主台和振动副台；配置有顶推装置的主动箱通过安装板固定于振动主台上，其它主动箱通过安装板固定于振动副台上；振动主台与振动副台通过对其上部的主动箱施加预定频率、振幅、时间的振动波以模拟地震振动。

进一步地，安装板包括主动箱安装板与随动箱安装板；主动箱安装板通过螺栓连接主动箱和振动主台，并通过螺栓连接主动箱和振动副台；随动箱安装板分别连接地面和随动箱。

本发明提供的实现非一致地震激励和走滑断层耦合作用的试验装置，具有以下有益效果：

1、本发明配置有断层走滑错动系统和非一致地震激励系统，通过两个系统的配合，将断层走滑错动和非一致地震激励进行有机耦合，可以有效模拟研究地震振动影响下跨越走滑断层隧道的结构力学特性。

2、本发明克服了传统断层模型试验中无法将地震激励与走滑断层错动耦合的问题，并提供了可以通过调整侧箱板尺寸从而精确复现实际断层产状的方法，以此模拟最接近于真实情况的隧道穿越走滑活动断裂区；并可在此基础上进一步研究隧道穿越走滑活断层的抗错与抗震设计。

3、本发明通过随侧箱板和主侧箱板的配合，以改变主动箱和随动箱之间的倾斜角度，其倾斜角度可以为20°～160°，以模拟带有倾向、走向与倾角的真实构造走滑断层。

附图说明

图1为本发明实现非一致地震激励和走滑断层耦合作用的试验装置平面图。

图2为本发明实现非一致地震激励和走滑断层耦合作用的试验装置侧视图。

图3为本发明实现非一致地震激励和走滑断层耦合作用的试验装置轴侧图。

图4为本发明实现非一致地震激励和走滑断层耦合作用的试验装置主动箱和随动箱倾斜设置的配合示意图。

其中，1、主动箱；2、随动箱；3、顶推装置；4、反力装置；5、振动主台；6、振动副台；7、安装板；1-1、主侧箱板；1-2、主底板；1-3、滑轨；1-4、顶推平板；2-1、随侧箱板；2-2、随底板；7-1、主动箱安装板；7-2、随动箱安装板。

具体实施方式

下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

实施例1

参考图1，本实施例提供一种实现非一致地震激励和走滑断层耦合作用的试验装置，本实施例将断层走滑错动与非一致地震激励耦合，可以有效模拟研究地震振动影响下跨越走滑断层隧道的结构力学特性，其具体包括：

断层走滑错动系统和非一致地震激励系统；断层走滑错动系统与非一致地震激励系统连接，且非一致地震激励系统对断层走滑错动系统施加非一致的地震激励。

具体的，参考图1、图2或图3，本实施例的断层走滑错动系统可以模拟走滑断层错动，通过顶推导轨的辅助下，推动主动箱1水平滑动以实现断层水平走滑运动，其具体包括：至少两个主动箱1、至少一个随动箱2、多个顶推装置3和多个反力装置4；

其中，随动箱2设于相邻的两个主动箱1之间，且随动箱2与主动箱1之间通过剪缝胶皮柔性连接，该连接方式可用来更好传递主动箱1的水平走滑错动影响；随动箱2与主动箱1非刚性的连接模式可以实现随动箱2的随振。

主动箱1与随动箱2的具体个数可根据需要设计为2主1随、3主2随的断层组合模式，用来模拟一个断层或者多断层的组合模式。

作为本实施例的一种优选，本实施例优选为两个主动箱1和一个随动箱2，该随动箱2位于两个主动箱1之间。

主动箱1的两侧配置有多个顶推装置3，顶推装置3对主动箱1施加水平驱动力；顶推装置3安装于反力装置4上。

具体的，主动箱1包括多块主侧箱板1-1和主底板1-2，主侧箱板1-1之间、主侧箱板1-1与边底板之间的连接位置通过箱板上预设的螺栓孔进行实现栓接；主侧箱板1-1、主底板1-2和顶板构成一个封闭空间，该封闭空间内装填模型地层材料，其中，振动主台5上的主动箱1底部加设有滑轨1-3，滑轨1-3为安装在主动箱1底板下部的重型直线导轨，其可实现振动主台5上主动箱1的水平滑动，用来模拟走滑断层的水平错动。

随动箱2包括随侧箱板2-1和随底板2-2，为便于安装和使用，随动箱2使用与主动箱1相同的结构和连接方式；随侧箱板2-1、随底板2-2和顶板构成一个随动封闭空间，该随动封闭空间内装填断层核部模型地层材料。

本发明中主动箱1与随动箱2构成安置断层模型相似材料的封闭容器，其中主动箱1模拟上下盘区域，随动箱2模拟断层核心区域。

参考图4，本实施例为模拟带有倾向、走向与倾角的真实构造走滑断层，本实施例的一种优选为随侧箱板2-1和主侧箱板1-1均呈平行四边形状，且位于同一侧的主侧箱板1-1和随侧箱板2-1的形状配合构成一个长方形板状结构。即主动箱1与随动箱2之间可以通过调整侧箱板尺寸从而调整主动箱1和随动箱2之间的倾斜形状。

具体的，主动箱1与随动箱2连接位置处可通过图4所示的方式进行侧箱板尺寸的变化调整，即通过主侧箱板1-1和随侧箱板2-1同一角度变化调整断层的倾向，通过主侧箱板1-1和随侧箱板2-1一定差异的角度变化调整断层的走向，模拟真实走滑断层的倾向与走向。

顶推装置3为前法兰油缸，由法兰连接在安装架上，通过顶推振动主台5上的主动箱1侧部实现位移荷载施加，以模拟走滑断层的水平滑动。具体是采用液压油缸提供动力，推动主动箱1前后面的顶推平板1-4，使得主动箱1通过底部安装的重型直线导轨运动，以模拟走滑断层的水平错动与复位；

反力装置4包括反力支承框架，为水平位移加载提供反力支持；液压油缸固定于反力支承框架上，并通过液压油缸顶推侧箱板上的顶推平板1-4，使其通过安装在主底板1-2下的重型直线导轨运动，液压油缸循环工作即可实现错动的往复循环加载，同时也能使主动箱1在错动位移加载后回归原位。

非一致地震激励系统可以通过模型底部的振动台，对断层不同区域施加非一致的地震激励包括振动主台5和振动副台6；配置有顶推装置3的主动箱1通过安装板7固定于振动主台5上，其它主动箱1通过安装板7固定于振动副台6上；振动主台5与振动副台6通过对其上部的主动箱1施加预定频率、振幅、时间的振动波以模拟地震振动。

安装板7包括主动箱安装板7-1与随动箱安装板7-2；主动箱安装板7-1通过螺栓连接主动箱1和振动主台5，并通过螺栓连接主动箱1和振动副台6，用于传递振动激励；随动箱安装板7-2分别连接地面和随动箱2，其主要作用为填补振动台与地面之间的高度间隙。

本实施例的工作原理为：

试验开始时，两个主动箱1箱体分别通过主动箱安装板7-1安置在振动主台5与振动副台6上，随动箱2箱体通过随动箱安装板7-2安置在地面上，向三个模型箱(两个主动箱1和一个随动箱2)内分别填入不同断层区段的模型相似材料，分级夯实压平后安置顶板以防止在主动箱1错动过程中箱内土体溢出。

待试验准备完毕后，由顶推装置3中的液压油缸顶推振动主台5上的主动箱1前侧的顶推平板1-4，从而进行断层走滑错动的位移加载，可根据隧道断面的大小、模拟地震震级、模拟断层的活动程度具体决定加载的位移量。

在上述整个错动位移加载过程中，振动主台5与振动副台6同时对其上安置的主动箱1施加地震波激励，试验平台可对不同振动台输入不同频率、振幅和时间的地震波，以模拟活动断裂中的非一致地震激励。在此过程中，振动主台5上的主动箱1将最大程度还原活动断裂移动盘同时受到强烈地震与位移叠加荷载影响的情况，振动副台6上的主动箱1将最大程度还原活动断裂固定盘受到强烈地震荷载影响的情况，且两者共同影响随动箱2内的模型土体，以最大程度还原活动断裂断层核心区域的复杂受力模式。

当错动达到最大预设量后，主动箱1前侧的液压油缸暂停推动，同时振动主台5停止对主动箱1的激振。待装置整体趋于稳定后，由主动箱1另一侧的液压油缸反向推动主动箱1向错动前的初始位置进行复原，模型复原至初始位置后，将主动箱1与随动箱2的顶板撤除，随后卸土，一次活动走滑断层错动激振耦合试验结束。

虽然结合附图对发明的具体实施方式进行了详细地描述，但不应理解为对本专利的保护范围的限定。在权利要求书所描述的范围内，本领域技术人员不经创造性劳动即可做出的各种修改和变形仍属本专利的保护范围。