專利名稱：一種在斷層作用下斜坡體穩定性模擬試驗裝置的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及巖土力學試驗技術，尤其涉及一種在斷層作用下斜坡體穩定性模擬試驗裝置及其方法。具體地說，本實用新型涉及一種控制斷層不同運動方式的裝置，該裝置可以在模擬斷層的正斷層運動、逆斷層運動和走滑斷層運動等不同模式和工況下進行斜坡體穩定性的模擬試驗與分析。
背景技術：
斜坡的變形與破壞，實質上是由斜坡巖土體內的應力與強度這一對矛盾的發展演化所決定的。一般情況下，斜坡中的應力分布特征決定了斜坡變形破壞的形式和機制，對斜坡穩定性評價和制定合理防治措施也有一定意義。關于斷裂構造對斜坡應力場的影響及其引起的破壞效應，國內外許多學者和教科書已做了一些研究和講述。專家學者們普遍認為作為斜坡應力場的重要影響因素之一，斷裂構造對斜坡體的穩定性具有較大影響，由于斷裂構造的影響，斜坡體內的應力場發生偏轉和變化，局部會產生應力集中等現象，從而影響斜坡體的穩定性。斷裂構造在自然界中的尺寸較大，活動速率為幾毫米 及厘米/每年。在自然界條件下，由于坡體較大，難以在斷層面附近埋設土壓力盒、位移計等測量分析工具，所以，在自然界含有斷裂構造斜坡體中進行相關參數測量，從而分析斷層的運動方式對斜坡體的變形破壞機理很不現實，所以，采用實驗室模擬實際斷層對坡體穩定性的影響具有重要的意義。目前，針對斷裂對斜坡體變形破壞的影響多集中在理論定性分析、滑坡密度與斷裂距離相關性分析等方面，如居恢揚(1982)認為構造條件幾乎控制著所有的巖體滑坡及規模較大的碎屑土(堆積土)滑坡的基本格局；黃潤秋(2005)通過對中國西南巖石高邊坡的主要特征和演化進行研究后認為，河谷岸坡附近的斷層對谷坡應力的傳遞有明顯的阻隔和分異作用；馬小強(2007)認為斷裂與特大型滑坡的展布有一定的對應關系，滑坡沿斷裂發育分布特征明顯，并且滑坡多發生于斷層斷裂的交錯部位，尤其是斷層斷裂的支叉、拐端部位。李進華(2008)通過對香港的新構造斷裂活動與天然山體滑坡關系的研究，認為河浙背的斷裂活動與黃竹洋的大型天然山體滑坡事件可能存在相連的因果關系，并且認為這是一項很有意義的、極富挑戰性的科學研究。2008年汶川地震發生后，國內外許多學者對地震及地震誘發的次生地質災害進行了深入研究，許強等(2009)認為絕大多數巨型、大型崩滑災害緊鄰斷層上盤發育，同時斷層的錯斷方式對滑坡的滑動方向具有較大影響。同時，活動斷裂對滑坡的形成和分布具有較大的影響，黃潤秋(2009)對汶川大地震觸發地質災害的斷層效應進行了分析，認為滑坡滑動的優勢方向與映秀一北川斷裂的空間展布方向基本垂直， 且具有明顯的上/下盤效應，與地震波垂直于斷層方向傳播有密切的關系。因此，目前對斷層運動作用下的斜坡體穩定性的研究方法和手段多集中于理論上的定性分析和空間位置相關性分析等方面，對于含有斷層的斜坡體物理力學模擬是該研究領域的空白，而針對在斷層作用下斜坡體穩定性的模擬試驗裝置的研究是地質災害性成災機理和重大地質災害治理規劃設計的關鍵手段之一，具有非常重要的理論和實際意義。經檢索，目前尚無一套成熟準確模擬包含斷層運動的斜坡體穩定性模擬試驗裝置及其方法。
發明內容本實用新型的目的就在于克服現有技術存在的缺點和不足，提供一種在斷層作用下斜坡體穩定性試驗裝置。本試驗裝置能準確模擬在斷層運動作用下斜坡體內的應力、位移變化規律，從而能準確分析邊坡的穩定狀態、變形破壞規律和災害機理。本實用新型的目的是這樣實現的根據野外地質調查到的邊坡建立地質模型，并概化為實驗室數學模型，并用野外實際邊坡巖土體建立物理模型，使得斷層上、下盤裝置在合適的容器內，在施加與實際斷層運動相一致的外力作用下，從而實現了在實驗室中快速準確地模擬斜坡體中斷層的運動方式，最后精確測得斜坡體中的應力、位移值，以期后期數據分析。其原理符合野外地質體的原位運動模式，結構相對簡單，造價低廉，可以為大多數教學科研單位裝備。具體地說，本試驗裝置包括土樣、斷層土體模型儀、斷層面、無級變速箱、動力傳動系統、支撐杠桿、土壓力盒、實時監測儀、數據采集系統和百分表；在斷層土體模型儀內的土樣通過斷層面分為斷層上盤和斷層下盤兩部分；第1無級變速箱、第1動力傳動系統、支撐杠桿和斷層上盤依次連接，給斷層上盤提供位移的動力；第2無級變速箱、第2動力傳動系統和斷層下盤12依次連接，給斷層下盤提供位移的動力；在土樣的表面設置有位移標識，實時監測儀和位移標識位置相對，實時監測儀和數據采集系統連接，記錄模型有關位置的變化；在土樣的內面設置有土壓力盒，在土樣的上面設置有百分表，土壓力盒和百分表分別與數據采集系統連接，記錄相關數據。在無級變速箱的控制下，斷層上盤和斷層下盤沿斷層面可以實現正斷層、逆斷層和平移走滑斷層等不同的運動模式，從而在數據采集系統中獲取不同的記錄數據，用以分析含斷層的斜坡體變形破壞特征及成災機理。本試驗裝置的試驗方法包括下列步驟①土樣的制備將土樣模擬現實中斜坡的土體，密度為1. 5 2. 5g/cm3，含水率為2 40%，并按實際斷層角度均勻制成斷層下盤，按斷層面的摩擦力要求選擇合適的土工材料制成斷層面， 并與斷層下盤密切接觸；制成斷層面后，按實際地質模型用土體制成斷層上盤；土樣固結 24h ；②進行上述斷層模型的邊界條件約束，在斷層的左右兩側土樣與容器之間呈位移約束；設置好斷層上盤下部的力和位移施加系統，確保施加的合力和速度方向與斷層面平行；③檢查土樣的固結程度，在上盤和下盤設置監測點，若監測點在12h內位置保持不變，則表明斷層兩盤模型已經固結好，可以進行下一步操作；④施加動力，同時開啟數據采集裝置，根據斷層的運動方式，對無級變速箱中的控制面板中的參數進行相關設置，以實現斷層的正斷、逆斷和走滑等運動方式，當斜坡體出現明顯的滑動或破壞后，關閉動力；⑤使用實時監測儀觀測分析各個時間段的坡體變形運動規律，并采集相關位移數據，輸入數據庫中。工作原理利用無級變速箱和動力傳動系統，在斷層兩盤施加不同的力和速度來實現含有斷層的實際斜坡體的運動狀態，從而引起斷層面兩側沿斷層發生相對錯動，在斷層面附近及周邊土體內引起位移和應力變化，從而模擬分析了斜坡體變形破壞的全過程，對試驗獲得的各測試數據進行分析，可獲得相關規律和成災機理。本實用新型具有以下優點和積極效果①能準確地再現了含有斷層土體邊坡的變形破壞運動過程，為復雜地質環境條件下滑坡、崩塌等地質災害的形成機理研究提供了一條新的解決途徑，填補了目前該項研究中的空白。f采用了無級變速箱和動力傳動系統，可以精確設定斷層的運動速度，避免了直接向斷層運動盤施加力時，由于斷層面的膠結作用、土體粘聚力、內摩擦角等阻礙斷盤運動而引起局部應力集中或局部大變形等試驗失敗問題，大量縮短試驗時間，保證試驗成功率。
圖1為本試驗裝置的結構方框圖；圖2為本試驗裝置的結構示意圖。其中00—土樣；10—斷層土體模型儀；20—斷層面，21—斷層面上盤，22—斷層面下盤；30—無級變速箱，31—第1無級變速箱，32—第2無級變速箱；40—動力傳動系統，41—H 1動力傳動系統，42—第2動力傳動系統；50—支撐杠桿， 51—可旋轉鉸鏈角度調節板。6O—土壓力盒；70—實時監測儀；80—數據采集系統；90—百分表；A—位移監測標識。
具體實施方式
以下結合附圖和實施例詳細說明一、實施例1 試驗裝置1、總體如圖1、2，本試驗裝置包括土樣00、斷層土體模型儀10、斷層面20、無級變速箱30、 動力傳動系統40、支撐杠桿50、土壓力盒60、實時監測儀70、數據采集系統80和百分表90 ；[0046]在斷層土體模型儀10內的土樣00通過斷層面20分為斷層上盤21和斷層下盤22 兩部分；第1無級變速箱31、第1動力傳動系統41、支撐杠桿50和斷層上盤21依次連接， 給斷層上盤21提供位移的動力；第2無級變速箱32、第2動力傳動系統42和斷層下盤22 依次連接，給斷層下盤22提供位移的動力；在土樣00的表面設置有位移標識A，實時監測儀70和位移標識A位置相對，實時監測儀70和數據采集系統80連接，記錄模型有關位置的變化；在土樣00的內面設置有土壓力盒60，在土樣00的上面設置有百分表90，土壓力盒60和百分表90分別與數據采集系統80連接，記錄相關數據；2、功能部件1)斷層土體模型儀10斷層土體模型儀10是一種長方形腔體(長X寬X高=ImXO. 5mX 1.5m)，外帶刻度標尺，標尺精度為1mm，周邊設立固定裝置，采用特殊鋼化玻璃制成，最大工作壓力為 5Mpa。其內裝有斷層的土樣00 ；由江蘇省海安縣石油科研儀器有限公司提供。2)斷層面 20斷層面20是一種采用特殊土工材料(如土工織布、土工柵格等)制成的平面體，與斷層上、下盤21、22呈緊密接觸，控制其提供給斷層上、下盤21、22的摩擦系數，可變范圍為 0. 1 0. 7之間。3)無級變速箱30無級變速箱30是一種由MB系列無級變速機和相關配件組成的變速機械，內部底面轉速范圍為0 2000轉/分，無級可調。由常州卓爾傳動機械有限公司提供。4)動力傳動系統40動力傳動系統40是連接無級變速箱30和斷層土體模型儀10的關鍵部件，將無級變速箱30提供的力傳遞給斷層上、下盤21、22，控制斷層的運動速度；動力傳動系統40 內徑尺寸為Φ 100 χ 200mm，最大工作壓力為40Mpa，自由伸縮，可提供給斷層的運動速度為 0. Olmm/min 0. lm/min。由江蘇省海安縣石油科研儀器有限公司提供。5)支撐杠桿50支撐杠桿50是一種設置有可旋轉鉸鏈角度調節板51的杠桿，位于斷層上盤21的下部，起調節第1動力傳動系統41提供力的方向的作用，保證該方向與斷層方向相一致。軸向尺寸為Φ 50，可伸縮長度為O 0. 5m，最大工作壓力為5MPa。由江蘇省海安縣石油科研儀器有限公司提供。6 ) 土壓力盒 6O土壓力盒60是一種常用測試儀表，由北京Soil儀器有限公司提供P6-1振弦式土壓力盒/總壓力盒。7)實時監測儀70實時監測儀70由愛國者AHD-X8攝像機及數據傳輸線組成，500萬像素，在物理模擬過程中可以實現實時對焦，快門速度1/2 1/4000S。設置于斷層土體模型儀10的外圍，分別位于坡面的正面和側面。8)數據采集系統80數據采集系統80采用多功能數據采集板卡、PC計算機和數據采集軟件進行數據采集、傳輸與記錄。采用北京北方天地科技有限公司的BF2008CJ02模塊及配套軟件。9)百分表 90百分表90是一種常用測試儀表。10)位移監測標識A位移監測標識A采用半徑為0. 5cm、中間帶十字的圓形不干膠，可貼于模型側邊， 并精確測定實驗前后十字心處的坐標位置。二、實施例2:試驗方法步驟①中斷層上盤高度為0. 80m,斷層下盤斜坡底面距模型底部0. 60m,斷層角度為75°， 厚度為0. 03m,按照該斷層角度均勻制成斷層下盤，斷層面選用土工織布，其提供的摩擦系數為0.5。步驟④中調節支撐杠桿50，使第1動力傳動系統41傳送力的方向與斷層角度一致，即 75° ；施加動力，同時開啟數據采集裝置，根據斷層的運動方式，對第1無級變速箱31中的控制面板中的參數進行相關設置，使斷層上盤21沿斷層面20以速率0. 2cm/s的速度上升運動。
權利要求1.一種在斷層作用下斜坡體穩定性模擬試驗裝置，其特征在于本試驗裝置包括土樣(00)、斷層土體模型儀(10)、斷層面(20)、無級變速箱(30)、動力傳動系統(40)、支撐杠桿(50)、土壓力盒(60)、實時監測儀(70)、數據采集系統(80)和百分表(90)；在斷層土體模型儀(10)內的土樣(00)通過斷層面(20)分為斷層上盤(21)和斷層下盤(22)兩部分；第1無級變速箱(31)、第1動力傳動系統(41)、支撐杠桿(50)和斷層上盤(21)依次連接，第2無級變速箱(32)、第2動力傳動系統(42)和斷層下盤(22)依次連接；在土樣(00)的表面設置有位移標識(A)，實時監測儀(70)和位移標識(A)位置相對，實時監測儀(70)和數據采集系統(80)連接；在土樣(00)的內面設置有若干土壓力盒(60)，在土樣(00)的上面設置有若干百分表 (90)，土壓力盒(60)和百分表(90)分別與數據采集系統(80)連接。
2.按權利要求1所述的模擬試驗裝置，其特征在于斷層面(20)是一種平面體，與斷層上、下盤(21、22)呈緊密接觸。
專利摘要本實用新型公開了一種在斷層作用下斜坡體穩定性模擬試驗裝置，涉及巖土力學試驗技術。本試驗裝置的結構是在斷層土體模型儀內的土樣通過斷層面分為斷層上盤和斷層下盤兩部分；第1無級變速箱、第1動力傳動系統、支撐杠桿和斷層上盤依次連接，給斷層上盤提供位移的動力；第2無級變速箱、第2動力傳動系統和斷層下盤依次連接，給斷層下盤提供位移的動力；在土樣中設置有位移標識、土壓力盒和百分表，記錄相關數據。本實用新型能準確地再現含有斷層土體邊坡的變形破壞運動過程，為復雜地質環境條件下滑坡、崩塌等地質災害的形成機理研究提供了一條新的解決途徑。
文檔編號G01N3/38GK202210062SQ20112028853
公開日2012年5月2日 申請日期2011年8月10日 優先權日2011年8月10日
發明者張永雙, 熊探宇, 郭長寶 申請人:中國地質科學院地質力學研究所