CN118015907A - 一种耦合多因素的断层错动模拟试验系统及试验方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了岩土工程技术领域的一种耦合多因素的断层错动模拟试验系统及试验方法，包括底部设有开口的模型箱，所述模型箱内还设有错动组件，所述模型箱的底部设有断层倾斜角调节组件和扭转驱动模拟组件，所述断层倾斜角调节组件包括断层倾角板和调节单元，所述断层倾角板位于所述模型箱内，所述调节单元用于调节断层倾角板在模型箱内的倾斜角度，所述扭转驱动模拟组件用于推动错动组件沿调节断层倾角板的倾斜方向移动。本发明能实现断层、隧道、边坡在地震作用下的倾滑错动，分析震害机理和观测到整个累积破坏的进程。

Description

一种耦合多因素的断层错动模拟试验系统及试验方法

技术领域

本发明涉及岩土工程技术领域，具体涉及一种耦合多因素的断层错动模拟试验系统及试验方法。

背景技术

当前破坏性地震仍处于频发多发期，而针对研究边坡、隧道、断层在地震作用下的震害机理研究还十分的有限，所以研究断层、隧道、边坡在地震作用下的稳定性已成为极为重要的研究课题。室内振动台试验则是研究地震激励作用下断层、隧道、边坡结构动力响应和损伤破坏机理的有效途径，将试验原型根据Buckinghamπ理论进行换算得到特定的相似比，从而得到相似材料，制作按比例缩放的模型放置于振动台上，通过振动台系统模拟真实地震波进行激振可实时监测振动过程中结构的动力响应，可以直观有效地反映模拟含断层边坡以及隧道洞口原型的动力响应和变形破坏特征。

断层在强烈地震作用下容易发生错动，断层处上下盘在地震作用过程中还会发生持续的错动。而针对于可以耦合多因素模拟的地震模拟模型箱，以往相关的试验装置往往是模型箱两部分互相分离式，这样在试验中侧面监测就会受到影响。也未考虑到传统电机驱动下瞬间驱动力不足的问题。随着考虑多个因素之间耦合作用下的震害机理及抗减震措施研究重要性日益增加，真实还原断层、隧道、边坡在地震作用下的破坏机理研究的深入开展具有重要意义，但考虑既能实现模拟断层、隧道、边坡相互耦合，又能有着模型箱整体化，不分离式且拥有更优监测条件的断层地震模拟模型箱的开发至今为止仍比较空缺。

鉴于此，有必要研发一种能实现断层、隧道、边坡在地震作用下的倾滑错动，分析震害机理和观测到整个累积破坏的进程模型试验系统，为断层、隧道、边坡在地震作用下耦合的动力响应破坏机理及抗减震措施的研究提供实验基础。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是克服现有技术中的不足，目的在于提供一种耦合多因素的断层错动模拟试验系统，能实现断层、隧道、边坡在地震作用下的倾滑错动，分析震害机理和观测到整个累积破坏的进程。

本发明通过下述技术方案实现：

一种耦合多因素的断层错动模拟试验系统，包括底部设有开口的模型箱，所述模型箱内还设有错动组件，所述模型箱的底部设有断层倾斜角调节组件和扭转驱动模拟组件，所述断层倾斜角调节组件包括断层倾角板和调节单元，所述断层倾角板位于所述模型箱内，所述调节单元用于调节断层倾角板在模型箱内的倾斜角度，所述扭转驱动模拟组件用于推动错动组件沿调节断层倾角板的倾斜方向移动。

进一步地，还包括振动台台面，所述扭转驱动模拟组件和调节单元均固定在所述振动台台面上；

所述模型箱包括两个矩形框体以及若干隔板，所述振动台台面的顶部设置有若干支撑柱，两个所述矩形框体相对设置在所述支撑柱上，所述错动组件和隔板均分布在两个矩形框体之间，且隔板、矩形框体以及动组件围成矩形模型箱结构；

所述矩形框体上设有玻璃。

进一步地，所述错动组件包括错动端后板和错动板，所述错动端后板与所述错动板连接，整体呈L型结构，所述错动端后板位于两个所述矩形框体之间，所述错动板位于所述模型箱底部的开口内，且所述扭转驱动模拟组件与错动板连接；所述错动板的底部还设有滑块，所述断层倾角板上设有与滑块匹配的第一滑槽，所述滑块位于所述第一滑槽内。

进一步地，所述错动端后板的两侧均设有第二滑槽，所述第二滑槽内设有若干支撑板，所述支撑板上镶嵌有滚珠，且所述滚珠与所述矩形框体相切。

进一步地，所述扭转驱动模拟组件包括两个横向挡板、气缸以及U型架，所述横向挡板均固定在所述振动台台面上，所述横向挡板上还设有旋转单元；

所述U型架位于两个横向挡板之间，所述气缸固定在U型架内，所述U型架上还设有固定板，所述气缸的输出轴贯穿所述固定板后设有固定块，所述固定块与所述气缸的端部铰接，所述固定块与所述错动板的底部连接，所述旋转单元用于驱动气缸在横向挡板之间沿竖直平面转动。

进一步地，所述旋转单元包括第一齿轮、第二齿轮；

所述横向挡板上均设有转轴，所述转轴水平贯穿所述横向挡板，所述转轴一端设有扭转轮，另一端设有与所述第二齿轮连接；

所述固定板上还设有连接固定件，所述连接固定件一端与所述固定板固定连接，另一端与所述第一齿轮固定连接，且所述第一齿轮与所述第二齿轮啮合，当第二齿轮转动时，所述第一齿轮能够带动气缸在竖直平面内转动。

进一步地，所述调节单元包括第一支撑台、第一电机，所述第一支撑台固定在所述振动台台面的顶部，所述第一电机固定在所述第一支撑台的顶部，所述第一电机的输出端设有第一扭转减速箱，所述第一扭转减速箱上设置第一转动齿轮，所述第一转动齿轮上设置第一旋转伸缩杆，所述第一旋转伸缩杆上设有倾滑支撑块，所述倾滑支撑块与所述第一旋转伸缩杆铰接，所述倾滑支撑块与所述断层倾角板连接；

所述第一支撑台上还设有第二支撑台，所述第二支撑台上还设有活动块，所述活动块与所述断层倾角板的底部铰接。

进一步地，所述振动台台面上还设有滑轨，所述滑轨上设置有X型结构的升降台，所述升降台上设有内板；

所述倾滑支撑块还设有凸块，所述凸块上设有扭转杆，所述扭转杆能够在凸块内绕着自身的轴线转动，且所述内板的一端与所述扭转杆连接；

所述振动台台面上还还设有第三支撑台，所述第三支撑台上设有第二电机，所述第二电机的输出端设有第二扭转减速箱，所述第二扭转减速箱上设置第二转动齿轮，所述第二转动齿轮上设置第二旋转伸缩杆，所述第二旋转伸缩杆与所述内板底部铰接。

进一步地，还包括摄相机监测单元和真空压缩气单元，所述摄相机监测单元包括摄像机，所述摄像机正对所述矩形框体上的玻璃；

所述真空压缩气单元包括缸体，所述缸体位于所述，所述缸体上设有真空压缩电机和压缩器，所述真空压缩电机通过传动皮带与所述压缩器的风扇叶连接，所述缸体与所述气缸连接。

一种耦合多因素的断层错动模拟试验方法，包括以下步骤：

步骤1：根据研究主题，确定断层倾角；

步骤2：模型箱内部前后两侧设置10cm厚聚苯乙烯泡沫板，以减小地震波在模型箱边界产生的反射与折射效应；

步骤3：根据原型实际工程的地形地貌条件，确定边坡、断层、隧道材料，边坡、隧道模型材料的组成与配合比，使断层、边坡、隧道模型的物理力学性能参数满足相似比；

步骤4：分层铺设并夯实材料，逐层安装加速度计、应变片、土压力盒、位移计等传感器；

步骤5：通过控制系统打开模拟断层倾斜角调节组件，配合升降台和与断层铰接处的内板使断层倾向调整至理想角度，待定调整好角度之后，手动调节气缸旋转角度，将气缸旋转至同断层倾向的方面，放置材料隔板；

步骤6：在设计高度放置隧道，将其逐层掩埋压实，并在洞口处外表面粘贴保鲜膜；

步骤7：架设高速摄相机，以至最优视角；

步骤8：开启振动台，使模型受到地震激励；

步骤9：启动压缩器，使缸体导入高压气体实现可控速率情况下边坡、断层、隧道在地震作用下沿着断层倾向的错动；

步骤10：分析试验过程中采集到的加速度、土压力、应变、位移云图等数据，从而研究边坡、断层、隧道在地震作用下耦合的震害机理以及渐进破坏过程与抗减震措施。

本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：

本发明为了解决传统地震模拟模型箱在模拟断层、隧道、边坡在地震作用下侧面监测不便的问题，旨在为振动台试验提供一种能够与各种监测设备配套从而提供更详细的监测，通过压缩机将高压气体输入旋转气缸实现断层的错动，最大限度减轻因电机的瞬时驱动力不足与对数据采集的电磁信号干扰的，真实还原断层、隧道、边坡的工程情况，得到更为准确的数据和更为清晰的云图，提高振动台模拟断层、隧道、边坡结构动力结构响应的准确性和真实性。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明模型箱正视图；

图3为本发明断层倾斜角调节组件的结构示意图；

图4为本发明调节单元的侧面示意图；

图5为本发明错动组件的结构示意图；

图6为本发明扭转驱动模拟组件的结构示意图；

图7为本发明断层倾角板与第一电机连接时的侧视图；

图8为本发明断层倾角板与第一电机连接时的立体图；

图9为本发明真空压缩气单元的结构示意图；

图10为本发明图9中A部放大后的结构示意图；

图11为本发明实施例3模拟纯隧道的三维示意图；

图12为本发明实施例4模拟纯边坡的三维示意图。

附图中标记及对应的零部件名称：

1、断层倾斜角调节组件；11、断层倾角板；111、倾滑支撑块；112、活动块；113、旋转伸缩杆；114、第一电机；115、扭转减速箱；116、第一转动齿轮；117、第一支撑台；118、第二支撑台；119、第一滑槽；12、断层；13、内板；14、凸块；16、第二电机；2、扭转驱动模拟组件；21、扭转轮；22、第一齿轮；23、第二齿轮；24、固定块；25、固定板；26、转动把手；27、连接固定件；28、横向挡板；29、气缸；3、升降台；31、滑轨；4、模型箱；41、边坡；42、矩形框体；421、玻璃；422、隔板；423、隧道洞口；43、土体模拟材料；44、错动端后板；441、第二滑槽；442、滚珠；443、支撑板；45、错动板；5、围岩；6、支撑柱；7、控制系统；8、真空压缩气单元；81、缸体；811、传动皮带；812、风扇叶；82、真空压缩电机；83、压缩器；84、气压阀；85、体积开关；9、摄相机监测单元；10、振动台台面；101、螺栓。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。

实施例1

如图1至图10所示，本发明包括底部设有开口的模型箱4，所述模型箱4内还设有错动组件，所述模型箱4的底部设有断层倾斜角调节组件1和扭转驱动模拟组件2，所述断层倾斜角调节组件1包括断层倾角板11和调节单元，所述断层倾角板11位于所述模型箱4内，所述调节单元用于调节断层倾角板11在模型箱4内的倾斜角度，所述扭转驱动模拟组件2用于推动错动组件沿调节断层倾角板11的倾斜方向移动。

本技术方案为了解决传统的地震模拟模型箱在模拟断层、隧道、边坡41在地震作用下侧面检测不便的问题，旨在为振动台试验提供一种能够与各种监测设备配套且提供更详细的监测，故设计了本模拟试验系统，在本系统的模型箱4内设置有错动组件，同时在模型箱4的底部下方设置有断层倾斜角调节组件1和扭转驱动模拟组件2，设置的断层倾斜角调节组件1利用调节单元能够调节断层倾角板11在模型箱4内的倾斜角度，而利用扭转驱动模拟组件2能够根据断层倾角板11在模型箱4内的倾斜角度，改变其自身的倾斜角度，使得扭转驱动模拟组件2能够推动错动组件沿调节断层倾角板11的倾斜方向移动，实现了沿断层倾向方向的错动，在地震作用下能够耦合多因素模拟，根据其组合方式与破坏情况，从而研究倾滑断层对边坡41、隧道、断层动力响应的影响规律。

还包括振动台台面10，所述扭转驱动模拟组件2和调节单元均固定在所述振动台台面10上。

设置的振动台台面10用于安装扭转驱动模拟组件2和调节单元，振动台台面10的顶部还设有若干螺栓101，利用螺栓101能够将振动台台面10与振动台稳定固定。

所述模型箱4包括两个矩形框体42以及若干隔板422，所述振动台台面10的顶部设置有若干支撑柱6，两个所述矩形框体42相对设置在所述支撑柱6上，所述错动组件和隔板422均分布在两个矩形框体42之间，且隔板422、矩形框体42以及动组件围成矩形模型箱结构。

本模拟试验系统的模型箱4采用拼接的方式组合而成，利用两个矩形框体42作为模型箱4的两个侧面，矩形框体42通过支撑柱6固定在振动台台面10的顶部，设置的组成组件作用模型箱4的另外的一个侧面，而模型箱4剩余的一个侧面则设置有若干的隔板422，隔板422由下至上依次堆放，根据模型箱4实际所需高度来选择堆放隔板422的数量。

所述矩形框体42上设有玻璃421。

本实施例中为了方便观测模型箱4内模拟状况，故在矩形框体42上设置有玻璃421，玻璃421采用刚性玻璃，方便观测导模型箱4内的模拟情况。

其中一个所述隔板422上还预留有隧道洞口423，这样使得本模拟试验系统既能模拟断层错动引发的地震和地震诱发断层错动对边坡41的动力响应，也能模拟跨断层隧道在地震作用下的动力响应行为与震害机理，还能模拟洞口段隧道与边坡41在地震作用下的动力相互作用机理及渐进破坏过程。

所述错动组件包括错动端后板44和错动板45，所述错动端后板44与所述错动板45连接，整体呈L型结构，所述错动端后板44位于两个所述矩形框体42之间，所述错动板45位于所述模型箱4底部的开口内，且所述扭转驱动模拟组件2与错动板45连接。

本实施例中为了保证错动组件能够作为模型箱4的一个侧面使用，同时错动组件还能够作为模型箱4的底面使用，故设置的错动组件采用错动端后板44与错动板45垂直连接形成L型结构，其中的错动端后板44位于两个矩形框体42之间，作为模型箱4的一个侧面使用，而设置的错动板45水平处于模型箱4的底部开口内，作为模型箱4的底面使用。

所述错动板45的底部还设有滑块，所述断层倾角板11上设有与滑块匹配的第一滑槽119，所述滑块位于所述第一滑槽119内。

本实施例中为了保证设置的错动板45能够沿着断层倾角板11的倾斜方向移动，实现了沿断层倾向方向的错动，故在错动板45的底部设置有滑块，滑块位于断层倾角板11上的第一滑槽119内，当扭转驱动模拟组件2推动错动板45移动时，在滑块的作用下，能够保证错动板45沿着断层倾角板11的倾斜方向移动。

所述错动端后板44的两侧均设有第二滑槽441，所述第二滑槽441内设有若干支撑板443，所述支撑板443上镶嵌有滚珠442，且所述滚珠442与所述矩形框体42相切。

由于设置的错动端后板44与错动板45连接形成一体式结构，当扭转驱动模拟组件2驱动错动板45移动时，设置的错动端后板44也会跟着一起移动，为了减小错动端后板44与矩形框体42之间的摩擦阻力，保证错动端后板44能够顺利在矩形框体42上移动，故在错动端后板44朝向矩形框体42方向的两侧均设置有滚珠442，这样使得在滚珠442的作用下能够减小错动端后板44与矩形框体42之间摩擦阻力。

所述扭转驱动模拟组件2包括两个横向挡板28、气缸29以及U型架，所述横向挡板28均固定在所述振动台台面10上，所述横向挡板28上还设有旋转单元；所述U型架位于两个横向挡板28之间，所述气缸29固定在U型架内，所述U型架上还设有固定板25，所述气缸29的输出轴贯穿所述固定板25后设有固定块24，所述固定块24与所述气缸29的端部铰接，所述固定块24与所述错动板45的底部连接，所述旋转单元用于驱动气缸29在横向挡板28之间沿竖直平面转动。

本实施例中为了保证设置的扭转驱动模拟组件2能够根据断层倾角板11的倾斜角度，来动态调整其倾斜角度，从而保证扭转驱动模拟组件2能够推动错动板45沿着断层倾角板11的倾斜方向移动，实现断层的错动，故在模型箱4的底部下方设置有两个横向挡板28，横向挡板28上设置有旋转单元，同时在两个横向挡板28之间还设置有用于安装气缸29的U型架，利用设置的旋转单元能够驱动U型架在两个横向挡板28之间沿竖直平面转动，从而根据断层倾角板11的倾斜角度，动态改变气缸29在竖直平面内的朝向，同时为了保证设置的错动板45始终处于水平状态，故错动板45底部的固定块24通过合页与气缸29的输出轴连接，使得气缸29的朝向改变时，错动板45始终能够保持水平状态，因此，当气缸29调节至预定位置后，气缸29的输出轴沿气缸29倾斜方向移动，输出轴在移动的过程中推动错动板45沿断层倾角板11的倾斜方向移动，实现了断层的错动。

所述旋转单元包括第一齿轮22、第二齿轮23；所述横向挡板28上均设有转轴，所述转轴水平贯穿所述横向挡板28，所述转轴一端设有扭转轮21，另一端设有与所述第二齿轮23连接；所述固定板25上还设有连接固定件27，所述连接固定件27一端与所述固定板25固定连接，另一端与所述第一齿轮22固定连接，且所述第一齿轮22与所述第二齿轮23啮合，当第二齿轮23转动时，所述第一齿轮22能够带动气缸29在竖直平面内转动。

本实施例中为了使得设置的旋转单元能够驱动U型架上的气缸29的转动，实现气缸29在竖直平面内位置的调节，故在横向挡板28上还设置有转轴，转轴一端连接有扭转轮21，扭转轮21上设置有转动把手26，转轴另一端设置有第二齿轮23，第二齿轮23为环形齿轮；同时在固定板25上还设置有连接固定件27，连接固定件27包括第一连接杆、第二连接杆以及第三连接杆，所述第一连接杆垂直与固定板25的顶部连接，所述第二连接杆一端与第一连接杆的侧壁垂直连接，另一端与所述第三连接杆的侧壁连接，所述第三连接杆上设置有与第二齿轮23啮合的第一齿轮22，因此，设置的第一齿轮22在连接固定件27的作用下固定在第二齿轮23上，从而将固定板25悬挂在两个横向挡板28之间，当利用转动把手26对扭转轮21进行转动时，扭转轮21在转轴的作用下带动第二齿轮23转动，而由于第一齿轮22固定在第二齿轮23上，使得第二齿轮23在转动时，将迫使第一齿轮22带动固定板25在竖直平面上转动，最终实现了对气缸29在竖直方向上倾斜角度的调节。

所述调节单元包括第一支撑台117、第一电机114，所述第一支撑台117固定在所述振动台台面10的顶部，所述第一电机114固定在所述第一支撑台117的顶部，所述第一电机114的输出端设有第一扭转减速箱115，所述第一扭转减速箱115上设置第一转动齿轮116，所述第一转动齿轮116上设置第一旋转伸缩杆113，所述第一旋转伸缩杆113上设有倾滑支撑块111，所述倾滑支撑块111与所述第一旋转伸缩杆113铰接，所述倾滑支撑块111与所述断层倾角板11连接；所述第一支撑台117上还设有第二支撑台118，所述第二支撑台118上还设有活动块112，所述活动块112与所述断层倾角板11的底部铰接。

本实施例中为了实现对断层倾角板11在模型箱4内倾斜角度的调节，故设置的调节单元包括第一电机114，第一电机114工作时，在第一扭转减速箱115的作用下降低其输出转速，并驱动第一扭转减速箱115上的第一转动齿轮116转动，第一转动齿轮116在转动时将驱动第一旋转伸缩杆113在竖直平面内转动，由于设置的第一旋转伸缩杆113为两根活动杆铰接而成，因此第一旋转伸缩杆113在转动时将拉动断层倾角板11绕着与活动块112的铰接点转动，实现了对断层倾角板11倾斜角度的调节。

所述振动台台面10上还设有滑轨31，所述滑轨31上设置有X型结构的升降台3，所述升降台3上设有内板13；所述倾滑支撑块111还设有凸块14，所述凸块14上设有扭转杆，所述扭转杆能够在凸块14内绕着自身的轴线转动，且所述内板13的一端与所述扭转杆连接；所述振动台台面10上还还设有第三支撑台，所述第三支撑台上设有第二电机16，所述第二电机16的输出端设有第二扭转减速箱，所述第二扭转减速箱上设置第二转动齿轮，所述第二转动齿轮上设置第二旋转伸缩杆，所述第二旋转伸缩杆与所述内板13底部铰接。

由于设置的错动板45和断层倾角板11构成了模型箱4的一部分内底，而本实施例中设置的内板13为模型箱4另一部分的内底，为了保证设置的内板13能够随着断层倾角板11的倾斜角度改变时，内板13能够在模型箱4内升降，改变其高度，故在模型箱4的下方还设置有X型结构的升降台3，设置的升降台3为现有技术，升降台3的顶部未与内板13的底部固定连接，升降台3在滑轨31的作用下，能够顶动内板13朝上移动，从而实现了内板13在竖直方向上的上下移动。

同时，由于设置的内板13的一端通过凸块14与倾滑支撑块111转动连接，这样使得当断层倾角板11在调节其倾斜度时，设置的凸块14的运动轨迹为弧形，而为了保证设置的内板13处于水平状态，故在内板13的底部还设置有第二电机16，当第一电机114调节断层倾角板11的倾斜角度时，设置的第二电机16同步工作，其输出端经过第二扭转减速箱减速后，驱动第二旋转伸缩杆转动，调节内板13另一端的的位置，使其能够保持水平状态，并在升降台3的作用下使得内板13处于稳定支撑状态。

还包括摄相机监测单元9和真空压缩气单元8，所述摄相机监测单元9包括摄像机，所述摄像机正对所述矩形框体42上的玻璃421。

本实施例内为了方便对模拟试验进行观察分析，故还设置有摄相机监测单元9，利用设置的摄像机对模型箱4内的试验过程进行录像，以便进行对模拟试验进一步进行分析。

所述真空压缩气单元8包括缸体81，所述缸体81位于所述，所述缸体81上设有真空压缩电机82和压缩器83，所述真空压缩电机82通过传动皮带811与所述压缩器83的风扇叶812连接，所述缸体81与所述气缸29连接，所述缸体81上还设有可调节气压阀84和可调节体积开关85。

本实施例中针对传统的采用电机驱动断层模拟试验容易出现驱动力不足的问题，故还设置有真空压缩气单元8，通过真空压缩机吸入和导入气缸气体从而控制断层错动速率的振动台模型试验系统，实现将高压气体输入旋转气缸实现断层的错动，最大限度减轻因电机的瞬时驱动力不足与对数据采集的电磁信号干扰的，真实还原断层、隧道、边坡41的工程情况，得到更为准确的数据和更为清晰的云图，提高振动台模拟断层、隧道、边坡结构动力结构响应的准确性和真实性。

还包括控制系统7，所述控制系统7分别与真空压缩气单元8、摄相机监测单元9、升降台3、第一电机114、第二电机16以及气缸29连接。

实施例2

一种耦合多因素的断层错动模拟试验方法，包括以下步骤：

步骤1：根据研究主题，确定断层12倾角。

步骤2：模型箱4内部前后两侧设置10cm厚聚苯乙烯泡沫板，以减小地震波在模型箱边界产生的反射与折射效应。

步骤3：根据原型实际工程的地形地貌条件，确定边坡41、断层12、隧道材料，边坡41、隧道模型材料的组成与配合比，使断层12、边坡41、隧道模型的物理力学性能参数满足相似比。

步骤4：分层铺设并夯实材料，逐层安装加速度计、应变片、土压力盒、位移计等传感器。

步骤5：通过控制系统7打开模拟断层倾斜角调节组件，配合X型结构的升降台3和与断层铰接处的内板13使断层12倾向调整至理想角度，待定调整好角度之后，手动调节气缸旋转角度，将气缸29旋转至同断层12倾向的方面，放置材料隔板。

步骤6：在设计高度放置隧道，将其逐层掩埋压实，并在洞口处外表面粘贴保鲜膜。

步骤7：架设高速摄相机，以至最优视角。

步骤8：开启振动台，使模型受到地震激励。

步骤9：启动压缩器，使缸体81导入高压气体实现可控速率情况下边坡41、断层12、隧道在地震作用下沿着断层倾向的错动。

步骤10：分析试验过程中采集到的加速度、土压力、应变、位移云图等数据，从而研究边坡41、断层12、隧道在地震作用下耦合的震害机理以及渐进破坏过程与抗减震措施。

实施例3

如图11所示，一种耦合多因素的断层错动模拟试验方法，包括以下步骤：

步骤1：根据研究主题，确定断层12倾角。

步骤2：模型箱4内部前后两侧设置10cm厚聚苯乙烯泡沫板以减小地震波在模型箱边界产生的反射与折射效应。

步骤3：根据原型实际工程的地形地貌条件，确定围岩5材料，断层材料，隧道模型材料的组成与配合比，使围岩5、断层12、隧道模型的物理力学性能参数满足相似比。

步骤4：将模型箱4可拆卸部分的隔板422更换为含隧道洞口面。

步骤6：在设计高度放置隧道，在洞口处外侧粘贴防水薄膜。

步骤5：分层铺设土体模拟材料43，安装加速度计、应变片、土压力盒、等传感器。

步骤6：架设高速摄相机，以至最优视角。

步骤7：开启振动台，使模型受到地震激励作用。

步骤8：启动压缩器，使缸体81导入高压气体实现可控速率情况下边坡41在地震作用下沿着断层倾向的错动。

步骤9：分析试验过程中采集到的加速度、土压力、应变、等数据，从而研究在地震作用下跨断层隧道的震害机理与抗减震措施。

实施例4

如图12所示，一种耦合多因素的断层错动模拟试验方法，包括以下步骤：

步骤1：根据研究主题，确定断层12倾角。

步骤2：模型箱4内部前后两侧设置10cm厚聚苯乙烯泡沫板以减小地震波在模型箱4边界产生的反射与折射效应。

步骤3：根据原型实际工程的地形地貌条件，确定边坡41模型材料的组成与配合比，使边坡41的物理力学性能参数满足相似比。

步骤4：将模型箱4的隔板422更换为封闭面。

步骤5：分层铺设边坡41材料，安装加速度计、土压力盒、位移计等传感器。

步骤6：架设高速摄相机，以至最优视角。

步骤7：开启振动台，使模型受到地震激励作用。

步骤8：启动压缩器，使缸体81导入高压气体实现可控速率情况下边坡41在地震作用下沿着断层倾向的错动。

步骤9：分析试验过程中采集到的加速度、土压力、位移云图等数据，从而研究地震所致断层滑动下的多种类边坡震害机理与抗减震措施。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种耦合多因素的断层错动模拟试验系统，其特征在于，包括底部设有开口的模型箱（4），所述模型箱（4）内还设有错动组件，所述模型箱（4）的底部设有断层倾斜角调节组件（1）和扭转驱动模拟组件（2），所述断层倾斜角调节组件（1）包括断层倾角板（11）和调节单元，所述断层倾角板（11）位于所述模型箱（4）内，所述调节单元用于调节断层倾角板（11）在模型箱（4）内的倾斜角度，所述扭转驱动模拟组件（2）用于推动错动组件沿调节断层倾角板（11）的倾斜方向移动。

2.根据权利要求1所述的一种耦合多因素的断层错动模拟试验系统，其特征在于，还包括振动台台面（10），所述扭转驱动模拟组件（2）和调节单元均固定在所述振动台台面（10）上；

所述模型箱（4）包括两个矩形框体（42）以及若干隔板（422），所述振动台台面（10）的顶部设置有若干支撑柱（6），两个所述矩形框体（42）相对设置在所述支撑柱（6）上，所述错动组件和隔板（422）均分布在两个矩形框体（42）之间，且隔板（422）、矩形框体（42）以及动组件围成矩形模型箱结构；

所述矩形框体（42）上设有玻璃（421）。

3.根据权利要求2所述的一种耦合多因素的断层错动模拟试验系统，其特征在于，所述错动组件包括错动端后板（44）和错动板（45），所述错动端后板（44）与所述错动板（45）连接，整体呈L型结构，所述错动端后板（44）位于两个所述矩形框体（42）之间，所述错动板（45）位于所述模型箱（4）底部的开口内，且所述扭转驱动模拟组件（2）与错动板（45）连接；

所述错动板（45）的底部还设有滑块，所述断层倾角板（11）上设有与滑块匹配的第一滑槽（119），所述滑块位于所述第一滑槽（119）内。

4.根据权利要求3所述的一种耦合多因素的断层错动模拟试验系统，其特征在于，所述错动端后板（44）的两侧均设有第二滑槽（441），所述第二滑槽（441）内设有若干支撑板（443），所述支撑板（443）上镶嵌有滚珠（442），且所述滚珠（442）与所述矩形框体（42）相切。

5.根据权利要求3所述的一种耦合多因素的断层错动模拟试验系统，其特征在于，所述扭转驱动模拟组件（2）包括两个横向挡板（28）、气缸（29）以及U型架，所述横向挡板（28）均固定在所述振动台台面（10）上，所述横向挡板（28）上还设有旋转单元；

所述U型架位于两个横向挡板（28）之间，所述气缸（29）固定在U型架内，所述U型架上还设有固定板（25），所述气缸（29）的输出轴贯穿所述固定板（25）后设有固定块（24），所述固定块（24）与所述气缸（29）的端部铰接，所述固定块（24）与所述错动板（45）的底部连接，所述旋转单元用于驱动气缸（29）在横向挡板（28）之间沿竖直平面转动。

6.根据权利要求5所述的一种耦合多因素的断层错动模拟试验系统，其特征在于，所述旋转单元包括第一齿轮（22）、第二齿轮（23）；

所述横向挡板（28）上均设有转轴，所述转轴水平贯穿所述横向挡板（28），所述转轴一端设有扭转轮（21），另一端设有与所述第二齿轮（23）连接；

所述固定板（25）上还设有连接固定件（27），所述连接固定件（27）一端与所述固定板（25）固定连接，另一端与所述第一齿轮（22）固定连接，且所述第一齿轮（22）与所述第二齿轮（23）啮合，当第二齿轮（23）转动时，所述第一齿轮（22）能够带动气缸（29）在竖直平面内转动。

7.根据权利要求3所述的一种耦合多因素的断层错动模拟试验系统，其特征在于，所述调节单元包括第一支撑台（117）、第一电机（114），所述第一支撑台（117）固定在所述振动台台面（10）的顶部，所述第一电机（114）固定在所述第一支撑台（117）的顶部，所述第一电机（114）的输出端设有第一扭转减速箱（115），所述第一扭转减速箱（115）上设置第一转动齿轮（116），所述第一转动齿轮（116）上设置第一旋转伸缩杆（113），所述第一旋转伸缩杆（113）上设有倾滑支撑块（111），所述倾滑支撑块（111）与所述第一旋转伸缩杆（113）铰接，所述倾滑支撑块（111）与所述断层倾角板（11）连接；

所述第一支撑台（117）上还设有第二支撑台（118），所述第二支撑台（118）上还设有活动块（112），所述活动块（112）与所述断层倾角板（11）的底部铰接。

8.根据权利要求7所述的一种耦合多因素的断层错动模拟试验系统，其特征在于，所述振动台台面（10）上还设有滑轨（31），所述滑轨（31）上设置有X型结构的升降台（3），所述升降台（3）上设有内板（13）；

所述倾滑支撑块（111）还设有凸块（14），所述凸块（14）上设有扭转杆，所述扭转杆能够在凸块（14）内绕着自身的轴线转动，且所述内板（13）的一端与所述扭转杆连接；

所述振动台台面（10）上还还设有第三支撑台，所述第三支撑台上设有第二电机（16），所述第二电机（16）的输出端设有第二扭转减速箱，所述第二扭转减速箱上设置第二转动齿轮，所述第二转动齿轮上设置第二旋转伸缩杆，所述第二旋转伸缩杆与所述内板（13）底部铰接。

9.根据权利要求2所述的一种耦合多因素的断层错动模拟试验系统，其特征在于，还包括摄相机监测单元（9）和真空压缩气单元（8），所述摄相机监测单元（9）包括摄像机，所述摄像机正对所述矩形框体（42）上的玻璃（421）；

所述真空压缩气单元（8）包括缸体（81），所述缸体（81）位于所述，所述缸体（81）上设有真空压缩电机（82）和压缩器（83），所述真空压缩电机（82）通过传动皮带（811）与所述压缩器（83）的风扇叶（812）连接，所述缸体（81）与所述气缸（29）连接。

10.一种耦合多因素的断层错动模拟试验方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：根据研究主题，确定断层（12）倾角；

步骤2：模型箱（4）内部前后两侧设置10cm厚聚苯乙烯泡沫板，以减小地震波在模型箱边界产生的反射与折射效应；

步骤3：根据原型实际工程的地形地貌条件，确定边坡（41）、断层（12）、隧道材料，边坡（41）、隧道模型材料的组成与配合比，使断层（12）、边坡（41）、隧道模型的物理力学性能参数满足相似比；

步骤4：在模型箱（4）内分层铺设并夯实材料，逐层安装加速度计、应变片、土压力盒、位移计传感器；

步骤5：通过控制系统（7）打开模拟断层倾斜角调节组件，配合升降台（3）和与断层铰接处的内板（13）使断层（12）倾向调整至理想角度，待定调整好角度之后，手动调节气缸（29）旋转角度，将气缸（29）旋转至同断层倾向的方面，放置材料隔板；

步骤6：在设计高度放置隧道，将其逐层掩埋压实，并在洞口处外表面粘贴保鲜膜；

步骤7：架设高速摄相机；

步骤8：开启振动台，使模型受到地震激励；

步骤9：启动压缩器，使缸体（81）导入气体实现可控速率情况下边坡（41）、断层、隧道在地震作用下沿着断层倾向的错动；

步骤10：分析试验过程中采集到的加速度、土压力、应变、位移云图数据，从而研究边坡、断层（12）、隧道在地震作用下耦合的震害机理以及渐进破坏过程与抗减震措施。