模拟隧道构造混杂岩带活化诱发变形灾变试验系统及方法 专利技术说明

测量装置的制造及其应用技术1.本发明涉及隧道混杂岩带活化诱发变形灾变试验技术领域，尤其是涉及一种模拟隧道构造混杂岩带活化诱发变形灾变试验系统及方法。背景技术：2.我国西部地区交通铁路隧道的修建一般会穿越高山峡谷地带，由于受强烈的构造挤压及剪切流变作用，形成混杂岩带，混杂岩带具有“强变形带，弱变形域”的特征，强变形带多为基质和岩块的介质耦合体，工程性质差，力学行为介于岩石和散体之间，隧道穿越强变形带混杂岩带时会产生大变形，引发片帮、冒顶及塌方等工程灾害，给隧道施工带来困难。为此，研究隧道构造混杂岩带在力场和环境效应下细观结构劣化诱发大变化灾害的物理过程和力学机制显得尤为重要，对保障山区隧道安全施工和人员安全具有重要的理论和实际意义。3.目前，有关混杂岩的物理力学性质已展开展了大量研究，现有技术多采用常规宏观压缩和拉伸试验以获得混杂岩的力学参数和破裂形貌。由于构造混杂岩的非均质性、各向异性和不连续性的力学特征，具有复杂的结构控制特性，常规的岩土力学试验和理论分析难以适用，关于力场作用下混杂岩基质-块石相互作用、内部结构致溃规律、界面灾变扩展机理以及诱发隧道变形失稳的研究少之甚少。亟需一种用于模拟隧道构造混杂岩带活化诱发大变形灾变的系统及方法，可以模拟实现混杂岩带的构造生成并实现混杂岩带非协调变形的可视化表征，打开隧道混杂岩带结构劣化的黑箱演化程，揭示混杂岩带诱发隧道灾变的多尺度物理过程及力学行为。技术实现要素：4.本发明的目的是解决上述背景技术存在的问题。5.为实现上述目的，本发明提供了一种模拟隧道构造混杂岩带活化诱发变形灾变试验系统，包括控制装置、模型试验箱、ct成像装置、围压装置、扰动加载装置以及混杂岩带柔性构造装置，ct成像装置、围压装置、扰动加载装置以及混杂岩带柔性构造装置均与控制装置相连接；所述模型试验箱放置在ct成像装置的转台上，所述围压装置设置在模型试验箱内侧，通过分布式分布的液压枕实现三向地应力的施加，扰动加载装置设置在模型试验箱的顶部，混杂岩带柔性构造装置设置在模型试验箱内并与隧道物理模型的上下侧相对设置。6.优选的，所述模型试验箱为顶部开口的箱体，模型试验箱一侧开设有检测口，隧道物理模型中设置有监测机构，监测机构包括并列设置在隧道物理模型中的若干组监测锚杆和监测输出总线，每组监测锚杆由扇形分布的多个锚杆组成，每个锚杆中设置有光纤传感器，每个光纤传感器均与监测输出总线相连接，监测输出总线与控制装置相连接。7.优选的，所述围压装置包括第一施压机构、第二施压机构以及第三施压机构；第一施压机构包括第一承压板和第一施压器，第一施压器固定在模型试验箱内侧并与第一承压板相对设置，第一承压板与隧道物理模型的稳定侧相对设置；第二施压机构包括第二承压板、第二施压器以及第一滚珠板，第二施压器固定在模型试验箱内侧并与第一滚珠板相对设置，第一滚珠板与第二承压板相对设置，第二承压板与隧道物理模型的失稳侧相对设置；第三施压机构设置有两个分别设置在隧道物理模型的前侧和后侧，第三施压机构包括第三承压板、第四承压板、第二滚珠板以及第三施压器，第三施压器固定在模型试验箱内侧并与第二滚珠板相对设置，第三承压板和第四承压板并列滑动设置，第三承压板侧边开设有滑槽，第四承压板侧边设置有滑块，滑块设置在滑槽内，第三承压板和第四承压板的一侧与第二滚珠板相对设置，第三承压板和第四承压板的另一侧与隧道物理模型的前侧和后侧相对设置。8.优选的，第一施压器、第二施压器以及第三施压器均为施压液压枕，第三承压板的侧边和第四承压板的侧边倾斜设置并与混杂岩带倾斜度保持一致，第一施压器、第二施压器以及第三施压器均与控制装置相连接。9.优选的，扰动加载装置包括龙门架、激振器、导向导轨、安装板、丝杆以及驱动电机，驱动电机安装在龙门架上并与丝杆一端固定连接，龙门架安装在模型试验箱的顶部，丝杆另一端通过轴承座安装在安装板上，安装板安装在龙门架上，导向导轨安装在安装板上，激振器的一侧设置有导向块，导向块开设有导向槽，导向块设置在导向导轨上，丝杆与激振器底部的移动块螺纹连接，激振器的施加端设置有扰动传感器，激振器、驱动电机以及扰动传感器均与控制装置相连接。10.优选的，所述混杂岩带柔性构造装置包括上施压机构和柔性支撑机构；所述上施压机构包括若干并列设置的上承压条、若干上施压液压枕、上垫板以及上盖板，上盖板与模型试验箱顶部固定连接，上垫板与激振器相对设置，若干上施压液压枕分别设置在若干上承压条上，上承压条放置在隧道物理模型的顶部；所述柔性支撑机构包括支撑架、支撑气囊以及下承压条，支撑架固定在模型试验箱的底部并开设有容纳槽，支撑气囊设置在容纳槽内，支撑气囊上设置有若干并列设置的下承压条；上施压液压枕和支撑气囊均与控制装置相连接。11.一种基于上述一种模拟隧道构造混杂岩带活化诱发变形灾变试验系统的试验方法，具体步骤如下：步骤s1：根据隧道开挖掌子面处的岩性信息，通过相似准则制备不同岩性组合的隧道物理模型，隧道物理模型中开挖出隧洞断面，隧洞断面贯穿于整个隧道物理模型，对隧道物理模型进行养护；步骤s2:将养护好的隧道物理模型放置于模型试验箱中，将模型试验箱并放置于ct机成像装置上，再安装扰动加载装置和围压装置；步骤s3：通过围压装置施加三个方向的围压，用于实现深部地应力的施加；通过混杂岩带柔性构造装置中的若干上施压液压枕施加非对称荷载，非对称荷载施加过程采用循环施加方式，模拟混杂岩带的构造剪切生成过程 ，形成混杂岩带；步骤s4：隧道物理模型中的混杂岩带构造生成以后，在隧道内壁打孔预埋锚杆，锚杆进尺的1/2长度要穿越混杂岩带，在锚杆内部设置有分布式光纤传感器，用于监测混杂岩带大变形破坏过程中的力学参数，力学参数包括应力、变形、轴力及弯矩；步骤s5：通过控制装置启动扰动加载装置，利用扰动加载装置施加远场的扰动应力波，并同时实时采集监测机构的监测数据，用于获取混杂岩带的变形并诱发隧道失稳过程的损伤场、应力场及位移场的监测数据，从而得到混杂岩带中块石和基质相互作用时的全时程监测曲线，通过全时程监测曲线对块石作用过程中的咬合，接触和分离的过程进行重点反演；步骤s6：当施加扰动应力波一段时间后，开启ct成像装置，获取混杂岩带在扰动应力波作用下剪切滑动过程中的细观结构变化的图像数据，通过细观结构变化的图像数据对隧道变形灾变过程的物理过程及细观力学行为进行定量化反演，实现灾变过程的数字化表征。12.优选的，通过并列分布的多个上施压液压枕并由控制系统实现非同步加载，加载过程中循环施压，实现隧道物理模型的非协调变形，从而实现隧道构造混杂岩带的生成，形成与混杂岩带构造历史时期的形成条件相符的混杂岩带。13.因此，本发明采用上述一种模拟隧道构造混杂岩带活化诱发变形灾变试验系统及方法，具有以下有益效果：（1）通过混杂岩带柔性构造装置模拟实现混杂岩带的构造生成，通过支撑气囊控制变形后隧道物理模型的变形速度（滑动速度），同时通过ct成像装置进行混杂岩带非协调变形的可视化表征。14.（2）围压装置包括第一施压机构、第二施压机构以及第三施压机构，第二施压机构和第三施压机构中部分别设置第一滚珠板和第二滚珠板，使得在隧道物理模型发生变形时不影响围压的施加。15.（3）隧道物理模型中设置有监测机构，监测机构包括并列设置在隧道物理模型中的若干组监测锚杆和监测输出总线，每组监测锚杆由扇形分布的多个锚杆组成，每个锚杆中设置有光纤传感器，实时监测隧道围岩的轴力和弯矩变化，用于反演围岩变形的异常和地质构造的异常，从而用于预测构造混杂岩带的活化过程。16.下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。附图说明17.图1为本发明一种模拟隧道构造混杂岩带活化诱发变形灾变试验系统整体结构示意图；图2为本发明围压装置、扰动加载装置以及混杂岩带柔性构造装置的分布立体示意图；图3为本发明围压装置剖视图；图4为本发明监测机构结构示意图；图5为本发明第四承压板结构示意图图6为本发明第三承压板结构示意图。18.附图标记1、控制装置；2、ct成像装置；3、模型试验箱；4、扰动加载装置；401、龙门架；402、激振器；403、导向导轨；404、安装板；405、丝杆；406、驱动电机；407、扰动传感器；5、第一施压机构；501、第一承压板；502、第一施压器；6、第二施压机构；601、第二施压器；602、第一滚珠板；603、第二承压板；7、第三施压机构；701、第三施压器；702、第二滚珠板；703、第三承压板；7031、滑槽；704、第四承压板；7041、滑块；8、上施压机构；801、上承压条；802、上施压液压枕；803、上垫板；804、上盖板；9、柔性支撑机构；901、支撑架；902、支撑气囊；903、下承压条；10、隧道物理模型；1001、混杂岩带；11、监测机构；1101、锚杆；1102、监测输出总线。具体实施方式19.实施例为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和显示的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。20.因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作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。21.应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。22.在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“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，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，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。23.在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。24.下面结合附图，对本发明的实施方式作详细说明。25.参考图1-3，一种模拟隧道构造混杂岩带1001活化诱发变形灾变试验系统，包括控制装置1、模型试验箱3、ct成像装置2、围压装置、扰动加载装置4以及混杂岩带柔性构造装置。ct成像装置2、围压装置、扰动加载装置4以及混杂岩带柔性构造装置均与控制装置1相连接，实现各个装置的控制，相应的控制为本领域现有技术在此不再详细描述。26.模型试验箱3放置在ct成像装置2的转台上，模型试验箱3采用低密度高强度以及透明的非金属材质，以减少射线衰减，例如航空玻璃。模型试验箱3为顶部开口的箱体，便于施压扰动和变形应力，模型试验箱3一侧开设有检测口，隧道物理模型10中设置有监测机构11，如图4所示，监测机构11包括并列设置在隧道物理模型10中的若干组监测锚杆和监测输出总线1102，每组监测锚杆由扇形分布的多个锚杆1101组成，锚杆1101采用航空玻璃材质，每个锚杆1101中设置有光纤传感器，每个光纤传感器均与监测输出总线1102相连接，监测输出总线1102与控制装置1相连接，用于采集轴力和弯矩变化，从而感知隧道围岩变形的异常，围岩变形的异常又反演出地质构造的异常，为预测构造混杂岩带1001的活化提供实时监测数据。27.围压装置设置在模型试验箱3内侧，用于提供侧面应力。围压装置包括第一施压机构5、第二施压机构6以及第三施压机构7。28.第一施压机构5用于提供隧道物理模型10稳定侧的应力，第一施压机构5包括第一承压板501和第一施压器502，第一施压器502固定在模型试验箱3内侧并与第一承压板501相对设置，第一承压板501与隧道物理模型10的稳定侧相对设置。29.第二施压机构6用于提供隧道物理模型10失稳侧的应力，第二施压机构6包括第二承压板603、第二施压器601以及第一滚珠板602，第二施压器601固定在模型试验箱3内侧并与第一滚珠板602相对设置，第一滚珠板602与第二承压板603相对设置，第二承压板603与隧道物理模型10的失稳侧相对设置。第一滚珠板602的设置使得在隧道物理模型10发生较大变形时不影响失稳侧应力的施加。30.第三施压机构7设置有两个分别设置在隧道物理模型10的前侧和后侧为其前后侧提供应力，第三施压机构7包括第三承压板703、第四承压板704、第二滚珠板702以及第三施压器701，第三施压器701固定在模型试验箱3内侧并与第二滚珠板702相对设置，第三承压板703和第四承压板704并列滑动设置，如图5-6所示，第三承压板703侧边开设有滑槽7031，第四承压板704侧边设置有滑块7041，滑块7041设置在滑槽7031内，第三承压板703和第四承压板704的一侧与第二滚珠板702相对设置，第三承压板703和第四承压板704的另一侧与隧道物理模型10的前侧和后侧相对设置。第三承压板703和第四承压板704可以相对滑动，通过设置第二滚珠板702使得在隧道物理模型10发生较大变形时不影响前后侧应力的施加。31.第一施压器502、第二施压器601以及第三施压器701均为施压液压枕，第三承压板703的侧边和第四承压板704的侧边倾斜设置并与混杂岩带1001倾斜度保持一致，第一施压器502、第二施压器601以及第三施压器701均与控制装置1相连接，用于控制应力施加的大小。32.扰动加载装置4设置在模型试验箱3的顶部，扰动加载装置4包括龙门架401、激振器402、导向导轨403、安装板404、丝杆405以及驱动电机406，驱动电机406安装在龙门架401上并与丝杆405一端固定连接，龙门架401安装在模型试验箱3的顶部，丝杆405另一端通过轴承座安装在安装板404上，安装板404安装在龙门架401上，导向导轨403安装在安装板404上，激振器402的一侧设置有导向块，导向块开设有导向槽，导向块设置在导向导轨403上，丝杆405与激振器402底部的移动块螺纹连接，实现激振器402的上升和下降，激振器402的施加端设置有扰动传感器407，用于采集扰动波的数据，激振器402、驱动电机406以及扰动传感器407均与控制装置1相连接，用于控制激振器402的输出、激振器402的升降以及采集扰动数据。33.混杂岩带柔性构造装置设置在模型试验箱3内并与隧道物理模型10的上下侧相对设置。混杂岩带柔性构造装置包括上施压机构8和柔性支撑机构。上施压机构8包括若干并列设置的上承压条801、若干上施压液压枕802、上垫板803以及上盖板804，上盖板804与模型试验箱3顶部固定连接，上垫板803与激振器402相对设置，若干上施压液压枕802分别设置在若干上承压条801上，上承压条801放置在隧道物理模型10的顶部。实现在混杂岩带1001形成位置的两侧施加不同的应力，模拟实现混杂岩带1001的构造生成。同时设置有柔性支撑机构9，柔性支撑机构9包括支撑架901、支撑气囊902以及下承压条903，支撑架901固定在模型试验箱3的底部并开设有容纳槽，支撑气囊902设置在容纳槽内，支撑气囊902上设置有若干并列设置的下承压条903，上施压液压枕802和支撑气囊902均与控制装置1相连接。通过控制支撑气囊902里面的气体实现控制混杂岩带1001断层滑动的速度，支撑气囊902下降的速度和位移决定了滑动的速度和位移。34.一种基于模拟隧道构造混杂岩带活化诱发变形灾变试验系统的试验方法，具体步骤如下：步骤s1：根据隧道开挖掌子面处的岩性信息，通过相似准则制备不同岩性组合的隧道物理模型10，隧道物理模型10中开挖出隧洞断面并贯穿于整个试块，对隧道物理模型10进行养护。35.步骤s2:将养护好的隧道物理模型10放置于模型试验箱3中，将模型试验箱3并放置于ct机成像装置2上，再安装扰动加载装置4和围压装置。36.步骤s3：通过围压装置施加三个方向的围压，用于实现深部地应力的施加；通过混杂岩带柔性构造装置中的若干上施压液压枕802施加非对称荷载，非对称荷载施加过程采用循环施加方式，模拟混杂岩带1001的构造剪切生成过程 ，形成混杂岩带1001。37.步骤s4：隧道物理模型10中的混杂岩带1001构造生成以后，在隧道内壁打孔预埋锚杆1101，锚杆1101进尺的1/2长度要穿越混杂岩带1001，在锚杆1101内部设置有分布式光纤传感器，用于监测混杂岩带1001大变形破坏过程中的力学参数，力学参数包括应力、变形、轴力及弯矩。38.步骤s5：通过控制装置1启动扰动加载装置4，利用扰动加载装置4施加远场的扰动应力波，并同时实时采集监测机构的监测数据，用于获取混杂岩带1001的变形并诱发隧道失稳过程的损伤场、应力场及位移场的监测数据，从而得到混杂岩带1001中块石和基质相互作用时的全时程监测曲线，通过全时程监测曲线对块石作用过程中的咬合，接触和分离的过程进行重点反演。39.步骤s6：当施加扰动应力波一段时间后，开启ct成像装置2，获取混杂岩带1001在扰动应力波作用下剪切滑动过程中的细观结构变化的图像数据，通过细观结构变化的图像数据对隧道变形灾变过程的物理过程及细观力学行为进行定量化反演，实现灾变过程的数字化表征。40.通过并列分布的多个上施压液压枕并由控制系统实现非同步加载，加载过程中循环施压，实现隧道物理模型的非协调变形，从而实现隧道构造混杂岩带1001的生成，形成与混杂岩带构造历史时期的形成条件相符的混杂岩带1001。41.最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其进行限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而这些修改或者等同替换亦不能使修改后的技术方案脱离本发明技术方案的精神和范围。









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