[發明專利]一種模擬斷裂錯動與地下水變化的地裂縫試驗裝置及方法

有效

• 申請號: 201911382326.4
• 申請日: 2019-12-27
• 公開（公告）號: CN110954680B
• 公開（公告）日: 2022-03-04
• 發明（設計）人: 孟振江;盧全中;彭建兵
• 申請（專利權）人: 長安大學
• 主分類號: G01N33/24
• 分類號: G01N33/24
• 代理公司: 西安創知專利事務所 61213
• 代理人: 譚文琰

1.一種模擬斷裂錯動與地下水變化的地裂縫試驗裝置，其特征在于：包括模型箱(1)、設置在模型箱(1)內的固定平臺(4)和設置在模型箱(1)內的移動平臺(8)，所述模型箱(1)上設置有透明玻璃(19)，所述模型箱(1)內鋪設有模型土層，所述移動平臺(8)的底部設置有錯位調節機構，所述固定平臺(4)上表面由下至上依次設置有第一底板(3)、第一防水板(2)和第一隔水板(12)，所述移動平臺(8)上表面由下至上依次設置有第二底板(11)、第二防水板(9)和第二隔水板(10)，所述錯位調節機構包括支架(6)、設置在移動平臺(8)底部的千斤頂(5)和設置在移動平臺(8)底部四角且能沿支架(6)滑動的滑移限位部件(7)，所述模型土層位于第一隔水板(12)和第二隔水板(10)上，所述模型土層包括基巖層和多個由下至上依次鋪設的模擬土層，所述模擬土層內鋪設有注水管，所述注水管的進水口與供水管(18-3)連接，所述注水管的出水口與排水管(17-1)連接，所述排水管(17-1)伸入收集量筒(17-3)，所述供水管(18-3)與供水量筒(18-1)連接，所述排水管(17-1)上設置有排水閥(17-2)，所述供水管(18-3)上設置有供水閥(18-2)；

所述固定平臺(4)遠離移動平臺(8)的一端設置有第一側板(2-1)，所述移動平臺(8)遠離移動平臺(8)的一側設置有第二側板(17)，所述第二側板(17)與模型箱(1)的內側面之間設置有錯位角度調節機構；

所述滑移限位部件(7)的數量為四個，四個所述滑移限位部件(7)的結構均相同，所述滑移限位部件(7)包括兩個對稱布設的L形板(7-1)、穿設在兩個L形板(7-1)之間的限位轉軸(7-4)和套裝在限位轉軸(7-4)上且位于兩個L形板(7-1)之間的轉動輪(7-2)，所述轉動輪(7-2)遠離支架(6)的一端設置有擋板(7-3)，所述轉動輪(7-2)的圓弧面靠近支架(6)布設；

所述L形板(7-1)包括安裝在移動平臺(8)底面的水平部和與所述水平部呈垂直布設的豎直部，所述水平部上設置有腰形孔(7-5)，所述移動平臺(8)上設置有安裝孔(8-1)，所述安裝孔(8-1)和腰形孔(7-5)內穿設有用于固定連接移動平臺(8)與L形板(7-1)的固定螺栓，所述豎直部上設置有供限位轉軸(7-4)穿設的轉軸安裝孔；

所述支架(6)包括安裝在移動平臺(8)兩端的第一傾斜支撐板(6-3)和第二傾斜支撐板(6-1)，以及兩個對稱連接于第一傾斜支撐板(6-3)和第二傾斜支撐板(6-1)之間的連接板(6-2)，所述連接板(6-2)的兩端與第一傾斜支撐板(6-3)和第二傾斜支撐板(6-1)鉸接；

所述第一傾斜支撐板(6-3)的頂端設置有多個沿移動平臺(8)的寬度方向布設的第一耳座(6-4)，所述第二傾斜支撐板(6-1)的頂端設置有多個沿移動平臺(8)的寬度方向布設的第二耳座(6-7)，所述第一耳座(6-4)內穿設有第一轉軸(6-5)，所述第二耳座(6-7)內穿設有第二轉軸(6-6)，所述第一轉軸(6-5)的兩端穿過固定平臺(4)靠近移動平臺(8)的一端；

所述固定平臺(4)靠近移動平臺(8)的一端設置第一凸起(4-1)、第二凸起(4-2)和第三凸起(4-3)，所述第一凸起(4-1)和第二凸起(4-2)之間的間距與第二凸起(4-2)和第三凸起(4-3)之間的間距相同，所述第二凸起(4-2)的底部設置有容納槽(4-4)；

所述第一耳座(6-4)包括第一個左耳座(6-4-1)、第二個左耳座(6-4-2)和第三個左耳座(6-4-3)，所述第一個左耳座(6-4-1)位于第一凸起(4-1)和第二凸起(4-2)之間，且第一個左耳座(6-4-1)與第一凸起(4-1)貼合，所述第二個左耳座(6-4-2)位于容納槽(4-4)內，所述第三個左耳座(6-4-3)位于第三凸起(4-3)和第二凸起(4-2)之間，且第二個左耳座(6-4-2)與第三凸起(4-3)貼合，所述第一轉軸(6-5)依次穿過第一凸起(4-1)、第一個左耳座(6-4-1)、第二個左耳座(6-4-2)、第三個左耳座(6-4-3)和第三凸起(4-3)；

所述錯位角度調節機構包括傾斜布設在模型箱(1)靠近移動平臺(8)的一側的傾斜滑軌(13)、設置在傾斜滑軌(13)上的滑移座(16)和對移動平臺(8)進行限位的限位板(15)，所述限位板(15)通過連接架(14)與滑移座(16)固定連接；

利用模擬斷裂錯動與地下水變化的地裂縫試驗裝置模擬斷裂錯動與地下水變化的地裂縫試驗方法，該試驗方法包括以下步驟：

步驟一、試驗前準備：

步驟101、在模型箱(1)內搭建固定平臺(4)和移動平臺(8)；其中，移動平臺(8)的底部設置有錯位調節機構；

步驟102、在固定平臺(4)上表面由下至上依次設置第一底板(3)、第一防水板(2)和第一隔水板(12)，在移動平臺(8)上表面由下至上依次設置有第二底板(11)、第二防水板(9)和第二隔水板(10)；

步驟103、在第一隔水板(12)上鋪設第一土工布，第二隔水板(10)上鋪設第二土工布；

步驟104、在模型箱(1)的前側面正對設置攝像頭，在模型箱(1)的頂部架設上攝像頭；

步驟二、在模型箱內鋪設模型土層、注水管、埋設傳感器并與數據采集儀連接：

步驟201、在第一土工布和第二土工布上均鋪設基巖，形成基巖層；

步驟202、在基巖層上鋪設粉砂，形成下粉砂層；其中，所述下粉砂層內鋪設有第一注水管；

步驟203、在固定平臺(4)上的下粉砂層內沿固定平臺(4)的長度方向埋設四個第一個左土壓力盒(20)，并在四個第一個左土壓力盒(20)的中心處埋設第一個左水分計(21)；

步驟204、按照步驟203所述的方法，在移動平臺(8)上的下粉砂層內埋設四個第一個右土壓力盒(22)和第一個右水分計(23)；

步驟205、在下粉砂層上鋪設粉質粘土，形成下粉質粘土層；其中，所述下粉質粘土層內鋪設有第二注水管，所述第二注水管與所述第一注水管連接；

步驟206、按照步驟203和步驟204，分別埋設四個第二個左土壓力盒(24)和第二個左水分計(25)，以及四個第二個右土壓力盒(26)和第二個右水分計(27)；

步驟207、在下粉質粘土層上鋪設粉砂，形成上粉砂層；其中，所述上粉砂層內鋪設有第三注水管，所述第三注水管與所述第二注水管連接；

步驟208、按照步驟203和步驟204，在上粉砂層中分別埋設四個第三個左土壓力盒(28)和第三個左水分計(29)，以及四個第三個右土壓力盒(30)和第三個右水分計(31)；

步驟209、在固定平臺(4)上的上粉砂層中埋設第一個左孔壓計(32)，在移動平臺(8)上的上粉砂層中埋設第一個右孔壓計(33)；

步驟2010、在上粉砂層上鋪設粉質粘土，形成上粉質粘土層；其中，所述上粉質粘土層內鋪設有第四注水管，所述第四注水管與所述第三注水管連接，且所述第一注水管、所述第二注水管、所述第三注水管和所述第四注水管一體連接組成所述注水管；

步驟2011、按照步驟203和步驟204，分別埋設四個第四個左土壓力盒(34)和第四個左水分計(35)，以及四個第四個右壓力盒(36)和第四個右水分計(37)，并按照步驟209所述的方法，分別埋設第二個左孔壓計(38)和第二個右孔壓計(39)；

步驟2012、在上粉質粘土層上鋪設粉土，形成粉土層；

步驟2013、在模型箱(1)的頂部架設橫梁，并沿橫梁的長度方向均布多個位移計(40)；

步驟2014、將第一個左水分計(21)、第一個右水分計(23)、第二個左水分計(25)、第二個右水分計(27)、第三個左水分計(29)、第三個右水分計(31)、第四個左水分計(35)、第四個右水分計(37)、第一個左孔壓計(32)、第一個右孔壓計(33)、第二個左孔壓計(38)和第二個右孔壓計(39)、第一個左土壓力盒(20)、第一個右土壓力盒(22)、第二個左土壓力盒(24)、第二個右土壓力盒(26)、第三個左土壓力盒(28)、第三個右土壓力盒(30)、第四個左土壓力盒(34)、第四個右壓力盒(36)的輸出端均與數據采集儀連接；

步驟2015、將下粉砂層、下粉質粘土層、上粉砂層、上粉質粘土層均稱為模擬土層，并將其由下至上進行排序，得到第j個模擬土層；其中，j為正整數，且1≤j≤4；

步驟三、向模型土層內部注水：

步驟301、位移計(40)對模型土層表面的初始間距進行檢測，并將第i個位移計(40)檢測到的初始間距記作S_i,0；

步驟302、在模型箱(1)頂部安裝供水量筒(18-1)，模型箱(1)底部放置收集量筒(17-3)，并使排水管(17-1)伸入收集量筒(17-3)，供水管(18-3)與供水量筒(18-1)連接；其中，供水管(18-3)與所述注水管的入口連接，所述注水管的出口與排水管(17-1)連接；

打開供水閥(18-2)通過注水管為模型箱(1)內的模型土層注水，之后，注水后的模型土層室溫下靜置；

步驟303、在注水后的模型土層室溫下靜置的過程中，當第一個左水分計(21)、第一個右水分計(23)、第二個左水分計(25)、第二個右水分計(27)、第三個左水分計(29)、第三個右水分計(31)、第四個左水分計(35)、第四個右水分計(37)檢測到的含水量與實際地層對應的不同深度的含水量相同，第一個左孔壓計(32)、第一個右孔壓計(33)、第二個左孔壓計(38)和第二個右孔壓計(39)檢測到的孔隙水壓力與實際地層對應的不同深度的孔隙水壓力相同，則停止為模型箱(1)內的模型土層注水，并獲取總注水體積V_z和模型土層的模擬地下水位H_d；否側，繼續為模型箱(1)內的模型土層注水并靜置；

步驟四、模擬模型土層斷裂錯動模擬：

步驟401、調節錯位角度調節機構，以使移動平臺(8)下降時形成斷層與固定平臺水平面延長線之間的夾角為45°～80°；

步驟402、操作千斤頂(5)收縮，滑移限位部件(7)沿支架(6)滑動而帶動移動平臺(8)下降，在移動平臺(8)下降的過程中，模型土層發生斷層；

步驟403、在模型土層發生斷層的過程中，前攝像頭按照預先設定的采樣時間對模型土層的前側面地裂縫圖像進行實時采集，上攝像頭按照預先設定的采樣時間對模型土層的上表面地裂縫圖像進行實時采集，通過第k個采樣時刻的上表面地裂縫圖像得到第k個采樣時刻上表面地裂縫最大寬度A_s(k)，通過第k個采樣時刻的前側面地裂縫圖像得到第k個采樣時刻第j個模擬土層的側面地裂縫最大寬度A_c,j(k)；其中，k為正整數；

同時，通過第j個左土壓力盒按照預先設定的采樣時間對第j個左土壓力盒處的應力進行檢測，得到第k個采樣時刻第j個模擬土層的左應力ε_j,z(k)，通過第j個右土壓力盒按照預先設定的采樣時間對第j個右土壓力盒處的應力進行檢測，得到第k個采樣時刻第j個模擬土層的右應力ε_i,y(k)，根據公式ε_j,zy(k)＝|ε_j,z(k)-ε_j,y(k)|，得到第k個采樣時刻第j個模擬土層的應力變化量ε_j,zy(k)；通過第j個左孔壓計按照預先設定的采樣時間對第j個左孔壓計處的孔隙水壓力進行實時檢測，得到第k個采樣時刻第j個模擬土層的左孔隙水壓力p_j,z(k)，通過第j個右孔壓計按照預先設定的采樣時間對第j個右孔壓計處的孔隙水壓力進行實時檢測，得到第k個采樣時刻第j個模擬土層的右孔隙水壓力p_j,y(k)，根據公式p_j,zy(k)＝|p_j,z(k)-p_j,y(k)|，得到第k個采樣時刻第j個模擬土層的孔隙水壓力變化量p_j,zy(k)；

步驟404、在移動平臺(8)下降的過程中，獲取第k個采樣時刻移動平臺(8)的下降量，并記作第k個采樣時刻斷裂錯動量為B(k)；

步驟405、直至移動平臺(8)下降的垂直位移為30cm～40cm時，停止千斤頂(5)收縮，將得到的第k個采樣時刻第j個模擬土層的應力變化量和第k個采樣時刻第j個模擬土層的側面地裂縫最大寬度A_c,j(k)按照采樣時間先后順序排序，并以橫坐標為應力變化量，縱坐標為側面地裂縫最大寬度，得到第j個模擬土層的側面地裂縫寬度應力變化曲線；

將得到的第k個采樣時刻第j個模擬土層的應力變化量和第k個采樣時刻上表面地裂縫最大寬度A_s(k)按照采樣時間先后順序排序，并以橫坐標為應力變化量，縱坐標為上表面地裂縫最大寬度，得到上表面地裂縫寬度應力變化曲線；

將得到的第k個采樣時刻第j個模擬土層的孔隙水壓力變化量和第k個采樣時刻側面地裂縫最大寬度A_c,j(k)按照采樣時間先后順序排序，并以橫坐標為孔隙水壓力變化量，縱坐標為側面地裂縫最大寬度，得到第j個模擬土層的側面地裂縫寬度孔隙水壓力變化曲線；將得到的第k個采樣時刻第j個模擬土層的孔隙水壓力變化量和第k個采樣時刻上表面地裂縫最大寬度A_s(k)按照采樣時間先后順序排序，并以橫坐標為孔隙水壓力變化量，縱坐標為上表面地裂縫最大寬度，得到上表面地裂縫寬度孔隙水壓力變化曲線；

步驟406、將得到的第k個采樣時刻斷裂錯動量為B(k)和第k個采樣時刻第j個模擬土層的側面地裂縫最大寬度A_c,j(k)按照采樣時間先后順序排序，并以橫坐標為斷裂錯動量，縱坐標為側面地裂縫最大寬度，得到第j個模擬土層的側面地裂縫斷裂錯動量變化曲線；

將得到的第k個采樣時刻斷裂錯動量為B(k)和第k個采樣時刻上表面地裂縫最大寬度A_c(k)按照采樣時間先后順序排序，并以橫坐標為斷裂錯動量，縱坐標為上表面地裂縫最大寬度，得到上表面地裂縫斷裂錯動量變化曲線；

步驟407、位移計(40)對模型土層表面的間距進行檢測，并將第i個位移計(40)檢測到的一次間距記作S_i,1，根據公式L_i,1＝S_i,1-S_i,0，從而得到模型土層發生斷層時第i個位移計(40)檢測到的模型土層的上表面沉降量L_i,1；

步驟五、模型土層排水模擬地下水位變化：

步驟501、將排水閥(17-2)打開，并在模型土層的頂部加壓進行排水，模擬地下水位變化；

步驟502、在模型土層排水的過程中，按照步驟405和步驟407所述的方法，得到地下水位變化過程中第j個模擬土層的側面地裂縫寬度應力變化曲線和地下水位變化過程中第j個模擬土層的上表面地裂縫寬度應力變化曲線，以及地下水位變化過程中第j個模擬土層的側面地裂縫寬度孔隙水壓力變化曲線和地下水位變化過程中第j個模擬土層的上表面地裂縫寬度孔隙水壓力變化曲線；

同時位移計(40)對模型土層表面的二次間距進行檢測，并將第i個位移計(40)檢測到的二次間距記作S_i,2；根據公式L_i,2＝S_i,2-S_i,1，從而得到模型土層地下水位變化時第i個位移計(40)檢測到的模型土層的上表面沉降量L_i,2；

步驟503、直至第一個左水分計(21)、第一個右水分計(23)、第二個左水分計(25)、第二個右水分計(27)、第三個左水分計(29)、第三個右水分計(31)、第四個左水分計(35)、第四個右水分計(37)檢測到的含水量不發生變化，第一個左孔壓計(32)、第一個右孔壓計(33)、第二個左孔壓計(38)和第二個右孔壓計(39)檢測到的孔隙水壓力不發生變化時，且模型土層的上表面不再沉降，前側面地裂縫圖像和上表面地裂縫圖像中地裂縫不變化時，完成模擬試驗。