逆断层演化过程物理模型试验装置的研制及其应用

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随着地质构造的力学机理及其演变规律的深入研究，特别是对构造变形体半定量和定量的研究，常常需要进行地质构造物理模型试验，不仅能够再现地质构造的演化过程，而且为进-步研究和了解地质构造现象变形特征、成因机制和动力学过程奠定试验基矗地质构造物理模型试验最早由著名地质学家、地质构造模型实验的先驱 James Hal(1761-1832)提出，再现了各种构造形态的形成过程 J。迄今为止，模型试验理论、试验方法、试验装置的研究都有了很大的发展和突破。特别是相似理论的引入使得地质构造模型试验与实际情况之间的相似程度越来越高。

试验装置在地质构造模型试验中起着关键性的作用，已有的地质构造模型试验装置 主要存在以下不足1)试验装置尺寸不能按试验要求任意改变，试验模型尺寸受限；2)试验装置加载系统和测量系统的自动化程度不高，加载及测量精度偏低；3)现在还没有-套专门用于研究逆断层的试验装置。

通过借鉴国内外已有模型试验装置的优缺点，研制出了-种结构简单、组装灵活、使用方便、适合不同尺寸逆断层物理模型的试验装置，为地质过程的定量化研究提供了-种新的模型试验方法和研究手段。

1 模型试验的相似关系1.1 模型试验相似准则相似准则是在模型试验中所必须的理论基础，选择合适的相似准则是模型试验能否反映实际情况的关键。

在地质构造模型试验中，我们将其认为是动力相似问题，描述动力相似现象的物理量的函数为.厂( ，6，P，t，Z，P，L，E)0。

采用量纲分析法，写出指数的联立方程组求解，可得到动力相似问题最基本的相似准则，即收稿 日期：2012-10-25基金项目：国家自然科学基金项 目(41072223)通讯作者：冀德学(1956-)，男，陕西蒲城人 ，高级工程师，主要从事土木工程试验教学与结构检测第2期 冀德学等：逆断层演化过程物理模型试验装置的研制及其应用 191、 兀，号，兀： ，兀， ，兀 圭√ ，兀 z。

式中 or为应力； 为挠度；P为集中力；为时间；z为摩擦系数；P为密度；为任-线性长度(包括长、宽和高)；E为弹性模量。

1.2 模型试验相似比的确定在进行地质构造模型试验之前，首先应确定主要物理量的相似比，材料相似、几何相似、时间相似和动力相似是模型试验设计中最重要的相似关系 。

1.2.1 几何相似比几何相似比是地质构造模型试验中首先需要确定的相似关系，本次试验几何相似比取值为 C。1×10 ，根据研究的龙门山地区区域范围(30 km×15 km×10 km)，试验模型箱的有效尺寸确定为3 m×1.5m ×1 m。

1.2.2 时间相似 比时间相似是指实际地质构造演化时间与试验模型加载时间的比例关系，-般采用时间相似比为C 2.15×10 6.80×10 ，相当于室内试验1 h代表自然状态下2.5-7.76×10 。本次试验确定的时间相似比为 C 2.1×10 。

1.2.3 速度相似比根据基本相似准则可以推导出速度相似比C C /C ，则本次试验的速度相似比C 4.6×10～，速度相似比不同，则模型的加载速度也不同。

2 模型试验装置的研制模型试验装置包括：模型箱、加载系统及反力装置、数据量测系统及量测技术。

2.1 模型箱设计与构造模型箱体设计为可灵活组装的钢框架结构，主要由底板、左右侧板、后端板和加载板五部分组成，根据模型试验确定的几何相似比，模型箱空间净尺寸为：3 m×1.5 m×1 m.模型箱的左右侧板、后端板、底板相互之间均采用高强螺栓连接，箱体结构简单、组装灵活、安装方便，调整连接螺栓位置，即可改变箱体尺寸，以满足不同尺寸试验模型的需要，箱顶设置拉结螺杆，螺杆两端配有双向调节螺母，以保证模型箱在试验过程中不变形。为了在试验过程中可实时观测到土体模型不同点的位移变化，在模型箱 2侧设置了变形观测窗，左右侧板分上下2排设置了l2个观测窗，窗口大小为 300 mm×300 mm(图 1，图2)。

图 1 模型箱三维图Fig.1 Three·dimentional figure of model box图 2 模型箱实体图Fig.2 Entity figure of model box2.2 试验加载系统及反力装置模型试验加载装置采用美国 MTS电液伺服加载系统，系统由作动器、高压油源、控制器及计算机组成。该系统产生荷载稳定，加载速度可控，试验加载值(荷载及位移)控制精度高，试验加载过程可实现自动控制。模型试验要求低速匀速连续加载，根据相似理论，加载速度确定为 5 mm/h，位移控制精度为0.01 mm，且匀速加载对试验非常重要，低速匀速连续加载是荷载模型的关键，为了满足试验荷载要求，采用系统MPT编写了专用试验加载程序。

192 西 安 科 技 大 学 学 报 2013丘试验反力装置由三角形反力钢架和抗滑移机构组成：反力钢架作为加载作动器反力装置，保证荷载匀速施加到模型体上；抗滑移机构要保证模型箱在加载过程中不会滑动。加载作动器与加载板采用U型孔连接，以方便调整加载点的位置，图3为模型试验装置图。

2.3 试验数据量测方法和技术2.3.1 位移值测量模型试验位移测量包括土体表面位移值测量和土体内部滑移量测量 2部分。

葜型 箨 加载板T 观测、 井 井 抗滑j，I.J 、 - 帅图3 模型试验装置侧面图Fig.3 Profile of model test device土体表面位移值测量采用应变式位移传感器，位移量由数据采集仪 自动测量(图4)。

土体内部滑移量利用模型箱2侧设置的观测窗进行测量。制作模型时，在土体内部靠近观测窗玻璃处预埋位移观测点，同时在窗玻璃外侧画出观测基准点和标尺线，试验加载过程中可实时观测到断层两侧土体的滑移方向和滑移量的大校2.3.2 土体 内部应 变值的测量为了测量土体内部应力分布规律，分层布置了应变测点，测量时把三向应变花粘贴在高弹性立方块上，立方块预埋在土中，加载时，该块体与受载土体共同变形，采用 TDS602应变测量系统可 自动测图4 数据自动采集系统Fig.4 Automatic data acquisition system支撑量土体的三向应变值，根据事先测量的弹性块体的弹性模量，即可得到土体的三向应力，通过对所有预埋点应变值进行分析，就能够得到地质模型在荷载作用下，土体内部应力应变的分布规律。

3 工程应用3.1 断层物理模型试验参数使用新研制的模型试验装置对龙门山地区逆断层的力学机理和变形演化过程进行物理模拟。根据确定的几何相似比，室内试验模型大小为3 m×1.5 m×1 m.在离模型表面 10 cm处的断层两侧埋设应变测点，以测量三维地应力的变化，通过位移计和观测窗口来观察表层及深部土体位移量的大型方向。

本次试验加载速率取 5 min/h，采取匀速连续加载，应变和位移量采集速率为次/0.1 mm，加载时间3～4 h。

3.2 试验结果分析 试验全过程再现了逆断层的演化机理。从观测窗可实时观测到断层两侧土体的滑移方向和滑移量。

试验中明显观测到断层两侧的黑色标志层发生了错断(左侧的高于右侧)。同时左侧黄色标志点也顺红色断层带发生了明显的移动，如图5所示；同样对模型内土体开挖也得到了和逆断层现象相符的试验结果，如图6所示。

随着地应力的应用受到世界的广泛关注，其测量手段和方法也越来越多 ，并取得了丰富的研究和实践成果 ]。然而，通过本次试验发现，合理的模型试验也能够比较准确地得出构造变形体的地应力分布规律。

位移和应变量的实时测量结果表明，随着加载位移的增大，断层两盘表现出了不同的力学性质。如图7所示，在构造应力场的作用下，断层带附近的地应力值具有以下规律1)随构造挤压变形的增大，除上盘表层在后期变为拉张状态外，断层上下盘在其演化过程中都处于压应力状态；2)断层带附近的地应力随构造变形的增大总体表现为 3个阶段：地应力快速累计阶段(位移小于6第2期 冀德学等：逆断层演化过程物理模型试验装置的研制及其应用 193rlln)；地应力平稳变化阶段(位移在6 rlln和25 nlin之间)，其中上盘地应力总体趋势为缓慢减小，下盘为平稳增加；地应力急剧降低阶段(位移大于25 l-n/n)，其中上盘最终表现为拉应力，下盘始终为压应力状态；图 5 观测窗口的断层形态Fig.5 Fault form of observation windows3)整个构造变形过程中，上盘地应力值都小于下盘，表明逆断层下盘附近聚集了较大的变形应变能；4)在地应力变化中，上下盘具有很好的-致性，即上盘发生较大的应力聚集和释放，下盘在同-时间也产生较大的应力聚集和释放，但变化量下盘始终大于上盘。

4 结 论1)以相似理论为基础，导出了地质构造的相似准则，并研制了适用于逆断层的物理模型试验装置，该装置组装灵活、简单实用、可实现高精度加载和试验数据的实时测量，并可用于不同尺寸逆断层模型试验。

2)使用该试验装置对龙门山地区逆断层的力学机理和演化过程进行物理模型试验，揭示了逆断层在演化图6 剖面开挖的断层形态Fig.6 Fauh form of section excavation3.Ox10-52.Ox101.OxlO0.O- 1.Ox10髫'2.0×10- 3.OxlO- 4.ox10-5- 5.Ox10-5- 6.OxlO- 7.Ox10-5图7 应力状态分布(负值代表受压)Fig.7 State of stress distribution(The negative value represents compressive strain)过程中的应力状态和变形规律：随构造挤压变形的增大，除上盘在后期变为拉张状态外，断层上下盘在其演化过程中都处于压应力状态；断层带附近的地应力随构造变形的增大总体表现为三个阶段：地应力快速累计阶段，地应力平稳变化阶段，地应力急剧降低阶段；逆断层带下盘附近聚集较大的变形应变能；在地应力变化中，上下盘具有很好的-致性，但变化量下盘始终大于上盘。

总之，该试验装置的研制为我们提供了-种深入研究地质演化过程的手段和方法，并且使得对地质现象定性描述向半定量和定量方向发展更进了-步。