专利名称：用于监测发震断层面剪切力的物理模拟实验方法及装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及岩土工程地震灾害预测预报领域，尤其涉及一种用于监测发震断层面剪切力的物理模拟实验方法及其实验装置。
背景技术：
地震是一种能够给人类社会带来巨大灾难的自然现象，它最突出的特点是猝不及防性和触目惊心的巨大破坏力。如果能准确预测出未来大地震的时间、地点和强度，无疑可以大大降低地震对人类带来的灾害，拯救无数生活在地震危险区人民的生命。上世纪60年代以来，地震预测特别是中、长期预测取得了一些有意义的进展。在长期预测方面，最突出的进展是板块边界大地震空区的确认，然而，短期与临震预测目前进展却不大。从观测地震发生前的一些微观前兆，如地壳形变、地下水位变化、地磁和地电异常、地下流体化学变化等，到地震宏观异常，如井水大幅度升降、发浑、变色、变味等异常变化和某些动物行为异常等，多年来地震学家们一直在努力寻找“确定性的地震前兆”，但是这种期待中的前兆，却迟迟未能确定。如今，国内外地震研究主要以物理模拟实验为主，利用物理模型模拟各种真实地质构造和地质现象，通过观测声波在模型中的传播特征来推断地震波在地下地质构造中的波场特征，从而了解地震发生和传播的过程。但地震波是伴随地震的发生而出现的，只有当地震发生以后才会产生地震波，因此对于预测、预报地震具有其自身的滞后性。如何利用物理模型模拟地震形成和发展过程，就成为本发明要解决的问题。
发明内容
鉴于目前这种情况，本发明旨在根据极限力学平衡原理，推导出可测力学量和非可测力学量之间的函数关系，借助可测力学量计算出不可测的地震断层滑面剪切力，从而解决天然力学系统不可测的难题，使地震的产生和发展过程能够得到准确、及时地预报。
本发明是通过以下技术方案来实现的 一种用于监测发震断层面剪切力的物理模拟实验方法，包括按照实际地形地貌以一定比例制作相关地震带断层模型，在断层中设置应力传感器并随时探测地震带断层间的内应力变化；根据内应力变化数据，结合地震带断层力学模型和数学公式计算不同阶段发震断层面间的剪切力大小；绘制剪切力大小与时间关系曲线，随时显示曲线和内应力数值大小，分阶段完成发震断层面报警。
所述应力传感器的数量可以为一个以上，一个以上的应力传感器分布在地震带断层的不同位置。
所述发震断层间还设有预应力。
所述数学公式为 P为剪切力，M为扰动力，α为扰动力的加固角，θ为断层面与水平面夹角，φ为断层破碎带各土层内摩擦角的加权平均值，C为断层破碎带各土层内粘聚力的加权平均值。
一种用于监测发震断层面剪切力的物理模拟实验装置，包括模拟实际地形地貌的地震带断层模型、监测锚索、应力传感器、数据采集发射装置、数据接收分析装置、应力电子显示装置和显示器，地震带断层模型分为相对稳定的下盘和相对活动的上盘；监测锚索上设有预应力，监测锚索穿过地震带断层后，内端固定在断层下盘，外端头部安装的应力传感器嵌入断层上盘内；数据采集发射装置和应力电子显示装置固定在实验装置外侧的独立支架上，应力传感器将探测数据电传送到数据采集发射装置中；数据接收分析装置接收并处理来自数据采集发射装置的数据，形成剪切力-时间曲线和当前应力值，分别在显示器和应力电子显示装置上显示。
所述应力传感器为三弦式应力传感器。
所述数据采集发射装置以无线方式与数据接收分析装置进行数据传输。
本发明所述的用于监测发震断层面剪切力的物理模拟实验方法及装置，通过模拟地震过程中断层面内扰动力的变化，利用可测扰动力和相应函数关系推导出不可测断层面的剪切力变化过程，按移动前、移动中和移动后实时记录并绘制出剪切力-时间关系曲线，形象展示出各阶段断层面内部应力的变化，并用分阶段报警方式进行提示，特别是移动开始发生阶段的报警，真正实现了地震灾害的超前、实时预警预报。整个结构设计合理，使用方便，按照实际地形地貌以一定比例制作的相关地震带断层模型，在模拟监测和数据处理过程中绘制的监测曲线真实、可靠，模拟效果逼真，准确反应了地震发生过程中断层面剪切力的实际变化特征。
图1为发震断层面的力学模型图； 图2为本发明的结构示意图。
具体实施例方式 地震是地壳板块力作用下沿断层运动的一种力学现象，是一种地震作用力逐步克服断层滑面强度直至岩层断裂释放能量的一连串力学行为。本发明所述的用于监测发震断层面剪切力的物理模拟实验方法及装置依据极限力学平衡原理，利用可测力学量，推导出可测力学量和非可测力学量之间的函数关系，即通过物理模型实验推导出发震断层面间的扰动力和发震断层面剪切力之间的函数关系，从而解决了天然力学系统不可测的难题，为避免地震地质灾害对人类的影响，做到提前预报、提前准备和防灾避灾的目的。
本发明所述的用于监测发震断层面剪切力的物理模拟实验方法，首先，按照实际地形地貌以一定比例制作相关地震带断层模型，相关地震带断层模型的设置可以使实验探测数据和规律直接应用于实际地形地貌中，为实际地震预报提供数据和理论准备。根据需要在断层中设置多个应力传感器，应力传感器分布在断层的不同位置，随时探测不同位置上地震带断层间的内应力变化。模型设置过程中在断层内需设置一定的预应力，预应力的初始值即扰动力由应力传感器测定得到。激发地震断层面相对活动的上盘与下盘间的内应力变化，使上盘与下盘间处于相对错位移动的初始阶段，通过应力传感器探测得到不断变化地内应力变化数据，结合发震断层力学模型和数学公式计算不同时段断层面剪切力大小。
如图1所示，在发震断层面11的力学模型中，断层面11上某点的扰动力与剪切力间的函数关系推导如下 Px＝-Pcosθ Py＝Psinθ Mx＝Mcosα My＝Msinα 式中 P——剪切力/kN； Px——剪切力的水平分量/kN； Py——剪切力的垂直分量/kN； M——扰动力/kN； Mx——扰动力的水平分量/kN； My——扰动力的垂直分量/kN； α——扰动力加固角/(°)； θ——断层面与水平面夹角/(°)； τ＝(Py+My)tgφ+C C——断层破碎带各土层内粘聚力的加权平均值； φ——断层破碎带各土层内摩擦角加权平均值/(°)。
∑x＝0时，发生地层错动的临界状态，则 Mx+Px+τ＝0 将前式代入，则可得 Mcosα-Pcosθ+(Py+My)tgφ+C＝0 Mcosα-Pcosθ+(psinθ+Msinα)tgφ+C＝0 Mcosα-Pcosθ+Psinθtgφ+Msinαtgφ+C＝0 令 则P＝k1M+k2 对于某一断层，上盘的自重力是体积和容重的常函数，在断层岩土体含水量等性质不变的情况下，上盘的重力是常量。随着断层破坏面的形成和错动位移的产生，上盘岩体受断面上由内摩擦力和粘聚力引起的摩阻力逐渐减小，扰动力逐渐增大。扰动力的变化，可以反应断层上盘与下盘之间不可测剪切强度及剪切力的变化，从而反应了断层稳定性的改变。
最后，随着剪切力不断增大，上盘和下盘间开始错位移动，地震发生，通过应力传感器对内应力数据的不断采集，最终计算并形成上盘在移动前、移动中和移动后所受剪切力与时间的关系曲线，将此曲线和对应的内应力数值随时在显示装置上显示，就可清楚地观察和掌握模拟地震断层发生错位移动时的数据统计，为实际地震预报和预测提供理论和数据依据。
根据上述方法，结合附图2对本发明所述装置做进一步的描述 用于监测发震断层面剪切力的物理模拟实验装置，包括模拟实际地形地貌的地震带断层模型、四个监测锚索3、四个应力传感器4、数据采集发射装置7、数据接收分析装置9、四个应力电子显示装置8和显示器10。
其中，地震带断层模型为实际地形地貌按一定比例制作而成，实际地形地貌可根据想要观察或者模拟的对象而定，此处选定不久前发生严重地震灾害的汶川-茂汶断裂带和北川-映秀断裂带。四个监测锚索3分成两组分别并排穿过汶川-茂汶断裂带模型6和北川-映秀断裂带模型5，监测锚索3内端头固定在相对稳定的下盘2内，监测锚索3外端头安装应力传感器4后嵌入到发震断层上盘1内，对监测锚索3施加预应力，此处的预应力就是初始的扰动力，监测锚索3的扰动力数据通过应力传感器4采集，经由数据采集发射装置7可无线传输到数据接收分析装置9中，数据接收分析装置9和显示器10独立于地震带断层模型之外。四个应力电子显示装置8和数据采集发射装置7分别固定在实验装置外侧的独立支架上，这样既易于观察应力大小，又可方便数据传输。
模拟实验中，首先为各装置接通电源，启动并激活模拟装置，地震断层面相对稳定的下盘2和相对活动的上盘1间平衡被打破，剪切力开始积累，监测锚索3上的扰动力发生变化，变化后的数值大小通过安装在监测锚索3外端头上的应力传感器4进行自动采集。接着，采集数据通过线缆传输到数据采集发射装置7上，数据采集发射装置7利用无线传输方式将这些数据发送到数据接收分析装置9中，数据接收分析装置9将接收到的数据按推导公式计算、整理后形成各个地震带上、下盘间错位移动的各阶段剪切力-时间曲线，并在显示器10上分别显示。同时，数据接收分析装置9还随时将内应力变化数值直接发送到对应的四个应力电子显示装置8上，在四个应力电子显示装置8上清楚显示。
当发震断层面上剪切力值逐渐积累到一定程度时，即超过设定的预警值时，剪切力监测系统发出预警，表示发震断层面上的剪切力已经接近断层面上岩土体抗剪切强度，有发生地震的危险，此刻，地表仍然没有发生位移。当剪切力值大于断层面上岩土体抗剪强度后，断层面上盘1和下盘2沿着断层面发生相对位移，地震发生，断层面上盘1和下盘2在水平方向上左右运动，此刻断层面出露地表部分才发生较大的相对位移，但是地震灾害在5秒钟内已经发生。
地震灾害发生全过程中的发震断层面剪切力变化特征被实时记录并以剪切力-时间曲线显示在显示器10上，同时，不断变化的内应力数值也随时在应力电子显示装置8上显示，形象的反应出发震断层内部应力变化特征，从而实现地震灾害的超前实时预警预报。
权利要求
1、一种用于监测发震断层面剪切力的物理模拟实验方法，其特征在于包括
按照实际地形地貌以一定比例制作相关地震带断层模型，在断层中设置应力传感器并随时探测地震带断层间的内应力变化；
根据内应力变化数据，结合地震带断层力学模型和数学公式计算不同阶段发震断层面间的剪切力大小；
绘制剪切力大小与时间关系曲线，随时显示曲线和内应力数值大小，分阶段完成发震断层面报警。
2、根据权利要求1所述的用于监测发震断层面剪切力的物理模拟实验方法，其特征在于，所述应力传感器的数量可以为一个以上，一个以上的应力传感器分布在地震带断层的不同位置。
3、根据权利要求1所述的用于监测发震断层面剪切力的物理模拟实验方法，其特征在于，所述发震断层间还设有预应力。
4、根据权利要求1所述的用于监测发震断层面剪切力的物理模拟实验方法，其特征在于，所述数学公式为
P为剪切力，M为扰动力，α为扰动力的加固角，θ为断层面与水平面夹角，φ为断层破碎带各土层内摩擦角的加权平均值，C为断层破碎带各土层内粘聚力的加权平均值。
5、一种用于监测发震断层面剪切力的物理模拟实验装置，其特征在于，包括模拟实际地形地貌的地震带断层模型、监测锚索、应力传感器、数据采集发射装置、数据接收分析装置、应力电子显示装置和显示器，
所述地震带断层模型分为相对稳定的下盘和相对活动的上盘；
所述监测锚索上设有预应力，监测锚索穿过地震带断层后，内端固定在断层下盘，外端头部安装的应力传感器嵌入断层上盘内；
所述数据采集发射装置和应力电子显示装置固定在实验装置外侧的独立支架上，应力传感器将探测数据电传送到数据采集发射装置中；
所述数据接收分析装置接收并处理来自数据采集发射装置的数据，形成剪切力-时间曲线和当前应力值，分别在显示器和应力电子显示装置上显示。
6、根据权利要求5所述的用于监测发震断层面剪切力的物理模拟实验装置，其特征在于，所述应力传感器为三弦式应力传感器。
7、根据权利要求5所述的用于监测发震断层面剪切力的物理模拟实验装置，其特征在于，所述数据采集发射装置以无线方式与数据接收分析装置进行数据传输。
全文摘要
本发明公开了一种用于监测发震断层面剪切力的物理模拟实验方法及装置，利用应力传感器对按照实际地形地貌以一定比例制作的相关地震带断层模型进行内应力变化监测，结合地震带断层力学模型和数学公式计算出不同阶段发震断层面间的剪切力大小，绘制剪切力大小与时间关系曲线并随时显示内应力数值大小。实现了利用可测扰动力和相应函数关系推导出不可测断层面的剪切力变化过程，真正实现了地震灾害的超前、实时预警预报。整个结构设计合理，使用方便，模拟效果逼真。
文档编号G01V1/00GK101609157SQ20091008881
公开日2009年12月23日 申请日期2009年7月20日 优先权日2009年7月20日
发明者何满潮, 杨晓杰, 孙晓明, 斌 张, 李德建 申请人:中国矿业大学(北京)