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公開番号2025043374
公報種別公開特許公報(A)
公開日2025-03-31
出願番号2024109143
出願日2024-07-05
発明の名称遠心力載荷装置プラットフォームに基づく地震断層シミュレーションの実験方法
出願人同済大学
代理人個人
主分類G01N 3/00 20060101AFI20250324BHJP(測定;試験)
要約【課題】遠心力載荷装置プラットフォームに基づく地震断層シミュレーションの実験方法を提供し、地震災害シミュレーションの技術分野に関する。
【解決手段】地震断層シミュレーションの実験過程において、トンネルの端部の受けた力及び局所的な変形、敷地被覆層の地表変位、加速度及び土圧、水平作動システムの作動量及び作動力を監視する。遠心力載荷装置プラットフォームを用いて重力環境をシミュレーションし、岩石土壌体の真の応力状態を正確に還元させると同時に、シミュレーション地震断層と敷地被覆層中におけるトンネルの端部の受けた力及び局所的な変形、表面クラック破断画像と敷地変形画像、及び水平作動システムの作動量と作動力を取得し、それによって活断層破断による地震発生全過程及び地震の敷地内の伝播効果をシミュレーションし、断層を跨る状況下における工事構造の動力応答特性シミュレーション実験を実現することができる。
【選択図】図10
特許請求の範囲【請求項１】
遠心力載荷装置プラットフォームに基づく地震断層シミュレーションの実験方法であって、
前記遠心力載荷装置プラットフォームにはモデルボックスが設けられ、前記モデルボックス内には収納スペースを有し、前記収納スペース内には下から上へ底部支持台システム、シミュレーション地震断層及び敷地被覆層が設けられ、前記シミュレーション地震断層と前記敷地被覆層の側面には水平作動システムが設けられ、前記敷地被覆層にはトンネルが設けられ、前記トンネルは水平方向に沿って前記敷地被覆層を貫通し、前記方法は、
前記水平作動システムの作動方向と作動速さを設定し、地震断層シミュレーションの実験過程において、前記トンネルの端部の受けた力及び局所的な変形、前記敷地被覆層の地表変位、加速度及び土圧、前記水平作動システムの作動量及び作動力を監視するステップと、
地震断層シミュレーションの実験過程において、前記モデルボックスの正面に向かうハイスピードカメラによって前記シミュレーション地震断層と敷地被覆層の表面クラック破断画像及び敷地変形画像を取得するステップと、
前記トンネルの端部の受けた力及び局所的な変形に基づいて、前記地震断層運動時における前記トンネルの変形特性を決定するステップと、
前記敷地被覆層の地表変位、加速度及び土圧に基づいて、前記敷地被覆層において前記地震断層運動に誘発された振動の伝播変化曲線を決定するステップと、
前記水平作動システムの作動量及び作動力に基づいたうえで、前記敷地被覆層の地表変位を結合して、前記水平作動システムの作動方向と作動速さを調節するステップと、
前記敷地被覆層の表面クラック破断画像及び敷地変形画像に基づいて、前記地震断層運動時における前記敷地被覆層の敷地せん断帯の位置や、敷地せん断帯の形及びトンネルの断裂位置とクラック形態が得られるステップと、を含むことを特徴とする遠心力載荷装置プラットフォームに基づく地震断層シミュレーションの実験方法。
続きを表示（約 1,500 文字）【請求項２】
前記底部支持台システムは、前記水平作動システム、前記シミュレーション地震断層及び前記敷地被覆層を支持することに使用され、
前記水平作動システムは、前記シミュレーション地震断層及び前記敷地被覆層に水平推力を加えることに使用され、
前記シミュレーション地震断層は、前記地震断層の基盤岩層をシミュレーションするために、断層試験ブロックを充填することに使用され、
前記敷地被覆層は、前記地震断層の土壌層をシミュレーションするために、前記シミュレーション地震断層上に砂層材料を充填することに使用されることを特徴とする請求項１に記載の遠心力載荷装置プラットフォームに基づく地震断層シミュレーションの実験方法。
【請求項３】
前記水平作動システム中におけるステッピングモーターと運動制御ボックスはワイヤーによって連結され、前記運動制御ボックスによって前記水平作動システムの作動方向と作動速さを設定したり調節したりすることを特徴とする請求項２に記載の遠心力載荷装置プラットフォームに基づく地震断層シミュレーションの実験方法。
【請求項４】
前記トンネルには加速度計、ひずみゲージ及び土圧ボックスが設けられ、前記加速度計、ひずみゲージ及び土圧ボックスを監視することで前記トンネルの端部の受けた力及び局所的な変形を監視することを特徴とする請求項２に記載の遠心力載荷装置プラットフォームに基づく地震断層シミュレーションの実験方法。
【請求項５】
前記モデルボックスにはレーザー変位計が設けられ、前記レーザー変位計によって前記敷地被覆層の地表変位を監視することを特徴とする請求項２に記載の遠心力載荷装置プラットフォームに基づく地震断層シミュレーションの実験方法。
【請求項６】
前記ステッピングモーターにおいてかつ前記シミュレーション地震断層に向かう片側にはストロークリミッターが設けられ、前記水平作動システムにはスポークセンサーが設けられ、前記スポークセンサーにおいてかつ前記ステッピングモーターに隣接する片側にはフランジが設けられ、前記フランジが前記ストロークリミッターに接触すると、前記ステッピングモーターの電源を切断し、前記水平作動システムの動作が停止することを特徴とする請求項３に記載の遠心力載荷装置プラットフォームに基づく地震断層シミュレーションの実験方法。
【請求項７】
前記底部支持台システムには、剛性支持台、弾性支持台、昇降機ブラケットとモーター支持台が設けられ、
前記剛性支持台によって前記シミュレーション地震断層における断層下盤を支持し、前記弾性支持台によって前記シミュレーション地震断層における断層上盤を支持し、
前記昇降機ブラケットによって前記水平作動システム中におけるネジ昇降装置を支持し、前記モーター支持台によって前記水平作動システム中におけるステッピングモーターを支持し、
前記剛性支持台と弾性支持台の高さを調節することによって、前記シミュレーション地震断層における断層下盤と前記水平作動システムの高さを同等させることを特徴とする請求項２に記載の遠心力載荷装置プラットフォームに基づく地震断層シミュレーションの実験方法。
【請求項８】
コンピュータプログラムが記憶された記憶媒体であって、
前記コンピュータプログラムがプロセッサに呼び出された場合、前記プロセッサに請求項１～７のいずれか１項に記載の実験方法を実行させることを特徴とする記憶媒体。

発明の詳細な説明【技術分野】
【０００１】
本発明は、地震災害シミュレーションの技術分野に関し、具体的には遠心力載荷装置プラットフォームに基づく地震断層シミュレーションの実験方法に関する。
続きを表示（約 3,200 文字）【背景技術】
【０００２】
ここ数年来、我が国の経済建設の基本的施設の地理的重心の移転に伴い、多くの重大工事（青蔵鉄道、川蔵鉄道、西気東輸など）が我が国の西南部強震エリアに建設を配置した。しかしながら、我が国の西南地区の活断層構造は極めて複雑で広く分布されているため、重大工事が活断層帯を回避することができなく、このような工事の建設安全を深刻に脅かし、断層方向を跨る工事構造に対する最先端研究の展開はが急務となって、重大な科学的価値と工事上の応用見通しを持つ。
【０００３】
岩石土壌体材料は代表的な非線形系の力学的挙動を有し、応力状態の影響を受けることが顕著である。物理モデル試験は最も一般的で効果的な研究手段として、地震災害研究に広く応用されている。しかしながら、通常の物理モデル試験はスケールモデルを採用することが多く、通常の重力環境下で展開されると、岩石土壌体の初期応力状態を正確に還元させることができず、研究成果の科学性と工事上の適用性を著しく制限した。次に、現在の地震災害の研究では、底部振動台を用いて均一な振動を加え、敷地や工事構造の動力応答を観察することによって地震効果評価を行うことが多い。該手段は断層から離れた状況の研究に適しており、断層を跨る工事構造の耐震性能の研究には適していない。最後に、工事敷地の地震安全性評価または工事構造の耐震性能評価にとって、合理的な敷地地震動を得ることが極めて肝心である。現在、世界では、実測地震動記録に基づいて、多種の敷地地震動合成方法を提案しているが、このようなモデルは将来に発生する可能性のある地震動状況を全面的に反映することができなく、その根源を究めると地震の発震機構と伝播経路効果に対する物理シミュレーションの研究が不足していることにあり、それによって将来の敷地地震動予測を深刻に制限している。以上により、国家西部建設の戦略的需要に対して、現在の物理モデル試験は断層を跨る地震災害を研究する際に、以下の不足が存在し、
第１、通常の重力下のスケール試験は岩石土壌体の真の応力状態を反映することができない。スケールモデル試験の応力レベルは真の状態より著しく低く、岩石土壌体の力学的挙動は応力状態に依存しているため、このような研究成果の工学的適用性と科学性を深刻に制限している。
第２、底部振動台による振動試験の方法では、断層を跨る工事構造のシーンをシミュレーションすることはできない。現在、モデル試験は底部振動台を通じてモデル全体に均一な振動を与えることが多く、断層を跨る際の断層運動効果による工事構造に与える影響をシミュレーションすることができない。
第３、敷地地震動合成モデルは発震機構と伝播経路効果を考慮することができない。現在の地震動合成モデルは実測の地震動記録の解析に基づいて構築されたことが多く、発震機構と伝播経路効果を考慮することができないため、敷地の将来の地震動発生状況を正確に全面的に反映することができない。
【０００４】
そのため、岩石土壌体の真の応力状態を正確に還元させ、異なる断層破断過程と敷地伝播効果を正確にシミュレーションし、断層を跨る工事構造の耐震性能評価と敷地地震動合成に科学的根拠を提供する大型モデル試験システムの開発が急務となっている。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明の目的は遠心力載荷装置プラットフォームに基づく地震断層シミュレーションの実験方法を提供することにあり、遠心力載荷装置プラットフォームを用いて重力環境をシミュレーションし、岩石土壌体の真の応力状態を正確に還元させると同時に、シミュレーション地震断層と敷地被覆層中におけるトンネルの端部の受けた力及び局所的な変形、表面クラック破断画像と敷地変形画像、及び水平作動システムの作動量と作動力を取得し、それによって活断層破断による地震発生全過程及び地震の敷地内の伝播効果をシミュレーションし、断層を跨る状況下における工事構造の動力応答特性シミュレーション実験を実現することができる。
【０００６】
上記目的を達成するために、本発明は遠心力載荷装置プラットフォームに基づく地震断層シミュレーションの実験方法を提供し、前記遠心力載荷装置プラットフォームにはモデルボックスが設けられ、前記モデルボックス内には収納スペースを有し、前記収納スペース内には下から上へ底部支持台システム、シミュレーション地震断層及び敷地被覆層が設けられ、前記シミュレーション地震断層と前記敷地被覆層の側面には水平作動システムが設けられ、前記敷地被覆層にはトンネルが設けられ、前記トンネルは水平方向に沿って前記敷地被覆層を貫通し、前記方法は、
前記水平作動システムの作動方向と作動速さを設定し、地震断層シミュレーションの実験過程において、前記トンネルの端部の受けた力及び局所的な変形、前記敷地被覆層の地表変位、加速度及び土圧、前記水平作動システムの作動量及び作動力を監視するステップと、
地震断層シミュレーションの実験過程において、前記モデルボックスの正面に向かうハイスピードカメラによって前記シミュレーション地震断層と敷地被覆層の表面クラック破断画像及び敷地変形画像を取得するステップと、
前記トンネルの端部の受けた力及び局所的な変形に基づいて、前記地震断層運動時における前記トンネルの変形特性を決定するステップと、
前記敷地被覆層の地表変位、加速度及び土圧に基づいて、前記敷地被覆層において前記地震断層運動に誘発された振動の伝播変化曲線を決定するステップと、
前記水平作動システムの作動量及び作動力に基づいたうえで、前記敷地被覆層の地表変位を結合して、前記水平作動システムの作動方向と作動速さを調節するステップと、
前記敷地被覆層の表面クラック破断画像及び敷地変形画像に基づいて、前記地震断層運動時における前記被覆層の敷地せん断帯の位置や、敷地せん断帯の形及びトンネルの断裂位置とクラック形態が得られるステップと、を含む。
【０００７】
本発明は、記憶媒体をさらに提供し、記憶媒体にはコンピュータプログラムが記憶され、前記コンピュータプログラムがプロセッサに呼び出された場合、前記プロセッサに上記の実験方法を実行させる。
【０００８】
一つの実施例において、前記底部支持台システムは、前記水平作動システム、前記シミュレーション地震断層及び前記敷地被覆層を支持することに使用され、
前記水平作動システムは、前記シミュレーション地震断層及び前記敷地被覆層に水平推力を加えることに使用され、
前記シミュレーション地震断層は、前記地震断層の基盤岩層をシミュレーションするために、断層試験ブロックを充填することに使用され、
前記敷地被覆層は、前記地震断層の土壌層をシミュレーションするために、前記シミュレーション地震断層上に砂層材料を充填することに使用される。
【０００９】
一つの実施例において、前記水平作動システム中におけるステッピングモーターと運動制御ボックスはワイヤーによって連結され、前記運動制御ボックスによって前記水平作動システムの作動方向と作動速さを設定したり調節したりする。
【００１０】
一つの実施例において、前記トンネルには加速度計、ひずみゲージ及び土圧ボックスが設けられ、前記加速度計、ひずみゲージ及び土圧ボックスを監視することで前記トンネルの端部の受けた力及び局所的な変形を監視する。
（【００１１】以降は省略されています）

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