一种测量岩石节理面滑动摩擦角各向异性的倾斜试验装置

摘要

本发明涉及一种测量岩石节理面的各向异性滑动摩擦角大小的倾斜试验装置，试验装置由试验装置由底座、滑轨、铰架和罗盘构成。本发明改革了传统岩石节理面滑动摩擦角测量的不足，通过夹持螺杆将岩石节理面试样的下盘固定在罗盘上并在试验过程中转动罗盘，实现对由上盘和下盘构成的圆盘形岩石节理面试样沿任意滑动方向的节理面各向异性滑动摩擦角的连续测量和试样的重复利用，通过缓慢增大平板的倾角使得岩石节理面上盘和下盘发生相对滑动，并通过量角器实时读取平板的倾角，从而直接获得岩石节理面滑动摩擦角的值。

说明书

技术领域

本发明涉及一种岩石节理面的滑动摩擦角的测量装置，更具体涉及一种测量岩石节理面在不同滑动方向下各向异性滑动摩擦角大小的倾斜试验装置。

背景技术

大陆地壳历史上先后经历了印支期、燕山期、喜马拉雅期、新构造期等多期大规模内动力构造过程，地壳岩体因强烈挤压或张拉构造而普遍发育大量不同规模的节理组，如我国二滩水电站、小浪底枢纽工程、三峡永久船闸高边坡、锦屏二级水电站地下厂房、白鹤滩水电站坝区边坡等都可见到大量岩石节理面露头。工程实践表明，这些岩石节理面的存在显著地影响和制约着工程岩体的力学行为和工程稳定性，在环境应力调整过程中经常发生节理面上下盘之间的剪切变形进而出现局部失稳，给我国大型地下工程建造安全带来了极大安全挑战。

目前关于节理岩体的稳定性研究已表明：岩石节理上盘和下盘之间节理面的基本摩擦角力学性质是决定岩体工程稳定性的关键因素之一，而岩石节理面上不同滑动方向的摩擦角的各向异性特性测量则是制约岩石节理面特性深入研究的主要瓶颈之一。

(1) 现有摩擦角测量装置无法测量任意滑动方位角的摩擦角：现有一些用于测量材料摩擦系数的设备和仪器大多针对单一块体或散粒体开发的，故该类设备和仪器测试时未能考虑具有非均匀表面形态的节理面上盘与下盘沿任意方位角的相对滑动特点，从而无法实现节理面各向异性摩擦角的测量。中国专利公开号CN 1699963 A，公开日2005.11.23，发明名称为“非散粒体材料摩擦角测定仪”，该申请案通过支座台面固装的对称支架上安装转轴的方式实现对非散粒体材料的摩擦角和临界坡度测量，但不能考虑材料的各向异性摩擦角测量，也不适应具有上盘和下盘结构的岩体节理摩擦角测量；中国专利公开号CN 102878910 A，公开日2013.1.16，发明名称为“用于散粒体物料摩擦角和摩擦系数测量的斜面仪装置”，该申请案通过调节板件与水平面的夹角直至板件上的物料滑落至接料盘中实现对散粒体物料的摩擦角和摩擦系数测量，但不能测量具有各向异性摩擦角特点的板状材料。

(2) 一些节理面各向异性的分析方法无法直接给出节理面的各向异性滑动摩擦角：一些岩石/岩体节理面各向异性分析方法借助表面形貌测量设备分析节理面的表面的二维起伏形态，虽从结构特征角度证实了岩石节理面特征和起伏程度具有各向异性特点，但无法直接给出具有力学意义的节理面的各向异性滑动摩擦角。《地质力学学报》，2001年第2期，题名“岩体节理表面形貌的各向异性研究”，作者周宏伟，该研究提出采用激光表面议测量的节理表面形貌数据，从而间接获得节理面各向异性，但无法直接测量节理面的摩擦角各向异性特征；中国专利公开号CN 101055175 A，公开日2007.10.17，发明名称“岩体结构面粗糙度系数简易测量方法”，该申请案通过测量岩石结构面表面轮廓曲线的凸齿幅度获得岩体结构面/节理面的粗糙度系数，但无法实现对同一节理试样不同方位角条件下的滑动摩擦角的直接测量。

(3) 一些岩体各向异性强度的计算与测试方法未能充分考虑节理面滑动是两个平面的相对运动这一特点：通常将节理面各向异性效应融合在岩体的各向异性特性的计算和测试方法忽略了具有面状特征的节理面在岩体中空间产状的差异性，也未能考虑节理面的滑动摩擦角取决于节理上盘与下盘相对运动的特点，因而无法直接地给出其任意滑动方位角的滑动摩擦角。《岩石力学与工程学报》，2007年第5期，题名“节理岩体物理模拟与超声波试验研究”，作者韩嵩，该研究通过分析相对于节理面以不同的入射角度进行超声波波速测试来间接反映岩体的各向异性，但无法获得岩体节理面的滑动摩擦角。

发明内容

针对上述存在问题，开发出一种可实现节理面任意滑动方位角条件下滑动摩擦角测量的试验装置对于准确获取节理面的滑动摩擦角各向异性特性，对于确保岩土工程稳定性分析和优化设计具有明显的现实意义和工程需求。为此本发明的目的在于提供一种测量岩石节理面滑动摩擦角各向异性的倾斜试验装置。

为了达到上述目的，本发明是通过以下技术方案实现的：

一种测量岩石节理面滑动摩擦角各向异性的倾斜试验装置，试验装置由底座、滑轨、铰架和罗盘构成。底座上方固定设置有滑轨，滑轨位于底座的中心线上，底座右端上方对称设有第一连接座和第二连接座，铰架由推杆和平板组成，平板一端通过转轴与第一连接座和第二连接座活动连接，平板另一端通过第二销钉与推杆一端铰接，推杆另一端与滑块通过第一销钉铰接，滑块活动置于滑轨的凹槽内，第一销钉轴线与第二销钉轴线之间的直线距离大于转轴轴线和第二销钉轴线之间的直线距离，第一销钉轴线与第二销钉轴线之间的直线距离加上转轴轴线和第二销钉轴线之间的直线距离之和小于滑轨的长度，平板设有通孔，罗盘中心固定连接有滑动摩擦式的轴承，轴承的轴活动穿入通孔与螺母连接，罗盘上对称设置有第一夹持螺杆、第二夹持螺杆、第三夹持螺杆和第四夹持螺杆，罗盘下方边缘处设置有指针，指针下方有挡板，挡板与平板固定连接，第二连接座和平板之间设置有量角器，量角器的弧线与转轴共转动圆心，底座右端下方设置有支脚，支脚位于底座的中心线上，底座左端下方对称设置有第一调节螺母和第二调节螺母，底座上方设置有双向水平气泡仪。

由于采用了上述技术方案，本发明改革了传统岩石节理面滑动摩擦角测量的不足，通过夹持螺杆将岩石节理面试样的下盘固定在罗盘上，具有如下优点：

(1) 各向异性摩擦角的连续测量：通过罗盘的旋转可以对圆盘形岩石节理面进行任意滑动方位的测量，从而可实现三百六十度方位角范围内岩石节理面各向异性滑动摩擦角的连续测量。

(2) 滑动摩擦角的直接获得：通过缓慢增大平板的倾角使得岩石节理面上盘和下盘发生相对滑动，并通过量角器实时读取平板的倾角，从而直接获得岩石节理面滑动摩擦角的值。

 (3) 试样的重复利用：由于采用可旋转的罗盘固定圆形岩石节理面的下盘，从而可以通过对同一岩石节理面试样进行不同方位角的滑动摩擦角测量，克服传统的一个方形岩石节理面试样只能进行某一方向滑动摩擦角测量的不足。

附图说明

附图1为本发明的结构示意图。

附图2为图1的俯视图。

具体实施方式

下面结合附图1和附图2，对本发明作进一步的说明。

一种测量岩石节理面滑动摩擦角各向异性的倾斜试验装置，试验装置由底座2、滑轨3、铰架和罗盘8构成，底座2上方固定设置有滑轨3，滑轨3位于底座2的中心线上，底座2右端上方对称设有第一连接座12和第二连接座23，铰架由推杆6和平板7组成，平板7宽度约为底座2宽度的一般，平板7一端通过转轴13与第一连接座12和第二连接座23活动连接，平板7另一端通过第二销钉16与推杆6一端的两个分岔腿铰接，推杆6另一端与滑块4通过第一销钉5铰接，滑块4活动置于滑轨3的凹槽内并可以在滑轨3中自由滑动，第一销钉5轴线与第二销钉16轴线之间的直线距离大于转轴13轴线和第二销钉16轴线之间的直线距离，这样可以确保推杆6将平板7推至竖直角度，第一销钉5轴线与第二销钉16轴线之间的直线距离加上转轴13轴线和第二销钉16轴线之间的直线距离之和小于滑轨3的长度，这样可以确保平板7可处于近水平工作状态下滑块4还在滑轨3内，平板7设有通孔19，罗盘8平面为圆形，罗盘8直径小于底座2的宽度但大于平板7的宽度，罗盘8上方面刻有间隔为十度的刻度线且每隔三十度标注有角度数字，罗盘8中心固定连接有轴承20，轴承20为平面转动轴承，轴承20滚盘直径大于通孔19的直径，轴承20的轴活动穿入通孔19与螺母25通过螺纹连接，这样既可以确保松开螺母25后罗盘8在平板7的上自由转动，又可以实现通过拧紧螺母25后罗盘8与平板之间的锁紧固定，罗盘8上方对称设置有第一夹持螺杆9、第二夹持螺杆17、第三夹持螺杆18和第四夹持螺杆21，第一夹持螺杆9、第二夹持螺杆17、第三夹持螺杆18和第四夹持螺杆21的前端都带有压掌，第一夹持螺杆9、第二夹持螺杆17、第三夹持螺杆18和第四夹持螺杆21的后端分别通过螺纹与罗盘8上的基座连接，罗盘8下方边缘处设置有指针10，指针10垂直固定在平板7上靠近罗盘8但不与罗盘8接触，指针10下方设置有挡板11，挡板11与平板7固定连接，挡板11与平板7上端之间的夹角小于90度从而更好地发挥挡板11阻止试验过程中圆形节理面上盘滑落到地上，第二连接座23和平板7之间设置有量角器22，量角器22为弧形，量角器22的弧线与转轴13共转动圆心，底座2右端下方设置有支脚24，支脚24位于底座2的中心线上，底座2左端下方对称设置有第一调节螺母1和第二调节螺母15，第一调节螺母1和第二调节螺母15通过螺纹与底座2连接，底座2上方设置有双向水平气泡仪14，这样可以根据双向水平气泡仪14的指示信息来转动第一调节螺母1和第二调节螺母15确保底座2的完全水平。

测量节理面滑动摩擦角各向异性的倾斜试验装置的测量原理是通过在罗盘8的中心位置放置圆盘形岩石节理试样的下盘并通过第一夹持螺杆9、第二夹持螺杆17、第三夹持螺杆18和第四夹持螺杆21固定节理试样的下盘，在记录下罗盘7在指针10位置的方位角后，活动覆盖圆盘形节理试样对应的上盘，并通过从左端向右端缓慢推动滑块4使得平板7的倾角不断增大，从而使得圆盘形节理试样的上盘滑动脱离圆盘形节理试样的下盘，然后通过量角器22读取节理试样上盘滑动状态下在该方位角时节理面滑动摩擦角，重复进行罗盘在不同方位角下的倾斜滑动试验，从而可获得三百六度方位角范围内岩石节理面的各向异性滑动摩擦角。

本发明具体使用按下列步骤进行：

(1) 将滑块4推至最左端，使得平板7基本处于近水平的初始状态，然后通过观察双向水平气泡仪14的指示信息，合理拧动第一调节螺母1和第二调节螺母15，确保底座2完全处于水平状态。

(2) 检查螺母25，确保拧紧螺母25，使得罗盘8与平板7之间锁紧。

(3) 事先预制好圆盘形岩石节理试样，圆盘形节理试样的下盘厚度不小于第一夹持螺杆9前端压掌上顶点到罗盘8平面的距离，圆盘形节理试样直径应在螺杆一9的压掌和螺杆一18的压掌之间可调节长度范围内，然后将制作好的圆盘形节理试样的下盘放置于罗盘8的中心并通过第一夹持螺杆9、第二夹持螺杆17、第三夹持螺杆18和第四夹持螺杆21固定节理试样的下盘，固定时要确保节理试样下盘的圆心与罗盘8的圆心重合，然后拧紧螺母25确保罗盘8和平板之间的锁紧连接，安装妥当后再将圆盘形节理试样相应的上盘对应覆盖在圆盘形节理试样的下盘上。

(4) 记录下安装好圆盘形节理试验时罗盘7在指针10位置的方位角（如A1角）。

(5) 沿滑轨3缓慢向右推动滑块4，同时观察圆盘形节理试样的上盘是否开始滑动，在推动滑块4的过程中当观察到圆盘形节理试样的上盘开始滑动后，立即停止推动滑块4，然后通过量角器22测量并记录下圆盘形节理试样上盘滑动时平板7的角度，从而获得圆盘形节理试样在该方位角条件下的滑动摩擦角（如φ1角）。

(6) 从挡板11部位取下圆盘形节理试样的上盘。

(7) 缓慢将滑块4沿滑轨3推至最左端，然后松开螺母25，转动罗盘8到另一方位角（如A2角）后再拧紧螺母25，然后将圆盘形节理试样相应的上盘对应覆盖在圆盘形节理试样的下盘上。

(8) 重复第（5）至第（7）步，从而获得另一方位角（如A2角）条件下的滑动摩擦角（如φ2角）。

(9) 根据需要不断调节转动罗盘8，从而可获得N次测量条件下N组滑动方位角和对应的滑动摩擦角。

(10) 全面分析N组测量获得的滑动方位角和对应的滑动摩擦角，从而得到圆盘形岩石节理试样的滑动摩擦角的各向异性特征。