一种系列多尺度方形岩石结构面摩擦角测量装置及方法

摘要

一种系列多尺度方形岩石结构面摩擦角测量装置，包括机架、测试平台和方形岩石结构面下盘固定组件，测试平台包括转动台，转动台一侧固定安装在转动轴上，转动轴可转动地套装在机架上，转动轴的端部与转动把手联动，转动台上表面设有试样定位线和中心定位点，定位点为方形岩石结构面的中心点，以定位点为平面坐标系原点，沿着方形岩石结构面的每条对角线各分布两排螺栓孔，每排螺栓孔的相邻螺栓孔之间等间隔排列；方形岩石结构面下盘固定组件包括4个直角形固定板，转动台上安装竖直角度盘和铅垂线，竖直角度盘的中心处悬挂铅垂线。以及一种系列多尺度方形岩石结构面摩擦角测量方法。本发明能够固定下盘结构面、易控制、且测试结果的精度高。

说明书

技术领域

本发明涉及系列多尺度方形岩石结构面摩擦角测量装置，适用于方形的原岩或模型结构面摩擦角的测量,可测量的结构面试样的尺寸范围为100mm×100mm-1000mm×1000mm。本发明属于工程技术领域。

背景技术

工程岩体的失稳破坏源自结构面，由Barton的结构面破坏理论可知，结构面的粗糙度系数(JRC)是影响结构面力学特性的重要参数，而粗糙度系数(JRC)可以由自重法向应力作用下的岩石结构面摩擦角进行转换获得。而在自重法向应力作用下的岩石结构面摩擦角常通过倾斜试验或者直剪试验获得，然而直剪试验是采用直剪仪建立法向应力和剪切应力的映射关系，再通过函数转换关系得到岩石结构面摩擦角，因此，采用直剪仪不能直接获得结构面的摩擦角，以致造成测得的结构面摩擦角精度低，且操作过程复杂，试验周期长，难以满足工程中准确快速获得岩石结构面摩擦角的要求。

倾斜试验可直接获得自重作用下结构面摩擦角，然而现有的摩擦角测定仪不能用于结构面摩擦角测量，且在测量方形岩石结构面摩擦角时存在以下不足：(1)不能有效固定结构面的下盘，易造成转动过程中下盘结构面在测试平台上滑动，导致测试结果的精度低，不能满足工程要求。由于结构面试样是由上下盘(通常上下盘的厚度一致，且形状是方形的)组成，结构面试样在测试过程中要和测试平台一起转动，到达结构面的峰值摩擦角时，岩石结构面试样上下盘会发生错 动，这时测得的平台转动角即为岩石结构面所求的摩擦角，因此，在试验过程中要求岩石结构面的下盘固定在测试平台上，且要拆装方便。(2)放置岩石结构面试样的测试平台在试验过程中易翻转，不易控制。现有摩擦角测试仪的提升装置与测试平台没有可靠连接，在达到岩石结构面峰值摩擦角时提升装置与测试平台会脱开，造成测试平台会翻转，导致试验失败，无法获得岩石结构面峰值摩擦角。(3)不能在同一台测试设备上测试多种系列尺度(100mm×100mm、200mm×200mm、…、1000mm×1000mm)岩石结构面试样的摩擦角。(4)操作复杂，安全性低。

发明内容

为了克服已有摩擦角测定仪在测定岩石结构面摩擦角方面具有的下盘不能固定、易翻转，不能测试多种系列尺度结构面等方面的不足，本发明提供了一种系列多尺度方形岩石结构面摩擦角测量装置及方法，该装置能够固定下盘结构面、易控制、且测试结果的精度高。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种系列多尺度方形岩石结构面摩擦角测量装置，包括机架、测试平台和方形岩石结构面下盘固定组件，所述测试平台包括转动台，所述转动台一侧固定安装在转动轴上，所述转动轴可转动地套装在机架上，所述转动轴的端部与转动把手联动，所述转动台上表面设有试样定位线和中心定位点，所述定位点为方形岩石结构面的中心点，以所述定位点为平面坐标系原点，沿着方形岩石结构面的每条对角线各分布两排螺栓孔，每排螺栓孔的相邻螺栓孔之间等间隔排列；方形岩石结构面下盘固定组件包括4个直角形固定板，所述直角形固定板位于所述方形岩石结构面的四个角上，直角形固定板的下方通过底部螺 栓与所述螺栓孔固定连接，直角形固定板的两侧均通过侧边螺栓与所述方形岩石结构面的侧面固定连接；所述转动台上安装竖直角度盘和铅垂线，所述竖直角度盘的中心处悬挂所述铅垂线。

进一步，所述转动轴的端部与所述竖直转动盘连接，所述竖直转动盘上安装所述转动把手。

再进一步，所述测试平台还包括缓冲台和缓冲垫，所述转动轴的一侧为所述转动台，所述转动轴的另一侧为缓冲台，所述缓冲台固定安装在机架上，所述缓冲台内安装缓冲垫。

所述竖直角度盘的一圈设有刻度盘。

一种系列多尺度方形岩石结构面摩擦角测量方法，所述测量方法包括以下步骤：

(a)选择要测试尺寸的岩石结构面试样；

(b)调节转动把手使转动台平放于操作台上；

(c)方形岩石结构面包括下盘结构面和上盘结构面，把下盘结构面放置于转动台上，要求下盘结构面的中心与转动台的定位点重合；

(d)通过四个直角形固定板的底部螺栓把下盘结构面与转动台进行连接；把直角形固定板的侧面螺栓穿过带螺纹的螺栓孔连接，直到螺栓端部与下盘结构面试样紧密接触；

(e)把上盘结构面通过起吊装置放置于下盘结构面上，并要求上下盘结构面吻合，且利用墨线(采用记号表在上下盘试样外侧表面画一条与结构面的垂直线)记录上下盘结构面的相对位置；

(f)记录竖直角度盘上铅垂线的初始所指角度；

(g)通过转动把手调节转动台以一定的速度转动，在转动盘转动过程中观察上盘结构面的移动情况，当上下盘结构面的墨线出现错位或者上盘结构面出现滑移时，再次记录竖直角度盘上铅垂线的所指角度；

(h)记录完成后通过转动把手把转动台回复到试验起始位置；

(i)步骤(g)与步骤(f)所记录的角度差值即为方形岩石结构面摩擦角。

本发明给出了多尺度方形岩石结构面摩擦角测量装置，可以测量尺寸分别为100mm×100mm、200mm×200mm、300mm×300mm、400mm×400mm、500mm×500mm、600mm×600mm、700mm×700mm、800mm×800mm、900mm×900mm、1000mm×1000mm的原岩或者结构面模型试样。

本发明的有益效果主要表现在：(1)操作方便、成本低、安全性高；(2)测试结构面试样的尺度范围大(100mm×100mm－1000mm×1000mm)；(3)结构面下盘易固定，拆装方便；(4)测试过程中测试平台不易翻转和振动，测试结果精度高。

附图说明

图1是系列多尺度方形岩石结构面摩擦角测量装置的示意图。

图2是图1的俯视图。

图3是直角形固定板的示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。

实施例1

参照图1～图3，一种系列多尺度方形岩石结构面摩擦角测量装置，包括机架、测试平台和方形岩石结构面下盘固定组件7，所述测试平台包括转动台2，所述转动台2一侧固定安装在转动轴4上，所述转动轴4可转动地套装在机架上，所述转动轴4的端部与转动把手5联动，所述转动台2上表面设有试样定位线和中心定位点，所述定位点为方形岩石结构面的中心点，以所述定位点为平面坐标系原点，沿着方形岩石结构面的每条对角线各分布两排螺栓孔6，每排螺栓孔的相邻螺栓孔之间等间隔排列；方形岩石结构面下盘固定组件7包括4个直角形固定板13，所述直角形固定板13位于所述方形岩石结构面的四个角上，直角形固定板13的下方通过底部螺栓11与所述螺栓孔6固定连接，直角形固定板13的两侧均通过侧边螺栓12与所述方形岩石结构面的侧面固定连接；所述转动台2上安装竖直角度盘8和铅垂线9，所述竖直角度盘的8中心处悬挂所述铅垂线9。

进一步，所述转动轴4的端部与所述竖直转动盘连接，所述竖直转动盘上安装所述转动把手。

再进一步，所述测试平台还包括缓冲台1和缓冲垫3，所述转动轴4的一侧为所述转动台2，所述转动轴4的另一侧为缓冲台1，所述缓冲台1固定安装在机架上，所述缓冲台1内安装缓冲垫3。

所述竖直角度盘8的一圈设有刻度盘10。

实施例2

参照图1～图3一种多尺度方形岩石结构面摩擦角测量方法，包括以下步骤：

(a)选择要测试尺寸的岩石结构面试样15；

(b)调节转动把手5使得转动台2平放于操作台上；

(c)利用试样定位线14把方形岩石结构面的下盘结构面放置于转动台2上，要求下盘结构面的中心与转动台2的定位点重合；

(d)通过四个直角形固定板13的底部螺栓11把下盘结构面与转动台2进行连接；把直角形固定板13的侧面螺栓12穿过带螺纹的螺栓孔连接，直到螺栓端部与下盘结构面试样紧密接触；

(e)把上盘结构面通过起吊装置放置于下盘结构面，并要求上下盘结构面完全吻合，且利用墨线(采用记号表在上下盘试样外侧面画一条与结构面的垂直线)记录上下盘的相对位置；

(f)记录竖直角度盘8上铅垂线9的初始所指角度；

(g)通过转动把手5把转动台以一定的速度转动，在转动盘转动过程中观察上盘结构面的移动情况，当上下盘结构面的墨线出现错位或者上盘结构面出现滑移时，再次记录竖直角度盘上铅垂线所指角度；

(h)记录完成后通过转动把手5把转动台2再回复到试验初始位置；

(i)步骤(g)与步骤(f)所记录的角度差值即为方形岩石结构面摩擦角。

本实施例以获得尺寸为600mm×600mm的方形岩石结构面的摩擦角为例。所述测量方法包括以下步骤：

(a)选择要测试的尺寸为600mm×600mm的岩石结构面试样15。

(b)通过竖直转动盘及把手5把转动台2平放于操作台上。

(c)利用试样定位线14把下盘结构面放置于转动台2上，要求下盘结构面的中心与转动台的中心定位点重合。

(d)通过四个直角形固定板7的螺栓把下盘结构面与转动台2进行可靠连接。由于结构面试样尺寸为600mm×600mm，故可以确定固定件底部螺栓对应转动台2上的第六圈螺栓孔6(共4个，从转动台定位点向外数的第6圈螺栓孔)，通过加固件的底部螺栓11和转动台上的螺栓孔6连接好。把加固件的侧面螺栓12穿过带螺纹的螺栓孔连接，直到螺栓端部与下盘结构面试样紧密接触，并适当上紧。

(e)把上盘结构面通过起吊装置放置于下盘结构面上，并要求上下盘结构面完全吻合，且利用墨线记录上下盘结构面的相对位置。

(f)记录角度盘8上铅垂线9的初始所指角度。

(g)转动竖直转动盘及把手5把转动台以一定的速度转动，在转动盘转动过程中观察上盘结构面的移动情况，当上下盘结构面的墨线出现错位或者上盘结构面出现滑移时，再次记录角度盘8上铅垂线9的所指角度。

(h)记录完成后通过竖直转动盘及把手5把转动台2再降回到操作台上。

(i)步骤(g)与步骤(f)所记录的角度差值即为尺寸为600mm×600mm的方形岩石结构面摩擦角。

为了获得某系列尺寸的岩石结构面粗糙度系数，需要测试系列结构面尺寸(100mm×100mm、200mm×200mm、300mm×300mm、400mm×400mm、500mm×500mm、600mm×600mm、700mm×700mm、800mm×800mm、900mm×900mm、1000mm×1000mm)的摩擦角。