CN103278393A - 一种大尺度岩石滑动摩擦实验装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种大尺度岩石滑动摩擦实验装置，包括滑动台、上部岩块固定盒和可在滑动台滑动的下部岩块固定盒，所述上部岩块固定盒设置有用于施加竖直压力的法向压力加载系统，所述下部岩块固定盒设置有水平牵引力加载系统，所述大尺度岩石滑动摩擦实验装置还设置有用于获取大尺度岩石滑动摩擦实验数据的数据测量系统；实验中上部岩块相当于滑坡体，下部岩块相当于滑床，下部岩块水平运动，上部岩块相对摩擦滑动，从而模拟滑坡岩体的滑动摩擦过程，本发明既克服了倾斜溜滑实验无法提供较大法向应力的缺点，也弥补了扭转剪切及溜滑实验岩块的小尺寸缺陷，可很好地用来研究滑坡过程中岩石滑动面的滑动磨损演化和测试滑动摩擦系数，且设备整体结构相对简单，制造成本较低。
Description
技术领域
本发明涉及一种滑动摩擦实验仪器，特别涉及一种用于大尺度岩石滑动摩擦的实验装置。
背景技术
坡表危岩滑落、顺向岩质滑坡是外倾结构面控制下的最为典型和常见的地质灾害。岩质滑坡滑动面的滑动摩擦特性是控制其启动后滑动及制动过程的重要因子，滑动面的滑动磨损及摩擦耗能是其滑动过程的本质属性。明确滑动面的磨损演化、滑动摩擦系数变化及摩擦耗能规律，是滑坡运动学模型研究的重要理论基础，即是较准确估计滑速及滑距等滑动状态参数的关键前提条件，因此研究岩石滑动摩擦特性及其磨损机理在滑坡风险评估和岩体力学及工程地质基础理论方面均具有重要的应用前景和理论意义。
目前在岩石滑坡摩擦实验方面，主要采用室内岩块倾斜溜滑、扭转剪切（环剪）、双剪及弹簧-滑块实验四类实验方法。其中双剪及弹簧-滑块实验主要是为解译断层滑动与地震相关性而开展，滑动摩擦速率一般为um/s级，实验条件与滑坡的滑动摩擦过程存在较大差别。针对岩石滑坡及危岩滑落等地质灾害在滑动过程中的滑动摩擦过程研究，主要采用室内岩块倾斜溜滑和扭转剪切实验等方法。这两类实验方法存在两个方面的明显的不足：一是室内岩块倾斜溜滑实验，一般岩块尺寸很小（大多不超过5cm），难以真实反映岩石滑面的粗糙起伏特征，且倾斜实验暂还难以施加附加法向应力（仅滑块重力）；二是扭转剪切（环剪）实验虽能施加不同的法向应力及转率，主要适用于软岩或土，但对硬脆性岩石试件加工及固定均存在较大困难，且实验空间也很小（试件尺寸小）。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的是针对现有实验设备存在的不足，设计一种可施加多级法向应力和较大滑动速度的大尺度岩石滑动摩擦实验装置，用来研究滑坡灾害中岩石滑动接触面的粗糙起伏、滑动速率、法向应力、岩石组构、风化夹泥及含水量等对滑动摩擦系数、磨损演化和能量耗散过程的影响规律。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
一种大尺度岩石滑动摩擦实验装置，包括滑动台、上部岩块固定盒和可在滑动台滑动的下部岩块固定盒，所述上部岩块固定盒设置有用于施加竖直压力的法向压力加载系统，所述下部岩块固定盒设置有水平牵引力加载系统，所述大尺度岩石滑动摩擦实验装置还设置有用于获取大尺度岩石滑动摩擦实验数据的数据测量系统；
进一步，所述法向压力加载系统包括导向杆、固定板和竖直设置的油缸，所述油缸通过固定板固定设置在导向杆上，所述油缸上下两端分别设置有上活塞杆和下活塞杆，所述上活塞杆固定设置有压力加载板，所述压力加载板可沿导向杆竖直滑动，所述下活塞杆设置有承压板；
进一步，所述上部岩块固定盒与承压板之间及下部岩块固定盒与滑动台之间均为滚动摩擦；
进一步，所述上活塞杆所在的油缸缸径小于下活塞所在油缸缸径；
进一步，所述压力加载板上固定设置有直线轴承，所述压力加载板通过直线轴承和导向杆单自由度滑动配合；
进一步，所述导向杆上还设置有缓冲套，缓冲套位于压力加载板的下方；
进一步，所述导向杆上设置有横向固定杆，所述横向固定杆上设置有用于限制上部岩块水平位移的调距丝杆；
进一步，所述水平牵引力加载系统包括伺服电机和牵引绳，所述牵引绳一端与下部岩块固定盒连接，另一端与伺服电机连接；
进一步，所述数据测量系统包括检测器、数据采集器和微机，所述检测器与数据采集器相连接，数据采集器将获得的数据输入微机；所述检测器包括用于检测上、下部岩块法向应力的法向应力传感器、用于检测牵引绳水平牵引力的水平牵引力传感器、用于检测上部岩块水平移动距离的位移传感器、用于检测下部岩块水平运动速度的水平测速仪、用于检测上、下部岩块接触面温度的温度传感器；
进一步，所述水平测速仪采用高精度的激光、电磁波等非接触式测速仪。
本发明的有益效果是：本发明是一种可施加多级法向应力和较大滑动速度的大尺度岩石滑动摩擦实验装置，实验中上部岩块相当于滑坡体，下部岩块相当于滑床，下部岩块水平运动，上部岩块相对摩擦滑动，从而模拟滑坡岩体的滑动摩擦过程，本发明既克服了倾斜溜滑实验无法提供较大法向应力的缺点，也弥补了扭转剪切及溜滑实验岩块的小尺寸缺陷，可很好地用来研究滑坡过程中岩石滑动面的滑动磨损演化和测试滑动摩擦系数，且设备整体结构相对简单，制造成本较低。
本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。
附图说明
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步的详细描述，其中：
图1为本发明结构示意图。
具体实施方式
以下将参照附图，对本发明的优选实施例进行详细的描述。应当理解，优选实施例仅为了说明本发明，而不是为了限制本发明的保护范围。
如图所示，一种大尺度岩石滑动摩擦实验装置，包括滑动台1、上部岩块固定盒2和可在滑动台滑动的下部岩块固定盒3，所述上部岩块固定盒设置有用于施加竖直压力的法向压力加载系统，所述下部岩块固定盒设置有水平牵引力加载系统，所述大尺度岩石滑动摩擦实验装置还设置有用于获取大尺度岩石滑动摩擦实验数据的数据测量系统。
本实施例是一种可施加多级法向应力和较大滑动速度的大尺度岩石滑动摩擦实验装置，实验中上部岩块4相当于滑坡体，下部岩块5相当于滑床，下部岩块5水平运动，上部岩块4相对摩擦滑动，从而模拟滑坡岩体的滑动摩擦过程，本发明既克服了倾斜溜滑实验无法提供较大法向应力的缺点，也弥补了扭转剪切及溜滑实验岩块的小尺寸缺陷，可很好地用来研究滑坡过程中岩石滑动面的滑动磨损演化和测试滑动摩擦系数，且设备整体结构相对简单，制造成本较低。
本实施例中，所述法向压力加载系统包括导向杆6、固定板7和竖直设置的油缸8，所述油缸8通过固定板7固定设置在导向杆6上，所述油缸上下两端分别设置有上活塞杆和下活塞杆，所述上活塞杆固定设置有压力加载板9，所述压力加载板9可沿导向杆6竖直滑动，所述下活塞杆设置有承压板10；实验时，在压力加载板9的上方放置加载物，本实施例中加载物为水箱11，向水箱11中注入不同的水量以施加不同的法向压力，本实施例中的法向压力加载系统结构简单，加载力稳定可调，当然在不同的实施例中还可以采用其他形式的压力加载结构均能实现本发明的目的。
本实施例中，所述上部岩块固定盒2与承压板10之间及下部岩块固定盒3与滑动台1之间均为滚动摩擦；具体的形式为：在上部岩块固定盒2与承压板10之间放置滚珠；在下部岩块固定盒3与滑动台1之间放置滚动轴。
本实施例中，所述上活塞杆所在的油缸缸径小于下活塞所在油缸缸径；本实施例的结构可以实现向水箱11中放入较少的水达到较大的加载力的效果。
本实施例中，所述压力加载板9上固定设置有直线轴承12，所述压力加载板9通过直线轴12承和导向杆6单自由度滑动配合。
本实施例中，所述导向杆6上还设置有缓冲套13，缓冲套13位于压力加载板9的下方。
本实施例中，所述导向杆6上设置有横向固定杆，所述横向固定杆上设置有用于限制上部岩块水平位移的调距丝杆14。
本实施例中，所述水平牵引力加载系统包括伺服电机15和牵引绳16，所述牵引绳一端与下部岩块固定盒3连接，另一端与伺服电机15连接。
本实施例中，所述数据测量系统包括检测器、数据采集器和微机（图中未画出），所述检测器与数据采集器相连接，数据采集器将获得的数据输入微机；所述检测器包括用于检测上、下部岩块法向应力的法向应力传感器17、用于检测牵引绳水平牵引力的水平牵引力传感器18、用于检测上部岩块水平移动距离的位移传感器19、用于检测下部岩块水平运动速度的水平测速仪20、用于检测上、下部岩块接触面温度的温度传感器21。
本实施例中，所述水平测速仪20采用高精度的激光、电磁波等非接触式测速仪。
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (10)
1.一种大尺度岩石滑动摩擦实验装置，其特征在于：包括滑动台、上部岩块固定盒和可在滑动台滑动的下部岩块固定盒，所述上部岩块固定盒设置有用于施加竖直压力的法向压力加载系统，所述下部岩块固定盒设置有水平牵引力加载系统，所述大尺度岩石滑动摩擦实验装置还设置有用于获取大尺度岩石滑动摩擦实验数据的数据测量系统。
2.根据权利要求1所述的大尺度岩石滑动摩擦实验装置，其特征在于：所述法向压力加载系统包括导向杆、固定板和竖直设置的油缸，所述油缸通过固定板固定设置在导向杆上，所述油缸上下两端分别设置有上活塞杆和下活塞杆，所述上活塞杆固定设置有压力加载板，所述压力加载板可沿导向杆竖直滑动，所述下活塞杆设置有承压板。
3.根据权利要求2所述的大尺度岩石滑动摩擦实验装置，其特征在于：所述上部岩块固定盒与承压板之间及下部岩块固定盒与滑动台之间均为滚动摩擦。
4.根据权利要求2所述的大尺度岩石滑动摩擦实验装置，其特征在于：所述上活塞杆所在的油缸缸径小于下活塞所在油缸缸径。
5.根据权利要求2所述的大尺度岩石滑动摩擦实验装置，其特征在于：所述压力加载板上固定设置有直线轴承，所述压力加载板通过直线轴承和导向杆单自由度滑动配合。
6.根据权利要求2所述的大尺度岩石滑动摩擦实验装置，其特征在于：所述导向杆上还设置有缓冲套，缓冲套位于压力加载板的下方。
7.根据权利要求2所述的大尺度岩石滑动摩擦实验装置，其特征在于：所述导向杆上设置有横向固定杆，所述横向固定杆上设置有用于限制上部岩块水平位移的调距丝杆。
8.根据权利要求1所述的大尺度岩石滑动摩擦实验装置，其特征在于：所述水平牵引力加载系统包括伺服电机和牵引绳，所述牵引绳一端与下部岩块固定盒连接，另一端与伺服电机连接。
9.根据权利要求1所述的大尺度岩石滑动摩擦实验装置，其特征在于：所述数据测量系统包括检测器、数据采集器和微机，所述检测器与数据采集器相连接，数据采集器将获得的数据输入微机；所述检测器包括用于检测上、下部岩块法向应力的法向应力传感器、用于检测牵引绳水平牵引力的水平牵引力传感器、用于检测上部岩块水平移动距离的位移传感器、用于检测下部岩块水平运动速度的水平测速仪、用于检测上、下部岩块接触面温度的温度传感器。
10.根据权利要求9所述的大尺度岩石滑动摩擦实验装置，其特征在于：所述水平测速仪采用高精度的激光、电磁波等非接触式测速仪。
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