CN105866024A - 一种渗压作用下岩体超低摩擦效应的动摩擦系数测定装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种渗压作用下岩体超低摩擦效应的动摩擦系数测定装置，包括岩体结构面模型、反力墩、设置有凹槽和水槽的实验台、加载装置、水压加载系统、实验装置承载架和监测系统，其中，岩体结构面模型由大小相等的上下两锲体组成，在上部岩体模型内部预埋高压水管，且模型的预制结构面与水平方向呈一定角度；实验台的中间设置有用来固定下部岩体模型的凹槽，紧挨凹槽左侧设置一个反力墩；加载装置分为竖直向的液压千斤顶和水平向的电磁式激振器。本发明通过切割加工的方式来改变模型的结构面倾斜角度而最终确定在一定渗压与振动耦合作用下发生超低摩擦滑移失稳时的临界角度，为研究深部岩体的超低摩擦效应提供一种新思路和实验方法。

Description

一种渗压作用下岩体超低摩擦效应的动摩擦系数测定装置
技术领域
本发明涉及岩土工程模型实验技术，尤其涉及一种渗压作用下岩体超低摩擦效应的动摩擦系数测定装置。
背景技术
两个物体发生相对滑动时，其接触面上产生的阻碍其相对运动的作用力称为滑动摩擦力，它产生的充要条件是两物体接触面上具有挤压力且发生了相对滑动。滑动摩擦力的大小只与两物体接触面的粗糙程度和挤压力有关，而与接触面的面积大小和滑动速度的快慢无关，即有f＝μN的关系式，式中:f为滑动摩擦力，μ为由两物体接触面的粗糙度以及材料性质所决定的滑动摩擦系数，N为两物体接触面的正压力。
摩擦系数μ大于tanθ，则无论在物体的竖直方向作用多大的外力F，该物体都不会滑动，这种现象叫做“自锁”。
深部岩体在长期高地应力作用下，通常为含有节理裂隙的块系结构。当动力冲量作用于岩块系统时，由于岩体的振动，岩石间的相对压紧程度会随时间变化。在某些时刻，当岩块间相对疏松时，岩块间的摩擦力和摩擦系数会大大降低，甚至降为零，即产生超低摩擦效应，块系的临界平衡条件变化导致块系岩体发生超低摩擦滑动失稳。而处于深部的岩体结构面，往往还受到水的作用，渗压和水将使岩块之间的连结减弱并起一定润滑剂的作用，这将加剧岩体的滑动破坏。
然而，在以往对岩体结构面的超低摩擦滑动失稳的研究方法中，大多数是通过理论分析和数值模拟手段去论证实现，不能从直观的实验角度去了解、观察该现象发生的过程；同时，在以往的研究中一般只单独考虑动力作用的影响而忽略了岩体受到渗压与振动耦合作用的真实受力环境，使得研究不符合工程中的实际情况；在现有的岩体结构面摩擦滑动的实验研究中，一般采用双轴双向直剪仪或三轴试验系统，但这都存在一定缺陷，不能有效的对岩体结构面模型进行渗压与振动耦合作用下结构面发生相对滑动的实验研究。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于针对现有技术中的缺陷，提供一种渗压作用下岩体超低摩擦效应的动摩擦系数测定装置，为研究深部岩体的超低摩擦效应提供一种新思路和实验方法。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种渗压作用下岩体超低摩擦效应的动摩擦系数测定装置，包括：
设置在凹槽内的岩体结构面模型，所述岩体结构面模型由上部岩体模型和下部岩体模型组成，在上部岩体模型的内部预埋有排列规则的高压水管；所述上部岩体模型和下部岩体模型为大小相等的上下两锲体；
设置有凹槽、水槽和反力墩的实验台，所述水槽环绕凹槽和反力墩设置；所述凹槽和反力墩用于固定下部岩体模型；
加载装置，包括作用在上部岩体模型的顶部的竖直向的液压千斤顶和作用于下部岩体模型用于提供水平向振动的水平向的激振器；
水压加载系统，用于向预埋在上部岩体模型内部的高压水管供水以提供实验渗压。
按上述方案，所述竖直向的液压千斤顶作用在上部岩体模型的中心轴上。
按上述方案，所述激振器的振动荷载施加在下部岩体模型的右侧中点处。
按上述方案，所述激振器为电磁式激振器。
按上述方案，所述动摩擦系数测定装置还包括用于监测上部岩体模型左侧中心线处的位移变化的激光位移传感器。
按上述方案，所述动摩擦系数测定装置还包括焊接在实验台上实验装置承载架，所述实验装置承载架用以固定激光位移传感器、液压千斤顶和激振器。
按上述方案，所述水压加载系统包括滑轮、自制溢流水箱、水箱进出水口、阀门、集水缸、水泵和高压水管；实验过程中用水泵与高压水管不间断地往水箱进水口注水，从水箱出水口溢流出来的水经高压水管流回到集水缸内，水箱里的水经过箱底的高压水管与阀门流入预埋在上部岩体模型内的高压水管中，在上下两模型的预制结构面上形成渗压；所述滑轮用于通过改变自制溢流水箱的出水口高度来调节实验渗压。
按上述方案，所述动摩擦系数测定装置还包括设置在上部岩体模型顶面的压力传感器及与其连接的压力信号采集器；所述压力传感器用于测量并记录上部岩体模型的压力变化。
按上述方案，所述动摩擦系数测定装置还包括与电磁式激振器连接的功率放大器及传感器控制器。
按上述方案，所述实验台为一个尺寸为长1.5m、宽0.5m、高0.4m的长方体，采用混凝土浇筑而成，凹槽设置在其上表面中心处，凹槽尺寸为长0.2m、宽0.2m、深0.1m；实验台面上的反力墩与实验台用混凝土浇筑成一个整体，为长0.2m、宽0.1m、高0.2m的长方体；水槽距离凹槽和反力墩四周为0.05m。
按上述方案，所述自制溢流水箱采用塑料桶制成，在水箱的侧面和底面设置进出水口与高压水管相连，分别作为溢流出水口、水箱进水口和试验渗压出水口。
按上述方案，所述实验装置承载架采用工字钢焊接制成。
按上述方案，所述反力墩设置在凹槽槽口的一侧。
本发明产生的有益效果是：
1、本发明针对岩体受到渗压与振动耦合作用的复杂受力情况，考虑以往关于岩体结构面摩擦滑动实验研究的不足，实现了基于渗压与振动耦合作用的岩体结构面模型发生超低摩擦滑动失稳，使得研究工况更加符合工程中岩体结构面的实际受力情况。
2、本发明在实验过程中可以利用切割机对上下岩体模型的预制结构面进行切割加工，从而改变相接触的结构面倾斜角度以达到模型的多次利用，最终确定该岩体模型在一定渗压与振动耦合作用下发生超低摩擦滑动失稳时所对应的临界角，从而可以测定在该状态下的动摩擦系数。
3、本发明可以实现岩体结构面模型基于渗压与振动耦合作用下发生超低摩擦滑移失稳的模拟，通过对实验过程中的渗压、静力荷载、动力荷载、位移、模型力学参数以及结构面倾斜角度的监测，探明其各变量之间的关系，揭示岩体结构面发生超低摩擦滑移的原理，为研究深部岩体的超低摩擦效应提供一种新思路和实验方法。
4、本发明的岩体结构面模型采用岩体相似材料制成，如石膏、水泥砂浆等，可通过不同的材料配合比来改变其弹性模量、单轴抗压强度、泊松比等力学参数，从而模拟出不同力学参数和摩擦系数的岩体结构面模型。
5、本发明采用自制溢流水箱来提供实验所需要的渗压，使得渗透水压力大小可控，系统稳定性高，操作简单。
附图说明
下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：
图1为本发明实施例的结构示意图；
图2为本发明实施例的监测系统示意图；
图3为本发明实施例的岩体结构面模型示意图；
图4为本发明实施例的上部岩体结构面模型横截面示意图；
图5为本发明实施例的实验台示意图。
其中：1-岩体结构面模型；2-反力墩；3-实验台；4-凹槽；5-水槽；6-激光位移传感器；7-液压千斤顶；8-电磁式激振器；9-实验装置承载架；10-滑轮；11-自制溢流水箱；12-进出水口；13-阀门；14-集水缸；15-水泵；16-高压水管；17-水压加载系统；18-传感器控制器；19-压力信号采集器；20-功率放大器；21-计算机。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
如图1所示，本发明包括：岩体结构面模型1、反力墩2、设置有凹槽4和水槽5的实验台3、加载装置7、8、水压加载系统17、实验装置承载架9和监测系统。
图3为本具体实施中所运用的岩体结构面模型1的示意图，其采用岩体相似材料制成，如石膏、水泥砂浆等，可通过不同的材料配合比来改变其弹性模量、单轴抗压强度、泊松比等力学参数，从而模拟出不同力学参数和摩擦系数的岩体结构面模型。岩体结构面模型1由大小相等的上下两锲体组成，其底面为边长0.2m的正方形，短边高为0.4m，长边高为0.5m，即上下两锲体相接触的预制结构面与水平方向呈一定角度，实验过程中可根据需要利用切割机对上下岩体模型的预制结构面进行切割加工，切割轨迹如图3中虚线所示，从而改变相接触的结构面倾斜角度以达到模型的多次利用；模型浇筑时，在上部岩体模型1A的内部按照如图4所示的排列规则预埋小口径高压水管16D，用以通水后在上下岩体模型的预制结构面上形成渗压。
图4为本具体实施中上部岩体结构面模型1A的横截面示意图，从图中可以清晰的得到预埋在上部岩体模型内部的高压水管16D的排列规则。如图4所示，在模型的横截面上横向均匀布置6排外径为5mm的小口径高压水管16D，高压水管之间的间距为30mm，且两侧高压水管距离模型边界10mm；在横向高压水管的两端分别布置一根纵向的同口径高压水管与其连接，且纵向高压水管距离模型边界10mm；在图中的虚线圆圈处布置竖直向下的同口径高压水管至预制结构面处；所有高压水管的接口均用内径为5mm的通管联结，使得岩体模型内部预埋的高压水管形成一个完整的系统。
实验台3和实验台面上的反力墩2采用混凝土浇筑成一个整体，如图5所示，实验台为长1.5m、宽0.5m、高0.4m的长方体，在实验台的上表面中心处设置一长0.2m、宽0.2m、深0.1m的凹槽4，紧挨着凹槽左侧设置一个长0.2m、宽0.1m、高0.2m的长方体反力墩2，凹槽和反力墩都是用来固定下部岩体模型1A的，且在距离凹槽4和反力墩2四周为0.05m处设置宽0.05m、深0.05m的环绕水槽5用来排水。
加载装置7、8分为竖直向的液压千斤顶7和水平向的电磁式激振器8，液压千斤顶直接作用在上部岩体模型1A的顶部用来施加静载，静荷载大小可以变化；电磁式激振器直接作用于下部岩体模型1B的右侧以提供水平向振动，在实验过程中计算机21发送一个简谐波信号至功率放大器20，信号放大后促使电磁式激振器8产生对应的振动，即通过改变简谐波的振幅和频率就可以改变振动的大小和频率。
水压加载系统17包括滑轮10、自制溢流水箱11、进出水口12、阀门13、集水缸14、水泵15和高压水管16，实验过程中用集水缸内的水泵与高压水管16A不间断地往水箱注水，从水箱出水口12A溢流出来的水经高压水管16B流回到集水缸内，水箱里的水经过箱底的高压水管16C与阀门流入预埋在上部岩体模型1A内的高压水管16D中，在上下两模型的预制结构面上形成渗压，实验中通过滑轮改变自制溢流水箱的出水口12A高度来调节实验渗压，实验结束时可关闭阀门13来阻断水流。在具体实施中，自制溢流水箱11采用塑料桶改装制成。
在具体实施中，实验装置承载架9采用工字钢焊接制成，并将其固定在实验台3上。实验装置承载架用以固定激光位移传感器6并确保其精确测量到上部岩体模型1A左侧中心线处的位移变化；用以固定液压千斤顶7并确保其作用在上部岩体模型1A的中心轴上；用以固定电磁式激振器8并确保其动力荷载施加在下部岩体模型1B的右侧中点处；用以固定滑轮10并通过其调整自制溢流水箱出水口的高度。
监测系统包括计算机21、激光位移传感器6及与其连接的传感器控制器18、设置在上部岩体模型1A顶面的压力传感器及与其连接的压力信号采集器19、与电磁式激振器8连接的功率放大器20，传感器控制器18、压力信号采集器19、功率放大器20均与计算机21连接；激光位移传感器6及与其连接的传感器控制器18用来测量并记录上部岩体模型1A的水平位移变化，并通过传感器控制器18将监测数据传至计算机21；压力传感器及与其连接的压力信号采集器19用来测量并记录上部岩体模型1A的压力变化，并通过压力信号采集器19将监测数据传至计算机21；计算机21接收传感器控制器18和压力信号采集器19传来的数据，存储并分析所采集的实验数据；计算机21发送简谐波信号至功率放大器20，信号放大后促使电磁式激振器8产生简谐波振动，记录下振动的振幅和频率。
下面将详细描述本发明的工作过程。
首先，将下部岩体模型1B平整端放入实验台3上的凹槽4内，并确保下部岩体模型高为0.4m这一侧与反力墩2紧密接触；把上部岩体模型1A的斜截面端对应放在下部岩体模型1B的斜结构面上，使预制结构面完全重合；调整液压千斤顶7到适当位置，以保证其施加的静荷载作用在上部岩体结构面模型1A的中心处；调整电磁式激振器8到适当位置，以确保其施加的振动荷载作用在下部岩体结构面模型1B右侧的中部；安置好激光位移传感器6，使得可以准确测量到上部岩体结构面模型1A左侧中心处位移的变化；记录上部岩体模型1A的初始位置，并打开监测系统中所有的装置与设备。
其次，启动液压千斤顶7，给岩体结构面模型1施加一定值的竖向荷载，观察岩体模型的结构面是否发生滑移；通过滑轮10将自制溢流水箱的出水口12A定于预定高度，发动水泵15，待水箱11内的水开始溢流时打开阀门13，水流经过高压水管16C、16D流到预制结构面上从而产生一定渗压；同时启动电磁式激振器8，利用计算机21发送一个简谐波信号至功率放大器20，信号放大后促使电磁式激振器8对下部岩体模型1B施加一定幅值和频率的简谐波振动。
然后，观察在一定渗压与振动耦合作用下岩体结构面模型是否发生滑移，若不发生滑移，关闭各装置，用切割机对上下岩体模型的预制结构面角度进行切割加工，慢慢增大其倾斜角度，岩体模型加工完毕后再重新进行上述实验，如此反复直至发生滑移为止，测量此时岩体结构面模型的斜截面角度和记录自制溢流水箱的出水口12A距离岩体模型的预制结构面的高差，并利用监测系统中的计算机21保存传感器控制器18和压力信号采集器19所监测到的数据，根据计算机21中的监测数据、测量得到的岩体结构面模型1的倾斜面角度和自制溢流水箱的出水口12A距离岩体模型的预制结构面的高差，对岩体结构面模型在一定渗压与振动耦合作用下发生超低摩擦滑移进行模拟，同时得到岩体模型的结构面倾斜角度就是该状态下发生超低摩擦滑移所对应的临界角，即可以测定在该情况下的动摩擦系数。
最后，关闭阀门13和水泵15；松开液压千斤顶7和关闭电磁式激振器8；取下岩体结构面模型1；关闭监测系统。
应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (10)

1.一种渗压作用下岩体超低摩擦效应的动摩擦系数测定装置，包括：
设置在凹槽内的岩体结构面模型，所述岩体结构面模型由上部岩体模型和下部岩体模型组成，在上部岩体模型的内部预埋有排列规则的高压水管；所述上部岩体模型和下部岩体模型为大小相等的上下两锲体；
设置有凹槽、水槽和反力墩的实验台，所述水槽环绕凹槽和反力墩设置；所述凹槽和反力墩用于固定下部岩体模型；
加载装置，包括作用在上部岩体模型的顶部的竖直向的液压千斤顶和作用于下部岩体模型用于提供水平向振动的水平向的激振器；
水压加载系统，用于向预埋在上部岩体模型内部的高压水管供水以提供实验渗压。
2.根据权利要求1所述的动摩擦系数测定装置，其特征在于，所述竖直向的液压千斤顶作用在上部岩体模型的中心轴上。
3.根据权利要求1所述的动摩擦系数测定装置，其特征在于，所述激振器的振动荷载施加在下部岩体模型的右侧中点处。
4.根据权利要求1所述的动摩擦系数测定装置，其特征在于，所述激振器为电磁式激振器。
5.根据权利要求1所述的动摩擦系数测定装置，其特征在于，所述动摩擦系数测定装置还包括用于监测上部岩体模型左侧中心线处的位移变化的激光位移传感器。
6.根据权利要求1所述的动摩擦系数测定装置，其特征在于，所述动摩擦系数测定装置还包括焊接在实验台上的实验装置承载架，所述实验装置承载架用以固定激光位移传感器、液压千斤顶和激振器。
7.根据权利要求1所述的动摩擦系数测定装置，其特征在于，所述水压加载系统包括滑轮、自制溢流水箱、水箱进出水口、阀门、集水缸、水泵和高压水管；实验过程中用水泵与高压水管不间断地往水箱进水口注水，从水箱出水口溢流出来的水经高压水管流回到集水缸内，水箱里的水经过箱底的高压水管与阀门流入预埋在上部岩体模型内的高压水管中，在上下两模型的预制结构面上形成渗压；所述滑轮用于通过改变自制溢流水箱的出水口高度来调节实验渗压。
8.根据权利要求1所述的动摩擦系数测定装置，其特征在于，所述动摩擦系数测定装置还包括设置在上部岩体模型顶面的压力传感器及与其连接的压力信号采集器；所述压力传感器用于测量并记录上部岩体模型的压力变化。
9.根据权利要求1所述的动摩擦系数测定装置，其特征在于，所述动摩擦系数测定装置还包括与电磁式激振器连接的功率放大器及传感器控制器。
10.根据权利要求1所述的动摩擦系数测定装置，其特征在于，所述自制溢流水箱采用塑料桶制成，在水箱的侧面和底面设置进出水口与高压水管相连，分别作为溢流出水口、水箱进水口和试验渗压出水口。
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