CN109115612B - 摩擦体力型岩质滑坡试验系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种摩擦体力型岩质滑坡试验系统，其包括支撑台和支架，支撑台上设置有支撑板和动力部，支撑板上放置有与动力部固定连接动力传递部；动力传递部与岩质试样接触面为透明板，支撑板上放置有图像采集装置；支撑台的边缘固定有称重传感器；支架上安装有皮带传输装置，支架邻近岩质试样侧固定安装有光滑板体；试验时，邻近支撑台侧的传输皮带的内外表面分别与光滑板体和岩质试样接触。本发明可以高精度的控制施加的水平方向荷载和位移，模拟在不同的受力路径下变形破坏，同时可以清晰的录制破坏过程，精细的数据采集装置和先进的数据处理系统，更加有助于分析其破坏机理。
Description
技术领域
本发涉及岩质滑坡研究领域，具体涉及一种摩擦体力型岩质滑坡试验系统。
背景技术
岩土体破坏机理的复杂性：边坡应力环境复杂、地应力量级高是西部地区岩石高边坡在赋存环境上的一个显著特征。由于区域应力场背景值高，局部存在特殊的高应力集中机制，这使得岩土体内部应力情况极为复杂。目前对岩质边坡在复杂应力-应变路径下的发展演化规律和特征认识还很缺乏，必须通过深入研究突破这一问题。
目前岩质边坡在自重状态下真实应力状态变形机理的室内分析研究主要通过在离心机运转加速度100g条件下开始振动试验。基于传统离心机优越的试验性能和稳定性，基本能够满足试验模拟需求，但开展一次试验的研究成本将近上十万、甚至上百万元，这从根本上抑制了模拟岩质边坡在自重状态下真实应力的试验次数，从而无法得到岩体内部有效真实的变形特性。
当前底摩擦设备也存在诸多不完善的地方，例如模拟岩体、土体变形破坏的底摩擦试验机只能在自重应力下提供水平方向的摩擦力，且只能做试样强度比较低的试验；边坡三维底摩擦试验装置只能靠自重或者人力来使斜坡破坏，不可控因素影响太大；一种实现无级变速的底摩擦模拟试验虽然可以改变摩擦力的大小，但是改变的摩擦力大小范围有限，且不能模拟不同应力路径下的变形破坏。
发明内容
针对现有技术中的上述不足，本发明提供的摩擦体力型岩质滑坡试验系统能够模拟自重应力下岩质斜坡的变形破坏过程。
为了达到上述发明目的，本发明采用的技术方案为：
提供一种摩擦体力型岩质滑坡试验系统，其包括支撑台和支架，支撑台上设置有一块表面光滑的支撑板和一给岩质试样施加横向荷载的动力部，支撑板上放置有与动力部固定连接，并将动力部的点载荷转换为面载荷传递给岩质试样的动力传递部；动力传递部与岩质试样接触面为透明板，支撑板上放置有相对支撑板移动、并用于采集岩质试样图像的图像采集装置；
支撑台的边缘固定有用于采用岩质试样竖向载荷的称重传感器；支架上安装有用于对岩质试样施加与岩质试样重力方向相同的荷载的皮带传输装置，支架邻近岩质试样侧固定安装有用于支撑皮带传输装置的传输皮带及降低传输皮带与支架间摩擦力的光滑板体；试验时，邻近支撑台侧的传输皮带的内外表面分别与光滑板体和岩质试样接触。
进一步地，动力部、图像采集装置、皮带传输装置和称重传感器均与控制器连接。
进一步地，当动力部施加横向载荷按照设定加速度为一个等级增加时，动力部的推力FN(t)和传输皮带的摩擦系数μt为：
其中，b为设定加速度；M为岩质试样的质量；g为重量加速度；Ft-1为t-1时刻称重传感器采集的数据；FN(t-1)为t-1时刻动力部的推力；FN(t)为t-1时刻动力部的推力；int为向下取整的函数；μt为t时刻传输皮带的摩擦系数；
传输皮带的转速为：
其中，nt-1为传输皮带t-1时刻的转速，μt-1为t-1时刻传输皮带的摩擦系数；
图像采集装置采集当前图像时与采集上一次图像时的时间间隔为：
其中，fi为采集当前图像时与采集上一次图像时的时间间隔；f1为图像采集装置启动至第一次采集图像的时间间隔；ni为采集当前图像时对应的传输皮带转速，ni-1为上一次采集图像时对应的传输皮带转速；celing为向上取整函数；
图像采集装置在t时刻的观测距离Lt为：
其中，Lt为图像采集装置t时刻的观察距离；nt为t时刻传输皮带的转速；a为岩质试样的尺寸；r为图像采集装置的镜头半径；β为图像采集装置的光学放大率。
本发明的有益效果为：本方案将皮带传输装置的传输皮带竖直放置，在水平应力作用下，为岩质试样施加与重力方向相同的荷载，这样能够更好地模拟自重应力状态下岩质斜坡的受力状态。
支撑板及光滑板体的设置可以降低动力部及传输皮带传动荷载过程的损失量，使得荷载最大化作用与岩质试样，从而保证了模拟岩质试样滑坡过程中力学分析的准确性。
控制器的设置，可以精准地控制动力部的施加的水平荷载和位移，使得本系统可以模拟不同应力路径下的变形破坏。
本方案通过加载在岩质试样的水平荷载，进行传输皮带转速的调整，使得传输皮带能够自适应大荷载，精准调整传输皮带的转速以避免传输皮带在大荷载作用下产生变形影响传输皮带施加在岩质试样上的荷载。
通过传输皮带转速实施调整图像采集装置的图像采集间隔及每时刻相对岩质试验的观测距，使得图像采集装置可以清晰地录制破坏过程，采集的图像能够更加清楚准确地反映岩质试样的破裂变化过程，保证了试验时采集的数据的准确性，同时精细的数据更加有助于分析其破坏机理。
附图说明
图1为摩擦体力型岩质滑坡试验系统的结构示意图。
图2为支架的立体图。
图3为皮带传输装置安装在支架上后的侧视图。
图4为图1中A部放大图。
其中，1、支撑台；2、控制器；3、动力部；4、承载板；5、摄像机；6、支撑板；7、支撑杆；8、透明板；9、岩质试样；10、光滑板体；11、传输皮带；12、支架；121、固定板；122、支撑柱；13、底座；14、冷却风机；15、称重传感器；16、冷却剂；17、冷却容器；18、支撑块；19、托架。
具体实施方式
下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。
如图1所示，该摩擦体力型岩质滑坡试验系统包括支撑台1和支架12，支撑台1上设置有一块表面光滑的支撑板6和一给岩质试样9施加横向荷载的动力部3，其中动力部3选用伺服电动缸；支撑板6上放置有与动力部3固定连接，并将动力部3的点载荷转换为面载荷传递给岩质试样9的动力传递部，动力传递部与岩质试样9接触面为透明板8。
支撑板6表面光滑的设置，可以降低支撑板6与动力传递部之间的摩擦力，降低横向载荷在传递过程的损失量，保证了滑坡模拟实验过程中实验数据的准确性；动力传递部将作用其上的点载荷转换成面载荷后传递给岩质试样9，这样可以使得岩质试样9每一处所受力均相同，保证了整个岩质试样9均在同等作用下发生破坏。
实施时，本方案优选动力传递部还包括承载板4和多根支撑杆7，承载板4一侧与动力部3固定连接，另一侧与多根支撑杆7固定连接，所有支撑杆7的另一端均与透明板8固定连接；承载板4与透明板8的尺寸相同，且每根支撑杆7在承载板4/透明板8上的固定位置关于承载板4/透明板8的形心成中心对称。
伺服电动缸将推力施加在承载板4的几何中心，然后以均匀的水平压力传递给岩质试样9，支撑杆7长度为摄像机5长度的3倍，支撑杆7直径与长度的比值为1：8.5(在保证支撑杆有足够强度传递伺服电动缸推力不变形情况下，尽量为摄像机5及光滑板体18提供足够的空间移动)。
支撑板6上放置有相对支撑板6移动、并用于采集岩质试样9图像的图像采集装置；其中图像采集装置包括放置在支撑板6上的支撑块18和安装在支撑块18上的摄像机5，支撑块18远离岩质试样9侧与一个伺服电动缸连接，该处的伺服电动缸固定在支撑板6上，其并能带动支撑块18在支撑板6上滑动。
其中，摄像机5的镜头朝向岩质试样9，由于采用的支撑杆7连接透明板8和承载板4，使得图像采集装置可以位于支撑杆7之间形成的空间中，这样摄像机5在拍摄时不受承载板4和支撑杆7件的运动影响，其中摄像机5将所获得数据传送控制器，并使用破裂测量系统处理数据。
透明板8的透明特性，能够直观、清楚地观察、记录岩质试样9在底摩擦力作用下变形、破裂的现象，这样采用摄像机5透过透明板8就能够采集到岩质试样9清楚直观的变形过程的图像，采集的这些图像可以采用破裂测量系统进行处理数据，以达到了解岩质试样9的变形程度。
如图4所示，支撑台1的边缘固定有用于采用岩质试样9竖向载荷的称重传感器15，具体的，可以在支撑台1的边缘开一尺寸与称重传感器15尺寸相匹配的槽，称重传感器15放置在该槽内；称重传感器15采用电阻式应变式称重传感器15，其与控制器连接，实时将岩质试样9受到的竖直向下的载荷传递给控制器。
支架12上安装有用于对岩质试样9施加与岩质试样9重力方向相同的荷载的皮带传输装置，皮带传输装置包括安装在支架12上的电动机及固定安装在电动机下端的支架12上的传动轴，传动轴上通过轴承固定有一皮带轮，电动机的输出轴上均安装有皮带轮，传输皮带11套装在两个皮带轮上。
支架12邻近岩质试样9侧固定安装有用于支撑皮带传输装置的传输皮带11及降低传输皮带11与支架12间摩擦力的光滑板体10；试验时，邻近支撑台1侧的传输皮带11的内外表面分别与光滑板体10和岩质试样9接触。
如图2和图3所示，支架12由一块固定板121和多根安装在固定板121同一面上下侧的支撑柱122组成，在安装皮带传输装置时，电动机和传动轴分别固定在固定板121同一端的上下支撑柱122上，这样传输皮带11的一侧可以通过固定板121进行支撑，可以使岩质试样9位于固定板121与透明板8之间，避免岩质试样9水平移动。
光滑板体10采用聚四氟乙烯板，其粘贴在支架12的固定板121表面，可以减小支架12和传输皮带11的摩擦力，从而减小传输皮带11的发热。
在本发明的一个实施例中，动力部3、图像采集装置、皮带传输装置和称重传感器15均与控制器2连接，本方案的控制器2采用的一台安装有微破裂测量系统的计算机。
采用控制器2可以精准地控制施加在岩质试样9上的水平荷载和位移，以达到模拟不同应力路径下的变形破坏。采用电阻应变式称重传感器15实时获取试样实际受力，反馈到控制器中，校验瞬时试验结果，保证试验的整个过程能够按要求进行，达到想要的试验目的。
动力部3及带动摄像机5移动的部件均采用伺服电动缸，使得在进行位移控制时控制精度高，稳定性能好，运行安全，使得动力部3能够产生较大的加速度，很容易通过伺服电动缸实现大功率的直线伺服驱动，而且结构简单。
在本发明的一个实施例中，当动力部3施加横向载荷按照设定加速度为一个等级增加时，动力部3的推力FN(t)和传输皮带11的摩擦系数μt为：
其中，b为设定加速度；M为岩质试样9的质量；g为重量加速度；Ft-1为t-1时刻称重传感器15采集的数据；FN(t-1)为t-1时刻动力部3的推力；FN(t)为t-1时刻动力部3的推力；int为向下取整的函数；μt为t时刻传输皮带11的摩擦系数；
所述传输皮带11的转速为：
其中，nt-1为传输皮带11t-1时刻的转速，μt-1为t-1时刻传输皮带11的摩擦系数；
图像采集装置采集当前图像时与采集上一次图像时的时间间隔为：
其中，fi为采集当前图像时与采集上一次图像时的时间间隔；f1为图像采集装置启动至第一次采集图像的时间间隔；ni为采集当前图像时对应的传输皮带11转速，ni-1为上一次采集图像时对应的传输皮带11转速；celing为向上取整函数；
所述图像采集装置在t时刻的观测距离Lt为：
其中，Lt为图像采集装置t时刻的观察距离；nt为t时刻传输皮带的转速；a为岩质试样9的尺寸；r为图像采集装置的镜头半径；β为图像采集装置的光学放大率0.1375～0.364。
本方案通过动力部3的实时推力对传输皮带11的转速、摄像机5距离岩质试样9的观测距离及摄像机5采集图像的时间间隔进行调整，可以避免传输皮带11在大荷载作用下产生变形，影响传输皮带11施加在岩质试样9上的荷载；摄像机5观测距离和采集图像的时间间隔的调整，可以保证摄像机5能够清晰地录制试样的破坏过程，避免关键破坏点拍摄不清晰。
传输皮带11与岩质试样9接触的表面设置有锯齿，锯齿向着传输皮带11运动方向倾斜，传输皮带11的材料为丁苯橡胶纳米复合材料，锯齿高度为2mm，前角20°，后角35°，楔角35°。
传输皮带11上的锯齿采用上述结构设置后，其能够使传输皮带11在同一转速作用下，增大传输皮带11与岩质试样9之间的摩擦力。
如图1所示，摩擦体力型岩质滑坡试验系统还包括对传输皮带11进行冷却的冷却装置，冷却装置包括对传输皮带11中部的平面段(传输皮带11套在皮带轮上后，其处于皮带轮处呈弧形，其他未位于皮带轮处均被崩直，被称之为平面段。)进行冷却的冷却风机14和位于支架12下方、用于浸泡传输皮带11下端的制冷剂装置。
其中，制冷剂装置放置在支架12的底部，其包括冷却容器17，传输皮带11下端及传动轴和一个皮带轮浸泡在冷却容器17中的液态R-123冷却剂16中，传输皮带11右侧受强劲的冷却风机14降温，保证传输皮带11可以在给岩质试样9提供高摩擦力的同时保持常温。
其中，冷却容器17开口与传输皮带11连接较为紧密，这样仅较少R-123制冷剂挥发，冷却容器17开口长×宽为1m×0.5m。
本方案的试验系统还包括一个刚度比较大的底座13，支撑台1、支架12和冷却装置均安装在底座13上，具体地，支撑台1在邻近制冷剂装置侧开设有一供部分冷却容器17延伸至其内的凹槽，支架12的支撑柱122自由端固定在底座13侧面上，并与底座13底面之间的间距至少大于等于冷却容器17高度；冷却容器17可以固定在底座13底面与支架12底面之间连接的连接杆上。冷却风机14通过一托架19安装在底座13的侧面，对传输皮带11的表面进行散热，并吹散挥发出的制冷剂。
本方案的动力部3最大可施加800kN的压力，底座13具有高刚度，在1000kN的压力下变形量不超过0.5％。
在采用本方案提供的系统进行试验时，其具体实现过程为：
制备岩质试样9：根据试验目的选择岩质试样9材料，严格按照《水利水电岩质试样9规程》(SL264-2001)的规范要求制作尺寸长×高×宽为1m×1m×0.5m，保养达到对试样强度的要求，岩质试样9与透明板8接触面要求平整光滑，与传输皮带11)接触面尽量平整。
放置岩质试样9：在放置岩质试样9的位置先安装好大量程电阻应变式称重传感器15，与控制器2连接，使控制器2可以实时接收称重传感器15的数据；借助升降机将岩质试样9放置在称重传感器15上与传输皮带11紧贴。
设备调整工作：摆放好摄像机5，与控制器连接，启动控制器内的微破裂测量系统，调整到画面清晰稳定。
试验过程：启动动力部3、图像采集装置和皮带传输装置，通过动力部3的推力实时调整传输皮带11的转速，摄像机5的观测距离及采集图像的时间间隔。
将加载在动力部3上的加速度设定为3m/s2，岩质试样9的质量为1t，第1s的推力FN(1)＝3kN，然后将结果带入公式计算第2s时的推力FN(2)＝6.1KN，
依次计算FN(3)，FN(4)，FN(5)……直至试样结束。其中Ft-1是通过称重传感器15实时获取，带入公式计算，并将计算的结果带入下一秒公式中计算，及时反馈给控制器2，作出调整。
通过上述公式可以实时监测推力是否按照要求变化，如果实际的加载加速度不到3m/s2，可适当增加加速度值，反之则减小加速度值，以此保证推力稳定的增加。
当在第1s时称重传感器15显示获得F1＝4.3kN，F2＝5.7kN，FN(1)＝3kN，计算后得到第2s时的试样实际受到的摩擦力为：
同理，可以计算第3s，4s，5s……的摩擦系数。根据第2s时的摩擦系数和推力，计算出试样实际受到的摩擦力为Ff＝2.64kN，Ff+Mg＝2.64+3＝5.64kN，与第2s时传感器获得数据F2＝5.7kN认为相等。若与称重传感器15的结果进行比较，误差不超过1％，视为正常，反之检查试验操作，保证试验按计划进行。
假设传输皮带初始转速n1＝8r/min，在第2s时，可知μ1＝0.44，μ2＝0.433，FN(1)＝3kN，根据推力和转速的控制式，可以计算出此时的转速为：
依次计算出n3，n4，n5……传输皮带11转速的最大值为50r/min，实时根据推力的增加相应增加转速，推力减小，转速也降低，通过传输皮带11的快速转动避免传输皮带11在大荷载作用下产生变形，影响试验效果。
随着伺服电动缸施加的推力不断加大，试样的破坏速度也会加快，为了能够很好的记录这个破坏过程，将拍摄间隔根据传输皮带11的转速进行调整。
随着推力的增加，承载板4和透明板8会有相应的移动，为了保证拍摄的画质质量，需要调整调整工业相机的观察距离，初始观察距离为：
L1＝8.569cm，a＝100cm，r＝2.74cm，β＝0.1376，n1＝8r/min,n2＝8.03r/min，则有：
结束试验：增大动力部3的推力，直至岩质试样9破坏，关闭相应的设备，试验结束。
Claims (6)
1.一种摩擦体力型岩质滑坡试验系统，其特征在于，包括支撑台和支架，所述支撑台上设置有一块表面光滑的支撑板和一给岩质试样施加横向荷载的动力部，所述支撑板上放置有与所述动力部固定连接，并将动力部的点载荷转换为面载荷传递给岩质试样的动力传递部；所述动力传递部与岩质试样接触面为透明板，所述支撑板上放置有相对支撑板移动、并用于采集岩质试样图像的图像采集装置；
所述支撑台的边缘固定有用于采用岩质试样竖向载荷的称重传感器；所述支架上安装有用于对岩质试样施加与岩质试样重力方向相同的荷载的皮带传输装置，所述支架邻近岩质试样侧固定安装有用于支撑皮带传输装置的传输皮带及降低传输皮带与支架间摩擦力的光滑板体；试验时，邻近支撑台侧的传输皮带的内外表面分别与光滑板体和岩质试样接触；
所述动力部、图像采集装置、皮带传输装置和称重传感器均与控制器连接；
当动力部施加横向载荷按照设定加速度为一个等级增加时，动力部的推力和传输皮带的摩擦系数/>为：
其中，b为设定加速度；M为岩质试样的质量；g为重量加速度；为t-1时刻称重传感器采集的数据；/>为t-1时刻动力部的推力；/>为t时刻动力部的推力；int为向下取整的函数；/>为t时刻传输皮带的摩擦系数；
所述传输皮带的转速为：
其中，为传输皮带t-1时刻的转速，/>为t-1时刻传输皮带的摩擦系数；
图像采集装置采集当前图像时与采集上一次图像时的时间间隔为：
其中，f i为采集当前图像时与采集上一次图像时的时间间隔；f 1为图像采集装置启动至第一次采集图像的时间间隔；n i为采集当前图像时对应的传输皮带转速，n i-1为上一次采集图像时对应的传输皮带转速；celing为向上取整函数；
所述图像采集装置在t时刻的观测距离为：
其中，为图像采集装置t时刻的观察距离；/>为t时刻传输皮带的转速；a为岩质试样的尺寸；r为图像采集装置的镜头半径；β为图像采集装置的光学放大率。
2.根据权利要求1所述的摩擦体力型岩质滑坡试验系统，其特征在于，所述传输皮带与岩质试样接触的表面设置有锯齿，所述锯齿向着传输皮带运动方向倾斜。
3.根据权利要求2所述的摩擦体力型岩质滑坡试验系统，其特征在于，所述传输皮带的材料为丁苯橡胶纳米复合材料，锯齿高度为2mm，前角20°，后角35°，楔角35°。
4.根据权利要求1所述的摩擦体力型岩质滑坡试验系统，其特征在于，所述动力传递部还包括承载板和多根支撑杆，所述承载板一侧与动力部固定连接，另一侧与多根支撑杆固定连接，所有支撑杆的另一端均与透明板固定连接；所述承载板与透明板的尺寸相同，且所有支撑杆在承载板/透明板上的固定位置关于承载板/透明板的形心成中心对称。
5.根据权利要求1所述的摩擦体力型岩质滑坡试验系统，其特征在于，所述图像采集装置包括放置在支撑板上的支撑块和安装在支撑块上的摄像机，所述支撑块远离岩质试样侧与固定在支撑板上、并能带动支撑块在支撑板上滑动的伺服电动缸连接。
6.根据权利要求1所述的摩擦体力型岩质滑坡试验系统，其特征在于，还包括对传输皮带进行冷却的冷却装置，所述冷却装置包括对传输皮带中部的平面段进行冷却的冷却风机和位于支架下方、用于浸泡传输皮带下端的制冷剂装置。
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