CN109596515A - 实时高温条件下测试岩石节理基本摩擦角的装置和方法 - Google Patents

Abstract

实时高温条件下测试岩石节理基本摩擦角的装置，包括主撑板，所述主撑板的一侧放置有倾斜台，所述倾斜台上放置一耐高温隔热的试验箱，所述试验箱内设置有加热棒，所述试验箱的底板上沿倾斜台的倾斜方向由下向上依次设置有控制挡板和固定挡板，所述控制挡板能移动，通过移动控制挡板调整控制挡板和固定挡板间的距离。本发明实时高温环境下测试岩石节理的基本摩擦角，并且可以在不冷却至常温下自动归位试件，以便进行重复实验，提高实验效率；倾斜速率可调，升温速率可设定，适用范围广泛。

Description

实时高温条件下测试岩石节理基本摩擦角的装置和方法

技术领域

本发明属于岩石力学与工程技术领域，具体涉及实时高温条件下测试岩石节理基本摩擦角的装置和方法。

背景技术

深部地下资源的开采、核废料的地层深埋储存以及岩石的地下工程灾后重建等工程所处的地质环境，均可能经历一定程度的高温，因此，岩石受高温影响其强度、变形等特征的变化规律，将直接关系着工程设计、施工、维护和长期安全性。

多年以来，国内外学者已对高温下岩石的力学特性进行了较多研究，基本摩擦角作为估算岩石节理峰值剪切强度的基本参数，近年来受到了国内外较多学者的关注，但目前的成果都是在常温下测试得到的。目前还未见实时高温条件下测试岩石节理基本摩擦角的成果报道。

发明内容

有鉴于此，本发明的实施例提供了一种实时高温条件下测试岩石节理基本摩擦角的装置和方法。

本发明的实施例提供实时高温条件下测试岩石节理基本摩擦角的装置，包括主撑板，所述主撑板的一侧放置有倾斜台，所述倾斜台上放置一耐高温隔热的试验箱，所述试验箱内设置有加热棒，所述试验箱的底板上沿倾斜台的倾斜方向由下向上依次设置有控制挡板和固定挡板，所述控制挡板能移动，通过移 动控制挡板调整控制挡板和固定挡板间的距离，将岩石节理试件放置在试验箱的底板上，所述岩石节理试件包括上半块和下半块，所述岩石节理试件和控制挡板位于固定挡板的两侧，所述试验箱通过加热棒加热至箱内温度为设定温度，所述试验箱通过倾斜台的倾斜开始倾斜，所述试验箱倾斜至一定角度时，所述岩石节理试件的上半块出现滑动，所述岩石节理试件的上半块滑动至与控制挡板相接触时，停止倾斜台的倾斜，记录此时试验箱的倾斜角度，即得到高温条件岩石节理的基本摩擦角。

进一步，所述倾斜台通过倾斜装置实现倾斜，所述倾斜装置包括电机A、差速器、传动链条、传动轮A、传动轮B、杆轴和支座，所述杆轴安转在支座上，所述杆轴连接传动轮A，所述传动轮A通过传动链条连接传动轮B，所述传动轮B连接差速器，所述差速器连接电机A，所述倾斜台的一侧连接杆轴，启动电机A，电机A通过差速器带动传动轮B转动，传动轮B通过传动链条带动传动轮A转动，进而使传动轮A带动杆轴转动，实现倾斜台的倾斜。

进一步，所述倾斜装置连接仪器控制盒，所述电机A、差速器、传动轮A、传动轮B和支座设置在主撑板上。

进一步，所述主撑板上设有整平螺丝，所述整平螺丝位于倾斜台的下方，通过调整所述整平螺丝，使所述倾斜台在未发生倾斜时与主撑板相平行，所述倾斜台设有水准管，所述倾斜台与主撑板相平行时，水准管中的气泡居中。

进一步，所述加热棒设在试验箱的左侧面、右侧面和后侧面中，所述试验箱的的前侧面采用透明的门式结构，所述试验箱的底板上设有温度传感器，所述控制挡板上设有接触传感器，所述加热棒、温度传感器和接触传感器均连接仪器控制盒。

进一步，所述主撑板的另一侧设置有一固定框架，所述固定框架上安装有 一夹具系统，通过所述夹具系统将发生滑动的岩石节理试件归位。

进一步，所述夹具系统包括电机B、传动变向箱、滑轨、垂直升降系统和耐高温隔热的夹头，所述电机B和传动变向箱设置在固定框架的上方，所述电机B连接传动变向箱，所述滑轨安装在固定框架的侧面，且该侧面与试验箱相对，所述滑轨与主撑板相垂直，所述垂直升降系统在滑轨内上下移动，所述垂直升降系统连接传动变向箱，所述垂直升降系统的下端连接夹头，所述夹头能旋转，所述试验箱与夹头相对的侧面开有工作槽，所述夹头穿过工作槽夹持滑动的岩石节理试件，所述夹具系统连接仪器控制盒。

进一步，所述仪器控制盒包括控制模块、参数设置按钮和显示屏，所述控制模块连接参数设置按钮和显示屏，通过参数设置按钮向控制模块输入设定温度，所述仪器控制盒通过控制模块控制加热棒、倾斜装置和夹具系统的工作状态，并实时监测温度传感器和接触传感器，将试验箱的箱内温度和试验箱的倾斜角度显示在显示屏上。

实时高温条件下测试岩石节理基本摩擦角的方法，包括以下步骤：

(1)将整个装置置于实验工作台面上，调整主撑板上的整平螺丝使倾斜台上水准管的气泡居中；

(2)通过仪器控制盒设定好升温曲线，调整固定挡板与控制挡板之间的距离达到实验要求，装配岩石节理试件，利用加热棒开始加热，试验箱内温度达到设定温度后自动进入恒温模式，温度传感器实时感应试验箱内的温度，并传输给仪器控制盒，显示在仪器控制盒的显示屏上；

(3)通过仪器控制盒设定好倾斜装置中电机A的转速，倾斜台在电机A的作用下按设定倾斜速率倾斜，试验箱随着倾斜台的倾斜开始倾斜，试验箱的实时倾斜角度显示在仪器控制盒的显示屏上；

(4)试验箱倾斜至某一角度后，岩石节理试件的上半块出现滑动，滑动至与控制挡板相接触时，触发控制挡板上的接触传感器，仪器控制盒控制电机A停止转动，并自动记录试验箱此时的倾斜角度；

(5)仪器控制盒控制电机A反转，使倾斜台慢慢回落至水平位置；

(6)打开工作槽，先将夹具系统的夹头旋转至竖直状态，仪器控制盒控制夹具系统的电机B，使夹头穿过工作槽进入试验箱，再将夹具系统的夹头旋转至水平状态，使夹头在电机B的驱动下夹住岩石节理试件的上半块，使岩石节理试件的上半块回归至初始位置；

(7)将整个装置冷却至常温，单次试验结束；

(8)重复步骤(3)-(6)，进行重复性倾斜试验。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：实时高温环境下测试岩石节理的基本摩擦角，并且可以在不冷却至常温下自动归位试件，以便进行重复实验，提高实验效率；倾斜速率可调，升温速率可设定，适用范围广泛；试验箱和夹头均采用耐高温隔热材料，使装置其他部件不受高温的影响；所有操作设置均通过仪器控制盒自动化实现，且归位系统采用机械传动，方便快捷。

附图说明

图1是本发明实时高温条件下测试岩石节理基本摩擦角的装置的一示意图。

图2是本发明实时高温条件下测试岩石节理基本摩擦角的装置的另一示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明 实施方式作进一步地描述。

请参考图1，本发明的实施例提供了实时高温条件下测试岩石节理基本摩擦角的装置，包括主撑板1、倾斜台2、试验箱3、倾斜装置4、固定框架5、夹具系统6、仪器控制盒7、控制挡板8和固定挡板9。

主撑板1为一块水平板，主撑板1的一侧放置有倾斜台2，主撑板1上设有整平螺丝11，所述整平螺丝11位于倾斜台2的下方，通过调整所述整平螺丝11，使所述倾斜台2在未发生倾斜时与主撑板1相平行，主撑板1的另一侧设置有一固定框架5。

倾斜台2设有水准管21，倾斜台2未发生倾斜时，所述倾斜台2与主撑板1相平行时，水准管21中的气泡居中，倾斜台2上放置一耐高温隔热的试验箱3，倾斜台2通过倾斜装置4实现倾斜，进而带动试验箱3发生倾斜。

倾斜装置4包括电机A41、差速器42、传动链条43、传动轮A44、传动轮B45、杆轴46和支座47，所述电机A41、差速器42、传动轮A44、传动轮B45和支座47设置在主撑板1上，所述杆轴46安转在支座47上，所述杆轴46连接传动轮A44，所述传动轮A44通过传动链条43连接传动轮B45，所述传动轮B45连接差速器42，所述差速器42连接电机A41，所述倾斜台2的一侧连接杆轴46，启动电机A41，电机A41通过差速器42带动传动轮B45转动，传动轮B45通过传动链条43带动传动轮A44转动，进而使传动轮A44带动杆轴46转动，实现倾斜台5的倾斜，反之，电机A41反转时，倾斜台5归位。

试验箱3为一矩形箱体，试验箱3内设置有加热棒31，试验箱3通过加热棒31加热至箱内温度为设定温度，加热棒31设在试验箱3的左侧面、右侧面和后侧面中，所述试验箱3的的前侧面采用透明的门式结构，便于放置岩石节理试件和观察实验过程中的情况，试验箱3与固定框架5相对的一面开有工作 槽33，加热过程中工作槽18处于封闭状态，所述试验箱3的底板上沿倾斜台2的倾斜方向由下向上依次设置有控制挡板8和固定挡板9，所述控制挡板9能移动，通过移动控制挡板9调整控制挡板9和固定挡板8间的距离，岩石节理试件放置在试验箱3的底板上，所述岩石节理试件包括上半块和下半块，所述岩石节理试件和控制挡板9位于固定挡板8的两侧，试验箱3的底板上设有温度传感器32，所述控制挡板8上设有接触传感器81。

试验箱3通过倾斜台2的倾斜开始倾斜，所述试验箱3倾斜至一定角度时，所述岩石节理试件的上半块出现滑动，所述岩石节理试件的上半块滑动至与控制挡板8相接触时，停止倾斜台2的倾斜，记录此时试验箱3的倾斜角度，即得到高温条件岩石节理的基本摩擦角。

固定框架5上安装有一夹具系统6，固定框架5为一矩形框架，通过所述夹具系统6将发生滑动的岩石节理试件归位，夹具系统6包括电机B61、传动变向箱62、滑轨63、垂直升降系统64和耐高温隔热的夹头65，所述电机B61和传动变向箱62设置在固定框架5的上方，所述电机B61连接传动变向箱62，所述滑轨63安装在固定框架5的侧面，且该侧面与试验箱3相对，所述滑轨63与主撑板1相垂直，所述垂直升降系统64在滑轨63内上下移动，所述垂直升降系统64连接传动变向箱62，所述垂直升降系统64的下端连接夹头65，所述夹头65能旋转。优选地，所述工作槽33开在试验箱3与夹头65相对的侧面上，即本实施例的右侧面，所述夹头65穿过工作槽33夹持滑动的岩石节理试件。

请参考图2，仪器控制盒7是装置的控制装置，仪器控制盒7连接倾斜装置4、夹具系统6、加热棒31、温度传感器32和接触传感器81，优选地，仪器控制盒7连接电机A41和电机B61，并控制电机A41的正转和反转，以及电机B61的启动。

仪器控制盒7包括控制模块71、参数设置按钮72和显示屏73，所述控制模块71连接参数设置按钮72和显示屏73，通过参数设置按钮72向控制模块71输入设定温度，所述仪器控制盒7通过控制模块71控制加热棒31、倾斜装置4和夹具系统6的工作状态，并实时监测温度传感器32和接触传感器81，将试验箱3的箱内温度和试验箱3的倾斜角度显示在显示屏73上。

实时高温条件下测试岩石节理基本摩擦角的方法，包括以下步骤：

(1)将整个装置置于实验工作台面上，调整主撑板1上的整平螺丝11使倾斜台2上水准管21的气泡居中；

(2)通过仪器控制盒7设定好升温曲线，调整固定挡板9与控制挡板8之间的距离达到实验要求，装配岩石节理试件，利用加热棒31开始加热，试验箱3内温度达到设定温度后自动进入恒温模式，温度传感器32实时感应试验箱3内的温度，并传输给仪器控制盒7，显示在仪器控制盒7的显示屏73上；

(3)通过仪器控制盒7设定好倾斜装置4中电机A41的转速，倾斜台2在电机A41的作用下按设定倾斜速率倾斜，试验箱3随着倾斜台2的倾斜开始倾斜，试验箱3的实时倾斜角度显示在仪器控制盒7的显示屏上；

(4)试验箱3倾斜至某一角度后，岩石节理试件的上半块出现滑动，滑动至与控制挡板8相接触时，触发控制挡板上8的接触传感器81，仪器控制盒7控制电机A41停止转动，并自动记录试验箱3此时的倾斜角度；

(5)仪器控制盒7控制电机A41反转，使倾斜台2慢慢回落至水平位置；

(6)打开工作槽33，先将夹具系统6的夹头65旋转至竖直状态，仪器控制盒7控制夹具系统6的电机B61，使夹头65穿过工作槽33进入试验箱3，再将夹具系统6的夹头65旋转至水平状态，使夹头65在电机B61的驱动下夹住岩石节理试件的上半块，使岩石节理试件的上半块回归至初始位置；

(7)将整个装置冷却至常温，单次试验结束；

(8)重复步骤(3)-(6)，进行重复性倾斜试验。

本发明实时高温环境下测试岩石节理的基本摩擦角，并且可以在不冷却至常温下自动归位试件，以便进行重复实验，提高实验效率；倾斜速率可调，升温速率可设定，适用范围广泛；试验箱和夹头均采用耐高温隔热材料，使装置其他部件不受高温的影响；所有操作设置均通过仪器控制盒自动化实现，且归位系统采用机械传动，方便快捷。

在本文中，所涉及的前、后、上、下等方位词是以附图中零部件位于图中以及零部件相互之间的位置来定义的，只是为了表达技术方案的清楚及方便。应当理解，所述方位词的使用不应限制本申请请求保护的范围。

在不冲突的情况下，本文中上述实施例及实施例中的特征可以相互结合。以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.实时高温条件下测试岩石节理基本摩擦角的装置，其特征在于，包括主撑板，所述主撑板的一侧放置有倾斜台，所述倾斜台上放置一耐高温隔热的试验箱，所述试验箱内设置有加热棒，所述试验箱的底板上沿倾斜台的倾斜方向由下向上依次设置有控制挡板和固定挡板，所述控制挡板能移动，通过移动控制挡板调整控制挡板和固定挡板间的距离，将岩石节理试件放置在试验箱的底板上，所述岩石节理试件包括上半块和下半块，所述岩石节理试件和控制挡板位于固定挡板的两侧，所述试验箱通过加热棒加热至箱内温度为设定温度，所述试验箱通过倾斜台的倾斜开始倾斜，所述试验箱倾斜至一定角度时，所述岩石节理试件的上半块出现滑动，所述岩石节理试件的上半块滑动至与控制挡板相接触时，停止倾斜台的倾斜，记录此时试验箱的倾斜角度，即得到高温条件岩石节理的基本摩擦角。

2.根据权利要求1所述的实时高温条件下测试岩石节理基本摩擦角的装置，其特征在于，所述倾斜台通过倾斜装置实现倾斜，所述倾斜装置包括电机A、差速器、传动链条、传动轮A、传动轮B、杆轴和支座，所述杆轴安转在支座上，所述杆轴连接传动轮A，所述传动轮A通过传动链条连接传动轮B，所述传动轮B连接差速器，所述差速器连接电机A，所述倾斜台的一侧连接杆轴，启动电机A，电机A通过差速器带动传动轮B转动，传动轮B通过传动链条带动传动轮A转动，进而使传动轮A带动杆轴转动，实现倾斜台的倾斜。

3.根据权利要求2所述的实时高温条件下测试岩石节理基本摩擦角的装置，其特征在于，所述倾斜装置连接仪器控制盒，所述电机A、差速器、传动轮A、传动轮B和支座设置在主撑板上。

4.根据权利要求1所述的实时高温条件下测试岩石节理基本摩擦角的装置，其特征在于，所述主撑板上设有整平螺丝，所述整平螺丝位于倾斜台的下方，通过调整所述整平螺丝，使所述倾斜台在未发生倾斜时与主撑板相平行，所述倾斜台设有水准管，所述倾斜台与主撑板相平行时，水准管中的气泡居中。

5.根据权利要求1所述的实时高温条件下测试岩石节理基本摩擦角的装置，其特征在于，所述加热棒设在试验箱的左侧面、右侧面和后侧面中，所述试验箱的的前侧面采用透明的门式结构，所述试验箱的底板上设有温度传感器，所述控制挡板上设有接触传感器，所述加热棒、温度传感器和接触传感器均连接仪器控制盒。

6.根据权利要求1所述的实时高温条件下测试岩石节理基本摩擦角的装置，其特征在于，所述主撑板的另一侧设置有一固定框架，所述固定框架上安装有一夹具系统，通过所述夹具系统将发生滑动的岩石节理试件归位。

7.根据权利要求6所述的实时高温条件下测试岩石节理基本摩擦角的装置，其特征在于，所述夹具系统包括电机B、传动变向箱、滑轨、垂直升降系统和耐高温隔热的夹头，所述电机B和传动变向箱设置在固定框架的上方，所述电机B连接传动变向箱，所述滑轨安装在固定框架的侧面，且该侧面与试验箱相对，所述滑轨与主撑板相垂直，所述垂直升降系统在滑轨内上下移动，所述垂直升降系统连接传动变向箱，所述垂直升降系统的下端连接夹头，所述夹头能旋转，所述试验箱与夹头相对的侧面开有工作槽，所述夹头穿过工作槽夹持滑动的岩石节理试件，所述夹具系统连接仪器控制盒。

8.根据权利要求3、5或7所述的实时高温条件下测试岩石节理基本摩擦角的装置，其特征在于，所述仪器控制盒包括控制模块、参数设置按钮和显示屏，所述控制模块连接参数设置按钮和显示屏，通过参数设置按钮向控制模块输入设定温度，所述仪器控制盒通过控制模块控制加热棒、倾斜装置和夹具系统的工作状态，并实时监测温度传感器和接触传感器，将试验箱的箱内温度和试验箱的倾斜角度显示在显示屏上。

9.如权利要求1-8任一项所述装置实时高温条件下测试岩石节理基本摩擦角的方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)将整个装置置于实验工作台面上，调整主撑板上的整平螺丝使倾斜台上水准管的气泡居中；

(2)通过仪器控制盒设定好升温曲线，调整固定挡板与控制挡板之间的距离达到实验要求，装配岩石节理试件，利用加热棒开始加热，试验箱内温度达到设定温度后自动进入恒温模式，温度传感器实时感应试验箱内的温度，并传输给仪器控制盒，显示在仪器控制盒的显示屏上；

(3)通过仪器控制盒设定好倾斜装置中电机A的转速，倾斜台在电机A的作用下按设定倾斜速率倾斜，试验箱随着倾斜台的倾斜开始倾斜，试验箱的实时倾斜角度显示在仪器控制盒的显示屏上；

(4)试验箱倾斜至某一角度后，岩石节理试件的上半块出现滑动，滑动至与控制挡板相接触时，触发控制挡板上的接触传感器，仪器控制盒控制电机A停止转动，并自动记录试验箱此时的倾斜角度；

(5)仪器控制盒控制电机A反转，使倾斜台慢慢回落至水平位置；

(6)打开工作槽，先将夹具系统的夹头旋转至竖直状态，仪器控制盒控制夹具系统的电机B，使夹头穿过工作槽进入试验箱，再将夹具系统的夹头旋转至水平状态，使夹头在电机B的驱动下夹住岩石节理试件的上半块，使岩石节理试件的上半块回归至初始位置；

(7)将整个装置冷却至常温，单次试验结束；

(8)重复步骤(3)-(6)，进行重复性倾斜试验。