一种基于振动台的岩体结构面动力摩擦实验系统的制作方法

本发明涉及结构面摩擦试验设备领域，尤其是涉及一种基于振动台的岩体结构面动力摩擦实验系统。

背景技术：

传统的结构面摩擦试验设备多为静态(准静态)摩擦试验设备，通过这些静态(准静态)摩擦试验设备得到的数据，往往不符合工程中的实际情况。这是因为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，容易导致岩体失稳。因此，需要对岩体结构面的超低摩擦滑动失稳的情况进行研究。

在以往对岩体结构面的超低摩擦滑动失稳的研究方法中，一般采用双轴双向直剪仪或三轴试验系统，观察岩体结构面动态摩擦发生的过程。但是这种实验设备依然很难符合工程中的真实受力环境。

技术实现要素：

本发明的目的是针对目前存在的问题，提供一种基于振动台的岩体结构面动力摩擦实验系统，其可以简单、方便地不同振幅、不同加速度下进行结构面动态摩擦试验，获得结构面摩擦系数与加速度、相对位移之间的关系。

本发明的目的通过如下技术方案实现：

本发明提供一种基于振动台的岩体结构面动力摩擦实验系统，其包括：

振动台、下试块、上试块、垂直加载装置、钢架、动态位移传感器、拉压传感器、下试块固定座、采集器和拟合器；

振动台上固定有下试块固定座；

下试块的底面直接卡在下试块固定座的槽体中；下试块的侧面连接用来测量上试块与下试块之间界面摩擦力的拉压传感器；

上试块叠放在下试块上，上试块上端设有用于施加径向荷载的垂直加载装置；

所述钢架独立于振动台而设置，其连接框体结构的上试块固定架和安装在所述框体一侧的传感器固定架；所述上试块固定在所述框体内，所述动态位移传感器安装所述传感器固定架上；

所述动态位移传感器和拉压传感器的输出端通过线路与所述采集器相连；

所述采集器通过线路与拟合器相连；所述拟合器实时获取采集器所采集到的信息，包括但不限于界面相对位移x以及摩擦力f；拟合器针对上述信息进行拟合预算，获得界面摩擦系数与界面相对位移的关系。

更优选地，所述实验系统还包括：

加速度传感器；

所述加速度传感器设置在所述振动台上；

加速度传感器的输出端通过线路与所述采集器相连；

所述采集器通过线路与拟合器相连，所述拟合器实时获取采集器所采集到的振动加速度a；

所述拟合器针对所述振动加速度a和摩擦力f进行拟合预算，获得界面摩擦系数与振动加速度的关系。

更优选地，所述实验系统还包括：

放置在上试块的顶面的刚性垫块；所述垂直加载装置加载的径向荷载作用在所述刚性垫块上。

更优选地，所述实验系统还包括：

一个或多个用于采集由于试块摩擦发出的声音信号的声发射探头；所述声发射探头设置在所述刚性垫块上。

更优选地，所述实验系统还包括：

一个或多个用于采集由于试块摩擦发出的声音信号的声发射探头；所述声发射探头设置在所述上试块上。

更优选地，所述传感器固定架包括：

横板和至少一块固定在所述横板上的竖板，传感器固定架通过所述横板固定在框体的一侧，所述竖板上开有孔用于与紧固件结合安装所述动态位移传感器。

由上述本发明的技术方案可以看出，本发明可进行结构面在不同径向压力、不同振动频率、不同振动加速度下的摩擦试验，对结构面的动态摩擦规律作更深入的研究。本发明具有以下优点：

可控性好：可以通过液压装置方便地控制轴向压力，通过改变输入电压控制振动台的振幅和加速度，从而适应不同条件下的试验要求；

操作简便：可以通过一台电脑实现整个操作，实现摩擦力、加速度、位移等数据的实时采集；

结构简单：适合试验操作。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明的侧向示意图。

附图中：

振动台1、下试块21、上试块22、刚性垫块3、垂直加载装置4、钢架5、声发射探头6、动态位移传感器7、拉压传感器8和下试块固定座9。

具体实施方式

为了使本领域的技术人员更好地理解本申请的技术方案，以下将结合附图对本发明做进一步详细说明。

本申请文件中的上、下、左、右、前和后等方位用语是基于附图所示的位置关系而建立的。附图不同，则相应的位置关系也有可能随之发生变化，故不能以此理解为对保护范围的限定。

在申请文件中的描述中，“多个”的含义是指两个或者两个以上，除非另有明确具体的限定。

本申请文件中，属于“安装”、“相连”、“相接”、“连接”、“固定”等应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，也可以是一体地连接，也可以是机械连接。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

本发明提供一种基于振动台的岩体结构面动力摩擦实验系统，通过本发明可以研究动力状态下岩体界面的摩擦规律。其结构如图1所示，包括：振动台1、下试块21、上试块22、刚性垫块3、垂直加载装置4、钢架5、声发射探头6、动态位移传感器7、拉压传感器8、下试块固定座9和加速度传感器。

振动台1上固定有下试块固定座9。下试块固定座9包括槽体和折板，其中折板为l型，包括底板和立板，其中底板的一端固定于槽体的外侧且另一端连接立板，该立板上开有通孔。

下试块21的底面直接卡在下试块固定座9的槽体中，随振动台1一同振动。

下试块21的侧面连接拉压传感器8，该拉压传感器8的另一端穿过立板的通孔并固定。该拉压传感器8用来测量上试块22的底面与下试块21的顶面之间的界面摩擦力。

上试块22叠放在下试块21上，通过钢架5固定。上试块22通过垂直加载装置4加载以施加径向荷载n给上试块22，该垂直加载装置4的上方固定于钢架5上。该垂直加载装置4可以是液压加载装置，也可以是气压装置。

为了使垂直加载的径向载荷更加均匀，可以在上试块22的顶面放置刚性垫块3，垂直加载装置4加载的径向荷载作用在刚性垫块3上，刚性垫块3将受到的径向荷载均匀传递给位于其下方的上试块22。

上述钢架5包括横梁、固定在横梁端部的两个支撑架、竖立构件、框体和传感器固定架。该支撑架延伸固定在地面上，独立于振动台1而设置，与振动台1无任何接触；该横梁下部通过两个竖立构件连接上试块固定架，该上试块固定架为框体结构。垂直加载装置4安装在该钢架5的横梁下部，上试块22和刚性垫块3卡在上试块固定架的框体内。传感器固定架包括横板和至少一块竖板，传感器固定架通过横板固定在框体的一侧，横板上固定竖板，竖板上开有孔用于与紧固件结合安装动态位移传感器7。该动态位移传感器7能够采集到界面相对位移。

振动台1的表面上粘有加速度传感器，该加速度传感器大小如一个纽扣，用于采集加速度a。

声发射探头6设置在刚性垫块3上，通过该声发射探头6可以采集到由于试块摩擦发出的声音信号，包括信号的强弱、频率、波形等等，用于定性分析其信号强弱、频率的变化趋势，与定量分析的结果进行印证对照。

上述动态位移传感器7、拉压传感器8和加速度传感器的输出端通过线路与采集器相连。通过采集器对上述动态位移传感器7、拉压传感器8和加速度传感器进行同步采集、记录，可以得到一组数据。如假设垂直加载装置4加载的径向荷载为n，通过拉压传感器8可以测得摩擦力，记为f＝f(t)，以表示摩擦力f随时间t的变化关系，则界面摩擦系数为：μ＝μ(t)＝f(t)/n，其中n为垂直加载装置4加载的径向荷载；通过动态位移传感器7可以采集到界面相对位移，记为x＝f(t)，以表示界面相对位移x随时间t的变化关系；通过加速度传感器采集振动加速度，记为a＝g(t)，以表示振动加速度a随时间t的变化关系。

上述采集器通过线路与拟合器相连，所述拟合器实时获取采集器所采集到的信息，包括但不限于界面相对位移x、振动加速度a以及摩擦力f。拟合器针对上述x和a与摩擦系数μ进行拟合预算：

首先由试验得出的x＝f(t)，可以得到t＝f^-1(x)；

将t＝f^-1(x)代入到μ(t)＝f(t)/n中，得出μ(t)＝f(f^-1(x))/n；

同理，由试验得出的a＝g(t)，可以得到t＝g^-1(x)；

将t＝g^-1(x)代入到μ(t)＝f(t)/n中，得出μ(t)＝f(g^-1(x))/n。

由此可见，通过上述拟合，可得出界面摩擦系数与界面相对位移的关系以及界面摩擦系数与振动加速度的关系，从而分析并得到动力条件下岩体界面摩擦规律。

由上述本发明的具体实施方式可以看出，使用本发明可进行结构面在不同径向压力、不同振动频率、不同振动加速度下的摩擦试验，对结构面的动态摩擦规律作更深入的研究。具有以下特点：

可控性好：可以通过液压装置方便地控制轴向压力，通过改变输入电压控制振动台的振幅和加速度，从而适应不同条件下的试验要求；

操作简便：可以通过一台电脑实现整个操作，实现摩擦力、加速度、位移等数据的实时采集；

结构简单：适合试验操作。

使用本发明时，首先安装上试块22和下试块21两个岩石试块：将下试块21安装在下试块固定座9的槽体中，随振动台1一同振动，上试块22叠放在下试块21的上方；

然后连接仪器：将下试块21与拉压传感器8相连接，调节垂直加载装置4与上试块22完全接触；

其次利用垂直加载装置4垂向加载：根据试验设计，调节垂直加载装置4，进行垂向加载；

接着进行试验：调节振动台1的振动参数，包括振幅、加速度等，开启振动台1，开启相关仪器进行数据采集，开始试验；

最后进行数据处理：将采集到的数据进行整理，拟合界面摩擦力与相对位移、加速度大小的关系，得到动力条件下岩体界面摩擦规律。

虽然本发明已以较佳实施例公开如上，但实施例并不限定本发明。在不脱离本发明之精神和范围内，所做的任何等效变化或润饰，同样属于本发明之保护范围。因此本发明的保护范围应当以本申请的权利要求所界定的内容为标准。