本发明属于模拟试验技术领域，特别涉及一种模拟混凝土面板垫层静、动摩擦力的试验装置及方法。
背景技术：
混凝土面板常作为防渗结构广泛应用于土石坝、砌石坝、碾压混凝土坝的防渗系统及其加固工程中，尤其是现代堆石坝大多利用混凝土面板作为防渗和湖泊结构。高面板堆石坝面板应力状态复杂，中间受压，两边受拉，还受到垫层的摩擦作用。由于坝体主要为堆石材料，且修筑在具有转折边坡的河谷之中，面板和坝体之间变形常不能协调，导致不均匀沉降产生。在面板和垫层接触面上，会发生摩擦作用，起初为静摩擦力，当不协调变形发展到一定程度后，会发生滑动摩擦力，对面板产生不可忽视的剪切作用，导致破坏。
目前，国内外有关混凝土面板的研究多集中在不均匀沉降、拉压应力、水力劈裂、溶蚀等因素导致的破坏，有关摩擦作用导致的损伤断裂试验及成果相对较少。如何对混凝土面板施加摩擦作用是其中的难点和重点。摩擦作用分为静摩擦和动摩擦，在试验中对面板试件的静、动摩擦力加载目前未见相关报道。在加载过程中，机械阻力、垫层底部摩擦作用不可避免的会影响面板与垫层间摩擦力施加精度，如何提高加载精度，是一个亟待解决的问题。
技术实现要素：
为了解决现有技术中不能高精度的模拟混凝土面板静、动垫层摩擦力作用的问题，本发明提供一种模拟混凝土面板垫层静、动摩擦力的试验装置及方法，该装置及方法可以对混凝土面板试件施加静、动摩擦作用，研究垫层摩擦力对其力学性能的影响。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种模拟混凝土面板垫层静、动摩擦力的试验装置，包括基座3，所述基座3上横向设置有若干组钢珠轨道5，每组钢珠轨道5内均安装有若干个钢珠4，所述钢珠轨道5和钢珠4的上面设置有垫层块2，所述垫层块2的上面设置有混凝土面板试件1，所述混凝土面板试件1横向的两侧设置有固定钢板17，固定钢板17保证混凝土面板试件1不做横向运动，所述混凝土面板试件1的顶部设置有加载盖15，加载盖15上安装有加载轴14，所述垫层块2横向的一侧设置有向着垫层块2施加力的千斤顶8和压力传感器10，所述垫层块2横向的另一侧设置有位移传感器9。
进一步的，所述垫层块2底部设置有三组横向的钢珠轨道5，每组钢珠轨道5内均安装有8个钢珠4。
进一步的，所述垫层块2采用无砂混凝土浇筑而成，所述垫层块2位于混凝土面板试件1和钢珠轨道5上的钢珠4之间，且垫层块2的顶面凿面处理，增加垫层块2与混凝土面板试件1之间的摩擦力，垫层块2的底面为抛光面，减小垫层块2与底部钢珠4间摩擦作用，所述钢珠4的材质为不锈钢，钢珠与钢珠轨道一方面为垫层块2提供支撑作用，另一方面减小与基座3之间的摩擦作用，提高摩擦力加载精度。
进一步的，所述千斤顶8的一侧为垫层块2，千斤顶8的另一侧设置有千斤顶反力架6；所述千斤顶8安装于千斤顶支架7上，所述千斤顶8通过加载杆13施加力于垫层块2的横向侧壁上；所述加载杆13穿过于传力杆支架12。
进一步的，所述加载杆13、垫层块2和混凝土面板试件1上均安装有压力传感器10。
进一步的，所述垫层块2横向的两侧均安装有一个位移传感器9，其中与千斤顶8相对一侧的位移传感器9安装于位移传感器反力架11上，与千斤顶8同侧的位移传感器9安装于传力杆支架12上，两个位移传感器9均与垫层块2齐高。
进一步的，所述加载盖15的顶部设置有凹槽，所述凹槽内安装有竖直设置的加载轴14。
进一步的，所述固定钢板17一端抵住混凝土面板试件1，另一端通过若干个螺钉16固定于工作台面上。
进一步的，所述工作台面上分别固定有位移传感器反力架11、基座3、千斤顶支架7、传力杆支架12和千斤顶反力架6。
一种模拟混凝土面板垫层静、动摩擦力的试验方法，包括以下步骤：
第一步，浇筑混凝土面板试件和垫层块；
第二步，试件组装，基座上面固定钢珠轨道，钢珠轨道内放置钢珠，在钢珠轨道和钢珠上压盖垫层块，垫层块上面安置混凝土面板试件；
第三步，加载设备安装，垫层块的一侧安装千斤顶，并在千斤顶后设置千斤顶反力架；
第四步，固定装置和观测设备安装，混凝土面板试件横向相对的两个侧壁上安装固定钢板，保证混凝土面板试件不横向运动，加载杆、垫层块和混凝土面板试件上均安装有压力传感器，垫层块外还安装有位移传感器；
第五步，轴压加载装置安装，在混凝土面板试件顶部安装加载盖和加载轴；
第六步，垫层块与混凝土面板试件摩擦系数测定，首先通过加载轴进行轴压加载，加载到1mpa，即混凝土面板试件顶部压力为22.5kn，然后保持纵向压力稳定，开始进行分级摩擦力加载，荷载等级为1kn，每级摩擦力加载持荷试件为5min，并绘制在加载过程中，观测位移传感器水平位移持续变化时，此荷载为静、动摩擦力的分界点，记录数据，并结合压力传感器数据，修正处理数据，可得出不同轴压、侧压力作用下的静、动摩擦系数，以指导混凝土面板试件在摩擦力和轴压共同作用下的特性试验；
第七步，单轴压缩与摩擦联合作用下的混凝土面板试件破坏试验，对混凝土面板试件施加恒定摩擦力，然后逐级增加轴向压力，以测定混凝土面板试件在摩擦力和轴压力共同作用下的本构模型，研究其损伤破坏机理。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
1、本发明提供的一种模拟混凝土面板垫层静、动摩擦力的试验方法及装置，可以对混凝土面板试件提供静、动摩擦力作用，并可提供面板所承受水压力作用，可提供混凝土面板实际应力状态，并用以研究其力学特性。
2、浇筑无砂混凝土形成垫层块，并通过凿面处理增加与混凝土面板试件间摩擦系数，采用剖光技术处理垫层块底面以减小与不锈钢珠间摩擦系数，可以使垫层块与面板试件的摩擦力平衡千斤顶施加的水平压力，提高摩擦力施加精度。
3、设置不锈钢珠和轨道，可进一步减小垫层块底部摩擦力，与顶部所承受的摩擦力相比可忽略不计。
4、在垫层块和混凝土面板试件表面，设有压力传感器，可实时监测试件应力状态，记录不同荷载作用下的试件力学响应。
5、垫层块水平除千斤顶加载侧不设千分表，其余各向通过千分表以监测加载过程中的垫层块的位移情况，通过千分表读数以判断改荷载组合下的摩擦力属性。并可测量面板试件与垫层块间摩擦系数。
6、可采用本装置结合其他诸如水力劈裂、溶蚀劣化设备研究混凝土面板的水力劈裂和溶蚀劣化等。
附图说明
图1是本发明的结构示意图；
其中：1-混凝土面板试件、2-垫层块、3-基座、4-钢珠、5-钢珠轨道、6-千斤顶反力架、7-千斤顶支架、8-千斤顶、9-位移传感器、10-压力传感器、11-位移传感器反力架、12-传力杆支架、13-加载杆、14-加载轴、15-加载盖、16-螺栓、17-固定钢板。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作更进一步的说明。
如图1所示，本发明是一种可以同时模拟混凝土面板水压力和垫层块摩擦力作用的试验装置，即一种模拟混凝土面板垫层静、动摩擦力的试验装置，包括基座3，所述基座3上横向设置有若干组钢珠轨道5，每组钢珠轨道5内均安装有若干个钢珠4，所述钢珠轨道5和钢珠4的上面设置有垫层块2，所述垫层块2的上面设置有混凝土面板试件1，所述混凝土面板试件1横向的两侧设置有固定钢板17，固定钢板17保证混凝土面板试件1不做横向运动，所述混凝土面板试件1的顶部设置有加载盖15，加载盖15上安装有加载轴14，所述垫层块2横向的一侧设置有向着垫层块2施加力的千斤顶8和压力传感器10，所述垫层块2横向的另一侧设置有位移传感器9；本装置通过对固定于基座3上的垫层块2施加恒定压力，并结合不锈钢珠4和轨道5使压力全部由垫层块2和混凝土面板试件1间摩擦力平衡。混凝土面板试件1轴向采用万能试验机施加恒定压力模拟水压，采用传感器监测摩擦力和轴压大小。
所述垫层块2底部设置有三组横向的钢珠轨道5，每组钢珠轨道5内均安装有8个钢珠4；在垫层块底部设置三排不锈钢珠与轨道，钢珠一方面提供垫层块2和混凝土面板试件1的支撑力作用，另一方面减小底部基座与垫层块间摩擦作用，使加载杆施加水平压力作用几乎全部由垫层块与混凝土面板试件1间摩擦力平衡。
所述垫层块2采用无砂混凝土浇筑而成，所述垫层块2位于混凝土面板试件1和钢珠轨道5上的钢珠4之间，且垫层块2的顶面凿面处理，增加垫层块2与混凝土面板试件1之间的摩擦力，垫层块2的底面为抛光面，减小垫层块2与底部钢珠4间摩擦作用，所述钢珠4的材质为不锈钢，钢珠与钢珠轨道一方面为垫层块2提供支撑作用，另一方面减小与基座3之间的摩擦作用，提高摩擦力加载精度。
所述千斤顶8的一侧为垫层块2，千斤顶8的另一侧设置有千斤顶反力架6；所述千斤顶8安装于千斤顶支架7上，所述千斤顶8通过加载杆13施加力于垫层块2的横向侧壁上；所述加载杆13穿过于传力杆支架12；在混凝土面板试件1底部设置垫层块2，通过千斤顶8对垫层块2施加水平向压力作用，并通过垫层块2与混凝土面板试件1间摩擦作用与之平衡完成摩擦力加载。
所述加载杆13、垫层块2和混凝土面板试件1上均安装有压力传感器10，在垫层块2上设置四组压力传感器，监测垫层块应力状态，并在垫层块2两端各设置一个位移传感器，用于监测垫层块是否产生滑移。压力传感器和位移传感器组合作用可实时了解垫层块工作状态。
所述垫层块2横向的两侧均安装有一个位移传感器9，其中与千斤顶8相对一侧的位移传感器9安装于位移传感器反力架11上，与千斤顶8同侧的位移传感器9安装于传力杆支架12上，两个位移传感器9均与垫层块2齐高；在垫层块上设置压力传感器，以监测垫层块的应力变形，并在水平向两侧设置三组千分表，以监测垫层块2的滑移。
所述加载盖15的顶部设置有凹槽，所述凹槽内安装有竖直设置的加载轴14；采用万能试验机对混凝土面板试件1加载轴向压力，模拟面板受到的水压力，水平向采用液压千斤顶8对垫层块加载水平向压应力，以施加垫层块摩擦力作用。
所述固定钢板17一端抵住混凝土面板试件1，另一端通过若干个螺钉16固定于工作台面上。
所述工作台面上分别固定有位移传感器反力架11、基座3、千斤顶支架7、传力杆支架12和千斤顶反力架6。
一种模拟混凝土面板垫层静、动摩擦力的试验方法通过基座反力装置固定混凝土面板试件，并对面板试件底部垫层块施加恒定压力以施加混凝土面板所承受的摩擦力，在无相对滑动时为静摩擦力，有相对滑动时为动摩擦力。其中，摩擦力采用加载杆和加载轴来施加，并通过压力传感器来监测摩擦力大小，根据位移传感器判断摩擦力属性，垫层块下设不锈钢珠和滚轴以保证荷载全部由垫层与面板试件间摩擦力来平衡。垫层块采用无砂混凝土制作而成，底部光滑顶部粗糙，以减小底部摩擦并增加与面板试件间摩擦。试件安装固定于基座，顶部施加轴向压应力模拟水压力。通过调整荷载大小，可得到不同轴压和摩擦力组合。
一种模拟混凝土面板垫层静、动摩擦力的试验方法，包括以下步骤：
第一步，浇筑混凝土面板试件和垫层块：混凝土面板试件采用c30水泥按照实际工程所需配合比进行浇筑，并按照规范要求养护至28天，垫层块采用无砂混凝土浇筑而成，并养护至28天；养护完成后，对垫层块顶面进行凿面处理，以增大顶面摩擦系数，垫层块底面进行剖光处理，以减小摩擦系数；
第二步，试件组装，首先在基座3上面通过结构胶固定钢珠轨道5，然后钢珠轨道5内放置不锈钢珠4，钢珠轨道横向设置三排，每排安放8枚钢珠，并在垫层块底部和钢珠表面以及轨道上涂抹润滑油，进一步减小摩擦力，完成后采用垫层块压盖，调整好垫层块位置后，垫层块上面安置混凝土面板试件3；
第三步，加载设备安装，安装千斤顶支架7于工作台面上，并将千斤顶8通过螺栓固定于千斤顶支架7上，并在千斤顶8后设置千斤顶反力架6；
第四步，固定装置和观测设备安装，混凝土面板试件横向的两侧采用4块固定钢板，以限制混凝土面板试件水平向位移，固定钢板的一端抵住混凝土面板试件，钢板的另一端采用高强螺栓16固定在工作台面上。限观测设备主要包括位移传感器9和压力传感器10，位移传感器设置在位移传感器支架11上，可用来判断摩擦力属性，当位移传感器无读数时为静摩擦力，有连续变化读数时为动摩擦力。混凝土面板试件、垫层块和摩擦力加载杆13上都设有压力传感器，以加载杆上的压力传感器监测数据为摩擦力大小，并通过垫层块和混凝土面板试件上的压力传感器数据修正。具体的如何进行数据的修正不是本发明要解决的问题；
第五步，轴压加载装置安装，首先在混凝土面板试件顶部安装轴压加载盖15，加载盖上部设有凹槽，凹槽为加载轴14着力部位；
轴压是通过万能试验机加载，混凝土面板垫层摩擦力加载装置整体安装在万能试验机试验平台即工作台面上，并通过液压千斤顶施加水平向摩擦力作用，可进行测量垫层块与混凝土面板试件间摩擦系数，也可进行不同轴压力和摩擦力组合荷载作用下的破坏试验；
第六步，垫层块与混凝土面板试件摩擦系数测定，在完成安装各组件后，首先进行轴压加载，加载到1mpa，即顶部压力为22.5kn，然后保持竖向压力稳定，开始进行分级摩擦力加载，荷载等级为1kn，每级摩擦力加载持荷试件为5min，并绘制在加载过程中，注意观测位移计度数，水平位移持续变化时，此荷载为静、动摩擦力的分界点，记录数据，并结合压力传感器数据，修正处理数据，可得出不同轴压、侧压力作用下的静、动摩擦系数，以指导面板试件在摩擦力和轴压共同作用下的特性试验；
第七步，单轴压缩与摩擦联合作用下的混凝土面板试件破坏试验，对混凝土面板试件施加恒定摩擦力，然后逐级增加轴向压力，以测定混凝土面板试件在摩擦力和轴压力共同作用下的本构模型，研究其损伤破坏机理。
本发明的试验原理：通过在混凝土面板试件下设置垫层块，对垫层块施加压力作用并使之与垫层块和混凝土面板试件间摩擦作用平衡来完成摩擦力的加载。垫层块顶部凿面底部剖光，导致摩擦系数差异大。垫层块下设置不锈钢珠和轨道，相当于滚轴支座，可沿垫层块压力方向自由移动。由此提高摩擦力的加载精度。通过调整面板试件顶部压力和垫层块水平压力大小，可使面板和垫层块不发生相对滑动，此时施加的是静摩擦力作用，增大垫层块压力或减小面板试件顶部压力超过临界值，则发生相对滑动，以施加动摩擦力作用。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。