一种自动化测定模型材料摩擦系数的试验装置

1.本实用新型涉及地质模型试验技术领域，具体为一种自动化测定模型材料摩擦系数的试验装置。


背景技术：

2.岩体中的软弱结构面是影响大坝、边坡、地下洞室等工程稳定的控制性因素，因此，在用地质力学模型试验方法研究上述工程的稳定性过程中，各类主要软弱结构面的抗剪断强度参数(包括摩擦系数f’和粘聚力c’)是模型模拟的重点。按照模型相似理论和相似关系，要求原、模型摩擦系数f’的比值c
f’和粘聚力的比值c
c’分别满足相似关系，一般要求c
f’＝1，c
c’＝c
σ
＝ce，即模型结构面的摩擦系数与原型相同，粘聚力c’的相似常数等于应力σ相似常数，也等于变形模量e的相似参数。但要同时满足上述要求是相当困难的，这是因为按照相似关系模型块体之间应具有极低的粘聚力，一般极难做到。因此，在地质力学模型试验中，往往通过概化，仅模拟软弱结构面的摩擦系数。因而测定软弱结构面模型材料摩擦系数的试验就显得极为重要。
3.目前，测定软弱结构面模型材料摩擦系数的试验方法一般采用“变角板剪切法”，变角板剪切法通过极限平衡分析法的原理，将模型块体(一般为4块小块体组合为20cm*20cm的方块)固定在夹板上，模拟结构面下盘岩体，根据试验需要在模型块体上敷设结构面软料或“变温相似材料”，然后再铺上所需测试的聚四氟乙烯、聚乙烯、蜡纸等各类薄膜材料，然后取相同的模型块体放置在薄膜材料上模拟结构面上盘岩体(上盘岩块不固定，可以自由滑动)，此时，夹板水平夹角为0
°
。最后，通过逐步抬升夹板水平夹角，直至上下盘块体发生剪切滑动为止，测量此时的旋转角度从而获得f’值。如果测得的f’值不满足相似要求，则需要重新铺设薄膜材料，重复上述试验过程，最终选定不同的结构面软料以及薄膜材料，来模拟各类软弱结构面。现有试验装置的缺点在于支撑板旋转角度的测量值误差较大，具体表现在，试验装置在安装时受外界的影响较大，使得试验装置安装不平稳，导致支撑板未处于水平状态，而试验人员将有一定倾角的支撑板当作了零起始点，从而使支撑板测得的旋转角度误差较大，影响到实验结果的精确性；其次，现有的试验装置仅采用一个固定挡板限制下盘岩体的滑动(即将固定挡板抵在下盘岩体的滑动方向上)，此方式同样会影响到试验结果，具体表现在，当支撑板向上偏转时，当偏转的角度较大时，导致下盘岩体在固定挡板的阻挡下将一定程度与支撑板分离，从而使下盘岩体将影响上盘岩体的滑动，进而影响到试验结果。


技术实现要素：

4.本实用新型的目的在于克服现有技术的不足，提供一种自动化测定模型材料摩擦系数的试验装置，极大程度上降低试验装置对试验结果的影响，提高试验结果的精确性，使选定的结构面软料以及薄膜材料更加接近软弱结构面，以使软弱结构面的摩擦系数更加精确。
5.本实用新型的目的是通过以下技术方案来实现的：一种自动化测定模型材料摩擦系数的试验装置，包括固定底座和支撑板，所述固定底座的一端固定有活动铰座，所述支撑板的一端通过转轴转动连接在所述活动铰座上，所述支撑板上设置有角度传感器，所述支撑板的上表面设置有水平仪，所述固定底座与支撑板之间设置有升降装置，所述升降装置用于带动支撑板绕着所述转轴的轴线偏转；
6.所述支撑板上沿靠近活动铰座的方向依次设置有活动挡板和固定挡板，所述固定挡板和活动挡板用于夹持模型块体的下盘岩体，所述固定挡板上安装有千分表，所述千分表的传感探头用于接触模型块体的上盘岩体以进行剪切滑移检测。
7.进一步地，所述升降装置包括固定筒和升降杆，所述固定筒竖直固定在所述固定底座上，所述固定筒内设置有螺杆，所述螺杆与所述固定底座转动连接，所述升降杆滑动穿设在所述固定筒内并与所述螺杆螺纹连接，所述升降杆远离所述固定筒的一端与所述支撑板接触。
8.进一步地，所述固定筒的外壁转动连接有驱动轴，所述驱动轴的一端穿入固定筒内并设置有第一锥齿轮，所述螺杆上设置有第二锥齿轮，所述第二锥齿轮与所述第一锥齿轮啮合，所述驱动轴的另一端固定有转盘。
9.进一步地，所述升降杆远离固定筒的一端转动设置有滚轴，所述滚轴与所述支撑板滚动接触。
10.进一步地，所述升降杆包括矩形限位块和圆柱杆，所述固定筒沿轴线贯穿开设有矩形槽，所述矩形限位块与所述矩形槽滑动适配，所述圆柱杆固定在所述矩形限位块的顶部。
11.进一步地，所述圆柱杆设有外螺纹，所述圆柱杆上螺纹连接有调平螺母，所述调平螺母的外径大于所述矩形槽的宽度。
12.进一步地，所述支撑板远离活动铰座的一端固定有支撑座，所述支撑座上螺纹连接有调节螺杆，所述调节螺杆靠近固定挡板的一端与所述活动挡板转动连接，所述活动挡板的底部与所述支撑板的表面接触，所述活动挡板靠近或远离所述固定挡板移动。
13.本实用新型的有益效果是：
14.1、在试验开始前，通过水平仪检测支撑板是否水平，通过升降装置对支撑板进行调节，使支撑板处于水平状态，消除支撑板的初始位置误差对试验结果的影响，同时通过活动挡板和固定挡板对模型块体的下盘岩体进行夹持，保证在试验时，支撑板的偏转不会造成模型块体下盘岩体的移动或脱离，极大程度上降低试验装置对试验结果的影响，提高试验结果的精确性，使选定的结构面软料以及薄膜材料更加接近软弱结构面，以使软弱结构面的摩擦系数更加精确。
15.2、通过水平仪将支撑板调平后，调节调平螺母的位置，使调平螺母抵在固定筒的顶部，从而通过调平螺母记录支撑板水平状态下升降杆的位置，当重复试验或在同一环境下试验时，直接将升降杆收缩至调平螺母与固定筒相抵即可，从而实现支撑板的快速调平，进而达到简化试验流程和提高试验效率的效果。
附图说明
16.图1为本实用新型一种自动化测定模型材料摩擦系数的试验装置的整体结构示意
图；
17.图2为本实用新型一种自动化测定模型材料摩擦系数的试验装置中升降装置的内部结构示意图；
18.图中，1-固定底座，2-支撑板，3-活动铰座，4-转轴，5-水平仪，6-固定筒，7-升降杆，8-螺杆，9-活动挡板，10-固定挡板，11-角度传感器，12-千分表，13-驱动轴，14-第一锥齿轮，15-第二锥齿轮，16-转盘，17-滚轴，18-支撑座，19-调节螺杆，20-矩形限位块，21-圆柱杆，22-矩形槽，23-调平螺母。
具体实施方式
19.下面结合附图进一步详细描述本实用新型的技术方案，但本实用新型的保护范围不局限于以下所述。
20.如图1和图2所示，一种自动化测定模型材料摩擦系数的试验装置，包括固定底座1和支撑板2，固定底座1的一端固定有活动铰座3，支撑板2的一端通过转轴4转动连接在活动铰座3上，其中，转轴4与活动铰座3转动连接，支撑板2固定套设在转轴4上，支撑板2上设置有角度传感器11，支撑板2的上表面设置有水平仪5，固定底座1与支撑板2之间设置有升降装置，升降装置用于带动支撑板2绕着转轴4的轴线偏转；支撑板2上沿靠近活动铰座3的方向依次设置有活动挡板9和固定挡板10，固定挡板10和活动挡板9用于夹持模型块体的下盘岩体，固定挡板10上安装有千分表12，千分表12的传感探头用于接触模型块体的上盘岩体以进行剪切滑移检测。在试验开始前，通过水平仪5检测支撑板2是否水平，通过升降装置对支撑板2进行调节，使支撑板2处于水平状态，消除支撑板2的初始位置误差对试验结果的影响，同时通过活动挡板10和固定挡板9对模型块体的下盘岩体进行夹持，保证在试验时，支撑板2的偏转不会造成模型块体下盘岩体的移动或脱离，极大程度上降低试验装置对试验结果的影响，提高试验结果的精确性，使选定的结构面软料以及薄膜材料更加接近软弱结构面，以使软弱结构面的摩擦系数更加精确；具体试验步骤为：步骤一、安装试验试块，根据所需要模拟的软弱结构面几何参与与地质参数，以及其上下盘岩体的岩性、等级，分别配制相应的结构面软料，以及压制上下盘模型岩体试块，然后将模型块体(可安装4-8块小块体组合为400cm
2-800cm2的方块)固定在支撑板2上，即夹持在活动挡板9与固定挡板10之间，模拟结构面下盘岩体，根据试验需要在模型块体上敷设结构面软料或“变温相似材料”，然后再铺上所需测试的聚四氟乙烯、聚乙烯、蜡纸等各类薄膜材料，然后取相同的模型块体放置在薄膜材料上模拟结构面上盘岩体(上盘岩块不固定，可以自由滑动)；步骤二、调节支撑板2至水平，使支撑板2与水平面的角度为0
°
，并使角度传感器11的初始读数为0
°
；步骤三、升降装置带动支撑板2向上偏转，然后密切关注千分表12的读数，当某一时刻结构面上盘岩体发生微小的剪切滑移，则千分表12的指针就会转动，此时角度传感器11(旋转角度显示仪)实时显示的角度即为旋转角度从而获得f’值。
21.进一步地，如图2所示，升降装置包括固定筒6和升降杆7，固定筒6竖直固定在固定底座1上，固定筒6内设置有螺杆8，螺杆8与固定底座1转动连接，升降杆7滑动穿设在固定筒6内并与螺杆8螺纹连接，升降杆7远离固定筒6的一端与支撑板2接触，固定筒6的外壁转动连接有驱动轴13，驱动轴13的一端穿入固定筒6内并设置有第一锥齿轮14，螺杆8上设置有第二锥齿轮15，第二锥齿轮15与第一锥齿轮14啮合，驱动轴13的另一端固定有转盘16，升降
杆7包括矩形限位块20和圆柱杆21，固定筒6沿轴线贯穿开设有矩形槽22，矩形限位块20与矩形槽22滑动适配，圆柱杆21固定在矩形限位块20的顶部；手动转动转盘16以带动驱动轴13转动，驱动轴13通过第一锥齿轮14与第二锥齿轮15的啮合带动螺杆8转动，由于矩形限位块20与矩形槽22的适配限制升降杆7的旋转自由度，使升降杆7沿着螺杆8的轴向平移，从而将支撑板2抬起进行摩擦系数试验，采用螺杆8的方式实现升降杆7的伸缩，而升降杆7的单次伸缩量与螺杆的螺距有关，而螺杆的螺距较小，从而使升降杆7的伸缩较为缓慢，便于更加精确的抬起支撑板2观察千分表12的读数变化，具体实施时，在抬起支撑板2的初期，可快速转动转盘16，使升降杆7快速伸长，支撑板2抬起一定角度后，缓慢转动转盘16，使支撑板2缓慢抬升，从而使支撑板2的偏转易于操控与调节，同时相对于气缸或液压缸的升降方式具有更高的精度；优选的，升降杆7远离固定筒6的一端转动设置有滚轴17，滚轴17与支撑板2滚动接触，通过滚轴17与支撑板2的接触降低支撑板2与升降杆7之间的摩擦。
22.进一步地，圆柱杆21设有外螺纹，圆柱杆21上螺纹连接有调平螺母23，调平螺母23的外径大于矩形槽22的宽度，通过水平仪5将支撑板2调平后，调节调平螺母23的位置，使调平螺母23抵在固定筒6的顶部，从而通过调平螺母23记录支撑板3水平状态下升降杆7的位置，当重复试验或在同一环境下试验时，直接将升降杆7收缩至调平螺母23与固定筒6相抵即可，从而实现支撑板2的快速调平，进而达到简化试验流程和提高试验效率的效果。
23.进一步地，支撑板2远离活动铰座3的一端固定有支撑座18，支撑座18上螺纹连接有调节螺杆19，调节螺杆19靠近固定挡板10的一端与活动挡板9转动连接，活动挡板9的底部与支撑板2的表面接触，活动挡板9靠近或远离固定挡板10移动；通过活动挡板9和固定挡板10对下盘岩体进行夹持固定，保证支撑板2在偏转时不会造成下盘岩体的移动，具体为，将下盘岩体放置在固定挡板10与活动挡板9之间，然后靠近固定挡板10旋入调节螺杆19，使调节螺杆19带动活动挡板9靠近下盘岩体移动，从而完成下盘岩体的夹持固定。
24.在本实用新型的描述中，需要理解的是，术语“同轴”、“底部”、“一端”、“顶部”、“中部”、“另一端”、“上”、“一侧”、“顶部”、“内”、“前部”、“中央”、“两端”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制；以及本领域普通技术人员可知，本实用新型所要达到的有益效果仅仅是在特定情况下与现有技术中目前的实施方案相比达到更好的有益效果，而不是要在行业中直接达到最优秀使用效果。
25.以上所述仅是本实用新型的优选实施方式，应当理解本实用新型并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本实用新型的精神和范围，则都应在本实用新型所附权利要求的保护范围内。