一种控制剪切接触面摩擦均匀的装置及方法

本申请涉及岩土工程，尤其涉及一种控制剪切接触面摩擦均匀的装置及方法。

背景技术：

1、在岩石或类岩石材料的摩擦试验中，现有的试验方法，因剪切接触面应力集中问题而造成剪切接触面摩擦出现不均匀现象，导致监测数据不准，从而引起研究结果出现偏差。目前，针对剪切接触面摩擦的不均匀现象，没有很好的解决办法，导致试验难以模拟真实深部岩土环境，使得试验监测数据的实际意义降低，无法为岩土工程提供准确的技术支持及理论依据，因此本申请提供一种控制剪切接触面摩擦均匀的装置及方法。

技术实现思路

1、为了解决上述问题，本申请实施例提供了一种控制剪切接触面摩擦均匀的装置及方法，可以解决现有技术中剪切接触面摩擦不均匀的问题，所述技术方案如下：

2、本申请第一方面提供一种控制剪切接触面摩擦均匀的装置，包括第一剪切盒、第二剪切盒、法向加载件、第一水平加载件、第二水平加载件及滑轨组件，所述第一剪切盒用于放置第一试样；所述第二剪切盒位于所述第一剪切盒下方，用于放置第二试样，所述第一试样与所述第二试样相对的面接触以进行摩擦滑动试验；所述法向加载件位于所述第一剪切盒顶部以向所述第一试样、第二试样施加法向应力；所述第一水平加载件抵接于所述第一剪切盒水平方向的两侧，以在水平方向固定所述第一剪切盒；所述第二水平加载件位于所述第二剪切盒两侧，以向所述第一试样、第二试样施加剪切应力；所述滑轨组件位于所述第二剪切盒底部，以承载并带动所述第二剪切盒水平移动；其中，在所述第一水平加载件与所述第一剪切盒之间设有减摩机构，在所述第一水平加载件内设有力传感器和位移传感器，以调节所述第一水平加载件施加于所述减摩机构上的预应力并监测试验过程中所述第一剪切盒水平方向侧向受力和变形，以减小滑动摩擦过程中法向上的摩阻力，使所述第一剪切盒在法向上自由产生法向变形。

3、例如，在一个实施例提供的控制剪切接触面摩擦均匀的装置中，还包括法向提升机构，连接于所述第一剪切盒和所述法向加载件之间，以控制所述第一剪切盒沿法向升降。

4、例如，在一个实施例提供的控制剪切接触面摩擦均匀的装置中，所述法向提升机构包括连接钢板和调心轴承，所述连接钢板位于所述第一剪切盒的顶面，并分别与所述第一剪切盒的顶面、所述法向加载件的驱动端部连接，在所述连接钢板中部设有穿孔以供所述法向加载件穿过；所述调心轴承位于所述连接钢板与所述第一剪切盒之间并垂设于所述第一剪切盒的顶面，所述调心轴承的一端与所述连接钢板连接，另一端伸入所述第一剪切盒内，以实现在滑动摩擦过程中所述第一试样在法向上的自由变形。

5、例如，在一个实施例提供的控制剪切接触面摩擦均匀的装置中，所述连接钢板包括两块对称设置的钢板，每一所述钢板上设有弧形缺口，对接后形成所述穿孔，在所述连接钢板四周设有螺纹孔，以将所述法向提升机构与所述第一剪切盒的顶面通过螺母连接。

6、例如，在一个实施例提供的控制剪切接触面摩擦均匀的装置中，所述减摩机构可拆卸地连接于所述第一剪切盒的外侧壁，所述减摩机构包括滑板子件、滑板母件及滚轴，所述滑板子件连接于所述第一剪切盒的外侧壁；所述滑板母件连接于所述第一水平加载件朝向所述第一剪切盒的端部，并与所述滑板子件对接；所述滚轴位于所述滑板子件和所述滑板母件之间，并与所述滑板子件连接。

7、例如，在一个实施例提供的控制剪切接触面摩擦均匀的装置中，在所述第一剪切盒内设有贯穿所述第一试样并伸出所述第一剪切盒外壁的水平螺纹杆，在所述第一剪切盒两侧设有夹具，所述水平螺纹杆与所述夹具锁紧使得所述第一试样与所述第一剪切盒连接为一体。

8、例如，在一个实施例提供的控制剪切接触面摩擦均匀的装置中，在所述第二剪切盒内设有贯穿所述第二试样并伸出所述第二剪切盒外壁的水平螺纹支柱，在所述第二剪切盒的一侧设有槽型钢板，所述水平螺纹支柱与所述槽型钢板锁紧使得所述第二试样与所述第二剪切盒连接为一体；在所述第二剪切盒底部两侧设有定位片。

9、例如，在一个实施例提供的控制剪切接触面摩擦均匀的装置中，所述滑轨组件包括水平滑轨及滑轨固定器，在所述滑轨固定器上设有限位孔，通过所述限位孔将所述滑轨固定器固设于所述水平滑轨上。

10、例如，在一个实施例提供的控制剪切接触面摩擦均匀的装置中，在所述第一剪切盒、第二剪切盒和所述滑轨固定器的同侧面中部分别设有对中线，以使所述第一剪切盒、第二剪切盒和所述水平滑轨对中并与所述法向加载件中心对应。

11、本申请第二方面提供一种控制剪切接触面摩擦均匀的方法，采用上所控制剪切接触面摩擦均匀的装置进行摩擦滑动试验，包括以下步骤：

12、s1制作试验样本；

13、s2通过滑轨固定器将第二剪切盒下方的水平滑轨固定，将第二试样放入第二剪切盒内，并穿设水平螺纹支柱，将水平螺纹支柱与槽型钢板锁紧使得第二试样与第二剪切盒连接为一体；

14、s3通过法向提升固定器将第一剪切盒提升至设计高度，将第一试样放置于第二试样上，再将第一剪切盒降落至第一试样上，并通过法向加载件施加预应力；

15、s4将第一剪切盒水平方向两侧的夹具拧紧，将水平螺纹杆与夹具锁紧使得第一试样与第一剪切盒连接为一体；

16、s5在第一剪切盒水平方向两侧安装减摩装置，然后控制第一水平加载件施加预应力，使第一水平加载件与减摩装置紧密接触；

17、s6在第一试样和第二试样上按照试验方案布置应变片、声发射等传感器，之后控制法向加载件施加法向应力至设计值σ0，拆卸滑轨固定器后再控制第二水平加载件施加剪切位移加载速率v，开始摩擦滑动试验，得到在常法向应力及常法向刚度边界条件下，接触面磨损均匀的剪应力变化规律。

18、本申请一些实施例提供的一种控制剪切接触面摩擦均匀的装置带来的有益效果为：本申请可以解决现有技术中剪切接触面摩擦不均匀的问题，能更准确的分析界面法向应力对剪切应力的变化规律，进而研究试样滑动失稳的内部机理，为相应的岩土工程提供技术支持及理论依据；通过在第一剪切盒上方设置带有调心轴承的法向提升机构，以实现第一剪切盒沿法向上的升降，并实现在试验过程中控制第一试样法向上的自由变形，避免受剪切力的影响引起试样发生偏转而导致接触面上受力不均匀；通过在第一剪切盒水平方向两侧设置减摩机构及第一水平加载件，能极大减少试验中试样法向上的摩阻力，使第一剪切盒在法向上能自由产生法向变形，从而更好实现常法向刚度边界控制的效果，通过实时监测减摩机构的侧向受力及其变形状态，这样使试验边界条件更适合真实深部岩土环境，监测数据更具研究价值。

技术特征：

1.一种控制剪切接触面摩擦均匀的装置，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述控制剪切接触面摩擦均匀的装置，其特征在于，还包括法向提升机构，连接于所述第一剪切盒和所述法向加载件之间，以控制所述第一剪切盒沿法向升降。

3.根据权利要求2所述控制剪切接触面摩擦均匀的装置，其特征在于，所述法向提升机构包括：

4.根据权利要求3所述控制剪切接触面摩擦均匀的装置，其特征在于，所述连接钢板包括两块对称设置的钢板，每一所述钢板上设有弧形缺口，对接后形成所述穿孔，在所述连接钢板四周设有螺纹孔，以将所述法向提升机构与所述第一剪切盒的顶面通过螺母连接。

5.根据权利要求1所述控制剪切接触面摩擦均匀的装置，其特征在于，所述减摩机构可拆卸地连接于所述第一剪切盒的外侧壁，所述减摩机构包括：

6.根据权利要求1所述控制剪切接触面摩擦均匀的装置，其特征在于，在所述第一剪切盒内设有贯穿所述第一试样并伸出所述第一剪切盒外壁的水平螺纹杆，在所述第一剪切盒两侧设有夹具，所述水平螺纹杆与所述夹具锁紧使得所述第一试样与所述第一剪切盒连接为一体。

7.根据权利要求1所述控制剪切接触面摩擦均匀的装置，其特征在于，在所述第二剪切盒内设有贯穿所述第二试样并伸出所述第二剪切盒外壁的水平螺纹支柱，在所述第二剪切盒的一侧设有槽型钢板，所述水平螺纹支柱与所述槽型钢板锁紧使得所述第二试样与所述第二剪切盒连接为一体；在所述第二剪切盒底部两侧设有定位片。

8.根据权利要求1所述控制剪切接触面摩擦均匀的装置，其特征在于，所述滑轨组件包括：

9.根据权利要求1所述控制剪切接触面摩擦均匀的装置，其特征在于，在所述第一剪切盒、第二剪切盒和所述滑轨固定器的同侧面中部分别设有对中线，以使所述第一剪切盒、第二剪切盒和所述水平滑轨对中并与所述法向加载件中心对应。

10.一种控制剪切接触面摩擦均匀的方法，其特征在于，采用权利要求1-9任一项所述控制剪切接触面摩擦均匀的装置进行摩擦滑动试验，包括以下步骤：

技术总结
本申请公开了一种控制剪切接触面摩擦均匀的装置及方法，包括第一剪切盒、第二剪切盒、法向加载件、第一水平加载件、第二水平加载件及滑轨组件，所述第一剪切盒用于放置第一试样；所述第二剪切盒用于放置第二试样，所述第一试样与所述第二试样相对的面接触以进行摩擦滑动试验；所述法向加载件位于所述第一剪切盒顶部；所述第一水平加载件抵接于所述第一剪切盒两侧；所述第二水平加载件位于所述第二剪切盒两侧，以向所述第一试样、第二试样施加剪切应力；所述滑轨组件用于承载并带动所述第二剪切盒水平移动；本申请可以解决剪切接触面摩擦不均匀的问题，能更准确的分析界面法向应力对剪切应力的变化规律，使试验边界条件更适合真实深部岩土环境。

技术研发人员：张传庆,张罗送,周奥鸽,周辉,方志,李玲玉,谢起明,叶金萍,张强强
受保护的技术使用者：中国科学院武汉岩土力学研究所
技术研发日：
技术公布日：2024/1/16