一种适用野外的岩石摩擦角高精度测试装置及使用方法

本发明涉及岩石摩擦角试验，具体而言，涉及一种适用野外的岩石摩擦角高精度测试装置及使用方法。

背景技术：

1、岩体稳定性评估是岩土工程勘察中一项不可或缺的工作内容，岩体结构面特征的测试分析是稳定性评估工作中很重要的一环，为获得岩体结构面的力学特性，需要获取岩石结构面摩擦角这一关键的力学参数。当前，岩石摩擦角的获取可采用多种测试方法，倾斜试验方法由于结构简单、操作便捷和成本较低而得到了广泛应用。为确保摩擦角测试结果的精度，2018年国际岩石力学学会颁发了国际标准《isrm suggested method fordetermining the basic friction angle of planar rock surfaces by means of tilttests》，指出手动操作设备需要以5°～10°/min的转速超慢旋转且最小角度分辨率为0.5°，同时设备运行过程中无振动，滑移距离达到设定值后精准记录当前角度值。

2、调查发现，当前绝大部分摩擦角倾斜测试装置主要应用于室内试验，即将来自野外的岩石进行加工后拿到室内进行测试，比如申请号为201510122096.3全方位结构面倾斜剪切测试仪的多角度转换系统；申请号为2017102493628的岩石界面基本内摩擦角测量装置；申请号为2020102351811的一种倾斜调整装置及摇摆实验台；申请号为202111414641.8的一种材料界面基本摩擦角高精准测试装置。由此可知，上述装置中存在几个问题：一、室内测试装置需要提供电、气、液等动力，装置在野外无法使用，降低野外岩石样式的测试效率；二、装置固定不同尺寸野外岩石试样的能力不佳，导致岩石试样容易出现松动，影响测试结果。为真实反映野外岩石的摩擦特性并在现场提供大量测试数据，急需开发一种适用于野外的、测试精度高的岩石摩擦角测试装置。

技术实现思路

1、本发明主要目的是提供一种适用野外的岩石摩擦角高精度测试装置，用于解决装置固定不同尺寸野外岩石试样的能力不佳，导致岩石试样容易出现松动，影响测试结果的问题，以真实反映野外岩石的摩擦特性并在现场提供大量测试数据。

2、为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种适用野外的岩石摩擦角高精度测试装置，包括调平底座、试样倾斜架和角度调节机构，所述试样倾斜架通过铰轴铰接在调平底座上，所述角度调节机构连接在调平底座和试样倾斜架之间用于使试样倾斜架绕铰轴转动，所述试样倾斜架上安装有试样固定框、挡块和数显倾角仪，所述试样固定框用于固定下盘岩石试样，所述试样固定框的侧壁上设有多个螺孔，多个所述螺孔绕周向间隔分布，多个所述螺孔内均设有抵靠下盘岩石试样的螺栓，所述挡块用于阻挡倾斜滑落的上盘岩石试样，所述挡块靠近试样固定框且位于试样固定框的外侧设置，所述数显倾角仪用于测量试样倾斜架的倾斜角度，所述数显倾角仪的数值记录开关与挡块相抵。

3、本发明的有益效果为：通过在试样固定框的周壁上设置多个螺栓，使多个螺栓锁紧后抵靠下盘岩石试样，以方便不同尺寸的下盘岩石试样固定，避免岩石试样出现松动，适用于野外岩石的摩擦特性测量，通过设置数显倾角仪，能方便且快速观察试样倾斜架的转动倾斜角度，挡块阻挡滑落的上盘岩石试样时，数值记录开关能准确记录倾斜角度，以提高岩石摩擦特性测量的准确性。

4、在一些实施例中，所述试样倾斜架上固定有角度测试架，所述数显倾角仪连接在角度测试架上，所述角度测试架上固定设有缓冲器，所述缓冲器的输出端与挡块固定。通过采用上述结构，提高数显倾角仪的使用稳定性，设置缓冲器能减缓挡块对数显倾角仪的冲击，提高数显倾角仪的测量精度。

5、在一些实施例中，所述角度测试架上安装有弹簧，所述弹簧一端与角度测试架固定，所述弹簧另一端与数显倾角仪固定，所述弹簧的弹力大于所述数值记录开关的启动压力。通过采用上述结构，进一步缓冲数显倾角仪，避免数显倾角仪受损，提高数显倾角仪的测量精度。

6、在一些实施例中，所述试样固定框包括一个挡板、一个移动板、两个侧板和多个底板，一个挡板、一个移动板和两个侧板沿周向围绕呈矩形结构，所述挡板与移动板的位置相对，多个底板间隔设置，所述挡板、移动板、侧板和底板相互间通过螺钉连接且均设有多个所述螺孔，所述移动板用于根据岩石试样尺寸调节与挡板之间的距离。通过采用上述结构，实现试样固定框安装下盘岩石试样，设置可移动的移动板，进一步利于不同尺寸的下盘岩石试样固定，提高野外岩石测试实用性。

7、在一些实施例中，所述角度调节机构包括水平杆、倾斜杆和螺杆，所述水平杆沿水平方向滑动连接在调平底座上，所述倾斜杆固定连接在试样倾斜架上，所述螺杆一端通过第一连接件铰接在水平杆上，所述螺杆的中部通过第二连接件螺接在倾斜杆上，所述螺杆另一端连接有摇柄，所述螺杆通过摇柄绕自身轴线旋转，当螺杆绕自身轴线旋转时，所述倾斜杆带动试样倾斜架绕铰轴转动并与螺杆相互垂直设置，所述水平杆沿水平方向移动。通过采用上述结构，实现试样倾斜架绕铰轴可靠转动，同时螺杆与倾斜杆始终垂直设置，以保证倾斜杆转动匀速缓慢，且结构简单，使用方便代替电驱动，适用于野外岩石测试。

8、在一些实施例中，所述第二连接件上设有转速显示器，所述转速显示器用于检测所述螺杆绕自身轴线旋转的速度。通过采用上述结构，准确显示螺杆绕自身轴线旋转的速度，控制试样倾斜架的倾斜角度，提高测量精度。

9、在一些实施例中，所述调平底座包括支撑轴和空心管，所述空心管垂直固定连接在支撑轴的中部，所述支撑轴的两端和空心管上均设有一支撑脚，所述支撑脚的高度可调。通过采用上述结构，使调平底座支撑稳定，且支撑脚的高度可调，提高底座的调平可靠性，方便不平整的地面使用，适用于野外岩石测试。

10、在一些实施例中，所述支撑轴上设有行走轮，所述试样倾斜架上设有把手。通过采用上述结构，方便移动装置，适用于野外岩石测试。

11、在一些实施例中，所述调平底座上设有气泡水平仪。通过采用上述结构，能初步观察调平底座的水平度，方便装置后续的测量操作。

12、本发明还提供一种适用野外的岩石摩擦角高精度测试装置的使用方法，包括如下步骤：

13、第一步，测试前准备工作；在野外选择较为平坦且地面较为坚硬的地面，组装形成测试装置，选取测试岩石试样并记录尺寸参数，记录当前温度和湿度值；

14、第二步，调整装置水平度；对调平底座的支撑脚进行高度调节，先通过调平底座的气泡水平仪粗调测试装置的水平度，接着打开数显倾角仪，最后通过微调使得试样倾斜架的倾斜角为0°；

15、第三步，安装岩石试样；将选用的下盘岩石试样放入试样固定框内，调整下盘岩石试样滑移面的位置后，在各个板上拧入螺栓进行限位锁紧，在下盘岩石试样上方安放上盘岩石试样；

16、第四步，调节参数并试运行；在试样倾斜架的角度测试架中，根据岩石试样尺寸调整角度测试架上缓冲器的位置，以满足上盘岩石试样和挡块的间距要求，调整数显倾角仪位置以确保正常工作，转动角度调节机构的螺杆，开启并确保角度调节机构的转速显示器运行正常；

17、第五步，测试岩石摩擦角；缓慢转动角度调节机构的摇柄，使螺杆绕自身轴线旋转，试样倾斜架绕铰轴缓慢转动，借助角度调节机构的转速显示器的转速实时显示值可精准控制倾斜角度值；

18、第六步，记录摩擦角并复位；当试样倾斜架倾斜一定角度后，上盘岩石试样滑移并撞击挡块，撞击力在缓冲器的缓冲下将部分力传递给数显倾角仪的数值记录开关，此时数显倾角仪可精准记录当前角度值，然后复位装置到测试前状态，重新测试岩石试样并达到标准规定次数，根据标准计算方法获得岩石摩擦角。