本发明属于土木工程技术领域，涉及一种测定散粒体材料内摩擦角和界面静、动摩擦角的联合测定仪，目的是通过该联合测定仪方便、快捷、准确地测定散粒材料内摩擦角以及散粒体材料与其他材料之间的界面静、动摩擦角三个基本物理量。
背景技术：
内摩擦角是土等散粒体材料的重要基本物理量，决定其强度、变形等力学特性，是工程设计时必须采用的一项基本指标。从目前来看，对于散粒体材料内摩擦角的测定基本都采用传统的内摩擦角测定仪，即由漏斗、底部圆盘、刻度等构成，通过漏斗将散粒体材料堆积在底部圆盘上，通过测定自然堆积高度和底部堆积直径的方法进行内摩擦角的测定，该种内摩擦角测定仪功能单一且操作耗时较长。
散粒体材料与其他材料之间的界面静、动摩擦角的准确测定对分析散粒体材料与其他材料之间的界面相互作用具有重要意义。比如在土木工程领域，建筑物地基经常用到的摩擦桩，桩-土之间的侧壁摩阻力是桩承载力构成的重要方面，准确评估桩的侧摩阻力就需要准确测定桩-土两者之间的界面摩擦角。目前来看，对于静、动摩擦角的测定常常采用将物体放在斜坡上的方式，但该方式基本只适用于块状材料，对于散粒状材料效果较差。
技术实现要素：
本发明针对现有技术的不足，提供一种应用于测定散粒体材料内摩擦角和界面静、动摩擦角的联合测定仪，只需要一次装样就可准确、快速测定上述三个基本物理量，解决工程和科研中对于散粒体材料内摩擦角和界面静、动摩擦角测定不便的难题。
本发明采用以下技术方案：
测定散粒体材料内摩擦角和界面静、动摩擦角的联合测定仪，包括底部支撑、滑板、齿带、支撑架、滑道和试样盒；底部支撑可采用薄壁型钢焊接而成，包含4条支撑腿，操作时将其放置在实验台上；滑板的材质可选轻质木材，大大减轻滑板重量，方便操作，其长边可为1m，短边可为0.5m，通过合页与底部钢支撑铰接，可绕合页轴旋转，齿带设于滑板底面，支撑架下端通过球铰与底部支撑连接，上端顶在齿带槽中，通过调节其顶在齿带上槽的位置调节滑板的倾斜角度α，在滑板上表面安装有测试滑道，滑道旁固定有刻度尺，刻度尺上标示与齿带每个齿位所对应的滑板倾斜角度α，在滑板合页端部固定有挡板，试样盒为无底盒体，一个侧面为透明有机玻璃材质，且在该面标记有水平线和与水平线不同倾角刻度线，以便观察散粒体材料倾斜角度，试样盒通过销钉与滑道固定，另外三个壁面和顶面可以采用轻质铝材，试样盒的质量和壁面厚度应尽量小，减少试样盒与滑道之间摩擦对测试结果的影响。
上述技术方案中，所述的联合测定仪还包括高速相机，架设于测定仪旁用于记录试样盒的滑动过程，以准确记录试样盒滑动过程中的位置和相应的时间(必要时可用具有连拍功能的手机代替)，由此计算得到试样盒的滑动加速度。
进一步的，所述的挡板靠近试验盒一侧采用柔性材料，如橡胶等，另一侧可采用木材，挡板用于阻挡试样盒滑出滑板。
进一步的，本发明的联合测定仪中滑板与水平面角度调节范围为0°至45°。
目前，在本领域尚未见此类联合测定仪，该联合测定仪相比于传统单一功能的测定仪，具有集成度好，一次装样即可完成内摩擦角和界面静、动摩擦角的测定；操作简便；可测量散粒体材料和其他多种材料之间的界面摩擦角等诸多优点。
测定原理及方法如下：
1、散粒体材料内摩擦角的测定：对散粒体材料来说，内摩擦角等于天然休止角，即自然堆积状态下材料可以形成的最大坡面与地面所形成的夹角。先将滑板调至水平位置，打开试样盒进行装样至散粒体材料表面与试样盒透明侧壁上的水平标记线平齐，将滑板缓慢连续抬高直到试样盒中的散粒体材料表面开始出现滑落，记录滑板与水平面的夹角α和散粒体材料表面与试样盒水平标记线的夹角β，α-β即为材料极限堆积状态时表面与水平面的夹角，即为该散粒体材料的内摩擦角。
2、散粒体材料与其他材料之间的界面静摩擦角测定：
块状物体在斜坡上恰好开始滑动时的斜坡角度即为块状材料与底部斜坡表面材料之间的界面静摩擦角，本联合测定仪创新性地将散粒体材料放置于试样盒中，等效成块状物体，进而可以测定界面静摩擦角。使用本装置时，拔出固定试样盒与滑道的销钉，缓慢抬升滑板，直到试样盒恰好开始滑动，此时的滑板与水平面的夹角即为散粒体材料与滑道材料之间的界面静摩擦角。
3、散粒体材料与其他材料之间的界面动摩擦角测定：
如图1所示：
滑块在加速滑动过程中受到重力、斜坡支撑力、斜坡表面的摩擦力：
ma＝mgsinθ-mgcosθ·μ(1)
式中：μ为界面滑动摩擦系数；θ为斜坡倾斜角度；
式中：
可见，滑动摩擦角的测定需要确定滑块下滑的加速度，本测定仪需要高速相机记录滑块加速下滑过程的位置和时间，经过简单处理即可获取加速度值，利用公式(2)即可确定界面滑动摩擦角
本发明提出的用于散粒体材料内摩擦角和界面静、动摩擦角的联合测定仪，与现有的传统测定仪相比，主要具有以下突出优点：
1、一次装样可同时测定散粒体材料内摩擦角和界面静、动摩擦角三个基本物理量，大大提高测试效率。
2、滑道材料可更换，可以测定散粒体材料与其他多种材料之间的界面静、动摩擦角。
附图说明
图1为块体在斜面上的受力分析图；
图2是本发明联合测定仪的结构示意图；
图3是本发明装置的俯视结构示意图；
图4是本发明底部支撑的俯视图；
图5是本发明的支撑架结构示意图。
图中：1、底部钢支撑，2、支撑腿，3、合页，4、球铰，5、支撑架，6、滑板，7、齿带，8、试样盒，9、销钉，10、散粒体材料，11、滑道，12、螺丝钉，13、刻度尺，14、挡板。
具体实施方式
下面结合附图和操作对本发明做进一步说明。
本发明的散粒体材料内摩擦角和界面静、动摩擦角联合测定仪，包括底部钢支撑1，含有四个支撑腿2，以便支撑在实验台上；木质滑板6通过合页3与底部钢支撑2连接，可绕合页轴旋转，木质滑板6底部含有钢质齿带7，用于滑板倾斜角度的调节，每个齿位旁都刻有该齿位对应的滑板倾斜角度α；支撑架5下端通过球铰4与底部支撑架连接，上端顶在齿带槽中，与滑板、底部支撑架形成三角形稳定结构，支撑架5设置了三道支撑，以防止支撑架受压失稳；试样盒8通过销钉9与滑道固定，装样结束后将试样盒盖上，进行静、动摩擦角的测定实验时需要将销钉拔出；试样盒8是边长为20cm、高度为10cm的无底长方体，试样盒盖子可以拆卸，四个侧面为一个整体，其中一侧为透明的有机玻璃材质，其上面有水平线、倾斜角度线，便于测定散粒体材料表面与滑板面的夹角β；散粒体材料10在滑板6水平状态下进行装样，装样要保证试样表面与水平线平行，装样完成后盖上试样盖；滑道11安装于滑板6上表面的滑道槽中，通过螺丝钉12与滑板6连接，可以制作多种材料的滑道11以测定散粒体材料与不同材料之间的界面静、动摩擦角；挡板14固定在滑板端部，防止试样盒滑出挡板，靠近试验盒一侧采用柔性材料，另一侧采用木材；刻度尺13固定在滑道旁边，在进行动摩擦角测定实验时用高速相机记录试样盒滑动的位置、时间信息。
使用本发明先进行内摩擦角的测定，再进行界面静摩擦角的测定，最后进行动摩擦角的测定。具体实验流程和操作步骤如下：
1)先将滑板调至水平位置，用销钉将试样盒固定在滑道上，打开试样盖进行装样，装样大概至试样盒高度一半时停止装样，将试样表面进行水平化处理，处理完成后盖上试样盖；
2)进行内摩擦角的测定。实验者用左手缓慢抬升滑板，右手将支撑架依次顶在不同的齿带位置上，直到试样盒中的散粒体材料开始出现滑动。待滑动稳定后记录滑板与水平面的夹角α和试样面与滑板平面的夹角β，α-β即为该散粒体材料的内摩擦角；
3)进行界面静摩擦角的测定：将滑板恢复到水平位置，拔出固定销钉，实验者用左手缓慢抬升滑板，右手将支撑架依次顶在不同的齿带位置上，直到试样盒开始出现滑动迹象时停止。记录此时的滑板与水平面的夹角α，即为该两种材料之间的界面静摩擦角。
4)进行界面动摩擦角的测定：用销钉暂时固定试样盒，继续将滑板抬升一定的角度，支撑架顶住齿带后拔出销钉，试样盒将加速下滑，此过程用高速相机拍下多个时刻试样盒的位置，利用上述的实验原理和公式进行计算界面动摩擦角；
5)根据实验需要更换其他材料的滑道。