高精度岩体结构面抗剪强度尺寸效应倾斜试验系统

1.本发明属于岩土力学室内试验领域，具体涉及一种多尺度试样的岩体结构面倾斜剪切试验系统。


背景技术：

2.岩体中结构面特征是稳定性评估的重要工作，接骨面基本摩擦角是结构面特征参数最重要的力学参数之一。目前基本摩擦角的测试主要由两类，一类是剪切试验，另一类是倾斜试验。倾斜试验采用旋转试验平台的方法，直接测试结构面滑移启动时的倾角值，这就可以确定基本摩擦角。由于它不需要加载装置而被广泛应用。但是现有的倾斜台试验装置角度控制基本上用单旋转轴控制，旋转速度稳定性差，比如杜时贵等设计了一种全方位结构面倾斜剪切测试仪的多角度转换系统(专利号：201510122096.3)，它采用龙门架和电葫芦通过电气控制拉起安装试样的底垫板。高均昭等人提出的用于岩体结构面基本摩擦角测试的倾斜台试验装置(专利号：201310438688.7)采用螺母拧入螺杆控制两个木板相对转动的方式实现倾斜转动，这种方法无法保障螺母的等速转动，且随着倾斜平台角度变大，角度变化速率会逐渐降低。王其虎等人提出的用于测试岩石结构面基本摩擦角的升降装置及使用方法(专利号：201911401783.3)采用行走螺母和手动转动反力螺纹杆的转动控制行走螺母的水平移动，通过连杆实现倾斜面的转动。以上方法无法保障匀速转动，更无法实现非常慢速的转动，比如每秒0.1
°
的高精度控制。现有装置中没有涉及到反向倾斜转动的控制。为有效获得多尺度试样的岩体结构面倾斜剪切值，获得转角与上部试样的位移之间的关系，同时为上部试样在一定倾角时逐渐增加它的拉力载荷以获得载荷与倾斜之间的关系，为结构面抗剪强度各向异性的实验研究提供保障。本专利正是为解决岩体结构面抗剪强度尺寸效应的高精度倾斜试验研究提供了方案。


技术实现要素：

3.为了克服已有技术的不足，为了高精度获取岩石基本摩擦角，本发明提供了一种多尺度试样的岩体结构面倾斜剪切试验系统。
4.本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
5.一种高精度岩体结构面抗剪强度尺寸效应倾斜试验系统，所述试验系统包括底座、拉拔模块、多尺度试样测试模块、倾斜角度运行模块和控制系统，测试的试样以结构面为界限分为上部试样和下部试样，上部试样和下部试样的结构面重合，所述的倾斜角度运行模块和拉拔模块安装在底座上，所述的多尺度试样测试模块安装在倾斜角度运行模块上，所述的控制系统根据外部指令和反馈的信号实现试验系统的倾斜转动控制并实时获取转角和位移的关系曲线。
6.进一步，所述的倾斜角度运行模块包括微动开关压件、微动开关、转盘、反转限位块、转轴、石墨铜套、正转限位块、支座、减速器和伺服电机，所述的减速器安装在底座上，减速器输入轴连接伺服电机输出轴，两个支座固定在底板上，转轴穿过两个支座并且它的两
端伸出支座的外部，转轴的一端与减速器输出轴连接，转轴的另一端与转盘固定，支座和转轴之间安装石墨铜套，位于两个支座之间转轴段的上方固定倾斜角度运行模块，转盘安装两个微动开关压件，微动开关固定在底座上，两个微动开关压件在转盘正传或反转到一定角度时可压入微动开关的推杆，反转限位块和正转限位块分别安装在两个支座的一侧，用于倾斜角度运行模块正转和反转的最大距离限位。
7.再进一步，所述的多尺度试样测试模块包括旋转台、左侧限位架、左侧限位板、右侧限位板、右侧限位架、测距传感器安装架、测距传感器和拧紧螺栓，旋转台固定在倾斜角度运行模块的转轴上，旋转台的正上方安放试样，右侧限位板通过螺栓固定在两块右侧限位架之间，右侧限位架固定在旋转台上，下部试样的右侧紧靠在右侧限位板上，左侧限位板通过螺栓固定在两块左侧限位架之间，两块左侧限位架根据试样尺寸的大小调节在旋转台的位置并固定，两块左侧限位架中间处设置拧紧螺栓，用于水平向压紧下部试样的左侧，右侧限位板的右侧安装测距传感器安装架，测距传感器安装架上安装测距传感器，测距传感器对准上部试样并可实时检测与上部试样的距离。
8.更进一步，所述的左侧限位架和右侧限位架为l型结构，多尺度试样测试模块转动方式为正转时，右侧限位架的窄边端部安装到旋转台上，右侧限位板固定在窄边，左侧限位板固定在左侧限位架的宽边，多尺度试样测试模块转动方式为反转时，右侧限位架的宽边端部安装到旋转台上，右侧限位板固定在左侧限位架的窄边，左侧限位板固定在右侧限位架的宽边，左侧限位板的宽边端部始终固定在旋转台上。
9.所述的底座包括扶手、安装台和橡胶脚垫，扶手位于安装台的两侧，4个呈对角布置橡胶脚垫安装于安装台的底部。
10.所述的拉拔模块包括拉绳、铜轮、铜轮固定件、高度调整杆、支撑架和砝码盘，支撑架固定在安装台上，高度调整杆根据试样高度尺寸在支撑架上调整相应高度并固定，铜轮固定在调整杆顶端，铜轮固定件位于铜轮下方并固定在高度调整杆的两侧，用于增加高度调整杆的刚度，拉绳绕过可绕铜轮转动的轮子外圈，拉绳的一端与砝码盘连接，另一端与上部试样的中间位置绑定，砝码盘上可以安放一定数量的砝码。
11.所述的控制系统通过可编程控制器及触摸屏操作界面实现对试验系统的倾斜转动控制，触摸屏操作界面设置正转启动、反转启动、停止、复位操作按钮及旋转台转速、当前位置、移动距离等显示框，触摸屏通过获得的信号时时显示上部试样位移、旋转台转角随时间变化的曲线，获得转角与位移之间的关系曲线。
12.本发明的技术构思为：基本摩擦角的精确值需要旋转试验平台缓慢高精度的转动，直到上部试样产生滑移后确定角度值。主要技术点如下：
13.1.多尺度试样结构面倾斜剪切试验仪，采用伺服电机和大速比减速器实现旋转台的高精度极慢速匀速转动，也可以根据需要设置转动速度。借助可编程控制器及触摸屏操作界面可以实现旋转台的正转和反转运动。转动过程中安装了极限机械位置，也使用了微动开关，确保转动角度不超过设定的最大值。上部试样相对下部试样是否产生位移由测距传感器进行监控，通过触摸屏时时记录转动角度与滑移距离的关系。
14.2.试样在测试前进行限位约束，根据试样的尺寸约束下部试样，即下部试样一端进行限位，另一端根据试样尺寸调节限位距离，再通过螺栓拧紧下部试样。根据正转和反转的要求，改变右侧限位架的安装方向，获得上部试样在旋转平台正转或反转下的基本摩擦
角。
15.3.当安装的试样处于设定的某一种角度时，为获得它在多大的切向力时使得上部试样产生滑移。拉拔模块结合试样高度调节拉伸的高度，绳子一端固定上部试样的中部，另外一端安装重力砝码盘，再逐渐添加砝码后的某一刻绳子将拉动上部试样，从而获得相应的切向力。
16.本发明具有的有益效果：1、通过缓慢匀速转动的方式获得多尺度试样的基本摩擦角精确值；2、通过绳索及砝码累加的方法对一定角度的试样进行拉拔，获得高精度切向力值。
附图说明
17.图1为高精度岩体结构面抗剪强度尺寸效应倾斜试验系统的主视图；
18.图2为高精度岩体结构面抗剪强度尺寸效应倾斜试验系统的左视图；
19.图3为高精度岩体结构面抗剪强度尺寸效应倾斜试验系统的俯视图；
20.图4为倾斜角度运行模块的俯视图；
21.图5为倾斜角度运行模块的右视图；
22.图6为多尺度试样测试模块(旋转台正转测试)主视图；
23.图7为多尺度试样测试模块(旋转台正转测试)俯视图；
24.图8为多尺度试样测试模块(旋转台反转测试)主视图；
25.图9为底座和拉拔模块主视图；
26.图10为底座和拉拔模块右视图。
具体实施方式
27.下面结合附图对本发明作进一步描述。
28.参照图1～图10，一种高精度岩体结构面抗剪强度尺寸效应倾斜试验系统，包括底座1、拉拔模块2、多尺度试样测试模块3、倾斜角度运行模块4和控制系统，测试的试样以结构面为界限分为上部试样和下部试样，上部试样和下部试样的结构面重合，所述的倾斜角度运行模块4和拉拔模块2安装在底座上，所述的多尺度试样测试模块3安装在倾斜角度运行模块4上，所述的控制系统根据外部指令和反馈的信号实现倾斜转动模块的控制并实时获取转角和位移的关系曲线。
29.进一步，所述的倾斜角度运行模块4包括微动开关压件40、微动开关41、转盘42、反转限位块43、转轴44、石墨铜套45、正转限位块46、支座47、减速器48和伺服电机49，所述的减速器48安装在底座1上，减速器48输入轴连接伺服电机49输出轴，两个支座47固定在底板上，转轴44穿过两个支座并且它的两端伸出支座的外部，转轴44的一端与减速器48输出轴连接，转轴44另一端与转盘42固定，支座47和转轴44之间安装石墨铜套45，位于两个支座之间转轴段的上方固定倾斜角度运行模块4，转盘42安装两个微动开关压件40，微动开关41固定在底座1上，两个微动开关压件41在转盘正传或反转到一定角度时可压入微动开关41的推杆，反转限位块43和正转限位块46分别安装在两个支座47的一侧，用于限制倾斜角度运行模块4正转和反转的最大距离限位。
30.进一步，所述的多尺度试样测试模块3包括旋转台31、左侧限位架32、左侧限位板
33、右侧限位板34、右侧限位架35、测距传感器安装架36、测距传感器37和拧紧螺栓38，旋转台31固定在倾斜角度运行模块4的转轴44上。旋转台31的正上方安放试样5。右侧限位板34通过螺栓固定在两块右侧限位架35之间，右侧限位架35固定在旋转台31上，下部试样的右侧紧靠在右侧限位板34上。左侧限位板33通过螺栓固定在两块左侧限位架32之间。两块左侧限位架32根据试样尺寸的大小调节在旋转台31的位置并固定。两块左侧限位架32中间处设置拧紧螺栓38，用于水平向压紧下部试样的左侧。右侧限位板34的右侧安装测距传感器安装架36，测距传感器安装架36上安装测距传感器37，测距传感器37对准上部试样并可实时检测与上部试样的距离。
31.进一步，所述的左侧限位架32和右侧限位架35为l型结构，多尺度试样测试模块3转动方式为正转时，右侧限位架35的窄边端部安装到旋转台31上，右侧限位板34固定在窄边，左侧限位板33固定在左侧限位架32的宽边，多尺度试样测试模块3转动方式为反转时，右侧限位架35的宽边端部安装到旋转台31上，右侧限位板34固定在左侧限位架32的窄边，左侧限位板33固定在右侧限位架35的宽边，左侧限位板32的宽边端部始终固定在旋转台31上。
32.进一步，所述的底座1包括扶手11、安装台12和橡胶脚垫13，扶手11位于安装台12的两侧，4个呈对角布置橡胶脚垫13安装于安装台12的底部。
33.进一步，所述的拉拔模块2包括拉绳20、铜轮21、铜轮固定件22、高度调整杆23、支撑架24和砝码盘25，支撑架24固定在安装台12上，高度调整杆23根据试样高度尺寸在支撑架24上调整相应高度并固定，铜轮21固定在调整杆23顶端，铜轮固定件22位于铜轮21下方并固定在高度调整杆23两侧，用于增加高度调整杆的刚度，拉绳20绕过可绕铜轮转动的轮子外圈，拉绳20的一端与砝码盘25连接，另一端与上部试样的中间位置绑定，砝码盘25上可以安放一定数量的砝码。
34.进一步，所述的控制系统通过可编程控制器及触摸屏操作界面实现对试验系统的倾斜转动控制，触摸屏操作界面设置正转启动、反转启动、停止、复位操作按钮及旋转台转速、当前位置、移动距离等显示框，触摸屏通过获得的信号时时显示上部试样位移、旋转台转角随时间变化的曲线，获得转角与位移之间的关系曲线。
35.本实施例中，通过可编程控制器及触摸品将旋转台31调整到水平(初始角度为0度)。为获取基本摩擦角，根据旋转方向安装右侧限位架35和右侧限位板34，下部试样紧靠在右侧限位板34。根据下部试样的尺寸，调整左侧限位架32位置并与左侧限位板33一起安装以紧靠下部试样另一侧。通过借助扭力扳手等方式将螺栓拧紧以固定下部试样。安装上部试样使得它的结构面与下部试样结构面重叠。通过触摸屏设置转动速度并启动工作，触摸屏根据测距传感器的信号和转角信号时时显示转角和上部试样位移的曲线。当上部试样达到一定位移值或者达到转角机械极限值，结束测试。为获得切向力时，同样将试样进行安装与限位，通过触摸屏设置需要转动的角度并运行到该角度值后停止工作。根据多尺度试样的高度调节拉拔模块铜轮21的高度，拉绳20一端固定上部试样的中部位置，另外一端与砝码盘25连接，在砝码盘25上逐步安放重量小的砝码，直到拉绳20拉动上部试样并移动一定距离位置，从而根据砝码重力获得切向力值。
36.本说明书的实施例所述的内容仅仅是对发明构思的实现形式的列举，仅作说明用途。本发明的保护范围不应当被视为仅限于本实施例所陈述的具体形式，本发明的保护范
围也及于本领域的普通技术人员根据本发明构思所能想到的等同技术手段。