本發(fā)明屬于模擬試驗(yàn)技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種模擬混凝土面板墊層靜、動(dòng)摩擦力的試驗(yàn)裝置及方法。

背景技術(shù)：

混凝土面板常作為防滲結(jié)構(gòu)廣泛應(yīng)用于土石壩、砌石壩、碾壓混凝土壩的防滲系統(tǒng)及其加固工程中，尤其是現(xiàn)代堆石壩大多利用混凝土面板作為防滲和湖泊結(jié)構(gòu)。高面板堆石壩面板應(yīng)力狀態(tài)復(fù)雜，中間受壓，兩邊受拉，還受到墊層的摩擦作用。由于壩體主要為堆石材料，且修筑在具有轉(zhuǎn)折邊坡的河谷之中，面板和壩體之間變形常不能協(xié)調(diào)，導(dǎo)致不均勻沉降產(chǎn)生。在面板和墊層接觸面上，會(huì)發(fā)生摩擦作用，起初為靜摩擦力，當(dāng)不協(xié)調(diào)變形發(fā)展到一定程度后，會(huì)發(fā)生滑動(dòng)摩擦力，對(duì)面板產(chǎn)生不可忽視的剪切作用，導(dǎo)致破壞。

目前，國(guó)內(nèi)外有關(guān)混凝土面板的研究多集中在不均勻沉降、拉壓應(yīng)力、水力劈裂、溶蝕等因素導(dǎo)致的破壞，有關(guān)摩擦作用導(dǎo)致的損傷斷裂試驗(yàn)及成果相對(duì)較少。如何對(duì)混凝土面板施加摩擦作用是其中的難點(diǎn)和重點(diǎn)。摩擦作用分為靜摩擦和動(dòng)摩擦，在試驗(yàn)中對(duì)面板試件的靜、動(dòng)摩擦力加載目前未見(jiàn)相關(guān)報(bào)道。在加載過(guò)程中，機(jī)械阻力、墊層底部摩擦作用不可避免的會(huì)影響面板與墊層間摩擦力施加精度，如何提高加載精度，是一個(gè)亟待解決的問(wèn)題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為了解決現(xiàn)有技術(shù)中不能高精度的模擬混凝土面板靜、動(dòng)墊層摩擦力作用的問(wèn)題，本發(fā)明提供一種模擬混凝土面板墊層靜、動(dòng)摩擦力的試驗(yàn)裝置及方法，該裝置及方法可以對(duì)混凝土面板試件施加靜、動(dòng)摩擦作用，研究墊層摩擦力對(duì)其力學(xué)性能的影響。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案為：

一種模擬混凝土面板墊層靜、動(dòng)摩擦力的試驗(yàn)裝置，包括基座3，所述基座3上橫向設(shè)置有若干組鋼珠軌道5，每組鋼珠軌道5內(nèi)均安裝有若干個(gè)鋼珠4，所述鋼珠軌道5和鋼珠4的上面設(shè)置有墊層塊2，所述墊層塊2的上面設(shè)置有混凝土面板試件1，所述混凝土面板試件1橫向的兩側(cè)設(shè)置有固定鋼板17，固定鋼板17保證混凝土面板試件1不做橫向運(yùn)動(dòng)，所述混凝土面板試件1的頂部設(shè)置有加載蓋15，加載蓋15上安裝有加載軸14，所述墊層塊2橫向的一側(cè)設(shè)置有向著墊層塊2施加力的千斤頂8和壓力傳感器10，所述墊層塊2橫向的另一側(cè)設(shè)置有位移傳感器9。

進(jìn)一步的，所述墊層塊2底部設(shè)置有三組橫向的鋼珠軌道5，每組鋼珠軌道5內(nèi)均安裝有8個(gè)鋼珠4。

進(jìn)一步的，所述墊層塊2采用無(wú)砂混凝土澆筑而成，所述墊層塊2位于混凝土面板試件1和鋼珠軌道5上的鋼珠4之間，且墊層塊2的頂面鑿面處理，增加墊層塊2與混凝土面板試件1之間的摩擦力，墊層塊2的底面為拋光面，減小墊層塊2與底部鋼珠4間摩擦作用，所述鋼珠4的材質(zhì)為不銹鋼，鋼珠與鋼珠軌道一方面為墊層塊2提供支撐作用，另一方面減小與基座3之間的摩擦作用，提高摩擦力加載精度。

進(jìn)一步的，所述千斤頂8的一側(cè)為墊層塊2，千斤頂8的另一側(cè)設(shè)置有千斤頂反力架6；所述千斤頂8安裝于千斤頂支架7上，所述千斤頂8通過(guò)加載桿13施加力于墊層塊2的橫向側(cè)壁上；所述加載桿13穿過(guò)于傳力桿支架12。

進(jìn)一步的，所述加載桿13、墊層塊2和混凝土面板試件1上均安裝有壓力傳感器10。

進(jìn)一步的，所述墊層塊2橫向的兩側(cè)均安裝有一個(gè)位移傳感器9，其中與千斤頂8相對(duì)一側(cè)的位移傳感器9安裝于位移傳感器反力架11上，與千斤頂8同側(cè)的位移傳感器9安裝于傳力桿支架12上，兩個(gè)位移傳感器9均與墊層塊2齊高。

進(jìn)一步的，所述加載蓋15的頂部設(shè)置有凹槽，所述凹槽內(nèi)安裝有豎直設(shè)置的加載軸14。

進(jìn)一步的，所述固定鋼板17一端抵住混凝土面板試件1，另一端通過(guò)若干個(gè)螺釘16固定于工作臺(tái)面上。

進(jìn)一步的，所述工作臺(tái)面上分別固定有位移傳感器反力架11、基座3、千斤頂支架7、傳力桿支架12和千斤頂反力架6。

一種模擬混凝土面板墊層靜、動(dòng)摩擦力的試驗(yàn)方法，包括以下步驟：

第一步，澆筑混凝土面板試件和墊層塊；

第二步，試件組裝，基座上面固定鋼珠軌道，鋼珠軌道內(nèi)放置鋼珠，在鋼珠軌道和鋼珠上壓蓋墊層塊，墊層塊上面安置混凝土面板試件；

第三步，加載設(shè)備安裝，墊層塊的一側(cè)安裝千斤頂，并在千斤頂后設(shè)置千斤頂反力架；

第四步，固定裝置和觀測(cè)設(shè)備安裝，混凝土面板試件橫向相對(duì)的兩個(gè)側(cè)壁上安裝固定鋼板，保證混凝土面板試件不橫向運(yùn)動(dòng)，加載桿、墊層塊和混凝土面板試件上均安裝有壓力傳感器，墊層塊外還安裝有位移傳感器；

第五步，軸壓加載裝置安裝，在混凝土面板試件頂部安裝加載蓋和加載軸；

第六步，墊層塊與混凝土面板試件摩擦系數(shù)測(cè)定，首先通過(guò)加載軸進(jìn)行軸壓加載，加載到1mpa，即混凝土面板試件頂部壓力為22.5kn，然后保持縱向壓力穩(wěn)定，開(kāi)始進(jìn)行分級(jí)摩擦力加載，荷載等級(jí)為1kn，每級(jí)摩擦力加載持荷試件為5min，并繪制在加載過(guò)程中，觀測(cè)位移傳感器水平位移持續(xù)變化時(shí)，此荷載為靜、動(dòng)摩擦力的分界點(diǎn)，記錄數(shù)據(jù)，并結(jié)合壓力傳感器數(shù)據(jù)，修正處理數(shù)據(jù)，可得出不同軸壓、側(cè)壓力作用下的靜、動(dòng)摩擦系數(shù)，以指導(dǎo)混凝土面板試件在摩擦力和軸壓共同作用下的特性試驗(yàn)；

第七步，單軸壓縮與摩擦聯(lián)合作用下的混凝土面板試件破壞試驗(yàn)，對(duì)混凝土面板試件施加恒定摩擦力，然后逐級(jí)增加軸向壓力，以測(cè)定混凝土面板試件在摩擦力和軸壓力共同作用下的本構(gòu)模型，研究其損傷破壞機(jī)理。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下有益效果：

1、本發(fā)明提供的一種模擬混凝土面板墊層靜、動(dòng)摩擦力的試驗(yàn)方法及裝置，可以對(duì)混凝土面板試件提供靜、動(dòng)摩擦力作用，并可提供面板所承受水壓力作用，可提供混凝土面板實(shí)際應(yīng)力狀態(tài)，并用以研究其力學(xué)特性。

2、澆筑無(wú)砂混凝土形成墊層塊，并通過(guò)鑿面處理增加與混凝土面板試件間摩擦系數(shù)，采用剖光技術(shù)處理墊層塊底面以減小與不銹鋼珠間摩擦系數(shù)，可以使墊層塊與面板試件的摩擦力平衡千斤頂施加的水平壓力，提高摩擦力施加精度。

3、設(shè)置不銹鋼珠和軌道，可進(jìn)一步減小墊層塊底部摩擦力，與頂部所承受的摩擦力相比可忽略不計(jì)。

4、在墊層塊和混凝土面板試件表面，設(shè)有壓力傳感器，可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)試件應(yīng)力狀態(tài)，記錄不同荷載作用下的試件力學(xué)響應(yīng)。

5、墊層塊水平除千斤頂加載側(cè)不設(shè)千分表，其余各向通過(guò)千分表以監(jiān)測(cè)加載過(guò)程中的墊層塊的位移情況，通過(guò)千分表讀數(shù)以判斷改荷載組合下的摩擦力屬性。并可測(cè)量面板試件與墊層塊間摩擦系數(shù)。

6、可采用本裝置結(jié)合其他諸如水力劈裂、溶蝕劣化設(shè)備研究混凝土面板的水力劈裂和溶蝕劣化等。

附圖說(shuō)明

圖1是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖；

其中：1-混凝土面板試件、2-墊層塊、3-基座、4-鋼珠、5-鋼珠軌道、6-千斤頂反力架、7-千斤頂支架、8-千斤頂、9-位移傳感器、10-壓力傳感器、11-位移傳感器反力架、12-傳力桿支架、13-加載桿、14-加載軸、15-加載蓋、16-螺栓、17-固定鋼板。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作更進(jìn)一步的說(shuō)明。

如圖1所示，本發(fā)明是一種可以同時(shí)模擬混凝土面板水壓力和墊層塊摩擦力作用的試驗(yàn)裝置，即一種模擬混凝土面板墊層靜、動(dòng)摩擦力的試驗(yàn)裝置，包括基座3，所述基座3上橫向設(shè)置有若干組鋼珠軌道5，每組鋼珠軌道5內(nèi)均安裝有若干個(gè)鋼珠4，所述鋼珠軌道5和鋼珠4的上面設(shè)置有墊層塊2，所述墊層塊2的上面設(shè)置有混凝土面板試件1，所述混凝土面板試件1橫向的兩側(cè)設(shè)置有固定鋼板17，固定鋼板17保證混凝土面板試件1不做橫向運(yùn)動(dòng)，所述混凝土面板試件1的頂部設(shè)置有加載蓋15，加載蓋15上安裝有加載軸14，所述墊層塊2橫向的一側(cè)設(shè)置有向著墊層塊2施加力的千斤頂8和壓力傳感器10，所述墊層塊2橫向的另一側(cè)設(shè)置有位移傳感器9；本裝置通過(guò)對(duì)固定于基座3上的墊層塊2施加恒定壓力，并結(jié)合不銹鋼珠4和軌道5使壓力全部由墊層塊2和混凝土面板試件1間摩擦力平衡?；炷撩姘逶嚰?軸向采用萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)施加恒定壓力模擬水壓，采用傳感器監(jiān)測(cè)摩擦力和軸壓大小。

所述墊層塊2底部設(shè)置有三組橫向的鋼珠軌道5，每組鋼珠軌道5內(nèi)均安裝有8個(gè)鋼珠4；在墊層塊底部設(shè)置三排不銹鋼珠與軌道，鋼珠一方面提供墊層塊2和混凝土面板試件1的支撐力作用，另一方面減小底部基座與墊層塊間摩擦作用，使加載桿施加水平壓力作用幾乎全部由墊層塊與混凝土面板試件1間摩擦力平衡。

所述墊層塊2采用無(wú)砂混凝土澆筑而成，所述墊層塊2位于混凝土面板試件1和鋼珠軌道5上的鋼珠4之間，且墊層塊2的頂面鑿面處理，增加墊層塊2與混凝土面板試件1之間的摩擦力，墊層塊2的底面為拋光面，減小墊層塊2與底部鋼珠4間摩擦作用，所述鋼珠4的材質(zhì)為不銹鋼，鋼珠與鋼珠軌道一方面為墊層塊2提供支撐作用，另一方面減小與基座3之間的摩擦作用，提高摩擦力加載精度。

所述千斤頂8的一側(cè)為墊層塊2，千斤頂8的另一側(cè)設(shè)置有千斤頂反力架6；所述千斤頂8安裝于千斤頂支架7上，所述千斤頂8通過(guò)加載桿13施加力于墊層塊2的橫向側(cè)壁上；所述加載桿13穿過(guò)于傳力桿支架12；在混凝土面板試件1底部設(shè)置墊層塊2，通過(guò)千斤頂8對(duì)墊層塊2施加水平向壓力作用，并通過(guò)墊層塊2與混凝土面板試件1間摩擦作用與之平衡完成摩擦力加載。

所述加載桿13、墊層塊2和混凝土面板試件1上均安裝有壓力傳感器10，在墊層塊2上設(shè)置四組壓力傳感器，監(jiān)測(cè)墊層塊應(yīng)力狀態(tài)，并在墊層塊2兩端各設(shè)置一個(gè)位移傳感器，用于監(jiān)測(cè)墊層塊是否產(chǎn)生滑移。壓力傳感器和位移傳感器組合作用可實(shí)時(shí)了解墊層塊工作狀態(tài)。

所述墊層塊2橫向的兩側(cè)均安裝有一個(gè)位移傳感器9，其中與千斤頂8相對(duì)一側(cè)的位移傳感器9安裝于位移傳感器反力架11上，與千斤頂8同側(cè)的位移傳感器9安裝于傳力桿支架12上，兩個(gè)位移傳感器9均與墊層塊2齊高；在墊層塊上設(shè)置壓力傳感器，以監(jiān)測(cè)墊層塊的應(yīng)力變形，并在水平向兩側(cè)設(shè)置三組千分表，以監(jiān)測(cè)墊層塊2的滑移。

所述加載蓋15的頂部設(shè)置有凹槽，所述凹槽內(nèi)安裝有豎直設(shè)置的加載軸14；采用萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)對(duì)混凝土面板試件1加載軸向壓力，模擬面板受到的水壓力，水平向采用液壓千斤頂8對(duì)墊層塊加載水平向壓應(yīng)力，以施加墊層塊摩擦力作用。

所述固定鋼板17一端抵住混凝土面板試件1，另一端通過(guò)若干個(gè)螺釘16固定于工作臺(tái)面上。

所述工作臺(tái)面上分別固定有位移傳感器反力架11、基座3、千斤頂支架7、傳力桿支架12和千斤頂反力架6。

一種模擬混凝土面板墊層靜、動(dòng)摩擦力的試驗(yàn)方法通過(guò)基座反力裝置固定混凝土面板試件，并對(duì)面板試件底部墊層塊施加恒定壓力以施加混凝土面板所承受的摩擦力，在無(wú)相對(duì)滑動(dòng)時(shí)為靜摩擦力，有相對(duì)滑動(dòng)時(shí)為動(dòng)摩擦力。其中，摩擦力采用加載桿和加載軸來(lái)施加，并通過(guò)壓力傳感器來(lái)監(jiān)測(cè)摩擦力大小，根據(jù)位移傳感器判斷摩擦力屬性，墊層塊下設(shè)不銹鋼珠和滾軸以保證荷載全部由墊層與面板試件間摩擦力來(lái)平衡。墊層塊采用無(wú)砂混凝土制作而成，底部光滑頂部粗糙，以減小底部摩擦并增加與面板試件間摩擦。試件安裝固定于基座，頂部施加軸向壓應(yīng)力模擬水壓力。通過(guò)調(diào)整荷載大小，可得到不同軸壓和摩擦力組合。

一種模擬混凝土面板墊層靜、動(dòng)摩擦力的試驗(yàn)方法，包括以下步驟：

第一步，澆筑混凝土面板試件和墊層塊：混凝土面板試件采用c30水泥按照實(shí)際工程所需配合比進(jìn)行澆筑，并按照規(guī)范要求養(yǎng)護(hù)至28天，墊層塊采用無(wú)砂混凝土澆筑而成，并養(yǎng)護(hù)至28天；養(yǎng)護(hù)完成后，對(duì)墊層塊頂面進(jìn)行鑿面處理，以增大頂面摩擦系數(shù)，墊層塊底面進(jìn)行剖光處理，以減小摩擦系數(shù)；

第二步，試件組裝，首先在基座3上面通過(guò)結(jié)構(gòu)膠固定鋼珠軌道5，然后鋼珠軌道5內(nèi)放置不銹鋼珠4，鋼珠軌道橫向設(shè)置三排，每排安放8枚鋼珠，并在墊層塊底部和鋼珠表面以及軌道上涂抹潤(rùn)滑油，進(jìn)一步減小摩擦力，完成后采用墊層塊壓蓋，調(diào)整好墊層塊位置后，墊層塊上面安置混凝土面板試件3；

第三步，加載設(shè)備安裝，安裝千斤頂支架7于工作臺(tái)面上，并將千斤頂8通過(guò)螺栓固定于千斤頂支架7上，并在千斤頂8后設(shè)置千斤頂反力架6；

第四步，固定裝置和觀測(cè)設(shè)備安裝，混凝土面板試件橫向的兩側(cè)采用4塊固定鋼板，以限制混凝土面板試件水平向位移，固定鋼板的一端抵住混凝土面板試件，鋼板的另一端采用高強(qiáng)螺栓16固定在工作臺(tái)面上。限觀測(cè)設(shè)備主要包括位移傳感器9和壓力傳感器10，位移傳感器設(shè)置在位移傳感器支架11上，可用來(lái)判斷摩擦力屬性，當(dāng)位移傳感器無(wú)讀數(shù)時(shí)為靜摩擦力，有連續(xù)變化讀數(shù)時(shí)為動(dòng)摩擦力?；炷撩姘逶嚰|層塊和摩擦力加載桿13上都設(shè)有壓力傳感器，以加載桿上的壓力傳感器監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)為摩擦力大小，并通過(guò)墊層塊和混凝土面板試件上的壓力傳感器數(shù)據(jù)修正。具體的如何進(jìn)行數(shù)據(jù)的修正不是本發(fā)明要解決的問(wèn)題；

第五步，軸壓加載裝置安裝，首先在混凝土面板試件頂部安裝軸壓加載蓋15，加載蓋上部設(shè)有凹槽，凹槽為加載軸14著力部位；

軸壓是通過(guò)萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)加載，混凝土面板墊層摩擦力加載裝置整體安裝在萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)試驗(yàn)平臺(tái)即工作臺(tái)面上，并通過(guò)液壓千斤頂施加水平向摩擦力作用，可進(jìn)行測(cè)量墊層塊與混凝土面板試件間摩擦系數(shù)，也可進(jìn)行不同軸壓力和摩擦力組合荷載作用下的破壞試驗(yàn)；

第六步，墊層塊與混凝土面板試件摩擦系數(shù)測(cè)定，在完成安裝各組件后，首先進(jìn)行軸壓加載，加載到1mpa，即頂部壓力為22.5kn，然后保持豎向壓力穩(wěn)定，開(kāi)始進(jìn)行分級(jí)摩擦力加載，荷載等級(jí)為1kn，每級(jí)摩擦力加載持荷試件為5min，并繪制在加載過(guò)程中，注意觀測(cè)位移計(jì)度數(shù)，水平位移持續(xù)變化時(shí)，此荷載為靜、動(dòng)摩擦力的分界點(diǎn)，記錄數(shù)據(jù)，并結(jié)合壓力傳感器數(shù)據(jù)，修正處理數(shù)據(jù)，可得出不同軸壓、側(cè)壓力作用下的靜、動(dòng)摩擦系數(shù)，以指導(dǎo)面板試件在摩擦力和軸壓共同作用下的特性試驗(yàn)；

第七步，單軸壓縮與摩擦聯(lián)合作用下的混凝土面板試件破壞試驗(yàn)，對(duì)混凝土面板試件施加恒定摩擦力，然后逐級(jí)增加軸向壓力，以測(cè)定混凝土面板試件在摩擦力和軸壓力共同作用下的本構(gòu)模型，研究其損傷破壞機(jī)理。

本發(fā)明的試驗(yàn)原理：通過(guò)在混凝土面板試件下設(shè)置墊層塊，對(duì)墊層塊施加壓力作用并使之與墊層塊和混凝土面板試件間摩擦作用平衡來(lái)完成摩擦力的加載。墊層塊頂部鑿面底部剖光，導(dǎo)致摩擦系數(shù)差異大。墊層塊下設(shè)置不銹鋼珠和軌道，相當(dāng)于滾軸支座，可沿墊層塊壓力方向自由移動(dòng)。由此提高摩擦力的加載精度。通過(guò)調(diào)整面板試件頂部壓力和墊層塊水平壓力大小，可使面板和墊層塊不發(fā)生相對(duì)滑動(dòng)，此時(shí)施加的是靜摩擦力作用，增大墊層塊壓力或減小面板試件頂部壓力超過(guò)臨界值，則發(fā)生相對(duì)滑動(dòng)，以施加動(dòng)摩擦力作用。

以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，應(yīng)當(dāng)指出：對(duì)于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以做出若干改進(jìn)和潤(rùn)飾，這些改進(jìn)和潤(rùn)飾也應(yīng)視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。