[发明专利]一种测量岩石节理面滑动摩擦角各向异性的倾斜试验装置

说明书

技术领域

本发明涉及一种岩石节理面的滑动摩擦角的测量装置，更具体涉及一种测量岩石节理面在不同滑动方向下各向异性滑动摩擦角大小的倾斜试验装置。

背景技术

大陆地壳历史上先后经历了印支期、燕山期、喜马拉雅期、新构造期等多期大规模内动力构造过程，地壳岩体因强烈挤压或张拉构造而普遍发育大量不同规模的节理组，如我国二滩水电站、小浪底枢纽工程、三峡永久船闸高边坡、锦屏二级水电站地下厂房、白鹤滩水电站坝区边坡等都可见到大量岩石节理面露头。工程实践表明，这些岩石节理面的存在显著地影响和制约着工程岩体的力学行为和工程稳定性，在环境应力调整过程中经常发生节理面上下盘之间的剪切变形进而出现局部失稳，给我国大型地下工程建造安全带来了极大安全挑战。

目前关于节理岩体的稳定性研究已表明：岩石节理上盘和下盘之间节理面的基本摩擦角力学性质是决定岩体工程稳定性的关键因素之一，而岩石节理面上不同滑动方向的摩擦角的各向异性特性测量则是制约岩石节理面特性深入研究的主要瓶颈之一。

(1) 现有摩擦角测量装置无法测量任意滑动方位角的摩擦角：现有一些用于测量材料摩擦系数的设备和仪器大多针对单一块体或散粒体开发的，故该类设备和仪器测试时未能考虑具有非均匀表面形态的节理面上盘与下盘沿任意方位角的相对滑动特点，从而无法实现节理面各向异性摩擦角的测量。中国专利公开号CN 1699963 A，公开日2005.11.23，发明名称为“非散粒体材料摩擦角测定仪”，该申请案通过支座台面固装的对称支架上安装转轴的方式实现对非散粒体材料的摩擦角和临界坡度测量，但不能考虑材料的各向异性摩擦角测量，也不适应具有上盘和下盘结构的岩体节理摩擦角测量；中国专利公开号CN 102878910 A，公开日2013.1.16，发明名称为“用于散粒体物料摩擦角和摩擦系数测量的斜面仪装置”，该申请案通过调节板件与水平面的夹角直至板件上的物料滑落至接料盘中实现对散粒体物料的摩擦角和摩擦系数测量，但不能测量具有各向异性摩擦角特点的板状材料。

(2) 一些节理面各向异性的分析方法无法直接给出节理面的各向异性滑动摩擦角：一些岩石/岩体节理面各向异性分析方法借助表面形貌测量设备分析节理面的表面的二维起伏形态，虽从结构特征角度证实了岩石节理面特征和起伏程度具有各向异性特点，但无法直接给出具有力学意义的节理面的各向异性滑动摩擦角。《地质力学学报》，2001年第2期，题名“岩体节理表面形貌的各向异性研究”，作者周宏伟，该研究提出采用激光表面议测量的节理表面形貌数据，从而间接获得节理面各向异性，但无法直接测量节理面的摩擦角各向异性特征；中国专利公开号CN 101055175 A，公开日2007.10.17，发明名称“岩体结构面粗糙度系数简易测量方法”，该申请案通过测量岩石结构面表面轮廓曲线的凸齿幅度获得岩体结构面/节理面的粗糙度系数，但无法实现对同一节理试样不同方位角条件下的滑动摩擦角的直接测量。

(3) 一些岩体各向异性强度的计算与测试方法未能充分考虑节理面滑动是两个平面的相对运动这一特点：通常将节理面各向异性效应融合在岩体的各向异性特性的计算和测试方法忽略了具有面状特征的节理面在岩体中空间产状的差异性，也未能考虑节理面的滑动摩擦角取决于节理上盘与下盘相对运动的特点，因而无法直接地给出其任意滑动方位角的滑动摩擦角。《岩石力学与工程学报》，2007年第5期，题名“节理岩体物理模拟与超声波试验研究”，作者韩嵩，该研究通过分析相对于节理面以不同的入射角度进行超声波波速测试来间接反映岩体的各向异性，但无法获得岩体节理面的滑动摩擦角。

发明内容

针对上述存在问题，开发出一种可实现节理面任意滑动方位角条件下滑动摩擦角测量的试验装置对于准确获取节理面的滑动摩擦角各向异性特性，对于确保岩土工程稳定性分析和优化设计具有明显的现实意义和工程需求。为此本发明的目的在于提供一种测量岩石节理面滑动摩擦角各向异性的倾斜试验装置。

为了达到上述目的，本发明是通过以下技术方案实现的：