一種模擬混凝土面板墊層靜、動摩擦力的試驗裝置及方法與流程
2023-05-27 11:01:46 1
本發明屬於模擬試驗技術領域，特別涉及一種模擬混凝土面板墊層靜、動摩擦力的試驗裝置及方法。
背景技術：
混凝土面板常作為防滲結構廣泛應用於土石壩、砌石壩、碾壓混凝土壩的防滲系統及其加固工程中，尤其是現代堆石壩大多利用混凝土面板作為防滲和湖泊結構。高面板堆石壩面板應力狀態複雜，中間受壓，兩邊受拉，還受到墊層的摩擦作用。由於壩體主要為堆石材料，且修築在具有轉折邊坡的河谷之中，面板和壩體之間變形常不能協調，導致不均勻沉降產生。在面板和墊層接觸面上，會發生摩擦作用，起初為靜摩擦力，當不協調變形發展到一定程度後，會發生滑動摩擦力，對面板產生不可忽視的剪切作用，導致破壞。
目前，國內外有關混凝土面板的研究多集中在不均勻沉降、拉壓應力、水力劈裂、溶蝕等因素導致的破壞，有關摩擦作用導致的損傷斷裂試驗及成果相對較少。如何對混凝土面板施加摩擦作用是其中的難點和重點。摩擦作用分為靜摩擦和動摩擦，在試驗中對面板試件的靜、動摩擦力加載目前未見相關報導。在加載過程中，機械阻力、墊層底部摩擦作用不可避免的會影響面板與墊層間摩擦力施加精度，如何提高加載精度，是一個亟待解決的問題。
技術實現要素：
為了解決現有技術中不能高精度的模擬混凝土面板靜、動墊層摩擦力作用的問題，本發明提供一種模擬混凝土面板墊層靜、動摩擦力的試驗裝置及方法，該裝置及方法可以對混凝土面板試件施加靜、動摩擦作用，研究墊層摩擦力對其力學性能的影響。
為實現上述目的，本發明採用的技術方案為：
一種模擬混凝土面板墊層靜、動摩擦力的試驗裝置，包括基座3，所述基座3上橫向設置有若干組鋼珠軌道5，每組鋼珠軌道5內均安裝有若干個鋼珠4，所述鋼珠軌道5和鋼珠4的上面設置有墊層塊2，所述墊層塊2的上面設置有混凝土面板試件1，所述混凝土面板試件1橫向的兩側設置有固定鋼板17，固定鋼板17保證混凝土面板試件1不做橫向運動，所述混凝土面板試件1的頂部設置有加載蓋15，加載蓋15上安裝有加載軸14，所述墊層塊2橫向的一側設置有向著墊層塊2施加力的千斤頂8和壓力傳感器10，所述墊層塊2橫向的另一側設置有位移傳感器9。
進一步的，所述墊層塊2底部設置有三組橫向的鋼珠軌道5，每組鋼珠軌道5內均安裝有8個鋼珠4。
進一步的，所述墊層塊2採用無砂混凝土澆築而成，所述墊層塊2位於混凝土面板試件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的材質為不鏽鋼，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。
進一步的，所述千斤頂8的一側為墊層塊2，千斤頂8的另一側設置有千斤頂反力架6；所述千斤頂8安裝於千斤頂支架7上，所述千斤頂8通過加載杆13施加力於墊層塊2的橫向側壁上；所述加載杆13穿過於傳力杆支架12。
進一步的，所述加載杆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。
進一步的，所述墊層塊2橫向的兩側均安裝有一個位移傳感器9，其中與千斤頂8相對一側的位移傳感器9安裝於位移傳感器反力架11上，與千斤頂8同側的位移傳感器9安裝於傳力杆支架12上，兩個位移傳感器9均與墊層塊2齊高。
進一步的，所述加載蓋15的頂部設置有凹槽，所述凹槽內安裝有豎直設置的加載軸14。
進一步的，所述固定鋼板17一端抵住混凝土面板試件1，另一端通過若干個螺釘16固定於工作檯面上。
進一步的，所述工作檯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、傳力杆支架12和千斤頂反力架6。
一種模擬混凝土面板墊層靜、動摩擦力的試驗方法，包括以下步驟：
第一步，澆築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，加載設備安裝，墊層塊的一側安裝千斤頂，並在千斤頂後設置千斤頂反力架；
第四步，固定裝置和觀測設備安裝，混凝土面板試件橫向相對的兩個側壁上安裝固定鋼板，保證混凝土面板試件不橫向運動，加載杆、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係數測定，首先通過加載軸進行軸壓加載，加載到1mpa，即混凝土面板試件頂部壓力為22.5kn，然後保持縱向壓力穩定，開始進行分級摩擦力加載，荷載等級為1kn，每級摩擦力加載持荷試件為5min，並繪製在加載過程中，觀測位移傳感器水平位移持續變化時，此荷載為靜、動摩擦力的分界點，記錄數據，並結合壓力傳感器數據，修正處理數據，可得出不同軸壓、側壓力作用下的靜、動摩擦係數，以指導混凝土面板試件在摩擦力和軸壓共同作用下的特性試驗；
第七步，單軸壓縮與摩擦聯合作用下的混凝土面板試件破壞試驗，對混凝土面板試件施加恆定摩擦力，然後逐級增加軸向壓力，以測定混凝土面板試件在摩擦力和軸壓力共同作用下的本構模型，研究其損傷破壞機理。
與現有技術相比，本發明具有以下有益效果：
1、本發明提供的一種模擬混凝土面板墊層靜、動摩擦力的試驗方法及裝置，可以對混凝土面板試件提供靜、動摩擦力作用，並可提供面板所承受水壓力作用，可提供混凝土面板實際應力狀態，並用以研究其力學特性。
2、澆築無砂混凝土形成墊層塊，並通過鑿面處理增加與混凝土面板試件間摩擦係數，採用剖光技術處理墊層塊底面以減小與不鏽鋼珠間摩擦係數，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、設置不鏽鋼珠和軌道，可進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。
4、在墊層塊和混凝土面板試件表面，設有壓力傳感器，可實時監測試件應力狀態，記錄不同荷載作用下的試件力學響應。
5、墊層塊水平除千斤頂加載側不設千分表，其餘各向通過千分表以監測加載過程中的墊層塊的位移情況，通過千分表讀數以判斷改荷載組合下的摩擦力屬性。並可測量面板試件與墊層塊間摩擦係數。
6、可採用本裝置結合其他諸如水力劈裂、溶蝕劣化設備研究混凝土面板的水力劈裂和溶蝕劣化等。
附圖說明
圖1是本發明的結構示意圖；
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-傳力杆支架、13-加載杆、14-加載軸、15-加載蓋、16-螺栓、17-固定鋼板。
具體實施方式
下面結合實施例對本發明作更進一步的說明。
如圖1所示，本發明是一種可以同時模擬混凝土面板水壓力和墊層塊摩擦力作用的試驗裝置，即一種模擬混凝土面板墊層靜、動摩擦力的試驗裝置，包括基座3，所述基座3上橫向設置有若干組鋼珠軌道5，每組鋼珠軌道5內均安裝有若干個鋼珠4，所述鋼珠軌道5和鋼珠4的上面設置有墊層塊2，所述墊層塊2的上面設置有混凝土面板試件1，所述混凝土面板試件1橫向的兩側設置有固定鋼板17，固定鋼板17保證混凝土面板試件1不做橫向運動，所述混凝土面板試件1的頂部設置有加載蓋15，加載蓋15上安裝有加載軸14，所述墊層塊2橫向的一側設置有向著墊層塊2施加力的千斤頂8和壓力傳感器10，所述墊層塊2橫向的另一側設置有位移傳感器9；本裝置通過對固定於基座3上的墊層塊2施加恆定壓力，並結合不鏽鋼珠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。混凝土面板試件1軸向採用萬能試驗機施加恆定壓力模擬水壓，採用傳感器監測摩擦力和軸壓大小。
所述墊層塊2底部設置有三組橫向的鋼珠軌道5，每組鋼珠軌道5內均安裝有8個鋼珠4；在墊層塊底部設置三排不鏽鋼珠與軌道，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，使加載杆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採用無砂混凝土澆築而成，所述墊層塊2位於混凝土面板試件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的材質為不鏽鋼，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的一側為墊層塊2，千斤頂8的另一側設置有千斤頂反力架6；所述千斤頂8安裝於千斤頂支架7上，所述千斤頂8通過加載杆13施加力於墊層塊2的橫向側壁上；所述加載杆13穿過於傳力杆支架12；在混凝土面板試件1底部設置墊層塊2，通過千斤頂8對墊層塊2施加水平向壓力作用，並通過墊層塊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。
所述加載杆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上設置四組壓力傳感器，監測墊層塊應力狀態，並在墊層塊2兩端各設置一個位移傳感器，用於監測墊層塊是否產生滑移。壓力傳感器和位移傳感器組合作用可實時了解墊層塊工作狀態。
所述墊層塊2橫向的兩側均安裝有一個位移傳感器9，其中與千斤頂8相對一側的位移傳感器9安裝於位移傳感器反力架11上，與千斤頂8同側的位移傳感器9安裝於傳力杆支架12上，兩個位移傳感器9均與墊層塊2齊高；在墊層塊上設置壓力傳感器，以監測墊層塊的應力變形，並在水平向兩側設置三組千分表，以監測墊層塊2的滑移。
所述加載蓋15的頂部設置有凹槽，所述凹槽內安裝有豎直設置的加載軸14；採用萬能試驗機對混凝土面板試件1加載軸向壓力，模擬面板受到的水壓力，水平向採用液壓千斤頂8對墊層塊加載水平向壓應力，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，另一端通過若干個螺釘16固定於工作檯面上。
所述工作檯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、傳力杆支架12和千斤頂反力架6。
一種模擬混凝土面板墊層靜、動摩擦力的試驗方法通過基座反力裝置固定混凝土面板試件，並對面板試件底部墊層塊施加恆定壓力以施加混凝土面板所承受的摩擦力，在無相對滑動時為靜摩擦力，有相對滑動時為動摩擦力。其中，摩擦力採用加載杆和加載軸來施加，並通過壓力傳感器來監測摩擦力大小，根據位移傳感器判斷摩擦力屬性，墊層塊下設不鏽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平衡。墊層塊採用無砂混凝土製作而成，底部光滑頂部粗糙，以減小底部摩擦並增加與面板試件間摩擦。試件安裝固定於基座，頂部施加軸向壓應力模擬水壓力。通過調整荷載大小，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、動摩擦力的試驗方法，包括以下步驟：
第一步，澆築混凝土面板試件和墊層塊：混凝土面板試件採用c30水泥按照實際工程所需配合比進行澆築，並按照規範要求養護至28天，墊層塊採用無砂混凝土澆築而成，並養護至28天；養護完成後，對墊層塊頂面進行鑿面處理，以增大頂面摩擦係數，墊層塊底面進行剖光處理，以減小摩擦係數；
第二步，試件組裝，首先在基座3上面通過結構膠固定鋼珠軌道5，然後鋼珠軌道5內放置不鏽鋼珠4，鋼珠軌道橫向設置三排，每排安放8枚鋼珠，並在墊層塊底部和鋼珠表面以及軌道上塗抹潤滑油，進一步減小摩擦力，完成後採用墊層塊壓蓋，調整好墊層塊位置後，墊層塊上面安置混凝土面板試件3；
第三步，加載設備安裝，安裝千斤頂支架7於工作檯面上，並將千斤頂8通過螺栓固定於千斤頂支架7上，並在千斤頂8後設置千斤頂反力架6；
第四步，固定裝置和觀測設備安裝，混凝土面板試件橫向的兩側採用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，鋼板的另一端採用高強螺栓16固定在工作檯面上。限觀測設備主要包括位移傳感器9和壓力傳感器10，位移傳感器設置在位移傳感器支架11上，可用來判斷摩擦力屬性，當位移傳感器無讀數時為靜摩擦力，有連續變化讀數時為動摩擦力。混凝土面板試件、墊層塊和摩擦力加載杆13上都設有壓力傳感器，以加載杆上的壓力傳感器監測數據為摩擦力大小，並通過墊層塊和混凝土面板試件上的壓力傳感器數據修正。具體的如何進行數據的修正不是本發明要解決的問題；
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，加載蓋上部設有凹槽，凹槽為加載軸14著力部位；
軸壓是通過萬能試驗機加載，混凝土面板墊層摩擦力加載裝置整體安裝在萬能試驗機試驗平臺即工作檯面上，並通過液壓千斤頂施加水平向摩擦力作用，可進行測量墊層塊與混凝土面板試件間摩擦係數，也可進行不同軸壓力和摩擦力組合荷載作用下的破壞試驗；
第六步，墊層塊與混凝土面板試件摩擦係數測定，在完成安裝各組件後，首先進行軸壓加載，加載到1mpa，即頂部壓力為22.5kn，然後保持豎向壓力穩定，開始進行分級摩擦力加載，荷載等級為1kn，每級摩擦力加載持荷試件為5min，並繪製在加載過程中，注意觀測位移計度數，水平位移持續變化時，此荷載為靜、動摩擦力的分界點，記錄數據，並結合壓力傳感器數據，修正處理數據，可得出不同軸壓、側壓力作用下的靜、動摩擦係數，以指導面板試件在摩擦力和軸壓共同作用下的特性試驗；
第七步，單軸壓縮與摩擦聯合作用下的混凝土面板試件破壞試驗，對混凝土面板試件施加恆定摩擦力，然後逐級增加軸向壓力，以測定混凝土面板試件在摩擦力和軸壓力共同作用下的本構模型，研究其損傷破壞機理。
本發明的試驗原理：通過在混凝土面板試件下設置墊層塊，對墊層塊施加壓力作用並使之與墊層塊和混凝土面板試件間摩擦作用平衡來完成摩擦力的加載。墊層塊頂部鑿面底部剖光，導致摩擦係數差異大。墊層塊下設置不鏽鋼珠和軌道，相當於滾軸支座，可沿墊層塊壓力方向自由移動。由此提高摩擦力的加載精度。通過調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生相對滑動，此時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臨界值，則發生相對滑動，以施加動摩擦力作用。
以上所述僅是本發明的優選實施方式，應當指出：對於本技術領域的普通技術人員來說，在不脫離本發明原理的前提下，還可以做出若干改進和潤飾，這些改進和潤飾也應視為本發明的保護範圍。