CN103344495B - 刚性承压板中心孔法伺服控制深部岩体变形试验装置及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种刚性承压板中心孔法伺服控制深部岩体变形试验装置及其方法，包括载荷控制装置、传力装置、表面和深部变形测量装置，其特征在于：传力装置为千斤顶上端与传力柱接触，上方还设置有顶板，并与洞顶接触，千斤顶下端与传力叠板接触，下方还设置有承压板，并与岩体表面接触；千斤顶下方传力叠板、承压板中心设有连通孔与岩体钻孔相连接，即用刚性承压板上的中心孔将岩体钻孔中不同深度点的位移通过测杆与位移传感器连接进行深部位移变形测量；压力传感器与千斤顶连接，所述位移传感器和压力传感器分别与采集仪和计算机连接，实时伺服控制试验压力与自动采集记录压力和变形，并形成所有数据的图表。

Description

刚性承压板中心孔法伺服控制深部岩体变形试验装置及其方法

技术领域

本发明属于岩体力学试验技术领域，涉及一种适用于现场岩体变形、岩体载荷试验装置，特别涉及一种刚性承压板中心孔法伺服控制深部岩体变形试验装置及方法。

背景技术

目前现场岩体变形试验，一般有刚性和柔性承压板法两种，其中刚性承压板法只能测量岩体表面变形，柔性中心孔承压板法可以同时测量表面和深部岩体变形。柔性承压板法的液压枕受到加工水平限制，试验应力一般在10MPa内，刚性承压板法常规应力水平≤20MPa，在高地应力条件下，由于应力的强烈释放引起岩体表面卸荷松弛，常规的刚性和柔性承压板法以及柔性中心孔承压板法试验设备和方法难以满足试验要求。无论是刚性和柔性承压板法或者柔性中心孔承压板法，都不能进行自动伺服及数据自动采集，使试验成果偏差大，资料处理烦琐。

因此，如需要开展深部岩体变形试验，进行高应力加载，刚性承压板法岩体变形试验和柔性中心孔法岩体变形试验，难以满足试验要求。

发明内容

本发明的目的是为了克服现有技术的缺陷，提供一种刚性承压板中心孔法伺服控制深部岩体变形试验装置，通过传力叠板、刚性承压板能够完成高应力加载岩体变形试验，获得岩体表面变形测量，通过压力传感器伺服控制加压，并动伺服采集变形数据，获得准确的岩体变形和强度参数。

本发明的另一个目的是提供一种伺服控制深部岩体变形试验方法，在测量得到岩体表面变形数据的同时，通过刚性承压板中心孔法将传力装置设有的中心孔与钻孔连通，在钻孔不同深度安装位移锚头进行深部岩体变形测试，进行实时记录采集变形、压力并形成图表，从而解决极高应力条件下深部岩体变形试验设备问题。

为实现此目的，本发明提供了一种刚性承压板中心孔法伺服控制深部岩体变形试验装置，包括传力装置：千斤顶、传力柱、传力叠板、承压板、连通孔；表面变形测量装置：承压板上设置位移传感器，岩体表面设置位移传感器，主要是伺服控制深部岩体变形试验装置由载荷控制装置、变形测量装置、传力装置、数据采集控制系统组成；

其中，载荷控制装置为液压管将电动油泵、压力控制器、压力变换器、控制阀、稳压器、压力传感器和千斤顶连接，数据线将压力传感器、压力控制器、压力变换器和计算机连接，计算机控制实现加载、卸载及稳压；

其中，传力装置为千斤顶上端与传力柱接触，传力柱上端还设置有顶板，顶板与洞顶接触，千斤顶下端与传力叠板接触，传力叠板下端还设置有承压板，承压板与岩体表面接触，承压板与传力叠板中心设有连通孔；

变形测量装置包括表面变形测量和深部变形测量装置：

其中，深部变形测量装置：岩体钻孔内设置测杆，位移传感器一端与测架相连，另一端接测头，并与测杆上锚头连接；

所述连通孔与钻孔相连接；

其中，数据采集控制系统：岩体表面、岩体钻孔内位移传感器和压力传感器通过数据线分别与采集控制仪和计算机连接。

所述传力叠板为二块或二块以上钢板组成，且传力叠板中上面板块尺寸大于下面板块尺寸。

所述传力叠板上均布二个或二个以上千斤顶，千斤顶之间并联连接，且千斤顶上方传力柱设置个数与千斤顶设置个数对应。

一种刚性承压板中心孔法伺服控制深部岩体变形试验方法，伺服控制深部岩体变形试验方法步骤如下：

(一)传力装置将多个千斤顶组合的出力通过传力叠板传递给承压板，承压板将应力传递给岩体试验面，千斤顶上方由多组传力柱通过顶板将力传递至平洞顶；

(二)千斤顶下方传力叠板、承压板中心设有连通孔，并与岩体上的钻孔相连接，即通过刚性承压板中心孔将位移传感器通过测杆与钻孔中不同深度的锚头连接，进行深部岩体变形测量；

(三)压力传感器通过液压管一端与稳压器连接，一端与千斤顶相连，压力传感器通过数据线与采集控制仪连接，压力控制器一端与稳压器相连，一端与电动油泵相连，通过数据线分别与压力传感器、采集控制仪和电动油泵相连，由计算机通过采集控制仪测量和控制载荷装置的液压。

(四)多点位移传感器分别安装于承压板、岩体表面，进行表面岩体变形测量；

(五)通过数据线将多点位移传感器、压力传感器与采集控制仪和计算机连接，实时采集记录岩体的变形、试验压力、实时形成可视图表，并对压力进行伺服控制。

本发明的有益效果是：

1、本发明由于采用承压板、传力叠板、液压千斤顶、传力柱、顶板组成的传力装置，且采用多块高强度钢板倒宝塔形叠，传力装置采用高强分块钢结构，刚度好，承载能力高，易于安装及移动，稳定性好。承压板及叠层板中心设置一定直径连通孔与钻孔连通，即通过传力装置的中心孔延伸到钻孔，多个千斤顶并联工作提供高载荷，解决了极高应力对设备刚性要求，以及应力均匀传递要求，适用于任何压力水平深部岩体变形测量试验。

2、本发明由于采用电动油泵、压力控制器、压力变换器、控制阀、稳压器、压力传感器、液压千斤顶组成的载荷装置，载荷系统结构简单且实现了压力自动伺服，高压稳定性明显改善，通用性好，能提供持续、稳定、可以自动伺服控制的高压，保证了压力的稳定性。各构件采用标准液压管或气管连接，可根据需要连接不同类型、不同数量的加载设备，可提供高试验荷载、可同时进行多点岩体变形试验。

3、本发明由于采用刚性承压板中心孔法将传力装置设有的中心孔与钻孔连通，在承压面中心岩体上铅直向下钻一定直径、一定深度的孔，在岩石孔中不同深度安装位移锚头，通过不锈钢杆与位移计相连，位移计固定在叠层钢板上部的测头上，进行深部岩体变形测试，测量岩体在不同压力下不同距离的变形，，中心孔法的位移测量装置有明显的改善，埋设工艺有较大的提高，同时在在平洞的轴向岩体表面、承压板表面上对称布置位移传感器，进行表面岩体变形测试。

4、本发明采用载荷独立伺服控制，能进行高应力条件下深部岩体变形试验，并由位移传感器、压力传感器、采集控制仪和计算机组成的数据采集系统能实时进行全自动采集压力和变形并形成图表，采集及控制系统、传感器可靠性高，能适应潮湿的洞室环境，各构件采用标准数据线连接，设备简单，自动化程度高、安装操作方便，系统刚度及测量精度高，弥补了现有变形试验设备的不足。

附图说明

图1是本发明岩体变形试验装置结构示意图。

图2是本发明载荷控制系统及测量系统示意图。

1-刚性承压板；2-传力叠板；3-千斤顶；4-传力柱；5-顶板；6-多点位移传感器；7-多点位移计测头；8-测架；9-钻孔；10-锚头；11-测杆；12-承压板上的位移传感器；13-岩体上的位移传感器；14-电动油泵；15-压力控制器；16-压力变换器；17-控制阀；18-稳压器；19-压力传感器；20-采集控制仪；21-计算机；22-岩体；23-洞顶；24-连通孔；25-液压管。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进一步说明。

如图1、2所示，刚性承压板中心孔法伺服控制深部岩体变形试验装置由传力装置、载荷装置和变形测量装置、数据采集伺服控制系统组成。传力装置主要构件为承压板1、传力叠板2、千斤顶3、传力柱4和顶板5；载荷装置主要构件为电动油泵14、压力控制器15、压力变换器16、控制阀17、稳压器18、压力传感器19、液压千斤顶3；测量装置主要构件为压力传感器19、位移传感器6、12和13、自动采集控制仪20和计算机21，表面变形测量装置为承压板1、位移传感器12、位移传感器13，深部变形测量装置为钻孔9、锚头10、测杆11、测头7、测架8、位移传感器6。

传力装置从下至上依次为承压板1、传力叠板2、千斤顶3、传力柱4和顶板5，液压千斤顶3一端与传力柱4接触，传力柱4上方还设置有顶板5，并与洞顶23接触，液压千斤顶3另一端与传力叠板2接触，传力叠板2下方还设置有承压板1，承压板1与岩体22表面接触，承压板1上设置位移传感器12；承压板1上位移传感器12可以设置4个，承压板1外的岩体22表面上位移传感器13可以设置6～10个。整个系统具有足够的刚度，能承受20000kN载荷。千斤顶3下方的承压板1、传力叠板2中心有个连通孔24，并与岩体22上的钻孔9相连接。

载荷装置用压力控制器15通过油管25一端与电动油泵14连接，油管25一端与压力变换器16、稳压器18和千斤顶3连接，通过电缆与采集控制仪20相连。压力传感器19和压力控制器15通过采集控制仪20和计算机21对压力进行伺服控制。当由于岩体22在受压后产生沉降变形使千斤顶3上的压力降低时，通过压力传感器19反馈给计算机21，计算机通过与预定压力差值大小指挥压力控制器15调节电动油泵14油阀大小以增加供油量来提高压力，反之减小油阀大小以减小供油量来降低压力。使系统上的压力始终在微小的压力范围内相对稳定。

稳压器18一端与控制阀17连接，一端与压力传感器19和千斤顶3连接。稳压器18对来自电动油泵14和压力控制器15的波动压力进行缓冲削减，提高供给压力传感器19和千斤顶3的压力的稳定性。稳压器18是由多组厚壁高强无缝不锈钢管串联而成，通过延长油路的行程达到削峰和稳压的效果，其最大承受压力为70MPa。

压力传感器19一端与千斤顶3相连，一端与稳压器18相连。压力传感器19通过数据线与采集控制仪器20和计算机21连接，对油路上的压力进行采集，并反馈给压力控制器15对压力进行调节。

位移传感器12、13通过数据线与采集控制仪器20和计算机21连接，测量不同压力下各个部位的沉降变形，精度1‰mm；多点位移传感器6通过测杆11与钻孔9中不同深度的锚头10连接，通过夹具与测头7连接，通过电缆与采集控制仪20相连，锚头10通过水泥浆液预埋在钻孔中的不同深度，测杆11通过塑料护套管与水泥浆隔离，并有定位片固定在不同的深度，通过多点位移传感器6测量不同深度岩体在不同压力下的变形。

一种刚性承压板中心孔法伺服控制深部岩体变形试验方法，传力装置将多个千斤顶3组合的出力通过传力叠板2传递给承压板1，承压板1将应力传递给岩体22试验面，千斤顶3上方由多组传力柱4通过顶板5将力传递至平洞顶板5和洞顶23。

千斤顶3下方传力叠板2、承压板1中心设有连通孔24，并与岩体22上的钻孔9相连接，即通过刚性位承压板中心孔法将位移传感器6通过测杆11与钻孔9中不同深度的锚头10连接，通过位移传感器6，进行深部岩体变形测量。

多点位移传感器12、13分别安装于承压板1、岩体22表面，进行表面岩体变形测量。

压力传感器19与千斤顶3相连，载荷装置自动伺服控制高压，压力传感器19通过数据线与采集控制仪20和计算机21连接，测量载荷装置的液压。

通过数据线将位移传感器6、12、13、压力传感器19与采集仪20和计算机21连接，实时采集记录岩体的变形、试验压力、实时形成可视图表，并过压力控制器15对压力进行伺服控制。

Claims (3)

1.一种刚性承压板中心孔法伺服控制深部岩体变形试验方法，其特征在于：所述伺服控制深部岩体变形试验方法采用的试验装置，包括载荷控制装置、传力装置、变形测量装置，所述载荷控制装置为电动油泵(14)通过液压管(25)与压力控制器(15)、压力变换器(16)、控制阀(17)、稳压器(18)、压力传感器(19)、千斤顶(3)依次连接；所述变形测量装置包括表面变形测量装置和深部变形测量装置，表面变形测量装置为承压板(1)上设置第2位移传感器(12)，岩体(22)表面设置第3位移传感器(13)，深部变形测量装置为岩体(22)表面垂直向下有钻孔(9)，钻孔(9)内设置测杆(11)和锚头(10)，第1位移传感器(6)一端与测架(8)相连，另一端接测头(7)，并与测杆(11)上锚头(10)连接；

所述传力装置为千斤顶(3)上端与传力柱(4)接触，传力柱(4)上端还设置有顶板(5)，顶板(5)与洞顶(23)接触，千斤顶(3)下端与传力叠板(2)接触，传力叠板(2)下端还设置有承压板(1)，承压板(1)与岩体(22)表面接触，承压板(1)与传力叠板(2)中心设有连通孔(24)，连通孔(24)与钻孔(9)相连接；

电动油泵、第1位移传感器、第2位移传感器、第3位移传感器、压力控制器(15)、压力传感器(19)分别通过数据线连接采集控制仪(20)，采集控制仪连接计算机(21)；

所述伺服控制深部岩体变形试验方法步骤如下：

(一)传力装置将多个千斤顶(3)组合的出力通过传力叠板(2)传递给承压板(1)，承压板(1)将应力传递给岩体(22)试验面，千斤顶(3)上方由多组传力柱(4)通过顶板(5)将力传递至洞顶(23)；

(二)千斤顶(3)下方传力叠板(2)、承压板(1)中心设有连通孔(24)，并与岩体(22)上的钻孔(9)相连接，即通过刚性承压板中心孔将第1位移传感器(6)通过测杆(11)与钻孔(9)中不同深度的锚头(10)连接，进行深部岩体变形测量；

(三)压力传感器(19)通过液压管(25)一端与稳压器(18)连接，一端与千斤顶(3)相连，压力传感器(19)与采集控制仪(20)连接，压力控制器(15)一端与压力变换器(16)相连，一端与电动油泵(14)相连，由计算机(21)通过采集控制仪(20)测量和控制载荷控制装置的液压；

(四)第2位移传感器(12)、第3位移传感器(13)分别安装于承压板(1)、岩体(22)表面，进行表面岩体变形测量；

(五)通过数据线将第1位移传感器(6)、第2位移传感器(12)、第3位移传感器(13)、压力传感器(19)与采集控制仪(20)连接，采集控制仪连接计算机(21)，实时采集记录岩体的变形、试验压力、实时形成可视图表，并对压力进行伺服控制。

2.根据权利要求1所述一种刚性承压板中心孔法伺服控制深部岩体变形试验方法，其特征在于：所述试验装置的传力叠板(2)为两块以上钢板组成，且传力叠板(2)上面板块尺寸大于下面板块尺寸。

3.根据权利要求1所述一种刚性承压板中心孔法伺服控制深部岩体变形试验方法，其特征在于：所述试验装置的传力叠板(2)上均布二个以上千斤顶(3)，千斤顶(3)之间并联连接，且千斤顶(3)上方传力柱(4)设置个数与千斤顶(3)设置个数对应。