CN103760005A - 一种深孔钻进岩土体强度分布测试装置 - Google Patents

Abstract

一种深孔钻进岩土体强度分布测试装置，包括：电源、钻进系统、数据采集系统，所述钻进系统包括带凸牙锥形钻头、螺旋钻杆、旋转环、钻机、钻孔台架、操作把手，所述带凸牙锥形钻头与螺旋钻杆紧固连接，所述螺旋钻杆与钻机螺纹连接，所述钻机固定安装在钻孔台架上，且与电源连接；所述数据采集系统包括与电源连接的推扭传感器、转速传感器、电流计、激光测距仪，所述各装置分别输出推力和扭矩、钻杆转速、电流及钻杆进尺信号数据至连接微型计算机的数据采集仪。本发明装置简单、施工方便，可随钻随获知岩土体强度分布，能够提供直观、详实的数据。

Description

一种深孔钻进岩土体强度分布测试装置

技术领域

本发明涉及岩土工程强度测试技术领域，尤其是涉及一种深孔钻进岩土体强度分布测试装置。

背景技术

目前，传统的岩土体强度测试装置及方法主要是通过野外取样，室内重塑试样，材料试验机加载测试的方法获得。此类装置存在两方面的问题：一、重塑试样很难再现岩土体所处地应力环境及土石空间分布方式，测试得到的强度参数数据具有很大的分散性；二、难以满足各类工程建设、重大工程灾害应急抢险“快速处置”的需要，无法为科学决策提供第一手的支撑数据。

近十年来，国内外已陆续出现一些岩土体测试技术及装备，如静力触探法、预钻式旁压测试法、野外十字板测试法。但这些方法及装备只能提供原位测试方法，这类原位测试方法都存在一些不足之处，集中表现为：一、静力触探法只能测量土体，并且属于间接测试手段，需要通过经验公式将测试数据换算到岩土体强度参数；二、预钻式旁压测试法只能获取钻孔附近岩土体所受压力与体积变化的关系曲线，无法获取岩土体强度指标；三、野外十字板测试方法只能测试饱和软土的不排水抗剪强度，也无法适用于普遍存在岩土体强度测试。以上装备和测试方法的共同点在于不能随钻孔随测试得到岩土体强度性质，进而绘制钻孔岩土体随深度变化强度柱状图，并及时分析岩土体力学性质，快速做出安全施工决策。

发明内容

本发明的目的在于提出一种深孔钻进岩土体强度分布测试装置，解决了传统测试装置不能随钻孔随测试得到岩土体强度性质，进而绘制钻孔岩土体随深度变化强度柱状图，并及时分析岩土体力学性质，快速做出安全施工决策。

为达此目的，本发明采用以下技术方案：

一种深孔钻进岩土体强度分布测试装置，包括：电源、钻进系统、数据采集系统，所述钻进系统包括带凸牙锥形钻头、螺旋钻杆、旋转环、钻机、钻孔台架、操作把手，所述带凸牙锥形钻头与螺旋钻杆紧固连接，所述螺旋钻杆与钻机螺纹连接，所述钻机固定安装在钻孔台架上，且钻机与电源连接；所述数据采集系统包括与电源连接的推扭传感器、转速传感器、电流计、激光测距仪、数据采集仪，所述转速传感器安装在旋转环上，所述激光测距仪安装在钻机下盘，所述推扭传感器安装在操作把手与钻机之间的钻机上盘处，所述电流计安装在钻机与电源之间。

为进一步的优选方案：带凸牙锥形钻头与螺旋钻杆螺纹紧固连接。

作为更进一步的优选方案，所述螺旋钻杆通过旋转环与钻机紧扣连接。

作为更近一步的优选方案，所述推扭传感器、转速传感器、电流计、激光测距仪，分别输出推力、扭矩、钻杆转速、电流及钻杆进尺信号连接数据采集仪，数据采集仪输出连接微型计算机存储。

本发明的有益效果：通过在钻进系统上安装数据采集系统，采集并输出推力、扭矩、钻杆转速、电流及钻杆进尺信号连接数据采集仪，数据采集仪将采集的信号输出到计算机，通过对数据进行分析、运算，直接获取岩土体强度指标，能够适用于普遍存在的岩土体强度测试，同时绘制出钻孔岩土体随深度变化的强度柱状图等，本发明装置简单、施工方便，可随钻随获知岩土体强度分布，能够提供直观、详实的数据。

附图说明

图1是本发明测试装置的结构示意图。

图2是本发明的钻具钻进过程受力示意图。

图3是采用本发明进行深孔钻进岩土体强度分布测试的流程图。

1、岩土体；2、带凸牙锥形钻头；3、螺旋钻杆；4、钻机；5、钻孔台架；6、旋转环；7、操作把手；8、激光测距仪；9、转速传感器；10、电流计；11、推扭传感器；12、电源；13、数据采集仪；14、微型计算机；15、刀片。

具体实施方式

下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。

如图1至3所示，给出了本发明的具体实施例。

如图1所示，深孔钻进岩土体强度分布测试装置，包括：电源、钻进系统、数据采集系统，所述钻进系统包括带凸牙锥形钻头2、螺旋钻杆3、旋转环6、钻机4、钻孔台架5、操作把手7，所述带凸牙锥形钻头2与螺旋钻杆3螺纹紧固连接，螺旋钻杆3通过旋转环6与钻机4紧扣，并固定在钻孔台架5上，接通电源12，带凸牙锥形钻头钻进过程中破碎岩土体1，螺旋钻杆3将孔内岩土体1排至孔外；

所述数据采集系统包括与电源12连接的推扭传感器11、转速传感器9、电流计10、激光测距仪8、数据采集仪13，所述转速传感器9安装在旋转环6上，所述激光测距仪8安装在钻机4下盘，所述推扭传感器11安装在操作把手7与钻机4之间的钻机上盘处，所述电流计10安装在钻机4与电源12之间，所述推扭传感器11、转速传感器9、电流计10、激光测距仪8，分别输出推力、扭矩、钻杆转速、电流及钻杆进尺信号连接数据采集仪13，数据采集仪13输出连接微型计算机14存储。

在钻杆旋转钻进过程中，各传感器信号传输至数据采集仪13，经过数据采集仪13将信号放大后传输至微型计算机14记录，编制数据处理及测试参数与岩土体强度计算程序，得出进尺与推力、扭矩、钻杆转速、消耗机械功关系曲线及与岩土体强度定量关系，并自动绘制钻孔岩土体随深度变化强度柱状图。

本发明的目的是针对目前未能实现随钻孔随测试获得岩土体强度的问题，提供一种可随钻随测定岩土体强度的深孔钻进岩土体强度分布测试装置。

图2为钻具钻进过程受力示意图，图中所示，螺旋钻杆3靠近钻头处安装有刀片15，钻头16钻进需要总扭矩为M=M₁+M₂+M₃，钻头转动时需要功率

其中，M₁为钻头工作扭矩，M₂为刀片工作扭矩，M₃为排送破碎岩土工作扭矩；ω为钻杆转速；K为功率储备系数；η为钻机转动效率。

根据各部分构件受力分解可知：

M₁=f_1x·d=(q+ks)·d，M₂=f_2x·D，M₃=f_3x·D，F=f_1y+f_2y+f_3y  (1)

式中，f₁,f₂,f₃在水平和竖直方向分力分别为f_1x,f_2x,f_3x和f_1y,f_2y,f_3y；F为钻杆上受的推力；d为钻头直径；D为钻杆直径；s为钻杆旋转一周的进尺；q和k是与岩土体强度相关的参数。

通过以上整理可得：

$\begin{array}{c}Q=\frac{M\·\mathrm{\ω}\·K}{\mathrm{\η}}=(M_1+M_2+M_3)\·\frac{\mathrm{\ω}\·K}{\mathrm{\η}}\\ =[((q+\mathrm{ks})\·d)+(f_{2x}\·D)+(f_{3x}\·D)]\·\frac{\mathrm{\ω}\·K}{\mathrm{\η}}\end{array}---\left(2\right)$

F=f_1y+f_2y+f_3y≈(f_1x+f_2x+f_3x)·tgα        (3)

式中，α为锥形钻头夹角。由公式(2)和(3)可知，若随钻过程测得推力、扭矩、钻杆转速、消耗机械功的数据，可以得到岩土体强度相关的参数q和k值，即可确定岩土体强度范围，进而可得到随深度变化的岩土强度分布。

深孔钻进岩土体强度分布测试流程见图3，测试步骤如下：

(1)确定构件基本参数

取出锥形钻头和钻杆，利用游标卡尺测试钻头直径d，钻杆直径D；利用测角工具测得锥形钻头夹角α；空旋转钻杆一周测试进尺s。

(2)安装推扭传感器、转速传感器、电流计和激光测距仪

将推扭传感器安装在操作把手和钻机上平台之间并牢靠固定，把转速传感器定位在旋转环上，激光测距仪安装在钻机下平台，使用电源线将电流计与电源和钻机连接。

(3)钻杆、钻头与钻机台架安装固定

带凸牙锥形钻头与螺旋钻杆螺纹紧固连接，将螺旋钻杆通过旋转环与钻机紧扣，并固定在钻孔台架上。

(4)数据线连接

将推扭传感器、转速传感器、电流计和激光测距仪数据线与数据采集仪分别对应通道连接紧固。

(5)编制数据处理及测试参数与岩土体强度计算程序

将数据采集仪传输过来的电流信号通过编制数据处理程序转化为对应的推力、扭矩、转速、功率和进尺数据，依据钻进过程测试数据参数与岩土体强度公式，编制测试参数与岩土体强度计算程序，使得测试数据获得后直接计算得到岩土体强度数值，并自动绘制钻孔岩土体随深度变化强度柱状图。

(6)钻杆空转过程系统调试

将整个钻机、钻杆、钻头、各传感器装置、数据采集装置和微型计算机系统安装完毕后，进行相关调试工作，接通电源，检查钻杆在空转过程中各传感器是否连通、激光测距仪是否工作正常、钻进数据是否传输顺畅，并检查所编制程序是否计算正确，自动绘制强度柱状图功能运行是否良好。

(7)测试数据信号采集和输出

钻杆旋转钻进过程中，推扭传感器、转速传感器、电流计和激光测距仪测试信号通过数据线由数据采集仪采集并将信号放大后实时传输给微型计算机记录。

(8)数据分析、处理与柱状图绘制

微型计算机记录数据采集仪传输过来的各类传感器数据信号，将各类传感器数据信号经过已编制的处理程序转化为对应的推力、扭矩、转速、功率和进尺数据，再利用已编制测试参数与岩土体强度计算程序，使用测试数据计算得到岩土体强度数值，并显示钻杆进尺与推力、扭矩、钻杆转速、消耗机械功关系曲线及与岩土体强度定量关系曲线，且自动绘制钻孔岩土体随深度变化强度柱状图。

Claims (4)

1.一种深孔钻进岩土体强度分布测试装置，包括：电源、钻进系统、数据采集系统，其特征在于：

所述钻进系统包括带凸牙锥形钻头、螺旋钻杆、旋转环、钻机、钻孔台架、操作把手，所述带凸牙锥形钻头与螺旋钻杆紧固连接，所述螺旋钻杆与钻机螺纹连接，所述钻机固定安装在钻孔台架上，且钻机与电源连接；

所述数据采集系统包括与电源连接的推扭传感器、转速传感器、电流计、激光测距仪、数据采集仪，所述转速传感器安装在旋转环上，所述激光测距仪安装在钻机下盘，所述推扭传感器安装在操作把手与钻机之间的钻机上盘处，所述电流计安装在钻机与电源之间。

2.根据权利要求1所述的一种深孔钻进岩土体强度分布测试装置，其特征在于：所述带凸牙锥形钻头与螺旋钻杆螺纹紧固连接。

3.根据权利要求1所述的一种深孔钻进岩土体强度分布测试装置，其特征在于：所述螺旋钻杆通过旋转环与钻机紧扣连接。

4.根据权利要求1所述的一种深孔钻进岩土体强度分布测试装置，其特征在于：所述推扭传感器、转速传感器、电流计、激光测距仪，分别输出推力、扭矩、钻杆转速、电流及钻杆进尺信号连接数据采集仪，数据采集仪输出连接微型计算机存储。

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