CN103806906B - 岩/土体钻孔原位测试装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及岩土工程技术领域，提出了一种岩/土体钻孔原位测试装置及方法。该装置包括：钻机、试验仪、承压板、上部托杆、下部托杆、加压系统及量测系统；其中，钻机在待测岩/土体任意指定深度进行钻孔和扩孔，得到保持地应力的被测岩/土块；试验仪通过上部托杆及下部托杆与承压板活动连接，试验仪还与量测系统建立通信链接；上部托杆伸展或下部托杆伸展对承压板形成支撑时，加压系统通过承压板对被测岩/土块施加相应的载荷，试验仪自动采集测试数据并存储，同时将测试数据传输给量测系统进行相关参数的测算。本发明通过采用原位切削岩/土柱，在保持地应力状态下进行剪切实验，该测试可以在任何深度的钻孔下进行试验，充分满足了现场实验的各项指标的要求。
Description
技术领域
本发明涉及岩土工程技术领域，特别涉及一种岩/土体钻孔原位测试装置及方法。
背景技术
岩体的物理力学参数是岩土工程实施的基础数据，如果得不到准确值，对任何岩体工程的强度设计、变形验算、稳定性要求等就得不到精确的设计和评价，所以大多数的工程规范都有安全系数来增大安全的保障。对于土木、交通、水利水电、煤矿等工程，涉及到巷道支护，边坡等工程的设计基础数据，要明确测得巷道围岩、边坡预设滑动面岩土体的力学参数，来保证支护设计方案的强度、刚度和稳定性满足要求，真正做到工程的技术先进、经济合理和安全；较准确得到松动圈的扩展速度、范围及扩展规律等；围岩在卸荷状态下数值模拟，也要精确测得各层围岩、土体的力学参数，才能得到理想的结果。
目前，岩体的实验主要有岩体变形实验、岩体强度实验、岩石点荷载实验、岩体声波探测(包括洞室围岩松动圈的声波测试、声波测井、围岩分类的声波测试)、路基沉降实验、围岩收敛变形实验、洞室的工程地质展示图等。
岩体结构单元是有岩块(块状、板状的完整或者碎裂)、结构面(软弱结构面、坚硬结构面)以及充填物等组成，由于各种结构面的发育和分布的不均匀性，使其变形性质比岩石变形复杂得多，因而岩体的变形不能由岩石的变形所表述，必须通过岩体变形实验测定其变形指标。岩体变形实验是测定岩体在一定的载荷作用或者卸荷作用下变形特性指标而进行的岩体现场实验。通过实验测定岩体的变形模量、弹性模量以及变形系数等岩石工程中不可缺少的岩体力学参数。
岩石的点荷载实验是将岩石块体置于一对点接触的加荷装置上，岩石破坏主要是呈劈裂破坏的性质，破坏的机理是张破坏。采用点荷载实验是测得岩石的抗拉强度，再根据掩饰的抗拉强度与抗压强度之间的关系式，由点荷载实验结果换算出岩石的抗压强度。
但是，上述岩体实验主要针对岩块进行，其采用的装置、实验环境和测试过程均过于理论化和理想化，由于岩块与现场的自然岩体有着巨大的差异，现有的实验装置无法有效地进行现场测试，更无法准确真实地获知复杂环境下自然岩体的综合力学参数。
发明内容
(一)本发明所要解决的技术问题：
针对现有技术的上述缺陷，本发明所要解决的技术问题是如何实现现场岩体的关键参数测试。
(二)技术方案
为实现上述目的，一方面，本发明提供了一种岩/土体钻孔原位测试装置，包括：钻机、试验仪、承压板、上部托杆、下部托杆、加压系统及量测系统；其中，所述钻机在待测岩/土体任意指定深度进行钻孔和扩孔，得到保持地应力的被测岩/土块；所述试验仪通过所述上部托杆及所述下部托杆与所述承压板活动连接，所述试验仪还与所述量测系统建立通信链接；所述上部托杆伸展或所述下部托杆伸展对所述承压板形成支撑时，所述加压系统通过所述承压板对所述被测岩/土块施加相应的载荷，所述试验仪自动采集测试数据并存储，同时将所述测试数据传输给所述量测系统进行相关参数的测算。
优选地，所述钻机还包括钻杆和钻头，所述钻头可加装扩孔器，用于在钻出导向孔后，向指定的测试位置对岩/土孔周边的岩/土体进行定向扩孔，从而在岩/土孔中心暴露出仍与岩/土体为一体的柱状所述被测岩/土块。
优选地，所述承压板包括摆块，所述摆块设置在试验仪侧面，摆块中设有空槽，摆块逐级向下移动并向外旋转拓展共同组成所述承压板。
优选地，所述上部托杆内置于所述试验仪中，所述上部托杆伸展时，所述上部托杆上的凸起片正好嵌入所述承压板摆块的空槽内，对承压板的侧向圆盘起到支撑作用，由此进行抗剪强度测试。
优选地，所述下部托杆内置于所述试验仪中，所述下部托杆伸展过程中携带所述承压板的下端凸盘展开，待完全展开后所述下部托杆支撑所述下端凸盘，由此进行抗拉强度测试。
优选地，所述加压系统为液压泵。
优选地，所述试验仪上还连接有可视系统，所述可视系统包括前端采集图像的摄像头及后端观测和记录数据的观测设备，所述摄像头随所述试验仪一起安放到被测岩/土块处。
另一方面，本发明还同时提供了一种采用上述装置的岩/土体钻孔原位测试方法，包括步骤：
钻机在待测岩/土体任意指定深度进行钻孔和扩孔，得到保持地应力的被测岩/土块并将试验仪放入所述指定深度的测试位置；
试验仪通过上部托杆连接承压板并对其形成支撑，加压系统自动逐步施加水平和竖直载荷并向侧向剪切岩/土体，利用试验仪监测岩/土体剪切力和变形，量测系统根据本次试验数据得到抗剪强度结果；
上部托杆回收，试验仪通过下部托杆连接承压板并对其形成支撑，加压系统自动逐步施加竖直载荷向下压缩岩/土体，利用试验仪监测岩/土体受力和变形，量测系统根据本次试验数据得到抗拉强度结果。
优选地，所述得到抗剪强度结果具体为：所述量测系根据各层的岩/土体的应力-应变曲线、变形-时间曲线得到应力莫尔圆曲线，计算得到粘聚力、内摩擦角、抗剪强度参数；所述得到抗拉强度结果具体为：所述量测系根据静载荷的压力-变形曲线，得到各层岩/土体的比例承载力、塑性承载力、极限承载力参数。
优选地，所述方法还包括步骤：摄像头随试验仪一起安放到被测岩/土块处，录制托杆伸展和收缩回位、摆块旋转合并及载荷施加和试验全过程，通过观测设备进行全程可视化观测。
(三)技术效果
相对于现有技术，本发明提供了一种岩/土体钻孔原位测试装置及方法，采用原位切削岩/土柱，在保持地应力状态下进行剪切实验，该测试可以在任何深度的钻孔下进行试验，充分满足了现场实验的各项指标的要求。
附图说明
图1是本发明的一个实施例中进行抗剪强度测试的效果示意图；
图2是本发明的一个实施例中进行抗拉强度测试的效果示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
岩体在外荷载或者卸荷作用下的破坏方式一般为剪破坏和拉张破坏，其中剪切破坏占大多数。因此，岩体破坏的本质就是剪切破坏和拉张破坏，岩体强度的原位测试主要是测得岩体的剪切和拉张强度。目前采用的原位地面实验，可以测的岩体的c(粘聚力)、(内摩擦角)值。上世纪后期，R.L.Handy等在总结多年的岩体现场工程力学特性测试的基础上，经过不断努力开发了岩体直剪仪，所开发的装置可以用于软～中硬且较为完整的岩体中进行实验，可进行不同角度的钻孔剪切实验，在美国、日本等国家的工程勘察中得到了应用。但是，直剪仪仍是对采集的岩体试块进行测试，所反映的数据仍有一定的片面性。
本发明中为了测试原岩应力状态下的岩体的抗拉强度和抗剪强度，采用原位切削岩柱，在保持地应力状态下进行剪切实验，该测试可以在任何深度的钻孔下进行试验，充分满足了现场实验的各项指标的要求。
在本发明的一个实施例中，岩/土体钻孔原位测试装置包括：钻机、试验仪、承压板、上部托杆、下部托杆、加压系统及量测系统；其中，所述钻机在待测岩/土体任意指定深度进行钻孔和扩孔，得到保持地应力的被测岩/土块；所述试验仪通过所述上部托杆及所述下部托杆与所述承压板活动连接，所述试验仪还与所述量测系统建立通信链接；所述上部托杆伸展或所述下部托杆伸展对所述承压板形成支撑时，所述加压系统通过所述承压板对所述被测岩/土块施加相应的载荷，所述试验仪自动采集测试数据并存储，同时将所述测试数据传输给所述量测系统进行相关参数的测算。
其中，所述钻机还包括钻杆和钻头，所述钻头可加装扩孔器，用于在钻出导向孔后，向指定的测试位置对岩孔周边的围岩进行定向扩孔(切槽)，从而在岩孔中心暴露出仍与岩体为一体的柱状被测岩块。
岩孔及抗剪强度测试效果如图1所示，在岩孔成型后将试验仪放入指定的测试位置。试验仪侧面设置摆块，摆块中设有空槽，摆块逐级向下移动并向外旋转拓展，共同组成承压板。抗剪强度测试过程中，承压板的侧向圆盘组合完毕后，试验仪探头内置的上部托杆伸展，上部托杆上的凸起片正好嵌入侧向圆盘空槽内(即上述摆块的空槽内)，对侧向圆盘起到支撑作用；加压系统自动逐步施加水平和竖直载荷，并向上剪切岩体，利用应力和位移传感器监测岩体剪切力和变形。
抗拉强度测试效果如图2所示，竖直载荷施加完毕岩体、土体原位直剪测试后，上部托杆回收且摆块旋转缩回，然后试验仪探头内置的下部托杆伸展，下部托杆伸展过程中携带下端凸盘展开，待完全展开后下部托杆支撑下端凸盘；此时加压系统再自动逐步施加竖直载荷向下压缩岩体、土体，利用应力和位移传感器监测岩体、土体受力和变形。优选地，加压系统为液压泵，其加载量程及加压速率精确可控。
在图1、图2中，试验仪上还连接有可视系统，可视系统包括前端采集图像的摄像头及后端观测和记录数据的观测设备，摄像头随试验仪一起安放到被测岩块处，录制托杆伸展和收缩回位、摆块旋转合并及载荷施加和试验全过程，通过观测设备进行全程(包括岩体/土体受力弹塑性、局部破坏、整体破坏等)可视化观测。
试验仪探头中包括多种传感器，除上述应力传感器和位移传感器外，优选还可设置超声波传感器、电磁传感器等。试验仪自动采集测试数据并存储，同时将测试数据传输给量测系统。优选地，抗剪强度测试过程中，测得岩体/土体的力-变形(应力-应变)曲线、粘聚力、内摩擦角等参数；抗拉强度测试过程中，测得各土层的比例极限、塑性、破坏强度等参数。
量测系统通常布置在岩孔外，通过有线或无线方式与试验仪通信，接收试验仪传输来的参数信息，并根据所测土层的边界条件和物理性质，进行解析和数值模拟计算。优选地，根据试验所得各土层的岩体、土体的力-变形(应力-应变)曲线、变形-时间曲线得到应力摩尔元曲线，计算得到粘聚力、内摩擦角、抗剪强度等参数；根据静载荷的压力-变形曲线，得到各层岩体、土体的比例承载力、塑性承载力、极限承载力等参数。此外，量测系统还校核试验结果，更进一步还可同时采用室内试验结果进行相互校对。
基于上述装置，本发明还同时提供一种岩/土体钻孔原位测试方法，包括步骤：
钻机在待测岩、土体任意指定深度进行钻孔和扩孔，得到保持地应力的被测岩块并将试验仪放入所述指定深度的测试位置；
试验仪通过上部托杆连接承压板并对其形成支撑，加压系统自动逐步施加水平和竖直载荷并向上剪切岩体，利用试验仪监测岩体剪切力和变形，量测系统根据本次监测数据得到抗剪强度结果；
上部托杆回收，试验仪通过下部托杆连接承压板并对其形成支撑，加压系统自动逐步施加竖直载荷向下压缩土体，利用试验仪监测土体受力和变形，量测系统根据本次监测数据得到抗拉强度结果。
相对于现有技术，本发明提供了一种岩/土体钻孔原位测试装置及方法，通过在岩/土体原位切削岩柱进行真实的现场测试；此外，使用液压泵自动逐步施加水平和竖直载荷，试验测试数据实时存储，并实现试验全过程可视化，利用剪切实验得到岩体粘聚力、内摩擦角标准值、压力-变形曲线，试验仪测试准确、操作灵活、结果可靠。本发明可为岩土工程、水利工程、隧道工程、采矿工程的岩体-结构抗力的设计提供基础数据，为数值模拟提供可靠的力学参数基础数据。
虽然以上结合优选实施例对本发明进行了描述，但本领域的技术人员应该理解，本发明所述的方法和系统并不限于具体实施方式中所述的实施例，在不背离由所附权利要求书限定的本发明精神和范围的情况下，可对本发明作出各种修改、增加、以及替换。
Claims (10)
1.一种岩/土体钻孔原位测试装置，其特征在于，所述装置包括：钻机、试验仪、承压板、上部托杆、下部托杆、加压系统及量测系统；其中，
所述钻机在待测岩/土体任意指定深度进行钻孔和扩孔，得到保持地应力的被测岩/土块；
所述试验仪通过所述上部托杆及所述下部托杆与所述承压板活动连接，所述试验仪还与所述量测系统建立通信链接；
所述上部托杆伸展或所述下部托杆伸展对所述承压板形成支撑时，所述加压系统通过所述承压板对所述被测岩/土块施加相应的载荷，所述试验仪自动采集测试数据并存储，同时将所述测试数据传输给所述量测系统进行相关参数的测算。
2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述钻机还包括钻杆和钻头，所述钻头可加装扩孔器，用于在钻出导向孔后，向指定的测试位置对岩/土孔周边的岩/土体进行定向扩孔，从而在岩/土孔中心暴露出仍与岩/土体为一体的柱状所述被测岩/土块。
3.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述承压板包括摆块，所述摆块设置在试验仪侧面，摆块中设有空槽，摆块逐级向下移动并向外旋转拓展共同组成所述承压板。
4.如权利要求3所述的装置，其特征在于，所述上部托杆内置于所述试验仪中，所述上部托杆伸展时，所述上部托杆上的凸起片正好嵌入所述承压板摆块的空槽内，对承压板的侧向圆盘起到支撑作用，由此进行抗剪强度测试。
5.如权利要求3所述的装置，其特征在于，所述下部托杆内置于所述试验仪中，所述下部托杆伸展过程中携带所述承压板的下端凸盘展开，待完全展开后所述下部托杆支撑所述下端凸盘，由此进行抗拉强度测试。
6.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述加压系统为液压泵。
7.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述试验仪上还连接有可视系统，所述可视系统包括前端采集图像的摄像头及后端观测和记录数据的观测设备，所述摄像头随所述试验仪一起安放到被测岩/土块处。
8.一种岩/土体钻孔原位测试方法，其特征在于，所述方法包括步骤：
钻机在待测岩/土体任意指定深度进行钻孔和扩孔，得到保持地应力的被测岩/土块并将试验仪放入所述指定深度的测试位置；
试验仪通过上部托杆连接承压板并对其形成支撑，加压系统自动逐步施加水平和竖直载荷并向上剪切岩/土体，利用试验仪监测岩/土体剪切力和变形，量测系统根据本次试验数据得到抗剪强度结果；
上部托杆回收，试验仪通过下部托杆连接承压板并对其形成支撑，加压系统自动逐步施加竖直载荷向下压缩岩/土体，利用试验仪监测岩/土体受力和变形，量测系统根据本次试验数据得到抗拉强度结果。
9.如权利要求8所述的方法，其特征在于，所述得到抗剪强度结果具体为：所述量测系根据各层的岩/土体的应力-应变曲线、变形-时间曲线得到应力莫尔圆曲线，计算得到粘聚力、内摩擦角、抗剪强度参数；所述得到抗拉强度结果具体为：所述量测系根据静载荷的压力-变形曲线，得到各层岩/土体的比例承载力、塑性承载力、极限承载力参数。
10.如权利要求8所述的方法，其特征在于，所述方法还包括步骤：
摄像头随试验仪一起安放到被测岩/土块处，录制托杆伸展和收缩回位、摆块旋转合并及载荷施加和试验全过程，通过观测设备进行全程可视化观测。
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Effective date of registration: 20210901 Address after: Room 303, unit 4, floor 4, meiheyuan East District, Haidian District, Beijing 100089 Patentee after: Meng Da Address before: Room 1701-1703, No. 37, nanmofang Road, Chaoyang District, Beijing 100124 Patentee before: BEIJING LEIYUDA TECHNOLOGY Co.,Ltd. |
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| TR01 | Transfer of patent right | ||
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Effective date of registration: 20211108 Address after: 115212 No. 2 Xianghong Qi Village, jiulongdi Manchu Town, Gaizhou City, Yingkou City, Liaoning Province Patentee after: Meng Xiangyu Address before: Room 303, unit 4, floor 4, meiheyuan East District, Haidian District, Beijing 100089 Patentee before: Meng Da |