CN104314561B - 一种具有柔性承载板的钻孔弹模仪 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种具有柔性承载板的钻孔弹模仪，包括液压加载装置、承载板、位移传感器和传压块，所述液压加载装置上部依次安装传压块和承载板，所述承载板是由弹性模量在1‑5GPa的材料制成的柔性承载板。所述承载板表面呈弧形，安装在传压块上的承载板凹槽中；承载板与承载板凹槽之间采用树脂胶和螺柱定位，四周不接触，且承载板底部高出承载板凹槽外表面1.5‑2.5mm。改善测试过程中仪器与钻孔孔壁的接触条件，使承载板与岩石孔壁充分接触，提供均布压力。

Description

一种具有柔性承载板的钻孔弹模仪

技术领域

本发明涉及岩土工程领域，适用于测量钻孔不同深度的弹性模量，尤其适用于测量层状岩体不同方向上的弹性模量。

背景技术

岩体的弹性模量是岩土工程设计的重要参数。目前一般是通过室内试验确定岩体的弹性模量，但由于岩体结构的复杂性和岩石成分的多样性，现场岩体的弹性模型与室内试验确定的数值有较大差别，必须通过现场测试才能提供可靠的参数。因而，研究设计现场测量岩体弹性模量的设备对了解岩土工程所处的地质状态和指导施工设计具有重要意义。

为了测量现场岩体的弹性模量，长期以来各国发展了大量的测试技术和仪器。目前在工程中普遍采用静力法测试，即通过测量岩体在静载荷作用下的岩体变形，然后通过弹性力学公式推算出岩石弹性参数。在静力法测试中，国际岩石力学委员会推荐采用钻孔弹模仪。现有钻孔弹模仪有两种，一种是利用“胶囊”加载，对钻孔壁进行均匀加载，所测结果为各方向弹模的平均值，其中比较有代表性的是加拿大Roctest公司研制的Probex型钻孔弹模仪；另一种是利用有弧度的条形刚性加载板进行加载，可以测量钻孔不同方向的弹性模量，因为岩体大都表现出各向异性特征，因而这种方法更为实用，但是该类弹模仪在测试中刚性加载板仅很小一部分与围岩接触(分析参见附录)，且接触面积随加载到应力而变化，与理论分析的假设不符，导致计算结果与岩体实际弹性模量差别较大，同时该类弹模仪的位移传感器位于设备的两端，由于测试中加载板的弯曲变形，测量的位移要比岩体的变形量大，由此计算的岩体弹性模量较小，鉴于上述原因，学术和工程界对该类弹模仪的测试结果存在较大争议。因此现有弹模仪的结构并不能满足岩土工程测试需求。

发明内容

针对现有技术存在的不足，本发明提供一种具有柔性承载板的钻孔弹模仪，使测试时承载板能与洞壁充分贴合，使加载应力分布均匀，且不受加载条件和围岩条件的影响，更加符合理论分析的假设条件，提高测试准确性。

为了实现上述目的，本发明采取了以下技术措施：一种具有柔性承载板的钻孔弹模仪，包括液压加载装置、承载板、位移传感器和传压块，所述液压加载装置上部依次安装传压块和承载板，所述承载板是由弹性模量在1-5GPa的材料制成的柔性承载板。所述承载板表面呈弧形，安装在传压块上的承载板凹槽中；承载板底部与承载板凹槽之间采用树脂胶连接，并通过螺柱定位，承载板四周与承载板凹槽不接触，且树脂胶的厚度为1.5-2.5mm。改善测试过程中仪器与钻孔孔壁的接触条件，使承载板与岩石孔壁充分接触，提供均布压力。

进一步的，所述承载板和传压块之间可安装用来调节承载板位置的调节垫片。所述调节垫片的厚度为0.5-2mm，材料弹性模量大于200GPa。提高测量仪器对现场钻孔孔径的适应性。

进一步的，所述液压加载装置的末端连接有压力传感器，压力传感器与高压油路末端串联监测油压。所述压力传感器外部设置有传感器护罩。使测量结果更加可靠，与现有技术相比，本装置无需连接多余管路，则无需考虑管路压力损失对测量结果的影响。

进一步的，所述液压加载装置中心的高压加载活塞两侧对称位置开设有位移传感器凹槽和与位移传感器凹槽联通的线槽，所述位移传感器安装于位移传感器凹槽内，信号线从线槽中拉出，与信号线连接的测量端头通过传压块于线槽对应位置预留的通孔中穿出，并且在传压块上部固定，使位移传感器随传压块上下移动。本装置将位移传感器安装于液压加载装置中间部位，避免传压块端部变形对测试位移的影响。

进一步的，所述传压块通过螺纹固定连接于液压加载装置的低压回程活塞上方。

本发明与现有技术相比，具有以下优点和效果：

1、本发明所述钻孔弹模仪，采用柔性材料组成承载板，加载时承载板能与洞壁充分贴合，使加载应力分布均匀，且不受加载条件和围岩条件的影响。

2、与利用“胶囊”加载的钻孔弹模测量装置相比，本发明的设备可以测试钻孔内不同方向的岩体弹性模量，实用性更强。

3、本发明所述钻孔弹模仪，位移传感器分布于设备的中部，避免传压块端部变形对测试位移的影响，测量结果更加精确。

4、本发明所述的钻孔弹模仪，采用压力传感器直接测量加载活塞油缸的压力，不需要考虑管路中的压力损失，结果更准确。

附图说明

图1为本发明总体结构主视剖面图；

图2为本发明总体结构右视图；

图3为本发明活塞、位移传感器和线槽布局示意图；

图4为本发明柔性承载板和传压块装配示意图；

图5为数值计算模型；

图6(a)为岩体弹性模量5GPa，加载应力σ_p＝20MPa时钻孔围岩中的应力分布图；

图6(b)为岩体弹性模量为65GPa，加载应力σ_p＝20MPa时钻孔围岩中的应力分布图；

图7(a)为岩体弹性模量5GPa，刚性承载板下不同加载应力时钻孔壁接触应力分布图；

图7(b)为岩体弹性模量为65GPa，刚性承载板下不同加载应力时钻孔壁接触应力分布图；

图8(a)为岩体弹性模量5GPa，柔性承载板不同加载应力时钻孔壁接触应力分布图；

图8(b)为岩体弹性模量为65GPa，柔性承载板不同加载应力时钻孔壁接触应力分布图；

图中1-液压加载装置，2-柔性承载板，3-调节垫片，4-位移传感器，5-压力传感器，6-高压加载活塞，7-低压回程活塞，8-承载板凹槽，9-高压油路，10-传压块，11-位移传感器凹槽，12-线槽，13-传压块通孔，14-油路螺孔，15-钻杆接口，16-高压油口，17-低压油口，18-传感器护罩，19-排气孔,20-承载板，21-岩体。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明所述的具有柔性承载板的钻孔弹模仪的具体结构和实施方式做进一步说明。

本系统主要包括液压加载装置1，柔性承载板2，调节垫片3，位移传感器4，压力传感器5和传压块10。具体实施方式：首先将位移传感器4安装在液压加载装置1预留的位移传感器凹槽11中，信号线从线槽12中拉出，与信号线连接的测量端头从传压块10中部预留的通孔13中穿出，并且在传压块10上部进行固定，保证位移传感器随着传压块10能上下移动；然后将传压块10通过螺孔与液压加载装置1的低压回程活塞7连接起来，保证传压块和活塞能够同进同退，同时在传压块上部可以自行加装调节垫片3以适应不同钻孔孔径；其次将压力传感器5与液压加载装置末端的油路螺孔14连接，压力传感器与高压油路9直接相连来测量高压油路的油压，使测量结果更加可靠，无需考虑管路压力损失对测量结果的影响，压力传感器外部设置有传感器护罩18；最后采用树脂胶连接和螺柱定位，将柔性承载板2安装在承载板凹槽8中实现设备的整体装配。

上述装置安装完成后将手摇泵接上液压加载装置1的高压油口16和低压油口17，同时打开位于装置端部的排气孔19，待排气孔中有液压油流出时停止加压并且关闭排气孔19，至此调试工作完成。用钻机连接钻杆接口15并将设备送到指定位置；摇动手摇泵对高压油路9进行加压，此时高压加载活塞6上移，推动传压块10向上平缓移动柔性承载板2与孔壁均匀接触，孔壁岩体产生径向变形，位移传感器4记录传压块10的位移，同时压力传感器5测试加载活塞6中的油压。数据采集完成后对手摇泵进行卸载，待压力恢复后对低压油路进行加压，低压回程活塞7开始下移并且带动整个传压块10下移，使柔性承载板2与孔壁分离，然后将仪器从钻孔中拉出。在钻孔不同的位置重复以上试验，将所采集的数据统一处理，用下述方法确定岩体的弹性参数。

利用一种具有柔性承载板的钻孔弹模仪进行岩体弹性模量测量的原理与目前工程中常用的弹模仪基本相同。通过承载板对钻孔壁施加压力，利用加载压力与孔壁的变形之间的关系确定岩体的弹性模量。主要测试步骤和计算方法：

(1)在试验前要先对液压缸进行初次加压，排空油缸和油管中的空气，尽可能的消除油路的误差。这主要是因为在现场试验时，长距离的油管中会有空气，而空气对油压测量的准确性和油路的稳定性产生很大的影响，因此每次试验前都需要进行初次加压；

(2)开始试验，记录试验过程中施加的每一级压力P与其对应的位移L，绘制P-L曲线，确保岩体为弹性响应。

(3)根据不同的压力差ΔP和位移差Δd计算岩体弹性模量，公式如下：

$E=d\frac{\mathrm{\ΔP}}{\mathrm{\Δd}}\·K(v\·\mathrm{\β})---\left(1\right)$

E为岩体弹性模量(MPa)；

ν为岩体泊松比；

d为钻孔直径(mm)；

ΔP为加载压力差(MPa)；

Δd为岩体径向位移差；

β为柔性承载板对应的圆心角；

K(ν·β)是与ν和β有关的常数，通过数值和室内试验确定。

本发明的设计依据如下：

现有的钻孔弹模仪承载板部分都采用了刚性承载板，以往的分析仅仅局限于采用不同曲率的承载板来提高测量精度，并没有针对承载板的材料进行改进，也没有针对承载板与岩体的接触面积间的关系进行分析，导致测量结果精度并没有实质性的提高。此处，对刚性承载板和柔性承载板的加载过程进行了数值模拟分析。

由于对称性，数值计算采用1/4圆孔模型，见图5。传压块10、承载板20及岩体21之间均设置接触面。假设围岩响应在弹性范围内，模拟仪器测试过程，采用位移加载方式对传压块进行缓慢加载。

首先模拟承载板是刚性的情况(如古德曼千斤顶)。此时设定传压块和承载板的弹性模量均为206GPa，而钻孔围岩的弹性模量取不同的值，分别为5、10、20、30、40和60MPa。当加载应力σ_p＝20MPa，围岩的弹性模量为5GPa和65GPa时，钻孔围压应力分布见图6所示。为了分析承载板与围岩孔壁接触接触范围，在不同加载应力下，提取接触面的接触应力，绘制出接触应力随接触角度θ的变化曲线如图7所示。由图6和图7可知：在承载板为刚性条件下，围岩状态和加载应力对接触面应力分布的影响比较显著，围岩E越大接触应力分布范围越小，而加载应力越大接触应力分布也越大。因而承载板为刚性时，加载条件复杂多变，这给仪器的标定带来困难。

由图7中的曲线可以看出，当围岩弹性模量为5GPa时接触角度θ≈10～15°，而围岩弹性模量为65GPa时接触角度θ≈3～7°，因而用刚性承载板的钻孔弹模仪进行试验时，承载板与岩体的接触面很小。承载板的圆心角选用不宜超过20°，而目前该类弹模仪承载板的圆心角一般大于60°。

下面分析承载板为柔性材料时的情况。此时仍设定传压块的弹性模量为206GPa，而承载板的弹性模型设置为3GPa。加载条件与上述模拟过程相同。不同加载应力下，接触应力随接触角度θ的变化曲线如图8所示。从图中可以看出，当围岩弹性模量为5GPa时接触角度θ≈30～40°，而当围岩弹性模量为65GPa时接触角度θ≈25～40°，因而柔性承载板条件下，承载板与孔壁的接触面积有很大提高，围岩状态和加载应力对接触面应力的分布影响较小，与理论推导模型更加接近，使计算结果更符合实际。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种具有柔性承载板的钻孔弹模仪，包括液压加载装置、承载板、位移传感器和传压块，所述液压加载装置上部依次安装传压块和承载板，其特征在于：所述承载板是由弹性模量在1-5GPa的材料制成的柔性承载板；

所述液压加载装置中心的高压加载活塞两侧对称位置开设有位移传感器凹槽和与位移传感器凹槽联通的线槽，所述位移传感器安装于位移传感器凹槽内，信号线从线槽中拉出，与信号线连接的测量端头通过传压块于线槽对应位置预留的通孔中穿出，并且在传压块上部固定，使位移传感器随传压块上下移动。

2.根据权利要求1所述的一种具有柔性承载板的钻孔弹模仪，其特征在于：所述承载板表面呈弧形，安装在传压块上的承载板凹槽中；承载板底部与承载板凹槽之间采用树脂胶连接，并通过螺柱定位，承载板四周与承载板凹槽不接触，且树脂胶的厚度为1.5-2.5mm。

3.根据权利要求1或2所述的一种具有柔性承载板的钻孔弹模仪，其特征在于：所述承载板和传压块之间可安装用来调节承载板位置的调节垫片。

4.根据权利要求3所述的一种具有柔性承载板的钻孔弹模仪，其特征在于：所述调节垫片的厚度为0.5-2mm，材料弹性模量大于200GPa。

5.根据权利要求1所述的一种具有柔性承载板的钻孔弹模仪，其特征在于：所述液压加载装置的末端连接有压力传感器，压力传感器与高压油路末端串联监测油压。

6.根据权利要求5所述的一种具有柔性承载板的钻孔弹模仪，其特征在于：所述压力传感器外部设置有传感器护罩。

7.根据权利要求1所述的一种具有柔性承载板的钻孔弹模仪，其特征在于：所述传压块通过螺纹固定连接于液压加载装置的低压回程活塞上方。