CN104458420B - 一种岩土体原位强度承压板试验装置及使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种岩土体原位强度承压板试验装置及使用方法，包括PC机、试验仪、动力机构、承压单元、数据采集反馈单元及辅助支撑结构；PC机与试验仪互联，试验仪内的控制模块为一单片机系统；动力机构包括发电机，电机驱动器及力矩电机、减速器、联轴器和千斤顶；承压单元有传力柱和承压板；数据采集反馈单元主要设有旋转编码器和压力传感器。本装置采用扣接方式组装成整体，能保证试验所需的刚性加载要求；搬移时可拆成小单元方便搬移和转运。使用方法是可联机或脱机编程控制，试验模式可选择按时间、位移和承压力模式。本发明具有模式切换灵活，试验过程、数据采样和保存自动化等优点，提高了试验的效率和试验数据质量的可靠度。

Description

一种岩土体原位强度承压板试验装置及使用方法

技术领域

本发明涉及一种岩土体原位强度承压板试验装置及使用方法，具体地说是一种与岩土体原位强度测试相关的承压板试验装置及使用方法，是一种试验模式可调、拆装移动方便的自动化承压板试验装置及使用方法，属于地质工程岩土原位试验领域。

背景技术

随着工程建设的增多和建设规模的不断加大，各类地质灾害如滑坡、泥石流、地陷等越来越频发，其岩土体稳定性也越来越受到国内外学者和工程人员的关注。岩土体的稳定取决于其本身的力学性质，所以岩土体的受力与变形关系是工程研究的核心问题之一，也是一项评价工程岩土体稳定性的重要指标。

岩土体经历漫长的地质过程而形成，受到结构面、天然应力及地下水等因素影响变化很大，其力学性质常具有非均质、非连续及各向异性。因此获得其力学性质最直接、最可靠的途径是对岩土体进行原位测试。岩土体原位测试最大的优点是对岩体扰动小，尽可能地保持了岩体的天然结构和环境状态，使测出的岩体力学参数真实准确，工程参考价值大。

承压板试验法是一种常用的岩土体原位强度测试方法。针对一些具体的工程应用，人们研发出了各种与之相对应的承压板试验装置和方法，如：2012年，中国科学院武汉岩土力学研究所的陈从新等人研制的“一种原位承压板实验装置”，通过载重大车加载载荷的方法实现了岩土体垂向力学性质的试验；2011年，铁道第三勘察设计院集团有限公司的孙元春等人发明的“一种轮式承压板试验仪”，通过轮式移动与横向调整角度加载，为隧道或巷道类局部平坦的场所提供了一种承压板试验方法。由于不同的工程应用中所需测量的岩土体力学参数略有不同，很难有一种适应于任何承压板试验的装置和方法。目前，在各种测量装置和方法中，尚未有较为适用于桩孔侧壁力学性能试验的承压板试验装置和方法，尤其是适用于滑坡抗滑桩桩孔力学试验中的装置和方法。

发明内容

本发明的目的是解决目前很难有一种能适应于任何岩土体原位试验所需承压板试验的装置和方法的问题，而提供一种岩土体原位强度承压板试验装置及使用方法，本试验装置能在原位岩土体强度测试过程中，实现试验模式按时间模式、位移模式和承压力模式可调、自动化完成试验过程和数据记录，且装置按机构、单元采用扣接方式组装成整体，以利于拆装与移动。

为了达到上述目的，本发明所采取的技术措施是：提供一种岩土体原位强度承压板试验装置，包括PC机、试验仪、动力机构、承压单元、数据采集反馈单元及辅助支撑结构；所述的PC机与试验仪互联，所述的试验仪内设的控制模块为一单片机系统，用于对试验模式和试验过程进行编程控制以及数据采集、存储和与PC机联机通信；

所述的动力机构包括发电机、电机驱动器、力矩电机、减速器、联轴器和千斤顶，所述的发电机为试验装置提供动力源，向电机驱动器和力矩电机供电；所述的力矩电机、减速器、联轴器和千斤顶作为动力传递的构件，力矩电机的输出轴与减速器相连，减速器输出轴经联轴器连接到螺旋千斤顶的输入轴；所述的电机驱动器通过试验仪内的控制模块控制，驱动力矩电机按控制信号转动；

所述的承压单元包括传力柱、垫板和承压板；承压单元通过传力柱传递螺旋千斤顶顶柱输出的位移和力到承压板；

所述的数据采集反馈单元设有旋转编码器、压力传感器和AD转换电路；旋转编码器安装在力矩电机的后端输出轴上；压力传感器夹装在传力柱和垫板之间；AD转换电路安装在试验仪机箱内，旋转编码器和压力传感器与控制模块连接；

所述的辅助支撑结构包括大横梁、自锁绞车、滑杆、小横梁、滑块、钢丝绳、传力柱扣环、千斤顶扣环、支架板、后垫板和反力板，所述的大横梁在试验时橫搭在试验坑上，大横梁上安装两个自锁绞车，自锁绞车通过钢丝绳悬拉小横梁；小横梁的左端通过千斤顶扣环扣挂螺旋千斤顶；小横梁的右端通过滑杆、滑块组合成一个滑动副，由传力柱扣环扣挂传力柱、压力传感器和承压板；反力板与螺旋千斤顶底部相连，工作时反力板与试验坑侧壁直接接触；后垫板与试验坑的反力面接触，支架板与反力板固连，支架板用于安装固定动力机构中的电缆及动力传递构件。

所述的数据采集反馈单元设有位移采集反馈和压力采集反馈两个部分，位移量通过旋转编码器测量电机的转向和转动量换算而得；压力值通过压力传感器直接感应试验的加载力，经由AD转换电路转换后得到压力值。

所述的试验仪配备有机箱，在机箱上安装控制面板，在控制面板上布置显示器、操作键盘、通信接口、电机输出接口、压力与位移传感器接口、指示灯和电源开关。

本发明还提供一种使用上述的岩土体原位强度承压板试验装置的方法，按如下步骤操作：

步骤⑴、试验场地选取及试验坑准备：在需要进行相关岩土体原位强度承压板试验的区域内，选择欲进行试验的岩土体，开挖出至少包含一对平行试验面的试验坑，把试验坑的承压面和反力面修整平整；

步骤⑵、试验装置安放：先把两台自锁绞车固定在大横梁上，用钢丝绳绳端的挂钩钩挂在小横梁两端的通孔中；抬升整个试验装置把悬吊部分放置到试验坑里，让大横梁横跨试验坑坑口并固定，然后转动两个自锁绞车的手柄，调整两根钢丝绳的长度，使承压板和反力板处于预定的位置和角度；

步骤⑶、电路连接：把电机的接线插到电机驱动器上，电机驱动器的信号线接到试验仪控制面板上所示的“电机输出”接口；分别把旋转编码器和压力传感器的接线插头插在控制面板的“位置输入”和“压力输入”接口上，控制面板上的“电源”接线接到发电机的输出插口上，打开电源；

步骤⑷、试验参数及程序设置：试验仪开始工作，用USB信号线连接试验仪和PC机，把PC机上试验配置和程序下载到试验仪中；若没有PC机的情况下脱机工作时，则通过控制面板上的键盘设置试验参数和试验流程；

步骤⑸、开始承压板试验：先根据试验坑的宽度，按下试验仪控制面板上的粗、细“↑”，进行粗调和微调，调整千斤顶的初始位置到预定压力的位置；按下“启停”按键，试验装置按照程序设置好的试验参数和试验程序进行试验；试验过程中若遇到意外情况，则按下控制面板上的“启停”按键暂停试验，需要继续时再按一次“启停”键继续之前试验；

步骤⑹、试验过程中：所述的试验仪工作时控制面板上的显示器同步显示试验状态、试验时间、试验载荷和试验位移，其中“状态”的前部分显示的“ON”或“OFF”，表示开启或关闭的状态，“状态”后部分显示的是试验模式，试验模式有“Txx”表示的是按时间加载模式、“Fxx”表示按力加载模式和“Dxx”表示按位移加载模式，“xx”为两位数据字，表示当前加载级数；工作过程中，5个指示灯还分别指示了当前的电源、存储、电机、状态和超限的情况；

步骤⑺、结束试验：整个试验按预定程序进行完成后，按下控制面板上“↓”按键，卸载压力并收回千斤顶顶柱，断开电源，取出试验装置并拆成若干小单元方便搬移；同时把USB数据线插入控制面板上的“通信接口”，通过USB数据线与PC机相连接，上传试验数据。

本发明中步骤⑷所述的脱机时在控制面板键盘中设置的试验参数包括设置试验模式、加载间隔和数据采样频率，其中试验模式包括按力加载、按位移加载和按时间加载三种模式。

本发明的岩土体原位强度承压板试验装置及使用方法与现有技术相比具有如下的优点：

⑴、本发明的承压板试验装置按机构、单元采用扣接方式组装成整体，试验时整体性好，加载力在试验承压方向的传递简洁，能够保证试验所需的刚性加载要求；搬移时可以拆成若干小单元方便搬移和转运。

⑵、本发明的承压板试验装置采用千斤顶来提供试验加载力，由力矩电机通过减速后驱动，能够获得较大的加载力和加载位移，并且加载速度可以灵活控制，加载精度高。

⑶、本发明的承压板试验装置配备的承压板设计为活动构件，可以快速拆取替换，且可根据不同的试验要求，方便装配不同尺寸规格的承压板。

⑷、本发明的承压板试验装置采用自锁绞车配钢丝绳悬吊的方式把试验装置安放到试验坑，能够快捷地将定位试验轴线定位到任意位置和任意角度的岩土试验面上，可实现不同方向和不同倾斜角度的承压板测试。

⑸、本发明的承压板试验装置灵活轻便，克服了传统大断面巷道测试费用高、难度大的缺点，可以较经济地实现中小型竖井或探井的岩土原位强度测试。

⑹、本发明的承压板试验装置进行试验的方法中，能够联机或脱机编程控制，具有模式选择切换灵活、试验过程自动化、数据采样和保存自动化等优点，大大提高了试验的执行效率和数据质量的可靠度。

附图说明

图1为本发明的一种岩土体原位强度承压板试验装置结构框图。

图2为本发明的一种岩土体原位强度承压板试验装置结构正视示意图。

图3本发明中试验仪的控制面板结构示意图。

上述图中：1—大横梁，2—自锁绞车，3—滑杆，4—小横梁，5—滑块，6—钢丝绳，7—试验的岩土体，8—承压板，9—垫板，10—压力传感器，11—传力柱，12—传力柱扣环，13—螺旋千斤顶，14—联轴器，15—减速器，16—力矩电机，17—旋转编码器，18—试验坑，19—支架板，20—千斤顶扣环，21—后垫板，22—反力板。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，但本发明的实施不限于此。

实施例1：本发明提供一种岩土体原位强度承压板试验装置，其结构如图1、图2所示。图1的框图包括PC机、试验仪、动力机构、承压单元、数据采集反馈单元；图2实物结构图中包括了部分动力机构、承压单元、数据采集反馈单元中的设备部件，还有辅助支撑结构。图3为试验仪机箱前部的控制面板结构图。

所述的PC机与试验仪互联，所述的试验仪内设的控制模块为一单片机系统，用于对试验模式和试验过程进行编程控制以及数据采集、存储和与PC机联机通信。

所述的动力机构包括发电机、电机驱动器、力矩电机16、减速器15、联轴器14和千斤顶13。本发明中的发电机采用为小型汽油发电机。小型汽油发电机为试验装置提供动力源，为电机驱动器和力矩电机16供电，力矩电机的输出轴与减速器15相连，减速器输出轴经联轴器14连接到螺旋千斤顶13的输入轴；电机驱动器通过试验仪内的控制模块控制，驱动力矩电机按控制信号转动。

所述的承压单元包括传力柱11、垫板9和承压板8；所述的承压单元通过传力柱11传递螺旋千斤顶13顶柱输出的位移和力到承压板8。

所述的数据采集反馈单元设有旋转编码器17、压力传感器10和AD转换电路；旋转编码器17安装在力矩电机16的后端输出轴上；压力传感器10夹装在传力柱11和垫板9之间，直接感应试验的加载力，经由AD转换电路转换后得到压力值。

所述的辅助支撑结构包括大横梁1、自锁绞车2、滑杆3、小横梁4、滑块5、钢丝绳6、传力柱扣环12、千斤顶扣环20、支架板19、后垫板21和反力板22，其中大横梁1在试验时橫搭在试验坑18上，大横梁1上安装有两个自锁绞车2，自锁绞车通过钢丝绳6悬拉小横梁4；小横梁的左端通过千斤顶扣环20扣挂螺旋千斤顶13；小横梁4的右端通过滑杆3、滑块5组合成一个滑动副，由传力柱扣环12扣挂传力柱11、压力传感器10和承压板8；反力板22与螺旋千斤顶13底部相连，工作时反力板22与试验坑18侧壁直接接触；后垫板21与试验坑18的反力面接触，支架板19与反力板22固连，支架板19用于安装固定动力机构中的电缆及动力的传递构件。

实施例2：采用本发明实施例1的岩土体原位强度承压板试验装置进行岩土体原位强度承压板试验，安装试验装置时的结构如图2所示。由大横梁1搭在试验坑18周围的试验的岩土体7上，两个自锁绞车2安装在大横梁1上，通过钢丝绳6悬吊小横梁4，调整小两边钢丝绳6的长度比，可以得到不同的试验角度；装置的动力及动力传递构件包括力矩电机16、减速器15、联轴器14和螺旋千斤顶13，整个动力及动力传递构件由千斤顶扣环20扣挂于小横梁4下方；承压机构及压力传感器经由滑杆3和滑块5后，通过传力柱扣环12悬挂于小横梁4右下方，其中承压机构包括传力柱11、垫板9和承压板8，传力柱11的一端与螺旋千斤顶的顶柱开槽扣接，另一端用螺钉与压力传感器10连接，压力传感器10的感应头与垫板9的凹口扣接，垫板9与承压板8用螺钉连接，承压板8可以根据不同的试验要求换取不同的尺寸规格；数据采集反馈单元主要组成部分有旋转编码器17和压力传感器10，旋转编码器17安装在力矩电机16的后端输出轴上，压力传感器10夹装在传力柱和垫板9之间；其余的主要支撑辅助结构有反力板22和支架板19，反力板22与螺旋千斤顶13的底部固连，起到承受反力的作用，支架板19与反力板固连，支架板延伸出的安装平台用于固定减速器15。

应用本发明试验装置进行岩土体原位强度承压板试验的工作步骤为：

步骤⑴、试验场地选取及试验坑准备：在需要进行相关岩土体原位强度承压板试验的区域内，选择欲进行试验的岩土体7，开挖出至少包含一对平行试验面的试验坑18，把试验坑的承压面和反力面修整平整。

步骤⑵、试验装置安放：先把两台自锁绞车2固定在大横梁1上，用钢丝绳6绳端的挂钩钩挂在小横梁4两端的通孔中；抬升整个试验装置把悬吊部分放置到试验坑18里，让大横梁1横跨试验坑18坑口并固定，然后转动两个自锁绞车2的手柄，调整两根钢丝绳6的长度，使承压板8和反力板22处于预定的位置和角度。

步骤⑶、电路连接：把电机的接线插到电机驱动器上，电机驱动器的信号线接到控制面板上的“电机输出”接口；分别把旋转编码器17和压力传感器10的接线插头插在图3控制面板所示的“位置输入”和“压力输入”接口上，控制面板上的“电源”接线接到发电机的输出插口上，打开电源。

步骤⑷、试验参数及程序设置：如图1所示，用USB信号线连接试验仪和PC机，试验仪连接PC机工作，把试验配置和程序下载到试验仪进行试验。

步骤⑸、开始承压板试验：先根据试验坑的宽度，按下图3中试验仪控制面板上的粗、细“↑”，进行粗调和微调，调整千斤顶的初始位置到预定压力的位置；按下“启停”按键，试验装置按照之前设置好的试验参数和试验程序进行试验。试验过程中若遇到意外情况，可以按下控制面板上的“启停”按键暂停试验，需要继续时再按一次“启停”键继续之前试验。

步骤⑹、试验过程中，控制面板上的显示器同步显示试验状态、试验时间、试验载荷和试验位移，其中“状态”的前部分显示的“ON”或“OFF”，表示开启或关闭状态，“状态”后部分显示的是试验模式，试验模式有“Txx”，表示按时间加载模式、“Fxx”表示按力加载模式和“Dxx”表示按位移加载模式，“xx”为两位数据字，表示当前加载级数；试验过程中，5个指示灯还分别指示了当前的电源、存储、电机、状态和超限的情况。

步骤⑺、结束试验：整个试验按预定程序进行完成后，按下图3控制面板上“↓”按键，卸载压力并收回千斤顶顶柱，断开电源，取出试验装置并拆成若干小单元方便搬移；同时把USB数据线插入图3所示控制机箱控制面板上的“通信接口”，通过USB数据线与PC机相连接，上传试验数据。

实施例3：采用本发明实施例1的岩土体原位强度承压板试验装置进行岩土体原位强度承压板试验，安装试验装置时的结构如图2所示。不同的是操作方法中：步骤⑷试验装置在没有PC机的情况下脱机工作。脱机工作时，通过图3控制面板上的键盘设置试验参数和试验流程，主要设置项包括试验模式、加载间隔和数据采样频率等，其中试验模式包括按力加载、按位移加载和按时间加载三种模式。其他的试验步骤同实施例2。

Claims (5)

1.一种岩土体原位强度承压板试验装置，包括PC机、试验仪、动力机构、承压单元、数据采集反馈单元及辅助支撑结构；其特征在于：

所述的PC机与试验仪互联，所述的试验仪内设的控制模块为一单片机系统，用于对试验模式和试验过程进行编程控制以及数据采集、存储和与PC机联机通信；

所述的动力机构包括发电机、电机驱动器、力矩电机、减速器、联轴器和螺旋千斤顶，所述的发电机为试验装置提供动力源，向电机驱动器和力矩电机供电；所述的力矩电机、减速器、联轴器和螺旋千斤顶作为动力传递的构件，力矩电机的输出轴与减速器相连，减速器输出轴经联轴器连接到螺旋千斤顶的输入轴；所述的电机驱动器通过试验仪内的控制模块控制，驱动力矩电机按控制信号转动；

所述的承压单元包括传力柱、垫板和承压板；承压单元通过传力柱传递螺旋千斤顶顶柱输出的位移和力到承压板；

所述的数据采集反馈单元设有旋转编码器、压力传感器和AD转换电路；旋转编码器安装在力矩电机的后端输出轴上；压力传感器夹装在传力柱和垫板之间；AD转换电路安装在试验仪机箱内，旋转编码器和压力传感器与控制模块连接；

所述的辅助支撑结构包括大横梁、自锁绞车、滑杆、小横梁、滑块、钢丝绳、传力柱扣环、千斤顶扣环、支架板、后垫板和反力板，所述的大横梁在试验时橫搭在试验坑上，大横梁上安装两个自锁绞车，自锁绞车通过钢丝绳悬拉小横梁；小横梁的左端通过千斤顶扣环扣挂螺旋千斤顶；小横梁的右端通过滑杆、滑块组合成一个滑动副，由传力柱扣环扣挂传力柱、压力传感器和承压板；反力板与螺旋千斤顶底部相连，工作时反力板与试验坑侧壁直接接触；后垫板与试验坑的反力面接触，支架板与反力板固连，支架板用于安装固定动力机构中的电缆及动力传递构件。

2.根据权利要求1所述的一种岩土体原位强度承压板试验装置，其特征在于：所述的数据采集反馈单元设有位移采集反馈和压力采集反馈两个部分，位移量通过旋转编码器测量电机的转向和转动量换算而得；压力值通过压力传感器直接感应试验的加载力，经由AD转换电路转换后得到压力值。

3.根据权利要求1所述的一种岩土体原位强度承压板试验装置，其特征在于：所述的试验仪配备有机箱，在机箱上安装控制面板，在控制面板上布置显示器、操作键盘、通信接口、电机输出接口、压力与位移传感器接口、指示灯和电源开关。

4.一种使用权利要求1所述的岩土体原位强度承压板试验装置的方法，其特征在于，按如下步骤操作：

步骤⑴、试验场地选取及试验坑准备：在需要进行相关岩土体原位强度承压板试验的区域内，选择欲进行试验的岩土体，开挖出至少包含一对平行试验面的试验坑，把试验坑的承压面和反力面修整平整；

步骤⑵、试验装置安放：先把两台自锁绞车固定在大横梁上，用钢丝绳绳端的挂钩钩挂在小横梁两端的通孔中；抬升整个试验装置把悬吊部分放置到试验坑里，让大横梁横跨试验坑坑口并固定，然后转动两个自锁绞车的手柄，调整两根钢丝绳的长度，使承压板和反力板处于预定的位置和角度；

步骤⑶、电路连接：把电机的接线插到电机驱动器上，电机驱动器的信号线接到试验仪控制面板上所示的“电机输出”接口；分别把旋转编码器和压力传感器的接线插头插在控制面板的“位置输入”和“压力输入”接口上，控制面板上的“电源”接线接到发电机的输出插口上，打开电源；

步骤⑷、试验参数及程序设置：试验仪开始工作，用USB信号线连接试验仪和PC机，把PC机上试验配置和程序下载到试验仪中；若没有PC机的情况下脱机工作时，则通过控制面板上的键盘设置试验参数和试验流程；

步骤⑸、开始承压板试验：先根据试验坑的宽度，按下试验仪控制面板上的粗、细“↑”，进行粗调和微调，调整螺旋千斤顶的初始位置到预定压力的位置；按下“启停”按键，试验装置按照程序设置好的试验参数和试验程序进行试验；试验过程中若遇到意外情况，则按下控制面板上的“启停”按键暂停试验，需要继续时再按一次“启停”键继续之前试验；

步骤⑹、试验过程中：所述的试验仪工作时控制面板上的显示器同步显示试验状态、试验时间、试验载荷和试验位移，其中“状态”的前部分显示的“ON”或“OFF”，表示开启或关闭的状态，“状态”后部分显示的是试验模式，试验模式有“Txx”表示的是按时间加载模式、“Fxx”表示按力加载模式和“Dxx”表示按位移加载模式，“xx”为两位数据字，表示当前加载级数；工作过程中，5个指示灯还分别指示了当前的电源、存储、电机、状态和超限的情况；

步骤⑺、结束试验：整个试验按预定程序进行完成后，按下控制面板上“↓”按键，卸载压力并收回螺旋千斤顶顶柱，断开电源，取出试验装置并拆成若干小单元方便搬移；同时把USB数据线插入控制面板上的“通信接口”，通过USB数据线与PC机相连接，上传试验数据。

5.根据权利要求4所述的使用岩土体原位强度承压板试验装置的方法，其特征在于：步骤⑷所述的脱机时在控制面板键盘中设置的试验参数包括设置试验模式、加载间隔和数据采样频率，其中试验模式包括按力加载、按位移加载和按时间加载三种模式。