CN105738225B - 深孔岩/土体原位测试方法及测试机器人 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种深孔岩/土体原位测试方法及测试机器人，通过采用在原位应力状态下微扰动取样、制样、孔下设备固定、两向加载、测试数据自动处理等技术，使深孔岩/土体原位测试机器人可以在任意深度、各种岩/土体、各种含水率的孔下进行测试，并准确、快速地得到被测岩/土体的多项强度指标，克服了现有岩体抗剪强度测试技术测量结果不够准确、测试时间长的缺陷，充分满足了现场测试的各项指标的要求。另外，本发明的深孔岩/土体原位测试机器人还具有集成度高、重量轻、便携、智能化程度高，操作灵活的优点。本发明可广泛用于各种岩/土体的工程测试，为岩土工程、水利工程、隧道工程、采矿工程等设计提供基础数据，为数值模拟提供可靠的力学参数基础数据。
Description
技术领域
本发明涉及一种深孔岩/土体原位测试方法及测试机器人，属于岩土工程勘察技术领域。
背景技术
岩体的物理力学参数是基础的数据，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，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。对于煤矿工程，涉及到巷道支护的设计基础数据，要明确测得巷道围岩的力学参数，来保证支护设计的合理性、经济造价和工期；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，也要精确得到围岩各层岩体的力学参数才能得到理想的结果。
岩体原位测试是在现场制备试件，模拟工程作用对岩体施加外荷载，进而求取岩体力学参数的试验方法，是岩土工程勘察的重要手段之一。岩体原位测试的最大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直观、准确。
岩体在外荷载及卸荷作用下的主要破坏方式为剪切破坏，因此，岩体原位测试主要是准确测得岩体的抗剪强度。目前，岩体的抗剪强度测试只限于在地面上用直剪仪对采集到的岩体试块进行测试，可以测得岩体的粘聚力和内摩擦角值，粘聚力和内摩擦角值是岩体强度的重要指标，它代表着岩体抵抗剪切破坏的性能。但是，由于在地面上用直剪仪测试岩体试块脱离了原位地应力环境，故测试所反映的数据仍有一定的片面性，测量结果不够准确，且测量设备较繁重，使用不方便，测试时间长。
发明内容
为克服现有岩体抗剪强度测试技术测量结果不够准确、测试时间长的缺陷，本发明提供一种深孔岩/土体原位测试方法及测试机器人,以准确、快速地测得原位地应力岩/土体的抗剪强度等指标。
本发明的技术方案如下：
一种深孔岩/土体原位测试方法，包括步骤：A、在待测岩/土体打孔；B、将深孔岩/土体原位测试机器人放入打好的孔的预定深度；C、用深孔岩/土体原位测试机器人底部的制样取样装置微扰动制样；D、在保持原位应力状态下静力下压取样；E、利用孔下固定装置将深孔岩/土体原位测试机器人固定在孔下预定位置；F、用深孔岩/土体原位测试机器人内部的施压装置对试样施加垂直压力和水平剪切力；G、用设置在施压装置上的至少包括压力传感器的传感器测量数据，并由信号采集及后处理系统采集和处理，得到所测岩/土样的强度指标，该强度指标至少包括抗剪强度指标。
优选地，步骤C在充分考虑孔底扰动土的深度范围的基础上进行。
优选地，步骤B还包括将可视装置随深孔岩/土体原位测试机器人一起安放到被测岩/土体处，步骤C还包括通过可视装置观察、录制制样过程，并通过控制装置控制制样过程，步骤D还包括通过可视装置观察、录制取样过程，并通过控制装置控制取样过程。
优选地，步骤F所述的施压装置可施加多级垂直压力和多级水平剪切力。
对应上述深孔岩/土体原位测试方法，本发明同时提供一种深孔岩/土体原位测试机器人，包括控制装置、外壳、第一动力装置组、孔下固定装置、制样取样装置、第二动力装置组、垂直施压板、水平施压板、压力传感器、信号采集及后处理系统，所述孔下固定装置嵌入设置在外壳外，所述制样取样装置设置在外壳的下端，所述第一动力装置组、第二动力装置组、垂直施压板和水平施压板设置在外壳内，所述第一动力装置组包括动力装置一和动力装置二，动力装置一与制样取样装置传动连接，动力装置二与孔下固定装置传动连接，且可沿外壳的横向推出和收回孔下固定装置，所述孔下固定装置用于在其被横向推出时将整个原位测试机器人固定在深孔内的某一预定位置，所述第二动力装置组包括动力装置三和动力装置四，所述动力装置三通过垂直加载机构与垂直施压板连接，所述动力装置四通过水平加载机构与水平施压板接触，所述动力装置一、动力装置二、动力装置三和动力装置四均与控制装置连接且受控制装置控制，所述垂直施压板和水平施压板上均设置有至少包括压力传感器的传感器，所述传感器通过信号电缆与信号采集及后处理系统连接。
优选地，所述动力装置二通过丝杠一、传动螺母和连杆与孔下固定装置传动连接，所述丝杠一与动力装置二的动力输出轴连接，丝杠一上安装有两个传动螺母，每个传动螺母的两侧各设置有一个连接点，所述孔下固定装置由两个相对设置且结构相同的靠压件组成，每个靠压件由一竖直靠压部和两间隔一定距离的水平连接部组成，所述靠压部的外侧面呈波浪形,每个水平连接部上均设置有一个连接点，每个水平连接部的连接点与相邻传动螺母上对应侧的连接点通过连杆连接。
优选地，所述垂直加载机构包括丝杠二和螺纹传动压头，丝杠二的一端与动力装置三的动力输出轴连接，另一端与螺纹传动压头一端的长螺纹孔连接，螺纹传动压头的另一端与垂直施压板连接。
为便于按测试要求施加多级荷载，优选地，动力装置三和动力装置四均为减速步进电机。
为便于观察和控制孔下测试环境，优选地，所述外壳的靠近其下端的部分上安装有可视装置。
为便于控制制样取样装置微扰动制样、取样，优选地，动力装置一为减速步进电机。
优选地，所述信号电缆经外壳的顶部和侧壁穿出。
本发明的深孔岩/土体原位测试方法及测试机器人通过采用在原位应力状态下微扰动取样、制样、孔下设备固定、两向加载、测试数据自动处理等技术，使深孔岩/土体原位测试机器人可以在任意深度、各种岩/土体、各种含水率的孔下进行测试，并准确、快速地得到被测岩/土体的抗剪强度等多项强度指标，克服了现有岩体抗剪强度测试技术测量结果不够准确、测试时间长的缺陷，充分满足了现场测试的各项指标的要求。另外，本发明的深孔岩/土体原位测试机器人还具有集成度高、重量轻、便携、智能化程度高，操作灵活的优点。
附图说明
图1为本发明实施例的深孔岩/土体原位测试机器人的结构原理示意图；
图2为本实施例的动力装置二与孔下固定装置的传动连接示意图；
图3为本实施例的动力装置三与垂直施压板的传动连接示意图；
图中：1、接头；2、控制装置；3、孔下固定装置；4、第一动力装置组；5、第二动力装置组；6、腔内固定装置；7、外壳；8、垂直垂直施压板；9、水平垂直施压板、10、可视装置；11、制样取样装置；12、动力装置二；13、动力装置三；14、丝杠一；15、传动螺母；16、连杆；17、丝杠二；18、螺纹传动压头。
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。
参照图1～3所示，本实施例的深孔岩/土体原位测试方法包括步骤：A、用钻机等打孔工具在待测岩/土体打孔；B、将深孔岩/土体原位测试机器人放入打好的孔的预定深度的待测量位置；C、由地面操作人员对控制装置下达制样指令，控制装置控制动力装置一驱动制样取样装置微扰动制样；D、制样完成后，地面操作人员对控制装置下达取样指令，控制装置控制动力装置一驱动制样取样装置在保持原位应力状态下静力下压取样；E、取样完成后，地面操作人员对控制装置下达固定指令，控制装置控制动力装置二驱动孔下固定装置打开，使深孔岩/土体原位测试机器人固定在孔下预定位置，处于稳定状态，以保证后续加载过程的稳定性及测试数据的准确性；F、由地面操作人员对控制装置下达加载指令，动力装置三驱动垂直加载机构，通过垂直施压板对试样施加垂直压力，控制装置控制动力装置四驱动水平加载机构，通过水平施压板对试样施加水平剪切力，自动逐步施加垂直和水平载荷，使岩土样保持轴心受压，确保不同垂直荷载作用下的剪切试验按标准进行；G、设置在垂直施压板和水平施压板上的压力传感器等传感器自动测量岩/土样剪切力和变形等数据，并通过信号线缆被信号采集及后处理系统采集和处理，得到所测岩/土样的抗剪强度和抗拉强度等指标。
所述抗剪强度指标具体为：根据各层岩/土样的应力-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；所述抗拉强度指标具体为：根据各层岩/土样在静载荷作用下的压力-变形曲线，得到比例承载力、塑性承载力、极限承载力指标。
为保证测试结果的精确性，步骤C在充分考虑钻孔等产生的孔底扰动土的深度范围的基础上进行。
优选地，步骤B还包括将可视装置随深孔岩/土体原位测试机器人一起安放到被测岩/土体处，步骤C还包括通过可视装置观察、录制制样过程，并通过控制装置控制制样过程，步骤D还包括通过可视装置观察、录制取样过程，并通过控制装置控制取样过程。
为便于按测试要求施加多级荷载，优选地，步骤F所述的施压装置可施加多级垂直压力和多级水平剪切力。
对应上述深孔岩/土体原位测试方法，本发明同时提供一种深孔岩/土体原位测试机器人，包括控制装置2、外壳7、第一动力装置组4、孔下固定装置3、制样取样装置11、第二动力装置组5、垂直施压板8、水平施压板9、压力传感器、信号采集及后处理系统，孔下固定装置3嵌入设置在外壳7外，制样取样装置11设置在外壳7的下端，第一动力装置组4、第二动力装置组5、垂直施压板8和水平施压板9设置在外壳7内，第一动力装置组4包括动力装置一和动力装置二12，动力装置一与制样取样装置11传动连接，动力装置二12与孔下固定装置3传动连接，且可沿外壳7的横向推出和收回孔下固定装置3，孔下固定装置3用于在其被横向推出时将整个原位测试机器人固定在深孔内的某一预定位置，第二动力装置组5包括动力装置三13和动力装置四，动力装置三13通过垂直加载机构与垂直施压板8连接，动力装置四通过水平加载机构与水平施压板9接触，动力装置一、动力装置二2、动力装置三13和动力装置四均与控制装置2连接且受控制装置2控制，垂直施压板8和水平施压板9上均设置有至少包括压力传感器的传感器，传感器通过信号电缆与地上的信号采集及后处理系统连接。
优选地，动力装置二12通过丝杠一14、传动螺母15和连杆16与孔下固定装置3传动连接，丝杠一14与动力装置二12的动力输出轴连接，丝杠一14上安装有两个传动螺母15，每个传动螺母15的两侧各设置有一个连接点，孔下固定装置3由两个相对设置且结构相同的靠压件组成，每个靠压件由一竖直靠压部和两间隔一定距离的水平连接部组成，靠压部的外侧面呈波浪形,每个水平连接部上均设置有一个连接点，每个水平连接部的连接点与相邻传动螺母15上对应侧的连接点通过连杆16连接。
优选地，所述垂直加载机构包括丝杠二17和螺纹传动压头18，丝杠二17的一端与动力装置三13的动力输出轴连接，另一端与螺纹传动压头18一端的长螺纹孔连接，螺纹传动压头18的另一端与垂直施压板8连接。
为便于按测试要求施加多级荷载，优选地，动力装置三13和动力装置四均采用减速步进电机。载荷的大小可通过减速步进电机控制螺纹传动加载机构传动螺母前进的距离来实现，传动螺母前进的距离可通过减速步进电机转过的圈数和传动螺母的螺距求得，该距离可视为垂直施压板和水平施压板的位移，免去为测量此位移的位移传感器的使用。
为便于观察和控制孔下测试环境，优选地，外壳7的靠近其下端的部分上安装有可视装置。该可视装置优选摄像头，与地面上的显示器配合使用。此外，还可考虑用光导纤维探头做可视装置。
为便于控制制样取样装置微扰动制样、取样，优选地，动力装置一采用减速步进电机。
优选地，所述信号电缆经外壳的顶部和侧壁穿出。
本发明的深孔岩/土体原位测试方法及测试机器人通过采用在原位应力状态下微扰动取样、制样、孔下设备固定、两向加载、测试数据自动处理等技术，使深孔岩/土体原位测试机器人可以在任意深度、各种岩/土体、各种含水率的孔下进行测试，并准确、快速地得到被测岩/土体的多项强度指标，克服了现有岩体抗剪强度测试技术测量结果不够准确、测试时间长的缺陷，充分满足了现场测试的各项指标的要求。另外，本发明的深孔岩/土体原位测试机器人还具有集成度高、重量轻、便携、智能化程度高，操作灵活的优点。
本发明可为岩土工程、水利工程、隧道工程、采矿工程等设计提供基础数据，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 (4)
1.一种深孔岩/土体原位测试方法，其特征在于包括步骤：
A、在待测岩/土体打孔；
B、将深孔岩/土体原位测试机器人放入打好的孔的预定深度；
C、用深孔岩/土体原位测试机器人底部的制样取样装置微扰动制样；
D、在保持原位应力状态下静力下压取样；
E、利用孔下固定装置将深孔岩/土体原位测试机器人固定在孔下预定位置；
F、用深孔岩/土体原位测试机器人内部的施压装置对试样施加垂直压力和水平剪切力；
G、用设置在施压装置上的至少包括压力传感器的传感器测量数据，并由信号采集及后处理系统采集和处理，得到所测岩/土样的强度指标，该强度指标至少包括抗剪强度指标；
所述步骤B至步骤F中所述的原位测试机器人包括控制装置、外壳、第一动力装置组、孔下固定装置、制样取样装置、第二动力装置组、垂直施压板、水平施压板、压力传感器、信号采集及后处理系统，所述孔下固定装置嵌入设置在外壳外，所述制样取样装置设置在外壳的下端，所述第一动力装置组、第二动力装置组、垂直施压板和水平施压板设置在外壳内，所述第一动力装置组包括动力装置一和动力装置二，动力装置一与制样取样装置传动连接，动力装置二与孔下固定装置传动连接，且可沿外壳的横向推出和收回孔下固定装置，所述孔下固定装置用于在其被横向推出时将整个原位测试机器人固定在深孔内的某一预定位置，所述第二动力装置组包括动力装置三和动力装置四，所述动力装置三通过垂直加载机构与垂直施压板连接，所述动力装置四通过水平加载机构与水平施压板接触，所述动力装置一、动力装置二、动力装置三和动力装置四均与控制装置连接且受控制装置控制，所述垂直施压板和水平施压板上均设置有至少包括压力传感器的传感器，所述传感器通过信号电缆与信号采集及后处理系统连接。
2.根据权利要求1所述的深孔岩/土体原位测试方法，其特征在于：步骤C在充分考虑孔底扰动土的深度范围的基础上进行。
3.根据权利要求1所述的深孔岩/土体原位测试方法，其特征在于：步骤B还包括将可视装置随深孔岩/土体原位测试机器人一起安放到被测岩/土体处，步骤C还包括通过可视装置观察、录制制样过程，并通过控制装置控制制样过程，步骤D还包括通过可视装置观察、录制取样过程，并通过控制装置控制取样过程。
4.根据权利要求1所述的深孔岩/土体原位测试方法，其特征在于：步骤F所述的施压装置可施加多级垂直压力和多级水平剪切力。
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