CN107604888B - 土质地层地应力测试探孔成孔装置及成孔方法与应用 - Google Patents

Abstract

本发明涉及土质地层地应力测试探孔成孔装置及成孔方法与应用，该成孔装置包括负压抽土机构、抽土管以及切土机构；切土机构通过抽土管与负压抽土机构连通，利用负压抽土机构的负压压差将切土机构切削的土体抽吸后排出，本发明采用钢壳护壁，特制刀具切土，负压抽吸出土的地质探孔成孔技术，能够快速成孔，且对地层扰动小，孔径范围可调，工程造价低且施工安全性高，操作简便，适用于含水量低于40％的非饱和砂性土(中砂、细沙及粉砂等)，及含水量低于50％的非饱和土质地层(粉土、粉质粘土、黄土等)，此外本发明提供的土质地层地应力测试方法简单可靠，能够测出初始地应力，对土质地层数值计算具有重要的意义，保证土质地层数值计算结果能够更准确、全面。

Description

土质地层地应力测试探孔成孔装置及成孔方法与应用

技术领域

本发明属于地质探孔成孔技术领域，具体涉及一种土质地层地应力测试探孔成孔装置及成孔方法与应用。

背景技术

地应力是指赋存于岩土体当中的应力，可以分为自重应力和构造应力。初始地应力的测定对于基础工程与地下工程有着十分重要的意义。但是目前地应力测试一般都在基坑或洞室开挖出露之后进行，提前准确获取土层中地应力的途径少之又少。对于岩体结构，地应力测试方法有应力解除法、应力恢复法和水压致裂法3种。其中，前两种方法适用于出露的岩体，而后一种方法则明显不适用于土质地层。而目前，地应力测试的声发射率法、声波法、地震波法和电阻率法尚处于研究当中，而且测试装置成本过高。

初始地应力的获取对于数值计算也有着非常重大的意义，当前土质地层工程结构数值计算中，一般先根据土层参数计算土的自重应力，再根据经验考虑一定的侧压力系数k，来确定侧向土压力(水平向地应力)。而侧向土压力对于地下结构的稳定起着关键性影响。由于，无法准确确定侧向土压力，数值计算结果往往也失之偏颇，无法准备、合理地反映地下结构的受力特性。但目前对于土中水平向地应力的测试并无行之有效且简便的方法，亟需一种测试效果较好、测试方法简便、且成本低廉的土质地层地应力测试方法。

在地质探孔内进行土压力测试以获得土中的初始地应力，是一种较为行之有效的方法。但目前地质探孔在成孔过程中对土层的扰动较大，影响初始地应力测试结果。且成孔后不能迅速、无间隔地进行地应力测试，导致土中地应力产生一定的释放，对测试结果的影响也较大。

发明内容

本发明的目的之一是提供一种对地层扰动小、施工安全性高、成孔速度快的土质地层地应力测试探孔成孔装置，同时本发明还提供了一种用该土质地层地应力测试探孔成孔装置实现的成孔方法。

本发明的目的之二是提供一种测试速度快、测试成本低且可准确获得地层任意深度水平地应力的土质地层地应力测试方法。

为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：

该土质地层地应力测试探孔成孔装置，其包括负压抽土机构1、抽土管3以及切土机构4；切土机构4通过抽土管3与负压抽土机构1连通，利用负压抽土机构1的负压压差将切土机构4切削的土体抽吸后排出。

进一步限定，所述切土机构4包括外层护壳43、内层护壳42、刀盘、电机41以及支撑架44，所述内层护壳42套装在外层护壳43内并可沿着外层护壳43上下滑动，所述电机41设置在抽土管3的管口中心处并通过穿过抽土管3管壁的支撑架44与内层护壳42固定连接，所述电机41的输出轴延伸至抽土管3管口外侧并与刀盘连接。

进一步限定，所述刀盘包括与电机41的输出轴连接的中心棱锥刀具45以及套装在中心棱锥刀具45外侧的U型切刀组。

进一步限定，所述U型切刀组是由至少1组在平面上呈花型均匀分布的U型切刀组成，所述U型切刀46的两端头分别弯曲向下形成刀刃。

进一步限定，所述U型切刀组包括2～5组U型切刀46，且U型切刀46以中心棱锥刀具45为中心由内向外分布，且U型切刀46的刀刃弯折角度由外向内逐渐递减、刀刃长度由内向外逐渐递减。

进一步限定，所述U型切刀46的刀刃宽度为0.5～1mm，刀刃的弯折角度为100～138°。

进一步限定，所述负压抽土机构1包括吸土管13、高压气体射流管11以及扩压管12，所述吸土管13的下端与抽土管3连通，吸土管13的上端与高压气体射流管11以及扩压管12呈T型连接，所述扩压管12与高压气体射流管11、吸土管13连接的进口段呈收敛型并在进口处扩大形成吸气腔，扩压管12的出口段呈扩散型。

进一步限定，所述吸土管13与抽土管3之间通过波纹管2连接。

本发明提供的一种土质地层地应力测试探孔成孔方法，其包括以下步骤：利用切土机构4同时对不同深度不同直径的土体进行切削和破碎，掘进速度控制在5～20cm/min，同时由负压抽土机构1形成的高压射流气体的高速流动在土体上方形成负压区，将切削的土体抽吸至负压区并利用高压气体推动土体外排。

本发明提供的一种土质地层地应力测试方法，其包括以下步骤：

(1)用权利要求9所述的土质地层地应力测试探孔成孔方法成孔，当孔底标高到达设计位置后拔出成孔装置；

(2)将带有横向固定杆8的土压力盒5置于孔底，并在横向固定杆8的中部开设螺孔，通过锥形螺栓6在螺孔内旋进，对横向固定杆8施加由小到大的横向顶推力，使土压力盒5与探孔内的外层护壳43内壁接触；

(3)提升外层护壳43至预定位置，并根据计算的土压力盒5与土体之间的缝隙距离，旋转螺栓微量顶推土压力盒5与土体内壁接触，将土压力盒5与频率式读数仪连接，记录初始测量数值，开始水平向地应力测试。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

(1)本发明采用钢壳护壁，特制刀具切土，负压抽吸出土的地质探孔成孔技术，能够快速成孔，且对地层扰动小，孔径范围可调，工程造价低且施工安全性高，操作简便，适用于含水量低于40％的非饱和砂性土(中砂、细沙及粉砂等)，及含水量低于50％的非饱和土质地层(粉土、粉质粘土、黄土等)。

(2)本发明高压射流气体的高速流动在土体上方形成负压区，将切削的土体抽吸排外，实现了土体从探孔中纵向排土，无需破坏探孔周围的其他地层，对地层的扰动小。

(3)本发明的刀盘采用中心棱锥刀具和U型切刀组的组合，利用中心棱锥刀具纵向钻孔，利用U型切刀将钻孔周围的土体进行削切，将钻、切组合功能，使孔内土体松动并破碎，降低负压抽吸的难度，保证成孔过程顺利稳定运行。

(4)本发明提供的土质地层地应力测试方法简单可靠，能够测出初始地应力，对土质地层数值计算具有重要的意义，保证土质地层数值计算结果能够更准确、全面。

附图说明

图1为地质钻孔侧面图。

图2为图1中Ⅰ-Ⅰ截面图。

图3为刀盘的结构示意图。

图4为土质地层地应力测试流程图。

图5为压力盒机构示意图。

图中：1-负压抽土机构，11-高压气体射流管，12-扩压管，13-吸土管，2-波纹管，3-抽土管，4-切土机构，41-电机，42-内层护壳，43-外层护壳，44-支撑架，45-中心棱锥刀具，46-U型切刀，5-土压力盒，6-锥形螺栓，7-塑料管，8-横向固定杆。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明的技术方案进行进一步说明，但是本发明不仅限于下述的情形。

如图1所示，本实施例的土质地层地应力测试探孔成孔装置包括负压抽土机构1、抽土管3以及切土机构4，利用负压抽土机构1的负压压差将切土机构4切削的土体通过抽土管3抽吸后排出。其中负压抽土机构1包括吸土管13、高压气体射流管11以及扩压管12，吸土管13的下端与抽土管3连通，吸土管13的上端与高压气体射流管11以及扩压管12呈T型连接，高压气体射流管11包括高压喷嘴，高压喷嘴利用狭小通道将高压气体先压缩后扩散喷射，高压气体高速流动，在高压喷嘴的出口处形成负压区。扩压管12是一个文丘里管结构，其与高压气体射流管11、吸土管13连接的进口段呈收敛型并在进口处扩大形成吸气腔，与进口段相对的出口段呈扩散型，对高压气体形成二次压缩后扩散喷射，进一步加大气体流速和压力，保证在吸气腔内的负压能力，便于土体输出。该扩压管12的入口直径D_r与收敛的喉部D_h直径以及出口D_c直径之间满足：D_r＝1.5D_h，D_c＝1.8D_h。本实施例的抽土管3为钢制套管，厚度1～2mm，抽土管3的下端为喇叭口结构，喇叭口的母线与抽土管3中心轴之间形成22～25°的夹角。抽土管3的下端与切土机构4连接。本实施例的切土机构4包括外层护壳43、内层护壳42、刀盘、电机41以及支撑架44，内层护壳42与外层护壳43均为光面钢制套管，内层护壳42套装在外层护壳43内、抽土管3外，内层护壳42的直径比抽土管3直径大4～5cm，而且抽土管3的喇叭口外缘直径较内层护壳42直径小1～2cm，使削切的土体能够穿过喇叭口经抽土管3抽出，并且在抽土管3内也形成低压区。内层护壳42与外层护壳43壁厚为4～6mm，内层护壳42与外层护壳43的直径相差1～2mm，在内层护壳42表面涂抹润滑油，使其可沿着外层护壳43上下滑动。为了便于内层护壳42与外层护壳43在地层中竖直插入，在内层护壳42与外层护壳43的下端口均处加工为刃脚结构，且刃脚角度为24～30°。电机41固定在抽土管3的管口中心处并通过穿过抽土管3管壁的支撑架44与内层护壳42固定连接，支撑架44是十字架结构，参见图2，在支撑架44的中心十字交叉的位置设置有一个圆形卡圈，用于固定电机41。为了保护电机41，在电机41的外部套装有锥形护壳，根据探孔直径与出土量，电机41功率选择在15kw～75w之间，电机41的输出轴延伸至抽土管3管口外侧并与刀盘连接。

进一步说明，结合图1和图3所示，本实施例的刀盘包括中心棱锥刀具45和U型切刀组，中心棱锥刀具45固定在电机41的输出轴上，中心棱锥刀具45采用四棱锥结构，并采用高强合金钢材质，主要是起到钻孔的作用。U型切刀组套装在中心棱锥刀具45的四周，其包括4组跨度不同的U型切刀组，U型切刀组是由至少1组在平面上呈十字花型布置的U型切刀组成，4组U型切刀46是以中心棱锥刀具45为中心由内向外分布，且U型切刀46的刀刃弯折角度由外向内逐渐递减、刀刃长度由内向外逐渐递减，即分布在最内侧的U型切刀46的跨度最小，刀刃的弯折角度最小、长度最长，而分布在最外侧的U型切刀46的跨度最大，刀刃的弯折角度最大、长度最小。U型切刀46的两端头分别弯曲向下形成刀刃并且使刀刃呈十字花型分布，不同规格的U型切刀46可以上下对齐，也可以错位分布，其刀刃宽度为0.5～1mm，刀刃的弯折角度为100～138°，不同U型切刀46的刀刃的弯折角度不同，能够同时实现不同深度不同直径的土体削切破碎，保证成孔速率。

进一步说明，上述的U型切刀组个数可以是4个，也可以是2～5个，主要是根据成孔的直径以及地层的结构而选择。对于U型切刀组内的U型切刀46个数也可以根据具体需要选择2～4个，对于2个呈十字花型分布，对于多个就是梅花分布。

进一步说明，为了满足不同深度探孔需要，在抽土管3和吸土管13之间通过金属波纹管2连接，并利用法兰盘实现两端紧固连接，波纹管2可以根据需要进行收缩。此外抽土管3也可以是由内螺扣和法兰盘连接起来的多节管连接而成，每节管长度可以是1～1.5m。为了保证管内密封，在管接头部位设置1～2mm的橡胶垫片。

用上述的土质地层地应力测试探孔成孔装置实现成孔的方法，包括以下步骤：

(1)将带有刃脚的外层护壳43和内层护壳42插入地面，电机41驱动切土机构4的刀盘转动，中心棱锥刀具45在中心钻孔，而不同跨度和长度的U型切刀46在转动过程中同时对不同深度不同直径的土体进行切削和破碎，掘进速度控制在5～20cm/min，同时由负压抽土机构1形成的高压射流气体的高速流动在土体上方形成负压区，利用孔内上下压差，将切削的土体经过抽土管3抽吸至负压区并利用扩压管12的二次加压通过高压气体推动土体外排，实现成孔目的，在扩压管12的出口处还可以连接编织袋，将扩压管12喷出的土体进行收纳。

用上述方法所成探孔内的土质地层地应力测试方法由以下步骤组成：

(1)用上述的土质地层地应力测试探孔成孔方法成孔，当孔底标高到达设计位置后拔出内层护壳42，使内层护壳42沿着外层护壳43内壁上滑；

(2)将带有横向固定杆8的土压力盒5置于孔底，横向固定杆8的外端设置有与土压力盒5粘结的钢制垫板，在横向固定杆8的中央开设螺孔，通过旋转锥形螺栓6在螺孔内旋进，对横向固定杆8施加由小到大的横向顶推力，使土压力盒5与探孔内的外层护壳43内壁接触；

(3)提升外层护壳43至高于土压力盒1～2cm处，并根据计算的土压力盒5与土体之间的缝隙距离，微量顶推土压力盒5与土体内壁接触，将弦振式土压力计测量电缆与频率式读数仪测量接线柱相连，仪器进行自检，仪器自检通过后，显示屏上即显示为频率模数、温度值、土压力值等测量状态，记录初始数值，开始进行侧向土压力测试(即水平向地应力测试)。

对于横向固定杆8采用钢制，其为厚度为2～6cm，宽度为4～8cm的矩形杆。参见图5，为了保证横向固定杆8的结构应力满足要求，在横向固定杆8上位于螺孔外侧处套装有矩形的聚乙烯塑料管7，塑料管7的厚度为4～5mm，尺寸较横向支撑杆大0.5～1mm。

实施例1

本实施例成孔孔径为40cm，外层护壳43的内径为40cm，内层护壳42的内径为39cm，内、外层护壳43的刃脚角度为30°。中心棱锥刀具45采用四棱锥结构，U型切刀组套装在中心棱锥刀具45的四周，其包括4组跨度不同的U型切刀组，U型切刀组是由2个在平面上呈十字花型布置的U型切刀组成，第一组U型切刀组的单个U型切刀46水平跨度为9cm、刀刃的弯折角度为100°，第二组U型切刀组的单个U型切刀46水平跨度为18cm、刀刃的弯折角度为110°，第三组U型切刀组的单个U型切刀46水平跨度为27cm、刀刃的弯折角度为120°，第四组U型切刀组的单个U型切刀46水平跨度为38cm、刀刃的弯折角度为138°，即第一组U型切刀组的削切直径是9cm，第二组U型切刀组的削切直径是18cm，第三组U型切刀组的削切直径是27cm，第四组U型切刀组的削切直径范围是38cm。每组U型切刀组的U型切刀46成十字花型分布。

实施例2

本实施例成孔孔径为10cm，外层护壳43的内径为10cm，内层护壳42的内径为8cm，内、外层护壳43的刃脚角度为24°。中心棱锥刀具45采用四棱锥结构，U型切刀组套装在中心棱锥刀具45的四周，其包括2组跨度不同的U型切刀组，U型切刀组是由3个在平面上呈梅花型均布的U型切刀组成，第一组U型切刀组的单个U型切刀46水平跨度为5cm、刀刃的弯折角度为100°，第二组U型切刀组的单个U型切刀46水平跨度为7cm、刀刃的弯折角度为120°，即第一组U型切刀组的削切直径是5cm，第二组U型切刀组的削切直径是7cm。

Claims (7)

1.土质地层地应力测试探孔成孔装置，其特征在于包括负压抽土机构(1)、抽土管(3)以及切土机构(4)；切土机构(4)通过抽土管(3)与负压抽土机构(1)连通，利用负压抽土机构(1)的负压压差将切土机构(4)切削的土体抽吸后排出；所述切土机构(4)包括外层护壳(43)、内层护壳(42)、刀盘、电机(41)以及支撑架(44)，所述内层护壳(42)套装在外层护壳(43)内并可沿着外层护壳(43)上下滑动，所述电机(41)设置在抽土管(3)的管口中心处并通过穿过抽土管(3)管壁的支撑架(44)与内层护壳(42)固定连接，所述电机(41)的输出轴延伸至抽土管(3)管口外侧并与刀盘连接。

2.根据权利要求1所述的土质地层地应力测试探孔成孔装置，其特征在于，所述刀盘包括与电机(41)的输出轴连接的中心棱锥刀具(45)以及套装在中心棱锥刀具(45)外侧的U型切刀组。

3.根据权利要求2所述的土质地层地应力测试探孔成孔装置，其特征在于，所述U型切刀组是由至少1组在平面上呈花型均匀分布的U型切刀组成，所述U型切刀(46)的两端头分别弯曲向下形成刀刃。

4.根据权利要求3所述的土质地层地应力测试探孔成孔装置，其特征在于，所述U型切刀组包括2～5组U型切刀(46)，且U型切刀(46)以中心棱锥刀具(45)为中心由内向外分布，且U型切刀(46)的刀刃弯折角度由外向内逐渐递减、刀刃长度由内向外逐渐递减。

5.根据权利要求4所述的土质地层地应力测试探孔成孔装置，其特征在于，所述U型切刀(46)的刀刃宽度为0.5～1mm，刀刃的弯折角度为100～138°。

6.根据权利要求5所述的土质地层地应力测试探孔成孔装置，其特征在于，所述负压抽土机构(1)包括吸土管(13)、高压气体射流管(11)以及扩压管(12)，所述吸土管(13)的下端与抽土管(3)连通，吸土管(13)的上端与高压气体射流管(11)以及扩压管(12)呈T型连接，所述扩压管(12)与高压气体射流管(11)、吸土管(13)连接的进口段呈收敛型并在进口处扩大形成吸气腔，扩压管(12)的出口段呈扩散型。

7.根据权利要求6所述的土质地层地应力测试探孔成孔装置，其特征在于，所述吸土管(13)与抽土管(3)之间通过波纹管(2)连接。