CN108072573A - 一种测量原位岩体弹性模量和抗剪强度的实验系统和方法 - Google Patents

一种测量原位岩体弹性模量和抗剪强度的实验系统和方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种测量原位岩体弹性模量和抗剪强度的实验系统和方法，该实验系统包括：地面固定及控制部分，包括工作平台、可视化装置和液压泵等，用于将测试装置固定在预定位置并实现对整个测量过程的地面控制和反馈；弹性模量测试装置包括两排位于中央套管的钻孔活塞和测量活塞，测量活塞可以侧向伸入由钻孔活塞制得的小孔中测量岩体的原位模量；抗剪强度测试装置由连接螺栓将剪切头和剪切板固定在中央套管头部而组成，抗剪强度由液压装置分级加压确定不同应力下岩体的剪切破坏曲线而算得。该实验系统根据测得的数据，通过描点做图的方法，可较为简便地确定岩体原位条件下的弹性模量和抗剪强度，并能广泛用于工程场地中对岩体性质的确定。

Description

一种测量原位岩体弹性模量和抗剪强度的实验系统和方法
技术领域
本发明涉及岩土工程领域，主要用于测量岩土工程在建设中确定地表一定深度以下岩体的弹性模量和抗剪强度，为工程实际提供参考设备。
背景技术
在岩土工程设计与施工中，需要获取岩体的变形参数和抗剪强度等指标。当前确定岩石强度一般用钻孔取芯法，即通过钻孔取样后在实验室加工制备成标准试件，再换算成现场的岩石强度；但是这种方法在岩石的取样运输过程中就会不可避免地对岩石产生扰动，对岩石的力学性质产生比较大影响。岩石的变形试验一般是在现场完成，但是这种原位试验成本高昂、费时费力，并且由于试验次数有限，很难有足够的样本来反映出岩体的变形特征。综上所述，发明一个可以快速简单地确定原位岩体弹性模量和抗剪强度的实验系统和方法就具有重大的意义。
原位钻孔剪切实验的发展历史较短，Richard.L和Handy等经过多年现场实验和技术手段的积累，开发出岩石钻孔剪切试验机，此设备可以用于较软且相对完整的岩体中；我国的原位钻孔测弹模装置起步比较晚，2009年中国水利水电科学院引进爱德华大学研制的岩石钻孔剪切仪，在实验室用混凝土模型进行了钻孔剪切模拟实验，并在工程中对岩体进行了研究。我国目前还没有成型的集岩体剪切强度和岩体弹性模量测试于一体的装置，测量岩体弹性模量的方法主要还是钻孔之后直接放管，加压后整体膨胀撑开钻孔，从而测得变形和应力之间的关系。此方法会因为岩层性质和钻孔对岩体的影响使得加压装置和孔壁不能完全耦合而最终导致实验偏差比较大，不利于运用在实际施工中。
本发明提供了一种测量原位岩体弹性模量和抗剪强度的实验系统和方法，可以在地勘钻孔的基础上进行岩体力学性质的测定。本发明提供的方法操作简单，实验成本小，且可以重复使用。本装置可同时测定原位岩体的弹性模量和抗剪强度两个重要力学参数，能大大的节约成本缩短工期，提高工程质量。
发明内容
针对现有技术存在的上述问题，本发明的一个目的是提供一种测量原位岩体弹性模量和抗剪强度的实验系统。
另一个目的是提供一种采用上述试验系统的测量原位岩体弹性模量和抗剪强度的方法。
为了实现上述第一个目的，本发明采用如下技术方案：一种测量原位岩体弹性模量和抗剪强度的实验系统，其特征在于：包括地面固定及控制部分、弹性模量测试装置、抗剪强度测试装置；
地面固定及控制部分：包括液压泵、油量阀、可视化装置、电源和工作平台；
所述液压泵在测量活塞工作时给耐压橡胶帽中耐压油加压并记录压力大小，油量泵在测量活塞中的耐压橡胶帽里的液压油受压膨胀时记录下耐压橡胶帽得体积变化，工作平台用于在地面上固定装置连接中央套管与地上部分；
弹性模量测试装置：包括在中央套管、钻孔活塞、测量活塞和螺栓；
所述的中央套管通过螺栓固定在工作平台上，中央套管是整个地下测量的母系统，钻孔活塞与测量活塞分别位于中央套管的两侧，两者轴线相距180°，中央套管内部是上下连接的通道，有输油管和泥浆涡轮机；
抗剪强度测试装置：包括剪切头和剪切板；
所述剪切头通过连接螺栓固定在中央套管上，剪切板在剪切头的两侧布置；
作为优化，所述剪切头内部有加压装置和动力装置以完成剪切过程。
为实现上述第二个目的，本发明采用如下技术方案：一种测量原位岩体弹性模量和抗剪强度的方法，采用上述的测量原位岩体弹性模量和抗剪强度的实验系统，具体步骤如下：
S1：先通过钻孔机在目标地点上钻出直径150mm深度到达指定要求深度的钻孔，将孔壁磨圆后不再破坏他的完整性；
S2：将地面操作平台调成水平，然后将套管下沉至孔中预定的深度，并将套管固定在地面操作平台上；
S3：由钻孔活塞在一侧钻出直径为5mm的小孔，深度由当地之前钻孔的岩性决定；
S4：在地面操作平台上将套管旋转180°，此时测量活塞对准原钻孔活塞钻出的小孔，并将耐压橡胶帽伸入小孔中，液压油注入耐压橡胶帽使其与孔壁完全耦合，液压泵调零调精后开始缓慢加压，记录下不同液压Pi作用下的流量阀对应的耐压油体积Vi，直至岩体发生破坏即压力不再增大但体积趋于无限增大；
S5：在测量活塞测量结束后，孔壁另一边的钻孔活塞继续工作，再重新钻出两个间距为800mm、直径为50mm的小孔，重复S4中的测量部分，记录下另一组P和V；
S6：根据如下公式计算弹性模量：
将所测得的每一组压力P和体积变形V代入下式(1)，并在可视化装置上将所计算得到的初步弹性模量值进行描点拟合，求出最终的弹性模量E；
式中：μ——岩体的泊松比；
R——钻孔活塞钻出的小孔半径；
L——测量活塞上与岩壁接触的有效宽度，这里取耐压橡胶套的轴向长度；
S7：将剪切头放到预定位置并与一侧孔壁完全耦合，剪切板的齿状凸起在液压的作用下与岩壁紧密咬合；
S8：通过液压泵给橡胶囊加压使其与弧形岩壁相耦合，再将剪切头向上拉拔，使齿状凸起之间的薄岩壁发生剪坏，通过传感器测得此时薄层岩壁正向液压的值P和向上的拉拔力T，并重复实验以得到多组数据；
岩石正应力与剪应力分别定义为式(2)和式(3)：
式中：A——上下齿状凸起间薄岩片的面积；
P——薄岩片上的正向压力值；
T——作用在薄岩片上的拉拔力；
σ——作用在薄岩片的正应力；
τ——作用在薄岩片上的剪应力；
S9：重复多组实验，在岩性相似的区域内测出不同正应力下剪应力的对应值，通过莫尔圆画包络线的方法，求出目标岩体的抗剪强度。
相对于现有技术，本发明具有如下优点：
测量原位岩体弹性模量和抗剪强度的方法能够在现场条件下较为快速准确的确定施工场地地下一定埋深的岩体的弹性模量和抗剪强度，减少因为将样本带回实验室测定的误差；
一种测量原位岩体弹性模量和抗剪强度的系统和方法可以简单快捷地测试原位岩体的弹性模量和剪切强度，在地勘钻孔的基础上进行岩体力学性质的测定，从而节约人力物力财力；
测量原位岩体弹性模量和抗剪强度的方法操作简单，实验成本很小且可以多次反复使用，能够在一个装置上同时测定原位岩体的弹性模量和抗剪强度两个重要力学参数，为工程实际提供参考，从而起到节约成本、缩短工期、提高工程质量的目的。
附图说明
图1为本发明所提供测量原位岩体弹性模量和抗剪强度的实验系统的装置简图；
图2为图1中测量活塞的剖面图；
图3为图2中测量活塞内钢筒的立面图；
图4为图1中测量弹性模量的套管剖面图；
图5为图1中剪切板切面示意图。
具体实施方法
以下结合附图对本方法的具体实施步骤做进一步详细说明。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“左”、“右”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
实施例一：
一种测量原位岩体弹性模量和抗剪强度的实验系统，包括地面固定及控制部分、弹性模量测试装置、抗剪强度测试装置；
地面固定及控制部分：包括液压泵1、油量阀2、可视化装置3、电源4和工作平台6；
所述液压泵1在测量活塞11工作时给耐压橡胶帽23中耐压油加压并记录压力大小，油量泵2在测量活塞11中的耐压橡胶帽23里的液压油受压膨胀时记录下耐压橡胶帽23得体积变化，工作平台6用于在地面上固定装置连接中央套管8与地上部分；
弹性模量测试装置：包括中央套管8、钻孔活塞10、测量活塞11和螺栓5；
所述的中央套管8通过螺栓5固定在工作平台6上，中央套管8是整个地下测量的母系统，钻孔活塞10与测量活塞11分别位于中央套管8的另两侧，两者轴线相距180°，中央套管8内部是上下连接的通道，有输油管12和泥浆涡轮机9；
抗剪强度测试装置：包括剪切头15和剪切板14；
所述剪切头15通过连接螺栓13固定在中央套管8上，剪切板14在剪切头15的两侧布置，剪切头15内部有加压装置和动力装置。
具体实施时，首先用钻孔机在目标地层钻出一个直径与装置套管直径匹配的孔洞，并保证孔壁大致光滑且孔下没有异物堵塞；
原位岩体弹性模量和抗剪强度实验系统在工作平台6上固定后，放入预定深度并将套管也固定在工作平台6上，检查油量阀2、液压泵1、传感器45，46、可视化装置3的安装情况；
安装完毕后，由涡轮机9带动钻孔活塞10在孔壁上钻出两个有一定间距的光滑小孔，掏出的石屑由空压机吹出，钻孔活塞10的另一项作用是将钻得的孔壁打磨光滑，从而有利于耐压橡胶帽23与孔壁完全耦合，使得测量结果更加准确；
在钻孔完毕之后将装置在地上平台上调整180度，使测量活塞11能够对准之前钻出的小孔上，通过伸缩杆18将套着耐压橡胶帽23的钢筒16放入小孔内部，由液压泵1加液压油压17并使耐压橡胶帽23与小孔壁完全接触耦合，液压油的输入和输出都是通过两侧的油管12输送到测量活塞11的耐压橡胶帽23中；
对液压泵1调零调精后继续往耐压橡胶帽23中加压，并在油量阀2中记录下不同压力下油量的变化，同时在计算机上描点作图拟合出变形曲线，为了避免因钻孔太多扰乱岩层性质而产生结果误差，钻孔活塞10的间距应相隔较远，一个钻孔中最多可以通过钻孔活塞钻出相隔180度的两组小孔，每个钻孔最多测试两组数据，测试完毕后应换位置重复以上步骤；
精准对接通过固定在地面的工作平台完成，测量活塞11和钻孔活塞10在套管两侧对称布置，其位置在每个工作循环中要相差180°，从而保证对接精确，测量完成之后再在对称位置岩壁钻孔测量，这样不会对岩体造成大的扰动；
对于原位岩体抗剪强度的测试方法是在套管前部装上自带动力装置泥浆涡轮机41的剪切头15，剪切头15的两侧有可以向外膨胀的带有锯齿状的剪切板37，使得剪切板14可以和圆弧形的孔壁比较好的接触，剪切板14的面积尽可能的大一些，减少相对误差，将剪切板14上的锯齿17压入岩体中并对其施加侧向的压力后给她一个向上的力，这个力就是受压区岩体的剪力。
实施例二：
一种测量原位岩体弹性模量和抗剪强度的方法，采用实施例一所述的测量原位岩体弹性模量和抗剪强度的实验系统，具体步骤如下：
S1：先通过钻孔机在目标地点上钻出直径150mm深度到达指定要求深度的钻孔，将孔壁磨圆后不再破坏他的完整性；
S2：将地面操作平台6调成水平，然后将套管8下沉至孔中预定的深度，并将套管8固定在地面操作平台6上；
S3：由钻孔活塞10在一侧钻出直径为5mm的小孔，深度由当地之前钻孔的岩性决定；
S4：在地面操作平台6上将套管8旋转180°，此时测量活塞11对准原钻孔活塞10钻出的小孔，并将耐压橡胶帽23伸入小孔中，液压油17注入耐压橡胶帽23使其与孔壁完全耦合，液压泵1调零调精后开始缓慢加压，记录下不同液压Pi作用下的流量阀2对应的耐压油体积Vi，直至岩体发生破坏即压力不再增大但体积趋于无限增大；
S5：在测量活塞11测量结束后，孔壁另一边的钻孔活塞继续工作，再重新钻出两个间距为800mm、直径为50mm的小孔，重复S4中的测量部分，记录下另一组P和V；
S6：根据如下公式计算弹性模量：
将所测得的每一组压力P和体积变形V代入下式(1)，并在可视化装置上将所计算得到的初步弹性模量值进行描点拟合，求出最终的弹性模量；
式中：μ为岩体的泊松比；
R为钻孔活塞钻出的小孔半径；
L为测量活塞上与岩壁接触的有效宽度，这里取耐压橡胶套的轴向长度；
S7：将剪切头15放到预定位置并与一侧孔壁完全耦合，剪切板14的齿状凸起37在液压的作用下与岩壁紧密咬合；
S8：通过液压泵1给橡胶囊38加压使其与弧形岩壁相耦合，再将剪切头15向上拉拔，使齿状凸起37之间的薄岩壁发生剪坏，通过传感器45测得此时薄层岩壁正向液压的值P和向上的拉拔力T，并重复实验以得到多组数据；
岩石正应力与剪应力分别定义为式(2)和式(3)：
式中：A为上下齿状凸起间薄岩片的面积；
P为薄岩片上的正向压力值；
T为作用在薄岩片上的拉拔力；
σ为薄岩片的正应力；
τ为作用在薄岩片上的剪应力；
S9：重复多组实验，在岩性相似的区域内测出不同正应力下剪应力的对应值，通过莫尔圆画包络线的方法，求出目标岩体的抗剪强度。
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (8)

1.一种测量原位岩体弹性模量和抗剪强度的实验系统，其特征在于：包括地面固定及控制部分、弹性模量测试装置、抗剪强度测试装置；
地面固定及控制部分：包括液压泵(1)、油量阀(2)、可视化装置(3)、电源(4)和工作平台(6)；
所述液压泵(1)在测量活塞(11)工作时给耐压橡胶帽(23)中耐压油加压并记录压力大小，油量泵(2)在测量活塞(11)中的耐压橡胶帽(23)里的液压油受压膨胀时记录下耐压橡胶帽(23)的体积变化，工作平台(6)用于在地面上固定装置连接中央套管(8)与地上部分；
弹性模量测试装置：包括中央套管(8)、钻孔活塞(10)、测量活塞(11)和螺栓(5)；
所述的中央套管(8)通过螺栓(5)固定在工作平台(6)上，中央套管(8)是整个地下测量的母系统，钻孔活塞(10)与测量活塞(11)分别位于中央套管(8)的另两侧，两者轴线相距180°，中央套管(8)内部是上下连接的通道，有输油管(12)和泥浆涡轮机(9)；
抗剪强度测试装置：包括剪切头(15)和剪切板(14)；
所述剪切头(15)通过连接螺栓(13)固定在中央套管(8)上，剪切板(14)在剪切头(15)的两侧布置，剪切头(15)内部有加压装置和动力装置。
2.如权利要求1所述的测量原位岩体弹性模量和抗剪强度的实验系统，其特征在于：钻孔活塞(10)由泥浆涡轮机(9)带动，固定于地面工作平台(6)后在洞壁一侧钻出两个有一定间距的等体积小孔，并打磨光滑，测量孔之间有一定间隔，以减少钻孔对岩石性质的影响，钻好孔后将装置在工作平台(6)上旋转180°将测量活塞(11)对准测量孔并伸入，在液压泵(1)带动下，耐压油(17)冲入活塞中的耐压橡胶帽(23)，当橡胶帽(23)于孔壁接触充分，完全耦合后，对仪器进行调零调精，完成之后开始加压，并在油量阀(2)上记录油量体积的变化，通过计算机描点拟合，求出该岩层的弹性模量。
3.如权利要求1所述的测量原位岩体弹性模量和抗剪强度的实验系统，其特征在于：本装置集岩壁钻孔、测量岩石的弹性模量和测量岩体的抗剪强度于一身。
4.如权利要求1所述的测量原位岩体弹性模量和抗剪强度的实验系统，其特征在于：测量活塞(11)内部含有一个可以水平向自由伸缩的伸缩钩(18)，以实现橡胶帽(23)的伸出和收入，耐压橡胶帽(23)的尾端被钢筒(16)约束，只能发生侧向膨胀，以保证膨胀过程中能够与孔壁充分接触耦合，实现压力的均匀与稳定。
5.如权利要求1所述的测量原位岩体弹性模量和抗剪强度的实验系统，其特征在于：钢筒(16)的上下圆底面(26)与耐压橡胶帽(23)完全耦合粘接，侧壁开孔的刚筒(16)视为完全刚体，加压之后液压油自由流出且只有耐压橡胶帽(23)存在变形。
6.如权利要求1所述的测量原位岩体弹性模量和抗剪强度的实验系统，其特征在于：涡轮泥浆机(44)在剪切头(15)中给剪切板(14)提供动力，使弹性模量模块和抗剪强度模块通过连接螺栓(13)连接在一起，剪切板(14)上有压力传感装置，将正压力和侧压力传输到地面可视化装置(3)上。
7.如权利要求1所述的测量原位岩体弹性模量和抗剪强度的实验系统，其特征在于：剪切头(15)上有两块具有放缩性的齿状凸起(37)，剪切板(21)可将两平行的齿状凸起(37)压入孔壁并充分接触，再对孔壁提供正压力和剪应力，通过将不同的正应力和峰值剪应力数值记录描点，从而求出此处岩层的抗剪强度。
8.一种测量原位岩体弹性模量和抗剪强度的方法，其特征在于：采用权利要求1所述的测量原位岩体弹性模量和抗剪强度的实验系统，具体步骤如下：
S1：先通过钻孔机在目标地点上钻出直径150mm深度到达指定要求深度的钻孔，将孔壁磨圆后不再破坏他的完整性；
S2：将地面操作平台(6)调成水平，然后将套管(8)下沉至孔中预定的深度，并将套管(8)固定在地面操作平台(6)上；
S3：由钻孔活塞(10)在一侧钻出直径为5mm的小孔，深度由当地之前钻孔的岩性决定；
S4：在地面操作平台(6)上将套管(8)旋转180°，此时测量活塞(11)对准原钻孔活塞(10)钻出的小孔，并将耐压橡胶帽(23)伸入小孔中，液压油(17)注入耐压橡胶帽(23)使其与孔壁完全耦合，液压泵(1)调零调精后开始缓慢加压，记录下不同液压Pi作用下的流量阀(2)对应的耐压油体积Vi，直至岩体发生破坏即压力不再增大但体积趋于无限增大；
S5：在测量活塞(11)工作结束后，孔壁另一边的钻孔活塞继续工作，再重新钻出两个间距为800mm、直径为50mm的小孔，重复S4中的测量部分，记录下另一组P和V；
S6：根据如下公式计算弹性模量：
将所测得的每一组压力P和体积变形V代入下式(1)，并在可视化装置上将所计算得到的初步弹性模量值进行描点拟合，求出最终的弹性模量E；
<mrow> <mi>E</mi> <mo>=</mo> <mfrac> <mrow> <msub> <mi>rP</mi> <mi>i</mi> </msub> </mrow> <mrow> <mo>(</mo> <mn>1</mn> <mo>-</mo> <mi>&amp;mu;</mi> <mo>)</mo> <mo>(</mo> <mrow> <msqrt> <mrow> <mfrac> <msub> <mi>V</mi> <mi>i</mi> </msub> <mi>&amp;pi;</mi> </mfrac> <mo>+</mo> <msup> <mi>r</mi> <mn>2</mn> </msup> </mrow> </msqrt> <mo>-</mo> <mi>r</mi> </mrow> <mo>)</mo> </mrow> </mfrac> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mrow> <mo>(</mo> <mn>1</mn> <mo>)</mo> </mrow> </mrow>
式中：μ——岩体的泊松比；
R——钻孔活塞钻出的小孔半径；
L——测量活塞上与岩壁接触的有效宽度，这里取耐压橡胶套的轴向长度；
S7：将剪切头(15)放到预定位置并与一侧孔壁完全耦合，剪切板(14)的齿状凸起(37)在液压的作用下与岩壁紧密咬合；
S8：通过液压泵(1)给橡胶囊(38)加压使其与弧形岩壁相耦合，再将剪切头(15)向上拉拔，使齿状凸起(37)之间的薄岩壁发生剪坏，通过传感器(45)测得此时薄层岩壁正向液压的值P和向上的拉拔力T，并重复实验以得到多组数据；
岩石正应力与剪应力分别定义为式(2)和式(3)：
<mrow> <mi>&amp;sigma;</mi> <mo>=</mo> <mfrac> <mi>P</mi> <mi>A</mi> </mfrac> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mrow> <mo>(</mo> <mn>2</mn> <mo>)</mo> </mrow> </mrow>
<mrow> <mi>&amp;tau;</mi> <mo>=</mo> <mfrac> <mi>T</mi> <mrow> <mn>2</mn> <mi>A</mi> </mrow> </mfrac> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mrow> <mo>(</mo> <mn>3</mn> <mo>)</mo> </mrow> </mrow>
式中：A——上下齿状凸起间薄岩片的面积；
P——薄岩片上的正向压力值；
T——作用在薄岩片上的拉拔力；
σ——薄岩片的正应力；
τ——作用在薄岩片上的剪应力；
S9：重复多组实验，在岩性相似的区域内测出不同正应力下剪应力的对应值，通过莫尔圆画包络线的方法，求出目标岩体的抗剪强度。
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