CN109596438A - 一种岩土钻孔中岩土体的原位实验装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种岩土钻孔中岩土体的原位实验装置，包括圆柱形空心外管，其在特征在于，所述外管的一端为外部动力连接端和实验控制端，另一端为钻头端，在所述外管的内部活动安装有用于取土的内管，所述内管位于所述钻头端的端部为管靴结构且伸出所述外管外，在所述内管内安装有提供液压动力的液压部，和受液压部驱动而对采集的土样施加垂直压力的垂压部，以及对采集的土样施加横向剪切力的剪切部。本发明利用取土器的取样动力原理，采用地面动力装置，进行微扰动取土；采用两套液压回路进行施加垂直压力和剪切力，可确保荷载的稳定，最大限度保证及提高实验数据的精度。
Description
技术领域
本发明涉及建筑领域，特别涉及一种岩土工程钻孔中对岩土体进行原位应力和剪切强度测试的原位实验装置。
背景技术
岩体结构单元是由岩块(块状、板状的，完整或者碎裂)、结构面(软弱结构面、坚硬结构面)以及充填物等组成，由于各种结构面的发育和分布的不均匀性，使其变形性质比岩石变形复杂得多，因而岩体的变形不能由岩石的变形所表述，必须通过岩体变形实验测定其变形指标。岩体变形实验是为测定岩体在一定的载荷作用或者卸荷作用下变形特性指标而进行的岩体现场实验。通过实验测定岩体的变形模量、弹性模量以及变形系数等岩石工程中不可缺少的岩体力学参数。该试验可以得到岩体的变形模量和弹性模量。
岩体的物理力学参数是基础数据，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。
原位测试工作主要是在结构工程设计之前的岩土体工程勘察阶段进行的，必须获得岩土的物理力学参数，提供给设计部门作为基础数据，因此，必须做到数据准确、可靠、稳定，才会使设计部门的设计结构安全可靠，进而确保生命和财产的安全。
岩土体在外荷载或者卸荷作用下的破坏方式一般为剪破坏和拉张破坏，其中剪切破坏占大多数。因此，岩体破坏的本质就是剪切破坏和拉张破坏强度，岩体强度的原位测试主要是测得岩体的剪切和拉张强度。目前采用的原位地面实验，可以测得岩体的摩擦角c和内聚力值，c、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。
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。
目前，岩土体的原位测试一般是采用多个独立的设备分别进行不同的实验，再根据不同设备的测试数据得到相关测试结果，该方式导致测试过程繁琐冗长，缺少实现全自动化的智能测试装置。
发明内容
本发明的目的是提供一种岩土工程钻孔中对岩土体进行原位应力和剪切强度测试的原位实验装置。
特别地，本发明提供一种岩土钻孔中岩土体的原位实验装置，包括圆柱形空心外管，所述外管的一端为外部动力连接端和实验控制端，另一端为钻头端，在所述外管的内部活动安装有用于取土的内管，所述内管位于所述钻头端的端部为管靴结构且伸出所述外管外，在所述内管内安装有提供液压动力的液压部，和受液压部驱动而对采集的土样施加垂直压力的垂压部，以及对采集的土样施加横向剪切力的剪切部。
在本发明的一个实施方式中，在所述内管与外管之间设置有排出液体的通道。
在本发明的一个实施方式中，所述垂压部位于所述内管靠近所述控制部的端部，包括垂压缸和液压杆，所述液压杆包括两个平行设置的圆板和垂直连接在两个圆板之间的连接杆，液压杆的一个圆板安装在油腔内，另一个圆板位于油腔外且靠近土样一侧，在垂压缸的端部设置有供连接杆轴向移动的密封孔。
在本发明的一个实施方式中，伸出所述垂压缸的圆板与土样接触的一面安装有垂压传感器。
在本发明的一个实施方式中，在所述内管与所述液压杆对应的位置处安装有第一触碰开关，所述液压杆回到原位时触发第一触碰开关，发出完成垂压测试的信号。
在本发明的一个实施方式中，所述剪切部包括活动设置在所述内管径向上的环形圈，以及推动环形圈横向移动的剪切缸，和测量剪切缸压力大小的剪切传感器，剪切缸通过设置在所述内管内壁内的管路与所述液压部连接。
在本发明的一个实施方式中，所述液压部包括分别与所述垂压缸和所述剪切缸连接的垂压腔和剪切腔，以及通过液压管路为所述垂压腔和所述剪切腔供液压油的液压泵，在所述液压管路上分别安装有控制液压油流向的多路控制阀。
在本发明的一个实施方式中，所述剪切缸包括伸出所述剪切缸外且与所述环形圈贴合的弧形推板，以及位于所述剪切缸内且将所述剪切缸内部密封分成两个空间的隔板，隔板和所述弧形推板通过连接杆固定连接。
在本发明的一个实施方式中，在所述内管与所述弧形推板对应的位置处安装有第二触碰开关和第三触碰开关，所述弧形推板外推时触碰到第三触碰开关时触发完成剪切的信号，并开始回位，直至触碰到第二触碰开关时触发停止剪切缸动作的信号，完成剪切测试。
在本发明的一个实施方式中，所述第二触碰开关和所述第三触碰开关的间隔距离为5～7毫米。
本发明利用取土器的取样动力原理，采用地面动力装置，进行微扰动取土；采用液压装置进行垂直施压和水平施压，可提高实验过程稳定性和精度；采用MEMS利用传感器对土样进行数据测试。本装置可以在地下水位以下进行实验，并确保原位原状岩土体的实验高精度测试；在取土过程中，采用地表和地下联合动力，以确保各类土体的充足动力进行取样；采用两套液压回路进行施加垂直压力和剪切力，可确保荷载的稳定，最大限度保证及提高实验数据的精度。
附图说明
图1是本发明一个实施方式的原位实验装置的结构示意图；
图2是本发明一个实施方式的垂压部结构示意图；
图3是本发明一个实施方式的原位实验装置液压管路结构示意图。
具体实施方式
如图1、2所示，本发明一个实施方式公开一种岩土钻孔中岩土体的原位实验装置，一般包括圆柱形空心外管10，和安装在外管10内部用于取土样的内管20，内管20相对外管10可以实现轴向移动。
外管10的一端为连接外部动力的外部动力连接端11，和控制取样及测试过程的控制端12，外管10的另一端为便于钻入地下的钻头端13，内管20位于钻头端13的端部为管靴21结构且伸出外管10外，在内管20靠近控制端12的一端内安装有提供液压动力的液压部30，和受液压部30驱动而对采集的土样施加垂直压力的垂压部40，以及设置在内管20的中部以在液压部30的驱动下对采集的土样施加横向剪切力的剪切部50。
在工作时，通过外部动力将外管10下到取样的位置，使采集的土样进入到内管20内，这里外部动力可以是通过外部动力连接端11连接的钻杆。然后通过液压部30控制液压油对垂压部40进行施压，使垂压部40对土样持续施加垂直压力(应力)，以测得土样的应变力。然后在对土样保持垂直压力的同时，液压部30再驱动剪切部50对土样施加剪切力，以完成剪切实验。然后再依次控制剪切部50和垂压部40回位，最终通过外部动力将整个原位实验装置带至地面。
整个测试过程由控制端12进行控制，包括液压部的驱动过程和垂压、剪切力的计算，本实施方式中的控制端12采用MEMS(微机电系统)，因体积小功能全，因此可安装在原位实验装置上，达到实时测量和实时计算的效果。
对于一些地下水浅的地方进行取样时，可以在内管20与外管10之间设置排出液体的通道14，进入内管20的地下水即可在内部土样的压力下由通道14排出至内管外。这里的通道14可以是设置在内管20上连通内管20内部和外部的通道，也可以是内管20与外管10之间的间隙。
具体的垂压部40安装在内管20靠近控制部12一端的端部，紧临液压部30，包括一个固定在内管20管壁上容纳液压油的垂压缸41，和受垂压缸41内液压控制而伸缩的液压杆42，液压杆42包括两个平行设置的第一圆板421和第二圆板422，以及垂直连接在第一圆板421和第二圆板422之间的连接杆423，第一圆板421安装在垂压缸41内且其直径与垂压缸41的内径相同，第二圆板422位于垂压缸41外且靠近土样一侧，第二圆板422的直径与内管20的内径相同，第一圆板421在垂压缸41内实现垂压缸41内部的密封隔离，将垂压缸41内分成第一垂压腔411和第二垂压腔412，第一圆板421可随第一垂压腔411和第二垂压腔412内的液压油量变化下带动第二圆板422在内管20内移动，而连接杆423则通过设置在垂压缸41上的密封孔实现轴向移动，以避免垂压缸41内的液压油漏出。
当液压部30向第一垂压腔411内注油时，会推动第一圆板421向第二垂压腔412方向移动，同时第二圆板422会对土样施加应力。第二圆板422回缩时，液压部30向第二垂压腔412内注油推动第一圆板421向第一垂压腔411方向移动，即可使第二圆板422回到原位。
为方便获取第二圆板422施加至土样上的压力大小，可以在第二圆板422与土样接触的一面安装垂压传感器43。
具体的剪切部50包括活动设置在内管20径向上的环形圈52，环形圈52的内径与内管20的内径相同，但是其壁厚小于内管20的壁厚，因此相对内管20可以在内管20的径向上整体移动一段距离。在环形圈52的一侧设置有横向推动环形圈52移动的剪切缸51，同时在剪切缸51或环形圈52上安装测量当前剪切力大小的剪切传感器53，剪切缸51通过设置在内管20内壁内的管路与液压部30连接。
工作时，液压部30通过管路向剪切缸51内注油，剪切缸51通过活塞杆推动环形圈52移动，被环形圈52套住部位的土样即在横向力的作用下，相对整体土样形成横向移动，最终形成断面，达到测试剪切力的结果。
具体的剪切缸51的活塞杆伸出剪切缸51外的一端可为与环形圈52外表面贴合的弧形推板，而位于剪切缸51内的一端为一块隔板，其将剪切缸51内部密封分成第一剪切腔和第二剪切腔，隔板和弧形推板通过连接杆固定连接。其工作方式与垂压部40的工作方式和结构相同，这里不在重复。
具体的液压部30包括分别与垂压缸41和剪切缸51连接的垂压腔31和剪切腔32，以及通过液压管路33为垂压腔31和剪切腔32供液压油的液压泵A、B，在液压管路33上分别安装有控制液压油流向的多路控制阀。垂压腔31和剪切腔32可以在液压泵A、B的控制下分别独立实现液压供油，液压泵A、B可为两个流量不同的泵组合，两个液压泵通过对垂压腔31和剪切腔32内两个腔体的供油量变化，控制相应的第一圆板421、第二圆板422和弧形推板移动。本实施方式的多路控制阀为电磁阀。
此外，为确定垂压部40和剪切部50施压时的工作状态，可以在内管20与液压杆42对应的位置处安装第一触碰开关KT0，当液压杆42施压完毕回到原位时，会触发第一触碰开关KT0，控制端12在接到该信号后即可确定当前垂压测试完成。
同时在内管20与弧形推板对应的位置处安装第二触碰开关KT1和第三触碰开关KT2，当弧形推板外推时触碰到第三触碰开关KT2即会发出当前剪切动作完成的信号，控制端12即可控制弧形推板回位，弧形推板回位过程中会触碰到第二触碰开关KT1，其会向控制端12发出停止剪切缸51动作的信号，表明当前剪切测试完成。
第二触碰开关KT1和第三触碰开关KT2的间隔距离可根据剪切测试需要确定，一般可为5～7毫米。
以下以具体实施例说明垂压部40和剪切部50的测试过程，如图3所示；
一、由外部动力(孔外钻杆)带动原位实验装置在深孔中取土。取土过程中，可由孔外钻杆对外管施加垂直压力取土，孔外钻杆带动外管的钻头端进行旋转切削，以在地层上打孔并取土，而内管底部的管靴有利于内管进入地层，当土样充满内管内即可停止取土过程；
二、如果遇到地下水位低的情况，可通过外管与内管之间的通道将进入内管中的地下水排到外管的外面；
三、针对取出的土样，让出扰动土体的厚度，根据实验要求，对土样施加垂直压力，此时垂压腔的液压系统启动，以驱动第二圆板对土样施加垂直压力；液压管路上F1(阀1)的YT1得电，F2(阀2)的YT3得电，液压泵A和液压泵B同时供油，第二圆板推出并土壤接触，压力逐渐升高，当升高的压力达到压力继电器的调定压力时，YT1断电，F1置中位，F3(阀3)的YT4的得电，液压泵A对第一垂压腔卸荷，液压泵B继续小流给第一垂压腔供油，保持小流压力；
四、在压力继电器工作时，同时启动时间继电器工作，时间继电器可计算垂压缸对土样施加稳定压力的时间；
五、当保持的时间到达到30min时，F4(阀4)的YT5得电接通剪切缸，F3的YT4失电，液压泵A的油流入剪切缸的第一剪切腔，弧形推板下行，在第二剪切缸至F4的油路回路中安装有调节阀和单向阀，这两个阀可起到备压作用，以稳定弧形推板的下行速度；
六、行程开关KT1和KT2安装在弧形推杆的移动路线上，两者相距6mm，当弧形推杆运行置行程开关KT2时，剪切动作完成，剪切缸停止，剪切实验结束，YT5失电，YT6得电，弧形推板返回，碰触KT1，YT6失电，YT2得电，YT3失电，YT4失电，第二圆板在液压泵A的流量作用下回程，液压泵B通过F2左位卸荷。第二圆板碰触开关KT0，YT2失电停泵，停机；
七、在实验过程中，利用控制端(MEMS)同时采集压力及应变数据；
八、根据收集的各土层的岩土样的应力-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、抗剪强度指标，最终得到抗拉强度结果。
本发明利用取土器的取样动力原理，采用地面动力装置，进行微扰动取土；采用液压装置进行垂直施压和水平施压，可提高实验过程稳定性和精度；采用MEMS利用传感器对土样进行数据测试。本装置可以在地下水位以下进行实验，并确保原位原状岩土体的实验高精度测试；在取土过程中，采用地表和地下联合动力，以确保各类土体的充足动力进行取样；采用两套液压回路进行施加垂直压力和剪切力，可确保荷载的稳定，最大限度保证及提高实验数据的精度。
至此，本领域技术人员应认识到，虽然本文已详尽示出和描述了本发明的多个示例性实施例，但是，在不脱离本发明精神和范围的情况下，仍可根据本发明公开的内容直接确定或推导出符合本发明原理的许多其他变型或修改。因此，本发明的范围应被理解和认定为覆盖了所有这些其他变型或修改。
Claims (10)
1.一种岩土钻孔中岩土体的原位实验装置，包括圆柱形空心外管，其在特征在于，所述外管的一端为外部动力连接端和实验控制端，另一端为钻头端，在所述外管的内部活动安装有用于取土的内管，所述内管位于所述钻头端的端部为管靴结构且伸出所述外管外，在所述内管内安装有提供液压动力的液压部，和受液压部驱动而对采集的土样施加垂直压力的垂压部，以及对采集的土样施加横向剪切力的剪切部。
2.根据权利要求1所述的原位实验装置，其特征在于，
在所述内管与外管之间设置有排出液体的通道。
3.根据权利要求1所述的原位实验装置，其特征在于，
所述垂压部位于所述内管靠近所述控制部的端部，包括垂压缸和液压杆，所述液压杆包括两个平行设置的圆板和垂直连接在两个圆板之间的连接杆，液压杆的一个圆板安装在油腔内，另一个圆板位于油腔外且靠近土样一侧，在垂压缸的端部设置有供连接杆轴向移动的密封孔。
4.根据权利要求3所述的原位实验装置，其特征在于，
伸出所述垂压缸的圆板与土样接触的一面安装有垂压传感器。
5.根据权利要求3所述的原位实验装置，其特征在于，
在所述内管与所述液压杆对应的位置处安装有第一触碰开关，所述液压杆回到原位时触发第一触碰开关，发出完成垂压测试的信号。
6.根据权利要求3所述的原位实验装置，其特征在于，
所述剪切部包括活动设置在所述内管径向上的环形圈，以及推动环形圈横向移动的剪切缸，和测量剪切缸压力大小的剪切传感器，剪切缸通过设置在所述内管内壁内的管路与所述液压部连接。
7.根据权利要求6所述的原位实验装置，其特征在于，
所述液压部包括分别与所述垂压缸和所述剪切缸连接的垂压腔和剪切腔，以及通过液压管路为所述垂压腔和所述剪切腔供液压油的液压泵，在所述液压管路上分别安装有控制液压油流向的多路控制阀。
8.根据权利要求7所述的原位实验装置，其特征在于，
所述剪切缸包括伸出所述剪切缸外且与所述环形圈贴合的弧形推板，以及位于所述剪切缸内且将所述剪切缸内部密封分成两个空间的隔板，隔板和所述弧形推板通过连接杆固定连接。
9.根据权利要求8所述的原位实验装置，其特征在于，
在所述内管与所述弧形推板对应的位置处安装有第二触碰开关和第三触碰开关，所述弧形推板外推时触碰到第三触碰开关时触发完成剪切的信号，并开始回位，直至触碰到第二触碰开关时触发停止剪切缸动作的信号，完成剪切测试。
10.根据权利要求9所述的原位实验装置，其特征在于，
所述第二触碰开关和所述第三触碰开关的间隔距离为5～7毫米。
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