CN109708985B - 一种软岩强度测试针贯入仪及其使用方法 - Google Patents
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Abstract
一种软岩强度测试针贯入仪及其使用方法，属于岩土工程检测技术领域，结构上由针贯入仪、连接锁扣和三脚架连接组成，电磁线圈通电，在电磁场作用下使穿心锤向上位移积蓄势能，断电时穿心锤做自由落体运动，将势能转为动能，从而锤击贯入针进行对软岩的施压，通过电流的大小控制穿心锤的落距，使得仪器每次受力可以达到均衡，通过加入三脚架调平仪器，圆水准气泡观察，使得仪器在操作时调平性能进一步提高；实验成功率也进一步加大，加入压力传感器和位移传感器来代替传统贯入仪的人工计数方式，使得结果更为精准；通过外接设备来控制穿心锤的锤击次数、读取数据，智能化程度更高，采集数据也更为方便、精准。
Description
技术领域
本发明属于岩土工程检测技术领域，涉及一种岩土强度测试仪器及其使用方法，具体的说是涉及一种软岩强度测试针贯入仪及其使用方法。
背景技术
单轴抗压强度是岩体分级和岩体特性描述使用最多的性质，也是岩土工程中不同计算和设计方法中的一个重要参数。通常对于岩体单轴抗压强度测试都采用制作标准岩样试件并通过相关大型仪器设备测得，而对于风化程度较高、未完全成岩的软岩则很难制作标准岩样，从而很难进行后续试验。国际岩石力学学会(ISRM)推荐使用由日本生产的一种针贯入仪进行贯入试验测试软岩的强度，通过测试针贯入力和贯入量，并由相关公式换算出其对应的单轴抗压、抗拉强度。该贯入仪采用人为施荷的方式，由于人为操作对于力的控制程度较低，使得试验过程中不能匀速贯入，且难以保证贯入针垂直岩石表面，也容易受力不均，导致崩针现象严重，对贯入针的消耗较大。而传统针贯入仪贯入量采用人工读数的方式，数值因人为原因而有所差距，影响读数精度。因此，在国际上并没有得到广泛推广应用。
发明内容
本发明的目的是针对传统针贯入仪采用人为施荷的方式对于力的控制程度较低，难以保证贯入针垂直岩石表面，受力不均导致贯入针的消耗较大，人工读数精度较低等不足。提出一种软岩强度测试针贯入仪，可实现仪器的自主加荷，可使仪器每次受力可以达到均衡，方便采集数据，可使试验结果更为精准。试验本发明的技术方案是：一种软岩强度测试针贯入仪，包括连接在测试针贯入仪外部的控制器；其特征在于：所述测试针贯入仪由针贯入仪、连接锁扣和三脚架连接构成；
所述针贯入仪由后盖、电磁线圈、贯入杆、穿心锤、外壳、夹头机构、贯入针和保护帽连接组成；所述外壳内部从上往下依次设有固定的上部固定槽、中间固定槽和底部固定槽，所述贯入杆滑动设置在所述上部固定槽、中间固定槽和底部固定槽中，所述穿心锤设置所述贯入杆的上方，所述贯入杆的中部设有穿心锤卡口，所述夹头机构连接设置在所述贯入杆的底部，所述夹头机构由夹头和螺旋套构成，夹头上设有螺旋接口，螺旋套通过螺旋接口与夹头连接固定，所述贯入针被夹持在所述夹头机构中，所述贯入杆的内壁上设有压力传感器和位移传感器，所述压力传感器与所述穿心锤卡口接触连接，所述位移传感器与贯入杆的表面接触连接，所述电磁线圈设置在所述外壳的顶端，所述后盖罩设在所述电磁线圈的外部，所述保护帽连接在外壳的底端并将所述夹头机构罩住，所述外壳外侧中部设有连接卡口；
所述连接锁扣通过连接卡口与针贯入仪相连接，所述连接锁扣由锁扣座体、圆水准气泡和连接螺栓构成；所述锁扣座体的中心设有通孔，所述通孔的孔口设有连接卡槽，所述圆水准气泡设置在锁扣座体的上表面，所述连接螺栓均布设置在所述通孔的外围，所述针贯入仪插入至所述通孔中，并通过连接卡口和连接卡槽相互连接；
所述三脚架连接设置在所述连接锁扣的下方，所述三脚架由三角架座体、支脚、伸缩套和调试支撑构成，所述三脚架座体中心设有用于针贯入仪穿入的中心孔，所述中心孔外围的三脚架座体上设有螺纹通孔，所述调试支撑设置在每个所述支脚的底端，所述伸缩套设置在每个所述支脚上，并通过固定螺母进行锁紧固定，所述三脚架座体通过连接螺栓与连接锁扣连接固定。
所述外壳内壁上紧贴设有用于连接外部控制器、压力传感器和位移传感器的数据传输线，数据传输线由后盖处引出。
所述通孔为倒圆锥形通孔，通孔与外壳表面的锥形面贴合连接。
所述中心孔为圆柱孔，中心孔的直径大于外壳底端直径。
所述调试支撑为带有螺杆的圆柱块，螺杆旋转伸缩于支脚的底端。
一种软岩强度测试针贯入仪的使用方法，包括如下步骤：
(1)配置外部连接仪器设备，连接仪器各个部件，启用设备，检查设备运行情况；
(2) 原位试验时选择合适的岩石露头，去除岩石表层风化层，整平岩石表面；室内试验时，选取合适大小的岩块或加工成立方体试件，放置于合适的位置，继而进行后续试验操作；
(3)架立仪器，使贯入针接触岩样表面，通过三脚架和脚螺旋调平设备；
(4)设定预贯入次数3-5次左右，使得贯入针可进入岩样一定距离；
(5)设定合适的贯入次数，启动设备，同时观测读数是否达到试验终止标准，若达到试验终止要求则停止试验，否则继续贯入，直至达到贯入终止要求，通过外接储存设备采集试验数据用于保存，关闭仪器，试验结束；
(6)进行室内数据整理，标定软岩单轴抗拉、抗压强度。
本发明的有益效果为：本发明提供的一种软岩强度测试针贯入仪及其使用方法，结构上由针贯入仪、连接锁扣和三脚架连接组成，电磁线圈通电，在电磁场作用下使穿心锤向上位移积蓄势能，断电时穿心锤做自由落体运动，将势能转为动能，从而锤击贯入针进行对软岩的施压，本发明改进了施力方式，通过加入电磁铁和穿心锤组合，来实现仪器自主加荷，通过电流的大小控制穿心锤的落距，使得仪器每次受力可以达到均衡，通过加入三脚架调平仪器，圆水准气泡观察，使得仪器在操作时调平性能进一步提高,试验成功率也进一步加大，加入压力传感器和位移传感器来代替传统贯入仪的人工计数方式，使得试验结果更为精准；通过外接设备来控制穿心锤的锤击次数、读取数据，智能化程度更高，采集数据也更为方便、精准。
附图说明
图1 为本发明整体结构示意图。
图2 为本发明中针贯入仪的结构示意图。
图3 为本发明中连接锁扣的俯视结构示意图。
图4 为本发明中三脚架的结构示意图。
图5 为图2中A处的放大结构示意图。
图6 为本发明操作流程示意图。
图中：针贯入仪1、后盖1-1、电磁线圈1-2、贯入杆1-3、穿心锤1-4、外壳1-5、穿心锤卡口1-6、连接卡口1-7、保护帽1-8、贯入针1-9、夹头机构1-10、螺旋套1-10-1、夹头1-10-2、螺旋接口1-10-3、底部固定槽1-11、位移传感器1-12、中间固定槽1-13、压力传感器1-14、数据传输线1-15、上部固定槽1-16、连接线头1-17、连接锁扣2、锁扣座体2-1、圆水准气泡2-2、通孔2-3、连接卡槽2-4、连接螺栓2-5、三脚架3、三角架座体3-1、中心孔3-2、螺纹通孔3-3、固定螺母3-4、伸缩套3-5、调试支撑3-6、支脚3-7。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步说明：
如图1-5所示，一种软岩强度测试针贯入仪，包括连接在测试针贯入仪外部的控制器；测试针贯入仪由针贯入仪1、连接锁扣2和三脚架3连接构成。
如图2、图5所示，一种软岩强度测试针贯入仪，针贯入仪1由后盖1-1、电磁线圈1-2、贯入杆1-3、穿心锤1-4、外壳1-5、夹头机构1-10、贯入针1-9和保护帽1-8连接组成；外壳1-5内部从上往下依次设有固定的上部固定槽1-16、中间固定槽1-13和底部固定槽1-11，贯入杆1-3滑动设置在上部固定槽1-16、中间固定槽1-13和底部固定槽1-11中，穿心锤1-4设置贯入杆1-3的上方，贯入杆1-3的中部设有穿心锤卡口1-6，夹头机构1-10连接设置在贯入杆1-3的底部，夹头机构1-10由夹头1-10-2和螺旋套1-10-1构成，夹头1-10-2上设有螺旋接口1-10-3，螺旋套1-10-1通过螺旋接口1-10-3与夹头1-10-2连接固定，贯入针1-9被夹持在夹头机构1-10中，贯入杆1-3的内壁上设有压力传感器1-14和位移传感器1-12，压力传感器1-14与穿心锤卡口1-6接触连接，位移传感器1-12与贯入杆1-3的表面接触连接，电磁线圈1-2设置在外壳1-5的顶端，后盖1-1罩设在电磁线圈1-2的外部，保护帽1-8连接在外壳1-5的底端并将夹头机构1-10罩住，外壳1-5外侧中部设有连接卡口1-7。
如图1、图3所示，一种软岩强度测试针贯入仪，连接锁扣2通过连接卡口1-7与针贯入仪1相连接，连接锁扣2由锁扣座体2-1、圆水准气泡2-2和连接螺栓2-5构成；锁扣座体2-1的中心设有通孔2-3，通孔2-3的孔口设有连接卡槽2-4，圆水准气泡2-2设置在锁扣座体2-1的上表面，连接螺栓2-5均布设置在通孔2-3的外围，针贯入仪1插入至通孔2-3中，并通过连接卡口1-7和连接卡槽2-4相互连接。
如图1、图4所示，一种软岩强度测试针贯入仪，三脚架3连接设置在连接锁扣2的下方，三脚架3由三角架座体3-1、支脚3-7、伸缩套3-5和调试支撑3-6构成，三脚架座体3-1中心设有用于针贯入仪1穿入的中心孔3-2，中心孔3-2外围的三脚架座体3-1上设有螺纹通孔3-3，调试支撑3-6设置在每个支脚3-7的底端，伸缩套3-5设置在每个支脚3-7上，并通过固定螺母3-4进行锁紧固定，三脚架座体3-1通过连接螺栓2-5与连接锁扣2连接固定。
如图1-5所示，一种软岩强度测试针贯入仪，外壳1-5内壁上紧贴设有用于连接外部控制器、压力传感器1-14和位移传感器1-12的数据传输线1-15，数据传输线1-15由后盖1-1处引出；通孔2-3为倒圆锥形通孔，通孔2-3与外壳表面的锥形面贴合连接；中心孔3-2为圆柱孔，中心孔3-2的直径大于外壳底端直径；调试支撑3-6为带有螺杆的圆柱块，螺杆旋转伸缩于支脚3-7的底端。
如图6所示，一种软岩强度测试针贯入仪的使用方法，包括如下步骤：
(1)配置外部连接仪器设备，连接仪器各个部件，启用设备，检查设备运行情况；
(2)原位试验时选择合适岩石露头，去除岩石表层风化层，整平岩石表面；室内试验时，选取合适大小的岩块加工为立方体试件，去除表层岩样，放置岩样于合适的位置，继而进行后续试验操作；
(3)架立仪器，使贯入针接触岩样表面，通过三脚架和脚螺旋调平设备；
(4)设定预贯入次数3-5次左右，使得贯入针可进入岩样一定距离；
(5)设定合适的贯入次数，启动设备，同时观测读数是否达到试验终止标准，若达到试验终止要求则停止试验，否则继续贯入，直至达到贯入终止要求，通过外接储存设备采集试验数据用于保存，关闭仪器，试验结束；
(6)进行室内数据整理，标定软岩单轴抗拉、抗压强度。
如图1-5所示，一种软岩强度测试针贯入仪的工作原理如下：传统针贯入仪采用人为施荷的方式进行试验，人为操作易产生不均匀施力行为，这一行为可造成测试过程中贯入针崩断，试验导致试验的失败。本发明中加入了电磁线圈与铁质穿心锤组合，通过通电电磁线圈产生磁场使得穿心锤产生向上位移，断电时穿心锤在重力作用下自由落体，从而将势能转化为动能使得贯入杆运动，从而带动贯入针运动。试验中可以通过外置控制器来调整通断电的次数从而达到控制穿心锤运动次数，并能通过控制电流大小及通电时长来控制穿心锤的落距，以使得每次贯入力的大小控制较为统一。传统针贯入仪通过人为读数来记录贯入力与贯入深度，这一结果因人而异，有一定的误差。本发明中贯入力与位移通过压力传感器与位移传感器来进行计数，并且由外接控制器来显示该读数，这一方式可提高数据读取位数，采集的试验结果精准度有很大的提升。传统针贯入仪由人为操作，在仪器使用时存在人为因素使得仪器抖动等现象，这将会造成试验过中受力不均，或由于人为偏移而对某一区块形成施力偏差现象，造成试验结果不够精准。本发明中采用伸缩式三脚架固定仪器，其可以在不同地质环境中使用，不会存在人为因素的干扰，使得试验测量结果精准度更高。传统针贯入在仪器调平时由试验人自我掌控，调平精度差，造成试验是受力不均，容易造成试验的失败。本发明中利用三脚架粗平仪器在结合连接锁扣中脚螺旋进行精平，通过连接锁扣中圆水准气泡来直接观测调平程度，这种调平组合方式使得仪器调平精度更高，从而使后续试验所得数据有一定精度保证。
Claims (6)
1.一种软岩强度测试针贯入仪，其特征在于：所述测试针贯入仪由针贯入仪(1)、连接锁扣(2)和三脚架(3)连接构成；
所述针贯入仪(1)由后盖(1-1)、电磁线圈(1-2)、贯入杆(1-3)、穿心锤(1-4)、外壳(1-5)、夹头机构(1-10)、贯入针(1-9)和保护帽(1-8)连接组成；所述外壳(1-5)内部从上往下依次设有固定的上部固定槽(1-16)、中间固定槽(1-13)和底部固定槽(1-11)，所述贯入杆(1-3)滑动设置在所述上部固定槽(1-16)、中间固定槽(1-13)和底部固定槽(1-11)中，所述穿心锤(1-4)设置所述贯入杆(1-3)的上方，所述贯入杆(1-3)的中部设有穿心锤卡口(1-6)，所述夹头机构(1-10)连接设置在所述贯入杆(1-3)的底部，所述夹头机构(1-10)由夹头(1-10-2)和螺旋套(1-10-1)构成，夹头(1-10-2)上设有螺旋接口(1-10-3)，螺旋套(1-10-1)通过螺旋接口(1-10-3)与夹头(1-10-2)连接固定，所述贯入针(1-9)被夹持在所述夹头机构(1-10)中，所述贯入杆(1-3)的内壁上设有压力传感器(1-14)和位移传感器(1-12)，所述压力传感器(1-14)与所述穿心锤卡口(1-6)接触连接，所述位移传感器(1-12)与贯入杆(1-3)的表面接触连接，所述电磁线圈(1-2)设置在所述外壳(1-5)的顶端，所述后盖(1-1)罩设在所述电磁线圈(1-2)的外部，所述保护帽(1-8)连接在外壳(1-5)的底端并将所述夹头机构(1-10)罩住，所述外壳(1-5)外侧中部设有连接卡口(1-7)；
所述连接锁扣(2)通过连接卡口(1-7)与针贯入仪(1)相连接，所述连接锁扣(2)由锁扣座体(2-1)、圆水准气泡(2-2)和连接螺栓(2-5)构成；所述锁扣座体(2-1)的中心设有通孔(2-3)，所述通孔(2-3)的孔口设有连接卡槽(2-4)，所述圆水准气泡(2-2)设置在锁扣座体(2-1)的上表面，所述连接螺栓(2-5)均布设置在所述通孔(2-3)的外围，所述针贯入仪(1)插入至所述通孔(2-3)中，并通过连接卡口(1-7)和连接卡槽(2-4)相互连接；
所述三脚架(3)连接设置在所述连接锁扣(2)的下方，所述三脚架(3)由三脚架座体(3-1)、支脚(3-7)、伸缩套(3-5)和调试支撑(3-6)构成，所述三脚架座体(3-1)中心设有用于针贯入仪(1)穿入的中心孔(3-2)，所述中心孔(3-2)外围的三脚架座体(3-1)上设有螺纹通孔(3-3)，所述调试支撑(3-6)设置在每个所述支脚(3-7)的底端，所述伸缩套(3-5)设置在每个所述支脚(3-7)上，并通过固定螺母(3-4)进行锁紧固定，所述三脚架座体(3-1)通过连接螺栓(2-5)与连接锁扣(2)连接固定。
2.根据权利要求1所述的一种软岩强度测试针贯入仪，其特征在于：所述外壳(1-5)内壁上紧贴设有用于连接外部控制器、压力传感器(1-14)和位移传感器(1-12)的数据传输线(1-15)，数据传输线(1-15)由后盖(1-1)处引出。
3.根据权利要求1所述的一种软岩强度测试针贯入仪，其特征在于：所述通孔(2-3)为倒圆锥形通孔，通孔(2-3)与外壳表面的锥形面贴合连接。
4.根据权利要求1所述的一种软岩强度测试针贯入仪，其特征在于：所述中心孔(3-2)为圆柱孔，中心孔(3-2)的直径大于外壳底端直径。
5.根据权利要求1所述的一种软岩强度测试针贯入仪，其特征在于：所述调试支撑(3-6)为带有螺杆的圆柱块，螺杆旋转伸缩于支脚(3-7)的底端。
6.一种软岩强度测试针贯入仪的使用方法，其特征在于，使用权利要求1-5任一项所述的软岩强度测试针贯入仪，包括如下步骤：
(1)配置外部连接仪器设备，连接仪器各个部件，启用设备，检查设备运行情况；
(2)原位试验时选择合适的岩石露头，去除岩石表层风化层，整平岩石表面；室内试验时，选取合适大小的岩块加工成立方体试件，放置于合适的位置，继而进行后续试验操作；
(3)架立仪器，使贯入针接触岩石表面，通过三脚架和脚螺旋调平设备；
(4)设定预贯入次数3-5次，使得贯入针可进入岩样一定距离；
(5)设定合适的贯入次数，启动设备，同时观测读数是否达到试验终止标准，若达到试验终止要求则停止试验，否则继续贯入，直至达到贯入终止要求，通过外接储存设备采集试验数据用于保存，关闭仪器，试验结束；
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