CN110441497B - 一种深部岩土体原位测试机器人及其测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于岩土工程勘查技术领域，公开了一种深部岩土体原位测试机器人及其测试方法，该机器人包括作动系统、CPT系统和无线信号系统。本发明可在不扰动原状岩土体的前提下进行测试，能有效提高测试结果的精度；可在不同岩土体、任意深度、不同温度和含水率的钻孔下进行静力触探测试，克服了现有测试手段的局限性；可通过无线传输技术，简单便捷的将信号随时传输到地表的无线信号接收终端设备，提高了测试效率，降低了测试难度。本发明集成度和智能化程度高、设备小巧灵活、操作简单便携，可为岩土工程、水利工程、桥梁隧道工程和采矿工程等工程设计、模型试验和数值模拟提供准确可靠的基本物理力学参数，具有良好的应用前景。

Description

一种深部岩土体原位测试机器人及其测试方法

技术领域

本发明属于岩土工程勘查技术领域，涉及一种适用于深部岩土体原位测试的机器人，并进一步包含其测试方法。

背景技术

岩土体基本物理参数是解决岩土体问题的关键。最常见的岩土体基本物理参数为粘聚力和内摩擦角，这两个参数的取值对于正确设计和评价岩土体工程中的强度、变形和稳定性等问题至关重要。同时，粘聚力和内摩擦角也是也是室内模型试验和数值模拟的基础，决定着所获取结果的正确与否。目前，常用的获取岩土体粘聚力和内摩擦角的测试手段主要包括室内试验和原位试验。在进行室内试验时，首先需要制备试样，在这个过程中，岩土体形态和应力状态在人为扰动下将与实际状态产生较大的偏差，因此所得到试验结果与真实值之间偏差较大。所谓的原位试验，即现场制备试样，在尽量避免扰动原状岩土体的前提下进行测试，进而获取岩土体物理参数。相比于室内试验，原位测试扰动小，尽可能的保持了原状岩土体形态和应力状态，因而测得的结果较为准确。

静力触探CPT(ConePenetrationTest)是原位测试中技术的重要组成部分。所谓静力触探，即为以匀速静力方式连续压入探头的触探方式。相比于其他原位测试手段，静力触探具有诸多优势：测试连续、快速、效率高、功能多，兼具勘探和测试双重作用；测试数据精度高，再现性好；采用电测技术，便于实现测试工程的自动化等。通过静力触探，可在不扰动原状岩土体的前提下进行测试，获取岩土体基本物理参数。然而，由于机械装置和场地条件限制，传统的静力触探只能适用于测试一定深度的岩土体，无法对深部岩土体进行测试。另外，由于贯入机理复杂，缺乏理论模型，传统静力触探测试结果主要依靠人工经验进行解读，只能得到概化的综合性内摩擦角和粘聚力，而无法得到某一深度岩土体的确切值，具有较大的局限性。

因此，本发明针对上述问题，利用远程遥控和无线信号传输技术，提供一种可准确、便捷测试深部岩土体粘聚力和内摩擦角的原位测试机器人及其测试方法。

发明内容

本发明针对现有CPT测试方法无法应用于深部岩土体粘聚力和内摩擦角的测量，利用远程操控和无线信号传输技术，提供一种深部岩土体原位测试机器人及其测试方法，可便捷、准确地测得深部岩土体某一预选深度的粘聚力和内摩擦角。

本发明采用如下技术方案：

一种深部岩土体原位测试机器人，包括作动系统、CPT系统和无线信号系统；

所述的作动系统包括机器人外壳1、孔壁固定装置2、壳内固定装置4、控制装置5和动力装置6；机器人外壳1的表面安装有四个孔壁固定装置2，使用时将机器人置于钻孔内部预选深度后，孔壁固定装置2紧贴于孔壁3，对机器人起到固定作用；控制装置5和动力装置6设置于机器人外壳1内部，壳内固定装置4、控制装置5和动力装置6依次相连，控制装置5与CPT系统的信息存储模块7相连，控制装置5起到总控作用，可接受远程操控，对动力装置6传输指令，进而分别控制CPT系统的水平向旋转垂直作动装置8和水平向垂直作动装置10；

所述的CPT系统包括信息存储模块7、水平向旋转垂直作动装置8、CPT探头9、水平向垂直作动装置10、法兰轴承11、CPT信息采集模块12、壳下固定装置13和温度传感模块18；水平向旋转垂直作动装置8和水平向垂直作动装置10通过法兰轴承11连接；CPT探头9穿过水平向垂直作动装置10内部的滑轨并连接；水平向旋转垂直作动装置8用于控制CPT探头9绕法兰轴承11三百六十度旋转，进而实现控制CPT探头9在预选孔壁3处进行静力触探测试；CPT信息采集模块12和温度传感模块18均与信息存储模块7相连；测试过程中，所得到的信息均由CPT信息采集模块12进行实时采集和分析，并进一步传输到信息存储模块7进行保存；温度传感模块18设置于壳下固定装置13内，用于采集原状岩土体温度数据；壳下固定装置13对CPT测试起到稳定作用；

所述的无线信号系统包括大功率无线信号发射装置14和无线信号接收终端；存储在信息存储模块7的CPT测试信息通过大功率无线信号发射装置14转化为无线信号，传输到地表；无线信号接收终端包括移动手持设备15和电脑16，通过无线信号接收孔下传输的CPT测试结果，从而获取选定深度岩土层的粘聚力和内摩擦角信息。

所述的移动手持设备15包括但不限于智能手机、IPAD。

所述的壳内所有装置和模块均由壳内固定装置进行固定和连接。

所述的CPT探头9至少包括压力传感器。

一种深部岩土体原位测试机器人的使用方法，步骤如下：

(1)首先，在待定测试的岩土体上打深孔；其次，调试仪器，确保仪器工作正常，将深部岩土体原位测试机器人置于预选深度；然后，输入远程操控信号，启动孔壁固定装置2，贴近孔壁3，将深部岩土体原位测试机器人固定于钻孔中的预选深度；而后，启动温度传感模块18，对此深度岩土体温度进行测量；最后，将温度信息存储到信息存储模块7；

(2)启动动力装置，驱动水平向旋转垂直作动装置8，使CPT探头9指向所选孔壁3的测试点；驱动水平向垂直作动装置10，以匀速静力方式将CPT探头9连续压入孔壁3的测试点处；测试结束，收回CPT探头9，恢复原状；

(3)CPT测试过程中的数据由CPT信息采集模块12进行采集和处理；处理后的信息存储于信息存储模块7，并通过大功率无线信号发射装置14传输到地表；地表通过无线信号接收终端接收所测得的无线信号，获取选定深度岩土体的粘聚力和内摩擦角信息。

本发明的优点和效果在于：在不扰动原状岩土体的前提下进行测试，能有效提高测试结果的精度；可在不同岩土体、任意深度、不同温度和含水率的钻孔下进行静力触探测试，克服了现有测试手段的局限性；通过无线传输技术，可简单便捷的将信号随时传输到地表的无线信号接收终端设备，提高了效率。本发明集成度和智能化程度高、设备小巧灵活、操作简单便携，可为岩土工程、水利工程、桥梁隧道工程和采矿工程等工程设计、模型试验和数值模拟提供准确可靠的基本物理力学参数，具有良好的应用前景。

附图说明

图1是本发明实施例的整体布置示意图；

图2是本发明CPT探头与作动装置传动连接示意图；

图中：1机器人外壳；2孔壁固定装置；3孔壁；4壳内固定装置；5控制装置；6动力装置；7信息存储模块；8水平向旋转垂直作动装置；9 CPT探头；10水平向垂直作动装置；11法兰轴承；12 CPT信息采集模块；13壳下固定装置；14大功率无线信号发射装置；15移动手持设备；16电脑；17原位岩土体；18温度采集模块。

具体实施方式

下面结合附图详述本发明的具体实施方式。本发明的保护范围不仅仅局限于本实施方式的描述。基于本发明中的实施例，本领域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，均属于本发明保护范围之内。

如图1所示为本发明的整体布置示意图，包括作动系统、CPT系统和无线信号系统。所述作动系统包括机器人外壳1、孔壁固定装置2、壳内固定装置4、控制装置5和动力装置6。所述机器人外壳1表面安装有四个孔壁固定装置2，使用时将机器人置于钻孔内部预选深度后，孔壁固定装置2将紧贴于孔壁3，对机器人起到固定作用；所述控制装置5起到总控作用，可接受远程操控，对动力装置6传输指令。

所述CPT系统包括水平向旋转垂直作动装置8、水平向垂直作动装置10、CPT探头9、法兰轴承11、CPT信息采集模块12、信息存储模块7、温度传感模块18和壳下固定装置13。所述水平向旋转垂直作动装置10可控制CPT探头9绕法兰轴承11三百六十度旋转；所述水平向垂直作动装置10可控制CPT探头9在预选孔壁点处进行静力触探测试；测试过程中，所得到的信息均由所述的CPT信息采集模块12进行实时采集和分析，并进一步传输到所述的信息存储模块7进行保存；所述温度传感模块18可采集原状岩土体16温度数据；所述壳下固定装置13对CPT测试起到稳定作用。

所述无线信号系统包括大功率无线信号发射装置14和无线信号接收终端。存储在信息存储模块7的CPT测试信息通过所述的大功率无线信号发射装置14转化为无线信号，传输到地表；所述的无线信号接收终端包括移动手持设备15和电脑16，通过无线信号可接收孔下传输的CPT测试结果，从而获取选定深度岩土层的粘聚力和内摩擦角信息。

优选地，所述的移动手持设备15包括但不限于智能手机、IPAD。

优选地，所述的壳内所有装置和模块均由壳内固定装置4进行固定和连接。

优选地，所述的CPT探头9至少包括压力传感器。

本发明同时提出上述一种深部岩土体原位测试机器人的使用方法，包括以下技术步骤：

(1)首先，在待定测试的岩土体上打深孔；其次，调试仪器，确保仪器工作正常，将所述深部岩土体原位测试机器人置于预选深度；然后，输入远程操控信号，启动孔壁固定装置2，贴近孔壁3，将所述深部岩土体原位测试机器人固定于钻孔中的预选深度；而后，启温度传感模块18，对此深度岩土体温度进行测量；最后，将温度信息存储到信息存储模块7。

(2)启动动力装置6，驱动水平向旋转垂直作动装置8，使CPT探头9指向所选孔壁测试点；驱动水平向垂直作动装置10，以匀速静力方式将CPT探头9连续压入孔壁测试点处；测试结束，收回CPT探头9，恢复原状。

(3)CPT测试过程中的数据由CPT信息采集模块12进行采集和处理；处理后的信息存储于信息存储模块7，并通过大功率无线信号发射装置14传输到地表；地表通过无线信号接收终端设备接收所测得的无线信号，获取选定深度岩土体的粘聚力和内摩擦角信息。

Claims (6)

1.一种深部岩土体原位测试机器人，其特征在于，所述的深部岩土体原位测试机器人包括作动系统、CPT系统和无线信号系统；

所述的作动系统包括机器人外壳(1)、孔壁固定装置(2)、壳内固定装置(4)、控制装置(5)和动力装置(6)；机器人外壳(1)的表面安装有四个孔壁固定装置(2)，使用时将机器人置于钻孔内部预选深度后，孔壁固定装置(2)紧贴于孔壁(3)，对机器人起到固定作用；控制装置(5)和动力装置(6)设置于机器人外壳(1)内部，壳内固定装置(4)、控制装置(5)和动力装置(6)依次相连，控制装置(5)与CPT系统的信息存储模块(7)相连，控制装置(5)起到总控作用，可接受远程操控，对动力装置(6)传输指令，进而分别控制CPT系统的水平向旋转垂直作动装置(8)和水平向垂直作动装置(10)；

所述的CPT系统包括信息存储模块(7)、水平向旋转垂直作动装置(8)、CPT探头(9)、水平向垂直作动装置(10)、法兰轴承(11)、CPT信息采集模块(12)、壳下固定装置(13)和温度传感模块(18)；水平向旋转垂直作动装置(8)和水平向垂直作动装置(10)通过法兰轴承(11)连接；CPT探头(9)穿过水平向垂直作动装置(10)内部的滑轨并连接；水平向旋转垂直作动装置(8)用于控制CPT探头(9)绕法兰轴承(11)三百六十度旋转，进而实现控制CPT探头(9)在预选孔壁(3)处进行静力触探测试；CPT信息采集模块(12)和温度传感模块(18)均与信息存储模块(7)相连；测试过程中，所得到的信息均由CPT信息采集模块(12)进行实时采集和分析，并进一步传输到信息存储模块(7)进行保存；温度传感模块(18)设置于壳下固定装置(13)内，用于采集原状岩土体温度数据；壳下固定装置(13)对CPT测试起到稳定作用；

所述的无线信号系统包括大功率无线信号发射装置(14)和无线信号接收终端；存储在信息存储模块(7)的CPT测试信息通过大功率无线信号发射装置(14)转化为无线信号，传输到地表；无线信号接收终端包括移动手持设备(15)和电脑(16)，通过无线信号接收孔下传输的CPT测试结果，从而获取选定深度岩土层的粘聚力和内摩擦角信息。

2.根据权利要求1所述的深部岩土体原位测试机器人，其特征在于，所述的移动手持设备(15)包括智能手机和IPAD。

3.根据权利要求1或2所述的深部岩土体原位测试机器人，其特征在于，所述的壳内所有装置和模块均由壳内固定装置进行固定和连接。

4.根据权利要求1或2所述的深部岩土体原位测试机器人，其特征在于，所述的CPT探头(9)至少包括压力传感器。

5.根据权利要求3所述的深部岩土体原位测试机器人，其特征在于，所述的CPT探头(9)至少包括压力传感器。

6.一种使用权利要求1所述的深部岩土体原位测试机器人的方法，其特征在于，步骤如下：

(1)首先，在待测试的岩土体上打深孔；其次，调试仪器，确保仪器工作正常，将深部岩土体原位测试机器人置于预选深度；然后，输入远程操控信号，启动孔壁固定装置(2)，贴近孔壁(3)，将深部岩土体原位测试机器人固定于钻孔中的预选深度；而后，启动温度传感模块(18)，对此深度岩土体温度进行测量；最后，将温度信息存储到信息存储模块(7)；

(2)启动动力装置，驱动水平向旋转垂直作动装置(8)，使CPT探头(9)指向所选孔壁(3)的测试点；驱动水平向垂直作动装置(10)，以匀速静力方式将CPT探头(9)连续压入孔壁(3)的测试点处；测试结束，收回CPT探头(9)，恢复原状；

(3)CPT测试过程中的数据由CPT信息采集模块(12)进行采集和处理；处理后的信息存储于信息存储模块(7)，并通过大功率无线信号发射装置(14)传输到地表；地表通过无线信号接收终端接收所测得的无线信号，获取选定深度岩土体的粘聚力和内摩擦角信息。

Images