CN112253049B - 一种工程现场测定岩体强度的数字钻进设备及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种工程现场测定岩体强度的数字钻进设备及方法，它由数字化钻孔装置、调节机架和移动平台三部分构成。数字化钻孔装置包括钻头、精密数字传感器、电机和防护装置等，可将钻孔过程抽象为数据信息；所述数字化钻孔装置通过支架臂和固定环与调节机架相连，以便调整钻头与待测岩体的相对位置，调节机架通过立柱设置在移动平台之上，可实现不同位置测点的钻进测试；本发明还涉及一种工程现场测定岩体强度的方法，它通过检测岩石钻孔过程中的钻具响应信息特征参数，经数学运算得到岩体强度；本发明实现了工程岩体强度的定量、实时及原位测试，克服了大量人为主观因素和取样制样过程，评价结果更加迅速和准确，且该设备信息化、自动化程度高，能实现在工程中广泛应用和推广。
Description
技术领域
本发明属于岩土工程勘察领域，具体为一种工程现场测定岩体强度的数字钻进设备及方法。
背景技术
在岩体中进行工程建设，岩体强度对施工效率、工程稳定性和支护要求往往起到决定性作用，因而施工和设计中必须要定量确定岩体强度。
工程目前并非直接测试岩体强度，而主要是通过试验获取岩石强度，经过强度折减换算岩体强度。既有获取岩石强度的方法主要是两种，一种是在施工现场钻孔获取岩芯，并将其运送到岩石实验室，进行单轴或三轴抗压强度试验，从而获得岩石强度，其操作过程繁琐和费用高昂且并非原位测试，岩样在取样、制样和运输途中性质发生变化，实验室得到的结果与真实原位数据往往存在差距。另一种是采用点荷载试验进行间接测量的岩石强度，此方法测试时间短、对试验样品加工要求不高，但测试精度不高，也非原位测试。而且以上两种方法均难以测定岩体软弱夹层的强度。若不能给出工程岩体强度就贸然施工，将给工程带来施工效率低和质量隐患，甚至会出现严重的失稳事故，造成重大经济损失。
获取岩体强度的物理方法无非是压裂、扭转或剪切试验，实际上钻孔过程也是采用相似的力学作用原理，所以可以通过记录钻孔过程的随钻参数，以评估岩体力学特性。数字化钻进是在传统的钻探技术上利用数据感知形成智能信息化的钻进方法，该测试技术可实现工程岩体原位测试。通过对钻头转速、钻头扭矩、钻头压力等随钻参数进行实时连续的记录，可将随钻参数与岩体强度相联系实现参数便捷获取，并快速应用于工程应用。鉴于数字化钻进技术高效便捷的特点和工程中对岩体参数原位获取的迫切需要，亟需提出一种可以将数字化钻进技术运用于岩体强度测定的设备与方法，即一种工程现场测定岩体强度的数字化钻进设备及方法。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的缺点，提供一种工程现场测定岩体强度的数字钻进设备及方法，通过同步获取钻头随钻信息化数据，转化为钻孔过程力学作用的能量特征，用于计算岩体强度，为岩土工程优化设计和高效施工提供重要参数依据和理论支撑。
为了实现上述目的，通过以下技术方案来实现：
一种工程现场测定岩体强度的数字钻进设备：它包括数字化钻孔装置、调节机架和移动平台。其中，数字化钻孔装置通过支架臂和固定环与调节机架相连接，以便调整钻头与岩石的水平和竖直向相对位置；调节机架通过立柱设置在移动平台之上，可实现不同位置点的钻进测试。
优选地，所述的数字化钻孔装置所述的数字化钻孔装置包括钻头(1)、压力传感器(2)、转速传感器(3)、扭矩传感器(4)、法兰盘(5)、电机(6)和防护盖(7)，钻头(1)上部连接用于测试钻头推进力的压力传感器(2)，压力传感器(2)上部连接用于测试钻头旋转速度的转速传感器(3)，转速传感器(3)上部连接钻头扭转力的扭矩传感器(4)，提供动力的电机(6)顶部安装有防护盖(7)，尾部设置有法兰盘(5)用于连接扭矩传感器(4)和密封电机(6)。
优选地，所述的调节机架包括手轮(8)、立柱(9)、滑动支架(10)、显示屏(11)、阻滑块(12)、螺栓-a(13)、支架臂-a(14)、螺栓-b(15)、支架臂-b(16)和固定环-a(17)，手轮(8)设置在滑动支架(10)一侧，显示屏(11)设置在滑动支架(10)另一侧，滑动支架(10)安装在立柱(9)上，通过滑道调节滑动支架(10)的竖向位置用于满足测试不同高度工程岩体，立柱(9)下方设置有阻滑块(12)用于防止滑动支架的突然跌落，滑动支架(10)的前方通过螺栓-a(13)与支架臂-a(14)相连接，支架臂-a(14)通过螺栓-b(15)与支架臂-b(16)相连接。固定环-a(17)固定于支架臂-b(16)，用于夹持数字化钻孔装置。
优选地，所述的移动平台主要包括底座(18)、车轮(19)、固定环-b(20)和车轴(21)，底座(18)设置有凹槽用于固定立柱(9)，前后侧边通过固定环-b(20)与车轴(21)相连，车轴两端有车轮(19)用于设备移动。
本发明的另一目的在于还公开了一种工程现场测定岩体强度的数字钻进设备对岩体强度进行测试的方法，它包括以下步骤：
步骤1：移动设备至测试位置；
步骤2：调动调节机架和钻头定位于待测岩体标志点；
步骤3：启动数字化钻孔装置对岩体执行钻孔测试；
步骤4：获取传感器输出数据并记录储存；
步骤5：计算岩体强度，传输并展示于显示屏。
优选地：步骤1包括：推动底座(18)，转动车轮(19)将装置推至待测岩体。
步骤2包括：转动手轮(8)调整滑动支架(10)在立柱(9)至合适竖向位置，转动螺栓-a(13)从而调整支架臂-a(14)和支架臂-b(16)使得钻头(1)抵至待钻进岩体处。
步骤3包括：启动电机(6)，钻头(1)逐渐对岩体进行钻入操作。
步骤4包括：压力传感器(2)获取钻头推进力，转速传感器(3)获取钻头转速，扭矩传感器(4)获取钻头扭矩，并将随钻数据储存至存储卡。
步骤5包括：根据获取的随钻数据，利用公式
计算岩体强度，并经后台运算处理后展示于显示屏(11)。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：一种工程现场测定岩体强度的数字钻进设备结构设计简单、力学作用过程明确和操作简易，且具有数据化、信息化特征，经自动计算获得并实时显示岩体强度；本发明克服了传统方法测定岩石单轴抗强度方法的局限性，过程高效和获取参数迅速，且易于重复测试；本发明的数字化程度高，避免人为主观因素的影响，因而评价结果更为可靠；本发明设备造价远低于传统大型的测试岩石强度用试验仪，能实现在工程中广泛应用和推广。
附图说明
图1是本发明的岩体强度的数字钻进设备总装配图。
图2是本发明的岩体强度的数字钻进设备正视图。
图3是本发明的岩体强度的数字钻进设备侧视图。
图4是本发明的岩体强度的数字钻进设备俯视图。
图5是本发明的数字化钻孔装置的示意图。
图6是本发明的数字钻进参数和岩体强度计算关系图。
图7是本发明的岩体强度测值和传统方法测值对比图。
其中，1-钻头；2-压力传感器；3-转速传感器；4-扭矩传感器；5-法兰盘；6-电机；7-防护盖；8-手轮；9-立柱；10-滑动支架；11-显示屏；12-阻滑块；13-螺栓-a；14-支架臂-a；15-螺栓-b；16-支架臂-b；17-固定环-a；18-底座；19-车轮；20-固定环-b；21-车轴。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
如图1至图5所示，一种工程现场测定岩体强度的数字钻进设备包括：数字化钻孔装置、调节机架和移动平台。其中，数字化钻孔装置通过支架臂和固定环与调节机架相连接，以便调整钻头与岩石的水平和竖向相对位置；调节机架通过立柱设置在移动平台之上，可实现不同位置点的钻进测试。
具体地，如图1至图3所示，所述的数字化钻孔装置包括钻头1、压力传感器2、转速传感器3、扭矩传感器4、法兰盘5、电机6和防护盖7。其中，钻头1上部连接压力传感器2，压力传感器2上部连接转速传感器3，转速传感器3上部连接扭矩传感器4。电机6顶部安装有防护盖7，尾部设置有法兰盘5用于连接扭矩传感器4和密封电机。整个数字化钻孔装置通过内部电路连成一个整体，可实现钻进过程中的推进扭矩、推进压力和钻进位移等数字信息的同步监测记录。
如图2至图4所示，所述的调节机架包括手轮8、立柱9、滑动支架10、显示屏11、阻滑块12、螺栓-a 13、支架臂-a 14、螺栓-b 15、支架臂-b 16和固定环-a 17。其中，手轮8设置在滑动支架10一侧，显示屏11设置在滑动支架10另一侧，滑动支架10设置在立柱9上。立柱9内部设置有链条与轨道，可通过手轮8进行上下调节，于此同时，带动滑动支架10在立柱9外侧的滑道进行调节，可改变滑动支架10的竖向位置。当滑动支架10的位置确定后，可采用其内置的刹车装置，抱死于立柱9，防止钻进过程中滑动支架10的移动。为预防滑动支架的突然跌落，立柱9下方设置有阻滑块12。滑动支架10的前方通过螺栓-a 13与支架臂-a 14相连接，支架臂-a 14通过螺栓-b 15与支架臂-b 16相连接，支架臂-b 16与固定环-a 17之间夹持有数字化钻孔装置，上述螺栓与支架臂的存在可以小范围调整钻头1在岩体表面的触抵位置，从而使钻测点更加准确。
如图3至图4所示，所述的移动平台主要包括底座18、车轮19、固定环-b 20和车轴21。其中，底座18设置有凹槽用于固定立柱9，前后侧边通过固定环-b 20与车轴21相连，车轴两端有车轮19。底座18后部有脚踩刹车装置，当设备到达钻孔测试点位置时，可通过脚踩刹车装置，抱死车轮19，以防钻进过程车轮向后移动的情况发生。
本发明还公开了一种利用上述装置对岩体强度进行测试的方法。在工程现场进行原位测试时，钻头1对岩石进行钻进，通过压力传感器2获取钻头压力(F，单位为kN)，转速传感器3获取钻头转速(n，单位为rev·min-1)，扭矩传感器4获取钻头扭矩(M，单位为kN·m)，如图6所示，将上述参数带入下式即可求得岩体强度:
式中：ν为钻进速度，单位为mm·min-1；μ为岩石接触面与钻头相互之间的侧向摩擦因子，一般取0.2，r为金刚石钻头半径。
该方法包括以下步骤：
步骤1：移动设备至测试位置；
步骤2：调动调节机架和钻头定位于待测岩体标志点；
步骤3：启动数字化钻孔装置对岩体执行钻孔测试；
步骤4：获取传感器输出数据并记录储存；
步骤5：计算岩体强度，传输并展示于显示屏。
具体地，步骤1包括：推动底座18，转动车轮19将装置推至岩体旁边。然后，采用刹车装置将车轮19抱死，以防钻头1对岩体进行钻进操作时车轮移动。对传感器进行“调零”操作：接通电源并启动电机6，此时钻头1并未对岩体进行钻进操作，检查压力传感器2、转速传感器3和扭矩传感器4的输出值是否为零，若不为零则进行“调零”操作。
步骤2包括：首先，在岩体上面选择合适的位置点，并用记号笔在岩体表面画上圆圈做标记，以便岩体与钻头1对齐。然后，转动手轮8，利用装置内部的链条和滑轮不断调整滑动支架10在立柱9的位置，直到钻头1与标记圆圈的岩体表面在同一标高，此时将滑动支架10抱死在立柱9上。最后，转动螺栓-a 13从而调整支架臂-a 14和支架臂-b 16使得钻头1抵至岩体表面圆圈标记处，尽可能保证钻头与岩体中心线相重合并固定不动。
步骤3包括：接通电源并启动电机6，钻头1逐渐对岩体进行钻入操作。
步骤4包括：压力传感器2获取钻头压力，转速传感器3获取钻头转速，扭矩传感器4获取钻头扭矩，并将采样间隔设置为1秒1次，并将采样信息提取为Excel表格，储存至存储卡。
步骤5包括：根据获取的钻头数据，例如一种灰岩，钻头压力F为15.5kN，钻头转速n为252rev·min-1，钻头扭矩M为3.604kN·m，钻进速度ν为1.302mm·min-1，钻头半径r为3.5cm；用公式
计算得到的岩体强度Rm为61.50MPa，并经后台运算处理后将相关参数记录入存储卡，显示于显示屏11。测试结束后，将电机6设置为反向回转，将钻头1从岩体中拔出，并关闭电源。
如图7所示，针对8组岩样进行相关钻进测试，基于本发明得到的单轴抗压强度预测值Rm与其实验值Rc进行比较。可以看出两者的差异率λ在10％上下浮动，这是由两种方法的固有差异所产生的，但整体说明本发明是可靠的。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (3)
1.一种工程现场测定岩体强度的数字钻进设备，包括数字化钻孔装置，所述数字化钻孔装置包括钻头(1)、压力传感器(2)、转速传感器(3)、扭矩传感器(4)、法兰盘(5)、电机(6)和防护盖(7)，钻头(1)上部连接用于测试钻头推进力的压力传感器(2)，压力传感器(2)上部连接用于测试钻头旋转速度的转速传感器(3)，转速传感器(3)上部连接钻头扭转力矩的扭矩传感器(4)，提供动力的电机(6)顶部安装有防护盖(7)，尾部设置法兰盘(5)用于连接扭矩传感器(4)和密封电机(6)；
其特征在于：还包括调节机架和移动平台，所述数字化钻孔装置通过支架臂和固定环与调节机架相连，以便调整钻头与岩石的水平和竖直向相对位置；调节机架通过立柱设置在移动平台之上，可实现不同位置点的钻进测试；
所述调节机架包括手轮(8)、立柱(9)、滑动支架(10)、显示屏(11)、阻滑块(12)、螺栓-a(13)、支架臂-a(14)、螺栓-b(15)、支架臂-b(16)和固定环-a(17)，手轮(8)设置在滑动支架(10)一侧，显示屏(11)设置在滑动支架(10)另一侧，滑动支架(10)安装在立柱(9)上，通过滑道调节滑动支架(10)的竖向位置用于满足测试不同高度工程岩体，立柱(9)下方设置有阻滑块(12)用于防止滑动支架的突然跌落，滑动支架(10)的前方通过螺栓-a(13)与支架臂-a(14)相连接，支架臂-a(14)通过螺栓-b(15)与支架臂-b(16)相连接，固定环-a(17)固定于支架臂-b(16)，用于夹持数字化钻孔装置；
所述移动平台主要包括底座(18)、车轮(19)、固定环-b(20)和车轴(21)，底座(18)设置有凹槽用于固定立柱(9)，前后侧边通过固定环-b(20)与车轴(21)相连，车轴两端有车轮(19)用于设备移动。
2.一种利用权利要求1所述的一种工程现场测定岩体强度的数字钻进设备的使用方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：移动设备至测试位置；
步骤2：调动调节机架和钻头定位于待测岩体标志点；
步骤3：启动数字化钻孔装置对岩体执行钻孔测试；
步骤4：获取传感器输出数据并记录储存；
步骤5：计算岩体强度，传输并展示于显示屏。
3.一种利用权利要求1所述的一种工程现场测定岩体强度的数字钻进设备的测试方法，其特征在于：
步骤1：推动底座(18)，转动车轮(19)将装置推至待测岩体；
步骤2：转动手轮(8)调整滑动支架(10)在立柱(9)至适宜的竖向位置，转动螺栓-a(13)从而调整支架臂-a(14)和支架臂-b(16)使得钻头(1)抵至和紧贴待钻孔岩体标志点；
步骤3：启动电机(6)，钻头(1)逐渐对岩体执行数字化钻入操作；
步骤4：压力传感器(2)获取钻头推进力，转速传感器(3)获取钻头旋转速度，扭矩传感器(4)获取钻头转动扭矩，并将随钻数据储存至存储卡；
步骤5：根据获取的随钻数据，利用公式，计算岩体强度，并经后台运算处理后展示于显示屏(11)。
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- 2020-09-17 CN CN202010981868.XA patent/CN112253049B/zh not_active Expired - Fee Related
Patent Citations (5)
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Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
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Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN112253049A (zh) | 2021-01-22 |
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