CN112796744A - 一种单腔式高压预钻式剪切旁压仪 - Google Patents
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Abstract
本发明属于地质勘察技术领域，公开了一种单腔式高压预钻式剪切旁压仪，包括顶升装置、旁压仪探头、控制系统和管路系统，旁压仪探头包括芯杆、内衬套和橡胶膜，芯杆上端依次设有第一轴肩和第二轴肩，芯杆下端设有环形压帽，内衬套套设于第二轴肩和环形压套之间的芯杆外侧，且内衬套的两端均设有压紧橡胶膜的压环，环形压帽下侧设有固定螺帽，芯杆外周套设有双层金属铠甲，双层金属铠甲的上端与第一轴肩固定连接，双层金属铠甲的下端与固定螺帽贴合，管路系统包括进液管线，液管线与内衬套和芯杆之间的间隙连通，内衬套中部设有进液通孔。本发明能在测量腔加入高压后避免橡胶膜两端轴向向外延伸，在较硬土层中避免橡胶膜被岩石刺穿或割裂。
Description
技术领域
本发明涉及地质勘察技术领域，尤其涉及一种单腔式高压预钻式剪切旁压仪。
背景技术
旁压试验是岩土工程中广泛应用的原位测试手段之一，在深部地层勘察中使用频繁。其基本原理是利用钻杆在测试地层形成钻孔，将一个圆柱形的旁压器放到钻孔内设计标高，加压使得旁压器横向膨胀，根据试验的读数可以得到钻孔横向扩张的体积-压力或应力-应变关系曲线，据此可用来估计地基承载力，测定土的强度参数、变形参数、基床系数，估算基础沉降、单桩承载力与沉降。
我国在上世纪70年代末才开始研制旁压设备，80年代才逐步开始旁压试验的实践、推广及工程实际应用。现在旁压仪器包括预钻式、自钻式和压入式三种，国内国外都是以预钻式为主。自钻式旁压仪是将旁压仪设备和钻机一体化，将旁压器安装在钻秆上，在旁压器的端部安装钻头，钻头在钻进时，将切碎的土屑从旁压器(钻杆)的空心部位用泥浆带走，至预定标高后进行旁压试验。
现有单腔式旁压仪探头，如专利CN200971493中的探头，由于橡胶膜上端平行压在上管靴与外钻杆之间，下端平行压在下管靴与外钻杆之间，此结构只能在测量腔压力较低时保证密封，当测量腔压力过高，橡胶膜受力增大，变形增大，橡胶膜从靴与外钻杆之间拽出，发生橡胶膜脱离，此测量腔最大承载压力为6MPa。另外，其结构导致制造与安装以及后期的维护成本高，耗时久。又如专利CN108756865A中的探头，由于在初始状态外层粘接的钢片组合为一个完整的圆环，当加压后橡胶膜膨胀，推动钢片垂直于孔壁方向膨胀，此时在始状态外层粘接的钢片相互之间出现更大缝隙，橡胶膜容易从缝隙中流出，此时测量不准。
发明内容
本发明意在提供一种单腔式高压预钻式剪切旁压仪，以解决现有的旁压仪探头的易发生橡胶模脱离的问题。
为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：一种单腔式高压预钻式剪切旁压仪，包括顶升装置、旁压仪探头、控制系统和管路系统，所述旁压仪探头包括芯杆、内衬套和橡胶膜，所述芯杆的上端依次设有第一轴肩和第二轴肩，所述芯杆的下端螺纹连接有环形压帽，所述内衬套套设于第二轴肩和环形压套之间的芯杆外侧，且内衬套的两端均一体延伸有压环，所述压环将橡胶膜两端分别压紧在第二轴肩和环形压帽上，所述环形压帽下侧设有与芯杆螺纹连接的固定螺帽，所述芯杆外周套设有双层金属铠甲，所述双层金属铠甲的上端与第一轴肩固定连接，所述双层金属铠甲的下端与固定螺帽贴合，所述压环外侧对应的橡胶膜与双层金属铠甲抵紧；所述管路系统包括进液管线，所述进液管线沿轴向贯穿第一轴肩和第二轴肩，所述进液管线与内衬套和芯杆之间的间隙连通，所述内衬套中部周向分布有多个进液通孔。
安装时，把内衬套放入橡胶膜中，橡胶膜两端都内翻入内衬套内部，然后压入芯杆，内衬套上端的压环将橡胶膜的上端压紧在内衬套和第二轴肩之间，环形压帽套接在芯杆上，通过与旁压器芯杆螺纹连接的固定螺帽抵紧内衬套，同时内衬套下端的压环将橡胶膜的下端压紧在内衬套和环形压帽之间，在最外层套入双层金属铠甲，将双层金属铠甲的上端与第二轴肩固定，双层金属铠甲的下端自由套在环形压帽和固定螺帽外部，双层金属铠甲将橡胶膜的上下两端压紧。
上述技术方案具有如下有益效果：
与现有技术相比，本发明的压环和双层金属铠甲，将橡胶膜的两端压紧固定，在测量腔压力过高，橡胶膜受力增大，变形增大时，不发生橡胶膜脱离，提高了测量腔的最大承受压力；双层金属铠甲的外层无需粘接钢片，便于加工制造以及拆卸维护，对橡胶膜具有更好的保护性，其上端直接通过螺纹连接与芯杆连接为一体，下端可以自由轴向运动，满足膨胀变形的过程，在加入过高压力过程中橡胶膜两端不会沿轴向向外延伸，在直剪过程中不与探头发生相对位移，测量的实验数据更加准确。
优选地，所述双层金属铠甲包括相套接的内层金属管套和外层金属管套，所述内层金属管套和外层金属管套的中部均沿轴向间隔分布有多个缝隙，且内层金属管套和外层金属管套的缝隙相互错位。
通过上述技术方案，缝隙可以使双层金属铠甲随着橡胶膜的膨胀而膨胀，且在膨胀过程中，内层金属管套的缝隙被扩大，内层金属管套的缝隙和外层金属管套的缝隙刚好错位开，以防止土体进入测定器中破坏橡皮膜，同时防止橡胶膜挤出双层保护铠甲；内层金属管套和外层金属管套的两端的端口均不做切割处理，为封闭圆环，在测量腔加压过程中可以防止橡胶膜发生轴向两端向外膨胀。
优选地，所述双层金属铠甲的上端与第一轴肩通过沉头螺钉固定连接。
通过上述技术方案，使得双层金属铠甲与芯杆的连接牢固。
优选地，所述橡胶膜由硅橡胶制成，所述橡胶膜的厚度为3.5mm。
通过上述技术方案，橡胶膜的耐用性好。
优选地，所述顶升装置包括钻杆、活塞缸和与活塞缸配套的活塞杆，所述钻杆与活塞杆螺纹连，所述活塞杆与芯杆螺纹连接。
通过上述技术方案，顶升装置采用活塞缸，压力源可以均匀连续提供，形变与压力的线性关系可以更加准确。
优选地，所述固定螺帽的下端具有锥度。
通过上述技术方案，防止在探头放入到土层中时被岩石以及其他异物卡住。
附图说明
图1为本发明实施例提供的一种单腔式高压预钻式剪切旁压仪的旁压仪探头结构示意图；
图2为旁压仪探头的双层金属铠甲未膨胀状态的断面图；
图3为旁压仪探头的双层金属铠甲膨胀状态的断面图。
具体实施方式
下面结合附图和实施方式对本发明作进一步的详细说明：
说明书附图中的附图标记包括：进液管线1、芯杆2、沉头螺钉3、双层金属铠甲4、内衬套5、橡胶膜6、进液通孔7、环形压帽8、固定螺帽9。
如图1、图2和图3所示，一种单腔式高压预钻式剪切旁压仪，包括顶升装置、旁压仪探头、控制系统和管路系统，旁压仪探头包括芯杆2、内衬套5和橡胶膜6，芯杆2的上端一体成型有第一轴肩和第二轴肩，第一轴肩直径大于第二轴肩直径，芯杆2的下端设有环形压帽8，环形压帽8的上部直径小于其下部的直径，内衬套5套设于第二轴肩和环形压套之间的芯杆2外侧，且内衬套5的两端均一体延伸有压环，压环将橡胶膜6两端分别压紧在第二轴肩和环形压帽8的上部，橡胶膜由硅橡胶制成，橡胶膜的厚度为3.5mm，环形压帽8下侧设有与芯杆2螺纹连接的固定螺帽9，固定螺帽9的下端具有锥度，芯杆2外周套设有双层金属铠甲4，双层金属铠甲4的上端与第一轴肩通过沉头螺钉3固定连接，双层金属铠甲4的下端与固定螺帽9贴合，压环外侧对应的橡胶膜6与双层金属铠甲4抵紧。
管路系统包括进液管线1，进液管线1沿轴向贯穿第一轴肩和第二轴肩，进液管线1与内衬套5和芯杆2之间的间隙连通，所述内衬套5中部周向间隔分布有四个进液通孔7。顶升装置包括钻杆、活塞缸和与活塞缸配套的活塞杆，活塞杆与芯杆2螺纹连接，钻杆与活塞杆螺纹连，控制系统包括工控机和压力源，活塞缸和进液管线1均与压力源管路连接，且管路上布置有控制阀门和若干压力传感器，工控机用于控制压力源和控制阀门的启闭，控制系统、管路上的阀门和压力传感器均为现有技术，在此不做赘述。
双层金属铠甲4包括相套接的内层金属管套和外层金属管套，内层金属管套和外层金属管套的中部均沿轴向间隔分布有十个缝隙，且内层金属管套和外层金属管套的缝隙相互错位互不连通。
具体实施过程如下：内衬套5放入橡胶膜6中，橡胶膜6两端都内翻入内衬套5内部，然后压入芯杆2，内衬套5上端的压环将橡胶膜6的上端压紧在内衬套5和第二轴肩之间，环形压帽8套接在芯杆2上，通过与旁压器芯杆2螺纹连接的固定螺帽9抵紧内衬套5，同时内衬套5下端的压环将橡胶膜6的下端压紧在内衬套5和环形压帽8之间，在最外层套入双层金属铠甲4，将双层金属铠甲4的上端与第二轴肩固定，双层金属铠甲4的下端自由套在环形压帽8和固定螺帽9外部，双层金属铠甲4将橡胶膜6的上下两端压紧。
旁压测试：
在钻好设定孔洞后，旁压仪探头安置到试验标高位置，向旁压仪探头的测量腔内加压，压力介质通过进液通孔7流入测量腔内部,压力驱使橡胶膜6径向膨胀,橡胶膜6径向的膨胀推动外层的双层金属铠甲4向外膨胀，待测量腔膨胀推动双层金属铠甲4接触到孔壁且扰动土体恢复到接近原始状态所对应的土压力值即可采集到初始压力，接着逐步加压到临塑压力及极限压力，获取旁压模量等土力学指标。
抗剪测试：
在完成旁压测试后，保持测量腔中的压力，膨胀状态下压力源提供压力到活塞缸的下腔中，产生向上的推力，缓慢加大压力直至活塞杆带动旁压探头轴向移动，得到剪切应力的峰值，此时活塞缸的液压，由压力传感器在线监测，再施加下一级径向应力，然后施加对应的垂直剪切应力，如此重复。最后由软件形成一系列的径向应力–径向变形关系、径向应力–剪切应力和剪切应力–剪切位移的关系。
以上所述的仅是本发明的实施例，方案中公知的具体技术方案和/或特性等常识在此未作过多描述。应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明技术方案的前提下，还可以作出若干变形和改进，这些也应该视为本发明的保护范围，这些都不会影响本发明实施的效果和专利的实用性。本申请要求的保护范围应当以其权利要求的内容为准，说明书中的具体实施方式等记载可以用于解释权利要求的内容。
Claims (6)
1.一种单腔式高压预钻式剪切旁压仪，包括顶升装置、旁压仪探头、控制系统和管路系统，其特征在于：所述旁压仪探头包括芯杆、内衬套和橡胶膜，所述芯杆的上端依次设有第一轴肩和第二轴肩，所述芯杆的下端设有环形压帽，所述内衬套套设于第二轴肩和环形压套之间的芯杆外侧，且内衬套的两端均一体延伸有压环，所述压环将橡胶膜的两端分别压紧在第二轴肩和环形压帽上，所述环形压帽下侧设有与芯杆螺纹连接的固定螺帽，所述芯杆外周套设有双层金属铠甲，所述双层金属铠甲的上端与第一轴肩固定连接，所述双层金属铠甲的下端与固定螺帽贴合，所述压环外侧对应的橡胶膜与双层金属铠甲抵紧；所述管路系统包括进液管线，所述进液管线沿轴向贯穿第一轴肩和第二轴肩，所述进液管线与内衬套和芯杆之间的间隙连通，所述内衬套中部周向分布有多个进液通孔。
2.根据权利要求1所述的一种单腔式高压预钻式剪切旁压仪，其特征在于：所述双层金属铠甲包括相套接的内层金属管套和外层金属管套，所述内层金属管套和外层金属管套的中部均沿轴向间隔分布有多个缝隙，且内层金属管套和外层金属管套的缝隙相互错位。
3.根据权利要求2所述的一种单腔式高压预钻式剪切旁压仪，其特征在于：所述双层金属铠甲的上端与第一轴肩通过沉头螺钉固定连接。
4.根据权利要求2所述的一种单腔式高压预钻式剪切旁压仪，其特征在于：所述橡胶膜由硅橡胶制成，所述橡胶膜的厚度为3.5mm。
5.根据权利要求2所述的一种单腔式高压预钻式剪切旁压仪，其特征在于：所述顶升装置包括钻杆、活塞缸和与活塞缸配套的活塞杆，所述钻杆与活塞杆螺纹连，所述活塞杆与芯杆螺纹连接。
6.根据权利要求2所述的一种单腔式高压预钻式剪切旁压仪，其特征在于：所述固定螺帽的下端具有锥度。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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