CN117007434A - 一种预钻式深部岩体力学变形试验仪及参数计算方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及岩土工程测试技术领域，具体涉及一种预钻式深部岩体力学变形试验仪及参数计算方法，包括地表控制终端、形变数据处理器、动力系统以及活塞压变器；活塞压变器由压变器壳体、动力输出单元、施力活塞以及激光测距仪构成，动力输出单元设于压变器壳体内，施力活塞第一端与动力输出单元连接，第二端延伸至压变器壳体外侧，施力活塞的第一端与压变器壳体之间连接有回弹弹簧，激光测距仪与施力活塞同侧设置，激光测距仪连接形变数据处理器；地表控制终端连接动力系统，动力系统连接动力输出单元，形变数据处理器连接至地表控制终端。本发明采用刚性施力活塞取代弹性膜，可根据需求选择测试段岩体的测试方向，适用于深部硬质岩体变形参数获取。
Description
技术领域
本发明涉及岩土工程测试技术领域，具体而言，涉及一种预钻式深部岩体力学变形试验仪及参数计算方法。
背景技术
岩体变形是评价工程岩体稳定性的重要指标，也是岩土工程设计的基本准则之一。近年来随着深层地下空间开发利用、重大水利工程、交通工程建设、超高层工业与民用建构筑物爆发式增多，中深部岩体力学参数获取成为必然需求。
传统的岩土工程勘察获取岩土体参数的手段主要有现场原位测试、取样室内试验以及地球物理勘探测试三种手段，原位测试主要集中在浅表层地层中，很难获取中深部地层岩土体物理力学参数，通过钻探取样手段采取的深部岩体样品室内测试所获得的岩石物理力学参数，受取样手段、岩体本身结构、风化程度以及送样时间等限制，往往获得的岩土体试验参数较实际值有很大衰减，不能获得客观准确的深部岩体物理力学参数。
目前针对深部岩体物理力学参数获取手段以室内试验和物探试验为主，均属于间接手段，依托经验公式计算获得，不能准确反映深部岩体的原位力学参数特征值。
而深部岩体原位试验由于针对性设备较少且试验难度大，一直以来都没有较好地手段获得其力学参数，而传统的旁压试验仪采用弹性膜，通过压力系统充水膨胀弹性膜压迫周围岩土体，受弹性膜自身属性限制，最大承受压力为200kpa；主要适用于浅表层的土体及风化软岩，不能获取深部岩体力学参数。此外，其量测的变形受弹性膜本身弹性和内部水体压缩影响，需要按弹性膜材料及水体压缩进行变形量测值的修正和标定，导致测量结果不够直观和准确，且弹性膜变形为测试段岩土体综合变形，不能体现测试段岩土体各向异性。另外承压板试验是获取岩体变形参数的主要原位试验方法，但其需开挖大面积平硐、巷道进而满足试验空间需求，不能满足非开挖情况岩体力学参数获取需求，因此深部岩体力学参数原位试验获取方法一直以来成为岩土工程行业的痛点问题之一。
发明内容
本发明的目的在于提供一种预钻式深部岩体力学变形试验仪及参数计算方法，通过施力活塞替代原有旁压器的弹性膜，提高了整体刚度，能够适应各种复杂工况和硬质岩地层，所提供的动力系统也可以满足所有岩体试验需求，此外也可以根据需求选择试验方向，获取不同方向岩土体变形参数，弥补弹性模方式测试的综合变形参数的不足。
本发明的实施例通过以下技术方案实现：一种预钻式深部岩体力学变形试验仪，包括地表控制终端、形变数据处理器、动力系统以及穿设于预成孔内的活塞压变器；
所述活塞压变器由压变器壳体、动力输出单元、施力活塞以及激光测距仪构成，所述动力输出单元以及激光测距仪均设于压变器壳体内，其中，所述施力活塞第一端与动力输出单元连接，第二端延伸至所述压变器壳体外侧，所述施力活塞的第一端与压变器壳体之间连接有回弹弹簧，所述激光测距仪与施力活塞同侧设置，所述激光测距仪通过形变数据传输线束连接形变数据处理器；
所述地表控制终端与动力系统通信连接，所述动力系统连接至动力输出单元，所述形变数据处理器通过通信线束连接至地表控制终端。
根据一种优选实施方式，所述地表控制终端包括量测控制模块以及数据处理模块，所述量测控制模块用于驱动动力系统，所述数据处理模块用于基于形变数据处理器上传的数据计算目标岩体的变形模量。
根据一种优选实施方式，所述动力系统采用液压动力系统，所述动力输出单元为液压缸，所述液压动力系统通过高压油管与液压缸连接，所述施力活塞第一端通过密封橡胶圈与液压缸连接。
根据一种优选实施方式，所述施力活塞设有N组，N组所述施力活塞沿活塞压变器高度方向间隔设置，N大于等于2。
根据一种优选实施方式，N组所述施力活塞均分别对应设有激光测距仪，通过设置的所述激光测距仪获取目标岩体在施力活塞作用下产生的形变。
根据一种优选实施方式，所述形变数据处理器设于压变器壳体内。
根据一种优选实施方式，所述压变器壳体顶部设有提升架。
根据一种优选实施方式，所述地表控制终端还包括控制箱，所述量测控制模块以及数据处理模块均设于控制箱内，所述控制箱设于一载具上。
本发明还提供一种预钻式深部岩体力学变形试验参数计算方法，应用到如上述所述的变形试验仪，包括如下步骤：
S1.通过对目标岩体极限载荷进行分析，确定最大加压载荷；
S2.采用分级加压的方式开展变形试验；
S3.在加压过程中记录各级压力下的目标岩体形变量，生成P-W曲线；
S4.基于布辛涅斯克理论进行目标岩体变形模量的计算。
根据一种优选实施方式，步骤S4具体包括：基于布辛涅斯克理论推导出不同压力下目标岩体的侧向变形模量、弹性模量/>以及剪切模量/>，表达式如下：
上式中，表示单位面积压力，单位为MPa，/>表示施力活塞直径，单位为cm，/>表示目标岩体泊松比，/>表示相应/>下目标岩体总变形，/>表示相应/>下目标岩体弹性变形，表示相应/>下目标岩体塑性变形，单位为cm。
本发明实施例一种预钻式深部岩体力学变形试验仪及参数计算方法的技术方案至少具有如下优点和有益效果：本发明采用刚性施力活塞取代弹性膜，可根据需求选择测试段岩体的测试方向，以获取不同方向的岩土体变形参数，弥补了弹性膜方法测试的综合变形参数的不足，更适用于岩土工程；本发明采用施力活塞搭配动力系统，提高了整体的刚度，能够适应各种复杂工况和硬质岩地层，满足岩体试验压力需求，适用于深部硬质岩体变形参数获取；此外，本发明所提供的变形试验仪无需大面积开挖，仅需一般勘查钻孔即可实现测试，依靠单孔可实现一孔多测以及同位异向，这对于需要不同方向岩体变形参数的岩土工程设计提供了更加准确和针对性的变形参数。
附图说明
图1为本发明实施例1提供的活塞压变器的初始状态示意图；
图2为本发明实施例1提供的活塞压变器的加压状态示意图；
图3为本发明实施例1提供的活塞压变器的泄压状态示意图；
图4为本发明实施例1提供的变形试验仪的整体结构示意图；
图5为本发明实施例1提供的变形试验仪试验原理示意图；
图6为本发明实施例2提供的P-W曲线示意图；
图标：1-活塞压变器，101-压变器壳体，102-液压缸，103-施力活塞，104-激光测距仪，105-形变数据处理器，106-回弹弹簧，107-形变数据传输线束，108-提升架，2-地表控制终端，201-控制箱，202-载具，203-通信线束，3-液压动力系统，301-高压油管。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
实施例1
参见图4所示，图4为本发明实施例所提供的预钻式深部岩体力学变形试验仪的整体结构示意图。具体地，该预钻式深部岩体力学变形试验仪，包括地表控制终端2、形变数据处理器105、动力系统以及穿设于预成孔内的活塞压变器1；在本实施例的一种实施方式中，所述形变数据处理器105设于压变器壳体101内。
区别于传统承压板法以及弹性膜法所需的大面积开挖，本实施例所提供的活塞压变器1仅需一般勘查钻孔即可实现测试；为实现深部硬质岩体变形参数的获取，本实施例所提供的所述活塞压变器1由压变器壳体101、动力输出单元、施力活塞103以及激光测距仪104构成，所述动力输出单元以及激光测距仪104均设于压变器壳体101内，其中，所述施力活塞103第一端与动力输出单元连接，第二端延伸至所述压变器壳体101外侧，所述压变器壳体101呈筒状，顶部设有提升架108。
进一步地，所述施力活塞103的第一端与压变器壳体101之间连接有回弹弹簧106，所述回弹弹簧106用于在泄压过程中施加反力对施力活塞103进行复位；所述激光测距仪104与施力活塞103同侧设置，具体地，所述施力活塞103设有N组，N组所述施力活塞103沿活塞压变器1高度方向间隔设置，N大于等于2，N组所述施力活塞103均分别对应设有激光测距仪104，通过设置的所述激光测距仪104获取目标岩体在施力活塞103作用下产生的形变。具体到本实施例的一种实施方式中，施力活塞103的数量为2个，但此处并不做具体限制。
所述激光测距仪104通过形变数据传输线束107连接形变数据处理器105，用于上传激光测距信息并通过形变数据处理器105将其处理为形变数据，所述形变数据处理器105通过通信线束203连接至地表控制终端2，将所述形变数据上传至地表控制终端2，通过地表控制终端2进行参数计算。
所述地表控制终端2与动力系统通信连接，用于控制动力系统的启停，所述动力系统连接至动力输出单元。进一步地，所述地表控制终端2包括量测控制模块以及数据处理模块，所述量测控制模块用于驱动动力系统，所述数据处理模块用于基于形变数据处理器105上传的数据计算目标岩体的变形模量。
具体到本实施例的一种实施方式中，参见图1至图3所示，所述动力系统采用液压动力系统3，所述动力输出单元为液压缸102，所述液压动力系统3通过高压油管301与液压缸102连接，所述施力活塞103第一端通过密封橡胶圈与液压缸102连接；在本实施例的一种实施方式中，通过液压动力系统3提供2000kpa的压力，以满足深部硬质岩体变形参数的试验需求。进一步地，所述液压动力系统3包含柴油机、液压缸102体、油液、动力活塞以及高压油管301等，在此不做过多赘述。此外，动力系统还可采用气压动力系统，动力输出单元则采用气压缸，以替换液压动力系统3，在此不做过多赘述。
此外，为实现地表控制终端2的转移，所述地表控制终端2还包括控制箱201，所述量测控制模块以及数据处理模块均设于控制箱201内，所述控制箱201设于一载具202上。
参见图5所示，以下对本预钻式深部岩体力学变形试验仪的测试原理进行说明：首先将活塞压变器1通过钻机放入钻孔目标测量岩层，然后通过量测控制模块控制液压动力系统3进行加压，通过液压缸102推动钻孔内活塞压变器1中施力活塞103向目标岩体侧向挤压，激光测距仪104获取的数据经形变数据处理器105处理后上传至数据处理模块，然后通过数据处理模块进行分析处理，形成P-W曲线（压力与变形曲线），最后基于布辛涅斯克理论进行目标岩体变形模量的计算。
实施例2
本发明实施例提供一种预钻式深部岩体力学变形试验参数计算方法，应用到实施例1所述的变形试验仪，包括如下步骤：
S1.通过对目标岩体极限载荷进行分析，确定最大加压载荷；
S2.采用分级加压的方式开展变形试验；
S3.在加压过程中记录各级压力下的目标岩体形变量，生成P-W曲线，参见图6所示；
S4.基于布辛涅斯克理论进行目标岩体变形模量的计算，具体包括：基于布辛涅斯克理论推导出不同压力下目标岩体的侧向变形模量、弹性模量/>以及剪切模量/>，表达式如下：
上式中，表示单位面积压力，单位为MPa，/>表示施力活塞直径，单位为cm，/>表示目标岩体泊松比，/>表示相应/>下目标岩体总变形，/>表示相应/>下目标岩体弹性变形，表示相应/>下目标岩体塑性变形，单位为cm。
综上所述，本发明采用刚性施力活塞取代弹性膜，可根据需求选择测试段岩体的测试方向，以获取不同方向的岩土体变形参数，弥补了弹性膜方法测试的综合变形参数的不足，更适用于岩土工程；本发明采用施力活塞搭配动力系统，提高了整体的刚度，能够适应各种复杂工况和硬质岩地层，满足岩体试验压力需求，适用于深部硬质岩体变形参数获取；此外，本发明所提供的变形试验仪无需大面积开挖，仅需一般勘察钻孔即可实现测试，依靠单孔可实现一孔多测以及同位异向，这对于需要不同方向岩体变形参数的岩土工程设计提供了更加准确和针对性的变形参数。
以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种预钻式深部岩体力学变形试验仪，其特征在于，包括地表控制终端(2)、形变数据处理器(105)、动力系统以及穿设于预成孔内的活塞压变器(1)；
所述活塞压变器(1)由压变器壳体(101)、动力输出单元、施力活塞(103)以及激光测距仪(104)构成，所述动力输出单元以及激光测距仪(104)均设于压变器壳体(101)内，其中，所述施力活塞(103)第一端与动力输出单元连接，第二端延伸至所述压变器壳体(101)外侧，所述施力活塞(103)的第一端与压变器壳体(101)之间连接有回弹弹簧(106)，所述激光测距仪(104)与施力活塞(103)同侧设置，所述激光测距仪(104)通过形变数据传输线束(107)连接形变数据处理器(105)；
所述地表控制终端(2)与动力系统通信连接，所述动力系统连接至动力输出单元，所述形变数据处理器(105)通过通信线束(203)连接至地表控制终端(2)。
2.如权利要求1所述的预钻式深部岩体力学变形试验仪，其特征在于，所述地表控制终端(2)包括量测控制模块以及数据处理模块，所述量测控制模块用于驱动动力系统，所述数据处理模块用于基于形变数据处理器(105)上传的数据计算目标岩体的变形模量。
3.如权利要求1所述的预钻式深部岩体力学变形试验仪，其特征在于，所述动力系统采用液压动力系统(3)，所述动力输出单元为液压缸(102)，所述液压动力系统(3)通过高压油管(301)与液压缸(102)连接，所述施力活塞(103)第一端通过密封橡胶圈与液压缸(102)连接。
4.如权利要求1所述的预钻式深部岩体力学变形试验仪，其特征在于，所述施力活塞(103)设有N组，N组所述施力活塞(103)沿活塞压变器(1)高度方向间隔设置，N大于等于2。
5.如权利要求4所述的预钻式深部岩体力学变形试验仪，其特征在于，N组所述施力活塞(103)均分别对应设有激光测距仪(104)，通过设置的所述激光测距仪(104)获取目标岩体在施力活塞(103)作用下产生的形变。
6.如权利要求1至5任一项所述的预钻式深部岩体力学变形试验仪，其特征在于，所述形变数据处理器(105)设于压变器壳体(101)内。
7.如权利要求1至5任一项所述的预钻式深部岩体力学变形试验仪，其特征在于，所述压变器壳体(101)顶部设有提升架(108)。
8.如权利要求2至5任一项所述的预钻式深部岩体力学变形试验仪，其特征在于，所述地表控制终端(2)还包括控制箱(201)，所述量测控制模块以及数据处理模块均设于控制箱(201)内，所述控制箱(201)设于一载具(202)上。
9.一种预钻式深部岩体力学变形试验参数计算方法，其特征在于，应用到如权利要求1至8任一项所述的变形试验仪，包括如下步骤：
S1.通过对目标岩体极限载荷进行分析，确定最大加压载荷；
S2.采用分级加压的方式开展变形试验；
S3.在加压过程中记录各级压力下的目标岩体形变量，生成P-W曲线；
S4.基于布辛涅斯克理论进行目标岩体变形模量的计算。
10.如权利要求9所述的预钻式深部岩体力学变形试验参数计算方法，其特征在于，步骤S4具体包括：基于布辛涅斯克理论推导出不同压力下目标岩体的侧向变形模量、弹性模量/>以及剪切模量/>，表达式如下：
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