CN206740536U - 孔下三轴压缩‑侧向静载荷‑扭转岩土体测试机器人 - Google Patents
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Abstract
本实用新型提供了一种孔下三轴压缩‑侧向静载荷‑扭转岩土体测试机器人，包括机架，在所述机架的上部安装有进行侧向实验和扭转实验的侧向实验部，在机架的下部安装有进行三轴压力测试的垂直实验部，和通过测量元件获取测量数据并通过线缆输送至位于地面数据主机的测试单元。本实用新型可以在任意深度、各种岩土体、各种含水率的孔下进行原位三轴压缩‑侧向静载荷‑扭转岩土体实验，得到岩土体的多项强度指标，充分满足现场实验各项指标要求。实现了原位对岩土体准确、快速的测试，解决了目前岩体原位测试缺乏简单易用、测量结果准确的测量设备的问题，可广泛用于大岩土行业的岩土体强度测试。
Description
技术领域
本实用新型涉及地质勘探领域，特别是涉及一种能够同时实现地下原位岩土体侧向静载荷、扭转及原位岩土体三轴压缩实验的孔下原位强度测试机器人。
背景技术
岩土体的原位测试强度参数与室内试验强度参数的传统方法比较起来具有明显的优点：
1)可以在拟建场地进行岩土体孔下原位测试，无需取样，避免了因取样由于扰动带来的一系列问题，如原状岩土样扰动及含水量变化等问题；
2)原位测试所涉及的岩土尺寸教室内实验可以大些，因而更能反映岩土体的宏观结构对岩土体的力学性质的影响。
原位测试工作主要是在结构工程设计之前的岩土体工程勘察阶段进行的，必须获得岩土的物理力学参数，提供给设计部门作为基础数据，因此，必须做到数据准确、可靠、稳定，才会使设计部门的设计结构安全可靠，进而确保生命和财产的安全。
目前，土体的原位测试实验包括在地面上的静载荷实验、剪切实验以及大剪实验等；和钻孔下的十字剪切实验、旁压试验、静力触探、动力触探、标准贯入实验等。
岩体的实验主要有岩体变形实验、岩体强度实验、岩石点荷载强度实验、岩体声波探测(包括硐室围岩松动圈的声波测试、声波测井、围岩分类的声波测试)、路基沉降实验、围岩收敛变形实验、硐室的工程地质展示图等。
岩体在外荷载或者卸荷作用下的破坏方式一般为剪破坏和拉张破坏，其中剪切破坏占大多数。因此，岩体破坏的本质就是剪切破坏和拉张破坏强度，岩体强度的原位测试主要是测得岩体的剪切和拉张强度。目前采用的原位地面实验，可以测得岩体的摩擦角c和内聚力值，c、值是岩体强度的重要指标，它代表着岩体抵抗剪切破坏的性能。
岩体结构单元是由岩块(块状、板状的，完整或者碎裂)、结构面(软弱 结构面、坚硬结构面)以及充填物等组成，由于各种结构面的发育和分布的不均匀性，使其变形性质比岩石变形复杂得多，因而岩体的变形不能由岩石的变形所表述，必须通过岩体变形实验测定其变形指标。岩体变形实验是为测定岩体在一定的载荷作用或者卸荷作用下变形特性指标而进行的岩体现场实验。通过实验测定岩体的变形模量、弹性模量以及变形系数等岩石工程中不可缺少的岩体力学参数。该试验可以得到岩体的变形模量和弹性模量。
岩体的物理力学参数是基础数据，如果得不到准确值，对任何岩体工程的强度设计、变形验算、稳定性，就得不到精确的设计和评价，所以大多数的工程规范都有安全系数来增大安全的保障。对于煤矿工程，涉及到巷道支护的设计基础数据，要明确测得巷道围岩的力学参数，来保证支护设计的合理性、经济造价和工期；松动圈的扩展速度、范围及扩展规律等；围岩在卸荷状态下数值模拟，也要精确得到围岩各层岩体的力学参数才能得到理想的结果。
岩体原位测试是在现场制备试件模拟工程作用对岩体施加外荷载，进而求取岩体力学参数的试验方法，是岩土工程勘察的重要手段之一。岩体原位测试的最大优点是对岩体扰动小，尽可能地保持了岩体的天然结构和环境状态，使测出的岩体力学参数直观、准确。
目前，岩体的原位测试一般是采用多个独立的设备分别进行不同的实验，再根据不同设备的测试数据得到相关测试结果，该方式导致测试过程繁琐冗长，缺少实现全自动化的智能测试机器人。
实用新型内容
本实用新型的目的是要提供一种可进行孔下岩土体原位三轴压缩-侧向静载荷-扭转岩土体的孔下原位岩土强度测试的机器人。
特别地，本实用新型提供孔下三轴压缩-侧向静载荷-扭转岩土体测试机器人，包括提供安装空间的机架，所述机架上安装有：
侧向实验部，安装在所述机架的上部，包括固定在所述机架轴线上的固定管，和活动套在固定管外部的旋转筒，和可径向移动地安装在所述旋转筒圆周的多个弧形的反力板，安装在所述反力板和所述旋转筒之间的径向动力装置，以及驱动所述旋转筒和所述反力板同步旋转的旋转动力装置；
垂直实验部，固定在所述机架的下部，包括垂直向下切削岩土的切削装置，以及位于所述切削装置内部对切削的岩土进行三轴压力测试的三轴压缩实验装置；
测试单元，通过测量元件获取所述侧向实验部和所述垂直实验部的测量数据，并通过线缆输送至位于地面的数据主机。
在本实用新型的一个实施方式中，所述旋转筒的径向上设置有固定架，所述固定架的顶部和底部分别设置有垂直于所述旋转筒的滑轨，所述反力板通过设置在上下两端处的滑块卡在所述滑轨上。
在本实用新型的一个实施方式中，所述径向动力装置为柔性材料制作的第一气囊，和通过管路与所述第一气囊连接的第一气源，所述第一气囊分别与所述反力板和所述旋转筒固定。
在本实用新型的一个实施方式中，所述旋转动力装置包括安装在所述固定管内以驱动所述旋转筒相对转动的旋转电机，所述旋转筒的内表面圆周安装有内齿轮，所述旋转电机的驱动轴上安装有与所述内齿轮啮合的外齿轮。
在本实用新型的一个实施方式中，所述切削装置包括外部的环形筒体，安装在所述筒体内侧面的环形切刀，所述切刀的顶部固定有施压板，在所述施压板和所述机架之间安装有施加轴向力的第二气囊，以及通过管路为所述第二气囊供气的气源；
所述第二气囊为环形气囊，所述施压板为与所述环形气囊对应的环形板。
在本实用新型的一个实施方式中，所述三轴压缩实验装置包括安装在所述切刀内侧面围成环形以施加径向力的第三气囊，和安装在所述切刀内顶部施加轴向力的第四气囊，以及安装在所述机架上为所述第三气囊、所述第四气囊供气的气源，在所述第三气囊和第四气囊上安装有检测压力的传感器；
所述机架在所述第二气囊的中间通道处设置有固定台，所述第四气囊的上表面与所述固定台的下表面固定，下表面上安装有垂直加压板。
在本实用新型的一个实施方式中，所述侧向实验部还包括去除孔下中虚土的去虚土装置，所述去虚土装置包括位于所述反力板与反力板之间的切片，和设置在所述固定架上且向所述旋转轴的径向延伸以滑动安装所述切片的滑动轨道，所述滑动轨道与所述反力板的移动轨道重合。
在本实用新型的一个实施方式中，计算侧向静载荷的公式如下：
Ec(MPa)为侧向静载荷实验的变形模量，Ic为侧向承压板的形状系数，μ为土的泊松比，p为p-s曲线线性段的压力(kpa)，sc为与p对应的位移(mm)。
在本实用新型的一个实施方式中，计算侧向扭转力的公式如下：
其中，τ为反力板与土体间的剪力，Me为准静态时的扭矩，WP为扭转截面系数；
根据反力板与土体间侧向摩擦的摩阻力值qsh，和材料系数α，可得：
在本实用新型的一个实施方式中，计算三轴压缩的公式为：
根据摩尔-库伦破坏包络线，得到强度包线，再得到抗剪强度公式：
τfc＝c+σtanφ
其中，c为土的粘聚力，φ为土的内摩察角。
本实用新型的孔下强度测试机器人可以在任意深度、各种岩土体、各种含水率的孔下进行原位三轴压缩-侧向静载荷-扭转岩土体实验，得到岩土体的多项强度指标，充分满足现场实验各项指标要求。实现了在原位状态下对岩土体准确、快速的测试，解决了目前岩体原位测试缺乏简单易用、测量结果准确的测量设备的问题，可广泛用于大岩土行业的岩土体强度参数测试。
附图说明
图1是本实用新型一个实施方式的测试机器人结构示意图；
图2是本实用新型一个实施方式的侧向实验部的剖视图；
图3是本实用新型另一个实施方式的测试机器人结构示意图。
具体实施方式
如图1、2所示，本实用新型一个实施方式的孔下三轴压缩-侧向静载荷-扭转岩土体测试机器人100一般性地包括一个可以通过缆索在地下钻孔中出入的机架10，在机架10上安装有侧向实验部20和垂直实验部30，以及用于接收并处理侧向实验部20和垂直实验部30测量数据的测量单元。
机架10可以是一个筒形的框架结构，在外部可以安装相应的保护壳体，在内部通过各种框架安装不同的测试部件。
侧向实验部20安装在机架10的上部，用于实现孔下的侧向静载荷和扭转实验，包括固定在机架10内部的固定管11，和活动套在固定管11外部的旋转筒12，以及可径向移动地安装在旋转筒12圆周的多个弧形反力板22，在反力 板22和旋转筒12之间安装有径向动力装置21，在机架10上还安装有驱动旋转筒12和反力板22同步旋转的旋转动力装置23。其中，各反力板22可以围成一个圆形，并在径向动力装置21的控制下，在该圆的径向上来回移动。具体反力板22的数量可以是2～4块。径向动力装置21可以是液压装置，其通过液压杆与反力板22连接并推动反力板22相对旋转筒12做径向移动。
垂直实验部30固定在机架10的下部，包括垂直向下切削岩土的切削装置31，以及位于切削装置31内部对切削的岩土进行三轴压力测试的三轴压缩实验装置32。切削装置31可以在动力装置的控制下，对下方的岩土进行垂直方向的环形切割，以获取相应的岩土试样，而三轴压缩实验装置32可以对该岩土试样进行三轴压力实验。
切削装置31一般由切刀311和驱动装置构成，切刀311可在驱动装置的压力下挤入下方的岩土层中，切刀311可以是环形结构，以在岩土层中切出一块独立的圆柱岩土试样。
三轴压缩实验装置32用于对岩土试样施加周向压力和竖直压力，然后获取岩土的抗剪强度等参数数据。
该测试单元包括测量元件和数据主机，测量元件安装在侧向实验部20和垂直实验部30处，以获取相应的测量数据，数据主机放置在地面以方便操作人员处理收集的各种实验数据，数据主机通过线缆与各测量元件连接。具体的测量部件可以包括测量压力、位移、测量扭矩等相应传感器，测量元件传输数据的线缆可以穿过固定管11后引到地面与数据主机连接。
在工作时，将机架10悬吊入打好的孔下中，到达指定位置后，通过地面上的数据主机控制孔下机架10上的各种实验设备进行相应实验。
首先进行侧向静载荷实验，过程如下：由测量单元控制径向动力装置21推动反力板22相对旋转筒12做径向移动，各反力板22分别向孔下的对应侧壁方向移动，最终与侧壁接触，然后控制径向动力装置21逐渐对反力板22施加法向力，直至侧壁承受的压力达到实验要求。在此过程中，通过分别安装在反力板22外表面处的压力传感器，可获取侧壁的压力变化数据并及时通过线缆传递给数据主机，数据主机通过相应计算可得到孔下处岩土层的侧向压力-位移(P-S)曲线，进而得到岩土体的相应各项比例界限荷载、塑性荷载、极限荷载等指标。
计算过程如下：根据p-s曲线的拐点，必要时结合s-lgt曲线特征，确定比例界限压力和极限压力，当p-s呈缓变曲线时，可取对应于某一相对沉降值的 压力评定地基土承载力。
土的变形模量应根据p-s曲线的直线段，可按均质各向同性半无限弹性介质的弹性理论计算。侧向静载荷实验的变形模量Ec(MPa)，可按下式计算：
其中：Ic为侧向承压板的形状系数；μ为土的泊松比；p为p-s曲线线性段的压力(kpa)；sc为与p对应的位移(mm)。
侧向静载荷实验完成后，可通过径向动力装置21控制反力板22回到原位。
再进行扭转实验，过程如下：
重新选择一个孔下预定的位置，通过径向动力装置21推动反力板22与侧壁接触，再启动旋转动力装置23驱动旋转筒12相对固定管11转动，旋转筒12带动反力板22相对侧壁进行转动，此时通过反力板22上的相应传感器，即可将当前反力板22上的侧向力、扭矩发送至测量单元。通过控制反力板22对侧壁施加不同级别的侧向载荷，然后再进行旋转，最终可测得不同侧向力与扭矩的数据，然后得到相应的位移曲线。
计算过程如下：根据扭矩和转角曲线，可以得到承压板面的剪力为：
式中：τ为反力板与土体间的剪力，Me为准静态时的扭矩，WP为扭转截面系数。
根据牛顿第一定律，可得反力板与土体间侧向摩擦的摩阻力值qsh，考虑到材料系数α，可得：
作为散性材料的土体，土体和反力板之间的摩擦不同于刚体之间的摩擦，这是因为土体随着含水量的增加，会从近似刚体向弹性体、粘弹性体、塑性体和流体方向变化，一般情况下，土体与其他物体间的摩擦力，有两部分组成，一部分是土体的滑动摩擦力；另一部分是土体内因水膜张力而产生的滑移阻力。前者与土体所受的外荷载及土体本身的性质相关，后者与土体含水量、孔隙水溶液的性质及水土相互作用(广义吸力)有关。
扭转实验完成后，可通过径向动力装置21控制反力板22回到原位。
再进行三轴压缩实验，过程如下：
控制机架10到达孔下的预定底部，并使切削装置31与坑底接触，利用径向动力装置21控制反力板22压在侧壁上，反力板22施加至侧壁上的压力可使整个机架10形成相对固定的稳定结构，即反力装置。然后控制切削装置31对下方的岩土进行切削，可以在岩土试样处于原位应力状态下进行制样，最终切削装置31可以直接切割出一块独立的岩土试样，通过三轴压缩实验装置32对切削下来的岩土试样在垂直方向、水平方向施加同样载荷，再逐渐增加垂直方向的荷载，每级荷载重复这个过程，直到岩土试样被压缩破坏，测量单元根据该过程得到的各数据可得到应力莫尔圆曲线以及应力-应变不同荷载级别下的曲线，根据相应岩土体强度计算公式最终可得到当前岩土层的相应力学参数。
计算过程如下：根据摩尔-库伦破坏包络线，得到强度包线。得到抗剪强度公式：
τfc＝c+σtanφ
式中：c为土的粘聚力，φ为土的内摩察角。
本实用新型通过一个机架10安装多个测试机器人，可以在一个孔下内完成当前岩土层的侧向静载荷试验、扭转实验和三轴压缩实验。而且各实验可以在任意深度、各种岩土体、各种含水率的孔下进行实验，得到岩土体的多项强度指标，充分满足现场实验各项指标要求。实现了原位对岩土体准确、快速的测试，解决目前岩体原位测试缺乏简单易用、测量结果准确的测量设备的问题，可广泛用于大岩土行业的岩土体强度测试。
在本实用新型的一个实施方式中，在旋转筒12的径向上设置有用于活动安装反力板22的固定架13，固定架13围绕旋转筒12固定安装，在固定架13的顶部和底部分别设置有垂直于旋转筒12的滑轨，反力板22通过设置在上下两端处的滑块卡在滑轨上。当径向动力装置21推动反力板22时，反力板22即可在滑块与滑轨的配合下沿固定架13进出。滑块和滑轨可以限制反力板22在圆周方向上的转动，同时能够限制反力板22在径向上的移动方向和位移距离。固定架13可以根据反力板22的数量划分成相应数量的安装框。当旋转筒12转动时，固定架13随旋转筒12同步转动，同时使反力板22也同步旋转。
在本实用新型的一个实施方式中，该径向动力装置21可以是采用柔性材料制作的第一气囊211，和通过管路与第一气囊211连接的第一气源。第一气囊211通过内部的充气过程推动反力板22移动或使其对侧壁进行施压。第一气源可以固定在机架10上，通过测量单元控制工作过程，也可以设置在地面 上，然后通过管路与第一气囊211连接。第一气囊211可以活动安装在反力板22和旋转筒12之间，由固定架13限定安装空间；也可以分别与反力板22和/或旋转筒12固定。第一气囊211可以设置多个且数量与反力板22的数量和位置对应。
在本实用新型的一个实施方式中，该旋转动力装置23可以包括安装在固定管11内以驱动旋转筒12转动的旋转电机231，和安装在旋转筒12内表面圆周上的内齿轮233，旋转筒12安装内齿轮233的一端可以伸出固定管11的上端或下端，旋转电机231的驱动轴232伸出固定管11外并通过固定在驱动轴232上的外齿轮234与内齿轮233啮合。在工作时，旋转电机231可通过驱动轴232驱动旋转筒12相对固定管11转动，进而带动反力板22转动。
在本实用新型的一个实施方式中，该切削装置31包括安装在机架10上的一个空心筒体321，筒体321的上部密封，下部开口，在筒体321内安装有切刀311、施压板313、第二气囊312，为第二气囊供气的气源，即第二气源可以安装在机架上也可以安放在地面上。切刀311可以为圆管形，并与机架10同轴，切刀311可以通过机架10上的轨道与机架10滑动安装在一起。该施压板313安装在切刀311的顶部，方便第二气囊312的压力作用到切刀311上；施压板313可以与切刀311固定连接。第二气囊312设置在施压板313的上方。
不使用时，切刀311可以位于机架10上的筒体321内，当第二气源为第二气囊312充气时，第二气囊312会对承压板313施加一个向下的压力，进而使切刀311沿轨道向下伸出筒体321的下方，对下方的岩土切割出一块圆柱形的岩土试样。切割完毕后可以对第二气囊312进行放气，使切刀311失去压力后，可在弹性拉伸结构或第二气囊312的作用下同时上升回到筒体32110内。弹性拉伸结构可以是一个通过弹力使切刀311始终保持在筒体321内的结构，其弹力小于第二气囊施加的压力，使得切刀311可以在第二气囊的压力下下行，并在失去第二气囊的压力后将切刀311拉回原位。
为方便第二气囊312的压力集中在承压板313上，第二气囊312的上表面可以与机架10固定连接，而下表面与承压板313固定连接，该结构可以使第二气囊312依靠上方的机架10施加的反作用力推动下方的切刀311更快的下行。第二气囊312采用固定连接结构后，可以在承压板313不使用时，对其施加一个拉力，避免切刀311下坠。
进一步地，为提高施压效果，该第二气囊312可以为环形气囊，而施压板313可以为与环形气囊对应的环形板。采用环形结构可以在中部留下安装三轴 压缩实验装置32的空间，此外，环形结构也可最大限度地提高利用效率。
在本实用新型的一个实施方式中，提供一种具体的三轴压缩实验装置32，其包括安装在切刀311内侧面围成空心形状以施加径向力的第三气囊323和安装在切刀311的内顶部以施加轴向力的第四气囊325，为第三气囊323和第四气囊325供气的气源，即第三气源和第四气源可以安装在机架上也可以安放在地面上。
第三气囊323固定在切刀311的内侧面并在中间形成一个环形腔囊，随切刀311同步移动，其利用气囊的饱和程度对中间放置的岩土试样施加径向压力(周向压力)，第三气囊323可以由一至三块弧形气囊组成，围压腔321的底部为岩土试样进入口。第四气囊325固定在切刀围成空间的内顶部，可以是与机架10固定，用于对处于第三气囊323中的岩土试样施加垂直压力。
在工作时，第三气囊323随切刀311在第二气囊312的压力下同步下移，切刀311在下行的过程中会切割出足够第三气囊323穿行的切割缝，当岩土试样置入第三气囊323中的环形囊腔中后，可以启动第三气源向第三气囊323内充气，充气后的第三气囊323向中间的岩石试样施加径向压力，通过第四气源向第四气囊325充气，则第四气囊325由岩土试样的顶部向下施压，实现柔性挤压。通过安装在第三气囊323第四气囊325上的传感器即可获取到相关的压力数据，再经过相应计算，可以绘制不同实验条件下的主应力差与轴向应变关系曲线、绘制强度包线、应力莫尔圆曲线等，计算得到粘聚力、内摩擦角、抗剪强度指标等内容。
在实验时，对采取的岩土试样，在垂直方向、水平方向施加同样载荷，再逐渐增加垂直方向的荷载，每级荷载重复这个过程，直到岩土试样压缩破坏，得到应力莫尔圆曲线以及应力-应变不同荷载级别下的曲线；利用测试机器人得到所有数据并处理，根据相应岩土体强度计算公式得到岩土样的相应力学参数。
进一步地，为方便安装第四气囊325，可以在机架10上设置与第二气囊312中间通道对应的固定台14，固定台14可以伸入第二气囊312中间的通道中，第四气囊325的上表面与固定台14固定。设置固定台14可以对第二气囊312进行限定，避免与第四气囊325相互影响。
此外，如图3所示，还可以在第四气囊325的下表面固定一块垂直加压板324，垂直加压板324随第四气囊325同步移动，在与岩土试样接触时，可以更均匀的传递垂直压力，实现刚性挤压。
在本实用新型的一个实施方式中，可以在机架10上安装可视装置(图中未示出)，该可视装置可以是摄像机、照相机等一类可以实时获取孔下信息的图像获取装置。可视装置可以通过线缆与地面的数据主机连接，以使控制人员可以根据实时获取的图像控制各实验的步骤，并实时观察实验效果。可视装置可以安装在多个地方，如分别观察侧向实验的位置，和观察三轴压缩实验的位置处。
在本实用新型的一个实施方式中，该侧向实验部还可以包括去除孔下中虚土的去虚土装置(图中未示出)。去虚土装置具体包括位于反力板22，和位于反力板22之间的切片，以及设置在固定架13上且向旋转筒12的径向延伸以滑动安装切片的滑动轨道，滑动轨道与反力板22的移动轨道重合。
切片采用立式安装的结构，可以在推力作用下沿滑动轨道移动。当反力板22被第一气囊211推动向外移动时，反力板22的侧边与切片靠近旋转筒12一侧的边接触，并推动切片向机架10外部移动，当反力板22移动至指定位置时，切片的前端部会伸出机架10圆周表面，此时控制旋转筒12旋转，即可带动切片对深坑的侧壁进行切削，将孔下表面的虚土刮下。切片的伸出端可以设置成向刮动方向弯曲的弧形结构，反力板22受到的第一气囊211压力大于一个预定值时，会挤开切片的阻挡而与深坑侧壁接触，最终反力板22伸出的长度大于切片伸出的长度，因此，切片的伸出并不会影响反力板22的测试效果。当反力板22在第一气囊211的带动下回缩时，可以利用切片的阻挡而将切片沿移动轨道推回机架10内，当反力板22受到的拉力大于某一数值时，反力板22又可以克服切片的阻力而回到原位置。
上述各实施方式中虽然采用了多个气源的限定方式，但在实际使用中，可以通过一个气源为各个气囊进行充气，在每个气囊处安装相应的电磁阀，只需要在启动相应气囊时，打开相应气囊的电磁阀即可为相应的设备提供压力。
至此，本领域技术人员应认识到，虽然本文已详尽示出和描述了本实用新型的多个示例性实施例，但是，在不脱离本实用新型精神和范围的情况下，仍可根据本实用新型公开的内容直接确定或推导出符合本实用新型原理的许多其他变型或修改。因此，本实用新型的范围应被理解和认定为覆盖了所有这些其他变型或修改。
Claims (10)
1.孔下三轴压缩-侧向静载荷-扭转岩土体测试机器人，包括提供安装空间的机架，其特征在于，所述机架上安装有：
侧向实验部，安装在所述机架的上部，包括固定在所述机架轴线上的固定管，和活动套在固定管外部的旋转筒，和可径向移动地安装在所述旋转筒圆周的多个弧形的反力板，安装在所述反力板和所述旋转筒之间的径向动力装置，以及驱动所述旋转筒和所述反力板同步旋转的旋转动力装置；
垂直实验部，固定在所述机架的下部，包括垂直向下切削岩土的切削装置，以及位于所述切削装置内部对切削的岩土进行三轴压力测试的三轴压缩实验装置；
测试单元，通过测量元件获取所述侧向实验部和所述垂直实验部的测量数据，并通过线缆输送至位于地面的数据主机。
2.根据权利要求1所述的孔下三轴压缩-侧向静载荷-扭转岩土体测试机器人，其特征在于，
所述旋转筒的径向上设置有固定架，所述固定架的顶部和底部分别设置有垂直于所述旋转筒的滑轨，所述反力板通过设置在上下两端处的滑块卡在所述滑轨上。
3.根据权利要求1所述的孔下三轴压缩-侧向静载荷-扭转岩土体测试机器人，其特征在于，
所述径向动力装置为柔性材料制作的第一气囊，和通过管路与所述第一气囊连接的第一气源，所述第一气囊分别与所述反力板和所述旋转筒固定。
4.根据权利要求1-3任一所述的孔下三轴压缩-侧向静载荷-扭转岩土体测试机器人，其特征在于：
所述旋转动力装置包括安装在所述固定管内以驱动所述旋转筒相对转动的旋转电机，所述旋转筒的内表面圆周安装有内齿轮，所述旋转电机的驱动轴上安装有与所述内齿轮啮合的外齿轮。
5.根据权利要求1所述的孔下三轴压缩-侧向静载荷-扭转岩土体测试机器人，其特征在于，
所述切削装置包括外部的环形筒体，安装在所述筒体内侧面的环形切刀，所述切刀的顶部固定有施压板，在所述施压板和所述机架之间安装有施加轴向力的第二气囊，以及通过管路为所述第二气囊供气的气源；
所述第二气囊为环形气囊，所述施压板为与所述环形气囊对应的环形板。
6.根据权利要求5所述的孔下三轴压缩-侧向静载荷-扭转岩土体测试机器人，其特征在于，
所述三轴压缩实验装置包括安装在所述切刀内侧面围成环形以施加径向力的第三气囊，和安装在所述切刀内顶部施加轴向力的第四气囊，以及安装在所述机架上为所述第三气囊、所述第四气囊供气的气源，在所述第三气囊和第四气囊上安装有检测压力的传感器；
所述机架在所述第二气囊的中间通道处设置有固定台，所述第四气囊的上表面与所述固定台的下表面固定，下表面上安装有垂直加压板。
7.根据权利要求1所述的孔下三轴压缩-侧向静载荷-扭转岩土体测试机器人，其特征在于，
所述侧向实验部还包括去除孔下中虚土的去虚土装置，所述去虚土装置包括位于所述反力板与反力板之间的切片，和设置在所述固定架上且向所述旋转轴的径向延伸以滑动安装所述切片的滑动轨道，所述滑动轨道与所述反力板的移动轨道重合。
8.根据权利要求1所述的孔下三轴压缩-侧向静载荷-扭转岩土体测试机器人，其特征在于，计算侧向静载荷的公式如下：
<mrow>
<msub>
<mi>E</mi>
<mi>c</mi>
</msub>
<mo>=</mo>
<msub>
<mi>I</mi>
<mi>c</mi>
</msub>
<mrow>
<mo>(</mo>
<mn>1</mn>
<mo>-</mo>
<msup>
<mi>&mu;</mi>
<mn>2</mn>
</msup>
<mo>)</mo>
</mrow>
<mfrac>
<mrow>
<msub>
<mi>pd</mi>
<mi>c</mi>
</msub>
</mrow>
<msub>
<mi>s</mi>
<mi>c</mi>
</msub>
</mfrac>
</mrow>
Ec(MPa)为侧向静载荷实验的变形模量，Ic为侧向承压板的形状系数，μ为土的泊松比，p为p-s曲线线性段的压力(kpa)，sc为与p对应的位移(mm)。
9.根据权利要求1所述的孔下三轴压缩-侧向静载荷-扭转岩土体测试机器人，其特征在于，计算侧向扭转力的公式如下：
<mrow>
<mi>&tau;</mi>
<mo>=</mo>
<mfrac>
<msub>
<mi>M</mi>
<mi>e</mi>
</msub>
<msub>
<mi>W</mi>
<mi>P</mi>
</msub>
</mfrac>
</mrow>
其中，τ为反力板与土体间的剪力，Me为准静态时的扭矩，WP为扭转截面系数；
根据反力板与土体间侧向摩擦的摩阻力值qsh，和材料系数α，可得：
<mrow>
<msub>
<mi>q</mi>
<mrow>
<mi>s</mi>
<mi>h</mi>
</mrow>
</msub>
<mo>=</mo>
<mi>&alpha;</mi>
<mfrac>
<msub>
<mi>M</mi>
<mi>e</mi>
</msub>
<msub>
<mi>W</mi>
<mi>P</mi>
</msub>
</mfrac>
<mo>.</mo>
</mrow>
10.根据权利要求1所述的孔下三轴压缩-侧向静载荷-扭转岩土体测试机器人，其特征在于，计算三轴压缩的公式为：
根据摩尔-库伦破坏包络线，得到强度包线，再得到抗剪强度公式：
τfc＝c+σtanφ
其中，c为土的粘聚力，φ为土的内摩察角。
Priority Applications (1)
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Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN107884274A (zh) * | 2017-12-13 | 2018-04-06 | 重庆科技学院 | 土体三类侧向压力值的测试装置及测试方法 |
| CN114965074A (zh) * | 2022-04-26 | 2022-08-30 | 安徽理工大学 | 一种nmr原位超高动静协同加载试验装置及应用方法 |
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2017
- 2017-06-04 CN CN201720639987.0U patent/CN206740536U/zh active Active
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|---|---|---|---|---|
| CN107884274A (zh) * | 2017-12-13 | 2018-04-06 | 重庆科技学院 | 土体三类侧向压力值的测试装置及测试方法 |
| CN114965074A (zh) * | 2022-04-26 | 2022-08-30 | 安徽理工大学 | 一种nmr原位超高动静协同加载试验装置及应用方法 |
| CN114965074B (zh) * | 2022-04-26 | 2023-07-18 | 安徽理工大学 | 一种nmr原位超高动静协同加载试验装置及应用方法 |
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