WO2018006585A1 - 一种多功能真三轴岩石钻探测试系统及方法 - Google Patents

一种多功能真三轴岩石钻探测试系统及方法 Download PDF

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Abstract

一种多功能真三轴岩石钻探测试系统及方法，该方法对同一试件（6）上多个钻孔各自取出岩芯，分别对这些岩芯实施单轴试验和三轴试验，得出多组力学性质参数，由可直接测量出随钻参数的真三轴岩石钻探测试系统得出多组随钻参数，建立力学性质参数与随钻参数之间的关系式，通过该关系式只需对岩体探测随钻参数即可得出岩体的力学性质参数。以多功能真三轴岩石钻探测试系统为预设试验装置，该试验装置具备对试件（6）进行真三轴加载的功能，能模拟试件（6）在地下工程中三向围压状态下钻机钻进过程，建立不同围压下试件（6）的随钻参数与岩体力学性质参数的关系式，提供从试件（6）制备到数据处理的试验方法。

Description

一种多功能真三轴岩石钻探测试系统及方法 技术领域
本发明涉及岩土工程勘察技术领域，尤其涉及一种多功能真三轴岩石钻探测试系统及方法。
背景技术
利用钻机钻进过程中随钻参数(扭矩、转速、轴压力、钻进速率、钻进比功)与岩石力学参数(单轴抗压强度、泊松比、内摩擦角、弹性模量)和岩体特征(裂隙宽度、数量和岩体完整性系数)做相关度研究是目前较为前沿的研究方向，该方法因钻进过程中不取岩芯，直接利用钻机随钻参数来表征岩体力学参数，具有直观、效率高、现场实时判定等优点。目前针对该项研究的室内试验装置较少，并具有以下缺陷：
(1)无施加围压和轴压的装置，而地下工程现场的岩石一般处于三向压力状态，导致现有试验装置钻进条件与工程现场的条件差别较大。
(2)无法为岩体试件施加热力学耦合条件，无法研究岩体热力耦合作用对钻机钻进参数的影响，无法研究热力耦合作用下岩体的力学特性。
传统的对于围岩锚注后加固效果的评价常用的方法有瞬变电磁法、地质雷达法、钻探法，但这几种方法存在以下问题：
(1)由于施工现场地质条件的复杂性采用瞬变电磁法和地质雷达法往往难以获得准确的结果，并且瞬变电磁法和地质雷达法只能对加固后的软弱围岩通过图像进行定性的分析判断，无法实现对加固效果的准确定量分析。
(2)使用钻探法从现场取芯到得出实验报告的时间间隔长，严重的制约了施工的进度，增加了工程预算成本。
(3)在软弱破碎的复杂地层钻进时岩芯采取率和完整性难以保证，从而无法得出当地岩层的物理性质及力学参数，使得注浆前后的岩石力学参数变化无法定量对比。
目前还没有公布一种三向围压条件下钻进参数测试和钻进过程研究的试验装置，以及一种基于随钻参数监测装置锚注效果评价的方法。
发明内容。
本发明的目的是为了提供一种多功能真三轴岩石钻探测试系统，可以完成多向围压条件下钻机钻进和钻进过程中的钻机运行参数测量试验。
本发明第二目的是提供一种多功能真三轴岩石钻探测试系统的控制方法，根据该方法 可实现对系统的有效控制，获得准确的测量数据。
还提供了一种地下工程中随钻参数表征岩体特性的试验方法，该试验方法利用钻机随钻参数(钻进速率、扭矩、转速、轴压力、钻进比功)来表征岩体特性，可用于建立随钻参数与岩体力学性质(单轴抗压强度、粘聚力、内摩擦角、弹性模量)、岩体完整性参数RQD的关系，为探测岩体的性能提供一定的方便性，可节约对岩芯进行三轴试验和单轴试验的时间。
本发明第四目的是提供一种基于随钻参数对锚注加固效果评价的方法，该方法给出了本发明真三轴岩石钻探测试系统的测试用途，代表测试系统其中一项作用，给出了锚注加固效果的评价方法，具有重要的应用意义。
为了达成上述目的，本发明采用如下技术方案：
本发明提供的第一个方案是：一种多功能真三轴岩石钻探测试系统，包括压力加载装置、钻机单元、监测控制单元和液压站，其中，所述液压站向压力加载装置提供动力，所述压力加载装置对放置于其中的岩石试件施加围压；
所述钻机单元设置于压力加载装置上端，对三向围压加载下的岩石试件进行钻进；
所述监测控制单元控制压力加载装置施加压力，同时控制钻机的扭矩和转速、轴压和位移两组值中的任一个。
所述试件可为100mm×100mm×150mm到300mm×300mm×600mm中的任一尺寸，通过更换不同尺寸加载板，以及在试件下方和上方放置不同尺寸的钢垫块，使加载杆作用在试件侧面中心，来为不同尺寸垫块施加围压。
所述压力加载装置，包括压力室，所述压力室外侧设置有围压加载装置，对岩石试件施加围压。
所述反力架下固定连接有平台板，平台板直接与岩石试件接触，平台板和反力架中部设置预留孔，使钻机钻杆通过。
所述压力室下端为承载其与岩石试件的试件平台。
进一步的，所述围压加载装置，包括两组垂直设置的侧向加载板组，每组侧向加载板组包括两个相对、平行布设的侧向加载板，两组侧向加载板组形成矩形加载架构，以包围住压力室内试件。
所述两组侧向加载板组的施加压力不同或相同，这样可实现多种不同围压情况下试件的围压施加。
所述围压加载装置，还包括侧向液压油缸，液压油缸驱动活塞杆推动侧向加载板给试件施加水平向压力，所述侧向液压油缸端部嵌固于侧向反力板，为侧向液压油缸提供支撑反力。
所述钻机单元，包括钻机，所述钻机嵌入钻机滑轨中，钻机沿钻机滑轨沿轴向上下移动，钻机滑轨通过钻机滑轨固定板固定于试件顶部的反力架上，钻机与钻机伺服电机固接在一起，在上部钻机顶部液压油缸的推动或拉动下，向下或者向上运动。
所述钻机伺服电机为钻机提供旋转力，钻机顶部液压油缸为钻机提供向下的压力，钻机钻头钻杆通过试件顶部的反力架和加载板的预留孔，与试件接触，发生钻进作用。
所述钻机单元还包括伺服电机、减速机构和皮带传动装置，皮带传动装置与减速机构成二级减速装置，通过改变皮带传动装置中皮带两端齿轮的直径比，来改变减速倍数，钻机上部固接于钻机顶部液压油缸，钻机顶部液压油缸为钻机提供轴向力，钻机伺服电机为钻机提供旋转力。
所述监测控制单元，包括监测单元，具体包括检测四个方向上侧向围压大小的侧向围压传感器、检测侧向加载板移动距离的侧向位移传感器、检测钻机扭矩的钻机扭矩传感器、钻机转速的钻机转速传感器、钻机向下施加压力大小的钻机压力传感器和钻机上下移动距离的钻机位移传感器；还包括设于轴向液压油缸处的轴向压力传感器，所述侧向围压传感器均设于供油管路上，侧向位移传感器设于侧向液压油缸侧部，伺服电机自带转速传感器。
优选方案中，共包括四个压力传感器、四个位移传感器和一个扭矩传感器，伺服电机自带转速传感器，扭矩传感器一端连接钻杆一端连接钻机主轴，压力和位移传感器分别监测钻机上部钻机顶部液压油缸、轴向加载装置、两方向围压加载装置的压力和位移，压力传感器安装在四个油缸供油的管路上，位移传感器固定在油缸侧面，测量油缸与其对应加载板位置变化。
所述监测控制单元，包括控制单元，具体包括逻辑控制器、功率放大器和伺服电机，所述逻辑控制器接受压力传感器、位移传感器与扭矩传感器的信号，与设定值进行对比，并发出电压指令，控制钻机伺服电机和液压站伺服电机工作，并实现闭环控制，液压站伺服电机与轴向液压油缸、侧向液压油缸分别单独连接。
上述一种多功能真三轴岩石钻探测试系统的控制方法，所述控制单元控制钻机的模式分为四种：
A.控制扭矩和钻进速率，采集轴压和转速；
B.控制扭矩和轴压，采集转速和钻进速率；
C.控制转速和钻进速率，采集扭矩和轴压；
D.控制转速和轴压，采集扭矩和钻进速率；
控制两个参数并测定另外两个参数，可做到人为的控制参数变化，直观地研究被控制量的变化对其他钻进参数的影响以及对岩石力学参数的响应敏感性，可避免普通钻机钻进过程中参数不稳定、运行模式单一使得钻进参数与岩石力学参数的关系难以研究。控制单元控制液压站伺服电机对试件轴压和围压的控制模式分为三种：
A.恒应变加载，使试件单位时间内发生的微小应变相同；
B.恒压力增量加载，使液压油缸单位时间内压力增加量相同；
C.恒力维持，使试件保持在设定的围压值。
对试件处于恒应变加载控制的方法：使单轴试件顶部接触反力架下的平台板，使单轴试件处于单轴压缩状态，控制轴向加载装置处于恒应变加载模式，以国际岩石力学学会建议的加载速度，给试件施加轴向压力，直至试件破坏。
对试件处于恒压力增量加载控制的方法：对岩体试件三个主应力独立施加，所述恒压力增加加载为，单位时间内给试件某侧面施加相同的压力，工作方法为，逻辑控制器记录侧向压力传感器或者轴向压力传感器读取的当前压力，并控制伺服电机驱动油缸为试件加压，逻辑控制器记录压力传感器的压力变化，压力达到单位时间预设增量时，逻辑控制器控制伺服电机停止，在下一个单位时间重复上述工作。
此外，测试系统还包括用于对岩石试件施加轴压的轴压加载装置，轴压加载装置包括轴向液压油缸，在试件的下部设置轴向加载板，轴向液压油缸推动轴向加载板进而带动岩石试件做轴向运动，并与反力架接触，从而对岩石试件施加轴力。
所述试件平台是压力室内放置试件的平台，平台中心有定位球，可用于试件对中。
在压力室外部设置钢材加热板，加热板内部设有加热管路，加热管路为弯形，在加热板一侧面上端焊接管路入口，与之相对的侧面下端焊接管路出口，使水蒸汽或者高温液体在管路中通过，从而对试件进行加热，而后进行热力耦合作用下试件力学性能的研究。
针对试件内若有含水体或者充填裂隙水的情况，在试件平台的底部可设置密封橡胶盒，在试件顶部可设置尺寸略大于密封橡胶盒的橡胶盖，且在橡胶盖中部预留孔洞，轴向和侧向加载板将压力作用到橡胶盒与橡胶盖上，再通过橡胶盒和橡胶盖为试件施加三向压力，此设计可防止内部水体外流，使测试系统可对含水岩体进行试验。
所述钻机为旋切式钻机或冲击式钻机。旋切式钻机的钻头可设置为取芯钻头也可设置为不取芯钻头。
本发明具有单轴试验机的功能，将单轴试件放入压力室中，并在其上方和下方垫上钢垫块，轴向加载装置托起压力室，使单轴试件上的钢垫块接触反力架下的平台板，使单轴试件处于单轴压缩状态，控制轴向加载装置处于恒应变加载模式，以国际岩石力学学会建议的加载速度，给试件施加轴向压力，直至试件破坏。
所述多功能真三轴岩石钻探测试系统，利用轴压加载装置和围压加载装置，能够进行恒压力增量加载，可实现岩体试件三个主应力独立施加，具有岩体真三轴试验机的部分功能。
本发明提供的第二个方案是：一种地下工程中随钻参数表征岩体特性的试验方法，利用多功能真三轴岩石钻探测试系统对试件实施钻进试验，得到试件的各随钻参数，再在试件钻进试验钻孔周边，取出数组岩芯。根据试验目的不同，对岩芯处理方法不同。
(1)测定岩芯的岩体完整性参数RQD值，建立岩体RQD值与随钻参数的关系式；
(2)分别对这些岩芯实施单轴试验和三轴试验，得出该试件力学性质参数，建立岩体力学性质参数与随钻参数之间的关系式。
通过上述关系式只需通过岩体探测随钻参数即可得出岩体的完整性参数RQD值和力学性质参数；当然，该关系式的曲线最好能存储在真三轴岩石钻探测试仪的监测控制系统内，可实时根据关系式得出岩体的完整性参数和力学性能，简单方便。
进一步地，为了测定岩芯试件力学性质参数，对所述的岩芯从上到下以100mm高度的标准分为多段，即切割打磨并制作成岩石标准试件，分别得出各段的力学性质参数。
进一步地，建立岩体完整性参数RQD值与随钻参数的关系式时，所用试件为破碎岩体试件。
进一步地，为了实现本发明的发明目的，具体步骤如下：
步骤1)根据试验目的，确定影响三向围压加载钻探的岩体基本因素，设计合理的试验方案；
步骤2)根据试验方案，制备相应的试验试件；
步骤3)对制备的试件进行三向围压钻探试验，在试验过程中，采集试件钻探过程中随钻参数，并取得试件的岩芯；
根据不同的试验目的，步骤4)将分为两种情况：
步骤4a)对试件岩芯的取芯率进行统计，测定试件的完整性参数RQD值；
步骤4b)对从试件中所取得岩芯进行切割打磨，制作数个标准试验试件，并进行三轴试验和单轴试验，测定试件材料的力学性质参数；
步骤5)对采集的数据先进行预处理，然后建立处理后的数据与同深度岩石力学性质、岩体完整性参数的关系。
进一步地，所述随钻参数包括钻机钻进速率、扭矩、转速、轴压和推导得出的钻进比功；所述岩体的力学性质参数包括单轴抗压强度、泊松比、内摩擦角、弹性模量；所述岩体完整性参数用RQD值表示。
步骤1)中所述试验目的，包括A.建立不同围压下试件的随钻参数与岩体力学特性的关系，B.建立岩体完整性参数RQD值与随钻参数的关系；
步骤1)中所述影响三向围压加载钻探的岩体基本因素，对于目的A，基本因素为岩体类型，包括不同类型和产地的花岗岩、大理石、砂岩、页岩以及其他岩体；对于目的B，基本因素为岩石裂隙发育程度、破碎情况。
步骤2)中，针对建立不同围压下试件的随钻参数与岩体力学特性的关系试验，所述试验试件可为完整岩体试件、裂隙岩体试件；
所述完整岩体试件指不同类型天然岩石按照多功能真三轴岩石钻探测试系统试件尺寸要求进行切割并打磨而制成；
所述完整岩体试件指按照多功能真三轴岩石钻探测试系统试件尺寸要求，制作不同强度的混凝土或者砂浆试件；
所述裂隙岩体试件，根据试验方案中岩体中裂隙参数的要求，分别将不同角度、不同厚度、不同间距的聚乙烯片预埋在岩体相似材料中，待初凝后将聚乙烯片从相似材料中取出，待试样凝固后脱模并放入特定环境中养护。
步骤1)中，针对建立岩体完整性参数RQD值与随钻参数的关系试验，所用试件为破碎岩体试件，为将横截面为300×300mm、上下面水平光滑的岩石与砂或者碎石层交替放置于压力室内，并循环数层，每层岩石层和砂或者碎石层高度可根据试验方案设计进行变化。
步骤3)中，所述岩芯，岩芯直径为50mm，钻探试验完成后，将试件取出，再用取芯钻机在试验孔周边钻取3～4个钻孔，钻孔编号k(k＝1,2,3…)。
步骤4a)中，所述对试件岩芯的取芯率进行统计，测定试件的RQD值，指先统计每个钻孔的RQD值，然后将每个钻孔的RQD值的平均值作为试件的RQD值，所述每个钻孔RQD值为，每个钻孔所取岩芯中大于10cm的岩芯累计长度与钻孔进尺长度之比的百分数。
步骤4b)中，所述测定试件材料的力学性质参数，为将每个钻孔的岩芯切割成100mm高度的标准试件，从试件上部的标准试件到底端的标准试件依次标号i，则第k孔第i个标准试件所代表在试件中的深度为100(i-1)～100i毫米，并且将同一标号的标准试件分为一 组，例如所有孔第i个标准试件为第i组，对将第i组标准试件实施单轴试验和三轴试验，得到第i组的力学性质参数(单轴抗压强度Rc、粘聚力c、内摩擦角ψ、弹性模量E)，作为100(i-1)～100i毫米深度试件的力学性质参数。
步骤5)中，针对建立岩体完整性参数RQD值与随钻参数的关系试验，对采集的数据先进行预处理，为将对岩体破碎程度敏感的转速r′和扭矩m′进行处理，得到扭矩显著率
Figure PCTCN2017070553-appb-000001
和转速显著率
Figure PCTCN2017070553-appb-000002
所述扭矩显著率
Figure PCTCN2017070553-appb-000003
和转速显著率
Figure PCTCN2017070553-appb-000004
Figure PCTCN2017070553-appb-000005
Figure PCTCN2017070553-appb-000006
式中k表示数据第k个采集点。
所述扭矩显著率临界值和转速显著率临界值为根据试验得到的，确定方法相同，以扭矩显著率临界值确定为例。扭矩显著率临界值依据以下方法确定：将钻进过程中遇到裂隙时的扭矩值记录下来，计算扭矩显著率
Figure PCTCN2017070553-appb-000007
将试验过程中所有遇到裂隙时的扭矩显著率
Figure PCTCN2017070553-appb-000008
作为样本数据，根据样本数据的正态概率分布模型，按95％的置信概率对于的扭矩显著率值
Figure PCTCN2017070553-appb-000009
作为扭矩显著率
Figure PCTCN2017070553-appb-000010
样本参数的截断概率，确定扭矩显著率临界值。
步骤5)中，针对建立岩体完整性参数RQD值与随钻参数的关系试验，所述建立处理后的数据与岩体完整性参数RQD的关系，为在大量试验数据的基础上，将试件的RQD值与扭矩破碎指标QDm和转速破碎指标QDr利用多元线性回归的方法进行公式拟合，最终拟合公式的形式为：
RQD＝β0+β1QDm+β2QDr
其中β0、β1、β2都为回归系数。
所述扭矩破碎指标QDm和转速破碎指标QDr
Figure PCTCN2017070553-appb-000011
Figure PCTCN2017070553-appb-000012
式中，
Figure PCTCN2017070553-appb-000013
表示某一个钻孔中扭矩显著率
Figure PCTCN2017070553-appb-000014
小于临界值的第i段长度，
Figure PCTCN2017070553-appb-000015
表示扭矩显著率指标大于临界值但长度小于100mm编号j的段长度。
Figure PCTCN2017070553-appb-000016
表示某一个钻孔中转速显著率
Figure PCTCN2017070553-appb-000017
大于临界值的第i段长度，
Figure PCTCN2017070553-appb-000018
表示转速显著率指标大于临界值但长度小于100mm编号j的段长度，H为某一钻孔的总长度。
步骤5)中，针对建立不同围压下试件的随钻参数与岩体力学特性的关系试验，所述对采集的数据先进行预处理，指将采集到的试件钻进速率v′、扭矩m′、转速r′、轴压n′和推知的钻进比功w′数据从试件上部到底部按100mm分段，第i段代表试件深度为100(i-1)～100i毫米，将该段各指标的算术平均值作为该段的代表值(钻进速率ν、扭矩m、转速r、轴压n和推知的钻进比功w)。
步骤5)中所述建立处理后的数据与同深度岩石力学性质的关系，指通过逐步回归的方法分别回归随钻参数代表值与岩石各个力学性质参数的最优关系式，包括拟合单轴抗压强度Rc与随钻参数代表值的最优关系式、拟合粘聚力c与随钻参数代表值的最优关系式、拟合内摩擦角ψ与随钻参数代表值的最优关系式和拟合弹性模量E与随钻参数代表值的最优关系式。上述四种关系式拟合方法和操作步骤相同，以拟合内摩擦角ψ与随钻参数代表值的最优关系式为例，进行说明，包括以下几个步骤：
(1)明确自变量和因变量，计算相关系数矩阵，此步骤包括4个小步骤。
A.自变量为扭矩x1、转速x2、轴压力x3、钻进速率x4和钻进比功x5因变量为内摩擦角y1，5元回归模型为：
Figure PCTCN2017070553-appb-000019
B.计算各变量的平均值
对于自变量和因变量根据大量现场试验有n组数据，则各变量平均数
Figure PCTCN2017070553-appb-000020
Figure PCTCN2017070553-appb-000021
xki表示第k次试验数据中，xi的值。
C.计算离差阵
自变量平方和为SSi，自变量间及其因变量乘积和为SPij和SPiy
Figure PCTCN2017070553-appb-000022
Figure PCTCN2017070553-appb-000023
Figure PCTCN2017070553-appb-000024
于是得到正规方程组
Figure PCTCN2017070553-appb-000025
D.计算相关系数矩阵
在逐步回归中为便于表达和计算，通常将离差阵化为相关阵，计算公式为
riy＝SPij/(SSiSSj)0.5
式中，i,j＝1,2,3,4,5，riy为x1、x2、x3、x4、x5、y之间的相关系数；相关系数矩阵为
Figure PCTCN2017070553-appb-000026
于是相关系数矩阵为
R(0)＝[rij (0)]
式中0代表原始相关系数。
(2)确定显著性的F检验水准
本试验样本观察数n远大于自变量个数m，则m个自变量被引入的个数对剩余自变量自由度影响不大，此时选定一个固定F检验值，不用更换，显著水准α不宜过小，如可选α＝0.1。Fα为显著性水平为α时的F值，可查F检验临界值表得到。
(3)选取第1个自变量
A.对5个自变量计算偏回归平方和ui
ui＝riy 2/rii(i＝1，2,3,4,5)
ui值越大表示该自变量被引入回归方程后对方差的贡献越大，该自变量最先引入回归方程，如将xk引入回归方程。
B.引入自变量xk后，相关系数阵R(l)经过下列公式变化，转换为R(l+1)。
Figure PCTCN2017070553-appb-000027
(4)选取第2个自变量
A.计算各自变量回归平方和
ui (2)＝[riy (1)]2/rii (1)(i＝1，2,3,4,5)
取除了已经引用的xk外，将其与自变量中
Figure PCTCN2017070553-appb-000028
中最大的自变量引入回归方程，假如为 xl。
B.对引入的自变量xl进行F检验
Fl＝u5 (2)/[(1-uk (1)-ul (2))/(n-2-1)]
若Fl>Fα则引入xl，否则不引入。
C.引入xl后，按R(l+1)公式进行变化，将R(1)变化为R(2)。
D.对引入xk和xl进行显著性检验
先计算出各偏回归平方和及剩余平方和
ui (3)＝[riy (2)]2/rii (2)(i＝1，2,3,4,5)
若
Figure PCTCN2017070553-appb-000029
则xk和xl都显著并保留，否则剔除xk
(5)重复第(4)步，直至取完所有自变量
(6)建立最优回归方程
在逐步回归分析中采用的是标准化的量，即由相关系数求得的解pi为标准回归系数，再将其转换为偏回归系数bi，
Figure PCTCN2017070553-appb-000030
假设xk、xl和xz为被选自变量，bl、bk、bz为自变量相应的偏回归系数；
Figure PCTCN2017070553-appb-000031
最优回归方程为
Figure PCTCN2017070553-appb-000032
利用真三轴岩石钻探测试仪进行步骤3)中所述的钻探试验，包括以下几步：
步骤A：将试验试件，放入到施加围压的侧向加载板组成的压力室内的试件平台上，然后将压力室推入试验台的中央。
步骤B：在与逻辑控制器配套的计算机软件中输入设定的围压值，逻辑控制器控制液压泵站工作，液压油进入四侧向液压油缸，推动侧面加载板为试件施加侧向压力，侧向围压传感器时刻接收侧向液压油缸压力信号，并与逻辑控制器一起动态维持围压。
步骤C：在软件中输入设定的轴压值，轴向液压油缸带动轴向加载板举升压力室，使试件与顶部反力架底部的平台板接触并互相挤压，产生轴力作用，轴压传感器与逻辑控制器一起动态维持轴压。
步骤D：在软件中设定取芯钻机的运行参数，逻辑控制器控制液压泵站的伺服电机和钻机伺服电机，进而控制钻机顶部液压油缸推动钻机单元向下运动，持续钻进，钻机位移传感器和转速传感器时刻监测钻机钻进过程中的钻进速率和转速，并与逻辑控制器、钻机中的伺服电机和减速机共同作用，使钻机在设定的参数下工作直至完成钻进。
本发明提供的第三方案是：
一种基于随钻参数对锚注加固效果评价的方法，基于上述的多功能真三轴岩石钻探测试系统，对现场取得的岩石试件进行锚注加固前和锚注加固后的室内钻进试验，根据锚注加固前试件的等效单轴抗压强度代表值设计锚注加固方案，由试件加固后等效单轴抗压强度的保证率λ判断锚注加固方案的合理性。
一种基于随钻参数对锚注加固效果评价的方法，具体步骤如下：
步骤A)：从地下工程中取现场破碎岩石，并制作室内钻进试验试件，分为若干组；
步骤B)：以任一组为例，随机取部分试件，实施室内钻进试验，记录三个试件的随钻参数，将每个试件的随钻参数代入到第二个方案步骤5)的单轴抗压强度与随钻参数的最优回归关系式，得到每个试件的等效单轴抗压强度，进而得到该组破碎岩体等效单轴抗压强度代表值；
步骤C)：根据步骤B)得到的等效单轴抗压强度代表值和预期强度值对比，设计锚注方案，并对该组剩下试件实施相同的锚注加固方案，并在相同条件下养护；
步骤D)：对养护好的加固试件实施室内钻进试验，将其随钻参数代入到步骤5)的单轴抗压强度与随钻参数的最优回归关系式，得到每个试件的等效单轴抗压强度；
步骤E)：计算该组试件加固后等效单轴抗压强度的保证率，若保证率大于95％，则判定注浆加固方案合理，否则不合理。
进一步地，所述步骤C)中试件等效抗压强度的计算方法：将该试件室内钻进试验过程中记录的随钻参数，包括钻机的扭矩m、转速r、轴压力n、钻进速率v和钻进比功w，代入到第二方案中步骤5)的单轴抗压强度与随钻参数的最优回归关系式中，得到每试件的等效单轴抗压强度。
进一步地，所述破碎岩体等效单轴抗压强度的代表值为，以部分试件等效抗压强度的平均值为代表值；若最大值或最小值与平均值的偏差大于15％，则以中间值作为代表值，若最大值与最小值与平均值偏差均大于15％，则此组数据无效。
进一步地，所述锚注加固方案是确定浆液水灰比、注浆压力、锚杆长度、锚杆直径。
进一步地，所述等效单轴抗压强度的保证率的计算方法为：
Figure PCTCN2017070553-appb-000033
式中：num表示该组加固后试块等效单轴抗压强度大于预期强度值的个数，N表示该组加固试件总个数。
本发明的有益效果是：
(1)本发明提供的多功能真三轴岩石钻探测试系统可赋予试件三向压力，真实模拟岩石在地下工程中所处的应力状态和钻进工作环境。
(2)本发明多功能真三轴岩石钻探测试系统还具有单轴和岩体真三轴压力机的功能，还可以利用特制钢材加热板为试件进行持续加热，进一步进行热力耦合作用下试件力学性能和对随钻参数影响的研究以及热力学耦合作用下岩体力学性质研究，另外，可将含水岩体放入橡胶盒中，使试验仪可对含水岩体进行试验，具有多功能的特征。
(3)本发明提供的一种基于随钻参数对锚注加固效果评价的方法，引入等效抗压强度指标，避免了破碎岩体锚注加固前力学参数无法测试，使得锚注加固效果无法定量评价的难题。
(4)本发明提供的一种基于随钻参数对锚注加固效果评价的方法，对锚注加固效果进行快速定量评价，快速评判锚注加固效果的合理性，进而对锚注方案及时调整，具有现实的科研和工程意义。
(5)利用多功能真三轴岩石钻探测试仪和本发明提出的试验方法，建立随钻参数与岩体力学性质和裂隙分界情况，代替了现场取芯、室内试验这一步骤，既节省了从现场取芯到得出试验报告的时间，又避免了所取岩芯已经脱离了原始的环境应力、温度等约束条件，不能很好的代表岩体本身强度的问题，解决了在软弱破碎的复杂地层钻进时岩芯采取率和完整性难以保证，从而无法得出当地岩层的物理性质及力学参数这一难题，使得所测得的围岩强度更科学可靠。
(6)本发明提供的钻探测试系统可测定钻机钻进过程中的位移、钻进速率、转速、扭矩参数，并可设定钻进速率和转速或者设定钻进速率和扭矩，实现恒位移钻进，还可设定轴压和转速或者设定轴压和扭矩实现恒压钻进。
附图说明
图1是本发明多功能真三轴岩石钻探测试系统的正面结构示意图。
图2是本发明多功能真三轴岩石钻探测试系统的侧面结构示意图。
图3是本发明装置中的围压施加装置和压力室剖面示意图。
图4是本发明装置中的监测控制系统原理框图。
图5是本发明装置中的加热板结构示意图。
1、主框架上立柱；2、顶部反力架；3、平台板；4、主框架下立柱；5、压力室；6、试件；7、侧向加载板；8、定位球；9、车轮；10、轴向加载板；11、轴向液压油缸；12、轴向液压油缸内活塞杆；13、主框架底部平台；14、导轨座；15、钻机固定板；16、钻机伺服电机；17、减速机；18、皮带传动装置；19、钻杆；20、扭矩传感器；21、侧向液压油缸；22、侧向活塞杆；23、试件垫块；24、压力室轨道；25、钻机顶部液压油缸；26、侧向反力板；27、压力室侧向肋板；28、压力室底板；29、逻辑控制器；30加热板；31、管路入口；32、管路；33、管路出口。
具体实施方式
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、完整的描述。
如图1和图2所示，一种多功能真三轴岩石钻探测试系统包括顶部设有反力架的支撑框架，在支撑框架内设置压力室，压力室内部有用于放置试件的试件平台，在压力室的周侧设置围岩加载装置，在压力室的底部设置可将试件的上部与反力架接触的轴压加载装置，在反力架的上部设置可升降可旋转的钻机单元，该钻探测试仪还包括用于测量试件随钻参数的传感器和与传感器连接的监测控制系统。
所述的传感器包括设于所述试件平台底部的轴向位移传感器、设于钻机上的钻机转速传感器和钻机扭矩传感器和设于所述围岩加载装置上的侧向围压传感器、侧向位移传感器。
所述支撑框架底部支撑于试验台或者地面上。主框架底部平台13中部为一圆柱形凹孔，轴向液压油缸11放置在该凹孔内，活塞杆从轴向液压油缸顶部伸出，活塞杆固接于轴向加载板10，活塞杆与试验台之间用密封塞密封，试件6放于试件平台上，试件6顶部为顶部反力架2，顶部反力架2由主框架上立柱1与主框架下立柱4进行支撑。
轴向加载装置的工作原理是：液压泵将液压油推入轴向液压油缸11中，进而推动轴向液压油缸内活塞杆12向上运动，上移一段距离后，轴向加载板10推动试件6向上运动，并与顶部反力架2接触施加轴力。活塞杆为变截面活塞杆，其底部为圆形截面，从下到上圆形活塞杆截面增大数次，活塞杆顶部与一正方体钢制轴向加载板10固接。
所述压力室底部间隔设定距离的压力室轨道24，轴向加载板10设于轨道的上部，压力室可在轨道上滑动。
所述顶部反力架下部固接平台板3，平台板3直接与试件6接触，平台板3和反力架中部设置预留孔，使钻机钻杆通过。
围压加载装置，试件6每侧面设置有侧向液压油缸21，侧向液压油缸21伸出侧向活塞杆，侧向活塞杆22与侧向加载板7固接，侧向液压油缸端部嵌固于侧向反力板26，为侧向液压油缸21提供支撑反力，且在侧向反力板26的一侧设置压力室侧向肋板27，围压加载装置放置于试件平台上，可随试件平台上下移动，并沿铁轨拉出，所述围压加载装置相邻侧向液压油缸可独立控制，即可施加相邻试件6侧面不等值压力。
所述侧向加载板7为长方体钢板，在液压油缸驱动的活塞推动下，给试件施加水平向压力，加载板高度与试件6相同，宽度略小于试件6，以防止相邻侧向加载板7在试件压缩变形后互相干扰。
钻机滑轨通过钻机固定板15为设于反力架顶部的钻机顶部液压油缸25，钻机可沿钻机滑轨上下移动，钻机与钻机伺服电机16固接在一起，在上部钻机顶部液压油缸内活塞的推动或拉动下，向下或者向上运动，钻机伺服电机16为钻机提供旋转力，钻机顶部液压油缸25为钻机提供向下的压力，钻机钻头钻杆通过试件顶部的反力架2和加载板的预留孔与试件接触，发生钻进作用，钻机伺服电机16的主轴插入到减速机17中，且该主轴与钻杆19之间设置皮带传动装置，皮带传动装置通过齿轮一端连接减速机一端连接伺服电机主轴，皮带传动装置与减速机构成二级减速装置，通过改变皮带两端齿轮的直径比，来改变减速倍数。
所述钻机可设置为旋切式钻机，也可设置成冲击式钻机。旋切式钻机的钻头可设置为取芯钻头也可设置为不取芯钻头。
监测控制系统，由轴压传感器、轴向位移传感器、四个侧向围压传感器、四个侧向位移传感器、钻机转速传感器、钻机扭矩传感器20、钻机压力传感器、钻机位移传感器、逻辑控制器29、功率放大器和伺服电机组成。
监测控制系统可控制轴压和围压，并可控制钻机扭矩和转速、轴压和位移两组值中的任一个。
工作过程为：逻辑控制器接受各个传感器的信号，与设定值进行对比，并发出电压指令，经过功率放大器，控制伺服电机工作，并实现闭环控制。
本发明具有单轴试验机的功能，将单轴试件放入压力室5中，并在其上方和下方垫上钢垫块23，轴向加载装置托起压力室5，使单轴试件上的钢垫块23接触反力架2下的平台板3，使单轴试件处于单轴压缩状态，控制轴向加载装置处于恒应变加载模式，以国际岩石力学学会建议的加载速度，给试件施加轴向压力，直至试件破坏。
所述多功能真三轴岩石钻探测试系统，利用轴压加载装置和围压加载装置，能够进行恒压力增量加载，可实现岩体试件三个主应力独立施加，具有岩体真三轴试验机的部分功能。
所用试件内若有含水体或者充填裂隙水，可放置于一个内尺寸和试件尺寸一致的高压力密封橡胶盒中，再在试件顶部覆盖一个尺寸略大于底部橡胶盒的橡胶盖，橡胶盖在钻机钻头和钻杆穿过区域预留孔洞，轴向和侧向加载板将压力作用到橡胶盒与橡胶盖上，再通过橡胶盒和橡胶盖为试件施加三向压力，此设计可防止内部水体外流，使试验仪可对含水岩体进行试验。
可在试件6外侧，如图5所示，在侧向加载板7内侧放置特制钢材加热板30，加热板30厚度大于20mm，加热板30内部设有弯形管路32，在加热板一侧面上端焊接管路入口31，与之相对的侧面下端焊接管路出口33，使水蒸汽或者高温液体在管路中通过，从而对试件进行加热，而后进行热力耦合作用下试件力学性能的研究。
实施例一：
本实施例装置中钻机模块中所用钻头以取芯钻头为例，此外还可选择不取芯钻头。
第一步：制作试验试件6，将压力室5沿压力室轨道24拉出至导轨座14端部，放入试件6至压力室5中心位置，然后将压力室5推入压力室轨道24另一端。
第二步：在控制模块中输入设定的轴压值，逻辑控制器控制液压站的伺服电机，进而驱动液压泵为轴向液压油缸11提供动力，轴向加载板10在轴向液压油缸活塞杆12的推动下向上运动，使定位球8上升进入压力室底板28中心预留的定位孔，完成定位工作，轴向加载板10举升压力室5，使试件6或者试件上部的垫块23与主框架反力架2底部的平台板3接触并互相挤压，产生轴力作用，轴压传感器时刻接收轴向液压油缸11压力信号，并传给逻辑控制器29，并与设定值对比，以动态维持轴压。
第三步：在控制模块中输入设定的围压值，逻辑控制器29控制液压站的伺服电机，进而驱动液压泵为侧向液压油缸21提供动力，进而推动侧向加载板7向试件6侧向加压，侧向围压传感器时刻接收侧向液压油缸21压力信号，并传给逻辑控制器29，并与设定值对比，以动态维持围压。
第四步：在软件中设定钻机单元的运行参数，比如设定钻机的钻进速率和转速，逻辑控制器29控制钻机伺服电机16，使钻机以预设的转速转动，逻辑控制器29控制液压泵站的伺服电机，为钻机顶部液压油缸25提供液压动力，推动钻机单元向下运动，钻头和钻杆穿过试件顶部的主框架反力架2和平台板3的预留孔，与试件6接触，持续钻进，钻机位 移传感器和转速传感器时刻监测钻机钻进过程中的钻进速率和转速并传递给控制模块，动态维持恒定的钻进速率和转速，钻机扭矩和钻机轴向压力作为被测量，记录在逻辑控制器中，直至试件被钻透。
第五步：完成第四步后，将取芯钻杆中岩芯取出，经过切削和打磨，制作标准岩石试件。
第六步：释放试件6围压，将压力室5下降到压力室轨道24上，将压力室5沿压力室轨道24拉出至导轨座14端部，将第5步标准岩石试样和相应的垫块放入压力室5中心，然后将压力室5推入压力室轨道24另一端。
第七步：由控制模块设定轴向加载装置恒压力增量加载，使液压油缸单位时间内压力增加量相同，轴向加载板10举升压力室5，标准岩石试件上部的垫块与主框架反力架2底部的平台板3接触并互相挤压，产生轴力作用，轴力按照国际岩石力学学会推荐的单轴试验压力增量值增加，并监测加载过程中的应变值和压力值，直至试件破坏，完成单轴压缩试验。
第八步：将试件6同批岩石取芯并制作标准岩石试件，实施室内三轴压缩试验，得到该批岩样的弹性模量、粘聚力、内摩擦角。
第九步：将试件6在钻进过程中所测得的钻机模块扭矩、压力数据与标准试件的单轴抗压强度、弹性模量、粘聚力、内摩擦角数据进行相关度分析，得到三向围压压力下，不同岩体的钻进参数与力学参数(单轴抗压强度、弹性模量、内摩擦角、粘聚力)的关系。
整个过程可实现以下几种控制模式：
钻机的控制模式分为四种：
A.控制扭矩和钻进速率，采集轴压和转速；
B.控制扭矩和轴压，采集转速和钻进速率；
C.控制转速和钻进速率，采集扭矩和轴压；
D.控制转速和轴压，采集扭矩和钻进速率。
试件轴压和围压的控制模式分为三种：
A.恒应变加载，使试件单位时间内发生的微小应变相同；
B.恒压力增量加载，使液压油缸单位时间内压力增加量相同；
C.恒力维持，使试件保持在设定的围压值。
实施例二：
一种地下工程中随钻参数表征岩体特性的试验方法，以建立不同围压下试件的随钻参 数与岩体力学特性关系的试验目的为例，具体步骤如下：
步骤1，根据试验目的，确定影响三向围压加载钻探的岩体基本因素为岩体类型，即准备不同类型的岩体试验，花岗岩、大理岩、石灰岩、透明相似材料、不同强度混凝土块以及其他岩类。
步骤2，根据试验方案，制备相应的试验试件，将不同类型岩体切割成截面为300×300毫米、高度300～600毫米的长方体。
步骤3，对制备的试件进行三向围压钻探试验，在试验过程中，采集试件钻探过程中随钻参数，并取得试件的岩芯，其中三向围压钻探试验具体操作步骤见实施例1。
步骤4，钻探试验完成后，再用取芯钻机在试验孔周边钻取3～4个钻孔，钻孔编号k(k＝1,2,3…)，将每个钻孔的岩芯切割成100mm高度的标准试件，从试件上部的标准试件到底端的标准试件依次标号，则第k孔第i个标准试样代表在试件中的深度为100(i-1)～100i毫米，并且将同一标号的标准试件分为一组，例如所有孔第i个标准试件为第i组，对将第i组标准试件实施单轴试验和三轴试验，得到第i组的力学性质参数(单轴抗压强度Rc、粘聚力c、内摩擦角ψ、弹性模量E)，作为100(i-1)～100i毫米深度试件的力学性质参数。
步骤5，对采集的数据先进行预处理，即将采集到的试件钻进速率v′、扭矩m′、转速r′、轴压n′和推知的钻进比功w′数据从试件上部到底部按100mm分段，第i段代表试件深度为100(i-1)～100i毫米，将该段各指标的算术平均值作为该段的代表值(钻进速率ν、扭矩m、转速r、轴压n和推知的钻进比功w)。
步骤6，通过逐步回归的方法分别回归随钻参数代表值与岩石各个力学性质参数的最优关系式，包括拟合单轴抗压强度Rc与随钻参数代表值的最优关系式、拟合粘聚力c与随钻参数代表值的最优关系式、拟合内摩擦角ψ与随钻参数代表值的最优关系式和拟合弹性模量E与随钻参数代表值的最优关系式。上述四种关系式拟合方法和操作步骤相同，以拟合内摩擦角ψ与随钻参数代表值的最优关系式为例，进行说明，包括以下几个步骤：
(1)明确自变量和因变量，计算相关系数矩阵，此步骤包括4个小步骤。
A.自变量为扭矩x1、转速x2、轴压力x3、钻进速率x4和钻进比功x5因变量为内摩擦角y1，5元回归模型为：
Figure PCTCN2017070553-appb-000034
B.计算各变量的平均值
对于自变量和因变量根据大量现场试验有n组数据，则各变量平均数
Figure PCTCN2017070553-appb-000035
Figure PCTCN2017070553-appb-000036
xki表示第k次试验数据中，xi的值。
C.计算离差阵
自变量平方和为SSi，自变量间及其因变量乘积和为SPij和SPiy
Figure PCTCN2017070553-appb-000037
Figure PCTCN2017070553-appb-000038
Figure PCTCN2017070553-appb-000039
于是得到正规方程组
Figure PCTCN2017070553-appb-000040
D.计算相关系数矩阵
在逐步回归中为便于表达和计算，通常将离差阵化为相关阵，计算公式为
riy＝SPij/(SSiSSj)0.5
式中，i,j＝1,2,3,4,5，riy为x1、x2、x3、x4、x5、y之间的相关系数；相关系数矩阵为
Figure PCTCN2017070553-appb-000041
于是相关系数矩阵为
R(0)＝[rij (0)]
式中0代表原始相关系数。
(2)确定显著性的F检验水准
本试验样本观察数n远大于自变量个数m，则m个自变量被引入的个数对剩余自变量自由度影响不大，此时选定一个固定F检验值，不用更换，显著水准α不宜过小，如可选α＝0.1。Fα为显著性水平为α时的F值，可查F检验临界值表得到。
(3)选取第1个自变量
B.对5个自变量计算偏回归平方和ui
ui＝riy 2/rii(i＝1，2,3,4,5)
ui值越大表示该自变量被引入回归方程后对方差的贡献越大，该自变量最先引入回归方程，如将xk引入回归方程。
B.引入自变量xk后，相关系数阵R(l)经过下列公式变化，转换为R(l+1)。
Figure PCTCN2017070553-appb-000042
(4)选取第2个自变量
B.计算各自变量回归平方和
ui (2)＝[riy (1)]2/rii (1)(i＝1，2,3,4,5)
取除了已经引用的xk外，将其与自变量中
Figure PCTCN2017070553-appb-000043
中最大的自变量引入回归方程，假如为xl。
B.对引入的自变量xl进行F检验
Fl＝u5 (2)/[(1-uk (1)-ul (2))/(n-2-1)]
若Fl>Fα则引入xl，否则不引入。
C.引入xl后，按R(l+1)公式进行变化，将R(1)变化为R(2)。
D.对引入xk和xl进行显著性检验
先计算出各偏回归平方和及剩余平方和
ui (3)＝[riy (2)]2/rii (2)(i＝1，2,3,4,5)
若
Figure PCTCN2017070553-appb-000044
则xk和xl都显著并保留，否则剔除xk
(5)重复第(4)步，直至取完所有自变量
(6)建立最优回归方程
在逐步回归分析中采用的是标准化的量，即由相关系数求得的解pi为标准回归系数，再将其转换为偏回归系数bi，
Figure PCTCN2017070553-appb-000045
假设xk、xl和xz为被选自变量，bl、bk、bz为自变量相应的偏回归系数；
Figure PCTCN2017070553-appb-000046
最优回归方程为
Figure PCTCN2017070553-appb-000047
通过上述的计算方法，可以求得表征岩体特性的关系式。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
实施例三：
一种基于随钻参数对锚注加固效果评价的方法，具体步骤如下：
步骤1：从地下工程中取现场破碎岩石，并制作室内钻进试验试件，分为若干组，每组15个试件。
步骤2：以任一组为例，随机取三个试件，实施室内钻进试验，记录三个试件的随钻参数，将每个试件的随钻参数代入到方案二中步骤5的单轴抗压强度与随钻参数的最优回归关系式，得到每个试件的等效单轴抗压强度，进而得到该组破碎岩体等效单轴抗压强度代表值。
步骤3：根据步骤2得到的等效单轴抗压强度代表值和预期强度值对比，设计锚注方案，并对该组剩下试件实施相同的锚注加固方案，包括确定浆液水灰比、注浆压力、锚杆长度、锚杆直径，并在相同条件下养护。
步骤4：对养护好的加固试件实施室内钻进试验，将其随钻参数代入到方案二中步骤5的单轴抗压强度与随钻参数的最优回归关系式，得到每个试件的等效单轴抗压强度。
步骤5：计算该组加固后试件等效单轴抗压强度的保证率，若保证率大于95％，则判定注浆加固方案合理，否则不合理，加固后试件等效单轴抗压强度的保证率计算公式为。
Figure PCTCN2017070553-appb-000048
式中：num表示该组加固后试块等效单轴抗压强度大于预期强度值的个数，N表示该组加固试件总个数。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (24)

  1. 一种多功能真三轴岩石钻探测试系统，其特征在于，包括压力加载装置、钻机单元、监测控制单元和液压站，其中，所述液压站向压力加载装置提供动力，所述压力加载装置对放置于其中的岩石试件施加围压；
    所述钻机单元设置于压力加载装置上端，对受压的岩石试件进行钻进；
    所述监测控制单元控制压力加载装置施加压力，同时控制钻机的扭矩和转速、轴压和位移两组值中的任一个。
  2. 如权利要求1所述的一种多功能真三轴岩石钻探测试系统，其特征是：所述压力加载装置，包括压力室，所述压力室外侧设置有围压加载装置，分别对岩石试件施加围压，所述压力室下端为承载其与岩石试件的试件平台。
  3. 如权利要求2所述的一种多功能真三轴岩石钻探测试系统，其特征是：所述围压加载装置，包括两组垂直设置的侧向加载板组，每组侧向加载板组包括两个相对、平行布设的侧向加载板，两组侧向加载板组形成矩形加载架构，以包围住压力室内试件，所述围压加载装置，还包括侧向液压油缸，液压油缸驱动活塞杆推动侧向加载板给试件施加水平向压力，所述侧向液压油缸外侧设置有侧向反力板。
  4. 如权利要求1所述的一种多功能真三轴岩石钻探测试系统，其特征是：所述钻机单元，包括钻机，所述钻机嵌入钻机滑轨中，钻机沿钻机滑轨沿轴向上下移动，钻机滑轨通过钻机滑轨固定板固定于试件顶部的反力架上。
  5. 如权利要求4所述的一种多功能真三轴岩石钻探测试系统，其特征是：所述钻机单元还包括伺服电机、减速机构和皮带传动装置，皮带传动装置与减速机构成二级减速装置，通过改变皮带传动装置中皮带两端齿轮的直径比，来改变减速倍数，钻机上部固接于钻机顶部液压油缸，钻机顶部液压油缸为钻机提供轴向力，钻机伺服电机为钻机提供旋转力。
  6. 如权利要求1所述的一种多功能真三轴岩石钻探测试系统，其特征是：所述监测控制单元，包括监测单元，具体包括检测四个方向上侧向围压大小的侧向围压传感器、检测侧向加载板移动距离的侧向位移传感器、检测钻机扭矩的钻机扭矩传感器、钻机转速的钻机转速传感器、钻机向下施加压力大小的钻机压力传感器和钻机上下移动距离的钻机位移传感器；伺服电机自带转速传感器。
  7. 如权利要求6所述的一种多功能真三轴岩石钻探测试系统，其特征是：还包括用于对岩石试件施加轴压的轴压加载装置，轴压加载装置包括轴向液压油缸，在试件的下部设置轴向加载板，轴向液压油缸推动轴向加载板进而带动岩石试件做轴向运动，并与反力架接触，从而对岩石试件施加轴力。
  8. 如权利要求7所述的一种多功能真三轴岩石钻探测试系统，其特征是：还包括设于轴向液压油缸处的轴向压力传感器，所述侧向围压传感器均设于供油管路上，侧向位移传感器设于侧向液压油缸侧部。
  9. 如权利要求8所述的一种多功能真三轴岩石钻探测试系统，其特征是：所述监测控制单元，包括控制单元，具体包括逻辑控制器、功率放大器和伺服电机，所述逻辑控制器接受传感器的信号，与设定值进行对比，并发出电压指令，控制钻机伺服电机和液压站伺服电机工作，并实现闭环控制，液压站伺服电机与轴向液压油缸、侧向液压油缸分别单独连接。
  10. 如权利要求9所述的一种多功能真三轴岩石钻探测试系统的控制方法，其特征是：所述控制单元控制钻机的模式分为四种：
    A.控制扭矩和钻进速率，采集轴压和转速；
    B.控制扭矩和轴压，采集转速和钻进速率；
    C.控制转速和钻进速率，采集扭矩和轴压；
    D.控制转速和轴压，采集扭矩和钻进速率；
    控制单元控制液压站伺服电机对试件轴压和围压的控制模式分为三种：
    A.恒应变加载，使试件单位时间内发生的微小应变相同；
    B.恒压力增量加载，使液压油缸单位时间内压力增加量相同；
    C.恒力维持，使试件保持在设定的围压值。
  11. 如权利要求10所述的一种多功能真三轴岩石钻探测试系统的控制方法，其特征是：对试件处于恒应变加载控制的方法，轴向加载板推动压力室上升，使单轴试件顶部接触反力架下的平台板，使单轴试件处于单轴压缩状态，控制轴向加载装置处于恒应变加载模式，以国际岩石力学学会建议的加载速度，给试件施加轴向压力，直至试件破坏。
  12. 如权利要求10所述的一种多功能真三轴岩石钻探测试系统的控制方法，其特征是：对试件处于恒应力增量加载控制的方法：对岩体试件三个主应力独立施加，所述恒压力增量加载为，单位时间内给试件某侧面施加相同的压力，工作方法为，逻辑控制器记录侧向压力传感器或者轴向压力传感器读取的当前压力，并控制伺服电机驱动油缸为试件加压，逻辑控制器记录压力传感器的压力变化，压力达到单位时间预设增量时，逻辑控制器控制伺服电机停止，在下一个单位时间重复上述工作。
  13. 一种地下工程中随钻参数表征岩体特性的试验方法，其特征在于，对同一试件上多个钻孔各自取出岩芯，分别对这些岩芯实施单轴试验和三轴试验，得出多组力学性质参数，根据可直接测量出随钻参数的如权利要求1-9中任一项所述的一种多功能真三轴岩石钻 探测试系统得出多组随钻参数，建立岩体力学性质参数与随钻参数之间的关系式，通过该关系式只需对岩体探测随钻参数即可得出岩体的力学性质参数。
  14. 一种地下工程中随钻参数表征岩体特性的试验方法，其特征在于，对同一试件上多个钻孔各自取出岩芯，测定岩芯的岩体完整性参数RQD值，根据可直接测量出随钻参数的如权利要求1-9中任一项所述的一种多功能真三轴岩石钻探测试系统得出多组随钻参数，建立岩体力学性质参数与随钻参数之间的关系式，通过该关系式只需对岩体探测随钻参数即可得出岩体的完整性参数RQD值。
  15. 如权利要求13或14所述的一种地下工程中随钻参数表征岩体特性的试验方法，其特征在于，对所述的岩芯从上到下分为多段，分别得出各段的力学性质参数。
  16. 如权利要求13所述的一种地下工程中随钻参数表征岩体特性的试验方法，其特征是，具体步骤如下：
    步骤1)根据试验目的，确定影响三向围压加载钻探的岩体基本因素，设计合理的试验方案；
    步骤2)根据试验方案，制备相应的试验试件；
    步骤3)对制备的试件进行三向围压钻探试验，在试验过程中，采集试件钻探过程中随钻参数，并取得试件的岩芯；
    步骤4a)对试件岩芯的取芯率进行统计，测定试件的完整性参数RQD值；
    步骤4b)对从试件中所取得岩芯进行切割打磨，制作数个标准试验试件，并进行三轴试验和单轴试验，测定试件材料的力学性质参数；
    步骤5)对采集的数据先进行预处理，然后建立处理后的数据与同深度岩石力学性质、岩体完整性参数的关系，包括单轴抗压强度与随钻参数的最优回归关系式、粘聚力与随钻参数的最优回归关系式、内摩擦角与随钻参数的最优回归关系式、弹性模量与随钻参数的最优回归关系式、岩体完整性参数RQD值与扭矩破碎指标QDm和转速破碎指标QDr。
  17. 如权利要求13所述的一种地下工程中随钻参数表征岩体特性的试验方法，其特征是，建立岩体完整性参数RQD与随钻参数的关系，在大量试验数据的基础上，将试件的RQD值与扭矩破碎指标QDm和转速破碎指标QDr利用多元线性回归的方法进行公式拟合，最终拟合公式的形式为：
    RQD＝β0+β1QDm+β2QDr
    其中β0、β1、β2都为回归系数。
  18. 如权利要求17所述的一种地下工程中随钻参数表征岩体特性的试验方法，其特征是，所述扭矩破碎指标QDm和转速破碎指标QDr采用如下公式进行计算：
    Figure PCTCN2017070553-appb-100001
    Figure PCTCN2017070553-appb-100002
    式中，
    Figure PCTCN2017070553-appb-100003
    表示某一个钻孔中扭矩显著率
    Figure PCTCN2017070553-appb-100004
    小于临界值的第i段长度，
    Figure PCTCN2017070553-appb-100005
    表示扭矩显著率指标大于临界值但长度小于100mm编号j的段长度。
    Figure PCTCN2017070553-appb-100006
    表示某一个钻孔中转速显著率
    Figure PCTCN2017070553-appb-100007
    大于临界值的第i段长度，
    Figure PCTCN2017070553-appb-100008
    表示转速显著率指标大于临界值但长度小于100mm编号j的段长度，H为某一钻孔的总长度。
  19. 一种基于随钻参数对锚注加固效果评价的方法，其特征是，基于权利要求1-9中任一项所述的一种多功能真三轴岩石钻探测试系统，对现场取得的岩石试件进行锚注加固前和锚注加固后的室内钻进试验，根据锚注加固前试件的等效单轴抗压强度代表值设计锚注加固方案，由试件加固后等效单轴抗压强度的保证率λ判断锚注加固方案的合理性。
  20. 如权利要求19所述的一种基于随钻参数对锚注加固效果评价的方法，其特征是，具体步骤如下：
    步骤A)：从地下工程中取现场破碎岩石，并制作室内钻进试验试件，分为若干组；
    步骤B)：以任一组为例，随机取部分试件，实施室内钻进试验，记录三个试件的随钻参数，将每个试件的随钻参数代入到权利要求16中步骤5)的单轴抗压强度与随钻参数的最优回归关系式，得到每个试件的等效单轴抗压强度，进而得到该组破碎岩体等效单轴抗压强度代表值；
    步骤C)：根据步骤B)得到的等效单轴抗压强度代表值和预期强度值对比，设计锚注方案，并对该组剩下试件实施相同的锚注加固方案，并在相同条件下养护；
    步骤D)：对养护好的加固试件实施室内钻进试验，将其随钻参数代入到权利要求16中步骤5)的单轴抗压强度与随钻参数的最优回归关系式，得到每个试件的等效单轴抗压强度；
    步骤E)：计算该组试件加固后等效单轴抗压强度的保证率，若保证率大于95％，则判定注浆加固方案合理，否则不合理。
  21. 如权利要求20所述的一种基于随钻参数对锚注加固效果评价的方法，其特征是，所述步骤C)中试件等效抗压强度的计算方法：将该试件室内钻进试验过程中记录的随钻参数，包括钻机的扭矩m、转速r、轴压力n、钻进速率v和钻进比功w，代入到权利要求16中步骤5)的单轴抗压强度与随钻参数的最优回归关系式中，得到每试件的等效单轴抗压强度。
  22. 如权利要求20所述的一种基于随钻参数对锚注加固效果评价的方法，其特征是，所述破碎岩体等效单轴抗压强度的代表值为，以部分试件等效抗压强度的平均值为代表值；若最大值或最小值与平均值的偏差大于15％，则以中间值作为代表值，若最大值与最小值与平均值偏差均大于15％，则此组数据无效。
  23. 如权利要求20所述的一种基于随钻参数对锚注加固效果评价的方法，其特征是，所述锚注加固方案是确定浆液水灰比、注浆压力、锚杆长度、锚杆直径。
  24. 如权利要求20所述的一种基于随钻参数对锚注加固效果评价的方法，其特征是，所述等效单轴抗压强度的保证率的计算方法为：
    Figure PCTCN2017070553-appb-100009
    式中：num表示该组加固后试块等效单轴抗压强度大于预期强度值的个数，N表示该组加固试件总个数。
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