原位岩体模量测量系统与方法

1.本发明涉及原位岩体模量测量技术领域，特别是涉及一种原位岩体模量测量系统与方法。


背景技术：

2.在岩土工程设计施工中，岩体的弹性模量是岩土工程设计的重要参数。目前测量岩体弹性模量的方法主要为实验室测量法和原位测量法。但由于岩芯运输过程不可避免地受到扰动，以及岩体结构的复杂性和成分的多样性，现场岩体的弹性模量和室内标准岩块得到的弹性模量数值相差较大，且室内试验步骤繁杂花费昂贵，试验周期长。因而，研究设计现场测量岩体弹性模量的设备对了解岩土工程所处的地质状态和指导施工设计具有重要意义。
3.目前工程中常用的原位测量仪器为钻孔弹模仪，现有钻孔弹模仪有两种，一种是利用“胶囊”加载，对钻孔壁进行均匀加载，为面接触，所测结果为各方向弹性模量的平均值；另一种是利用有弧度断面的条形刚性加载板测量钻孔不同方向的弹性模量，为点或线接触，因为岩体大多都表现为各向异性，因而目前多采用这种方法。但这类方法未对钻孔曲面内壁进行处理，造成刚性加载板与围岩接触面积较小且不均匀，导致测量结果与计算结果相差较大。
4.鉴于现有室内和原位试验方法的局限性，设计一个快速简单准确测量原位岩体弹性模量试验系统具有重要意义。目前在国内应用广泛的原位模量测量装置可以简单快速的测量钻孔岩石模量，但对于强度较高的硬岩并不适用，并且现有的原位模量测量装置带有地面操作平台，无法适应软弱地质条件，体积较大，携带不便，操作复杂，精度较低。


技术实现要素：

5.本发明的目的是提供一种原位岩体模量测量系统与方法，以解决上述现有技术存在的问题，简化测量装置，提高测量精度，扩大适用范围，降低造价成本。
6.为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
7.本发明提供一种原位岩体模量测量系统，包括控制器、伸缩杆和保护筒，所述伸缩杆下端与所述保护筒上端固定连接，所述保护筒内上下两端均设有孔内支撑结构，所述孔内支撑结构能够通过所述保护筒上的第一通孔向外打开支撑于孔壁上，所述保护筒内固定连接有基座，所述基座上沿竖向滑动连接有送进滑板，所述送进滑板由安装于所述基座上的送进气缸驱动上下滑动，所述送进滑板上设有直角传动转向器、驱动电机和磨削气缸，所述直角传动转向器的输入轴与所述驱动电机输出轴传动连接，所述直角传动转向器的输出轴沿水平方向设置且两端均连接有一个磨削压头，所述直角传动转向器由所述磨削气缸驱动以水平平移，并带动所述磨削压头通过所述保护筒上的第二通孔向外磨削孔壁，所述送进滑板上固定设有液压油缸，所述液压油缸两端分别设有一个液压杆，两个所述液压杆沿水平方向伸缩设置，两个所述液压杆的顶端均设有一个测量压头，所述液压油缸的缸体上
设有用于检测两个所述测量压头相对位移的位移传感器，所述测量压头能够通过所述第二通孔对孔壁磨平面进行挤压，所述驱动电机和所述位移传感器均与所述控制器电连接，所述孔内支撑结构、所述送进气缸、所述磨削气缸和所述液压油缸均由所述控制器控制。
8.优选地，所述直角传动转向器两端分别固定连接在第一平移板和第二平移板上，所述第一平移板和所述第二平移板分别与直线轴承座光轴的两端固定连接，所述直线轴承座光轴沿水平方向滑动连接在固定于所述送进滑板上的直线轴承座上，所述磨削气缸两端设有两个独立工作的磨削活塞杆，两个所述磨削活塞杆沿水平方向伸缩设置，两个所述磨削活塞杆的顶端分别与所述第一平移板和所述第二平移板固定连接。
9.优选地，所述孔内支撑结构包括撑紧气缸、通过连杆连接的第一圆盘和第二圆盘、l形撑紧爪和双锥形体，所述双锥形体为两个锥体尖端对接连接而成，所述撑紧气缸一端通过固定圆盘固定在所述保护筒内，所述撑紧气缸另一端与所述第一圆盘固定连接，所述撑紧气缸的活塞杆穿过所述第一圆盘连接位于所述第一圆盘和所述第二圆盘之间的所述双锥形体，所述第一圆盘朝向所述第二圆盘的一面上沿周向设有多个固定杆，各所述固定杆顶端均转动连接一个所述l形撑紧爪且所述固定杆与所述l形撑紧爪的拐角处转动连接，所述l形撑紧爪的一个直角边设置于所述双锥形体的两个锥面之间，所述撑紧气缸的活塞杆的伸缩能够带动各所述l形撑紧爪转动以打开支撑于孔壁上或收缩于所述保护筒内，所述撑紧气缸由所述控制器控制。
10.优选地，所述驱动电机固定连接在所述送进滑板上，所述驱动电机输出轴与所述直角传动转向器的输入轴通过万向传动节传动连接。
11.优选地，所述控制器包括输入器和显示器，所述显示器用于显示气压参数信息、油压参数信息及所述测量压头的位移参数信息。
12.优选地，所述位移传感器外设有密封盖，所述密封盖通过螺栓固定在所述液压油缸的缸体上，所述密封盖与所述液压油缸的缸体之间使用密封圈密封。
13.优选地，所述磨削气缸两端均设有一个复位弹簧，两个所述复位弹簧一端均固定在所述磨削气缸的缸体上，另一端分别固定在所述第一平移板和所述第二平移板上，在所述磨削压头磨平孔壁曲面后，所述磨削气缸卸压至中位依靠所述复位弹簧的回弹力能够使所述磨削压头复位到初始状态。
14.优选地，所述测量压头为刚性圆形测量压头，所述测量压头能够与孔壁磨平面吻合。
15.优选地，所述保护筒顶端设有总线路孔，所述保护筒外设有气泵、液压泵、气缸电磁阀和液压电磁阀，所述气缸电磁阀和所述液压电磁阀均与所述控制器电连接，所述气泵通过所述气缸电磁阀分别连接所述送进气缸、所述磨削气缸和所述撑紧气缸，所述液压泵通过所述液压电磁阀连接所述液压油缸，所述气缸电磁阀连接所述送进气缸、所述磨削气缸和所述撑紧气缸的气路管线通过所述总线路孔由筒外伸入筒内，所述液压电磁阀连接所述液压油缸的液压管线通过所述总线路孔由筒外伸入筒内，所述控制器连接所述驱动电机和所述位移传感器的线路通过所述总线路孔由筒外伸入筒内。
16.本发明还提供一种原位岩体模量测量方法，采用以上所述的原位岩体模量测量系统进行测量，包括以下步骤：
17.s1：通过所述伸缩杆将所述保护筒送到钻孔内指定位置，打开所述孔内支撑结构，
将所述保护筒固定在指定位置；
18.s2：启动所述驱动电机，通过所述磨削气缸带动所述磨削压头在钻孔两侧磨平孔壁，获得2个以钻孔轴线为对称线且相互平行的圆形平面，2个圆形平面之间的垂直距离大于钻孔直径，之后，停止所述驱动电机，将所述磨削压头复位到初始状态；
19.s3：由所述控制器控制所述送进滑板移动，将所述测量压头对准圆形平面，通过所述液压油缸控制两侧的所述测量压头同时伸出，两侧的所述测量压头施加至圆形平面的压力相同，所述测量压头与圆形平面完全耦合后，开始缓慢加压至p1，所述位移传感器记录p1作用下两个圆形平面的和位移l1，然后继续加压至p2，所述位移传感器记录p2作用下两个圆形平面的和位移l2；
20.s4：将所述测量压头复位，将所述送进滑板复位到初始状态；
21.s5：旋转所述保护筒一定角度到另一目标位置，重复步骤s2～s4；
22.s6：根据式(1)计算得到所述测量压头接触面上的应力差δσ：
[0023][0024]
式中：d——液压油缸的内径；
[0025]
d——测量压头直径；
[0026]
p1——两个圆形平面的和位移为l1时液压油的加载压强；
[0027]
p2——两个圆形平面的和位移为l2时液压油的加载压强；
[0028]
根据式(2)计算得到两个圆形平面在p1和p2时的和位移的位移差：
[0029]
δl＝l
2-l
1 (2)
[0030]
式中：l1——p1作用下两个圆形平面的和位移；
[0031]
l2——p2作用下两个圆形平面的和位移；
[0032]
根据式(3)计算得到岩体弹性模量：
[0033][0034]
式中：kb——包括三维效应系数以及与弯曲效应有关的系数，根据率定确定；
[0035]
ν——岩体的泊松比；
[0036]
在计算机上将计算得到的各弹性模量值进行描点做图拟合，求出最终弹性模量。
[0037]
本发明相对于现有技术取得了以下技术效果：
[0038]
本发明提供的原位岩体模量测量系统与方法，采用磨平结构对钻孔内壁曲面进行处理磨平，采用平面压缩方式变革了传统的圆孔径向压缩，提高了测量精度，符合模量测量规范，还能够通过旋转保护筒测量岩体不同方向的弹性模量；装置整体简易，方便利于通用地质钻机钻孔测量，适应性强；采用数字化的监测和数据采集方式，可实现实时获取和监控测量数据，简化了人员工作量，提高了测量效率；采用电气化分动力来源，减小了油烟环境污染，且油和气动力资源均可回收重复利用，节约资源。
附图说明
[0039]
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领
域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0040]
图1为本发明提供的原位岩体模量测量系统的结构示意图；
[0041]
图2为本发明中孔内支撑结构的结构示意图；
[0042]
图3为本发明中l形撑紧爪与双锥形体的位置关系示意图；
[0043]
图4为本发明中保护筒的结构示意图；
[0044]
图中：100-原位岩体模量测量系统、1-控制器、2-伸缩杆、3-保护筒、4-孔内支撑结构、5-第一通孔、6-孔壁、7-基座、8-送进滑板、9-送进气缸、10-直角传动转向器、11-驱动电机、12-磨削气缸、13-磨削压头、14-第二通孔、15-液压油缸、16-液压杆、17-测量压头、18-位移传感器、19-第一平移板、20-第二平移板、21-直线轴承座光轴、22-直线轴承座、23-磨削活塞杆、24-撑紧气缸、25-连杆、26-第一圆盘、27-第二圆盘、28-l形撑紧爪、29-双锥形体、30-固定圆盘、31-活塞杆、32-固定杆、33-万向传动节、34-总线路孔、35-气泵、36-液压泵、37-气缸电磁阀、38-液压电磁阀、39-钻孔。
具体实施方式
[0045]
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，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。
[0046]
如图1-图4所示，本实施例提供一种原位岩体模量测量系统100，包括控制器1、伸缩杆2和保护筒3，伸缩杆2下端与保护筒3上端固定连接，保护筒3内上下两端均设有孔内支撑结构4，孔内支撑结构4能够通过保护筒3上的第一通孔5向外打开支撑于孔壁6上，保护筒3内固定连接有基座7，基座7上沿竖向滑动连接有送进滑板8，送进滑板8由安装于基座7上的送进气缸9驱动上下滑动，送进滑板8上设有直角传动转向器10、驱动电机11和磨削气缸12，直角传动转向器10的输入轴与驱动电机11输出轴传动连接，直角传动转向器10的输出轴沿水平方向设置且两端均连接有一个磨削压头13，直角传动转向器10由磨削气缸12驱动以水平平移，并带动磨削压头13通过保护筒3上的第二通孔14向外磨削孔壁6，送进滑板8上固定设有液压油缸15，液压油缸15两端分别设有一个液压杆16，两个液压杆16沿水平方向伸缩设置，两个液压杆16的顶端均设有一个测量压头17，液压油缸15的缸体上设有用于检测两个测量压头17相对位移的位移传感器18，测量压头17能够通过第二通孔14对孔壁6磨平面进行挤压，驱动电机11和位移传感器18均与控制器1电连接，孔内支撑结构4、送进气缸9、磨削气缸12和液压油缸15均由控制器1控制。
[0047]
使用时，采用磨削压头13对钻孔内壁曲面进行处理磨平，采用平面压缩方式变革了传统的圆孔径向压缩，提高了测量精度，符合模量测量规范，还能够通过旋转保护筒3测量岩体不同方向的弹性模量；装置整体简易，方便利于通用地质钻机钻孔测量，适应性强；采用数字化的监测和数据采集方式，可实现实时获取和监控测量数据，简化了人员工作量，提高了测量效率；采用电气化分动力来源，减小了油烟环境污染，且油和气动力资源均可回收重复利用，节约资源。磨削压头13可选用金刚石磨削压头，采用金刚石磨削压头可以磨削强度较高的硬岩，测量硬岩的弹性模量，扩大装置适用范围。
[0048]
本实施例中，直角传动转向器10两端分别固定连接在第一平移板19和第二平移板20上，第一平移板19和第二平移板20分别与直线轴承座光轴21的两端固定连接，直线轴承
座光轴21沿水平方向滑动连接在固定于送进滑板8上的直线轴承座22上，磨削气缸12两端设有两个独立工作的磨削活塞杆23，两个磨削活塞杆23沿水平方向伸缩设置，两个磨削活塞杆23的顶端分别与第一平移板19和第二平移板20固定连接。通过分别驱动两个磨削活塞杆23，从而实现对孔壁6两侧的磨削，第一平移板19和第二平移板20的上下两端各设有一个直线轴承座光轴21，各直线轴承座光轴21分别滑动连接在一个直线轴承座22上，使得第一平移板19和第二平移板20的平移更加稳定，在第一平移板19和第二平移板20的约束作用下，使得直角传动转向器10的平移更加稳定，从而能够达到在钻孔内壁形成两个关于钻孔轴线对称的两个平行的圆形平面的目的。
[0049]
本实施例中，孔内支撑结构4包括撑紧气缸24、通过连杆25连接的第一圆盘26和第二圆盘27、l形撑紧爪28和双锥形体29，双锥形体29为两个锥体尖端对接连接而成，撑紧气缸24一端通过固定圆盘30固定在保护筒3内，撑紧气缸24另一端与第一圆盘26固定连接，撑紧气缸24的活塞杆31穿过第一圆盘26连接位于第一圆盘26和第二圆盘27之间的双锥形体29，第一圆盘26朝向第二圆盘27的一面上沿周向设有多个固定杆32，各固定杆32顶端均转动连接一个l形撑紧爪28且固定杆32与l形撑紧爪28的拐角处转动连接，l形撑紧爪28的一个直角边设置于双锥形体29的两个锥面之间，撑紧气缸24的活塞杆31的伸缩能够带动各l形撑紧爪28转动以打开支撑于孔壁6上或收缩于保护筒3内，撑紧气缸24由控制器1控制。通过撑紧气缸24的活塞杆31的伸缩带动双锥形体29上下移动，双锥形体29的上下两个锥面会拨动位于双锥形体29的两个锥面之间的一个直角边，从而使得l形撑紧爪28转动以使l形撑紧爪28的另一个直角边向外打开或向内收缩，从而支撑于孔壁6上或收缩于保护筒3内。
[0050]
本实施例中，驱动电机11固定连接在送进滑板8上，驱动电机11输出轴与直角传动转向器10的输入轴通过万向传动节33传动连接，保证驱动电机11在直角传动转向器10移动情况下仍可以为直角传动转向器10提供转动力。
[0051]
本实施例中，控制器1包括输入器和显示器，显示器用于显示气压参数信息、油压参数信息及测量压头17的位移参数信息。由此，操作人员可更为直观地实时读取或观察整个测量岩体模量过程中气压参数、油压参数及位移参数的变化情况，使得原位岩体模量测量装置的使用更为方便。
[0052]
本实施例中，位移传感器18外设有密封盖，密封盖通过螺栓固定在液压油缸15的缸体上，密封盖与液压油缸15的缸体之间使用密封圈密封，对位移传感器18进行保护，避免其损坏。
[0053]
本实施例中，磨削气缸12两端均设有一个复位弹簧，两个复位弹簧一端均固定在磨削气缸12的缸体上，另一端分别固定在第一平移板19和第二平移板20上，在磨削压头13磨平孔壁6曲面后，磨削气缸12卸压至中位依靠复位弹簧的回弹力能够使磨削压头13复位到初始状态，磨削完成后，将磨削气缸12抽气泄压后，磨削压头13即自复位至初始状态，简化操作过程。
[0054]
本实施例中，测量压头17为刚性圆形测量压头，测量压头17能够与孔壁6磨平面吻合。压头采用刚性圆形测量压头能够与孔内磨平面完全吻合，提高测量精度。
[0055]
本实施例中，保护筒3顶端设有总线路孔34，保护筒3外设有气泵35、液压泵36、气缸电磁阀37和液压电磁阀38，气缸电磁阀37和液压电磁阀38均与控制器1电连接，气泵35通过气缸电磁阀37分别连接送进气缸9、磨削气缸12和撑紧气缸24，液压泵36通过液压电磁阀
38连接液压油缸15，气缸电磁阀37连接送进气缸9、磨削气缸12和撑紧气缸24的气路管线通过总线路孔34由筒外伸入筒内，液压电磁阀38连接液压油缸15的液压管线通过总线路孔34由筒外伸入筒内，控制器1连接驱动电机11和位移传感器18的线路通过总线路孔34由筒外伸入筒内。其中，液压油缸15中设有液压前腔、液压中腔和液压后腔，液压前腔、液压中腔和液压后腔分别通过液压管线与液压电磁阀38连接，通过向液压中腔内注入液压油，从而使得两端的两个液压杆16能够同时向外伸出，带动两个测量压头17伸出保护筒孔3与孔壁6磨平面接触，达到测量压头同时伸出对孔内两个平行的圆形平面进行平面加载，测量岩体弹性模量的目的。
[0056]
一种原位岩体模量测量方法，采用以上所述的原位岩体模量测量系统100进行测量，包括以下步骤：
[0057]
s1：通过伸缩杆2将保护筒3送到钻孔39内指定位置，打开孔内支撑结构4，将保护筒3固定在指定位置；
[0058]
s2：启动驱动电机11，通过磨削气缸12带动磨削压头13在钻孔39两侧磨平孔壁6，获得2个以钻孔轴线为对称线且相互平行的圆形平面，2个圆形平面之间的垂直距离大于钻孔39直径，之后，停止驱动电机11，将磨削压头13复位到初始状态；
[0059]
s3：由控制器1控制送进滑板8移动，将测量压头17对准圆形平面，通过液压油缸15控制两侧的测量压头17同时伸出，两侧的测量压头施加至圆形平面的压力相同，测量压头17与圆形平面完全耦合后，开始缓慢加压至p1，位移传感器18记录p1作用下两个圆形平面的和位移l1，然后继续加压至p2，位移传感器18记录p2作用下两个圆形平面的和位移l2；
[0060]
s4：将测量压头17复位，将送进滑板8复位到初始状态；
[0061]
s5：旋转保护筒3一定角度到另一目标位置，重复步骤s2～s4；
[0062]
s6：根据式(1)计算得到测量压头17接触面上的应力差δσ：
[0063][0064]
式中：d——液压油缸的内径；
[0065]
d——测量压头直径；
[0066]
p1——两个圆形平面的和位移为l1时液压油的加载压强；
[0067]
p2——两个圆形平面的和位移为l2时液压油的加载压强；
[0068]
根据式(2)计算得到两个圆形平面在p1和p2时的和位移的位移差：
[0069]
δl＝l
2-l
1 (2)
[0070]
式中：l1——p1作用下两个圆形平面的和位移；
[0071]
l2——p2作用下两个圆形平面的和位移；
[0072]
根据式(3)计算得到岩体弹性模量：
[0073][0074]
式中：kb——包括三维效应系数以及与弯曲效应有关的系数，根据率定确定；
[0075]
ν——岩体的泊松比；
[0076]
在计算机上将计算得到的各弹性模量值进行描点做图拟合，求出最终弹性模量。
[0077]
步骤s1中，可通过钻孔机在指定位置钻出直径110mm深度达标的钻孔39；步骤s2
中，磨削压头13的直径优选为25mm，通过磨削压头13获得直径为25mm的圆形平面；步骤s3中，测量压头的直径优选为20mm，p1和p2可通过液压电磁阀38测量得到。
[0078]
本发明中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。