一种富水软岩的小柱岩样提取装置及提取方法与流程

1.本发明涉及一种富水软岩的小柱岩样提取装置及提取方法。


背景技术：

2.富水软岩区域属于特殊地质构造，如岩脉、破碎岩体、软弱夹层等的相关力学参数是岩土工程领域中较复杂的问题，以往多依赖工程人员的主观判断以及一些经验化的现场测试手段，无法依靠室内三轴压缩实验进行精确判断，原因在于，特殊地质构造取样困难，当依靠常规的岩体取样方法时，岩体在软弱夹层、裂隙、岩石
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土体分界面等处，往往因为粘结力较低而断裂，导致无法取出完整岩样。
3.为了解决上述问题，将这些特殊的地质构造进行冷冻处理，是一个切实可行的方案，而现有技术中，相关的装置和方法比较笨重且操作不便，也无法实现科学合理的取样。


技术实现要素：

4.针对上述问题，本发明提供一种富水软岩的小柱岩样提取装置及提取方法，通过在岩样周围打孔注水并降温冰冻，提高岩样内部岩块之间的粘结力，通过双层取芯的方法，提取出完整的、满足室内三轴压缩实验的小柱岩样，进而对富水软岩的物理性质展开研究，装置结构简单且操作方法简便，取样的过程可以实时进行关键参数的监控，提高取样的有效性和科学性，避免无效操作。
5.为实现上述技术目的，达到上述技术效果，本发明通过以下技术方案实现：一种富水软岩的小柱岩样提取装置，包括钻头、驱动钻头取样的驱动组件和可固定在取样区的支撑架，所述钻头为双层钻头，所述双层钻头包括同轴设置的内层钻头和外层钻头，所述支撑架上设置有起降螺栓，所述驱动组件通过连接组件与起降螺栓连接。
6.优选，所述支撑架通过固定螺栓和固定锚栓固定在取样区。
7.优选，所述双层钻头设置有振动传感器。
8.优选，所述双层钻头设置有压力传感器。
9.优选，所述外层钻头的直径是内层钻头直径的2
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4倍，所述外层钻头的取样端延伸出内层钻头的取样端至少一个岩样的长度。
10.优选，所述外层钻头和内层钻头的取样端均设置切削齿，切削齿的内侧与对应的外层钻头或内层钻头的内侧共面，切削齿的外侧与对应的外层钻头或内层钻头的外侧共面。
11.优选，所述支撑架沿着起降螺栓的两侧还设置有起降卡槽，所述连接组件可沿着起降卡槽上下移动。
12.优选，所述支撑架横截面呈l形，所述l形支撑架上设置有扶壁梁，所述连接组件设置有加强角。
13.一种富水软岩的小柱岩样提取方法，包括如下步骤：步骤1、选择满足装置安装及作业条件的岩样取样区；
步骤2、在选取的岩样取样区标记冷却孔位置，钻孔并在冷却孔中注入设定量的水；步骤3、在岩样取样区进行冷却作业，当达到设定的条件后，拆除冷却装置，并用混凝土填充冷却孔；步骤4、将富水软岩的小柱岩样提取装置通过固定螺栓、固定锚栓固定到岩石中，完成安装固定；步骤5、启动富水软岩的小柱岩样提取装置，在冰冻岩体上进行钻芯取样作业，当内层钻头所取岩样长度满足要求时停止作业，取出小柱岩样。
14.优选，在钻芯取样位置的外周，沿着圆周方向均匀钻5
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10个冷却孔，沿着冷却孔的外周方向均匀设置有若干个温度传感器，当温度传感器的检测值全部低于0℃时，进行岩样提取作业；在提取作业过程中，当振动传感器和压力传感器出现异常时，停止岩样提取作业。
15.本发明的有益效果是：本发明通过在岩样周围打孔注水并降温冰冻，提高岩样内部岩块之间的粘结力，采用混凝土压实填充冷却孔，通过双层取芯的方法，提高岩样周围岩体的整体强度，确保岩样不会在钻取过程中产生破坏，从而提取出完整的、满足室内三轴压缩实验的小柱岩样，进而对富水软岩特殊地质构造的物理性质展开研究，确保工程安全，避免因经验化的测试手段造成误判，产生较大的经济损失。装置结构简单且操作方法简便，取样的过程可以实时进行关键参数（振动强度和钻头压力）的监控，提高取样的有效性和科学性，避免无效操作。
附图说明
16.图1是本发明一种富水软岩的小柱岩样提取装置的结构示意图；图2为本发明的钻头剖面示意图；图3 为冷却孔布置平面示意图；图4为振动传感器输入信号示意图；图5为压力传感器输入信号示意图；附图的标记含义如下：1、支撑架；2、连接组件；3、驱动组件；4、起降螺栓；5、振动传感器；6、压力传感器；7、双层钻头；8、固定螺栓；9、固定锚栓；10、扶壁梁；11、起降卡槽；12、内层钻头；13、外层钻头；14、冷却孔位置；15、内层钻头位置；16、外层钻头位置。
具体实施方式
17.下面结合附图和具体的实施例对本发明技术方案作进一步的详细描述，以使本领域的技术人员可以更好的理解本发明并能予以实施，但所举实施例不作为对本发明的限定。
18.如图1所示，一种富水软岩的小柱岩样提取装置，包括钻头、驱动钻头取样的驱动组件3和可固定在取样区的支撑架1，驱动组件3提供钻头高速旋转的动力，此为现有技术。如图2所示，所述钻头为双层钻头7，所述双层钻头7包括同轴设置的内层钻头12和外层钻头13，优选的，外层钻头13的直径是内层钻头12直径的2
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4倍以确保内层钻头取出岩样的完整
性，所述外层钻头13的取样端（图2中的左端）延伸出内层钻头12的取样端（图2中的左端）至少一个岩样的长度（须大于一个岩样的长度，确保取出岩样的长度符合室内试验相关规定）。
19.外层钻头13用于钻取大岩块，内层钻头12用于在大岩块基础上钻取标准尺寸的实验用岩样，防止因钻头导致冰冻样岩快破碎，改变岩样的物理性质。外层钻头13和内层钻头12的取样端均设置切削齿，切削齿的内侧与对应的外层钻头13或内层钻头12的内侧共面，切削齿的外侧与对应的外层钻头13或内层钻头12的外侧共面，也即外层钻头13的切削齿与外层钻头13的侧壁等厚，内层钻头12的切削齿与内层钻头12的侧壁等厚，其中，切削齿的接缝处需打磨成圆角，防止在钻取岩样时有凸角磕碰岩样，造成岩样破碎。
20.所述支撑架1上设置有起降螺栓4，所述驱动组件3通过连接组件2与起降螺栓4连接。支撑架1用于提取岩样时装置固定，如图1所示，优选，支撑架1横截面呈l形，即支撑架1包括水平的底板和竖直的竖板，底板上设置有若干个固定螺栓8和1个固定锚栓9，所述支撑架1通过固定螺栓8和固定锚栓9固定在取样区。在水平的底板和竖直的竖板之间设置有扶壁梁10提高支撑架1的连接强度。
21.起降螺栓4用于连接支撑架1和钻头，起降螺栓4安装在竖板的一侧，二者平行设置，取样时，起降螺栓4不动，连接组件沿着起降螺栓移动。优选支撑架1沿着起降螺栓4的两侧还设置有起降卡槽11，所述连接组件2可沿着起降卡槽11上下移动，起降螺栓4通过连接组件2与驱动组件3相连，防止装置在作业时，钻头发生较大振动，导致岩样破裂。起降卡槽11内侧涂抹润滑油，防止在钻芯作业时滑槽发生卡槽，连接组件2受拉应力集中区域设置加强角，优化装置受力，防止装置接缝处开裂，影响整体性能。
22.图1中，双层钻头7设置有振动传感器5和压力传感器6，其中，振动传感器5用来检测岩样提取过程中振动幅值情况，压力传感器6用来检测岩样提取过程中的钻头压力情况，可以及时发现取样过程中的异常，控制冷却设备和装置是否工作。
23.一种富水软岩的小柱岩样提取方法，包括如下步骤：步骤1、选择满足装置安装及作业条件的岩样取样区，选择岩样取样的位置，一般应用在富水软岩区域，考虑典型的地址构造，如岩脉、破碎岩体、软弱夹层等，选取后，将场地清理完毕，通电照明，设置警示牌，防止其他人员破坏现场设备。
24.步骤2、在选取的岩样取样区标记冷却孔位置14，钻孔并在冷却孔中注入设定量的水。
25.步骤3、在岩样取样区进行冷却作业，当达到设定的条件后，拆除冷却装置，并用混凝土填充冷却孔。
26.进行冷却作业一般不少于三天，岩面应避免太阳直射，可考虑覆盖一层潮湿棉织物进行保温，每天测量一次岩样中心点温度，中心点温度低于0℃时停止作业，按照小柱岩样的尺寸计算，一天冷却作业即可满足中心点温度低于0℃，三天以上的冷却作业是为了保证岩体周围的冰冻范围较大，避免在取芯过程中发生裂隙水渗出现象。
27.优选，在钻芯取样位置的外周，沿着圆周方向均匀钻5
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10个冷却孔，沿着冷却孔的外周方向均匀设置有若干个温度传感器，当温度传感器的检测值全部低于0℃时，进行岩样提取作业。为了减少冷却作业时间，在岩样三倍直径处布置一圈温度传感器，在传感器上方覆盖棉织物进行保温，当温度传感器全部低于0℃时，拆除冷却装置，采用聚合物水泥混凝
土、树脂混凝土、聚合物浸渍混凝土等抗压强度高，龄期短的混凝土压实填充冷却孔，冷却孔若填充不密实，在取芯作业中易发生岩体崩裂，产生较大的贯通性裂缝，使取出的岩样失去研究价值，即可开始岩样提取作业。
28.步骤4、将富水软岩的小柱岩样提取装置通过固定螺栓8、固定锚栓9固定到岩石中，完成安装固定，固定螺栓8可以采用四角螺栓，固定时，可以先安装四角螺栓，再安装固定锚栓，比如，固定锚栓直径为0.2m，固定锚栓入岩一般不小于0.5m，确保在取芯作业时的高速转动情况下，装置固定牢靠，若装置发生位移，岩样内部应力状态被破坏，解冻后有崩解的可能性。
29.在岩样提取作业时，振动传感器和压力传感器同时启动，当振动传感器5和压力传感器6出现异常时，即出现图4或图5的异常突变情况时，停止岩样提取作业，另寻其他位置。
30.步骤5、启动富水软岩的小柱岩样提取装置，在冰冻岩体上进行钻芯取样作业，当内层钻头12所取岩样长度满足要求时停止作业，取出小柱岩样，可以将取出的标准尺寸小柱岩样放入保温箱中。
31.钻芯取样位置包括内层钻头位置15和外层钻头位置16，在拟取岩样外层钻头位置16外侧沿着圆周方向布置8个冷却孔，均匀分布在外层钻头位置16的外侧5~10cm，冷却孔直径为3~5cm，长度一般为2倍岩样长度，如图3所示的一个具体实施例，8个冷却孔均匀分布在外层钻头位置16的外侧5cm处，冷却孔直径为5cm，长度为20m。注水时有不少于一个孔内水位不再下降时，即可停止注水，此时取样位置岩石微小裂隙处于饱和状态；若孔内水位持续下降，说明该处岩体形成了过水通道，应考虑更换拟取样的位置。
32.本发明通过在岩样周围打孔注水并降温冰冻，提高岩样内部岩块之间的粘结力，采用混凝土压实填充冷却孔，通过双层取芯的方法，提高岩样周围岩体的整体强度，确保岩样不会在钻取过程中产生破坏，从而提取出完整的、满足室内三轴压缩实验的小柱岩样，进而对富水软岩特殊地质构造的物理性质展开研究，确保工程安全，避免因经验化的测试手段造成误判，产生较大的经济损失。装置结构简单且操作方法简便，取样的过程可以实时进行关键参数（振动强度和钻头压力）的监控，提高取样的有效性和科学性，避免无效操作。
33.以上仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或者等效流程变换，或者直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。