岩石剪切强度与单轴抗压强度原位测试系统及测试方法与流程

1.本发明属于岩土工程原位测试技术领域，特别涉及岩石剪切强度与单轴抗压强度原位测试系统及测试方法。


背景技术：

2.在岩土工程测试领域，岩体基本力学参数的准确获取，尤其是剪切强度和抗压强度参数，对于地下工程的设计与安全评估尤为重要。常见的获取岩体基本力学参数的测试装置根据使用场景可以分为室内和原位两类，其中室内测试装置包括刚性伺服试验机、三轴压缩仪等，原位包括声波测试仪器、点荷载试验仪、承压板试验仪等。现有的岩体剪切强度和抗压强度测试中存在以下主要问题：
3.(1)目前岩土工程测试以室内试验为主，存在大量的采样、运输、制备切割工作，且此过程容易对岩体造成二次扰动破坏，耗时久。
4.(2)承载板法等原位试验装置存在大体积、大功率用电、重量大等特点，部分应用场景下如超深钻孔中试验操作空间受限，高陡边坡用水、用电受限。
5.(3)点荷载试验结果对于强度测试结果不精确，无法考虑复杂应力条件。
6.(4)部分遇水膨胀、或遇水软化或开挖后易风化的软质岩，缺少与之适应的测试装置和测试方法。


技术实现要素：

7.本发明提供的岩石剪切强度与单轴抗压强度原位测试系统，以解决上述技术问题；
8.为了解决上述问题，本发明的第一方面提供岩石剪切强度与单轴抗压强度原位测试系统，所述测试系统用于在开挖后的勘探孔内进行测试作业，所述测试系统包括：筒体，所述筒体的直径与所述勘探孔的内径尺寸相适配，并设置在所述勘探孔内；所述筒体内依次设置有雕刻电主轴、轴向加载机构和切向加载机构；若干驱动装置，若干所述驱动装置与所述雕刻电主轴连接，用于驱动所述雕刻电主轴发生对应驱动方向的位移；若干定位机构，对应设置在所述筒体上，用于将所述筒体固定在所述勘探孔内；若干行走装置，若干所述行走装置设置在所述筒体上；控制装置，所述控制装置与所述雕刻电主轴、所述轴向加载机构、所述切向加载机构和所述若干行走装置连接；其中，所述控制装置用于控制所述雕刻电主轴在所述勘探孔的侧壁上雕刻出预设尺寸的试块；所述控制装置用于控制所述轴向加载机构对所述试块施加轴向力，以获取所述轴向力的实时数据，以及所述控制装置用于控制所述切向加载机构对所述试块施加剪切力，以获取所述剪切力的实时数据。
9.在第一方面中，所述雕刻电主轴包括：高速无刷调速电机和金刚石雕刻刀，所述高速无刷调速电机分别与所述控制装置和所述金刚石雕刻刀连接，所述控制装置控制所述高速无刷调速电机驱动所述金刚石雕刻刀进行雕刻动作。
10.在第一方面中，所述金刚石雕刻刀上设置有槽口，所述槽口内设置有石蜡。
11.在第一方面中，所述轴向加载机构包括：加载电机、减速机、加载杆；所述加载电机分别于所述控制装置和所述减速机连接，所述减速机的输出端与所述加载杆连接，所述控制装置控制所述减速电机驱动所述减速电机转动使所述加载杆发生轴向位移动作。
12.在第一方面中，所述轴向加载机构还包括轴压传感器，所述轴压传感器与所述控制装置连接。
13.在第一方面中，所述切向加载机构包括：切向加载电机和推板，所述切向加载电机分别与所述控制装置和所述推板连接，所述控制装置控制所述切向加载电机驱动所述推板进行切向位移动作。
14.在第一方面中，所述切向加载机构还包括剪切力传感器，所述剪切力传感器与所述控制装置连接。
15.在第一方面中，所述驱动装置装置包括：轴向驱动装置和切向驱动装置，所述轴向驱动装置和所述切向驱动装置均为步进电机。
16.第二方面，本发明提供了岩石剪切强度与单轴抗压强度原位测试方法，所述测试方法应用于上述任意一项所述的岩石剪切强度与单轴抗压强度原位测试系统，所述测试方法包括：将所述测试系统设置在勘探孔的预设位置处；通过所述测试系统在所述预设位置处雕刻出预设尺寸的试块，且使所述试块连接在所述预设位置处；通过所述测试系统对所述试块施加轴向力和剪切力；获取所述试块的轴向压力数据以及切向压力数据。
17.在第二方面中，所述测试系统还包括雕刻电主轴，所述通过所述测试系统在所述预设位置处雕刻出预设尺寸的试块包括：通过所述雕刻电主轴在所述预设位置处雕刻出预设尺寸的试块。
18.有益效果：本发明提出了一种岩石剪切强度与单轴抗压强度原位测试系统，具备以下技术效果：
19.1、通过将雕刻电主轴、轴向加载机构、切向加载机构、若干驱动装置和若干定位机构集合在筒体内，形成一体化结构，装置集成度高，组成了针对现场的原位试验装置，在实验时，将筒体移运至勘探孔内利用雕刻电主轴在勘探孔的侧壁上雕刻出预设尺寸在试样，避免了现有技术中在室内做岩土工程测试时进行采样，以及将试样运输至实验室后进行制备切割等工序、容易对试样造成二次扰动的弊端；
20.2、将上述各实验装置集成为一体结构，解决了现有技术中例如：通过承载板法进行试验的原位装置在进行试验时，存在装置本身的体积过大、用电功率大以及重量大，进而使得将上述装置应用到如超深钻孔内操作空间受限、高陡边坡用水、用电受限等弊端；
21.3、通过将雕刻电主轴、轴向加载机构、切向加载机构和若干驱动装置与控制装置连接的方式，可以通过控制装置准确获取上述对应装置的测试数据，解决了现有技术中点荷载试验结果的不准确以及无法考虑复杂应力条件的弊端，同时，还可以通过上述装置对勘探孔的侧壁的强度和平整度进行检测，填补了现有技术中应对部分遇水膨胀、或遇水软化或开挖后易风化的软质岩测试系统的空缺。
附图说明
22.为了更清楚地说明本说明书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，显而易见地，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。
23.图1为本发明实施例一中岩石剪切强度与单轴抗压强度原位测试系统的结构图；
24.图2为本发明实施例一中控制装置的结构示意图；
25.图3位本发明实施例一中岩石剪切强度与单轴抗压强度原位测试系统的剖面示意图；
26.图4为本发明实施例一中试块的形状以及形成路径；
27.附图标记说明：
28.1、筒体；
29.2、线缆；
30.3、控制装置；
31.301、触摸操作屏；
32.302、监控屏；
33.303、蓄电池；
34.4、行走装置；
35.5、定位机构；
36.6、雕刻电主轴；
37.7、轴向加载机构；
38.8、切向加载机构；
39.9、轴向驱动装置；
40.10、切向驱动装置。
具体实施方式
41.下面将结合附图，对本发明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。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
42.同时，本说明书实施例中，当组件被称为“固定于”另一个组件，它可以直接在另一个组件上或者也可以存在居中组件。当一个组件被认为是“连接”另一个组件，它可以是直接连接到另一个组件或者可能同时存在居中组件。当一个组件被认为是“设置于”另一个组件，它可以是直接设置在另一个组件上或者可能同时存在居中组件。本说明书实施例中所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明目的，并不是旨在限制本发明。
43.实施例一：
44.如图1-3所示，本实施例一提供了岩石剪切强度与单轴抗压强度原位测试系统，所述测试系统用于在开挖后的勘探孔内进行测试作业，其特征在于，所述测试系统包括：筒体1，若干驱动装置，雕刻电主轴6、轴向加载机构7和切向加载机构8、若干定位机构5、若干行走装置4和控制装置3；
45.所述筒体1的直径与所述勘探孔的内径尺寸相适配，并设置在所述勘探孔内；所述筒体1内依次设置有雕刻电主轴6、轴向加载机构7和切向加载机构8；
46.若干所述驱动装置与所述雕刻电主轴6连接，用于驱动所述雕刻电主轴6发生对应驱动方向的位移；
47.对应设置在所述筒体1上，用于将所述筒体1固定在所述勘探孔内；
48.若干所述行走装置4设置在所述筒体1上；
49.所述控制装置3与所述雕刻电主轴6、所述轴向加载机构7、所述切向加载机构8和所述若干行走装置4连接；
50.其中，所述控制装置3用于控制所述雕刻电主轴6在所述勘探孔的侧壁上雕刻出预设尺寸的试块；所述控制装置3用于控制所述轴向加载机构7对所述试块施加轴向力，以获取所述轴向力的实时数据，以及所述控制装置3用于控制所述切向加载机构8对所述试块施加剪切力，以获取所述剪切力的实时数据。
51.在上述实施例一的技术方案中，通过将雕刻电主轴6、轴向加载机构7、切向加载机构8、若干驱动装置和若干定位机构5集合在筒体1内，形成一体化结构，装置集成度高，组成了针对现场的原位试验装置，在实验时，先将筒体1移运至勘探孔内利用雕刻电主轴6在勘探孔的侧壁上雕刻出预设尺寸在试样，然后，通过控制装置3控制轴向加载机构7和切向加载机构8对试样进行原位剪切试验，避免了现有技术中在室内做岩土工程测试时进行采样，以及将试样运输至实验室后进行制备切割等工序、容易对试样造成二次扰动的弊端。达到了提高原位岩体剪切测试精度的技术效果。
52.对于控制装置3而言，本实施例一提出一种实施方式，该实施方式包括：控制装置3包括由蓄电池303、触摸操作屏301和监控屏302组成，由蓄电池303、触摸操作屏301、监控屏302组成；触摸操作屏301用于实时显示加载部分各传感器测试数据，并为用户设置、调整加载部分提供触摸式远程操作，监控屏302用于实时显示筒体1进入岩体时观察岩样详细情况，据此选择测试点，并实时监视测试过程；线缆2长度需满足测试孔深和测试距离的需求；
53.对于定位机构55而言，其包括：定位杆，定位杆的长度为30mm时，适用于110～130mm勘探孔。定位杆可以根据勘测孔径进行定制，以满足130mm以上孔径的勘探孔；
54.进一步地，对于上述实施例一中的雕刻电主轴而言，本实施例一提出一种实施方式，该实施方式包括：高速无刷调速电机和金刚石雕刻刀，高速无刷调速电机与金刚石雕刻刀连接，高速无刷调速电机用于驱动金刚石雕刻刀进行雕刻动作，以将勘探孔的侧壁雕刻出预设尺寸的试块。
55.进一步地，对于上述实施例一中的雕刻电主轴而言，还包括摄像头，安装于雕刻电机端部，正对筒体1上的开孔部分，在加载部分进入勘探孔时能沿途观察到孔壁的具体情况
56.再进一步地，对于上述实施例一中的金刚石雕刻刀而言，本实施例一提出一种实施方式，该实施方式包括：金刚石雕刻刀上设置有槽口，槽口内设置有石蜡，当金刚石雕刻刀进行雕刻动作后，石蜡从槽口流出以对金刚石雕刻刀进行润滑。
57.对于上述实施例一中的轴向加载机构7而言，本实施例一提出一种实施方式，该实施方式包括：加载电机、减速机、加载杆以及加载丝杆螺母副；加载电机的输出端与减速机连接，减速机的输出端与加载杆连接，减速电机用于驱动减速电机转动使加载杆发生轴向位移动作；可对雕刻好的试样提供轴向加载，荷载范围0～2000n，实际值由操作屏设置；
58.进一步地，对于轴向加载机构7而言，本实施例一还提出一种实施方式，该实施方式包括：轴压传感器，轴压传感器与控制装置3连接，用于检测轴向加载机构7的轴向压力，
并将轴向压力信息传输至控制装置3。
59.对于上述实施例一中的切向加载机构而言，本实施例一提出一种实施方式，该实施方式包括：切向加载电机和剪切力丝杆螺母副、摇杆、大小挺杆、剪切力推板等元件组成，切向加载电机的输出端与剪切力推板连接，用于驱动剪切力推板进行切向位移动作，以对试块施加剪切力，可提供0～1500n荷载。
60.进一步地，对于上述实施例一中的切向加载机构而言，本实施例一提出一种实施方式，该实施方式包括：剪切力传感器，该剪切力传感器与控制装置3连接，用于检测切向加载机构的剪切力，并将剪切力数据传输至控制装置3。
61.对于上述实施例一中的驱动装置而言，本实施例一提出一种实施方式，该实施方式包括：雕刻电主轴驱动电机、轴向步进电机和切向运动步进电机。
62.请参阅图4，图4位被雕刻电主轴雕刻后的试样形状，在雕刻时，通过轴向驱动装置9驱动雕刻电主轴沿路径1、2、4发生位移，通过切向驱动装置10驱动雕刻电主轴沿路径3、5发生位移，最终雕刻出如图4所示的形状。
63.实施例二：
64.本发明的实施例二提出了一种岩石剪切强度与单轴抗压强度原位测试方法，测试方法应用于上述任意一项岩石剪切强度与单轴抗压强度原位测试系统，测试方法包括：将测试系统设置在勘探孔的预设位置处；通过测试系统在预设位置处雕刻出预设尺寸的试块，且使试块连接在预位置处；通过测试系统对试块施加轴向力和剪切力；获取试块的轴向压力数据以及切向压力数据。
65.进一步地，对于上述实施例一中的通过测试系统在预设位置处雕刻出预设尺寸的试块的步骤而言，本实施例一提出一种实施方式，该实施方式包括：通过雕刻机在预设位置处雕刻出预设尺寸的试块。
66.进一步地，第一阶段，在将测试系统设置在勘探孔的预设位置处之前，测试方法还包括：检查各电机是否处于起始位置，如不在起始位，则打开电源后调整电机恢复至起始位置；检查金刚石雕刻刀磨损情况以及填充石蜡情况，其中石蜡作为冷却液。打开电源；
67.然后再将测试系统设置在勘探孔的预设位置，包括用吊索或顶杆将加载部分送至勘探孔中预定位置；也可操作行走机构进入勘探孔内；
68.最后在根据摄像头返回的图像对孔壁进行观察，选定合适的测试点；
69.第二阶段，通过测试系统在预设位置处雕刻出预设尺寸的试块之前，该测试方法包括：根据既有工程地质资料，初步估计岩石抗压强度与剪切强度，并将其分别设为轴压传感器和剪切力传感器的预警值，然后检测勘探孔的孔壁是否规则，若不规则，则报警“孔壁不规则，测试终止”；
70.通过测试系统在预设位置处雕刻出预设尺寸的试块时，该测试方法还包括：监测雕刻电主轴的电流值，若电流值超过设定值，表示金刚石雕刻刀不够锋利，此时控制端可以自动调慢雕刻电主轴的进给速度，当速度低至设定值时仍未能减小雕刻电主轴的电流值，则报警“雕刻刀失效，测试终止”，金刚石雕刻刀自动按原路返回起始位置后切断电源；
71.第三阶段，获取试块的轴向压力数据以及切向压力数据的步骤结束以后，将测试系统从孔中取出并擦拭干净；检查各电机是否处于复位状态；查看电池情况，如有欠压则在下次工作前进行充电。查看金刚石雕刻刀的磨损情况，如磨损严重则及时更换，如有石蜡缺
失及时补充。查看摄像头磨损情况，如显示不清晰则及时更换。检查测试系统其它部分有无受损，及时维修、更换和保养。关闭电源，将测试系统收入收纳装置中保存。
72.由于该实施例二与实施例一为同一发明构思下的实施例，主体结构相同，因此对实施例二中与实施例一实质相同的部分不在详细阐述，未详述部分请参阅实施例一即可。
73.最后应说明的是：以上上述实施例，仅为本发明的具体实施方式，用以说明本发明的技术方案，而非对其限制，本发明的保护范围并不局限于此，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改或可轻易想到变化，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改、变化或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的范围。都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。
74.尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。