岩体钻孔剪切测试系统及方法与流程

1.本发明涉及岩土工程岩体抗剪强度检测领域，尤其是涉及岩体钻孔剪切测试系统及方法。


背景技术：

2.岩体抗剪强度参数（内聚力c、内摩擦角φ）是岩土工程设计的重要指标。钻孔剪切测试技术最早由美国handy&fox在1967年提出，之后国内外的研究者们对这一方法进行了多方面的研究。目前，钻孔剪切测试作为岩土体原位抗剪强度参数的方法，已在美国、日本、法国等地得到广泛应用。但是传统的钻孔内剪切测试仪自动化程度不高，需人工读数，手动记录，资料处理效率低，另外传统测试仪表使用压力表盘显示压力值，测试精度不高，同时还存在人为读数的误差。因此，在实际生产实践中，不仅消耗大量的人力物力，所得数据的准确度也受多方因素的影响。


技术实现要素：

3.本发明目的在于提供一种岩体钻孔剪切测试系统及方法。
4.为实现上述目的，本发明采取下述技术方案：本发明所述的岩体钻孔剪切测试系统,包括连接到油管的数字压力变送器和孔内剪切测试系统；所述数字压力变送器用于采集施加于岩体的剪切应力值；所述孔内剪切测试系统包括参数设置模块、数据采集模块、数据分析模块、报告生成模块；所述参数设置模块用于设置数字压力变送器数据传输方式和测试参数；所述数据采集模块用于按照级数接收记录剪切应力值，并生成实时数据表盘和测试曲线；所述数据分析模块用于筛选出各级数中的最大剪切应力，拟合绘制线性摩尔-库仑强度包线，确定同一深度岩体的c、
ϕ 值；所述报告生成模块用于生成数据分析报告。
5.优选地，所述数字压力变送器采用不锈钢隔离膜片的oem压力传感器，精度可达0.03mpa。
6.优选地，所述测试参数包括钻孔编号、钻孔顶角、测点岩性、测试深度、钻孔水位；所述传输方式包括modbus通信协议、rtu方式、rs-485半双工方式，采用平衡发送和差分接收。
7.优选地，所述拟合制线性摩尔-库仑强度包线采用最小二乘法。
8.优选地，所述各级数中的最大剪切应力是指剪切头在同一测试点，每旋转45
°
获得一组剪切应力，共获得4组剪切应力，从4组剪切应力中筛选出最大剪切应力。
9.本发明所述的岩体钻孔剪切测试方法，包括以下步骤：s1，通过三通转接头，将数字压力变送器连接到钻孔剪切仪的油管中；
s2，配置数字压力变送器数据传输方式和测试参数；s3，按照级数在同一测试点，进行4次剪切力测试，收集每级数的4组剪切应力；s4，筛选每级数的最大剪切应力，将各级数最大剪切应力拟合绘制成线性摩尔-库仑强度包线，确定同一深度岩体的c、
ϕ 值；s5，生成岩体剪切力数据分析报告。
10.本发明的优点在于对传统的钻孔剪切仪进行自动化升级，系统结构新颖独特，操作使用方便，弥补了传统人工测试记录中由于肉眼观察会造成误差或注意力分散记录数据不准等缺点，极大地提高了工作效率，测试精度可达0.03mpa，能够自动筛选出钻孔的抗剪强度，实时存储测得数据，保证意外不会丢失数据，并大大降低生产中的时间和物力成本。
附图说明
11.图1是本发明所述钻孔剪切仪结构示意图。
12.图2是本发明所述孔内剪切测试系统框架图。
13.图3是本发明所述同一测试点剪切头旋转示意图。
14.图4是本发明所述方法流程图。
具体实施方式
15.下面将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的一部分实施例，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在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
16.如图1所示，传统的钻孔剪切仪包括控制平台1、指针表盘2、液压泵3、换向阀4、油管5、螺纹杆8、特制手钳9、千斤顶10、找平板螺丝11、找平板12、剪切头14、剪切板15。在岩石钻孔剪切仪的测试过程，千斤顶10放置在孔口处用来提供提拉力，控制平台1包括液压泵3和换向阀4，用来控制法向力和剪切力（提拉力）的液压。带有齿状凸起的两块对称的剪切板15压入钻孔孔壁13内，使两个凸起之间形成薄层岩片，保持法向力恒定，切换特制手钳9，然后施加剪切力（提拉力）。由于剪切头14被封装在带孔的框架内，因此在提拉的过程中，通过提拉螺纹杆8使找平板12向上推压剪切头14框架从而施加剪切力，直到薄层岩片与周围岩体实现剪切破坏。
17.该系统中需人工读数，手动记录，资料处理效率低，使用压力表盘显示压力值，测试精度不高，同时还存在人为读数的误差。在实际生产实践中，不仅消耗大量的人力物力，所得数据的准确度也受多方因素的影响。
18.为此，本发明所述的岩体钻孔剪切测试系统，对传统的钻孔剪切仪进行了自动化升级。在油管5处通过三通转接头6接入数字压力变送器7；数字压力变送器7与电源17通过串行接口16相连，并接入电脑端18的孔内剪切测试系统。
19.数字压力变送器采用cyy211压力变送器, 进行施加于岩体的剪切应力值的采集，精度可达0.03mpa。cyy211压力变送器采用不锈钢隔离膜片的oem压力传感器作为信号测量元件，并由计算机自动测试，用激光调阻工艺进行宽温度范围的零点和灵敏度温度补偿。其中压力传感器是在单晶硅片上扩散一个惠斯通电桥，被测介质（气体或液体）施压使桥壁电
阻值发生变化（压阻效应）产生一个差动电压信号，此信号经专用放大器，将量程相对应的信号转化成数字信号。
20.cyy211压力变送器数据传输遵守modbus通信协议，采用集中rtu方式、rs-485半双工工作方式，采用平衡发送和差分接收，具有较强的抑制共模干扰的能力。由于总线收发器具较高的灵敏度，低至200mv的电压也可以被检测到，所以测量信号可以进行远距离传输而不失真。
21.如图2所示，孔内剪切测试系统包括参数设置模块、数据采集模块、数据分析模块、报告生成模块；参数设置模块用于设置数字压力变送器数据传输方式和测试参数；测试参数包括钻孔编号、钻孔顶角、测点岩性、测试深度、钻孔水位。传输方式包括modbus通信协议、rtu方式、rs-485半双工方式，采用平衡发送和差分接收。
22.数据采集模块用于按照级数接收记录剪切应力值，并生成实时数据表盘和测试曲线；每个测试点，可分十级进行测试。首先需要选择与当前测试相应的级数，然后开始进行岩石钻孔剪切仪的测试，通过数字压力变送器采集同一测试点的剪切应力。然后如图3所示，剪切头旋转45
°
后，再采集该测试点的剪切应力，针对同一测试点的钻孔可以获得4组剪切应力。
23.数据分析模块从同一级数中的4组剪切应力中筛选出最大剪切应力，将各级数中的最大剪切应力，按照最小二乘法拟合绘制线性摩尔-库仑强度包线，确定同一深度岩体的c、
ϕ 值；报告生成模块用于生成数据分析报告。
24.如图4所示，本发明所述的岩体钻孔剪切测试方法，包括以下步骤：s1，通过三通转接头，将数字压力变送器连接到钻孔剪切仪的油管中；s2，配置数字压力变送器数据传输方式和测试参数；数字压力变送器传输方式包括modbus通信协议、rtu方式、rs-485半双工方式，采用平衡发送和差分接收。测试参数包括钻孔编号、钻孔顶角、测点岩性、测试深度、钻孔水位。
25.s3，按照级数在同一测试点，进行4次剪切力测试，收集每级数的4组剪切应力；每个测试点，可分十级进行测试。首先需要选择与当前测试相应的级数，然后开始进行岩石钻孔剪切仪的测试，通过数字压力变送器采集同一测试点的剪切应力。然后剪切头旋转45
°
后，再采集该测试点的剪切应力，针对同一测试点的钻孔可以获得4组剪切应力。
26.s4，筛选每级数的最大剪切应力，将各级数最大剪切应力根据最小二乘法拟合绘制成线性摩尔-库仑强度包线，确定同一深度岩体的c、
ϕ 值；s5，生成岩体剪切力数据分析报告。