岩土体孔下原位三维静载荷‑竖向侧摩阻力测试装置的制作方法

本发明涉及地质勘探领域，特别是涉及一种能够同时实现岩土体孔下原位三维静载荷、竖向侧摩阻力的测试装置。

背景技术：

岩土体的原位测试强度参数与室内试验强度参数的传统方法比较起来具有明显的优点：

1)可以在拟建场地进行岩土体孔下原位测试，无需取样，避免了因取样由于扰动带来的一系列问题，如原状岩土样扰动及含水量变化等问题；

2)原位测试所涉及的岩土尺寸教室内实验可以大些，因而更能反映岩土体的宏观结构对岩土体的力学性质的影响。

原位测试工作主要是在结构工程设计之前的岩土体工程勘察阶段进行的，必须获得岩土的物理力学参数，提供给设计部门作为基础数据，因此，必须做到数据准确、可靠、稳定，才会使设计部门的设计结构安全可靠，进而确保生命和财产的安全。

目前，土体的原位测试实验包括在地面上的静载荷实验、剪切实验以及大剪实验等；和钻孔下的十字剪切实验、旁压试验、静力触探、动力触探、标准贯入实验等。

目前，岩体的实验主要有岩体变形实验、岩体强度实验、岩石点荷载强度实验、岩体声波探测(包括硐室围岩松动圈的声波测试、声波测井、围岩分类的声波测试)、路基沉降实验、围岩收敛变形实验、硐室的工程地质展示图，以及随钻测量等。

与本发明相关是随钻测量，随钻测量(mwd),是定向钻进中一种先进的技术，可以不间断定向钻进而测量近钻头孔底某些信息，并将信息即即刻传送到地表的过程，随着技术的进步，现代随钻测量已发展随钻测井，可以得到三方面的信息：1)定向数据(井斜角、方位角、工具面角)；2)地层特性(伽马射线，电阻率测井记录)；3)钻井参数(井底钻压，扭矩，每分钟转数)。

与本发明相关还有旁压试验，旁压试验是在现场钻孔中进行的一种水平向荷载试验。具体试验方法是将一个圆柱形的旁压器放到钻孔内设计标高，加压使得旁压器横向膨胀，根据试验的读数可以得到钻孔横向扩张的体积-压力或应力-应变关系曲线，据此可用来估计地基承载力，测定土的强度参数、变形参数、基床系数，估算基础沉降、单桩承载力与沉降。

与本发明相关的静力触探试验，静力触探是利用以一恒定的贯入速率将圆锥探头通过一系列探杆压入土中，根据测得探头贯入阻力大小来间接判定土的物理力学性质的原位实验。适用于：软土、粘性土、粉土、饱和砂土和含少量碎石的土。静力触探缺点：1)贯入机理不清楚，对于探头的摩阻力和尖端阻力不清楚，目前没有明确的数理模型来描述，应用于桩基础的设计，只能按经验确定侧摩阻力和桩端阻力；2)对于碎石土和密实砂土难以贯入，也不能直接观测土层。在地质勘察中，静力触探常和钻探取样联合应用。

岩体在外荷载或者卸荷作用下的破坏方式一般为剪破坏和拉张破坏，其中剪切破坏占大多数。因此，岩体破坏的本质就是剪切破坏和拉张破坏强度，岩体强度的原位测试主要是测得岩体的剪切和拉张强度。目前采用的原位地面实验，可以测得岩体的摩擦角c和内聚力值值，c、值是岩体强度的重要指标，它代表着岩体抵抗剪切破坏的性能。

岩体结构单元是由岩块(块状、板状的，完整或者碎裂)、结构面(软弱结构面、坚硬结构面)以及充填物等组成，由于各种结构面的发育和分布的不均匀性，使其变形性质比岩石变形复杂得多，因而岩体的变形不能由岩石的变形所表述，必须通过岩体变形实验测定其变形指标。岩体变形实验是为测定岩体在一定的载荷作用或者卸荷作用下变形特性指标而进行的岩体现场实验。通过实验测定岩体的变形模量、弹性模量以及变形系数等岩石工程中不可缺少的岩体力学参数。该试验可以得到岩体的变形模量和弹性模量。

岩石的点荷载实验是将岩石块体置于一对点接触的加荷装置上，岩石破坏主要是呈劈裂破坏的性质，破坏的机理是张破坏。采用点荷载实验是测得岩石的抗拉强度，再根据掩饰的抗拉强度与抗压强度之间的关系式，由点荷载实验结果换算出岩石的抗压强度。

岩体的物理力学参数是基础的数据，如果得不到准确值，对任何岩体工程的强度设计、变形验算、稳定性，就得不到精确的设计和评价，所以大多数的工程规范都有安全系数来增大安全的保障。对于煤矿工程，涉及到巷道支护的设计基础数据，要明确测得巷道围岩的力学参数，来保证支护设计的合理性、经济造价和工期；松动圈的扩展速度、范围及扩展规律等；围岩在卸荷状态下数值模拟，也要精确得到围岩各层岩体的力学参数才能得到理想的结果。

岩体原位测试是在现场制备试件模拟工程作用对岩体施加外荷载，进而求取岩体力学参数的试验方法，是岩土工程勘察的重要手段之一。岩体原位测试的最大优点是对岩体扰动小，尽可能地保持了岩体的天然结构和环境状态，使测出的岩体力学参数直观、准确。

目前，岩体原位测试存在的最大问题是缺乏简单易用、测量结果准确的测量设备，特别是全自动化的智能设备。

技术实现要素：

本发明的目的是要提供一种可以在岩土体孔下实现孔下原位三维静载荷-竖向侧摩阻力测量的测试装置。

特别地，本发明岩土体孔下原位三维静载荷-竖向侧摩阻力测试装置，包括机架，在所述机架上安装有：

侧向实验部，安装在所述机架的上部，包括固定在所述机架轴线上的固定管，可径向移动地安装在所述固定管圆周的多个弧形的反力板，用于驱动所述反力板径向移动的动力装置，和固定在所述固定管上以安装所述径向动力装置并实现垂直移动的滑动装置，以及驱动所述径向动力装置在所述滑动装置上垂直移动的滑动动力装置；

垂直实验部，固定在所述机架的下部，包括施加竖向动力的垂直动力装置，和对孔底进行施压的垂直静载荷装置；

测试单元，通过测量元件获取所述侧向实验部和所述垂直实验部的测量数据，并通过线缆输送至位于地面的数据主机。

在本发明的一个实施方式中，所述滑动装置为套在所述固定管外圆周的套筒，并可相对所述固定管实现径向移动，所述径向动力装置固定在所述套筒上。

在本发明的一个实施方式中，所述的岩土体孔下原位三维静载荷-竖向侧摩阻力测试装置，其特征在于，

所述套筒的外圆周设置有固定架，所述固定架的顶部和底部分别设置有垂直于所述套筒的滑轨，所述反力板通过设置在上下两端处的滑块卡在所述滑轨上；

所述径向动力装置为柔性材料制作的第一气囊，和通过管路与所述第一气囊连接的第一气源，所述第一气囊分别与所述反力板和所述套筒固定。

在本发明的一个实施方式中，所述滑动装置为垂直固定在所述固定筒外表面的滑轨，所述径向动力装置通过滑块与所述滑轨滑动连接。

在本发明的一个实施方式中，所述固定管的外圆周设置有固定架，所述固定架的顶部和底部分别设置有垂直于所述固定管的滑轨，所述反力板通过设置在上下两端处的滑块卡在所述滑轨上；

所述径向动力装置为柔性材料制作的第一气囊，和通过管路与所述第一气囊连接的第一气源，所述第一气囊分别与所述反力板和所述固定管固定。

在本发明的一个实施方式中，所述滑动动力装置包括安装在所述径向动力装置上方的第二气囊，和为所述第二气囊供气的第二气源，所述第二气囊分别与所述机架和径向动力装置连接。

在本发明的一个实施方式中，在所述机架上安装有可视装置，所述可视装置为摄像机或照相机。

在本发明的一个实施方式中，所述垂直静载荷装置包括：

壳体，套在所述固定管的外圆周；

推杆，可移动并可旋转地套设在所述固定管上，在所述推杆上开设有外螺纹，和安装有位移传感器和压力传感器；

导杆，设置有八个且均布在所述壳体内，并可沿所述壳体的长度方向移动，在所述导杆的一端设置有摆块，在所述导杆的外表面形成有与所述推杆的外螺纹相适配的外螺纹；

连接块，可移动地套设在所述固定管上；

推块，设置在所述固定管的一端；

托杆，设置有八个且一端铰接安装在所述连接块上；

支撑杆，设置有八个且分别与所述托杆一一对应设置，所述支撑杆的一端与所述托杆的另一端铰接连接，支撑杆的另一端铰接连接在所述推块上。

在本发明的一个实施方式中，计算竖向侧摩阻力的计算方法如下：

根据竖向力与位移曲线，可以得到考虑材料系数β的竖向侧摩阻力qsv值：

其中，pv为竖向力净值，a为作用面积。

在本发明的一个实施方式中，计算静载荷的方法如下：

土的变形模量应根据p-s曲线的直线段，按均质各向同性半无限弹性介质的弹性理论计算，孔下静载荷实验的变形模量ec(mpa)，可按下式计算：

其中，p为p-s曲线线性段的压力(kpa)，sc为与p对应的位移(mm)，ωc为与试验深度与土类有关的系数。

本发明解决了目前土工试验所采用的室内剪切实验存在较大误差，以及还无法对所有的土进行取样的问题。

本发明能够充分考虑不同的基础形式，测试地基不同的力学参数，对于桩基础而言，可以直接得到桩周土的侧摩阻力值和桩端阻力值，本发明利用反力板在侧壁逐级施加水平荷载，可测得压力-位移的曲线，完成侧向静载荷实验；逐级对反力板施加水平力的同时，侧壁向下(向上)的推力，使得反力板与侧壁岩土体之间产生向下(向上)摩擦力，可测得竖向力-位移的曲线，从而得到侧摩阻力，即得到桩与桩周土的摩擦力。进一步可得得到反力板与侧壁岩土体的静摩察角和动摩擦角；在孔底采用扩张承压板，在竖向做静载荷实验；即是桩端阻力的测试，采用原位剪切实验的切屑环刀来完成，在切削过程中，根据难易程度，进尺情况，结合原位剪切实验，确定切削阻力，从而校对竖向静载荷实验，从而校对桩端阻力。

本发明的深孔取样测试装置可以在任意深度、各种岩土体、各种含水率的孔下进行实验，得到岩土体的多项强度指标，充分满足现场实验各项指标要求。实现了原位对岩土体准确、快速的测试，解决了目前岩体原位测试缺乏简单易用、测量结果准确的测量设备的问题，可广泛用于大岩土行业的岩土体强度测试。

附图说明

图1是本发明一个实施方式的测试装置结构示意图；

图2是本发明另一个实施方式的测试装置结构示意图；

图3是本发明一个实施方式的垂直静载荷装置的结构示意图；

图4是图3中摆块推到展开位置的结构示意图；

图5是图4中摆块形成的圆盘示意图。

具体实施方式

如图1、2所示，本发明一个实施方式的岩土体孔下原位三维静载荷-竖向侧摩阻力测试装置100一般性地包括一个可以通过缆索在地下钻孔中出入的机架10，在机架10上安装有侧向实验部20和垂直实验部30，以及用于接收并处理侧向实验部20和垂直实验部30测量数据的测试单元。

机架10可以是一个筒形的框架结构，在外部可以安装相应的保护壳体，在内部通过各种框架安装不同的测试部件。

侧向实验部20安装在机架10的上部，用于实现孔下的侧向静载荷和竖向侧摩阻力实验，包括固定在机架10内部的固定管11，可径向移动地安装在固定管11圆周的多个弧形的反力板22，在反力板22和固定管11之间安装有径向动力装置21，径向动力装置21与固定在固定管11上的滑动装置24连接，在机架10的上方安装有驱动径向动力装置21在滑动装置24上垂直移动的滑动动力装置23。其中，各反力板22以固定管为圆心围成一个环形，并在径向动力装置21的控制下，在固定管11的径向上来回移动。具体反力板22的数量可以是2～4块。径向动力装置21可以是液压装置，其通过液压杆与反力板22连接并推动反力板22相对固定管11做径向移动。

滑动装置24可以是滑轨或滑槽的结构，径向动力装置21与滑动装置24卡合，并可沿滑动装置24在固定管11的轴向上移动。滑动动力装置23安装在机架的上方，通过对径向动力装置21施压，使径向动力装置在滑动装置24上移动。滑动动力装置23可以是液压、气动或电动等方式。

垂直实验部30固定在机架10的下部，用于测量孔底的垂直压力，包括提供向下施压的垂直动力装置31，和在垂直动力装置31的压力下对孔底进行施压的垂直静载荷装置32。

该测试单元包括测量元件和数据主机，测量元件安装在侧向实验部20和垂直实验部30处，以获取相应的测量数据，数据主机放置在地面以方便操作人员处理收集的各种实验数据，数据主机通过线缆与各测量元件连接。具体的测量部件可以包括测量压力、测量竖向力和位移等的相应传感器，测量元件传输数据的线缆可以穿过固定管11后引到地面与数据主机连接。

在工作时，将机架10悬吊入打好的钻孔中，到达指定位置后，通过地面上的数据主机控制深孔内的各种实验设备进行相应实验。

首先进行侧向静载荷实验，过程如下：由测试单元控制径向动力装置21推动反力板22相对固定管11做径向移动，各反力板22分别向深坑的对应侧壁方向移动，最终与侧壁接触，然后控制径向动力装置21逐级对反力板22施加法向力，直至侧壁承受的压力达到实验要求。在此过程中，通过分别安装在反力板22外表面处的压力传感器，可获取侧壁的压力变化数据并及时通过线缆传递给数据主机，数据主机通过相应计算可得到深孔处岩土层的侧向压力-位移(p-s)曲线，进而得到岩土体的相应各向比例界限荷载、塑性荷载、极限荷载等指标。

侧向静载荷实验完成后，可通过径向动力装置21控制反力板22回到原位。

然后进行竖向侧摩阻力实验，过程如下：

重新选择一个深孔中预定的位置，通过径向动力装置21推动反力板22与侧壁接触，再启动滑动动力装置23驱动径向动力装置21和反力板22在滑动装置24的配合下同时沿固定管11下移，下移的反力板22会相对侧壁产生摩擦，此时通过反力板22上的相应传感器，即可将当前反力板22上的侧向力和摩擦力发送至测试单元。通过控制反力板22对侧壁施加不同级别的侧向载荷，然后再进行下移，最终可测得不同侧向力与竖向位移的数据，然后得到相应的竖向力-位移曲线。竖向侧摩阻力测试设备在侧壁试验中，不仅得到侧向静载荷试验所测试的结果；还可以得到侧壁与反力板的摩阻力的数据，这个数据要比触探试验的测得数据的明确，在不同荷载下的静摩擦力和动摩擦力，得到法向力-竖向力曲线关系，竖向力-位移曲线，直接得到桩侧摩阻力，可以在桩基础设计直接应用，而不是触探试样中的间接值。

计算过程如下：根据竖向力与位移曲线，可以得到考虑材料系数β的竖向侧摩阻力qsv值：

式中：pv：竖向力净值；a：作用面积。

静载荷实验：

土的变形模量应根据p-s曲线的直线段，可按均质各向同性半无限弹性介质的弹性理论计算。孔下静载荷实验的变形模量ec(mpa)，可按下式计算：

其中：p：p-s曲线线性段的压力(kpa)；sc：与p对应的位移(mm)；ωc：与试验深度与土类有关的系数。

其中的滑动装置24可以是任意一种使径向动力装置沿预定路线移动的结构，如滑轨、滑槽等结构。

本实施方式虽然只描述了反力板向下移动的说明，但在其它的实施方式中，也可以根据实验需要控制反力板向上方移动，此时，在上述结构下，只需要调整滑动动力装置的安装位置即可。

竖向侧摩阻力实验完成后，可通过径向动力装置21控制反力板22回到原位。

再进行垂直静载荷实验，过程如下：

利用垂直动力装置31为垂直静载荷装置32提供压力，使垂直静载荷装置32对孔底竖向逐级施加荷载，直到岩土体被破坏为止，通过对应的测试装置得到相关数据，得到竖向力-位移曲线，从而得到孔底岩土体的比例界限强度、塑性强度、极限强度等参数。

本发明通过一个机架10安装多个测试装置，可以在一个孔下完成当前岩土层的侧向静载荷试验、竖向侧摩阻力实验和垂直静载荷实验。而且各实验可以在任意深度、各种岩土体、各种含水率的孔下进行实验，得到岩土体的多项强度指标，充分满足现场实验各项指标要求。实现了原位对岩土体准确、快速的测试，解决目前岩体原位测试缺乏简单易用、测量结果准确的测量设备的问题，可广泛用于大岩土行业的岩土体强度测试。

如图2所示，在本发明的一个实施方式中，该滑动装置24可以为套在固定管11外圆周的套筒241，径向动力装置21固定在套筒241上；套筒241内部与固定管11外表面之间是滑动连接，可以在套筒241的内表面或固定管11的外表面设置相应的限制套管241圆周转动的限位装置，如卡槽、卡条结构。径向动力装置21可以直接固定在套筒241的外圆周表面上，这样可以使整个侧向静载荷装置随套筒同步移动。

在其它的实施方式中，该滑动装置24还可以包括垂直固定在固定筒外表面的滑轨(图中未示出)，和在径向动力装置21上设置的可以卡在滑轨内的滑块。径向动力装置21可以直接利用滑块插入滑轨后，与固定管11之间只能轴向移动，而不能径向脱离和圆周移动。

在本发明的一个实施方式中，在固定管11的径向上设置有用于活动安装反力板22的固定架13，固定架13围绕固定管11固定安装，在固定架13的顶部和底部分别设置有垂直于固定管11的滑轨，反力板22通过设置在上下两端处的滑块卡在滑轨上。当径向动力装置21推动反力板22时，反力板22即可在滑块与滑轨的配合下在固定架13内进出。滑块和滑轨可以限制反力板22在圆周方向上的转动，同时能够限制反力板22在径向上的移动方向和位移距离。固定架13可以根据反力板22的数量划分成相应数量的安装框。在采用套筒241的实施方式中，固定架13可以固定在套筒241的外表面。

在本发明的一个实施方式中，该径向动力装置21可以包括采用柔性材料制作的第一气囊211，和通过管路与第一气囊211连接的第一气源。第一气囊211通过内部的充气过程推动反力板22移动或使其对侧壁进行施压。第一气源可以固定在机架10上，通过测试单元控制工作过程，也可以设置在地面上，然后通过管路与第一气囊211连接。第一气囊211可以活动安装在反力板22和固定管11之间，由固定架13限定安装空间；也可以分别与反力板22和/或固定管11固定。第一气囊211可以设置多个且数量与反力板22的数量和位置对应。在采用套筒241的实施方式中，第一气囊211可以固定在套筒241的外表面。

在其它的实施方式中，该滑动动力装置23可以包括安装在固定架13上方的第二气囊231，和为第二气囊231供气的第二气源，第二气囊231分别与机架10和径向动力装置21/滑动装置24连接。第二气囊231安装在滑动装置24的上方，利用充气时与机架10的反作用力，可以推动整个竖向侧摩阻力装置随在固定管11上轴向移动。此外，第二气囊231可以与竖向侧摩阻力装置的固定架13或固定管11连接，以在第二气囊231放气后可将竖向侧摩阻力装置拉回原位。

如图3所示，在本发明的一个实施方式中，提供一种垂直静载荷装置，包括壳体1、推杆3、导杆4、连接块5、托杆7和支撑杆8。壳体1套在固定管外。推杆3可移动并可旋转地套设在固定管上，在推杆上开设有外螺纹，在推杆上安装有位移传感器9和压力传感器10。导杆4有八个，均布在壳体1内，并可沿壳体1的长度方向移动，在导杆4的一端设置有摆块2，八个摆块8正好拼成一个圆盘(下述)，在导杆4的外表面形成有与推杆3的外螺纹相适配的外螺纹。连接块5可移动套设在固定管上。托杆7有八个，一端铰接安装在连接块5上。支撑杆8有八个，分别与托杆7一一对应设置，支撑杆8的一端与托杆7的另一端相铰接连接，支撑杆8的另一端铰接连接在推杆3上。

垂直动力装置包括第三气囊，和为第三气囊供气的第三气源。

如图4所示，工作时，通过第三气囊推动推杆3在固定管2上移动并旋转，就驱动导杆4旋转并移动，从而使摆块2旋转至展开的位置，八个摆块2正好能够拼接成如图5所示的圆盘状，此时托杆7打开并托住由摆块2形成的圆盘。压力传感器10和位移传感器9自动采集数据并存储，并向上剪切土体，测得土体的力-变形(应力-应变)曲线、粘聚力、内摩擦角等参数，土体原位直剪测试后，托杆7回收且摆块2旋转缩回，逐步施加竖直载荷向下压缩土体，应力和位移传感器监测土体受力和变形，且自动采集测试数据并存储，测得各土层的比例极限、塑性、破坏强度参数。另外，还可以在壳体1内设置视频采集装置，这样就可以录制这个实验的全过程。

本实施方式使用推杆3驱动导杆4旋转并移动，使摆块2旋转至展开形成圆盘状，托杆支撑摆块形成的圆盘，就可以利用剪切实验得到土体粘聚力、内摩擦角标准值、压力-变形曲线，采用静载荷实验得到土体比例极限、屈服极限和强度极限，试验仪测试准确、操作灵活、结果可靠。另外，通过推杆3可以使摆块2收起置于壳体1内，以便于下放到预定的土体位置进行测试。

在本发明的一个实施方式中，可以在机架10上可以安装可视装置(图中未示出)，该可视装置可以是摄像机、照相机等一类可以实时获取下地深坑信息的图像获取装置。可视装置可以通过线缆与地面的数据主机连接，以使控制人员可以根据实时获取的图像控制各实验的步骤，并实时观察实验效果。可视装置可以安装在多个地方，如可以观察侧向实验的位置，可以观察三轴压缩实验的位置处。

上述各实施方式中虽然采用了多个气源的限定方式，但在实际使用中，可以通过一个气源为各个气囊进行充气，在每个气囊处安装相应的电磁阀，只需要在启动相应气囊时，打开相应气囊的电磁阀即可为相应的设备提供压力。

至此，本领域技术人员应认识到，虽然本文已详尽示出和描述了本发明的多个示例性实施例，但是，在不脱离本发明精神和范围的情况下，仍可根据本发明公开的内容直接确定或推导出符合本发明原理的许多其他变型或修改。因此，本发明的范围应被理解和认定为覆盖了所有这些其他变型或修改。