一种地表原位岩土三轴压缩测试装置的制作方法

本发明涉及建筑领域，特别涉及一种地表岩土工程中对岩土体进行原位应力和围压强度测试的原位三轴压缩测试装置。

背景技术：

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。

岩体的物理力学参数是基础数据，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。

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。

岩土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，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，岩土体的原位测试一般是采用多个独立的设备分别进行不同的实验，再根据不同设备的测试数据得到相关测试结果，该方式导致测试过程繁琐冗长，缺少实现全自动化的智能测试装置。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种地表岩土工程中对岩土体进行原位应力和围压强度测试的原位三轴压缩测试装置。

特别地，本发明提供一种地表原位岩土三轴压缩测试装置，包括圆柱形空心外管，所述外管的一端为用于扶持且内部安装有计算单元的控制端，另一端为钻头端，在所述外管的内部活动安装有用于取土的内管，所述内管位于所述钻头端的端部为管靴结构且伸出所述外管外，在所述内管内安装有提供液压动力的液压部，和受液压部驱动而对采集的土样施加垂直压力的垂压部，以及对采集的土样施加径向围压力的围压部，使用者将所述外管的钻头端直接立在地面上进行人工取土。

在本发明的一个实施方式中，在所述内管与外管之间设置有排出液体的通道。

在本发明的一个实施方式中，所述垂压部位于所述内管靠近所述控制部的端部，包括垂压缸和液压杆，所述液压杆包括两个平行设置的圆板和垂直连接在两个圆板之间的连接杆，液压杆的一个圆板安装在油腔内，另一个圆板位于油腔外且靠近土样一侧，在垂压缸的端部设置有供连接杆轴向移动的密封孔。

在本发明的一个实施方式中，在所述内管与所述液压杆对应的位置处安装有第一触碰开关和第二触碰开关，所述液压杆在触发第一触碰开关时停止对土样施压，在触发第二触碰开关时停止垂压部工作。

在本发明的一个实施方式中，伸出所述垂压缸的圆板与土样接触的一面安装有垂压传感器。

在本发明的一个实施方式中，所述垂压部在施加垂直压力时，试样每产生0.3％～0.4％的轴向应变或0.2mm变形值，测记一次压力数据和轴向变形值；当轴向应变大于3％时，试样每产生0.7％～0.8％的轴向应变或0.5mm变形值，测记一次测力计读数和轴向变形值；当所述垂压传感器读数出现峰值时，垂压应该继续进行到轴向应变为15％～20％

在本发明的一个实施方式中，所述围压部包括活动设置在所述内管内壁上的柔性围压油囊，和测量围压油囊中围压大小的围压传感器，围压油囊通过设置在所述内管内壁内的管路与所述液压部连接。

在本发明的一个实施方式中，所述液压部包括分别与所述垂压缸和所述围压油囊连接的垂压腔和围压腔，以及通过液压管路为所述垂压腔和所述围压腔供液压油的液压泵，在所述液压管路上分别安装有控制液压油流向的多路控制阀。

在本发明的一个实施方式中，所述围压油囊在施加围压时的应变速度为0.5％～1.0％。

在本发明的一个实施方式中，所述控制端上设置有启动相应测试项目的多个控制开关，以及显示测试结果的显示屏，所述供电端通过线缆与外部供电系统连接，在所述外管远离所述钻头端的一端安装有控制钻地时角度的方向盘。

本发明利用取土器的取样动力原理，直接在地面进行微扰动取土，采用液压装置进行垂直施压和水平施压，可提高实验过程稳定性和精度；采用mems利用传感器对土样进行数据测试，采用两套液压回路进行施加垂直压力和围压，可确保荷载的稳定，最大限度保证及提高实验数据的精度。

附图说明

图1是本发明一个实施方式的地表原位岩土三轴压缩测试装置的结构示意图；

图2是本发明一个实施方式的垂压部的结构示意图；

图3是本发明一个实施方式的地表原位岩土三轴压缩测试装置的液压管路示意图。

具体实施方式

如图1、2所示，本发明一个实施方式公开一种地表原位岩土三轴压缩测试装置，用于地面岩土的直接取样和应力及围压的现场测试，该测试装置一般包括圆柱形空心外管10，和安装在外管10内部用于取土样的内管20，内管20相对外管可以实现轴向移动。

外管10的一端为用于扶持且内部安装有计算单元的控制端12，外管10的另一端为便于钻入地下的钻头端13，内管20位于钻头端13的端部为管靴21结构且伸出外管10外，在内管20靠近控制端12的一端内安装有提供液压动力的液压部30，和受液压部30驱动而对采集的土样施加垂直压力的垂压部40，以及设置在内管20的中部以在液压部30的驱动下对采集的土样施加横向围压的围压部50。

在工作时，由操作人直接将外管的钻头端立在地面上，然后扶持和控制控制端进行人工取土，采集的土样进入到内管20内，然后通过控制端控制液压部30的液压油对垂压部40和围压部50进行同步施压，使垂压部40和围压部50对土样持续施加压力(应力)，以实时测得土样的应变力。在对土样保持围压的同时，液压部30再驱动向垂压部40对土样施加垂直压力，以完成围压实验。然后再依次控制围压部50和垂压部40的液压油回流，最终通过外部动力将整个原位实验装置带至地面。

整个测试过程由控制端12进行控制，包括液压部的驱动过程和垂压、围压力的计算，本实施方式中的控制端12采用mems(微机电系统)，因体积小功能全，因此可安装在原位实验装置上，达到实时测量和实时计算的效果。

有时在取土过程中可能会遇到地下水，针对该状态，可以在内管20与外管10之间设置排出液体的通道14，进入内管20的地下水即可在内部土样的压力下由通道14排出至内管外。这里的通道14可以是设置在内管20上连通内管20内部和外部的通道，也可以是内管20与外管10之间的间隙。

控制端12上可以设置启动相应测试项目的多个控制开关121，如垂压开关、转压开关，同时设置显示垂压和围压测试过程数据和结果数据的显示屏122。

进一步地，可以在外管10远离钻头端13的一端安装控制钻地时角度的方向盘123。方向盘123可以固定在控制端12的端部，以方便操作人员在取土时调整控制端12的偏离角度。

具体的垂压部40安装在内管20靠近控制部12一端的端部，紧临液压部30，包括一个固定在内管20管壁上容纳液压油的垂压缸41，和受垂压缸41内液压控制而伸缩的液压杆42，液压杆42包括两个平行设置的第一圆板421和第二圆板422，以及垂直连接在第一圆板421和第二圆板422之间的连接杆423，第一圆板421安装在垂压缸41内且其直径与垂压缸41的内径相同，第二圆板422位于垂压缸41外且靠近土样一侧，第二圆板422的直径与内管20的内径相同，第一圆板421在垂压缸41内实现垂压缸41内部的密封隔离，将垂压缸41内分成第一垂压腔411和第二垂压腔412，第一圆板421可随第一垂压腔411和第二垂压腔412内的液压油量变化下带动第二圆板422在内管20内移动，而连接杆423则通过设置在垂压缸41上的密封孔实现轴向移动，以避免垂压缸41内的液压油漏出。

当液压部30向第一垂压腔411内注油时，会推动第一圆板421向第二垂压腔412方向移动，同时第二圆板422会对土样施加应力。第二圆板422回缩时，液压部30向第二垂压腔412内注油推动第一圆板421向第一垂压腔411方向移动，即可使第二圆板422回到原位。

为方便获取第二圆板422施加至土样上的压力大小，可以在第二圆板422与土样接触的一面安装垂压传感器43。

具体的围压部50包括活动设置在内管20径向上的围压油囊51，在内管上可设置内凹的环形凹槽以容纳围压油囊51，围压油囊51为柔性袋，在未注液压油时，保持在环形凹槽内，当围压腔向其内部注液压油时，其会鼓起，由于外侧被内管阻挡，因此其鼓起后会向中向挤压土样，从而形成围压。围压腔与围压油囊连接的管路设置在内管20的内壁内，以避免影响内管的移动。

具体的液压部30包括分别与垂压缸41和围压缸51连接的垂压腔31和围压腔32，以及通过液压管路33为垂压腔31和围压腔32供液压油的液压泵a、b，在液压管路33上分别安装有控制液压油流向的多路控制阀。垂压腔31和围压腔32可以在液压泵a、b的控制下分别独立实现液压供油，液压泵a、b可为两个流量不同的泵组合，两个液压泵通过对垂压腔31和围压腔32内两个腔体的供油量变化，控制相应的第一圆板421、第二圆板422和围压油囊51移动。本实施方式的多路控制阀为电磁阀。

此外，为确定垂压部40在施压时的工作状态，可以在内管20与液压杆42对应的位置处安装第一触碰开关kt1和第二触碰开关kt2，液压杆42在触发第一触碰开关kt1时停止对土样施压，而在回程时触发第二触碰开关kt2时停止整个垂压部的工作。

以下以具体实施例说明垂压部40和围压部50的测试过程，如图3所示；

一、由外部动力(孔外钻杆)带动原位实验装置在深孔中取土。取土过程中，可由孔外钻杆对外管施加垂直压力取土，孔外钻杆带动外管的钻头端进行旋转切削，以在地层上打孔并取土，而内管底部的管靴有利于内管进入地层，当土样充满内管内即可停止取土过程；

二、如果遇到地下水位低的情况，可通过外管与内管之间的通道将进入内管中的地下水排到外管的外面；

三、针对取出的土样，让出扰动土体的厚度，根据实验要求，对土样施加围压压力至σ3，此时垂压腔的液压系统启动，液压泵a启动，f1(阀1)中的yt1得电，f4(阀4)中的yt5得电，液压泵a同时给围压油囊和垂直压力缸供油。

四、当围压油囊接触到土样时，压力逐渐升高，当升高的压力到调压阀调定压力σ3时，yt1断电，f1置中位，液压泵a仅给垂压缸供油；同时围压腔启动，液压泵b启动，f2的yt3得电，f3的yt4得电，液压泵b为围压油囊供油，保持小流压力，保证围压压力稳定在σ3。

五、f4保持yt5得电，液压泵a持续供油，推动垂压缸运动，继续施加垂直压力，行程开关kt1和kt2相距适当距离(与试样高度有关)，当第二圆板运行置行程开关kt2时，垂直压力施加动作结束，试验测试结束。

六、此时，yt5失电，yt6得电，垂压缸回程，碰触kt1后，yt6失电，垂压缸回归原位。同时f2的yt3失电，液压泵b中的油直接回到油箱，围压油囊失去液压油供给，围压油囊收缩，液压油回流进油箱，然后停泵，停机。

七、在实验过程中，利用控制端(mems)同时采集压力及应变数据；在施加围压压力时，应变速率宜为每分钟应变0.5％～1.0％；施加垂直压力时，试样每产生0.3％～0.4％的轴向应变(或0.2mm变形值)，测记一次压力数据和轴向变形值；当轴向应变大于3％时，试样每产生0.7％～0.8％的轴向应变(或0.5mm变形值)，测记一次测力计读数和轴向变形值；当测力计读数出现峰值时，垂压应该继续进行到轴向应变为15％～20％。

八、根据各土层的岩土体的应力-应变曲线、变形-时间曲线得到应力莫尔圆曲线，计算得到粘聚力、内摩擦角、抗剪强度指标；所述得到抗拉强度结果。

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。