一种自反力式深孔岩基载荷试验装置及其试验方法
【专利摘要】本发明公开了一种自反力式深孔岩基载荷试验装置及其试验方法，装置包括承压板、加荷系统、位移测量系统、数据采集系统以及液压支撑反力系统，液压支撑反力系统包括液压棒、支撑臂以及带齿的反力板，液压棒与连接液压泵、荷载箱的高压油管相连，当各个支撑臂未张开时，各个反力板闭合成圆桶状。本发明利用液压支撑反力装置使整套装置与入岩部分岩体面嵌固，由孔壁岩体提供反力，承压板、加荷系统和液压支撑反力系统一体化组装，相比现有的设备，结构简单、安装拆卸便利；数据采集系统直接采集荷载箱荷载及承压板位移，不受地形、岩基埋深等因素的限制，测量精度高；在试验完成后，装置各部分全部回收，能实现重复利用，试验成本低，可靠性高。
【专利说明】一种自反力式深孔岩基载荷试验装置及其试验方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及岩土工程勘察领域，具体涉及一种自反力式深孔岩基载荷试验装置及 其试验方法。
【背景技术】
[0002] 现场岩基载荷试验能更直接准确地确定岩基的承载能力，对建筑桩基的设计起到 指导作用。目前高层、超高层建筑的大量建设和对深层岩基的破坏机理的研究都对深层岩 基载荷试验有着极大需求，而现有的设备和试验方法却无法满足实际要求，主要是因为现 有的浅层载荷试验设备在做埋深较大的岩基载荷试验时设备安装困难，试验数据偏差较 大，大多只适合浅层或人工挖孔条件下中使用；近年来多有提到的自平衡岩基载荷试验装 置虽能满足深度方面的要求，但是其设备不能重复利用，成本过高，不符合实际应用要求。 因此现有的岩基载荷装置在准确性和实用性上存在较大缺陷。
【发明内容】
[0003] 本发明要解决的技术问题是，针对现有岩基载荷装置存在的上述不足，提供一种 自反力式深孔岩基载荷试验装置及其试验方法，不受地形、岩基埋深等因素的限制，在实际 应用中安装拆卸便利，满足当前建筑市场对埋深较大、地形较复杂、测量精度要求高、实用 性强的岩基载荷试验的需求。
[0004] 本发明为解决上述技术问题所采用的技术方案是： 一种自反力式深孔岩基载荷试验装置，包括承压板、加荷系统、位移测量系统、数据采 集系统以及液压支撑反力系统，所述加荷系统由荷载箱、液压泵、压力传感器组成，所述荷 载箱设置于承压板上，荷载箱的顶部通过高压油管与安装在地表上的液压泵连接，所述压 力传感器安装在高压油管上；所述位移测量系统由基准梁、基准桩、位移传感器、位移丝组 成，所述基准梁通过基准桩安装在地表上，位移传感器安装在基准梁上，位移丝的两端连接 承压板和位移传感器；所述数据采集系统分别与压力传感器和位移传感器连接(用于采集 压力传感器和位移传感器的信号）； 所述液压支撑反力系统包括液压棒、支撑臂以及带齿的反力板，所述液压棒与连接液 压泵、荷载箱的高压油管相连，液压棒下端为圆盘形，所述支撑臂设有若干组、围绕所述液 压棒的下端均勻分布，各个支撑臂的一端与液压棒的下端铰接、另一端对应与一反力板相 连，所述反力板呈圆弧形，当各个支撑臂未张开时，各个反力板闭合成圆桶状。
[0005] 按上述方案，所述所述支撑臂设有6组、围绕所述液压棒呈60°夹角均匀分布。
[0006] 本发明还提供了一种利用上述装置进行岩基载荷试验的方法，包括如下步骤： 1) 钻孔至需做岩基载荷试验的岩层，在设计试验时，控制孔径、孔深，使入岩深度满足 设计要求，清孔使孔底沉渣达到要求，并保证孔底平整； 2) 利用钢丝绳将由液压支撑反力系统、荷载箱、承压板、位移丝及高压油管构成的下部 结构吊放至孔底，下放过程中保持下部结构垂直、且位于孔中心，位移丝的下端与承压板连 接，位移丝和高压油管的上端延伸至地表； 3) 安装地表上部的液压泵、数据采集系统、压力传感器、位移传感器、基准梁、基准桩及 高压油管等设备，液压泵与地表上部的高压油管连接，压力传感器安装在高压油管上，基准 梁通过基准桩安装在地表上，位移传感器安装在基准梁上，数据采集系统分别与压力传感 器和位移传感器连接； 4) 将步骤2)所述的下部结构稍稍提起，使其悬空，开启液压泵，使液压棒伸张，液压棒 带动支撑臂张开，根据压力传感器数据变化判断，当压力传感器检测的压力值突变时，反力 板与入岩部分的孔壁接触，此时缓慢下放钢丝绳使承压板下放至孔底，通过液压泵对液压 棒不断加压，使反力板上的齿与孔壁契合，反力板与孔壁嵌固； 5) 将位移丝的上端与位移传感器连接(位移丝的两端分别与承压板、位移传感器连 接)，通过液压泵、荷载箱、承压板对孔底岩基施加荷载，然后分别通过压力传感器、位移传 感器检测荷载箱的荷载以及承压板的位移(承压板的位移由位移丝传递到地表的位移传感 器)，数据采集系统同时采集荷载箱的荷载数据、位移传感器的位移数据，从而获得岩基在 不同荷载条件下的位移变形数据，处理后获得荷载-位移（Q-S )关系曲线。
[0007] 按上述方案，所述步骤4)中当液压棒受到液压泵的压力使得反力板对孔壁压力达 到最大反力板对孔壁压力值P时关闭液压棒的液压阀，液压泵停止工作。
[0008] 按上述方案，所述最大反力板对孔壁压力值产满足如下公式： NPAu=Q/k (1) 式（1)中，反力板片数d :反力板面积W :最大荷载值4 :安全系数；:反力板与 孔壁摩擦系数； 通过获得式（1)中的等设计参数，求得最大反力板对孔壁压力值凡
[0009] 按上述方案，所述步骤5)中对孔底岩基施加荷载采用单循环加载方式，第一级加 载取试验最大荷载值(试验最大荷载值依据有关规定进行预估）的1/5,此后每级为试验最 大荷载值的1/10,每级荷载达到相对稳定后加下一级荷载，直到荷载逐级递增至试验最大 荷载值。
[0010] 按上述方案，试验结束后，拆卸地表上部的设备，然后依次对荷载箱和液压棒卸 荷，液压棒回缩会收起支撑臂，从而使反力板与孔壁脱离，然后通过钢丝绳将下部结构回 收。
[0011] 本发明的工作原理：利用液压支撑反力系统使整套装置与入岩部分岩体面嵌固， 由孔壁岩体提供反力。液压支撑反力系统与荷载箱、承压板构成整体，作为整套试验装置的 下部结构，下部结构放入孔底后，液压支撑反力系统通过高压油管(经压力传感器）与地表 的液压泵联接，通过液压泵加压，支撑臂张开，使反力板与入岩部位孔壁嵌固提供岩基载荷 试验的反力；嵌固后关闭液压棒的液压阀，液压泵通过高压油管与加荷系统联接，通过液压 泵、荷载箱、承压板施加荷载，数据采集系统通过压力传感器采集荷载(压力）数据，同时数 据采集系统与承压板通过位移丝、位移传感器相连，采集位移数据。
[0012] 本发明的有益效果是： 1、本发明自反力式深孔岩基载荷试验装置利用液压支撑反力装置使整套装置与入岩 部分岩体面嵌固，由孔壁岩体提供反力，承压板、加荷系统和液压支撑反力系统一体化组 装，相比现有的设备，结构简单、安装拆卸便利； 2、 数据采集系统直接采集荷载箱荷载及承压板位移，数据精度不受地形、岩基埋深等 因素的限制，测量精度高； 3、 在试验完成后，装置各部分全部回收，能实现重复利用，试验成本低，可靠性高。
【专利附图】
【附图说明】
[0013] 图1为本发明自反力式深孔岩基载荷试验装置的结构示意图； 图2为本发明液压支撑反力系统的结构示意图； 图中，1-液压泵，2-数据采集系统，3-位移丝，4-压力传感器，5-基准梁，6-液压支撑 反力系统，6a-液压棒，6b-支撑臂，6c-反力板，7-荷载箱，8-承压板，9-基准桩，10-位移传 感器。
【具体实施方式】
[0014] 下面结合附图和实施例对本发明进行详细说明。
[0015] 参照图图2所示，本发明所述的自反力式深孔岩基载荷试验装置，包括承压板 8、加荷系统、位移测量系统、数据采集系统2以及液压支撑反力系统，所述加荷系统由荷载 箱7、液压泵1、压力传感器4组成，所述荷载箱7设置于承压板8上，荷载箱7的顶部通过 高压油管与安装在地表上的液压泵1连接，所述压力传感器4安装在高压油管上；所述位移 测量系统由基准梁5、基准桩9、位移传感器10、位移丝3组成，所述基准梁5通过基准桩9 安装在地表上，位移传感器10安装在基准梁5上，位移丝3的两端连接承压板8和位移传 感器10 ;所述数据采集系统2分别与压力传感器4和位移传感器10连接(用于采集压力传 感器4和位移传感器10的信号）； 所述液压支撑反力系统6包括液压棒6a、支撑臂6b以及带齿的反力板6c，所述液压棒 6a与连接液压泵1、荷载箱7的高压油管相连，液压棒下端为圆盘形，所述支撑臂6b设有若 干组、围绕所述液压棒6a的下端均勻分布，各个支撑臂6b的一端与液压棒6a的下端铰接、 另一端对应与一反力板6c相连，所述反力板6c呈圆弧形，当各个支撑臂6b未张开时，各个 反力板6c闭合成圆桶状。
[0016] 所述所述支撑臂6b设有6组、围绕所述液压棒6a呈60°夹角均匀分布。
[0017] 本发明利用上述装置进行岩基载荷试验的方法，包括如下步骤： 1) 钻孔至需做岩基载荷试验的岩层，在设计试验时，控制孔径、孔深，使入岩深度满足 设计要求(如大于lm)，清孔使孔底沉渣达到要求，并保证孔底平整； 2) 利用钢丝绳将由液压支撑反力系统6、荷载箱7、承压板8、位移丝3及高压油管构成 的下部结构吊放至孔底，下放过程中保持下部结构垂直、且位于孔中心，位移丝3的下端与 承压板8连接，位移丝3和高压油管的上端延伸至地表； 3) 安装地表上部的液压泵1、数据采集系统2、压力传感器4、位移传感器10、基准梁5、 基准桩9及高压油管等设备，液压泵1与地表上部的高压油管连接，压力传感器4安装在高 压油管上，基准梁5通过基准桩9安装在地表上，位移传感器10安装在基准梁5上，数据采 集系统2分别与压力传感器4和位移传感器10连接； 4) 将步骤2)所述的下部结构稍稍提起，使其悬空，开启液压泵1，使液压棒6a伸张，液 压棒6a带动支撑臂6b张开，根据压力传感器4数据变化判断，当压力传感器4检测的压力 值突变时，反力板6c与入岩部分的孔壁接触，此时缓慢下放钢丝绳使承压板8下放至孔底， 通过液压泵1对液压棒6a不断加压，使反力板6c上的齿与孔壁契合，反力板6c与孔壁嵌 固； 5)将位移丝3的上端与位移传感器10连接(位移丝3的两端分别与承压板8、位移传 感器10连接)，通过液压泵1、荷载箱7、承压板8对孔底岩基施加荷载，然后分别通过压力传 感器4、位移传感器10检测荷载箱7的荷载以及承压板8的位移(承压板8的位移由位移丝 3传递到地表的位移传感器10)，数据采集系统2同时采集荷载箱7的荷载数据、位移传感 器10的位移数据，从而获得岩基在不同荷载条件下的位移变形数据，处理后获得荷载-位 移（Q-S)关系曲线。
[0018] 所述步骤4)中当液压棒6a受到液压泵1的压力使得反力板6c对孔壁压力达到 最大反力板对孔壁压力值/7时关闭液压棒6a的液压阀，液压泵1停止工作。
[0019] 所述步骤4)中最大反力板对孔壁压力值产满足如下公式： NPAu=Q/k (1) 式（1)中，反力板片数d :反力板面积W :最大荷载值4 :安全系数；:反力板与 孔壁摩擦系数； 通过获得式（1)中的等设计参数，求得最大反力板对孔壁压力值凡
[0020] 所述步骤5)中对孔底岩基施加荷载采用单循环加载方式，第一级加载取试验最 大荷载值(试验最大荷载值依据有关规定进行预估）的1/5,此后每级为试验最大荷载值的 1/10,每级荷载达到相对稳定后加下一级荷载，直到荷载逐级递增至试验最大荷载值。
[0021] 试验结束后，拆卸地表上部的设备，然后依次对荷载箱7和液压棒6a卸荷，液压棒 6a回缩会收起支撑臂6b，从而使反力板6c与孔壁脱离，然后通过钢丝绳将下部结构回收。
[0022] 以上所述的仅为本发明的较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范 围，因此依本发明申请专利范围所作的等效变化，仍属本发明的保护范围。
【权利要求】
1. 一种自反力式深孔岩基载荷试验装置，其特征在于，包括承压板（8)、加荷系统、位 移测量系统、数据采集系统（2)以及液压支撑反力系统，所述加荷系统由荷载箱（7)、液压 泵（1)、压力传感器（4)组成，所述荷载箱（7)设置于承压板（8)上，荷载箱（7)的顶部通过 高压油管与安装在地表上的液压泵（1)连接，所述压力传感器（4)安装在高压油管上；所述 位移测量系统由基准梁（5)、基准桩（9)、位移传感器（10)、位移丝（3)组成，所述基准梁（5) 通过基准桩（9 )安装在地表上，位移传感器（10 )安装在基准梁（5 )上，位移丝（3 )的两端连 接承压板（8)和位移传感器（10);所述数据采集系统（2)分别与压力传感器（4)和位移传 感器（10)连接； 所述液压支撑反力系统（6)包括液压棒（6a)、支撑臂（6b)以及带齿的反力板（6c)，所 述液压棒（6a)与连接液压泵（1)、荷载箱（7)的高压油管相连，液压棒下端为圆盘形，所述 支撑臂（6b)设有若干组、围绕所述液压棒（6a)的下端均匀分布，各个支撑臂（6b)的一端与 液压棒（6a)的下端铰接、另一端对应与一反力板（6c)相连，所述反力板（6c)呈圆弧形，当 各个支撑臂（6b)未张开时，各个反力板（6c)闭合成圆桶状。
2. 根据权利要求1所述的自反力式深孔岩基载荷试验装置，其特征在于，所述所述支 撑臂（6b)设有6组、围绕所述液压棒（6a)呈60°夹角均匀分布。
3. -种根据上述权利要求广2任意之一所述的自反力式深孔岩基载荷试验装置进行 岩基载荷试验方法，其特征在于，包括如下步骤： 1) 钻孔至需做岩基载荷试验的岩层，在设计试验时，控制孔径、孔深，使入岩深度满足 设计要求，清孔使孔底沉渣达到要求，并保证孔底平整； 2) 利用钢丝绳将由液压支撑反力系统（6)、荷载箱（7)、承压板（8)、位移丝（3)及高 压油管构成的下部结构吊放至孔底，下放过程中保持下部结构垂直、且位于孔中心，位移丝 (3) 的下端与承压板（8)连接，位移丝（3)和高压油管的上端延伸至地表； 3) 安装地表上部的的液压泵（1)、数据采集系统（2)、压力传感器（4)、位移传感器 (10 )、基准梁（5 )、基准桩（9 )及高压油管等设备，液压泵（1)与地表上部的高压油管连接， 压力传感器（4)安装在高压油管上，基准梁（5)通过基准桩（9)安装在地表上，位移传感器 (10 )安装在基准梁（5 )上，数据采集系统（2 )分别与压力传感器（4)和位移传感器（10 )连 接； 4) 将步骤2)所述的下部结构稍稍提起，使其悬空，开启液压泵（1)，使液压棒（6a)伸 张，液压棒（6a)带动支撑臂（6b)张开，根据压力传感器（4)数据变化判断，当压力传感器 (4) 检测的压力值突变时，反力板（6c)与入岩部分的孔壁接触，此时缓慢下放钢丝绳使承压 板（8)下放至孔底，通过液压泵（1)对液压棒（6a)不断加压，使反力板（6c)上的齿与孔壁 契合，反力板（6c)与孔壁嵌固； 5) 将位移丝（3)的上端与位移传感器（10)连接，通过液压泵（1)、荷载箱（7)、承压板 (8)对孔底岩基施加荷载，然后分别通过压力传感器（4)、位移传感器（10)检测荷载箱（7) 的荷载以及承压板（8)的位移，数据采集系统（2)同时采集荷载箱（7)的荷载数据、位移 传感器（10)的位移数据，从而获得岩基在不同荷载条件下的位移变形数据，处理后获得荷 载-位移关系曲线。
4. 根据权利要求3所述的自反力式深孔岩基载荷试验方法，其特征在于，所述步骤4) 中当液压棒（6a)受到液压泵（1)的压力使得反力板（6c)对孔壁压力达到最大反力板对孔 壁压力值/7时关闭液压棒（6a)的液压阀，液压泵（1)停止工作。
5. 根据权利要求4所述的自反力式深孔岩基载荷试验方法，其特征在于，所述最大反 力板对孔壁压力值/7满足如下公式： NPAu=Q/k (1) 式（1)中，反力板片数d :反力板面积W :最大荷载值4 :安全系数；:反力板与 孔壁摩擦系数； 通过获得式（1)中的等设计参数，求得最大反力板对孔壁压力值凡
6. 根据权利要求3所述的自反力式深孔岩基载荷试验方法，其特征在于，所述步骤5) 中对孔底岩基施加荷载采用单循环加载方式，第一级加载取试验最大荷载值的1/5,此后每 级为试验最大荷载值的1/10,每级荷载达到相对稳定后加下一级荷载，直到荷载逐级递增 至试验最大荷载值。
7. 根据权利要求3所述的自反力式深孔岩基载荷试验方法，其特征在于，试验结束后， 拆卸地表上部的设备，然后依次对荷载箱（7)和液压棒（6a)卸荷，液压棒（6a)回缩会收起 支撑臂（ 6b)，从而使反力板（6c)与孔壁脱离，然后通过钢丝绳将下部结构回收。
【文档编号】G01N3/12GK104215515SQ201410473794
【公开日】2014年12月17日 申请日期:2014年9月17日 优先权日:2014年9月17日
【发明者】黄生根, 胡继伟, 吴文兵 申请人:中国地质大学（武汉）