一种岩土层原位旁压测试装置及方法与流程
本发明属于岩土工程旁压测试技术领域，具体涉及一种岩土层原位旁压测试装置及方法。
背景技术：
在基础建设大力发展的今天，建构筑物的复杂性和难度系数逐渐加大，对地基的要求也越来越高，保证地基土力学数据的真实、准确和可靠性是当前岩土工程勘察技术领域面临的较为紧迫的问题；解决该问题的有效途径是发展岩土原位测试技术。
原位旁压测试装置用于原位测定土层水平向初始压力（
现有的原位旁压测试装置一般由土体旁压器、动力源控制系统以及管路系统三部分组成，其中：
第一、旁压器：旁压器是对地下钻孔的孔壁土（岩）体直接施加压力的装置；测试时，将旁压器沿钻孔放置到需要测试的地层部位，地面气动力源将液体介质（水或油）通过中间管路压入旁压器内，使旁压器在液体压力介质作用下沿径向呈圆柱形扩张；扩张压力作用于地基土（岩）体，量测动力源施加的压力和压入橡皮膜内液体的体积，可计算地基土的压力和变形数据；
第二、动力源控制系统：动力源位于地表，一般采用高压氮气压力源，也可采用打气筒或空气压缩机压缩空气压力源，其功能是给压力介质（水或油）施加压力；控制系统用于控制压力的施加，并显示压力和输入的液体体积；
第三、管路系统：管路系统是用于将地面上的压力介质输送到钻孔内的旁压器内。
现有的原位旁压试验装置缺点包括：
第一、装置分地上和地下两部分；地上为动力源，地下是旁压测试器，动力源和旁压器之间采用液体输送管路连接，形成环路的测量装置，体积庞大分散、人工操作复杂、人工记录数据难以追溯；
第二、试验数据通过读取地面装置的仪表显示和人工理论计算获得，由于地面装置距地下的测试部位距离较大，仪表显示和人工理论计算数据和实际存在一定的偏差；
第三、传递动力的管路由多根软管组成，测试时需将管路沿钻孔放入钻孔内；由于钻孔直径较小，孔内还有钻杆等物体，造成管路布设难度较大，工作效率较低。
基于上述岩土原位测试中存在的技术问题，尚未有相关的解决方案；因此迫切需要寻求有效方案以解决上述问题。
技术实现要素：
本发明的目的是针对上述技术中存在的不足之处，提出一种岩土层原位旁压测试装置及方法，旨在解决现有现有岩土层原位旁压测试中测试装置体积庞大分散、人工操作复杂、人工记录数据难以追溯的问题。
本发明提供一种岩土层原位旁压测试装置，包括地面信息处理控制装置、测试控制数据采集处理器以及测试控制电路板；地面信息处理控制装置与测试控制数据采集处理器通信连接；测试控制数据采集处理器与测试控制电路板电连接；测试控制电路板和测试控制数据采集处理器分别与旁压器的测试单元电连接；地面信息处理控制装置用于获取旁压器的测试数据和对测试数据进行处理，并对测试控制数据采集处理器发布测试过程控制指令；测试控制数据采集处理器用于接收测试单元的测试数据和地面信息处理控制装置测试过程控制指令，并传输至地面信息处理控制装置；测试单元设置于钻孔内，用于采集岩土层的测试数据。
进一步地，测试单元包括电动液压泵、电磁换向阀、单向顺序阀以及压力pdi控制器；电动液压泵、电磁换向阀、单向顺序阀以及压力pdi控制器分别与测试控制电路板电连接；电动液压泵用于为测试提供液体压力动力；电磁换向阀用于引导系统液体的流向；单向顺序阀用于控制系统液体的流向；压力pdi控制器用于控制测量腔、旁压上护腔内以及旁压下护腔内的液体多级压力值和加压时长；测试控制电路板用于测试单元各部件电控信号线的分配和动力电源线的连接。
进一步地，测试单元包括电子液体流量计、测试部位裸孔压力传感器以及测量腔内压力传感器；电子液体流量计、测试部位裸孔压力传感器以及测量腔内压力传感器分别与测试控制数据采集处理器电连接；电子液体流量计用于测量和记录流入测量腔内液体的体积；测试部位裸孔压力传感器用于测量和记录旁压测试腔外部空间的压力；测量腔内压力传感器用于测量和记录测量腔内部空间的压力。
进一步地，旁压器为分体式旁压器；分体式旁压器包括分体机电液动力源地面装置、旁压器接头舱以及旁压器本体；旁压器接头舱和旁压器本体设置于钻孔内；分体机电液动力源地面装置设置于地面上，并通过液体介质导管与旁压器接头舱和旁压器本体连通；分体机电液动力源地面装置通过液体介质导管通过旁压器接头舱向旁压器本体输送侧压液体；测试单元设置于分体机电液动力源地面装置内。
进一步地，分体机电液动力源地面装置通过数据通讯接口与地面信息处理控制装置通信连接；数据通讯接口包括usb串口模块，usb串口模块之间通过导线电连接。
进一步地，旁压器为一体式旁压器；一体式旁压器设置钻孔内，并通过无线数传模块与地面信息处理控制装置通信连接。
进一步地，一体式旁压器包括电液动力源孔内装置；电液动力源孔内装置包括信号传输器、液体介质舱、电源舱、数据采集舱、电液动力舱、控制阀舱、旁压上护腔、旁压测试腔以及旁压下护腔；信号传输器用于安装无线通信模块和发射天线，并实现电液动力源孔内装置与地面信息处理控制装置间的通信；液体介质舱用于储存和供给系统所用的液体；电源舱用于安装系统所用电池；数据采集舱用于安装测试控制数据采集处理器；电液动力舱用于安装电动液压泵组件；控制阀舱用于安装pid控制阀组件；旁压上护腔、旁压下护腔以及旁压测试腔为岩土层原位旁压测试的压力执行组件。
进一步地，旁压器包括电液动力源和数字信息量测模块；电液动力源用于为岩土层原位旁压测试提供液体介质压力；数字信息量测模块用于量测和记录旁压测试数据，数字信息量测模块将传感器测量获得的模拟或脉冲信号转换成测试控制数据采集处理器可识别的数字信号，并通过测试控制数据采集处理器传送至地面信息处理控制装置。
进一步地，地面信息处理控制装置包括cpu中央控制器、数据采集存储模块、液压控制单元、数据通讯模块以及卫星定位模块。
相应地，本发明还提供一种岩土层原位旁压测试方法，应用于上述所述的岩土层原位旁压测试装置；还包括以下步骤：
s1：采用工程地质钻机钻探出钻孔，将旁压器设置于钻孔内的测试部位；
s2：当采用的旁压器为分体式旁压器时，将测试线和液体介质导管在地面信息处理控制装置与旁压器连接后再将旁压器放到测试部位；
s3：当采用的旁压器为一体式旁压器时，用钻杆连接一体式旁压器孔内装置；将一体式旁压器孔内装置放置到测试位置后，把带有测试线的测试无线通讯接头通过钻杆内孔放到接头设计位置，用无线信号连通测试控制数据采集处理器并通讯；地面信息处理控制装置通过发送指令给测试控制数据采集处理器启动电液动力源；当采用分体式旁压器时，将带有液体输送管的分体式旁压器防置到钻孔测试位置后，需要测试时，用分体机电液动力源地面装置上的电液动力源启动按钮直接启动；
s4：依据测试控制数据采集处理器采集到的旁压测试初始数据和旁压测试方案，在地面信息处理控制装置上设置测试工作程序后，启动自动测试程序进行旁压测试；也可以按照设置的测试工作程序进行分步手动测试操作；
s5：显示测试工作程序全部完成后，启动测试结束程序；地面信息处理控制装置提示测试工作完成后，该岩土层原位旁压测试全部结束。
本发明提供的方案，通过采用电液动力源作为旁压器动力，具有以往气动力旁压器不具备的效果；其一方面大幅度减小了装置的体积和重量，有利于旁压测试野外操作；尤其是将孔内电液动力源旁压测试一体机化设计，突破了以往旁压测试深度受限制的瓶颈，填补了深度工程勘察原位测试技术的空白；另一方面电性能的利用，更有利于实现自动化和数字化测试技术的发挥，所有的测试数据和控制数据均利用传感器采集，不仅有效地消除了以往测试初始数据采用人工采集和理论计算的偏差，使旁压测试成果更接近于工程实际，而且自动控制的测试流程使得测试结果更准确可靠，并能通过数字化分析技术，为工程提供最佳测试成果；再者，本发明提供的方案，采用了特有的孔内无线通讯技术，为地面控制系统与地下钻孔内旁压器之间的通讯提供了方法，填补了原有装置地上与地下钻孔内旁压器无通讯的空白，该通讯技术简便快捷，大幅度降低了辅助作业工作量，提高了测试效率，可推广应用于工程勘察领域其它的原位测试方法中。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
以下将结合附图对本发明作进一步说明：
图1为本发明旁压装置电液动力源工艺流程图；
图2为本发明孔内电液动力源旁压测试一体机信息采集及系统控制流程图；
图3为本发明电液动力源旁压测试分体机信息采集及系统控制流程图；
图4为本发明孔内电液动力源旁压测试装置一体机示意图；
图5为本发明电液动力源旁压测试装置分体机示意图。
图中：1、液体介质储存罐；2、电动液压泵；3、电磁换向阀；4、电子液体流量计；5、单向顺序阀；6、三腔旁压器；7、压力pdi控制器；8、电子液体流量计；9、测试部位裸孔压力传感器；10、测量腔内压力传感器；11、孔内信息无线通讯模块；12、一体机钻孔内装置；13、分体机电业动力源地面装置；14、usb接口数据连接线；21、地面信息处理控制装置；22、钻孔；23、信号传输器；24、液体介质舱；25、电源舱；26、数据采集舱；27、电液动力舱；28、控制阀舱；29、旁压上护腔；30、旁压测试腔；31、旁压下护腔；32、电液动力源孔内装置；41、地面信息处理控制装置；42、分体机电液动力源地面装置；43、液体介质导管；44、钻孔；45、旁压器接头舱；46、旁压器本体。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接或彼此可通讯；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
如图1至图5所示，本发明提供一种岩土层原位旁压测试装置，包括地面信息处理控制装置、测试控制数据采集处理器以及测试控制电路板；地面信息处理控制装置与测试控制数据采集处理器通信连接；测试控制数据采集处理器与测试控制电路板电连接；测试控制电路板和测试控制数据采集处理器分别与旁压器的测试单元电连接；地面信息处理控制装置用于获取旁压器的测试数据和对测试数据进行处理，并对测试控制数据采集处理器发布测试过程控制指令；测试控制数据采集处理器用于接收测试单元的测试数据和地面信息处理控制装置测试过程控制指令，并传输至地面信息处理控制装置；测试单元；测试单元设置于钻孔内，用于采集岩土层的测试数据，并通过测试控制数据采集处理器传输至地面信息处理控制装置进行岩土层原位旁压数据的分析和计算；采用上述方案，能够简化岩土层原位旁压测试装置电连接结构，减小岩土层原位旁压测试装置的体积，降低人工操作的工作量，并且测试参数可有效长久记录，便于查找，同时可有效降低测试偏差，提高测试精度，提高工作效率。
优选地，结合上述方案，如图1至图5所示，本实施例中，测试单元包括电动液压泵2、电磁换向阀3、单向顺序阀5以及压力pdi控制器7；其中，电动液压泵2、电磁换向阀3、单向顺序阀5以及压力pdi控制器7分别与测试控制电路板电连接；具体地，电动液压泵用于为测试提供液体压力动力；电磁换向阀用于引导系统液体的流向；单向顺序阀用于控制系统液体的流向；压力pdi控制器用于按程序控制测量腔、旁压上护腔内以及旁压下护腔内的液体多级压力值和加压时长；测试控制电路板用于测试单元各部件电控信号线的分配和动力电源线的连接。
优选地，结合上述方案，如图1至图5所示，本实施例中，测试单元包括电子液体流量计4、测试部位裸孔压力传感器9以及测量腔内压力传感器10；电子液体流量计4、测试部位裸孔压力传感器9以及测量腔内压力传感器10分别与测试控制数据采集处理器电连接；具体地，电子液体流量计用于测量和记录流入测量腔内液体的体积；测试部位裸孔压力传感器用于测量和记录旁压测试腔外部空间的压力；测量腔内压力传感器用于测量和记录测量腔内部空间的压力；测量腔内压力传感器分别与测试控制数据采集处理器电连接。
优选地，结合上述方案，如图1所示，本实施例中，电液动力源的系统包括液体介质储存罐1、电动液压泵2、电磁换向阀3、电子液体流量计4、单向顺序阀5、三腔旁压器6以及压力pdi控制器7；具体的：三腔旁压器6由金属骨架和包裹在金属骨架外的密封的橡皮膜构成，测试时向密封的橡皮膜内注入液体，在液体充填下橡皮膜向外膨胀对岩土体施压；测试过程中，在不同的液体压力作用下，可以得到岩土体不同的压缩变形结果；本实施例中，电动液压泵2在额定压力范围内可提供固定流量的液体，液体通过压力pdi控制器7时，液体压力被调整为测试需要的定值，并可做到多级调整；当带有压力的液体与三腔旁压器6的橡皮膜内腔连通时，既可以在设定的压力下进行岩土层的旁压测试；测试结束后，通过电磁换向阀3进行液流换向，电动液压泵2可以将三腔旁压器6的橡皮膜内腔的液体抽出送回液体介质储存罐1。
优选地，结合上述方案，如图1至图5所示，本实施例中，旁压器为分体式旁压器；如图3所示的分体机电业动力源地面装置13，分体式旁压器包括地面信息处理控制装置41、分体机电液动力源地面装置42、旁压器接头舱45以及旁压器本体46；旁压器接头舱45和旁压器本体46设置于钻孔44内；分体机电液动力源地面装置42设置于地面上，并通过液体介质导管43与旁压器接头舱45和旁压器本体46连通；分体机电液动力源地面装置42通过液体介质导管43通过旁压器接头舱45向旁压器本体46输送侧压液体；测试单元设置于分体机电液动力源地面装置42内。
优选地，结合上述方案，如图1至图5所示，本实施例中，分体机电液动力源地面装置42通过数据通讯接口与地面信息处理控制装置41通信连接；数据通讯接口包括usb串口模块，usb串口模块之间通过导线电连接。
优选地，结合上述方案，如图1至图5所示，本实施例中，旁压器为一体式旁压器；如图2所示的一体机钻孔内装置12，一体式旁压器设置钻孔内，并通过无线数传模块与地面信息处理控制装置通信连接；一体式旁压器的无线数传天线设置在测试装置顶部，天线本体塑料块密封，并采用嵌入式安装，地面信息处理控制装置的天线为塑料密封圆柱状，采用通讯线缆将圆柱状天线与地面信息处理控制装置电连接，并用通讯线缆将圆柱状天线由钻杆内孔下放至一体式旁压器的天线处，在两天线相互发射、接收识别信号适配成功后，即可实施旁压测试；具体地，无线数传模块包括数据格式转换模块和信息无线发送和接收模块；数据格式转换模块用于将采集的旁压测试压力和流量数据，以及采集的电动力源自动控制数据转换成符合无线通讯的数据格式；信息无线发送和接收模块，用于进行地面控制系统和孔内数据采集器的钻孔内无线信息通讯端口，并将信息推送到地面信息处理控制装置和测试控制数据采集处理器；进一步地，无线数传模块为无线数传模块为串口无线全双工或微波通讯模块。
优选地，结合上述方案，如图1至图5所示，本实施例中，一体式旁压器包括电液动力源孔内装置；电液动力源孔内装置通过无线数传模块与地面信息处理控制装置21通信连接；电液动力源孔内装置包括信号传输器23、液体介质舱24、电源舱25、数据采集舱26、电液动力舱27、控制阀舱28、旁压上护腔29、旁压测试腔30以及旁压下护腔31；电液动力源孔内装置设置于钻孔22内；信号传输器23用于安装无线通信模块和发射天线，并实现电液动力源孔内装置与地面信息处理控制装置间的通信；液体介质舱用于储存和供给系统所用的液体；电源舱用于安装系统所用电池；数据采集舱用于安装测试控制数据采集处理器；电液动力舱用于安装电动液压泵组件；控制阀舱用于安装pid控制阀组件；旁压上护腔、旁压下护腔以及旁压测试腔为岩土层原位旁压测试的压力执行组件；电液动力源孔内装置设置于钻孔内。
优选地，结合上述方案，如图1至图5所示，本实施例中，旁压器包括电液动力源和数字信息量测模块；电液动力源用于为岩土层原位旁压测试提供液体介质压力；数字信息量测模块用于量测和记录旁压测试数据，数字信息量测模块将传感器测量获得的模拟或脉冲信号转换成测试控制数据采集处理器可识别的数字信号，并通过测试控制数据采集处理器传送至地面信息处理控制装置；具体地，电液动力源具体包括电源单元和电动液压器单元；电源单元用于向电动液压器提供电源；电动液压器单元用于向旁压器提供符合旁压测试要求的液体压力和流量，电动液压器单元结构形式分一体式和分体式两种；电动液压器单元和旁压器为一体式时，测试时电动液压器单元和旁压器均置于地下钻孔内；电动液压器单元和旁压器为分体式时，测试时仅将旁压器置于地下钻孔内；进一步地，数字信息量测模块包括旁压数据采集单元、传感器单元以及控制单元；其中，旁压数据采集单元用于采集旁压器作业过程中旁压测试压力和变形数据的数字信息；传感器单元用于将旁压器作业过程中旁压测试压力和变形信息转变为数据数字信息的设备；控制单元用于使旁压器作业过程中旁压测试压力和流量符合测试要求的自动控制设备。
优选地，结合上述方案，如图1至图5所示，本实施例中，地面信息处理控制装置包括cpu中央控制器、数据采集存储模块、液压控制单元、数据通讯模块以及卫星定位模块；cpu中央控制器是提供人机界面、测试控制和测试数据分析与存储的操作部件；数据采集存储模块用于测试数字信息采集和存储的部件；液压控制单元用于测试程序编制；pid控制阀和测试控制指令制定的组件；数据通讯模块为具有互联网功能用于旁压测试成果实时发布的通讯组件；卫星定位模块是为标记测试成果的可靠性提供的可追溯的不可更改位置记录组件；本发明提供的岩土层原位旁压测试装置还附加卫星定位模块、数据传输模块，可为每一次的数据获取附加位置、时间信息，并及时将数据传输至数据中心，保证原位旁压测试参数和信息的准确性和可靠性，做到数据可追溯。
相应地，结合上述方案，本发明还提供一种岩土层原位旁压测试方法，应用于上述所述的岩土层原位旁压测试装置；还包括以下步骤：
s1：采用工程地质钻机钻探出钻孔，将旁压器设置于钻孔内的测试部位；
s2：当采用的旁压器为分体式旁压器时，将测试线和液体介质导管在地面信息处理控制装置与旁压器连接后再将旁压器放到测试部位；
s3：当采用的旁压器为一体式旁压器时，将带有测试线的测试无线通讯接头通过钻杆内孔放到设计位置，用无线信号与测试控制数据采集处理器通讯，地面信息处理控制装置通过发送指令给测试控制数据采集处理器启动电液动力源；当采用分体式旁压器时，将带有液体输送管的分体式旁压器防置到钻孔测试位置后，需要测试时，用地面信息处理控制装置上电液动力源启动按钮直接启动；
s4：依据测试控制数据采集处理器采集到的旁压测试初始数据和旁压测试方案，在地面信息处理控制装置上设置测试工作程序后，启动自动测试程序进行旁压测试；也可以按照设置的测试工作程序进行分步手动测试操作；
s5：显示测试工作程序全部完成后，启动测试结束程序；地面信息处理控制装置提示测试工作完成后，该岩土层原位旁压测试全部结束。
本发明提供的方案，通过采用电液动力源作为旁压器动力，具有以往气动力旁压器不具备的效果；其一方面大幅度减小了装置的体积和重量，有利于旁压测试野外操作；尤其是将孔内电液动力源旁压测试一体机化设计，突破了以往旁压测试深度受限制的瓶颈，填补了深度工程勘察原位测试技术的空白；另一方面电性能的利用，更有利于实现自动化和数字化测试技术的发挥，所有的测试数据和控制数据均利用传感器采集，不仅有效地消除了以往测试初始数据采用理论计算的偏差，使旁压测试成果更接近于工程实际，而且自动控制的测试流程使得测试结果更准确可靠，并能通过数字化分析技术，为工程提供最佳测试成果；再者，本发明提供的方案，采用了特有的孔内无线通讯技术，为地面控制系统与地下钻孔内旁压器之间的通讯提供了方法，填补了原有装置地上与地下钻孔内旁压器无通讯的空白，该通讯技术简便快捷，大幅度降低了辅助作业工作量，提高了测试效率，可推广应用于工程勘察领域其它的原位测试方法中；进一步地，特有的孔内无线通讯技术为串口无线全双工、微波通讯模块，一体式旁压器的无线数传天线设置在装置顶部，天线本体塑料块密封，嵌入式安装，地面信息处理控制装置的天线为塑料密封圆柱状，采用通讯线缆将圆柱状天线与地面信息处理控制装置电连接，并用通讯线缆将圆柱状天线由钻杆内孔下放至一体式旁压器的天线处，在两天线相互发射、接收识别信号适配成功后，即可实施旁压测试。
以上所述，仅为本发明的较佳实施例，并非对本发明做任何形式上的限制。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可利用上述所述技术内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术对以上实施例所做的任何改动修改、等同变化及修饰，均属于本技术方案的保护范围。
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