本發(fā)明涉及原巖體抗壓強(qiáng)度，特別是指一種巖體強(qiáng)度原位精準(zhǔn)測試系統(tǒng)及方法。

背景技術(shù)：

1、巖體力學(xué)參數(shù)包括單軸抗壓強(qiáng)度、單軸抗拉強(qiáng)度、抗剪強(qiáng)度和三軸抗壓強(qiáng)度等，是巖土、煤炭等工程研究中最基本的參數(shù)，是研究巷道開挖與支護(hù)、礦井建設(shè)等必不可少的基礎(chǔ)參數(shù)。

2、目前，現(xiàn)場測試強(qiáng)度的方法主要有大尺寸直剪試驗(yàn)，基于超聲波探測的強(qiáng)度測試，預(yù)鉆式原位巖體剪切測量，鉆孔剪切彈模原位測試，鉆體扭矩法等，但耗費(fèi)頗多，并且測試數(shù)據(jù)單一。

3、在實(shí)際的應(yīng)用過程中，發(fā)現(xiàn)目前鉆孔剪切設(shè)備主要存在以下幾個(gè)方面的問題：1：鉆孔剪切試驗(yàn)儀中巖石的有效剪切面積較小，不足5平方厘米；另外，由于剪切板上的剪切齒高度僅有1mm，剪切厚度很小，如果鉆孔孔壁不完整，則導(dǎo)致試驗(yàn)結(jié)果偏小。2：由于剪切板上的剪切齒的存在，使得剪切齒在嵌入鉆孔巖壁過程中，孔壁巖體已經(jīng)發(fā)生了破壞，并且在試驗(yàn)過程中剪切板上齒也會(huì)對其上的巖體發(fā)生剪切破壞，因此，也會(huì)對試驗(yàn)成果造成一定的影響。3：為了解巖體變形特性，在工程應(yīng)用中往往同時(shí)進(jìn)行鉆孔彈性模量試驗(yàn)，不同的鉆孔試驗(yàn)設(shè)備交替進(jìn)行，因此試驗(yàn)實(shí)施較為繁瑣，并且所得到的試驗(yàn)資料也不利于對比分析。

4、公開號為cn118190665a的中國發(fā)明專利公開了一種便攜式土體原位孔內(nèi)直剪力學(xué)測試裝置及試驗(yàn)方法，包括主體機(jī)械結(jié)構(gòu)、數(shù)據(jù)采集及控制結(jié)構(gòu)、液壓系統(tǒng)組成，主體機(jī)械結(jié)構(gòu)包括固定柱，固定柱頂端設(shè)置有桿接口，固定柱頂端分別開設(shè)有液壓油管孔a和液壓油管孔b，固定柱外側(cè)設(shè)置有三個(gè)推靠組件，推靠組件包括固定柱外側(cè)滑動(dòng)卡設(shè)的三塊推靠板，推靠板內(nèi)側(cè)均通過液壓油管孔a內(nèi)接設(shè)的法向力輸油管a與液壓系統(tǒng)連接，三塊推靠板均設(shè)置在同一豎直平面內(nèi)，其中任意兩塊推靠板設(shè)置在同一水平直線上，另一推靠板相對側(cè)設(shè)置有頂推器，頂推器通過法向力輸油管b內(nèi)接設(shè)的管道與液壓系統(tǒng)連接。

5、該方案在實(shí)際使用時(shí)，需要通過頂緊方式將頂推器推入孔壁內(nèi)進(jìn)行固定，后施加切向力提起連桿，通過造成巖土破壞得到實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，其頂推器在推入孔壁的過程中對試驗(yàn)區(qū)域巖土的密度和結(jié)構(gòu)造成了破壞，由此獲得的數(shù)據(jù)同樣存在測定不準(zhǔn)確的問題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、針對上述背景技術(shù)中的不足，本發(fā)明提出一種巖體強(qiáng)度原位精準(zhǔn)測試系統(tǒng)及方法，解決了現(xiàn)有技術(shù)中巖體的抗剪強(qiáng)度不能實(shí)現(xiàn)原位精準(zhǔn)測定的問題。

2、本發(fā)明的技術(shù)方案是這樣實(shí)現(xiàn)的：一種巖體強(qiáng)度原位精準(zhǔn)測試系統(tǒng)，包括用于在巖體上的鉆孔內(nèi)開設(shè)雙位環(huán)向切槽的鉆孔環(huán)切裝置，和用于設(shè)置在雙位環(huán)形切槽處的原位強(qiáng)度測試系統(tǒng)；所述鉆孔環(huán)切裝置包括鉆體，鉆體內(nèi)設(shè)有環(huán)向切刀和調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)與環(huán)形切刀相配合且能夠控制環(huán)向切刀垂直于鉆體伸出或收入鉆體中；所述原位強(qiáng)度測試系統(tǒng)包括供給組件，供給組件與雙向氣囊組件相連接，雙向氣囊組件設(shè)置在支撐架上；雙位環(huán)向切槽之間的巖體上形成測試巖體，支撐架用于將雙向氣囊組件放入雙位環(huán)向切槽中與測試巖體相配合。

3、優(yōu)選的，所述雙向氣囊組件包括沿軸向依次設(shè)置的徑向氣囊和軸向氣囊，徑向氣囊和軸向氣囊均為環(huán)狀氣囊，支撐架分別與徑向氣囊和軸向氣囊的內(nèi)側(cè)連接。

4、優(yōu)選的，所述徑向氣囊和軸向氣囊分別通過耐高壓管道與智能開閉閥相連接，智能開閉閥與供給組件相連接。

5、優(yōu)選的，所述供給組件包括壓力泵，壓力泵與智能開閉閥相連接，且壓力泵能夠經(jīng)智能開閉閥和耐高壓管道向軸向氣囊和徑向氣囊內(nèi)泵送介質(zhì)。所述智能開閉閥的出口端均連接有壓力表。

6、優(yōu)選的，所述環(huán)向切刀包括成對設(shè)置的矩形刀頭，鉆體上成對開設(shè)有垂直于鉆體軸線的滑孔，矩形刀頭分別與滑孔滑動(dòng)配合；調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)包括同軸滑動(dòng)設(shè)在鉆體內(nèi)部的中心桿，中心桿前端設(shè)有推座，推座上設(shè)有用于和矩形刀頭配合的推塊，推塊與矩形刀頭之間配合設(shè)有坡面，推座上設(shè)有導(dǎo)向斜槽，矩形刀頭側(cè)壁設(shè)有導(dǎo)柱且通過導(dǎo)柱與導(dǎo)向斜槽滑動(dòng)配合，推座前端與鉆體端部之間設(shè)有復(fù)位彈簧。

7、優(yōu)選的，所述中心桿尾部連接有活塞板，活塞板上設(shè)有過水孔，活塞板與鉆體內(nèi)壁滑動(dòng)配合，所述鉆體前端設(shè)有排水孔，所述滑孔與矩形刀頭之間設(shè)有過水間隙。

8、優(yōu)選的，所述雙位環(huán)向切槽包括兩個(gè)沿鉆孔長度方向依次同軸開設(shè)的環(huán)向槽，兩個(gè)環(huán)向槽的截面均為矩形環(huán)，兩環(huán)向槽之間的巖體形成測試巖體。

9、一種巖體強(qiáng)度原位精準(zhǔn)測試方法，采用如上所述的巖體強(qiáng)度原位精準(zhǔn)測試系統(tǒng)，包括如下步驟：

10、步驟一：在巖體上開設(shè)鉆孔，并利用鉆孔環(huán)切裝置進(jìn)行多次擴(kuò)孔加工，在鉆孔內(nèi)形成多組雙位環(huán)向切槽，并進(jìn)行退鉆和清渣。

11、步驟二：利用支撐架將雙向氣囊組件安放到位并使其與其中一組雙位環(huán)向切槽對應(yīng)。

12、步驟三：利用供給組件給雙向氣囊組件供壓進(jìn)行預(yù)擴(kuò)張，并實(shí)現(xiàn)雙向氣囊組件與雙位環(huán)向切槽的定位對準(zhǔn)。

13、步驟四：利用供給組件對雙向氣囊組件供壓從而使雙向氣囊組件對測試巖體施壓，固定徑向氣囊的壓力，逐步增加軸向氣囊的壓力直至測試巖體被剪斷，并記錄壓力參數(shù)。

14、步驟五：重復(fù)上述步驟二~步驟四，在步驟四中，改變徑向氣囊的壓力，逐步增加軸向氣囊的壓力直至測試巖體被剪斷，對其他組的雙位環(huán)向切槽進(jìn)行受壓測試，并進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，通過獲取到的多組數(shù)據(jù)計(jì)算原巖內(nèi)摩擦角和內(nèi)聚力參數(shù)，完成原巖強(qiáng)度精確測試。

15、優(yōu)選的，所述步驟一中開設(shè)的多組雙位環(huán)向切槽之間的間距大于測試巖體的厚度；所述步驟四中進(jìn)行受壓測試時(shí)，當(dāng)雙向氣囊組件將測試巖體施壓切斷時(shí)，記錄壓力參數(shù)，完成單次剪切測試；所述步驟五中進(jìn)行多組雙位環(huán)向切槽受壓測試時(shí)，逐步改變雙向氣囊組件氣壓，進(jìn)行對比試驗(yàn)。

16、本發(fā)明的有益效果：本發(fā)明通過鉆孔環(huán)切裝置在巖體上預(yù)鉆的鉆孔內(nèi)開設(shè)多組雙位環(huán)向切槽，從而在巖體的鉆孔內(nèi)沿軸向形成孤立的測試巖體，利用雙位環(huán)向切槽給雙向氣囊組件的安放提供空間，使雙向氣囊組件能夠與測試巖體配合，所形成的測試巖體沿軸向方向兩側(cè)均無巖體連接，因此通過供給組件給雙向氣囊組件供入介質(zhì)，使雙向氣囊組件膨脹過程中，能夠?qū)y試巖體同時(shí)施加軸向方向和法向方向的壓力，進(jìn)而達(dá)到對測試巖體剪切測試的目的，最后根據(jù)記錄的剪切過程中的介質(zhì)壓力，得出對應(yīng)的巖體強(qiáng)度剪切數(shù)據(jù)。

17、本系統(tǒng)所形成的測試巖體規(guī)格標(biāo)準(zhǔn)，誤差誘因少，因此測量結(jié)果更準(zhǔn)確，可靠性更強(qiáng)。利用本系統(tǒng)的方法，能夠?qū)崿F(xiàn)原位測量，操作步驟簡單，數(shù)據(jù)測定更精準(zhǔn)。

技術(shù)特征：

1.一種巖體強(qiáng)度原位精準(zhǔn)測試系統(tǒng)，其特征在于：包括用于在巖體上的鉆孔內(nèi)開設(shè)雙位環(huán)向切槽的鉆孔環(huán)切裝置，和用于設(shè)置在雙位環(huán)形切槽處的原位強(qiáng)度測試系統(tǒng)；

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的巖體強(qiáng)度原位精準(zhǔn)測試系統(tǒng)，其特征在于：所述雙向氣囊組件（6）包括沿軸向依次設(shè)置的徑向氣囊（8）和軸向氣囊（9），徑向氣囊（8）和軸向氣囊（9）均為環(huán)狀氣囊，支撐架（7）分別與徑向氣囊（8）和軸向氣囊（9）的內(nèi)側(cè)連接。

3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的巖體強(qiáng)度原位精準(zhǔn)測試系統(tǒng)，其特征在于：所述徑向氣囊（8）和軸向氣囊（9）分別通過耐高壓管（10）與智能開閉閥（11）相連接，智能開閉閥（11）與供給組件（5）相連接。

4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的巖體強(qiáng)度原位精準(zhǔn)測試系統(tǒng)，其特征在于：所述供給組件（5）包括壓力泵（12），壓力泵（12）與智能開閉閥（11）相連接，且壓力泵（12）能夠經(jīng)智能開閉閥（11）和耐高壓管（10）向軸向氣囊（8）和徑向氣囊（9）內(nèi)泵送介質(zhì)。

5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的巖體強(qiáng)度原位精準(zhǔn)測試系統(tǒng)，其特征在于：所述智能開閉閥（11）的出口端均連接有壓力表（13）。

6.根據(jù)權(quán)利要求1~5任一項(xiàng)所述的巖體強(qiáng)度原位精準(zhǔn)測試系統(tǒng)，其特征在于：所述環(huán)向切刀（2）包括成對設(shè)置的矩形刀頭（14），鉆體（1）上成對開設(shè)有垂直于鉆體（1）軸線的滑孔（15），矩形刀頭（14）分別與滑孔（15）滑動(dòng)配合；調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)（3）包括同軸滑動(dòng)設(shè)在鉆體（1）內(nèi)部的中心桿（16），中心桿（16）前端設(shè)有推座（17），推座（17）上設(shè)有用于和矩形刀頭（14）配合的推塊（18），推塊（18）與矩形刀頭（14）之間配合設(shè)有坡面，推座（17）上設(shè)有導(dǎo)向斜槽（19），矩形刀頭（14）側(cè)壁設(shè)有導(dǎo)柱且通過導(dǎo)柱與導(dǎo)向斜槽（19）滑動(dòng)配合，推座（17）前端與鉆體（1）端部之間設(shè)有復(fù)位彈簧（20）。

7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的巖體強(qiáng)度原位精準(zhǔn)測試系統(tǒng)，其特征在于：所述中心桿（16）尾部連接有活塞板（21），活塞板（21）上設(shè)有過水孔（22），活塞板（21）與鉆體（1）內(nèi)壁滑動(dòng)配合，所述鉆體（1）前端設(shè)有排水孔（23），所述滑孔（15）與矩形刀頭（14）之間設(shè)有過水間隙。

8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的巖體強(qiáng)度原位精準(zhǔn)測試系統(tǒng)，其特征在于：所述雙位環(huán)向切槽包括兩個(gè)沿鉆孔長度方向依次同軸開設(shè)的環(huán)向槽（24），兩個(gè)環(huán)向槽（24）的截面均為矩形環(huán)，兩環(huán)向槽（24）之間的巖體形成測試巖體（4）。

9.一種巖體強(qiáng)度原位精準(zhǔn)測試方法，采用如權(quán)利要求1~8任一項(xiàng)所述的巖體強(qiáng)度原位精準(zhǔn)測試系統(tǒng)，其特征在于：包括如下步驟：

10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的巖體強(qiáng)度原位精準(zhǔn)測試方法，其特征在于：所述步驟一中開設(shè)的多組雙位環(huán)向切槽之間的間距大于測試巖體（4）的厚度；所述步驟四中進(jìn)行受壓測試時(shí)，當(dāng)雙向氣囊組件（6）將測試巖體（4）施壓切斷時(shí)，記錄此時(shí)的壓力參數(shù)，完成單次剪切測試；所述步驟五中進(jìn)行多組雙位環(huán)向切槽受壓測試時(shí)，逐步改變雙向氣囊組件（6）氣壓，進(jìn)行對比試驗(yàn)。

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明公開了一種巖體強(qiáng)度原位精準(zhǔn)測試系統(tǒng)及方法，涉及原巖體抗壓強(qiáng)度技術(shù)領(lǐng)域，解決了現(xiàn)有技術(shù)中巖體的抗剪強(qiáng)度不能實(shí)現(xiàn)原位精準(zhǔn)測定的問題。本發(fā)明包括用于在巖體上的鉆孔內(nèi)開設(shè)雙位環(huán)向切槽的鉆孔環(huán)切裝置，和用于設(shè)置在雙位環(huán)形切槽處的原位強(qiáng)度測試系統(tǒng)；所述鉆孔環(huán)切裝置包括鉆體，鉆體內(nèi)設(shè)有環(huán)向切刀和調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)與環(huán)形切刀相配合且能夠控制環(huán)向切刀垂直于鉆體伸出或收入鉆體中；所述原位強(qiáng)度測試系統(tǒng)包括供給組件，供給組件與雙向氣囊組件相連接，雙向氣囊組件設(shè)置在支撐架上；雙位環(huán)向切槽之間的巖體上形成測試巖體，支撐架用于將雙向氣囊組件放入雙位環(huán)向切槽中并與測試巖體相配合。本系統(tǒng)所形成的測試巖體規(guī)格標(biāo)準(zhǔn)，誤差誘因少，因此測量結(jié)果更準(zhǔn)確，可靠性更強(qiáng)。

技術(shù)研發(fā)人員：勾攀峰,辛亞軍,張盛,韋四江,宋宗民,李遠(yuǎn)航
受保護(hù)的技術(shù)使用者：河南理工大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2025/1/9