专利名称：岩体钻孔剪切弹模仪的制作方法
技术领域：
本发明涉及岩土工程领域，尤其是能够在岩土工程在建设中确定岩体抗剪强度和变形模量的工程设备。
背景技术：
在岩土工程建设中，原位试验是获得可靠的岩土体变形与强度参数的重要手段。但常规岩体现场剪切与变形试验会耗费大量的人力、物力，因此，试验数目有限，往往很难全面地评价岩土工程中岩体的工程力学特性。钻孔剪切试验的发展历史很短。1976年，美国Winland首先提出，随后众多的研究者对这一新的试验方法进行了很多研究。目前，作为确定土的抗剪强度方法已在美国得到的了广泛应用。1967年Handy和Fox研制的钻孔直剪试验装置，用两块圆弧状剪切板膨胀来施加正应力，用拉力或压力来施加剪应力。其缺点是在测定器的前端容易产生被动区，以及非对称导致应力分布极其复杂。参考Handy等人的装置，日本的T.森(1969)研制了土体剪切设备，同样也由于设备的非对称问题导致应力分布复杂，未能得到大力推广。1997年，日本九州电力株式会社的溝上和今林研制了钻孔内抗剪试验设备。其剪切板长30mm、宽25mm，并设有高为2mm、宽为Imm的三个剪切齿。研究发现，利用该设备得到的抗剪强度中，内摩擦角与三轴压缩试验结果基本相等，但内聚力偏大。以上几种设备，普遍存在的缺点是在钻孔中进行剪切试验时，剪切面积非常�。壹羟猩疃纫卜浅Ｇ�。另外，由于剪切板两侧没有剪切齿，在剪切过程中，剪切齿内的岩体还会受到较大的侧向牵拉作用，会对测试结果造成较大的影响。在钻孔弹模设备方面，国内外都有比较成熟的试验设备，国外常用的钻孔弹模设备主要有是圆柱状径向钻孔膨胀探测仪以及Goodman千斤顶式两种类型。加拿大Roctest公司研制的Probex-1型钻孔弹模仪以及美国GOODMAN JACK钻孔岩石弹模仪是这两种类型钻孔弹模仪的代表，在国内外工程中得到了广泛的应用。国内一些岩土试验设备公司也开发研制了相关的钻孔弹模设备，应用于工程中。但是这些设备仅仅在于利用钻孔进行岩体弹模的测试，功能单一，没有利用有限的工程勘探钻孔，深入挖掘岩体工程特性参数。因此，设计一种利用勘探钻孔进行不同深度与不同角度上的岩体剪切与变形试验，简单快捷地确定岩体的抗剪强度参数(内摩擦角与粘聚力)与变形参数(岩体变形模量)的工程设备是十分必要的。
发明内容
根据背景技术所述，本发明的目的在于提供一种能方便快捷地在岩土工程建设中确定岩体抗剪强度和变形模量的岩体钻孔剪切弹模仪。为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案:
一种岩体钻孔剪切弹模仪，主要由塞杆端口(1)，套杆(2)，上盘刀(3)，橡胶囊(4)和下盘刀(5)组成，其中:总体结构为长柱体，上盘刀(3)和下盘刀(5)之间设置施加正应力的橡胶囊(4)。所述的上盘刀(3)由上盘刀盖板(31)，活塞盘刀(32)，液压外壳(33)，中心柱
(34),配合方柱(35)和大力弹簧(36)构成。四根配合方柱(35)用来固定上盘刀(3)在岩体钻孔剪切弹模仪上的位置，上盘刀盖板(31)固定在液压外壳(33)之上，保证四个活塞盘刀(32)能够自由伸出，并不被岩屑堵塞，另外固定在中心柱(34)上的大力弹簧(36)能够保证试验后四个活塞盘刀(32)顺利缩回。所述的下盘刀(5)由下盘刀盖板(51)，活塞盘刀(52)，下盘刀托架(53)，下盘刀底板(54),导向槽(55),液压外壳(56),中心柱(57),配合方柱(58)和大力弹簧(59)构成。四根配合方柱(58)用来固定下盘刀(5)在岩体钻孔剪切弹模仪上的位置；下盘刀盖板(51)固定在液压外壳(56)之上，保证四个活塞盘刀(52)能够自由伸出，并不被岩屑堵塞；下盘刀托架(53)与导向槽(55)配合，固定在下盘刀底板(54)之上，保证下盘刀在实施岩体剪切试验时不会发生过大变形；另外固定在中心柱(57)上的大力弹簧(59)能够保证试验后四个活塞盘刀(52)顺利缩回。所述的橡胶囊(4)的内部由钢筒进行支撑，并在其上设置有橡胶囊出油管孔(41)和配合方柱(42)。所述的钻孔剪弹模仪的上部，主要由固定支座(62)与固定钻杆夹片(61)互相配合，结合其他外部设备，如千斤顶等，为岩体钻孔剪切弹模仪的剪切试验施加剪切力。由于采用上述技术方案，本发明具有以下优点和有益效果:
1、本发明可以在现场利用勘探钻孔进行不同深度与不同角度上的岩体剪切与变形试验，简单快捷地确定岩体的抗剪强度参数(内摩擦角与粘聚力)与变形参数(岩体变形模量)，为工程设计与决策提供重要支持，而且可以大大节省试验经费，具有良好的经济效益；
2、本发明巧妙地将钻孔剪切设备与钻孔弹模设备结合起来，克服目前常用的岩体钻孔剪切设备中剪切板尺寸过�。⑶铱赡懿叨诵вΦ缺欢枇κ共馐越峁蟮慕峁⒛芄唤昕椎Ｊ匝橛胱昕准羟惺匝榻岷掀鹄吹玫礁煽康姆从逞姨骞こ烫匦圆问�
3、本发明可以非常方便地利用岩体中的钻孔在不同深度不同方向上进行原位的剪切试验与岩体变形试验，得到不同方向上的岩体强度与变形参数，本发明的设备有利于广泛推广，具有很大的经济与社会经济价值。
图1为本发明结构总体示意 图2a为本发明上盘刀结构纵剖面示意 图2b为本发明上盘刀结构横剖面示意 图3a为本发明下盘刀结构纵剖面示意 图3b为本发明下盘刀结构横剖面示意 图4为本发明橡胶囊钢衬管示意 图5为本发明与钻杆装配示意图。
具体实施方式
由图1至图5示出，一种岩体钻孔剪切弹模仪，主要由塞杆端口 1，套杆2，上盘刀3，橡胶囊4和下盘刀5组成，其中:总体结构为长柱体；上盘刀3和下盘刀5之间设置施加正应力的橡胶囊4。上盘刀3由上盘刀盖板31，活塞盘刀32，液压外壳33，中心柱34，配合方柱35和大力弹簧36构成，四根配合方柱35用来固定上盘刀3在岩体钻孔剪切弹模仪上的位置，上盘刀盖板31固定在液压外壳33之上，保证四个活塞盘刀32能够自由伸出，并不被岩屑堵塞，另外固定在中心柱34上的大力弹簧36能够保证试验后四个活塞盘刀32顺利缩回。下盘刀5由下盘刀盖板51，活塞盘刀52，下盘刀托架53，下盘刀底板54，导向槽55,液压外壳56,中心柱57,配合方柱58和大力弹簧59构成，四根配合方柱58用来固定下盘刀5在岩体钻孔剪切弹模仪上的位置；下盘刀盖板51固定在液压外壳56之上，保证四个活塞盘刀52能够自由伸出，并不被岩屑堵塞；下盘刀托架53与导向槽55配合，固定在下盘刀底板54之上，保证下盘刀在实施岩体剪切试验时不会发生过大变形；另外固定在中心柱57上的大力弹簧59能够保证试验后四个活塞盘刀52顺利缩回。橡胶囊4的内部由钢筒进行支撑，并在其上设置有橡胶囊出油管孔41和配合方柱42。钻孔剪弹模仪上部，主要由固定支座62与固定钻杆夹片61互相配合，结合其他外部设备，如千斤顶等，为岩体钻孔剪切弹模仪的剪切试验施加剪切力。在进行钻孔弹模试验时，将岩体钻孔剪切弹模仪放置在岩体钻孔中的预定位置处，通过连接钻杆进行定位，然后通过两个盘刀之间的耐高压的橡胶囊对孔壁岩体施加荷载，通过油压表确定施加荷载大�。ü沧霸谙鸾耗医隹诘牧髁考屏坎獾降南鸾耗抑械慕鲇土浚凰憧妆谘姨逦灰疲ü妆谘姨逶诜锤醇�、卸荷载以及与其对应的孔壁岩体变形来绘制应力应变曲线，确定岩体变形模量。在进行钻孔剪切试验时，首先连通四个活塞前压力室与中心室，使活塞前后室油压相同，在中心室中的大力弹簧作用下，盘刀紧紧压在钻孔岩壁上，此时利用钻机与连接钻杆使盘刀旋转，在弹簧的压紧作用下，上下盘刀会自动在钻孔岩壁上掏槽，并利用空压机吹出或水冲出掏槽产生的岩石碎屑；完成掏槽后，分别将上下盘刀的中心室与活塞前室上的油管与油泵接通，首先向上盘刀中的活塞前室压入压力油，使活塞盘刀运行到初始位置；然后利用上下盘刀间的橡胶囊对上下盘刀之间的孔壁岩体施加正应力；正应力施加完成后，利用千斤顶对连接钻杆施加垂直于正应力的拉拔力，使上下盘刀之间的岩体在下盘刀的作用下发生剪切破坏，并记录岩体破坏过程中的最大拉拔力；通过记录下的正应力以及拉拔力计算剪切破坏时所对用的正应力剪应力。在钻孔中的不同位置上进行不同正应力下的孔壁岩体剪切试验，并利用不同正应力下的岩体剪切破坏试验结果绘制破坏包络线，确定岩体抗剪强度参数。( I)岩体变形模量测试方法
利用岩体钻孔剪切弹模仪进行岩体变形模量测试原理与目前工程中常用的旁压仪以及钻孔弹模仪基本相同。主要利用橡胶囊压力与扩张体积的相关关系进行换算岩体变形模量。主要测试步骤有:
A、在试验前要进行弹性橡胶膜约束力与仪器管路体积损失的校正。这主要是因为随着设备的使用，橡胶膜约束力会随着弹性膜的材质、使用次数和气温变化而变化，因此，在每次测试前应进行校正；
B、开始试验，记录试验过程中施加的每一级压力P与其相对应的橡胶膜扩张体积V，或者变换后的岩体径向变形S，并绘制P V、P飞的相关曲线；
C、特征值的确定，根据岩体特性以及试验数据确定试验特征值，主要包括初始压力P。、临界压力Pf和极限压力Pl ;以及相应特征压力对应的扩张体积或岩体变形值；
D、计算岩体变形模量。计算岩体变形模量可以采用以下公式(I)进行计算:
权利要求
1.一种岩体钻孔剪切弹模仪，主要由塞杆端口(1)，套杆(2)，上盘刀(3)，橡胶囊(4)和下盘刀(5)组成，其特征在于:总体结构为长柱体，上盘刀(3)和下盘刀(5)之间设置施加正应力的橡胶囊(4)。
2.根据权利要求1所述的岩体钻孔剪切弹模仪，其特征在于:所述的上盘刀(3)由上盘刀盖板(31)，活塞盘刀(32)，液压外壳(33)，中心柱(34)，配合方柱(35)和大力弹簧(36)构成，四根配合方柱(35)固定上盘刀(3)在岩体钻孔剪切弹模仪上的位置，上盘刀盖板(31)固定在液压外壳(33)之上，保证四个活塞盘刀(32)能够自由伸出，并不被岩屑堵塞，另外固定在中心柱(34)上的大力弹簧(36)保证试验后四个活塞盘刀(32)顺利缩回。
3.根据权利要求1所述的岩体钻孔剪切弹模仪，其特征在于:所述的下盘刀(5)由下盘刀盖板(51)，活塞盘刀(52)，下盘刀托架(53)，下盘刀底板(54)，导向槽(55)，液压外壳(56),中心柱(57),配合方柱(58)和大力弹簧(59)构成，四根配合方柱(58)用来固定下盘刀(5)在岩体钻孔剪切弹模仪上的位置；下盘刀盖板(51)固定在液压外壳(56)之上，保证四个活塞盘刀(52)能够自由伸出，并不被岩屑堵塞；下盘刀托架(53)与导向槽(55)配合，固定在下盘刀底板(54)之上，保证下盘刀在实施岩体剪切试验时不会发生过大变形；另外固定在中心柱(57)上的大力弹簧(59)能够保证试验后四个活塞盘刀(52)顺利缩回。
4.根据权利要求1所述的岩体钻孔剪切弹模仪，其特征在于:所述的橡胶囊(4)的内部由钢筒进行支撑，并在其上设置有橡胶囊出油管孔(41)和配合方柱(42)。
5.根据权利要求1所述的岩体钻孔剪切弹模仪，其特征在于:所述的钻孔剪弹模仪上部，主要由固定支座(62)与固定钻杆夹片(61)互相配合，结合其他外部设备，如千斤顶等，为岩体钻孔剪切弹模仪的剪切试验施加剪切力。
全文摘要
一种岩体钻孔剪切弹模仪，主要由塞杆端口(1)，套杆(2)，上盘刀(3)，橡胶囊(4)和下盘刀(5)组成，其中总体结构为长柱体。试验时在不同钻孔位置上进行不同正应力下的孔壁岩体剪切试验，并利用不同正应力下的岩体剪切破坏试验结构绘制破坏曲线，用以确定岩体抗剪轻度参数。本发明结构简单，造价低廉，易于使用，维护和修理简易。
文档编号G01N3/24GK103115829SQ20121046514
公开日2013年5月22日 申请日期2012年11月19日 优先权日2012年11月19日
发明者汪小刚, 赵宇飞, 贾志欣, 王玉杰, 段庆伟, 孙平, 林兴超, 任爱武, 刘立鹏, 李新强 申请人:中国水利水电科学研究院
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