[发明专利]一种测量原位岩体弹性模量和抗剪强度的实验系统和方法

说明书

本发明涉及一种测量原位岩体弹性模量和抗剪强度的实验系统和方法，该实验系统包括：地面固定及控制部分，包括工作平台、可视化装置和液压泵等，用于将测试装置固定在预定位置并实现对整个测量过程的地面控制和反馈；弹性模量测试装置包括两排位于中央套管的钻孔活塞和测量活塞，测量活塞可以侧向伸入由钻孔活塞制得的小孔中测量岩体的原位模量；抗剪强度测试装置由连接螺栓将剪切头和剪切板固定在中央套管头部而组成，抗剪强度由液压装置分级加压确定不同应力下岩体的剪切破坏曲线而算得。该实验系统根据测得的数据，通过描点做图的方法，可较为简便地确定岩体原位条件下的弹性模量和抗剪强度，并能广泛用于工程场地中对岩体性质的确定。

技术领域

本发明涉及岩土工程领域，主要用于测量岩土工程在建设中确定地表一定深度以下岩体的弹性模量和抗剪强度，为工程实际提供参考设备。

背景技术

在岩土工程设计与施工中，需要获取岩体的变形参数和抗剪强度等指标。当前确定岩石强度一般用钻孔取芯法，即通过钻孔取样后在实验室加工制备成标准试件，再换算成现场的岩石强度；但是这种方法在岩石的取样运输过程中就会不可避免地对岩石产生扰动，对岩石的力学性质产生比较大影响。岩石的变形试验一般是在现场完成，但是这种原位试验成本高昂、费时费力，并且由于试验次数有限，很难有足够的样本来反映出岩体的变形特征。综上所述，发明一个可以快速简单地确定原位岩体弹性模量和抗剪强度的实验系统和方法就具有重大的意义。

原位钻孔剪切实验的发展历史较短，Richard.L和Handy等经过多年现场实验和技术手段的积累，开发出岩石钻孔剪切试验机，此设备可以用于较软且相对完整的岩体中；我国的原位钻孔测弹模装置起步比较晚，2009年中国水利水电科学院引进爱德华大学研制的岩石钻孔剪切仪，在实验室用混凝土模型进行了钻孔剪切模拟实验，并在工程中对岩体进行了研究。我国目前还没有成型的集岩体剪切强度和岩体弹性模量测试于一体的装置，测量岩体弹性模量的方法主要还是钻孔之后直接放管，加压后整体膨胀撑开钻孔，从而测得变形和应力之间的关系。此方法会因为岩层性质和钻孔对岩体的影响使得加压装置和孔壁不能完全耦合而最终导致实验偏差比较大，不利于运用在实际施工中。

本发明提供了一种测量原位岩体弹性模量和抗剪强度的实验系统和方法，可以在地勘钻孔的基础上进行岩体力学性质的测定。本发明提供的方法操作简单，实验成本小，且可以重复使用。本装置可同时测定原位岩体的弹性模量和抗剪强度两个重要力学参数，能大大的节约成本缩短工期，提高工程质量。

发明内容

针对现有技术存在的上述问题，本发明的一个目的是提供一种测量原位岩体弹性模量和抗剪强度的实验系统。

另一个目的是提供一种采用上述试验系统的测量原位岩体弹性模量和抗剪强度的方法。

为了实现上述第一个目的，本发明采用如下技术方案：一种测量原位岩体弹性模量和抗剪强度的实验系统，其特征在于：包括地面固定及控制部分、弹性模量测试装置、抗剪强度测试装置；

地面固定及控制部分：包括液压泵、油量阀、可视化装置、电源和工作平台；

所述液压泵在测量活塞工作时给耐压橡胶帽中耐压油加压并记录压力大小，油量泵在测量活塞中的耐压橡胶帽里的液压油受压膨胀时记录下耐压橡胶帽得体积变化，工作平台用于在地面上固定装置连接中央套管与地上部分；

弹性模量测试装置：包括在中央套管、钻孔活塞、测量活塞和螺栓；

所述的中央套管通过螺栓固定在工作平台上，中央套管是整个地下测量的母系统，钻孔活塞与测量活塞分别位于中央套管的两侧，两者轴线相距180°，中央套管内部是上下连接的通道，有输油管和泥浆涡轮机；

抗剪强度测试装置：包括剪切头和剪切板；

所述剪切头通过连接螺栓固定在中央套管上，剪切板在剪切头的两侧布置；