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专利号: 2018103845510
申请人: 山东科技大学
专利类型:发明专利
专利状态:已下证
专利领域: 测量;测试
更新日期:2023-12-11
缴费截止日期: 暂无
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摘要:

权利要求书:

1.一种工程岩体力学参数钻孔原位测试装置,其特征在于,它由触探加载系统、多点测试旋转定位系统、推进支撑系统、液压加载系统和控制系统五大部分组成;其中:(一)所述的触探加载系统由单点加载仪、视频采集单元、位移测量单元、触探锥头和承压底座组成,其中:

所述单点加载仪上部设有一凹腔,下部设有一压力室,触探锥头的底部穿过凹腔后伸入到压力室中,在单点加载仪的侧面还依次设有电线接口、推杆接口和油路接口,电线接口与外部的控制器相连接,推杆接口与外部的推进支撑系统相连接,油路接口与外部的液压加载系统相连接;所述控制器与液压加载系统相连接;

所述承压底座,固定在单点加载仪的底部,承压底座上设有一油腔,油腔分别与压力室和油路接口相连通;

所述位移测量单元,固定在凹腔的侧壁上,位移测量单元用于检测所述触探锥头的移动距离;

所述视频采集单元,设置在位移测量单元的外部周向方向上,且经电线接口与控制器相连接,视频采集单元用于采集钻孔孔壁的加载状态;

所述的触探锥头为球台状,就是半球的顶部截成平面;

(二)所述的多点测试旋转定位系统包括旋转角度定位装置和复测校准设备:其中:

所述的旋转角度定位装置包括驱动单元、连接轴和传动单元,所述驱动单元固定在防护罩的内部侧壁上,驱动单元经传动单元与连接轴相连接,连接轴的顶部与外部的静力触探加载装置相连接;

所述的复测校准设备包括定位指针、复测圆盘和视频采集显示单元,定位指针与连接轴的上部相连接,复测圆盘套设在连接轴上,并与防护罩的内侧壁固定连接,其中,所述定位指针的指示端位置与所述复测圆盘的位置相对应,所述视频采集显示单元用于实时采集所述定位指针和复测圆盘的相对位置并显示出来;

(三)所述的推进支撑系统包括推进驱动装置、孔口支撑防护装置、推进杆和压管装置;

其中:

所述的推进驱动装置由底座、万向球铰、推进液压缸和推进杆替换连接室组成;推进液压缸经万向球铰转动连接在底座上,推进杆替换连接室与推进液压缸相连接;所述推进液压缸的活塞柱上设有推进端头,推进端头的内部设有中空的内凸柱,内凸柱的内部安装有导电圈,内凸柱的外侧壁上设有柱状凸起,导电圈与孔口杆体上的单针连线插头中的第二导电插针相配合,柱状凸起与孔口端杆体上单针连线插头中的垂直滑轨相配合;所述推进杆替换连接室是在推进杆的外表面套设有与推进液压缸相连接的圆柱筒体,圆柱筒体的下部侧壁上设有一开口,管道穿设在开口中;圆柱筒体的内壁上还对称地设有多组夹具用于夹持推进杆,夹具的夹臂外侧尖端设有可对接的半圆卡槽,半圆卡槽用于夹持管道,半圆卡槽的开口大小可调;

所述的孔口支撑防护装置,设置在推进杆替换连接室的上方,用于对钻孔孔口处的杆体进行夹持支撑,在孔口支撑防护装置的下方设置有压管装置,用于将管道压入到推进杆杆体的开口槽中;

所述的推进杆,是由多个杆体首尾连结而成的;在杆体的外表面竖直地开设有多个开口槽,油管管道可压入开口槽内部;在杆体内的中空内腔中穿设有双头单针导线,双头单针导线是在导线两端分别连接有第一导电插针和第二导电插针;在杆体的顶部连接有单孔连线插座,单孔连线插座的内部设有由导电环构成的导电插孔,第一导电插针经线圈与导电环相连接;单孔连线插座的外侧壁上对称地分布有两个孔槽,每个所述孔槽内安装有弹簧卡扣,所述弹簧卡扣的尾部经弹簧与所述孔槽相连接,所述弹簧卡扣的头部为球面,所述单针连线插头的开口端头上对应地设有四个孔槽开口,所述弹簧卡扣与所述孔槽开口相配合,便于单孔连线插座与单针连线插头的连接和脱离;在杆体的底部连接有单针连线插头, 第二导电插针自内向外穿设在单针连线插头上,且第二导电插针还与导电插孔相配合;单针连线插头的内壁沿孔槽开口向内设有对称分布的垂直滑轨,垂直滑轨分为连接滑轨和脱离滑轨,且连接滑轨和脱离滑轨之间通过一斜滑轨相连,三条滑轨形成U型回路,组成U型回路的滑轨的最小内径略大于弹簧卡扣的最大外径;斜滑轨与脱离滑轨连接处设有滑轨卡槽,滑轨卡槽用于单孔连线插座与单针连线插头连接后稳住弹簧卡扣,使整个装置在推进 和测量过程中不发生转动,有利于稳定性和精确性;在单孔连线插座的外表面设有环形锁紧凹槽,在单针连线插头的下端部设有与环形锁紧凹槽相锲合的锁紧套环;

(四)所述的液压加载系统用来控制液压油进出实现加载的;

(五)所述的控制系统,一是控制旋转角度定位装置的驱动单元进行精确旋转转动,并显示复测校准设备的视频采集显示单元复测的旋转角度;二是控制触探加载系统对现场工程钻孔内岩体进行加载测试,获得不同岩性、不同钻孔深度岩体的荷载一位移曲线及数据;

三是控制推进支撑系统将触探加载系统与多点测试旋转定位系统准确送入到钻孔中,实现不同钻孔深度岩体的加载测试;四是控制液压加载系统对所有油路进行充油和回油,实现整个装置对钻孔内岩体的测试。

2.如权利要求1所述的工程岩体力学参数钻孔原位测试装置,其特征在于,所述的传动单元的结构是:包括第一至第三单齿齿轮、第一至第三多齿齿轮,所述连接轴包括自上而下依次分布的上轴、中轴和下轴,中轴分别与所述上轴和下轴转动连接;其中:第一单齿齿轮与驱动单元固定连接,第一多齿齿轮与中轴的下部固定连接,第一单齿齿轮与第一多齿齿轮相啮合;第二单齿齿轮固定在中轴的上部,第二单齿齿轮与第二多齿齿轮相啮合;第三多齿齿轮固定在上轴上,第三单齿齿轮与第三多齿齿轮相啮合,第二多齿齿轮和第三单齿齿轮之间通过连接杆相连接,连接杆的外部套设有连接套,连接套与连接杆转动连接,且连接套还与防护罩固定连接;在第一多齿齿轮、第二单齿齿轮和第三多齿齿轮上均分别设有至少一个键槽,且所述第一多齿齿轮、第二单齿齿轮和第三多齿齿轮通过固定键和键槽分别与中轴的下部、中轴的上部和上轴相连接。

3.如权利要求2所述的工程岩体力学参数钻孔原位测试装置,其特征在于,所述的孔口支撑防护装置包括固定在孔口位置处的固定架、分级卡盘、分级滑轨和内径调节机构;所述的固定架为圆形套环,圆形套环的内部中间位置处设有隔板;在隔板的上下两侧对称地安装有分级卡盘,分级卡盘的中心位置处还设有旋转限位环,推进杆穿设在旋转限位环中;在分级卡盘的直径线上对称地设置有分级滑轨,分级滑轨上设有分级卡柱,分级卡柱包括第一级卡柱、第二级卡柱和第三级卡柱,所述第一级卡柱嵌套在第二级卡柱内,第二级卡柱嵌套在第三极卡柱内,第一级至第三级卡柱均可沿相对应的分级滑轨滑动;所述的内径调节机构包括调节限位槽和调节螺钉,调节限位槽设置在相邻两个分级卡柱之间,调节螺钉设置在调节限位槽中,用于调整旋转限位环的内径大小;所述分级卡盘、旋转限位环和分权级卡柱中均设有油路通道,且所述分级卡盘上还设有进油口和出油口,所述进油口和出油口与所述油路通道相连通。

4.如权利要求3所述的工程岩体力学参数钻孔原位测试装置,其特征在于,所述的压管装置包括固定杆、金属套、两个滑轮和弹簧压片;所述的固定杆,固定在上述孔口支撑防护装置的下方;所述的金属套,分别经水平位移调节机构和竖直位移调节机构与所述固定杆相连接,通过两个调节机构分别调节金属套水平左右移动和竖直上下移动;金属套上对称地开设有两个开口滑槽,开口滑槽倾斜向外延伸;所述的两个滑轮,一一对应地安装在开口滑槽中与开口滑槽滑动连接,且滑轮与杆体的开口槽相对应,两个滑轮之间还通过传递杆相连接,要求滑轮的轮缘处中间突出,其两侧边向内凹陷,有利于把油管压进推进杆外侧壁的开口槽中,防止偏差;所述的弹簧压片,设置在每个滑轮的两侧轴部,弹簧压片用于受力后驱动所述滑轮沿所述开口滑槽滑动。

5.如权利要求4所述的工程岩体力学参数钻孔原位测试装置,其特征在于,所述的水平位移调节机构结构是:包括竖向调节滑块、斜杆和伸缩柱,在压管装置的固定杆上设有竖向滑槽,斜杆的一端经竖向调节滑块与竖向滑槽滑动连接,其另一端与伸缩柱的中部相铰接, 伸缩柱的两端分别与固定杆和压管装置的金属套相连接,在竖向调节滑块上还设有一解锁压板,便于对竖向调节滑块进行锁紧和解锁;所述的竖直位移调节机构包括滑动轴承,水平位移调节机构的伸缩柱一端经滑动轴承与固定杆的竖向滑槽滑动连接。

6.如权利要求5所述的工程岩体力学参数钻孔原位测试装置,其特征在于,所述的视频采集显示单元包括摄像头和主机显示屏,摄像头固定在定位指针上,主机显示屏分别与摄像头和控制系统相连接。

7.一种如权利要求6所述的工程岩体力学参数钻孔原位测试装置使用方法,其特征在于,步骤如下:

第一步,组装连接工程岩体力学参数钻孔原位测试装置

第1  .1步,固定推进支撑系统,并使推进液压缸伸出端的推进端头对准围岩钻孔;将推进液压缸的固定阀关闭,保证推进驱动装置稳定不动;并将推进杆替换连接室安装在推进液压缸活塞柱外露端内凸柱上并锁紧;

第1  .2步:固定孔口支撑防护装置和压管装置;即:将所述孔口支撑防护装置的分级卡盘固定在固定架的隔板上下两端,并用螺栓锚固,同时,将压管装置固定在固定架的下方;

第1  .3步,孔口支撑防护装置组装完毕后,将其安装在推进支撑系统底座的支架上,并通过升降支架将其传送到围岩钻孔口处,使其固定在钻孔口外壁;

第1  .4步,将触探加载系统与多点测试旋转定位系统通过轴承连接在一起,使两者可以同步转动,并在轴承上端头安装钻孔电视成像系统,使触探加载系统、多点测试旋转定位系统和钻孔电视成像系统可以随着推进杆移动;

第1  .5步,将组装好的第一根推进杆通过推进杆替换连接室侧壁的圆柱筒体开口安装在推进端头,同时锁紧推进杆尾,使其在推进过程中不发生旋转及晃动;

第1  .6步,安装管道;将管道通过推进杆替换连接室侧壁的圆柱筒体开口处深入与触探加载系统的油路接口相连,并与压力室相通,调整夹具尖端两侧对接的半圆卡槽大小,使管道可以在其中自由拉动;

第二步,钻孔原位测试

第2  .1步,打开推进液压缸,设置油压加载速率,使推进液压缸的活塞缓慢推出,同时,将推进杆以及触探加载系统与多点测试旋转定位系统推升靠近钻孔口,在推进杆端头的触探加载系统与多点测试旋转定位系统完全通过孔口支撑防护装置进入钻孔口后,停止推进;

第2  .2步,打开钻孔电视摄像头,通过摄像头开始记录钻孔内围岩的特征,调整压管装置水平位移调节机构的伸缩柱,使压管装置的滑轮在弹簧压片作用下将管道压入到开口槽内,当推进杆的尾部锁紧套环靠近滑轮时,停止推进;

第2  .3步,打开分级卡盘的锁紧开关,控制上下两个分级卡盘的分级卡柱收缩,将推进杆夹紧,使其保持稳定;旋转推进液压缸的活塞锁紧环,并打开推进液压缸的回油装置,使推进端头缓慢下移,并与推进杆分离,当推进液压缸下移到初始位置后,关闭回油控制阀门;

第2  .4步,再次安装推进杆,并打开推进液压缸的进油阀门,使推进杆缓慢上升,当第二根推进杆的单孔连线插座插入到第一根推进杆尾部的单针连线插头上后,推进液压缸停止抬升,转动第二根推进杆,使其与第一根推进杆尾部锁紧套环锲合并形成锁紧状态,最后,控制打开分级卡盘的分级卡柱,使推进杆在推进液压缸的提升下,逐渐进入钻孔深处;

第2  .5步,重复操作直到触探加载系统到达所需测量的钻孔围岩处,控制两个分级卡盘的分级卡柱收缩,将推进杆夹紧,通过控制触探加载系统的驱动器,使滑块沿导轨移动,打开触探加载系统的保护挡板,露出单点加载仪和视频采集单元,打开视频采集单元的摄像头,对需要加载测试的岩体进行观察,选取岩性完整区域用来加载,通过液压使单点加载仪伸出并对需要测量的岩体进行加载测量,通过视频采集单元对岩体在加载过程中的破坏过程和破坏形态进行记录并储存;

第2  .6步,对选定的围岩区域测试完成后,将单点加载仪缩回,并关闭保护挡板,计算该钻孔内同一深度同一水平面内其他方位的围岩所要加载测试的点与初试测试点之间的夹角;

第2  .7步,控制系统按照计算的旋转角度调整驱动单元进行旋转,驱动单元带动传动单元转动,使触探加载系统转动至所需检测方位;

第2  .8步,采集定位指针和复测圆盘的相对位置并反馈至所述控制器,控制器控制视频采集显示单元显示复测的旋转角度,对复测的旋转角度信息进行记录与储存;

第2  .9步,重复触探加载系统在加载过程中的操作,完成复测角度后围岩变形破坏时荷载及变形的测试试验,直至同一水平面内所需要不同角度位置处的围岩数据均被测试完成,继续增加推进杆探测深度,达到所需测试的深度,进行相关操作;

第三步,拆卸工程岩体力学参数钻孔原位测试装置对同一钻孔不同深度围岩测试完成后,关闭触探加载系统的控制器打开推进液压缸的回油阀门,打开分级卡盘的分级卡柱,使整体装置缓慢回落,并逐节拆卸推进杆,直至最后一节拆卸完毕,并将管道归整回收; 通过升降支架将孔口支撑防护装置降落至地面,并进行拆解; 打开推进支撑系统万向球铰上的固定阀,将推进液压缸调回至初始位置,同时,将底座拆卸放置至外部的储备箱中;

第四步,数据处理

导出加载过程中储存的荷载和位移数据,处理生成荷载‑位移曲线;通过公式换算,将荷载‑位移曲线转换成应力‑应变曲线,获取峰值强度及对应的应变值,同时通过相应的公式求出岩体的其他力学参数。