一种二合一的钻孔剪切试验系统及其方法技术方案

本发明专利技术涉及一种二合一的钻孔剪切试验系统及其方法，该方案包括操作平台；钻机系统，包括钻机、第一升降机构以及控制单元，钻机能够在第一升降机构驱动下下降与套管驱动连接并驱动套管转动；套管，顶部与钻机可拆卸连接，顶部与传动端管可拆卸连接；钻探一体钻具，包括活瓣钻头、外套、剪切探头及传感器；传动端管，底部与钻探一体钻具的活瓣钻头顶部可拆卸连接；打捞机构；法向应力加载机构；电机驱动模块；数据采集记录仪。本发明专利技术结构简单，节省试验步骤，减少扰动，预防塌孔风险，提高了测试的原位土样的抗剪强度参数的准确性，为基坑和边坡的支护提供依据强。的支护提供依据强。的支护提供依据强。

【技术实现步骤摘要】
一种二合一的钻孔剪切试验系统及其方法


[0001]本专利技术涉及岩土工程原位测试领域，具体涉及一种二合一的钻孔剪切试验系统及其方法。

技术介绍

[0002]粘聚力和内摩擦角是土体重要的抗剪强度指标，是土压力、地基承载力计算，分析路堤、边坡、基坑、隧道稳定性并开展其支护结构设计的重要参数。粘聚力和内摩擦角目前主要采用钻探取土样进行室内试验的方法进行测定，采用的室内试验方法有直接剪切试验和三轴压缩试验。室内试验测定方法对土体扰动大，土样经过应力释放的卸载和室内试验的再加载，土的抗剪强度指标与现场原位抗剪强度指标必然存在差异，测试结果离散性较大；且室内试验方法因很难取得砂性土原状样，故无法测定砂性土抗剪强度参数。
[0003]常规原位钻孔剪切试验需要先另外用钻机打设钻孔，然后移开钻机，再采用原位钻孔剪切仪进行试验，操作麻烦、效率低下，且容易出现塌孔问题，一旦剪切头卡在孔内，损失巨大。
[0004]另外一种方法是原位测试土体抗剪切强度参数。该方法主要有现场直接剪切试验和十字板剪切试验。现场直接剪切试验需在试洞、试坑、探槽或大口径钻孔内进行，优点是对土样的扰动小，测试结果准确可靠，缺点是对深层土体的测试较为困难，且需要耗费大量人力、物力。十字板剪切试验的优点是设备简单、操作方便，缺点是仅适用于测定内摩擦角基本等于零的饱和黏性土的不排水抗剪强度。
[0005]此外，上述各类原位孔内剪切设备在较深地层进行原位测试时，均需钻机系统配合开孔，需要频繁加卸探杆、提钻，极大地影响了钻孔孔壁完整性和稳定性，进而影响后续孔内剪切测试结果准确性，并易造成钻孔孔壁坍塌，将原位孔内剪切探头埋入孔内无法取出，给深层原位孔内剪切测试带来极大的风险和安全隐患。
[0006]因此，针对上述现有技术的不足，本专利技术的一个目的是提供一种可实现钻孔、护壁与剪切试验一体化钻孔剪切试验系统。将钻孔与测试整合一体，减小塌孔风险，简化操作，提高试验效率。

技术实现思路

[0007]本专利技术的目的是针对现有技术中存在的上述问题，提供了一种二合一的钻孔剪切试验系统及其方法。
[0008]为了实现上述专利技术目的，本专利技术采用了以下技术方案：一种二合一的钻孔剪切试验系统包括：
[0009]操作平台，用于固定于待探测位置并供钻机系统、数据采集记录仪、法向应力加载机构及电机驱动模块安装固定；
[0010]钻机系统，包括钻机、用于驱动该钻机上下移动的第一升降机构以及用于控制该钻机的控制单元，钻机能够在第一升降机构驱动下下降与套管驱动连接并驱动套管转动；
[0011]套管，顶部与钻机可拆卸连接，顶部与传动端管可拆卸连接；
[0012]钻探一体钻具，包括活瓣钻头、设于该活瓣钻头外的外套、设于该活瓣钻头内的剪切探头及设于剪切探头上的传感器；
[0013]传动端管，底部与钻探一体钻具的活瓣钻头顶部可拆卸连接，以能够带动钻探一体钻具转动；
[0014]打捞机构，用于穿过套管连接传动端管或钻探一体钻具的打捞装置以及拉线，且该拉线与电机驱动模块连接；
[0015]法向应力加载机构，包括供油机构、连接供油机构和剪切探头的液压软管，该供油机构上设有压力表和液压传感器；
[0016]电机驱动模块，用于驱动拉线将打捞装置从套管内向上提拉，且拉线和电机驱动模块连接处设有拉力传感器；
[0017]数据采集记录仪，与所有传感器通信连接，数据采集记录仪包括法向应力计、切向应力计、切向位移计、法向位移计及孔隙水压力计，用于记录法向应力、剪切力、法向变形力、剪切变形力、孔隙水压力及时间读数。
[0018]进一步地，套管为分段式结构，每段之间可拆卸连接，并以最下方的一段作为首段，除首段外其余段底部均平滑。
[0019]进一步地，外套中部外侧形成有花键齿，该花键齿与传动端管的花键套相啮合。
[0020]进一步地，外套内设有张敛轴，该张敛轴分为内外两层，内层中空设置形成过油通道并在顶部设有第一传感器导线接口，且该内层上设有侧耳，该侧耳穿过外层与外套固连，外层设有与侧耳配合的镂空结构，且该外层顶部设有打捞矛头，通过该打捞矛头与打捞装置连接配合能够实现外层在电机驱动模块的驱动下，沿外套上下移动；活瓣钻头与张敛轴的外层连接，且该外层底部设有位于活瓣钻头外侧的套筒，以使得该活瓣钻头随外层上下移动实现向内收敛和向外推出。
[0021]进一步地，剪切探头包括油缸和竖向平行布设的第一剪切板和第二剪切板，第一剪切板和第二剪切板之间设有供油缸安装的间隙，该油缸的两根活塞互相嵌套并预留有缝隙，且该油缸与内层底部连通。
[0022]进一步地，第一剪切板和第二剪切板上均设有孔隙水压力测试探头和应力探头，且第一剪切板和第二剪切板之间还设有法向位移传感器，孔隙水压力测试探头、应力探头及法向位移传感器均与数据采集记录仪通信连接。
[0023]进一步地，打捞装置包括外壳和设于该外壳内的内轴，外壳上顶端能够连接拉线，底端能够连接打捞矛头，内轴顶端通过刻线连接液压软管，且该刻线下方设有数据电缆接口，内轴底端连接内层的顶端。
[0024]进一步地，传动端管包括外管、设于该外管上的卡片、设于外管和卡片之间的弹簧以及设于外管顶部的滑动矛杆，滑动矛杆的顶端能够与打捞装置连接。
[0025]进一步地，电机驱动模块包括电机箱、设于该电机箱侧面的第二升降机构、设于该第二升降机构上的定滑轮组、设于电机箱内的步进电机、设于电机箱底部的横向滑轨以及与该步进电机连接的绞车，横向滑轨可拆卸设于操作平台上，电机箱能够沿横向滑轨长度方向来回移动和固定，定滑轮组能够沿第二升降机构上下移动和固定。
[0026]一种二合一的钻孔剪切试验系统的测试方法，包括以下步骤：
[0027]S1、在预定的探测位置安装固定操作平台，并将钻机系统、数据采集记录仪、法向应力加载机构和电机驱动模块安装于操作平台上，同时将电机驱动模移动至最外侧；
[0028]S2、将传动端管连接到套管的首节套管底端，并将套管与钻机系统驱动连接，使套管底端的传动端管与钻探一体钻具连接配合，同时套管底端锁紧张敛轴外层不上移，使活瓣钻头保持闭合；
[0029]S3、钻机系统驱动套管及位于套管底部的传动端管钻进软土地层，传动端管带动钻探一体钻具进行钻探；
[0030]S4、软土地层每钻进设定深度或钻进至预定原位孔内剪切试验深度后，将钻机与套管上端的连接断开；
[0031]S5、将钻机沿第一升降机构升至最高点，将电机驱动模块移动到最内侧，将拉线连接到绞车，并绕过定滑轮组，另一端连接打捞装置后，将定滑轮组沿第二升降机构升至高于套管顶端的位置，利用打捞装置将传动端管取出；
[0032]S6、将液压软管一端连接到打捞装置上端，数据采集记录仪通过数据电缆与打捞装置上端的接口相连，将打捞装置固定在张敛轴外层的打捞矛头上，通过拉线牵引打捞装置，使打捞装置与打捞矛头相接合，通过绞车提升打捞装置而使钻探一体钻具的活瓣钻头变为打开状态，并露出剪切探头；...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种二合一的钻孔剪切试验系统，其特征在于，包括：操作平台，用于固定于待探测位置并供钻机系统、数据采集记录仪、法向应力加载机构及电机驱动模块安装固定；钻机系统，包括钻机、用于驱动该钻机上下移动的第一升降机构以及用于控制该钻机的控制单元，所述钻机能够在所述第一升降机构驱动下下降与套管驱动连接并驱动套管转动；套管，顶部与所述钻机可拆卸连接，顶部与传动端管可拆卸连接；钻探一体钻具，包括活瓣钻头、设于该活瓣钻头外的外套、设于该活瓣钻头内的剪切探头及设于剪切探头上的传感器；传动端管，底部与所述钻探一体钻具的活瓣钻头顶部可拆卸连接，以能够带动所述钻探一体钻具转动；打捞机构，用于穿过所述套管连接所述传动端管或所述钻探一体钻具的打捞装置以及拉线，且该拉线与电机驱动模块连接；法向应力加载机构，包括供油机构、连接所述供油机构和所述剪切探头的液压软管，该供油机构上设有压力表和液压传感器；电机驱动模块，用于驱动拉线将打捞装置从所述套管内向上提拉，且所述拉线和所述电机驱动模块连接处设有拉力传感器；数据采集记录仪，与所有传感器通信连接，所述数据采集记录仪包括法向应力计、切向应力计、切向位移计、法向位移计及孔隙水压力计，用于记录法向应力、剪切力、法向变形力、剪切变形力、孔隙水压力及时间读数。2.根据权利要求1所述的一种二合一的钻孔剪切试验系统，其特征在于，所述套管为分段式结构，每段之间可拆卸连接，并以最下方的一段作为首段，除首段外其余段底部均平滑。3.根据权利要求1所述的一种二合一的钻孔剪切试验系统，其特征在于，所述外套中部外侧形成有花键齿，该花键齿与所述传动端管的花键套相啮合。4.根据权利要求3所述的一种二合一的钻孔剪切试验系统，其特征在于，所述外套内设有张敛轴，该张敛轴分为内外两层，内层中空设置形成过油通道并在顶部设有第一传感器导线接口，且该内层上设有侧耳，该侧耳穿过外层与所述外套固连，所述外层设有与所述侧耳配合的镂空结构，且该外层顶部设有打捞矛头，通过该打捞矛头与所述打捞装置连接配合能够实现所述外层在所述电机驱动模块的驱动下，沿所述外套上下移动；所述活瓣钻头与所述张敛轴的外层连接，且该外层底部设有位于所述活瓣钻头外侧的套筒，以使得该活瓣钻头随所述外层上下移动实现向内收敛和向外推出。5.根据权利要求4所述的一种二合一的钻孔剪切试验系统，其特征在于，所述剪切探头包括油缸和竖向平行布设的第一剪切板和第二剪切板，所述第一剪切板和所述第二剪切板之间设有供油缸安装的间隙，该油缸的两根活塞互相嵌套并预留有缝隙，且该油缸与所述内层底部连通。6.根据权利要求5所述的一种二合一的钻孔剪切试验系统，其特征在于，所述第一剪切板和所述第二剪切板上均设有孔隙水压力测试探头和应力探头，且所述第一剪切板和所述第二剪切板之间还设有法向位移传感器，所述孔隙水压力测试探头、所述应力探头及所述
法向位移传感器均与所述数据采集记录仪通信连接。7.根据权利要求4
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6任意一项所述的一种二合一的钻孔剪切试验系统，其特征在于，所述打捞装置包括外壳和设于该外壳内的内轴，所述外壳上顶端能够连接所述拉线，底端能够连接所述打捞矛头，所述内轴顶端通过刻线连接所述液压软...

【专利技术属性】
技术研发人员：王智明，张智超，齐昌广，于永堂，唐雪峰，陈志超，
申请(专利权)人：福建省地质工程勘察院，
类型：发明
国别省市：