[發明專利]一種測量原位巖體彈性模量和抗剪強度的實驗系統和方法

在審

• 申請號: 201710355937.4
• 申請日: 2017-05-15
• 公開（公告）號: CN108072573A
• 公開（公告）日: 2018-05-25
• 發明（設計）人: 楊海清;方志宇;李政;翁承顯;史寧強;李卓;邢曙光;羅船;王棋;周小平
• 申請（專利權）人: 重慶大學
• 主分類號: G01N3/24
• 分類號: G01N3/24;G01N3/12
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• 代理人: 暫無信息

1.一種測量原位巖體彈性模量和抗剪強度的實驗系統，其特征在于：包括地面固定及控制部分、彈性模量測試裝置、抗剪強度測試裝置；

地面固定及控制部分：包括液壓泵(1)、油量閥(2)、可視化裝置(3)、電源(4)和工作平臺(6)；

所述液壓泵(1)在測量活塞(11)工作時給耐壓橡膠帽(23)中耐壓油加壓并記錄壓力大小，油量泵(2)在測量活塞(11)中的耐壓橡膠帽(23)里的液壓油受壓膨脹時記錄下耐壓橡膠帽(23)的體積變化，工作平臺(6)用于在地面上固定裝置連接中央套管(8)與地上部分；

彈性模量測試裝置：包括中央套管(8)、鉆孔活塞(10)、測量活塞(11)和螺栓(5)；

所述的中央套管(8)通過螺栓(5)固定在工作平臺(6)上，中央套管(8)是整個地下測量的母系統，鉆孔活塞(10)與測量活塞(11)分別位于中央套管(8)的另兩側，兩者軸線相距180°，中央套管(8)內部是上下連接的通道，有輸油管(12)和泥漿渦輪機(9)；

抗剪強度測試裝置：包括剪切頭(15)和剪切板(14)；

所述剪切頭(15)通過連接螺栓(13)固定在中央套管(8)上，剪切板(14)在剪切頭(15)的兩側布置，剪切頭(15)內部有加壓裝置和動力裝置。

2.如權利要求1所述的測量原位巖體彈性模量和抗剪強度的實驗系統，其特征在于：鉆孔活塞(10)由泥漿渦輪機(9)帶動，固定于地面工作平臺(6)后在洞壁一側鉆出兩個有一定間距的等體積小孔，并打磨光滑，測量孔之間有一定間隔，以減少鉆孔對巖石性質的影響，鉆好孔后將裝置在工作平臺(6)上旋轉180°將測量活塞(11)對準測量孔并伸入，在液壓泵(1)帶動下，耐壓油(17)沖入活塞中的耐壓橡膠帽(23)，當橡膠帽(23)于孔壁接觸充分，完全耦合后，對儀器進行調零調精，完成之后開始加壓，并在油量閥(2)上記錄油量體積的變化，通過計算機描點擬合，求出該巖層的彈性模量。

3.如權利要求1所述的測量原位巖體彈性模量和抗剪強度的實驗系統，其特征在于：本裝置集巖壁鉆孔、測量巖石的彈性模量和測量巖體的抗剪強度于一身。

4.如權利要求1所述的測量原位巖體彈性模量和抗剪強度的實驗系統，其特征在于：測量活塞(11)內部含有一個可以水平向自由伸縮的伸縮鉤(18)，以實現橡膠帽(23)的伸出和收入，耐壓橡膠帽(23)的尾端被鋼筒(16)約束，只能發生側向膨脹，以保證膨脹過程中能夠與孔壁充分接觸耦合，實現壓力的均勻與穩定。

5.如權利要求1所述的測量原位巖體彈性模量和抗剪強度的實驗系統，其特征在于：鋼筒(16)的上下圓底面(26)與耐壓橡膠帽(23)完全耦合粘接，側壁開孔的剛筒(16)視為完全剛體，加壓之后液壓油自由流出且只有耐壓橡膠帽(23)存在變形。

6.如權利要求1所述的測量原位巖體彈性模量和抗剪強度的實驗系統，其特征在于：渦輪泥漿機(44)在剪切頭(15)中給剪切板(14)提供動力，使彈性模量模塊和抗剪強度模塊通過連接螺栓(13)連接在一起，剪切板(14)上有壓力傳感裝置，將正壓力和側壓力傳輸到地面可視化裝置(3)上。

7.如權利要求1所述的測量原位巖體彈性模量和抗剪強度的實驗系統，其特征在于：剪切頭(15)上有兩塊具有放縮性的齒狀凸起(37)，剪切板(21)可將兩平行的齒狀凸起(37)壓入孔壁并充分接觸，再對孔壁提供正壓力和剪應力，通過將不同的正應力和峰值剪應力數值記錄描點，從而求出此處巖層的抗剪強度。

8.一種測量原位巖體彈性模量和抗剪強度的方法，其特征在于：采用權利要求1所述的測量原位巖體彈性模量和抗剪強度的實驗系統，具體步驟如下：

S1：先通過鉆孔機在目標地點上鉆出直徑150mm深度到達指定要求深度的鉆孔，將孔壁磨圓后不再破壞他的完整性；

S2：將地面操作平臺(6)調成水平，然后將套管(8)下沉至孔中預定的深度，并將套管(8)固定在地面操作平臺(6)上；

S3：由鉆孔活塞(10)在一側鉆出直徑為5mm的小孔，深度由當地之前鉆孔的巖性決定；

S4：在地面操作平臺(6)上將套管(8)旋轉180°，此時測量活塞(11)對準原鉆孔活塞(10)鉆出的小孔，并將耐壓橡膠帽(23)伸入小孔中，液壓油(17)注入耐壓橡膠帽(23)使其與孔壁完全耦合，液壓泵(1)調零調精后開始緩慢加壓，記錄下不同液壓Pi作用下的流量閥(2)對應的耐壓油體積Vi，直至巖體發生破壞即壓力不再增大但體積趨于無限增大；

S5：在測量活塞(11)工作結束后，孔壁另一邊的鉆孔活塞繼續工作，再重新鉆出兩個間距為800mm、直徑為50mm的小孔，重復S4中的測量部分，記錄下另一組P和V；

S6：根據如下公式計算彈性模量：

將所測得的每一組壓力P和體積變形V代入下式(1)，并在可視化裝置上將所計算得到的初步彈性模量值進行描點擬合，求出最終的彈性模量E；

E = rP i ( 1 - μ ) ( V i π + r 2 - r ) - - - ( 1 ) ]]>

式中：μ——巖體的泊松比；

R——鉆孔活塞鉆出的小孔半徑；

L——測量活塞上與巖壁接觸的有效寬度，這里取耐壓橡膠套的軸向長度；

S7：將剪切頭(15)放到預定位置并與一側孔壁完全耦合，剪切板(14)的齒狀凸起(37)在液壓的作用下與巖壁緊密咬合；

S8：通過液壓泵(1)給橡膠囊(38)加壓使其與弧形巖壁相耦合，再將剪切頭(15)向上拉拔，使齒狀凸起(37)之間的薄巖壁發生剪壞，通過傳感器(45)測得此時薄層巖壁正向液壓的值P和向上的拉拔力T，并重復實驗以得到多組數據；

巖石正應力與剪應力分別定義為式(2)和式(3)：

σ = P A - - - ( 2 ) ]]>

τ = T 2 A - - - ( 3 ) ]]>

式中：A——上下齒狀凸起間薄巖片的面積；

P——薄巖片上的正向壓力值；

T——作用在薄巖片上的拉拔力；

σ——薄巖片的正應力；

τ——作用在薄巖片上的剪應力；

S9：重復多組實驗，在巖性相似的區域內測出不同正應力下剪應力的對應值，通過莫爾圓畫包絡線的方法，求出目標巖體的抗剪強度。