用于钻具选型的砂卵石地层钻进模型试验平台及使用方法

技术领域

本发明涉及工程施工技术领域，尤其是涉及用于钻具选型的砂卵石地层钻进模型试验平台及使用方法。

背景技术

目前，成桩钻机广泛应用于建筑工程领域，其技术特点为采用回转钻进方式进行大直径长桩孔的钻孔开挖功能，可服务于地基处理、止水帷幕和基坑支护工程。在钻进砂卵石地层中，由于砂卵石地层抗压强度大，钻具在钻进过程中出现钻进困难、钻进磨损大等问题，急需通过钻具选型来确定钻进砂卵石地层的合理钻具。但钻具的结构参数组合有数万种，全部制造后进行试验比选不具备经济上的可行性。模型试验的主要功能为通过缩小比例的钻具在模拟地层内的钻进来研究钻具的钻进规律，是一种较为经济的开展钻具比选工作的试验方法。但是在实际操作层面，由于模型试验的获取的试验数据离散型较大，难以达到能够区分各钻具钻进效率差别的精度，具体表现为如下3点不足：

(1)试样制备的不均匀性、不可复制性。在模型试验中，一般需利用砂、砾石等模拟砂卵石地层，将试验材料均匀洒入模型箱后，采用人工夯实或手持电动夯机进行夯实，由于人的操作手法的随机性，无法保证模型箱中的试验材料的各个位置的密实程度一致，同时无法确保不同批次的试验材料的密实程度大致相同。这导致制备的试样的物理力学性质离散性较大。这种试验的结果可以反映原型钻具的钻进效果大致与基本与原型钻具相一致，如沉降槽形状、挤土效果等规律。但钻具选型中，需要对比多种不同钻具的钻进效率的细微差异，这就要求每次制备的试样的物理力学性质基本相同，每个试验在各个位置的物理力学性质基本相同。人工夯实、手持电动夯实显然无法制备多个物理力学性质基本相同、均一性较好的试样。

(2)钻进压力监测结果的离散性，钻进模型试验一般采用将拉压传感器放置在旋转电机的顶部完成压力的监测工作，电机、电机承载平台较重，一般大于100kg作用，因此需要大量程监测传感器，大量程传感器的精度相对较低。钻进过程需要导向滑轨提供导向作用，导向孔与导向滑轨间存在滑动摩擦力，且该滑动摩擦力的大小存在一定的随机性和离散性。拉压传感器的监测值为电机、电机承载平台、钻具的重量，下压试验产生的阻力，导向滑轨与承载平台的滑动摩擦力等的合力，钻进过程中，滑动摩擦力的值的随机性，导致拉压传感器监测值存在一定的不稳定性，影响对钻进压力值的推测。

(3)模型试验一般为干成孔、不排土钻进，与原型钻具的泥浆护壁、排土钻进有显著不同，这导致在模型试验钻进一段时间后，钻具上方会形成一个松散状的土柱，钻具需克服土柱对钻具的压力进行旋转，导致监测到的阻转矩高于理论值，另一方面，由于土柱对钻具的压力与未被钻进的地层对钻具的阻力的方向相反，导致监测到的钻进阻力低于理论值，数据不准确导致其无法用于钻具比选工作，若将模型试验设计为与原型钻具一样的泥浆护壁、排土钻进，则会大量增加模型试验设计的复杂性，而复杂试验的影响因素会更多，因此试验结果的稳定性会大幅降低。

发明内容

本发明的目的在于提供用于钻具选型的砂卵石地层钻进模型试验平台及使用方法，以解决现有技术中存在的技术问题。

为解决上述技术问题，本发明提供了用于钻具选型的砂卵石地层钻进模型试验平台，其包括制样装置；

所述制样装置包括支撑架，以及支撑架上设置的夯实组件、夯锤悬吊机构、驱动机构；

所述夯实组件设置于试样的正上方；

所述夯锤悬吊机构用于控制所述夯实组件靠近或远离试样；

所述驱动机构用于带动所述夯实组件对试样进行高频夯实，使试样在设定的压力和振动条件下达到密实状态。

进一步地，还包括设置于支撑架底部的试样桶，用于盛放试样。

进一步地，还包括限位机构，一方面对夯实组件升降过程起到导向作用，防止夯实组件歪斜，另一方面将夯实的能量传递给试样，防止空振。

进一步地，还包括设置于支撑架上可纵向移动的平台，用于限位机构的支撑升降。

其中，夯实组件与驱动机构的结合类似于夯击结构，驱动机构驱动夯实组件的工作面在试样表面发生高频夯实，驱动机构产生周期性压缩运动使得松散试样达到振动压实的效果。

优选地，所述夯实组件包括夯板和夯锤；

所述夯板设置于试样的上方，用于与松散试样密贴；

所述夯锤设置于所述夯板的上侧，用于控制夯板与试样密贴，使得试样获得更高的压实度。

其中，对于不同深度、坚硬程度不同的试样，为了保证制备效率，在同等体积下增加(减小)夯锤的底面积，增高(降低)夯锤的高度来增大单位面积的冲击能量，以便达到最优振动压实效果。

进一步地，所述夯板为圆盘结构，其直径与试样桶内径相同，夯板与试样桶内试样表面完全密贴，试样表面的各个位置承受的压力及振动力基本相同，因此试制的试样有较好的均一性，另外，对于相同颗粒级配的不同批次的松散试样，由于均是在相同的压力及振动频率、振动时间条件下压密，因此由此方法制造出的各个批次的试样的物理力学性质基本相同。

优选地，所述限位机构包括限位块、滑块、连接杆；

所述限位块设置于所述平台上侧，所述限位块内部开设有卡槽，所述限位块的卡槽内滑动设置有滑块；

所述连接杆竖直设置，所述连接杆的底端和驱动机构连接，所述连接杆的顶端穿过平台与限位块内部的通孔延伸至卡槽和滑块连接，所述连接杆通过滑块与卡槽滑动连接作用纵向移动于限位块内。

工作时，夯锤悬吊机构驱动夯实组件下降至试样桶内部，使得夯板与松散试样牢牢贴合，驱动机构驱动夯锤对试样高频夯实，随着试样的不断夯实，试样被压实，夯锤不断下降，为了防止连接杆下降至限位块最低点导致夯锤无法振动试样而发生空振，夯锤悬吊机构随时控制平台下降，并带动限位机构下移，夯锤下降同时连接杆通过滑块移动至卡槽的中部或上部，这样保证了驱动机构的能量最大程度传递至试样上，提高了密实试样的制备效率。

进一步地，所述夯锤悬吊机构包括第一电机、第一传动机构；

所述第一传动机构为现有技术，优选的为蜗轮蜗杆传动副。

进一步地，所述驱动机构为现有技术，优选地为振动机、振动器等。

进一步地，还包括设置于支撑架上的顶部平台，用于夯锤悬吊机构的安装。

进一步地，还包括设置于支撑架两侧的导向柱支撑架以及导向柱，所述导向柱底部设置于导向柱支撑架上，所述导向柱顶部和顶部平台连接。

进一步地，所述平台两端开设有与导向柱相匹配的孔，所述平台通过该孔与导向柱滑动连接，对平台起到导向作用。

进一步地，还包括钻进装置；

所述钻进装置包括钻进机构、钻具、钻杆、顶进机构；

所述钻进机构用于控制钻杆及钻具的旋转；

所述钻杆及钻具设置在试样的正上方；

所述顶进机构用于迫使钻具靠近或远离试样进而对密实试样进行钻进工作。

进一步地，顶进机构推动平台向下移动，使得钻杆钻具向试样桶内部移动，钻进机构启动，控制钻杆和钻具旋转，钻具下降的同时完成旋转钻进工作。

进一步地，还包括监测机构，所述监测机构设置在钻进机构上侧与试样桶下侧；

所述监测机构包括动态扭矩转速传感器、一号拉压力传感器和压力传感器；

所述动态扭矩转速传感器设置于所述钻进机构与钻杆之间，用于监测钻杆转速与扭矩；

所述一号拉压力传感器设置于所述顶进机构和钻进机构之间，用于监测平台、钻进机构、动态扭矩转速传感器、钻杆、钻具的重力与试样桶内试样对钻具的阻力、平台两端受到的滑动摩擦力的合力，通过判断合力的变化推测试样桶内试样对钻具的阻力的变化；

所述压力传感器设置于所述试样桶的底部，用于监测试样桶对压力传感器的下压力，进而即可推测出试样桶对钻具的阻力。

由于试样桶无位移，竖直方向上其在重力、压力传感器对其产生的支持力、钻具对其的下压力三个力的作用下保持平衡，压力传感器对试样桶产生的支持力、试样桶对压力传感器的下压力为一对作用力与反作用力，大小相等，方向相反，因此通过监测试样桶对压力传感器的下压力变化，观察试样桶内试样对钻具的阻力的变化，通过公式①测出钻进阻力值：

F

G

式中：

F

F

G

M

优选地，位于试样桶下方的压力传感器由于没有移动平台所受滑动摩擦力的干扰，计算值更准确，可通过拉压力传感器、压力传感器的监测值变化相互校正，判定钻具承受的阻力值变化。

进一步地，还包括设置于支撑架上的拉线式位移计，所述拉线式位移计监测线的端点连接平台，用于监测平台和钻具的位移值。

进一步地，所述钻进机构包括第二电机和第二传动机构；

所述第二传动机构为现有技术，优选地为伞形齿轮传动副。

进一步地，还包括设置于试样表面的配重块，用于试样的加压，使得试样能够达到与原型钻具一致的应力状态。

所述配重块中部还开设有通孔，用于保证钻具能够向下移动进入试样内部完成钻进工作。

进一步地，所述动态扭矩转速传感器的输出轴和钻杆的输入轴连接。

进一步地，所述动态扭矩转速传感器的输入轴与钻进机构的输出轴连接。

进一步地，还包括第一固定架，所述第一固定架设置于所述移动平台的底部；

所述动态扭矩转速传感器固定安装于所述第一固定架内。

进一步地，还包括控制系统，可以独立地调节钻具的旋转以及钻具的顶进，控制系统控制顶进机构时，可实现顶进的开始、结束，并能随时改变顶进速度，控制钻具的钻进机构时，可实现其正向(顺时针)和反向(逆时针)旋转及停止，并能随时调节其转速。

进一步地，所述顶进机构与夯锤悬吊机构的结构完全相同。

进一步地，还包括千斤顶垫板、千斤顶、千斤顶顶板，所述千斤顶垫板设置于密实试样的上方与其密贴；所述千斤顶顶板设置于试样桶顶部；若干个千斤顶沿千斤顶垫板周向方向均布设置。

进一步地，所述千斤顶与液压泵连接，液压泵为千斤顶提供顶推动力。

进一步地，所述千斤顶顶板通过螺栓、螺钉等锁紧件固定于试样桶上。

进一步地，当需要较高的试验应力时，提前通过液压泵为千斤顶加压，千斤顶上方的千斤顶顶板限制了千斤顶向上推定的空间，千斤顶通过顶推其下方的千斤顶垫板实现对试样的加压，使试样能够达到预期的较大压应力的受力状态。

进一步地，还包括二号拉压力传感器，所述二号拉压力传感器设置于动态扭矩转速传感器与钻杆之间，用于监测钻杆、钻具的重力与钻进阻力的合力，据此推测出钻进阻力。

二号拉压力传感器所测得的力为钻杆、钻具、钻进阻力的合力，由于钻杆、钻具为标准件，其重力值是固定的，根据公式④计算得出，不会发生变化，根据公式③即可计算出阻力值：

F

G

所述的F

所述的F

所述的G

另外，由于不存在移动平台对所受滑动摩擦力的干扰，计算值更准确，可通过一号拉压力传感器、二号拉压力传感器、压力传感器的监测值变化相互校正，判定钻具承受的阻力值变化。

进一步地，还包括第二固定架，所述第二固定架设置于所述第一固定架的下侧，所述第二固定架将二号拉压力传感器包裹于内部。

其中，所述第二固定架可以是独立部件，也可与第一固定架一体制成。

进一步地，还包括旋转导电滑环，所述旋转导电滑环设置于第二固定架的底部，为一种360°旋转导电装置，防止二号拉压力传感器的数据传输线缠绕于钻杆上。

进一步地，所述旋转导电滑环中央开设有与钻杆外径相同的通孔，所述钻杆穿设于该通孔内；

进一步地，所述二号拉压力传感器的输入轴和动态扭矩转速传感器的输出轴连接。

进一步地，所述二号压力传感器的输出轴和钻杆的输入轴连接。

优选地，所述旋转导电滑环包括定子和转子两部分，所述定子设置于外圈与第二固定架固定连接；

所述定子仅发生竖直方向的移动，其移动速度与平台移动速度相同；

所述转子设置于内圈，与钻杆绕其中心轴的方向发生旋转运动；

所述转子内的数据线与二号拉压力传感器的数据传输线连接；

所述转子内数据线与定子内数据线间的数据信号传输通过导电环的滑动接触传输完成；

还包括数据采集仪，所述数据采集仪与试验平台连接，所述数据采集仪与定子内数据线连接。

进一步地，用于钻具选型的砂卵石地层钻进模型试验平台的使用方法，其包括试样制备方法，具体包括以下步骤：

步骤S1、测量原型钻进地层的颗粒级配，原型钻进地层颗粒尺寸模型为试验所用的颗粒尺寸的设定几何相似常数倍，准备相应的模型试验所需颗粒集合体试样后，将颗粒集合体试样分成三份，测定并记录空试样桶质量；

步骤S2、将任一份试样徐徐装填入试样桶；抹平试样表面，然后敲击几次试样桶壁，使试料下沉；

步骤S3、将试样桶放置于夯板正下方并固定；

步骤S4、启动顶进机构，使得振动电机、钢制夯、夯板向下移动，使夯板与试样密贴，关闭顶进机构，振动6分钟，再次启动顶进机构吊起振动电机；

步骤S5、重复步骤S2-S4进行第二层、第三层试样振动压实；

步骤S6、将直钢条放于试样桶直径位置上，测定振毕试样高度，记录并计算试样高度；

步骤S7、测定并记录试样桶与试样质量，扣除试样桶质量即为试样质量，计算密实试样密度。

进一步地，还包括采用连续钻进两次求阻转矩与阻力之间差值的方法，其具体包括以下步骤：

步骤S10、利用本试验平台对制备完成的密实试样进行第一次钻进，钻进机构控制钻杆、钻具旋转，顶进机构控制其向下移动，使其不断向密实试样内钻进，直至钻进密实试样底部后，将钻具拉升至试样顶部，此过程中，分别记录钻进至不同高度时的阻力F

步骤S20、实施第二次钻进试验，并记录钻进至不同高度时阻力F

步骤S30、第二次钻进过程中，钻进的土体为第一次钻进土体产生的松散试样，钻具同样承受钻具上方的松散土柱对钻具的压力及阻力，利用公式⑤计算处于同一深度时的第一次钻进时钻具的阻转矩、阻力与第二次钻进时的钻具阻转矩、阻力的差值：

F

T

式中：F

T

F

F

T

T

步骤S40、由于两次钻进中，在同一位置处，承受的上覆松散土柱引起的阻力、阻转矩是相同的，求差值可以抵消上覆松散土柱对计算模型试验钻进阻力值、阻力矩的影响，可以避免因模型试验的干成孔、不排土钻进方式与原型钻具泥浆循环、排土钻进方式不一致导致的计算不准确的问题。该差值为相对于钻进松散试样，钻进密实试样所需的额外的阻力、阻力矩，该差值与原型钻具泥浆循环、排土钻进时的钻具受到的阻力、阻转矩一致，用于比较不同钻具钻进密实试样所需阻力、阻转矩的差异。

采用上述技术方案，本发明具有如下有益效果：

(1)本发明中的制样装置可通过表面振动压实方法精确控制压力及振动频率、幅值，使每个制备的试样具有基本相同的物理力学性质，每个试样在各个位置均有基本相同的物理力学性质，能够用于对比不同钻具的钻进效率。

(2)本发明中通过设置试样桶下方的压力传感器，排除了导向运动中与导向柱的摩擦力对监测的影响，试样桶不发生移动及转动，比传统的与升降平台共同移动的拉压力传感器的测量值更加稳定。

(3)本发明采用的连续钻进2次求阻转矩、阻力差值的方法，可以避免因模型试验的干成孔、不排土钻进方式与原型钻具泥浆循环、排土钻进方式不一致导致的计算不准确的问题。

由于本发明可提供更为准确、稳定的钻进过程中的阻力矩、阻力等值，因此用于对于监测数据稳定性要求更高的钻具选型比选工作。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例1提供的制样装置的正视剖面图；

图2为本发明实施例1提供的制样装置的完成制样工作时的正视剖面；

图3为本发明实施例2提供的模拟试验平台的正视剖面；

图4为本发明实施例4提供的钻进试验装置的正视剖面图；

图5为本发明实施例3提供的钻进试验装置的试样桶的正视剖面图；

图6为本发明实施例3提供的钻进试验装置的旋转导电滑环俯视剖面图；

图7为本发明实施例1提供的钻进试验装置的使用方法图。

附图标记：

1-支撑架、2-夯锤悬吊机构、3-驱动机构、4-试样桶、5-试样、6-平台、7-夯板、8-夯锤、9-限位块、10-滑块、11-连接杆、12-顶部平台、13-钻进机构、14-钻具、15-钻杆、16-顶进机构、17-动态扭矩转速传感器、18-一号拉压力传感器、19-拉线式位移计、20-配重块、21-压力传感器、22-第一固定架、23-千斤顶垫板、24-千斤顶、25-千斤顶顶板、26-液压泵、27-二号拉压力传感器、28-第二固定架、29-旋转导电滑环、30-定子、31-转子。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

下面结合具体的实施方式对本发明做进一步的解释说明。

实施例1

如图1-2所示，本实施例提供的用于钻具选型的砂卵石地层钻进模型试验平台，其包括制样装置；

所述制样装置包括支撑架1，以及支撑架1上设置的夯实组件、夯锤悬吊机构2、驱动机构3；

所述夯实组件设置于试样5的正上方；

所述夯锤悬吊机构2用于控制所述夯实组件靠近或远离试样5；

所述驱动机构3用于带动所述夯实组件对试5进行高频夯实，使试样5在设定的压力和振动条件下达到密实状态。

更为优选地，本实施例还包括限位机构，一方面对夯实组件升降过程起到导向作用，防止夯实组件歪斜，另一方面将夯实的能量传递给试样5，防止空振。

其中，本实施例还包括设置于支撑架1底部的试样桶4，用于盛放试样5。

进一步地，还包括设置于支撑架1上可纵向移动的平台6，用于限位机构的支撑升降。

其中，夯实组件与驱动机构3的结合类似于夯击结构，驱动机构3驱动夯实组件的工作面在试样5表面发生高频夯实，驱动机构3产生周期性压缩运动使得松散试样达到振动压实的效果。

优选地，所述夯实组件包括夯板7和夯锤8；

所述夯板7设置于试样5的上方，用于与松散试样5密贴；

所述夯锤8设置于所述夯板7的上侧，用于控制夯板7与试样5密贴，使得试样5获得更高的压实度。

对于不同深度、坚硬程度不同的试样，为了保证制备效率，在同等体积下增加(减小)夯锤8的底面积，增高(降低)夯锤8的高度来增大单位面积的冲击能量，以便达到最优振动压实效果。

进一步地，所述夯板7为圆盘结构，其直径与试样桶4内径相同，夯板7与试样桶4内试样表面完全密贴，试样表面的各个位置承受的压力及振动力基本相同，因此试制的试样有较好的均一性，另外，对于相同颗粒级配的不同批次的松散试样，由于均是在相同的压力及振动频率、振动时间条件下压密，因此由此方法制造出的各个批次的试样的物理力学性质基本相同。

更为优选地，所述限位机构包括限位块9、滑块10、连接杆11；

所述限位块9设置于所述平台6上侧，所述限位块9内部开设有卡槽，所述限位块9的卡槽内滑动设置有滑块10；

所述连接杆11竖直设置，所述连接杆11的底端和驱动机构3连接，所述连接杆11的顶端穿过平台6与限位块9内部的通孔延伸至卡槽和滑块10连接，所述连接杆11通过滑块10与卡槽滑动连接作用纵向移动于限位块9内。

工作原理：工作时，夯锤悬吊机构2驱动夯实组件下降至试样桶4内部，使得夯板7与松散试样5牢牢贴合，驱动机构3驱动夯锤8对试样5高频夯实，随着试样5的不断夯实，试样5被压实，夯锤8不断下降，为了防止连接杆11下降至限位块9最低点导致夯锤8无法振动试样而发生空振，夯锤悬吊机构2随时控制平台6下降，并带动限位机构下移，夯锤8下降同时连接杆11通过滑块10移动至卡槽的中部或上部，这样保证了驱动机构3的能量最大程度传递至试样上，提高了密实试样的制备效率。

进一步地，所述夯锤悬吊机构2包括第一电机、第一传动机构；

所述第一传动机构为现有技术，优选的为蜗轮蜗杆传动副。

进一步地，所述驱动机构3为现有技术，优选地为振动机、振动器等。

进一步地，还包括设置于支撑架1上的顶部平台12，用于夯锤悬吊机构2的安装。

进一步地，还包括设置于支撑架1两侧的导向柱支撑架以及导向柱，所述导向柱底部设置于导向柱支撑架上，所述导向柱顶部和顶部平台连接。

进一步地，所述平台6两端开设有与导向柱相匹配的孔，所述平台通过该孔与导向柱滑动连接，对平台6起到导向作用。

进一步地，试验平台的使用方法，其包括试样制备方法，具体包括以下步骤：

步骤S1、测量原型钻进地层的颗粒级配，原型钻进地层颗粒尺寸模型为试验所用的颗粒尺寸的设定几何相似常数倍，准备相应的准备相应的模型试验所需颗粒集合体试样后，将颗粒集合体试样分成三份，测定并记录空试样桶质量；

步骤S2、将任一份试样徐徐装填入试样桶；抹平试样表面，然后敲击几次试样桶壁，使试料下沉；

步骤S3、将试样桶放置于夯板正下方并固定；

步骤S4、启动顶进机构，使得振动电机、钢制夯、夯板向下移动，使夯板与试样密贴，关闭顶进机构，振动6分钟，再次启动顶进机构吊起振动电机；

步骤S5、重复步骤S2-S4进行第二层、第三层试样振动压实；

步骤S6、将直钢条放于试样桶直径位置上，测定振毕试样高度，记录并计算试样高度；

步骤S7、测定并记录试样桶与试样质量，扣除试样桶质量即为试样质量，计算密实试样密度。

本实施例中的制样装置可通过表面振动压实方法精确控制压力及振动频率、幅值，使每个制备的试样具有基本相同的物理力学性质，每个试样在各个位置均有基本相同的物理力学性质，能够用于对比不同钻具的钻进效率。

实施例2

本实施例与实施例1基本相同，不同之处在于：

本实施例还包括钻进装置；

所述钻进装置包括钻进机构13、钻具14、钻杆15、顶进机构16；

所述钻进机构13用于控制钻杆15及钻具14的旋转；

所述钻杆15及钻具14设置在试样5的正上方；

所述顶进机构16用于迫使钻具14靠近或远离试样5进而对密实试样进行钻进工作。

进一步地，顶进机构16推动平台6向下移动，使得钻杆15钻具14向试样桶4内部移动，钻进机构3启动，控制钻杆15和钻具14旋转，钻具14下降的同时完成旋转钻进工作。

更为优选地，还包括监测机构，所述监测机构设置在钻进机构上侧与试样桶4下侧；

所述监测机构包括动态扭矩转速传感器17、一号拉压力传感器18和压力传感器21；

所述动态扭矩转速传感器17设置于所述钻进机构13与钻杆15之间，用于监测钻杆15转速与扭矩；

所述一号拉压力传感器18设置于所述顶进机构16和钻进机构13之间，用于监测平台6、钻进机构13、动态扭矩转速传感器17、钻杆15、钻具14的重力与试样桶4内试样5对钻具14的阻力、平台6两端受到的滑动摩擦力的合力，通过判断合力的变化推测试样桶4内试样对钻具的阻力的变化；

所述压力传感器21设置于所述试样桶4的底部，用于监测试样桶对压力传感器21的下压力，进而即可推测出试样桶4对钻具14的阻力。

由于试样桶4无位移，竖直方向上其在重力、压力传感器21对其产生的支持力、钻具14对其的下压力三个力的作用下保持平衡，压力传感器21对试样桶4产生的支持力、试样桶4对压力传感器21的下压力为一对作用力与反作用力，大小相等，方向相反，因此通过监测试样桶4对压力传感器21的下压力变化，观察试样桶4内试样对钻具14的阻力的变化，通过公式①测出钻进阻力值：

F

G

式中：

F

F

G

M

优选地，本实施例的试验平台中试样桶4下方的压力传感器21，排除了导向运动中与导向柱的摩擦力对监测的影响，由于试样桶4不发生移动及转动，比传统的与升降平台共同移动的拉压力传感器的测量值更加稳定；同时，也可通过一号拉压力传感器18、压力传感器21的监测值变化相互校正，判定钻具14承受的阻力值变化。

进一步地，本实施例还包括设置于支撑架1上的拉线式位移计19，所述拉线式位移计19监测线的端点连接平台6，用于监测平台6和钻具14的位移值。

进一步地，所述钻进机构13包括第二电机和第二传动机构；

所述第二传动机构为现有技术，优选地为伞形齿轮传动副。

进一步地，本实施例还包括设置于试样5表面的配重块20，用于试样5的加压，使得试样5能够达到与原型钻具一致的应力状态。

所述配重块20中部还开设有通孔，用于保证钻具14能够向下移动进入试样4内部完成钻进工作。

进一步地，所述动态扭矩转速传感器17的输出轴和钻杆15的输入轴连接。

进一步地，所述动态扭矩转速传感器17的输入轴与钻进机构13的输出轴连接。

进一步地，还包括第一固定架22，所述第一固定架22设置于所述平台6的底部；

所述动态扭矩转速传感器17固定安装于所述第一固定架22内。

进一步地，本实施例还包括控制系统，可以独立地调节钻具14的旋转以及钻具14的顶进，控制系统控制夯锤悬吊机构2(顶进机构16)时，可实现顶进的开始、结束，并能随时改变顶进速度，控制钻具14的钻进机构13时，可实现其正向(顺时针)和反向(逆时针)旋转及停止，并能随时调节其转速。

进一步地，所述顶进机构16与夯锤悬吊机构2的结构完全相同。

实施例3

原型钻具钻进过程中，钻具为泥浆护壁、排土钻进。即钻进过程中将钻进产生的松散土体排出至地表，同时在钻孔中注入泥浆对孔壁产生静水压力，防止孔壁坍塌；钻具的钻进阻力主要为钻具下方坚硬地层对其产生的阻力，泥浆仅对钻具有少量的浮力作用；模型试验中一般干成孔、不排土钻进，即不使用泥浆，不排除钻进产生的松散土体，钻具上方会形成一个松散状的土柱，钻具需克服土柱对钻具的压力进行旋转，导致试验结果与原型钻进试验结果不一致。为此，本实施例提供一种采用连续钻进两次求阻转矩与阻力之间差值的方法，请参考图7，解决了因模型试验的干成孔、不排土钻进方式与原型钻具泥浆循环、排土钻进方式不一致导致的计算不准确的问题，具体包括以下步骤：

步骤S10、利用本试验平台对制备完成的密实试样进行第一次钻进，钻进机构控制钻杆、钻具旋转，顶进机构控制其向下移动，使其不断向密实试样内钻进，直至钻进密实试样底部后，将钻具拉升至试样顶部，此过程中，分别记录钻进至不同高度时的阻力F

步骤S20、实施第二次钻进试验，并记录钻进至不同高度时阻力F

步骤S30、第二次钻进过程中，钻进的土体为第一次钻进土体产生的松散试样，钻具同样承受钻具上方的松散土柱对钻具的压力及阻力，利用公式⑤计算处于同一深度时的第一次钻进时钻具的阻转矩、阻力与第二次钻进时的钻具阻转矩、阻力的差值：

F

T

式中：F

T

F

F

T

T

步骤S40、由于两次钻进中，在同一位置处，承受的上覆松散土柱引起的阻力、阻转矩是相同的，求差值可以抵消上覆松散土柱对计算模型试验钻进阻力值、阻力矩的影响，可以避免因模型试验的干成孔、不排土钻进方式与原型钻具泥浆循环、排土钻进方式不一致导致的计算不准确的问题。该差值为相对于钻进松散试样，钻进密实试样所需的额外的阻力、阻力矩，该差值与原型钻具泥浆循环、排土钻进时的钻具受到的阻力、阻转矩一致，用于比较不同钻具钻进密实试样所需阻力、阻转矩的差异。

实施例4

本实施例与实施例2基本相同，不同之处在于：

本实施例用于多种相似比的模型试验，对于某些应力相似比较高的物理试验，当模拟较深部位的地层的钻进时，需要模型试验的试样上方承受较高的压应力，而配重块能够提供的压应力较为有限，请参考图5，本实施例包括千斤顶垫板23、千斤顶24、千斤顶顶板25，所述千斤顶垫板23设置于密实试样的上方与其密贴；所述千斤顶顶板25设置于试样桶4顶部；若干个千斤顶24沿千斤顶垫板23周向方向均布设置。

进一步地，所述千斤顶24与液压泵26连接，液压泵26为千斤顶24提供顶推动力。

进一步地，所述千斤顶顶板25通过螺栓、螺钉等锁紧件固定于试样桶4上。

进一步地，当需要较高的试验应力时，提前通过液压泵26为千斤顶24加压，千斤顶24上方的千斤顶顶板25限制了千斤顶24向上推定的空间，千斤顶24通过顶推其下方的千斤顶垫板23实现对试样5的加压，使试样能够达到预期的较大压应力的受力状态。

实施例5

本实施例与实施例2基本相同，不同之处在于：

由于通过试样桶下方的压力传感器21监测钻具阻力的方法为间接测量方法，精确度不如直接测量，如图4所示，本实施例还包括二号拉压力传感器27，所述二号拉压力传感器27设置于动态扭矩转速传感器17与钻杆15之间，用于监测钻杆15、钻具14的重力与钻进阻力的合力，据此推测出钻进阻力。

二号拉压力传感器27所测得的力为钻杆、钻具、钻进阻力的合力，由于钻杆、钻具为标准件，其重力值是固定的，根据公式④计算得出，不会发生变化，根据公式③即可计算出阻力值：

F

G

所述的F

所述的F

所述的G

另外，由于不存在平台对所受滑动摩擦力的干扰，计算值更准确，可通过一号拉压力传感器、二号拉压力传感器、压力传感器的监测值变化相互校正，判定钻具承受的阻力值变化。

本实施例与实施例4提供了两种相似比试验方案，可基本保证所有物理量均符合力学、运动学相似比判据，计算值更准确。

进一步地，本实施例还包括第二固定架28，所述第二固定架28设置于所述第一固定架22的下侧，所述第二固定架28将二号拉压力传感器27包裹于内部。

其中，所述第二固定架28可以是独立部件，也可与第一固定架22一体制成。

优选地，本实施例还包括旋转导电滑环29，所述旋转导电滑环29设置于所述第二固定架28的底部，为一种360°旋转导电装置，防止二号拉压力传感器27的数据传输线缠绕于钻杆15上。

进一步地，所述旋转导电滑环29中央开设有与钻杆15外径相同的通孔，所述钻杆15穿设于该通孔内；

进一步地，所述二号拉压力传感器27的输入轴和动态扭矩转速传感器17的输出轴连接。

进一步地，所述二号压力传感器27的输出轴和钻杆15的输入轴连接。

优选地，请参考图6，所述旋转导电滑环29包括定子30和转子31两部分，所述定子30设置于外圈与第二固定架28固定连接；

所述定子30仅发生竖直方向的移动，其移动速度与平台6移动速度相同；

所述转子31设置于内圈，与钻杆15绕其中心轴的方向发生旋转运动；

所述转子31内的数据线与二号拉压力传感器27的数据传输线连接；

所述转子31内数据线与定子内数据线间的数据信号传输通过导电环的滑动接触传输完成；

本实施例还包括数据采集仪，所述数据采集仪与试验平台连接，所述数据采集仪与定子内数据线连接。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。