一种富水软岩取样与力学性质原位测试装置及测试方法

技术领域

本发明涉及岩土工程技术领域，尤其是一种富水软岩取样与力学性质原位测试装置及测试方法。

背景技术

富水软岩矿井由于受采动影响会表现出非线性大变形、变形持续时间长等显著蠕变特征。富水软岩本身含水率较高且强度较低，在取样、制样过程中易受外界环境的影响造成损伤。通过传统的岩石取样方法对富水软岩进行取样，软岩样本容易发生断裂，致使样本不完整，成型度较低。

现有技术中，富水软岩的力学特性试验通常在室内试验室进行，无法实现现场的原位测试。另外，岩样缺少相应的密封保存装置，在运输过程中经常出现断裂、破碎等问题。且富水软岩在现场实际所表现出来的响应特征和室内试验相比具有很大的区别。因此有必要开展富水软岩取样及原位力学性质测试，来掌握深部富水软岩围岩的变形规律和破坏机制。

发明内容

为了保证富水软岩的取样成型度，保证测试结果符合工程实际，实现富水软岩的原位测试，方便富水软岩的变形规律和破坏机理研究，本发明提供了一种富水软岩取样与力学性质原位测试装置及测试方法，具体技术方案如下。

一种富水软岩取样与力学性质原位测试装置，包括固定装置、取样系统、测试系统和传动系统，该装置壳体的底部设置有防护板，防护板上安装有伸缩装置，伸缩装置和支撑座相连接；所述取样系统的伸缩机构通过转动轴与取样筒相连接，伸缩机构的上端连接滑动轨道；所述测试系统的伸缩组件连接顶座与压头，压头内配置有压力传感器和位移传感器，监测轴向压力和轴向应变；所述传动系统的传送轨道固定在防护板上，传送轨道上设置有传送板。

优选的是，防护板的侧面固定连接有多个伸缩装置，所述支撑座固定在地面上；所述防护板上还设置有贯穿孔。

优选的是，取样系统的底座固定在防护板的外侧，底座下方内嵌切割刀片；所述取样筒呈圆柱状，且具有双层结构。

优选的是，滑动轨道的外侧设置有驱动电机，驱动电机连接伸缩机构，伸缩机构带动取样筒穿过壳体底部的防护板。

还优选的是，传送轨道分别固定在壳体内的防护板上，传送板通过滑块和传送轨道相连接，传送板上设置有压力传感器。

还优选的是，取样筒的双层结构之间设置有进气阀，高压气体管路连接所述进气阀，所述高压气体管路沿伸缩机构布置。

还优选的是，传动系统将试件送至压头下方，控制装置启动单轴压缩试验机，导出压头、压力传感器、位移传感器的监测数据。

一种富水软岩取样与力学性质原位测试方法，利用上述的一种富水软岩取样与力学性质原位测试装置，过程包括：

装置固定在取样点后，取样面与装置平行，取样筒层间充满高压气体，通过伸缩机构控制取样筒伸至取样点，转动轴上下旋转取样；取样后伸缩机构控制取样筒收回，经过底座时，切割刀片切割试样端面；传动系统通过传送轨道将试样传送至压头下方，进行单轴压缩试验并记录监测数据。

进一步优选的是，传动系统将试样传送的过程中，释放取样筒层间的高压气体。

进一步优选的是，监测数据分析得到岩石的单轴抗压强度、弹性模量和泊松比。

本发明提供的一种富水软岩取样与力学性质原位测试装置及测试方法有益效果是，该装置通过取样系统、测试系统和传动系统相互配合，实现了富水软岩现场取样，并且可以进行原位力学性质测试，减少了软岩的输送过程；利用该装置进行原位测试，实现了原位测试的自动化，测试效率更好，其测试结果也更加符合工程实际。

附图说明

图1是富水软岩取样与力学性质原位测试装置的结构示意图；

图2是富水软岩取样与力学性质原位测试装置内部结构示意图；

图3是富水软岩取样与力学性质原位测试装置的立体结构图；

图4是富水软岩取样与力学性质原位测试方法流程图；

图中：1-取样系统，2-传动系统，3-壳体，4-防护板，5-伸缩装置，6-支撑座，7-底座，8-取样筒，9-伸缩机构，10-滑动轨道，11-驱动电机，12-顶座，13-高压气体管路，14-进气阀，15-通孔，16-伸缩装置，17-压头，18-驱动电机，19-压力传感器，20-位移传感器，21-传送轨道，22-控制装置，23-传送板，24-压力传感器，25-控制装置，26-转动轴，27-控制器。

具体实施方式

结合图1至图4所示，对本发明提供的一种富水软岩取样与力学性质原位测试装置及测试方法的具体实施方式进行说明。

一种富水软岩取样与力学性质原位测试装置，包括固定装置、取样系统、测试系统和传动系统，固定装置方便该装置固定并进行原位测试，取样系统可以实现富水软岩的现场自动取样，传动系统将试样移送至测试系统，测试系统可以对取样试件进行现场测试，确定其力学性质。其中，该装置壳体3的底部设置有防护板4，防护板4上安装有伸缩装置5，用于调整设备与取样面之间的关系，伸缩装置5和支撑座6相连接，支撑座6可以固定安装在取样面上。取样系统1的伸缩机构通过转动轴与取样筒8相连接，伸缩机构9的上端连接滑动轨道10。测试系统的伸缩组件连接顶座12与压头17，压头17内配置有压力传感器19和位移传感器20，监测轴向压力和轴向应变。传动系统2的传送轨道固定在防护板4上，传送轨道上设置有传送板23，传送板23沿传送轨道21移动，带动取样试件移动。

防护板4的侧面固定连接有多个伸缩装置5，支撑座6固定在地面上，保证在进行富水软岩取样时保持设备稳定运行，不会因为设备震动而使得所取岩样破碎。防护板上还设置有贯穿孔，方便取样筒8伸出取样和收回试样。取样系统的底座7固定在防护板的外侧，底座7下方内嵌切切割刀片，用于切割试样端面，保证软岩试样端面平整。取样筒8呈圆柱状，且具有双层结构，双层结构之间设置有进气阀14。

滑动轨道10的外侧设置有驱动电机，驱动电机连接伸缩机构，伸缩机构9带动取样筒穿过壳体底部的防护板4至取样面，取样筒8转动实现富水软岩取样。取样筒8的双层结构之间设置有进气阀14，高压气体管路连接进气阀，高压气体管路13沿伸缩机构布置。取样筒双层之间在取样时会充满高压气体，待取样筒8取样后进入壳体内可释放高压气体从而完成取样。

两条传送轨道10分别固定在壳体内的防护板4上，传送板23通过滑块和传送轨道21相连接，传送板上设置有压力传感器。

传动系统2将试件送至压头17下方，控制装置22启动单轴压缩试验机，导出压头、压力传感器、位移传感器的监测数据，可测富水软岩的轴向压力、轴向变形等力学参数可以实时显示，力学参数通过外接设备显示，通过相关软件导出数据。顶座12内置的控制器27还可以通过外接设备控制取样筒的伸缩速度和位移

一种富水软岩取样与力学性质原位测试方法，利用上述的一种富水软岩取样与力学性质原位测试装置，过程包括：装置固定在取样点后，取样面与装置平行，取样筒层间充满高压气体，通过伸缩机构控制取样筒伸至取样点，转动轴上下旋转取样；取样后伸缩机构控制取样筒收回，经过底座时，切割刀片切割试样端面；传动系统通过传送轨道将试样传送至压头下方，进行单轴压缩试验并记录监测数据。其中传动系统将试样传送的过程中，释放取样筒层间的高压气体。监测数据分析得到岩石的单轴抗压强度、弹性模量和泊松比。

该方法具体是，先将富水软岩取样与力学性质原位测试装置固定在取样点，调节支撑座，保证取样面与设备平行，同时调节伸缩装置保持设备平稳。通过进气阀将取样筒双层结构之间充满高压气体。然后通过屏幕显示控制装置启动驱动电机，控制电动伸缩装置向下位移，使得取样筒伸出箱体底部防护板。取样筒待伸出到取样点时通过转动轴进行上下旋转取样。完成取样后，驱动电机控制电动伸缩装置向上缩回，取样筒上下两端经过底座时，通过屏幕显示控制装置控制底座内嵌切割刀片伸出切割试样端面，使得富水软岩试样端面保持平整。切割结束后，取样筒通过贯穿通孔伸缩至箱体内。之后控制电动伸缩装置经过滑动轨道至传送板上方。之后打开出气阀，缓慢释放取样筒层间的高压气体，同时控制电动伸缩装置使得富水软岩试样到传送板中心。通过自动控制装置驱动传送轨道，使得传送板位移至压头下方。通过屏幕显示控制装置启动驱动电机并且设置合理参数对富水软岩试样进行单轴压缩试验，之后通过外接设备导出压头内压力传感器和位移传感器得到的数据，通过控制器利用软件进行分析，该方法的测试效率更高，而且测试结果更加符合工程实际。

当然，上述说明并非是对本发明的限制，本发明也并不仅限于上述举例，本技术领域的技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也应属于本发明的保护范围。