围岩力学参数现场测试系统

1.一种围岩力学参数现场测试系统，其特征在于，包括由上而下依次平行设置的横梁(1)、基座(5)和底板(8)，基座(5)和横梁(1)之间竖直设置有两个立柱(3)，横梁(1)、基座(5)和两个立柱(3)构成主框架，两个立柱(3)之间竖直设置有两精密滚珠丝杆(2)，精密滚珠丝杆(2)的上端固接于横梁(1)，其下端自基座(5)的下表面伸出，并分别固接有一传动轮(18)，基座(5)与底板(8)之间竖直设置有至少两根支柱(25)，基座(5)的下表面固定有联体皮带轮(6)，两传动轮(18)和联体皮带轮(6)通过上齿形带(23)相连接，底板(8)的上表面固定有移动伺服电机(7)，移动伺服电机(7)通过下齿形带(24)与联体皮带轮(6)相连接，两精密滚珠丝杆(2)上分别设置有丝母(4)，两丝母(4)分别固接于水平设置的移动横梁(13)的两端，移动横梁(13)的上面由下而上依次设置有传动装置(11)、减速器(10)和转动伺服电机(9)，传动装置(11)与转轴(14)的上端固接，转轴(14)的下端自移动横梁(13)的下面伸出，并与探杆(15)的上端固接，探杆(15)的下端与探头(20)的上端固定连接，探头(20)的下端自底板(8)的下表面伸出，探头(20)的下端内部安装有无线扭矩传感器(21)和无线力传感器(22)，探头(20)的端头还有切刀(28)，转动伺服电机(9)和移动伺服电机(7)分别与功率放大器(17)相连接，功率放大器(17)通过控制器(16)与计算机(19)相连接，控制器(16)还与接收器(12)相连接。

技术领域\n本发明属于岩土工程勘察技术领域，涉及一种围岩力学参数现场测试系统。\n背景技术\n近几十年来，静力触探技术成功地应用于粘性土、粉土、砂土及软土等地层的测试中。但由于机械设备提供的动力有限，在较硬地层中难以应用。现有的触探仪通过一个电机带动探头探测，探头的探入方式是直接压入式的，这种方式对于较硬的岩土层不易进入，因此目前对于较硬地层力学性质指标的获得，仍采用室内岩石力学试验等常规的方法。\n发明内容\n本发明的目的是提供一种围岩力学参数现场测试系统，用于较硬地层中探头探入的相关参数的测量，通过监测、调整轴向负荷、扭矩、探入速度与旋转速度，克服了现有静力触探仪动力有限、不能用于探测原位较硬地层力学参数的问题，实现快速、无扰动及可靠地获取不同刚度、硬度、强度的围岩力学参数的现场测定。\n本发明所采用的技术方案是，一种围岩力学参数现场测试系统，包括由上而下依次平行设置的横梁、基座和底板，基座和横梁之间竖直设置有两个立柱，横梁、基座和两个立柱构成主框架，两个立柱之间竖直设置有两精密滚珠丝杆，精密滚珠丝杆的上端固接于横梁，其下端自基座的下表面伸出，并分别固接有一传动轮，基座与底板之间竖直设置有至少两根支柱，基座的下表面固定有联体皮带轮，两传动轮和联体皮带轮通过上齿形带相连接，底板的上表面固定有移动伺服电机，移动伺服电机通过下齿形带与联体皮带轮相连接，两精密滚珠丝杆上分别设置有丝母，两丝母分别固接于水平设置的移动横梁的两端，移动横梁的上面由下而上依次设置有传动装置、减速器和转动伺服电机，传动装置与转轴的上端固接，转轴的下端自移动横梁的下面伸出，并与探杆的上端固接，探杆的下端与探头的上端固定连接，探头的下端自底板的下表面伸出，探头的下端内部安装有无线扭矩传感器和无线力传感器，探头的端头还有切刀，转动伺服电机和移动伺服电机分别与功率放大器相连接，功率放大器通过控制器与计算机相连接，控制器还与接收器相连接。\n本发明的有益效果是改变传统触探直接压入的受力方式，通过移动伺服电机和转动伺服电机带动探头旋转探入较硬地层，并在探头上安装了无线扭矩传感器和无线力传感器，测得探头探入的相关参数，并通过测得探头探入的相关参数，求出围岩力学相关参数，克服了现有静力触探仪动力有限、不能用于探测原位较硬地层力学参数的问题，实现了围岩力学相关参数的现场测定。不仅节约了时间，减少了测试的环节，降低了成本，而且可以进一步为土木、水利、交通等等工程的设计施工提供基础资料。\n附图说明\n图1是本发明围岩力学参数现场测试系统的结构示意图；\n图2是本发明围岩力学参数现场测试系统在探测过程中获得探头转速和扭矩的测控工艺流程图；\n图3是本发明围岩力学参数现场测试系统在探测过程中获得探头探入速度和轴向负荷的测控工艺流程图；\n图中，1.横梁，2.精密滚珠丝杠，3.立柱，4.丝母，5.基座，6.联体皮带轮，7.移动伺服电机，8.底板，9.转动伺服电机，10.减速器，11.传动装置，12.接收器，13.移动横梁，14.转轴，15.探杆，16.控制器，17.功率放大器，18.传动轮，19.电子计算机，20.探头，21.无线扭矩传感器，22.无线力传感器，23.上齿形带，24.下齿形带，25.支柱，26.传动系统，27.加载框架，28.切刀。\n具体实施方式\n下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。\n本发明围岩力学参数现场测试系统的结构，如图1所示。包括由上而下依次平行设置的横梁1、基座5和底板8，基座5和横梁1之间竖直设置有两个立柱3，横梁1、基座5和两个立柱3构成主框架。两个立柱3之间竖直设置有两精密滚珠丝杆2，精密滚珠丝杆2的上端固接于横梁1，其下端自基座5的下表面伸出，并分别固接有一传动轮18，基座5与底板8之间竖直设置有至少两根支柱25。基座5的下表面固定有联体皮带轮6，两传动轮18和联体皮带轮6通过上齿形带23相连接，构成从动皮带传动机构，底板8的上表面固定有移动伺服电机7，移动伺服电机7通过下齿形带24与联体皮带轮6相连接，构成主动皮带传动机构。两精密滚珠丝杆2上分别设置有丝母4，两丝母4分别固接于水平设置的移动横梁13的两端，移动横梁13的上面由下而上依次设置有传动装置11、减速器10和转动伺服电机9，传动装置11与转轴14的上端固接，转轴14的下端自移动横梁13的下面伸出，并与探杆15的上端固接，探杆15的下端与探头20的上端固定连接，探头20的下端自底板8的下表面伸出，探头20的下端内部安装有无线扭矩传感器21和无线力传感器22，探头20的端头还有切刀28，转动伺服电机9和移动伺服电机7分别与功率放大器17相连接，功率放大器17通过控制器16与计算机19相连接，控制器16与接收器12相连接。\n本发明围岩力学参数现场测试系统的工作过程是：\n从电子计算机19上输入轴向负荷P或探入速度v，扭矩M或旋转速度ω控制参数值，并发出命令。控制器16接收到来自电子计算机19的命令并发出操作指令，控制器16在接收到指令后通过功率放大器17将电讯号发送给控制转动伺服电机9和移动伺服电机7，分别控制转动伺服电机9和移动伺服电机7工作，实现对轴向负荷P或探入速度v，扭矩M或旋转速度ω的精确闭环控制以及对整个探入过程进行上述四个量的监控或测量，也可进行上述几种控制方式的平滑转换。移动伺服电机7通过下齿型带24带动联体皮带轮6转动，从而通过上齿型带23带动两个传动轮18及与两个传动轮18相连的两根精密滚珠丝杠2转动，进而带动与丝母4相联的移动横梁13上下移动，实现探杆15及探头20竖直方向的移动。改变移动伺服电机7的转速可赋予探头20不同的压入速度，同时控制器16可根据设定值与实测值的比较来改变移动伺服电机7的转速以保持恒定的轴向负荷P或探入速度v。转动伺服电机9转动，通过传动装置11带动转轴14、探杆15及探头20旋转。变换转动伺服电机9的转速就可以赋予探头20不同的旋转速度，控制器16可根据设定值与实测值的比较来改变移动伺服电机9的转速以保持恒定的扭矩M或旋转速度ω。通过移动横梁13的上下移动和转轴14的旋转实现探头20的旋转压入。\n本发明围岩力学参数现场测试系统测量探头20探入的相关参数为：旋转速度ω、扭矩M、探入速度v及轴向负荷P。对轴向负荷P或探入速度v的控制以及旋转速度ω或扭矩M的控制是实时同步进行的。在其中一个由电子计算机19、控制器16、功率放大器17、转动伺服电机9、减速器10、传动装置11、转轴14、探杆15、探头20、无线扭矩传感器21与无线力传感器22构成的控制环路中，旋转速度ω及扭矩M是通过转动伺服电机9控制的，在电子计算机19中设定旋转速度ω然后把扭矩值M作为测量量，或者在电子计算机19中设定扭矩值M然后把旋转速度ω作为测量量，并向控制器16发出指令，控制器16在接收到指令后通过功率放大器17将电讯号发送给转动伺服电机9，由减速器10通过传动装置11将既定的旋转速度ω或扭矩值M赋予转轴14。探头20的旋转速度ω或扭矩M值由控制器16进行调节，使旋转速度ω或扭矩M值保持恒定。旋转速度和扭矩控制流程图见图2。在另一个由电子计算机19、控制器16、功率放大器17、移动伺服电机7、下齿形带24、联体皮带轮6、上齿形带23、传动轮18、精密滚珠丝杠2、丝母4、移动横梁13、探杆15、探头20、无线扭矩传感器21与无线力传感器22构成的控制环路中，探入速度v或轴向负荷P的控制过程的与旋转速度ω或扭矩M的控制过程相似，其控制流程图见图3。其中图3中的传动系统26包括下齿形带24、联体皮带轮6以及传动轮18构成；加载框架27为主框架中的丝母4及移动横梁13。整个闭环控制中，两个控制环路中任何一个控制环路只能有一个控制参量处于闭环反馈通路中，另一参数作为测量量。所以在测试过程中只能以两个参数作为控制指标，另两个参数则为仪器测量的指标。\n在整个探入过程中，由装在探头20中的无线力传感器22和无线扭矩传感器21来测量探头20所受的轴向负荷P和扭矩值M、或者探入速度v和旋转速度ω，并将数据发送给接收器12接收，由电子计算机19进行存盘及后续处理。并且可以调整探头20的轴向负荷、扭矩、旋转速度与探入速度的量值，使得探头20能够在不同深度不同硬度岩体顺利探入。\n将探头20测量得到的参数经测试系统中电子计算机19处理等得到岩体力学参数值，并可以通过大量的系统平行室内测试的对比研究，建立起可靠的岩石的力学参数与轴向负荷、扭矩、探入速度与旋转速度间内大的关系，从而实现了快速、无扰动及可靠地获取不同刚度、硬度、强度的围岩力学参数的现场测定，为土木、水利、交通等等工程的设计施工提供基础资料。