1.本发明涉及岩土体试验技术领域，尤其是涉及一种用于岩土体钻孔内模型试验的装置及方法。
背景技术：2.在岩土工程与地质工程领域中，一般需要钻取地层岩土体样品开展室内试验用于测定岩土体的物理力学性质参数，以便于进行合理的建构筑物设计计算与加固施工。而事实上，钻取地层岩土体样品会破坏岩土体的原位受力状态与微观结构，导致室内测定的岩土体物理力学性质参数量值与原位实际的岩土体物理力学性质参数量值有一定误差。因此需要开发一种能够模拟实际岩土体受力的试验装置，以减小试验测试误差。
技术实现要素：3.本发明的目的是提供一种用于岩土体钻孔内模型试验的装置，解决现有的岩土体试验无法模拟实际受力，导致试验测试存在较大误差的问题。本发明的另一个目的是提供一种用于岩土体钻孔内模型试验装置的方法。
4.为实现上述目的，本发明提供了一种用于岩土体钻孔内模型试验的装置，包括底板，底板的上方设置有支撑板，支撑板的一端上方设置有压板，压板的上方设置有安装板，底板、支撑板、压板与安装板之间通过调节结构连接；底板上设置有顶升元件，顶升元件的顶部设置有承压板，承压板上设置有测量顶升力的力传感器，支撑板上设置有与承压板相适配的通孔，支撑板上设置有模型箱，模型箱位于通孔的正上方，压板位于模型箱的正上方；支撑板上设置有孔壁测试机构，孔壁测试机构位于模型箱的一侧，安装板上设置有孔内测试机构，孔内测试机构位于模型箱的正上方，压板上设置有使孔内测试机构穿过的避让孔一；孔壁测试机构、力传感器均通过数据采集器与计算机连接，计算机、顶升元件和孔壁测试机构与电源连接。
5.优选的，所述调节结构包括螺杆二，底板、支撑板、压板与安装板上设置有使螺杆二穿过的通孔，底板、支撑板、压板与安装板的上下表面均设置有限位的螺母，螺母套设在螺杆二上。
6.优选的，所述底板的一端与支撑板的一端设置有螺杆一，底板、支撑板上设置有使螺杆一穿过的通孔，底板、支撑板的上下表面均设置有限位的螺母，螺母套设在螺杆一上。
7.优选的，所述模型箱为三个侧面封闭，一个侧面敞口的矩形结构，模型箱的上顶面和下底面敞口设置，模型箱的内部设置有将侧面敞口封闭的侧板一或侧板二，侧板二的中部设置有向内凹的半圆柱型的模具。
8.优选的，所述顶升元件为千斤顶，千斤顶通过油管与油泵连接，油泵与控制箱连接，控制箱与电源连接。
9.优选的，所述承压板的中部设置有放置力传感器的安装盒，安装盒的侧壁与承压板之间通过若干个加筋板连接，安装盒的侧壁上设置有使力传感器的线穿过的缺口，力传
感器与数据采集器连接。
10.优选的，所述压板的避让孔一上设置有将避让孔封闭的盖板，盖板的下表面上设置有与避让孔一相适配的凸块，凸块下表面与压板下表面平齐。
11.优选的，所述孔壁测试机构包括反力座，反力座固定在支撑板上，反力座通过法兰座与电动缸连接，电动缸的推动杆上螺纹连接有力传感器一，力传感器一通过连接管与探头连接，连接管的两端分别与力传感器一、探头螺纹连接，连接管上设置有使探头的线穿过的开口，探头、力传感器一、电动缸均与数据采集器连接。
12.优选的，所述孔内测试机构包括支座，支座相对的设置在安装板上，支座之间设置有转轴，转轴与支座转动连接，转轴的一端设置有带动转轴转动的摇把，转轴上缠绕有钢丝绳，钢丝绳的底部设置有孔内原位测试仪，安装板上设置有使孔内原位测试仪穿过的避让孔二。
13.上述用于岩土体钻孔内模型试验装置的方法，包括以下步骤：
14.s1、转动螺母，调整压板与支撑板的距离，便于向模型箱内装填岩土体，千斤顶带动承压板上升，使得承压板的上表面与支撑板的上表面平齐；
15.s2、将侧板一放置在模型箱的敞口侧面上，向模型箱内装填岩土体，采用钻头在岩土体中间钻孔，形成孔内测试模型，调节螺母，使压板下表面与模型箱顶面接触；
16.或将侧板二放置在模型箱的敞口侧面上，向模型箱内装填岩土体，然后将侧板二取出，形成孔壁测试模型，将盖板的凸块放入避让孔一内，盖板与压板通过螺钉固定连接，调节螺母，使压板下表面与模型箱顶面接触；
17.s3、千斤顶带动承压板上升，直到力传感器压力达到目标值p，维持压力恒定；
18.s4、通过把手带动转轴转动，孔内原位测试仪下降进入到孔内测试模型的中间孔内进行试验；
19.或通过电动缸带动力传感器一和探头以特定速度移动，对孔壁测试模型的孔壁进行加载测试。
20.本发明所述的一种用于岩土体钻孔内模型试验的装置及方法的优点和积极效果是：
21.1、通过千斤顶、承压板和压板的设置提高了模型箱内岩土体力学性能的均匀性，可以有效的模拟岩土体钻孔地质模型竖向应力条件。
22.2、便于开展岩土体钻孔内模型试验研究。
23.3、实现沿转孔径向对地质模型钻孔的孔壁岩土体的加载测试。
24.4、各结构之间多采用螺纹和螺栓连接，便于拆装，运输方便，可重复使用。
25.下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
26.图1为本发明一种用于岩土体钻孔内模型试验的装置及方法实施例的结构示意图；
27.图2为本发明一种用于岩土体钻孔内模型试验的装置及方法实施例的孔内测试机构结构示意图；
28.图3为本发明一种用于岩土体钻孔内模型试验的装置及方法实施例的孔壁测试机
构结构示意图；
29.图4为本发明一种用于岩土体钻孔内模型试验的装置及方法实施例的反力座结构示意图；
30.图5为本发明一种用于岩土体钻孔内模型试验的装置及方法实施例的支撑板结构示意图；
31.图6为本发明一种用于岩土体钻孔内模型试验的装置及方法实施例的模型箱结构示意图一；
32.图7为本发明一种用于岩土体钻孔内模型试验的装置及方法实施例的模型箱结构示意图二；
33.图8为本发明一种用于岩土体钻孔内模型试验的装置及方法实施例的承压板结构示意图；
34.图9为本发明一种用于岩土体钻孔内模型试验的装置及方法实施例的盖板结构示意图；
35.图10为本发明一种用于岩土体钻孔内模型试验的装置及方法实施例的孔内测试模型结构示意图；
36.图11为本发明一种用于岩土体钻孔内模型试验的装置及方法实施例的孔壁测试模型结构示意图。
37.附图标记
38.1、底板；2、支撑板；3、压板；4、安装板；5、螺杆一；6、螺杆二；7、反力座；8、法兰座；9、电动缸；10、力传感器一；11、连接管；12、探头；13、千斤顶；14、模型箱；15、避让孔一；16、孔内原位测试仪；17、钢丝绳；18、避让孔二；19、支座；20、转轴；21、摇把；22、油泵；23、油管；24、控制箱；25、计算机；26、数据采集器；27、串口数据线；28、电源；29、开口；30、角钢；31、加强板；32、通孔；33、侧板一；34、侧板二；35、模具；36、承压板；37、加筋板；38、安装盒；39、缺口；40、盖板；41、凸块。
具体实施方式
39.以下通过附图和实施例对本发明的技术方案作进一步说明。
40.除非另外定义，本发明使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本发明中使用的“第一”、“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。“包括”或者“包含”等类似的词语意指出现该词前面的元件或者物件涵盖出现在该词后面列举的元件或者物件及其等同，而不排除其他元件或者物件。“连接”或者“相连”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接，而是可以包括电性的连接，不管是直接的还是间接的。“上”、“下”、“左”、“右”等仅用于表示相对位置关系，当被描述对象的绝对位置改变后，则该相对位置关系也可能相应地改变。
41.实施例
42.图1为本发明一种用于岩土体钻孔内模型试验的装置及方法实施例的结构示意图。如图所示，一种用于岩土体钻孔内模型试验的装置，包括底板1，底板1的上方设置有支撑板2，支撑板2的一端上方设置有压板3，压板3的上方设置有安装板4，底板1、支撑板2、压
板3与安装板4之间通过调节结构连接。调节结构包括螺杆二6，底板1、支撑板2、压板3与安装板4上设置有使螺杆二6穿过的通孔32，底板1、支撑板2、压板3与安装板4的上下表面均设置有限位的螺母，螺母套设在螺杆二6上。转动螺母可以调整底板1、支撑板2、压板3和安装板4的高度。
43.底板1和支撑板2的长度大于压板3和安装板4的长度。底板1的一端与支撑板2的一端设置有螺杆一5，底板1、支撑板2上设置有使螺杆一5穿过的通孔32，底板1、支撑板2的上下表面均设置有限位的螺母，螺母套设在螺杆一5上。提高底板1与支撑板2连接的稳定性。
44.图8为本发明一种用于岩土体钻孔内模型试验的装置及方法实施例的承压板结构示意图。如图所示，底板1上设置有顶升元件，顶升元件的顶部设置有承压板36，承压板36上设置有测量顶升力的力传感器。顶升元件为液压的千斤顶13，千斤顶13通过油管23与油泵22连接，油泵22与控制箱24连接，控制箱24与电源28连接。通过控制箱24对千斤顶13进行操作，控制千斤顶13的升降。承压板36通过螺钉或螺纹固定在千斤顶13的顶端。承压板36上表面的中部设置有放置力传感器的安装盒38，安装盒38的侧壁与承压板36之间通过若干个加筋板37连接，提高安装盒38的支撑强度。安装盒38的侧壁上设置有使力传感器的线穿过的缺口39，力传感器与数据采集器26连接。数据采集器26通过串口数据线27与计算机25连接，通过计算机25获取力传感器数据变化。力传感器选用现有的结构。
45.图5为本发明一种用于岩土体钻孔内模型试验的装置及方法实施例的支撑板结构示意图，图6为本发明一种用于岩土体钻孔内模型试验的装置及方法实施例的模型箱结构示意图一，图7为本发明一种用于岩土体钻孔内模型试验的装置及方法实施例的模型箱结构示意图二。如图所示，支撑板2上设置有与承压板36相适配的通孔32，通孔32的尺寸与承压板36相等。支撑板2上设置有模型箱14，模型箱14位于通孔32的正上方。压板3位于模型箱14的正上方。模型箱14为三个侧面封闭，一个侧面敞口的矩形结构，模型箱14的上顶面和下底面敞口设置。模型箱14采用高强钢板焊接而成。模型箱14的内部设置有将侧面敞口封闭的侧板一33或侧板二34，侧板二34的中部设置有向内凹的半圆柱型的模具35。侧板一33在进行孔内测试时使用，侧板二34在进行孔壁测试时使用，模具35用于形成孔壁测试模型的半圆柱形孔。
46.图3为本发明一种用于岩土体钻孔内模型试验的装置及方法实施例的孔壁测试机构结构示意图，图4为本发明一种用于岩土体钻孔内模型试验的装置及方法实施例的反力座结构示意图。如图所示，支撑板2上设置有孔壁测试机构，孔壁测试机构位于模型箱14敞口的一侧。孔壁测试机构包括反力座7，反力座7通过螺栓固定在支撑板2上。反力座7包括角钢30，角钢30的外侧面上设置有加强板31，用于提高反力座7的强度。反力座7对孔壁测试提供反力支撑。反力座7通过法兰座8与电动缸9连接。反力座7与法兰座8通过螺钉固定连接，电动缸9通过螺栓与法兰座8固定连接。电动缸9为现有的结构。
47.电动缸9的推动杆上螺纹连接有力传感器一10，力传感器一10通过连接管11与探头12连接。力传感器一10的两端开设有内螺纹，分别与推动杆、连接管11螺纹连接。探头12的一端开设外螺纹，探头12与连接管11螺纹连接。连接管11上设置有使探头12的线穿过的开口29，探头12、力传感器一10、电动缸9均与数据采集器26连接。探头12为现有的内部有力学感应元件的结构，用于测量推动杆推进钻孔孔壁岩土体的阻力。力传感器一10用于动态测量推动杆的推力，选用现有的结构。计算机25用于读取和记录推动杆的运动位移。
48.图9为本发明一种用于岩土体钻孔内模型试验的装置及方法实施例的盖板结构示意图。如图所示，压板3的避让孔一15上设置有将避让孔封闭的盖板40，盖板40的下表面上设置有与避让孔一15相适配的凸块41，凸块41下表面与压板3下表面平齐。凸块41尺寸与避让孔一15尺寸相同，正好塞入避让孔一15内。压板3在进行孔壁测试时使用。
49.压板3、千斤顶13和承压板36的设置，可以模拟不同深度岩土体的受力状态，减小试验测试的误差。
50.图2为本发明一种用于岩土体钻孔内模型试验的装置及方法实施例的孔内测试机构结构示意图。如图所示，安装板4上设置有孔内测试机构，孔内测试机构位于模型箱14的正上方。压板3上设置有使孔内测试机构穿过的避让孔一15。孔内测试机构包括支座19，支座19相对的设置在安装板4上，支座19通过螺栓固定在安装板4上。支座19之间设置有转轴20，转轴20与支座19通过轴承转动连接。转轴20的一端固定设置有带动转轴20转动的摇把21。转轴20上缠绕有钢丝绳17，钢丝绳17的顶端固定在转轴20上，钢丝绳17的底部固定设置有孔内原位测试仪16，安装板4上设置有使孔内原位测试仪16穿过的避让孔二18。孔内原位测试仪16对孔内物理性能进行测试，可以根据需要选用现有的结构和型号。
51.计算机25、控制箱24、电动缸9、力传感器和力传感器一10均与电源28连接，为其提供工作电能。
52.图10为本发明一种用于岩土体钻孔内模型试验的装置及方法实施例的孔内测试模型结构示意图。如图所示，上述用于岩土体钻孔内模型试验装置的方法，孔内测试的方法，包括以下步骤：
53.s1、转动螺母，调整压板3与支撑板2的距离，便于向模型箱14内装填岩土体，千斤顶13带动承压板36上升，使得承压板36的上表面与支撑板2的上表面平齐；
54.s2、将侧板一33放置在模型箱14的敞口侧面上，向模型箱14内装填岩土体，采用钻头在岩土体中间钻孔，形成孔内测试模型，调节螺母，使压板3下表面与模型箱14顶面接触；
55.s3、千斤顶13带动承压板36上升，直到力传感器压力达到目标值p，维持压力恒定；
56.s4、通过把手带动转轴20转动，孔内原位测试仪16下降进入到孔内测试模型的中间孔内物理性能进行检测。
57.图11为本发明一种用于岩土体钻孔内模型试验的装置及方法实施例的孔壁测试模型结构示意图。如图所示，孔壁测试的方法，包括以下步骤：
58.s1、转动螺母，调整压板3与支撑板2的距离，便于向模型箱14内装填岩土体，千斤顶13带动承压板36上升，使得承压板36的上表面与支撑板2的上表面平齐；
59.s2、将侧板二34放置在模型箱14的敞口侧面上，向模型箱14内装填岩土体，然后将侧板二34取出，形成孔壁测试模型，将盖板40的凸块41放入避让孔一15内，盖板40与压板3通过螺钉固定连接，调节螺母，使压板3下表面与模型箱14顶面接触；
60.s3、千斤顶13带动承压板36上升，直到力传感器压力达到目标值p，维持压力恒定；
61.s4、通过电动缸9带动力传感器一10和探头12以特定速度移动，对孔壁测试模型的孔壁进行加载测试。
62.因此，本发明采用上述的用于岩土体钻孔内模型试验的装置及方法，能够解决现有的岩土体试验无法模拟实际受力，导致试验测试存在较大误差的问题。
63.最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其进行限制，
尽管参照较佳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：其依然可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而这些修改或者等同替换亦不能使修改后的技术方案脱离本发明技术方案的精神和范围。
技术特征：1.一种用于岩土体钻孔内模型试验的装置，其特征在于：包括底板，底板的上方设置有支撑板，支撑板的一端上方设置有压板，压板的上方设置有安装板，底板、支撑板、压板与安装板之间通过调节结构连接；底板上设置有顶升元件，顶升元件的顶部设置有承压板，承压板上设置有测量顶升力的力传感器，支撑板上设置有与承压板相适配的通孔，支撑板上设置有模型箱，模型箱位于通孔的正上方，压板位于模型箱的正上方；支撑板上设置有孔壁测试机构，孔壁测试机构位于模型箱的一侧，安装板上设置有孔内测试机构，孔内测试机构位于模型箱的正上方，压板上设置有使孔内测试机构穿过的避让孔一；孔壁测试机构、力传感器均通过数据采集器与计算机连接，计算机、顶升元件和孔壁测试机构与电源连接。2.根据权利要求1所述的一种用于岩土体钻孔内模型试验的装置，其特征在于：所述调节结构包括螺杆二，底板、支撑板、压板与安装板上设置有使螺杆二穿过的通孔，底板、支撑板、压板与安装板的上下表面均设置有限位的螺母，螺母套设在螺杆二上。3.根据权利要求1所述的一种用于岩土体钻孔内模型试验的装置，其特征在于：所述底板的一端与支撑板的一端设置有螺杆一，底板、支撑板上设置有使螺杆一穿过的通孔，底板、支撑板的上下表面均设置有限位的螺母，螺母套设在螺杆一上。4.根据权利要求1所述的一种用于岩土体钻孔内模型试验的装置，其特征在于：所述模型箱为三个侧面封闭，一个侧面敞口的矩形结构，模型箱的上顶面和下底面敞口设置，模型箱的内部设置有将侧面敞口封闭的侧板一或侧板二，侧板二的中部设置有向内凹的半圆柱型的模具。5.根据权利要求1所述的一种用于岩土体钻孔内模型试验的装置，其特征在于：所述顶升元件为千斤顶，千斤顶通过油管与油泵连接，油泵与控制箱连接，控制箱与电源连接。6.根据权利要求1所述的一种用于岩土体钻孔内模型试验的装置，其特征在于：所述承压板的中部设置有放置力传感器的安装盒，安装盒的侧壁与承压板之间通过若干个加筋板连接，安装盒的侧壁上设置有使力传感器的线穿过的缺口，力传感器与数据采集器连接。7.根据权利要求1所述的一种用于岩土体钻孔内模型试验的装置，其特征在于：所述压板的避让孔一上设置有将避让孔封闭的盖板，盖板的下表面上设置有与避让孔一相适配的凸块，凸块下表面与压板下表面平齐。8.根据权利要求1所述的一种用于岩土体钻孔内模型试验的装置，其特征在于：所述孔壁测试机构包括反力座，反力座固定在支撑板上，反力座通过法兰座与电动缸连接，电动缸的推动杆上螺纹连接有力传感器一，力传感器一通过连接管与探头连接，连接管的两端分别与力传感器一、探头螺纹连接，连接管上设置有使探头的线穿过的开口，探头、力传感器一、电动缸均与数据采集器连接。9.根据权利要求1所述的一种用于岩土体钻孔内模型试验的装置，其特征在于：所述孔内测试机构包括支座，支座相对的设置在安装板上，支座之间设置有转轴，转轴与支座转动连接，转轴的一端设置有带动转轴转动的摇把，转轴上缠绕有钢丝绳，钢丝绳的底部设置有孔内原位测试仪，安装板上设置有使孔内原位测试仪穿过的避让孔二。10.根据权利要求1-9任一项所述的一种用于岩土体钻孔内模型试验装置的方法，其特征在于，包括以下步骤：s1、转动螺母，调整压板与支撑板的距离，便于向模型箱内装填岩土体，千斤顶带动承压板上升，使得承压板的上表面与支撑板的上表面平齐；
s2、将侧板一放置在模型箱的敞口侧面上，向模型箱内装填岩土体，采用钻头在岩土体中间钻孔，形成孔内测试模型，调节螺母，使压板下表面与模型箱顶面接触；或将侧板二放置在模型箱的敞口侧面上，向模型箱内装填岩土体，然后将侧板二取出，形成孔壁测试模型，将盖板的凸块放入避让孔一内，盖板与压板通过螺钉固定连接，调节螺母，使压板下表面与模型箱顶面接触；s3、千斤顶带动承压板上升，直到力传感器压力达到目标值p，维持压力恒定；s4、通过把手带动转轴转动，孔内原位测试仪下降进入到孔内测试模型的中间孔内进行试验；或通过电动缸带动力传感器一和探头以特定速度移动，对孔壁测试模型的孔壁进行加载测试。
技术总结本发明公开了一种用于岩土体钻孔内模型试验的装置，底板的上方依次设置有支撑板、压板、安装板，底板、支撑板、压板与安装板之间通过调节结构连接；底板上顶升元件的顶部设置有承压板，承压板上设置有力传感器，支撑板上设置有与承压板相适配的通孔，支撑板上设置有模型箱；支撑板上设置有孔壁测试机构，安装板上设置有孔内测试机构，压板上设置有使孔内测试机构穿过的避让孔一；孔壁测试机构、力传感器均通过数据采集器与计算机连接。本发明还公开了一种用于岩土体钻孔内模型试验装置的方法，本发明采用上述的用于岩土体钻孔内模型试验的装置及方法，能够解决现有的岩土体试验无法模拟实际受力，导致试验测试存在较大误差的问题。题。题。
技术研发人员：孙巍锋 兰恒星 李郎平 伍宇明 晏长根 包含 刘鑫 董忠红 许江波 石玉玲 刘世杰 田朝阳 梁秦源 王小婵 李洲辰 任轩承
受保护的技术使用者：中国科学院地理科学与资源研究所
技术研发日：2022.07.08
技术公布日：2022/11/1
