新型預鉆式原位巖體剪切儀的設計與試驗

鐘自成

（中煤科工集團西安研究院有限公司，陜西 西安 710077）

在巖土工程領域，巖體的力學參數往往用于評價礦山巖體結構的穩定性，而抗剪強度作為一項可靠的并能解決工程實際問題的重要參數，其精確可靠的獲取方式一直是礦山巖石力學研究者所關心的[1]。隨著人為掘進和開采等活動影響，礦山巷道圍巖穩定性破壞，致使巖體產生變形、移動甚至破壞，而今礦山開采規模、開采深度不斷增加，更將造成礦井巷道的地質力學環境日趨惡劣，地下工程災害頻發，巷道圍巖穩定性控制變得尤為困難[2-4]，因此，能夠正確地、合理地評價礦山巷道圍巖的穩定性可以有效預防地下工程災害的發生。

目前，在巖土工程領域用于獲取巖體抗剪強度的方法主要有室內測試方法和原位測試方法。測定巖體的抗剪強度室內試驗方法主要有直剪試驗、單剪試驗、環剪試驗、三軸壓縮試驗等[5]。室內測試方法雖然能夠很好地控制排水條件、應力和應變的加載，但是需要試樣的制備，再加上運輸過程中不可避免受到外界的干擾影響，最終導致進行測試的物理參數已經改變，使得獲取的巖體參數無法準確地表征原始狀態指標[6]。

原位測試技術具有可直接測量原位巖土的工程參數，不需要鉆孔取樣，減小對巖土的擾動等優點[7]，因此在巖土工程勘察領域應用廣泛。為了滿足評價礦山巷道圍巖的穩定性的需要，迫切需要開展礦用原位測試技術裝備的研究，實現能在短時間內基于鉆孔獲得大量試驗數據，進而得到巖體的工程力學參數，達到為巷道工程鉆孔高效利用以及圍巖力學參數的確定的目的[8-9]。

基于弓狀結構和楔形刀具侵入巖體特性，自主研制一款新型預鉆式原位巖體剪切儀，該裝置具有結構小巧、輕便，且移動搬遷方便的特點，適用于成孔直徑為75～85 mm 的巖體參數的測量，能在短時間內基于鉆孔獲得大量試驗數據，進而得到巖體的工程力學參數，為巷道工程鉆孔高效利用以及圍巖力學參數的確定提供了新手段。

1 總體結構及試驗原理

預鉆式原位巖體剪切儀[10]由剪切儀、顯示表、手動液壓泵、數據采集管理裝置及輔助配件等組成。預鉆式原位巖體剪切儀主要用于原位巖體的抗剪強度的測量，該試驗裝置小巧、輕便，且移動搬遷方便，適用于成孔直徑為75～85 mm 的巖體參數的測量,能在短時間內基于鉆孔獲得大量試驗數據。

根據原位測試技術及巖土工程參數測量的需求，剪切儀主要參數如下：①承壓能力：0～40 MPa；②承受起拔力：0～30 MPa；③適用孔徑范圍：?75～?85 mm；④外形尺寸：?75 mm×910 mm。

預鉆式原位巖體剪切儀工作流程示意圖如圖1。

圖1 預鉆式原位巖體剪切儀工作流程示意圖Fig.1 Schematic diagram of work flow of pre-drilling in-situ rock mass shear instrument

結合巖土工程中其他常用鉆孔巖體工程特性測試方法，首先預鉆式原位巖體剪切儀需要進行儀器標定，獲取未對巖體作用時的載荷與位移曲線圖，然后泄壓恢復到初始狀態，其次利用儀器中部油缸加壓方式對帶有楔形道刀具的彈性剪切片施加足夠的壓力使其侵入孔壁巖體，再通過外接鉆機施加起拔力，實現侵入巖體的楔形刀具對巖體的直接剪切破壞，數據采集系統實時采集壓力與位移數據，顯示出載荷-位移曲線，最終測得巖體的抗剪強度。

1.1 剪切儀總體結構

剪切儀主要由剪切裝置、加壓裝置、位移裝置、變徑轉接頭等部分組成，剪切儀剖視圖如圖2。

圖2 剪切儀剖視圖Fig.2 Cutaway view of shearing instrument

通過外接加壓泵為加壓裝置施加壓力，在位移裝置的作用下，實現剪切裝置上的楔形刀具作用在孔壁巖體上；變徑轉接頭可將剪切儀與鉆機連接，通過操作鉆機可實現剪切儀下放到預鉆孔內，也可對剪切儀進行起拔，進而實現對孔壁巖體的直接剪切破壞，進而測得巖體的工程力學參數。

1）剪切裝置。剪切裝置由下頂、緊箍、彈性片和楔形刀具組成，剪切裝置示意圖如圖3。下頂主要用于彈性剪切片整體的端部固定，以及剪切儀豎立時起到保護作用；緊箍共計2 個，主要箍住各個彈性剪切片，并且在剪切儀工作時，防止彈性片的崩出；彈性片采用65Mn 材料，具有較好的彈性以及楔形刀具侵入巖體的良好特性[11]，在外部壓力的作用下，彈性片呈弓形，使得楔形刀具作用在預鉆孔壁巖體上，為后續獲取巖體的抗剪強度奠定基礎；每個彈性片上焊接有2 個楔形刀具，楔形刀具通過熱處理以后具有較好的硬度。

圖3 剪切裝置示意圖Fig.3 Schematic diagram of shearing instrument

2）加壓裝置。加壓裝置由轉接頭、端蓋、缸體、底蓋和活塞等組成，加壓裝置示意圖如圖4。加壓裝置為剪切裝置施加壓力，實現楔形刀具對原位巖體的作用。缸體上開有小槽，可將彈性片上布置的應變片上的數據線埋入。

圖4 加壓裝置示意圖Fig.4 Schematic diagram of pressurizing device

3）位移裝置。位移裝置主要由滑塊、滑軌和限位盤等組成，位移裝置示意圖如圖5。滑塊與剪切裝置上的彈性片相連接，滑軌與加壓裝置上的活塞相連接，限位盤用于滑塊的限位。在加壓裝置的作用下，活塞推動滑軌移動，實現滑塊在滑軌的導向槽運動，導向槽設計為一上升的斜面，因此滑塊推動彈性片外張呈弓狀，實現楔形刀具作用于孔壁巖體上。

圖5 位移裝置示意圖Fig.5 Schematic diagram of displacement device

1.2 數據采集系統

數據采集系統主要由位移傳感器、顯示表及數據采集管理軟件等部分組成。其中，位移傳感器安裝于加壓裝置的端部，實時測得活塞的位移值，通過轉化即可計算得知楔形刀具侵入巖體的侵深；顯示表用于顯示位移傳感器的數值，同時兼有為位移傳感器供電，以及信號傳輸功能；數據采集管理軟件通過計算機串行口采集儀表測量數據并實時顯示、存儲，對存儲數據進行曲線分析、曲線打印、趨勢瀏覽、報表生成、報表編輯、報表打印、轉化生成TXT、EXCEL 文件等。

2 關鍵部件有限元分析

2.1 彈性片有限元分析

彈性片在其位移范圍內的強度高低決定了剪切儀的使用壽命，也關系到剪切儀使用能力。

彈性片采用65Mn 材料，因此密度設置為7 820 kg/m3，彈性模量和泊松比分別設置為211 GPa 和0.288；選用Quad 單元為主類型和S4R 線性殼單元進行網格劃分[12]，并將彈性片與緊箍連接處設置為固支邊界條件，而與楔形刀具連接的中部位置處施加位移5 mm。彈性片極限狀態下應力云圖如圖6，彈性片極限狀態下應變云圖如圖7。

圖6 彈性片極限狀態下應力云圖Fig.6 Stress diagram of elastic sheet in the limit state

圖7 彈性片極限狀態下應變云圖Fig.7 Strain diagram of elastic sheet in the limit state

由彈性片應力云圖可知，彈性片最大應力為493.5 MPa。由65Mn 彈簧鋼力學性能可知，其屈服強度為520～690 MPa，因此彈性片有限元分析得出的最大應力值小于屈服強度最小值，且整體受力良好。由彈性片應變云圖可知，最大應變為2.405 mm。仿真結果表明，彈性片的設計滿足使用要求。

2.2 缸體承壓有限元分析

加壓裝置的承壓能力決定了剪切儀的適用巖體硬度范圍，承壓能力越好，則楔形刀具侵入巖體的能力越強，因此在設計要求最大承壓能力40 MPa 極限狀態下，對缸體進行靜力學分析。

缸體采用Q345 材料，因此密度設置為7 850 kg/m3，彈性模量和泊松比分別設置為206 GPa 和0.28；選用Tet 單元類型和C3D4 線性四面體單元進行網格劃分[13]，將缸體中腔最大承壓設定為40 MPa。缸體應力云圖如圖8，缸體應變云圖如圖9。

圖8 缸體應力云圖Fig.8 Stress chart of cylinder block

圖9 缸體應變云圖Fig.9 Strain chart of cylinder block

由缸體應力云圖可知，其整體受力良好，最大應力為199.9 MPa，遠小于Q345 材料的屈服強度。由缸體應變云圖可知，最大應變為1.015 mm，最大應力和最大應變均出現在螺栓的安裝孔處，仿真結果表明，應力、應變均滿足40 MPa 承壓能力的設計要求。

3 現場試驗

為確定剪切儀測試應用時彈性片結構呈弓形張開所需的載荷大小，因此在使用前必須進行儀器標定試驗。將剪切儀豎立，并塞入直徑大于85 mm，深度適中的孔內；通過手動液壓泵向剪切儀施加壓力，由外接壓力表查看相應的壓力值；通過采集軟件得出時間與位移的動態實時曲線，最終測得的壓力-位移關系曲線，即為儀器標定曲線，標定試驗曲線如圖10。

圖10 標定試驗曲線Fig.10 Calibration test curves

由標定試驗曲線可知，剪切儀加壓張開有效，壓力大于4.3 MPa 時，剪切儀徑向位移趨于穩定，即此時彈性片完全張開處于穩定階段，為侵入巖體所需的壓力預留較多，能夠很好的滿足侵入巖體試驗。

新型預鉆式原位巖體剪切儀在澆筑的混凝土平臺上進行現場試驗，通過操作鉆機鉆直徑75 mm 左右鉆孔，孔深600 mm，將儀器下放到孔內最下端楔形刀具距離平臺130 mm 深處，通過手動液壓泵加壓，實現帶有楔形刀具的彈性片侵入巖體；隨后用鋼絲繩將動力頭和儀器轉接頭連接，通過操作鉆機給進起拔手柄將剪切儀拉出孔內，實現孔壁巖體的直接剪切破壞。

預鉆式原位巖體剪切試驗完后，觀察孔壁被直接剪切破壞，而且剪切儀刀頭整體結構良好，原位測試效果較好。

4 結 語

自主研制的新型預鉆式原位巖體剪切儀適用于通過鉆孔獲取大量試驗數據，進而得到原位巖體的工程力學參數，滿足巷道工程鉆孔高效利用以及圍巖力學參數確定的需要。剪切儀體積小、結構安全可靠，剪切儀的關鍵部件仿真結果表明，關鍵部件設計合理，滿足設計要求；剪切儀加壓張開有效，完全張開所需壓力適中，能夠很好的滿足侵入試驗，且整體強度較好，同時能夠承受足夠的起拔力，滿足后續的剪切試驗需求；預鉆式原位巖體剪切儀可以有效地獲取預鉆孔壁巖體工程參數，為巷道工程鉆孔高效利用以及圍巖力學參數的確定提供了新手段。