陳奕興 梁 偉 伍法權(quán)

(1.紹興文理學(xué)院 土木工程學(xué)院，浙江 紹興 312000；2.紹興文理學(xué)院 機(jī)械與電氣工程學(xué)院，浙江 紹興 312000)

0 引言

在礦山工程、水利水電工程及公路鐵路交通等工程中，通常需要巖石物理性質(zhì)的主要參數(shù)[1]，其中巖石“應(yīng)力-應(yīng)變”全過程的曲線是最基本、最重要、最常用的技術(shù)參數(shù)，它是巖石整體結(jié)構(gòu)剛性和收縮性全過程分析、抗震結(jié)構(gòu)以及變形等問題研究的基礎(chǔ)[2]，這些力學(xué)性能參數(shù)主要通過專業(yè)實(shí)驗(yàn)室中的大型巖石力學(xué)試驗(yàn)機(jī)獲得.

目前國內(nèi)外有許多大型基礎(chǔ)建設(shè)項(xiàng)目，例如川藏鐵路工程項(xiàng)目，工程人員若想獲取山體巖石力學(xué)的相關(guān)參數(shù)，往往需要在野外勘測(cè)過程中取樣后再運(yùn)回實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行相關(guān)實(shí)驗(yàn)，這樣會(huì)造成獲取參數(shù)費(fèi)時(shí)費(fèi)力且效率低下的問題.因此亟須研發(fā)一套便攜式巖石測(cè)試設(shè)備，實(shí)現(xiàn)在勘測(cè)現(xiàn)場(chǎng)即可獲取相關(guān)參數(shù)，達(dá)到提高工作效率和縮短工期的目的.

隨著電子集成技術(shù)、機(jī)電一體化技術(shù)的發(fā)展，研發(fā)便攜式巖石力學(xué)測(cè)試設(shè)備已成為可能.基于此，紹興文理學(xué)院巖石力學(xué)與地質(zhì)災(zāi)害重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室專家組提出了“背包實(shí)驗(yàn)室”的概念，它由便攜式多功能巖石力學(xué)試驗(yàn)機(jī)、SMRM電子野簿APP、數(shù)據(jù)云平臺(tái)、便攜式背包鉆、巖芯角磨機(jī)等組成，能夠在勘測(cè)現(xiàn)場(chǎng)完成巖石采樣、巖石點(diǎn)荷載試驗(yàn)、單軸抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，以及結(jié)構(gòu)面摩擦角的試驗(yàn)和數(shù)據(jù)分析.本文設(shè)計(jì)的測(cè)試儀可配合機(jī)械結(jié)構(gòu)和液壓系統(tǒng)完成數(shù)據(jù)采集、分析、存儲(chǔ)及上傳等工作[3].

1 測(cè)試儀設(shè)計(jì)方案

1.1 巖石力學(xué)測(cè)試儀組成及功能

便攜式巖石力學(xué)測(cè)試儀由電子測(cè)試、液壓、機(jī)械框架三部分組成.本文主要研究電子測(cè)試儀的設(shè)計(jì)，該系統(tǒng)分為硬件和軟件兩部分.系統(tǒng)中各傳感器安裝位置及測(cè)試儀各部分組成如圖1所示.通過壓力傳感器和位移傳感器，可以測(cè)試巖石點(diǎn)荷載、單軸抗壓強(qiáng)度的相關(guān)參數(shù)[4].測(cè)試儀對(duì)減速電機(jī)控制，通過角度傳感器、激光開關(guān)傳感器可以得到巖石結(jié)構(gòu)面摩擦角參數(shù).

1-鋼制框架；2-位移傳感器；3-壓力傳感器；4-圍壓倉；5-待測(cè)巖芯；6-千斤頂；7-鋼制活塞；8-金屬平臺(tái)；9-待測(cè)巖塊；10-角度傳感器；11-巖石測(cè)試儀；12-航空插頭；13-激光開關(guān)傳感器；14-直流減速電機(jī)

以測(cè)試單軸抗壓強(qiáng)度參數(shù)為例[5].在勘測(cè)現(xiàn)場(chǎng)，首先使用背包鉆獲取直徑為20 mm待測(cè)巖芯，經(jīng)打磨后在巖芯表面貼上透明膠帶并放置在圍壓倉中，巖芯上下兩端放置鋼制圓柱活塞，將裝置好的圍壓倉放置在底部千斤頂之上，使其位置對(duì)齊.圍壓倉整體能自由拆卸，多種力學(xué)實(shí)驗(yàn)可以根據(jù)需要裝載不同的零件進(jìn)行試驗(yàn).當(dāng)零件裝載完畢后，啟動(dòng)開關(guān)，進(jìn)入單軸抗壓強(qiáng)度參數(shù)測(cè)試界面，由按鍵設(shè)置好各項(xiàng)參數(shù)，隨后千斤頂油壓泵開始緩慢加壓使系統(tǒng)運(yùn)行，加壓過程越慢效果越好.測(cè)試過程中各傳感器信號(hào)經(jīng)過放大、濾波、模數(shù)轉(zhuǎn)換等，把相應(yīng)數(shù)據(jù)傳送至單片機(jī)數(shù)據(jù)處理模塊中做相應(yīng)處理，在文件系統(tǒng)中生成Excel格式文件并可在SD卡中存儲(chǔ)或刪除.測(cè)試獲取應(yīng)力-位移值形成相應(yīng)的坐標(biāo)曲線顯示在液晶屏上，以便觀察和分析數(shù)據(jù).測(cè)試數(shù)據(jù)也可通過藍(lán)牙傳輸?shù)绞謾C(jī)APP.

對(duì)于巖石結(jié)構(gòu)面摩擦角測(cè)試功能，是將角度傳感器安裝在金屬平臺(tái)背面，表面放置兩塊疊放的被測(cè)巖石，調(diào)節(jié)上方巖石，當(dāng)上方巖石的引線恰好遮擋住激光開關(guān)傳感器，減速電機(jī)控制金屬平臺(tái)向下緩慢轉(zhuǎn)動(dòng)，使兩塊巖石處于傾斜狀態(tài)，當(dāng)被測(cè)巖石由靜摩擦轉(zhuǎn)化成滑動(dòng)摩擦并發(fā)生滑動(dòng)時(shí)，上方巖石引線滑落，使得激光開關(guān)對(duì)射控制電機(jī)隨即停止轉(zhuǎn)動(dòng)，此狀態(tài)的角度即為巖石結(jié)構(gòu)面摩擦角度，數(shù)值在液晶屏上顯示，數(shù)據(jù)同樣可進(jìn)行存儲(chǔ)和傳輸處理.

1.2 測(cè)試儀傳感器選擇

巖石力學(xué)測(cè)試儀要測(cè)量和采集的物理量為試驗(yàn)力(應(yīng)力)、巖芯的變形(應(yīng)變)、位移(壓縮率)以及滑動(dòng)角度(摩擦角).圖2是各傳感器和測(cè)試儀的設(shè)計(jì)原理框圖.考慮到該設(shè)備針對(duì)野外勘測(cè)作業(yè)時(shí)方便攜帶使用，儀器各模塊零部件要達(dá)到體積小、精度高、低功耗的要求.

圖2 巖石力學(xué)試驗(yàn)機(jī)測(cè)試儀整體框圖

儀器以型號(hào)為STM32F103V芯片為MCU(Micro Controller Unit,微控制單元)，它具有高性能、低成本和較低功耗的特點(diǎn)，豐富的引腳端口可滿足該設(shè)備多功能要求.傳感器選用高精度微型柱式壓力傳感器，最大量程為10 T，精度為0.1%，可測(cè)巖芯在千斤頂施加壓力時(shí)所獲取的壓力值，通過公式換算成應(yīng)力.巖芯的位移是指巖芯通過受力擠壓導(dǎo)致的破裂從而產(chǎn)生的微小縫隙，同時(shí)也是上端圓柱活塞的行程.位移傳感器必須具備精度高、性能強(qiáng)、穩(wěn)定性好，選用量程為24 mm，分辨率為1 um的電容式柵格千分測(cè)微計(jì)，比傳統(tǒng)的位移傳感器更加穩(wěn)定，不易受外界環(huán)境的干擾[6].巖石結(jié)構(gòu)面摩擦角通過角度傳感器測(cè)試，選用6軸高精度傾角傳感器，其精度為0.01°.

電源系統(tǒng)需給3.3 V～10 V多個(gè)電壓范圍傳感器供電，考慮到電源轉(zhuǎn)換效率和連續(xù)工作時(shí)間，選用兩節(jié)可充電式18650型號(hào)的鋰電池，進(jìn)行串聯(lián)后工作電壓為6.4 V～8.4 V，標(biāo)稱7.2 V.電源系統(tǒng)支持5 V標(biāo)準(zhǔn)充電器進(jìn)行充電，為滿足工程人員在野外勘測(cè)時(shí)充電條件不允許，也支持充電寶充電，使測(cè)試儀的整體續(xù)航能力大大提高.各硬件部件如表1所示.

表1 巖石測(cè)試儀主要硬件參數(shù)

1.3 測(cè)試儀低功耗設(shè)計(jì)

嵌入式系統(tǒng)的電源管理是系統(tǒng)設(shè)計(jì)的重要部分，合理的電源管理方案可以減少系統(tǒng)的功耗，可提高測(cè)試儀整體性能[7].尤其是本文設(shè)計(jì)的手持式巖石力學(xué)設(shè)備，野外作業(yè)時(shí)需要長(zhǎng)時(shí)間使用且不方便充電，電源續(xù)航能力將直接影響其使用性能.設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮最大限度地降低系統(tǒng)功耗，提高電能使用效率，減少不必要的能源損失，延長(zhǎng)電池使用壽命.

系統(tǒng)中均采用DC/DC(Direct Current/Direct Current，直流電轉(zhuǎn)直流電)轉(zhuǎn)換電路進(jìn)行升降電壓，各電路模塊電能利用率超過90%.當(dāng)測(cè)試儀處于關(guān)機(jī)狀態(tài)時(shí)，電池中電能不會(huì)被元器件所消耗，在電池輸出端設(shè)置MOS管(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor, MOSFET, 金屬-氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管)起開關(guān)作用.系統(tǒng)處于全部傳感器工作狀態(tài)時(shí)總電流約為180 mA，兩節(jié)18650鋰電池以容量2 000 mAh計(jì)算，可連續(xù)工作超過12 h.

系統(tǒng)元器件及傳感器均選取低功耗器件.系統(tǒng)中采用并口的液晶屏相比串口屏功耗低；所使用的傳感器均采用數(shù)字傳感器，相比模擬傳感器減少了前置處理電路及A/D(Analog to Digital Converter, 模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào))轉(zhuǎn)換電路，整體功耗更低[8]；所使用的單片機(jī)在滿足能夠?qū)崿F(xiàn)系統(tǒng)功能要求的前提下選擇資源最合適的芯片，保證最低功耗.當(dāng)系統(tǒng)在五分鐘之內(nèi)無任何操作，系統(tǒng)將會(huì)自動(dòng)關(guān)機(jī)，盡最大可能節(jié)約電能.

2 典型電路分析

2.1 充電電路

充電電路以BOOST(升壓)型XL6007升壓芯片為核心，它是DC/DC轉(zhuǎn)換器，可以產(chǎn)生正或負(fù)輸出電壓，通過調(diào)節(jié)分壓電阻大小可將輸入電壓調(diào)節(jié)至預(yù)期電壓值，配合高端采樣器INA201電流監(jiān)測(cè)芯片設(shè)計(jì)恒流充電[9]，具體采用50 mΩ采樣電阻，INA201放大50倍后反饋到XL6007的FB(Feed Back，反饋)端(1.25 V)，獲得500 mA充電電流.同時(shí)使用INA201內(nèi)置比較(設(shè)置為遲滯比較器)做電池充滿電壓控制(8.4 V)，比較器輸出驅(qū)動(dòng)AO3400控制XL6007的使能引腳EN(Enable,使能)端，完成最高充電電壓控制.充滿電后，XL6007處于間歇工作狀態(tài)，做涓流充電，保證電池不超過最高充電電壓8.4 V.比較器輸出同時(shí)控制充電指示燈，可顯示充電、滿電狀態(tài).測(cè)試儀充電電路圖如圖3所示.

①VAS評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)[4]:疼痛評(píng)分。依照視覺模式疼痛評(píng)分量表評(píng)價(jià)結(jié)果。量表由十個(gè)刻度組成,表示從無痛到劇痛。讓患者根據(jù)疼痛感局在橫線上標(biāo)記,根據(jù)標(biāo)記結(jié)果評(píng)價(jià)疼痛感。總分10分,分?jǐn)?shù)越高疼痛感越強(qiáng)烈。②SDS評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)[5]:依照抑郁自評(píng)量表評(píng)價(jià)結(jié)果。量表由20題組成,總分100分。分?jǐn)?shù)越高,抑郁情況越嚴(yán)重。③QOL評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)[6]:依照腫瘤病人生活質(zhì)量評(píng)分量表評(píng)價(jià)差異。量表由食欲、精神、睡眠、疲乏、疼痛等12項(xiàng)組成。總分100分,分?jǐn)?shù)越高,生活質(zhì)量越好。

圖3 測(cè)試儀充電電路圖

2.2 系統(tǒng)供電電路

電源總開關(guān)使用CMOS(Complementary Metal-Oxide-Semiconductor，互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體)芯片設(shè)計(jì)成乒乓開關(guān)控制，采用CD4011芯片構(gòu)成R-S(RESET-SET，復(fù)位-置位)觸發(fā)器[10]，僅使用一個(gè)按鍵實(shí)現(xiàn)儀器的開關(guān)機(jī)控制，簡(jiǎn)化了儀器外殼的開關(guān)設(shè)計(jì)，提高了野外電子設(shè)備的整體防護(hù)水平.測(cè)試儀供電電路圖如圖4所示.

圖4 測(cè)試儀供電電路圖

電池初次上電時(shí)，電源電壓通過電阻R5和電容C30的充電脈沖使觸發(fā)器Rd=1，Sd=0，觸發(fā)器置1，此時(shí)處于復(fù)位狀態(tài)，控制主電源芯片U3的使能端為禁止?fàn)顟B(tài)，系統(tǒng)關(guān)機(jī)；當(dāng)按下S1鍵時(shí)，上拉電阻R24響應(yīng)使Sd=1，Rd=0，觸發(fā)器置0，此時(shí)處于置位狀態(tài)，控制主電源芯片U3的使能端為使能狀態(tài)，系統(tǒng)開機(jī)；當(dāng)開機(jī)狀態(tài)再次按下S1時(shí)，觸發(fā)器電路邏輯并不會(huì)改變?nèi)匀槐３之?dāng)下狀態(tài)，此時(shí)上拉電阻R12響應(yīng)使MCU獲得一個(gè)低脈沖信號(hào)，MCU識(shí)別后發(fā)送關(guān)機(jī)信號(hào)脈沖給Q2，MOS管Q2接收到信號(hào)導(dǎo)通輸出一個(gè)觸發(fā)脈沖給R-S觸發(fā)器，使其再次處于復(fù)位狀態(tài)，系統(tǒng)關(guān)機(jī).

系統(tǒng)3.3 V電源使用低靜態(tài)功耗，高效率的BUCK(降壓)型DC/DC轉(zhuǎn)換芯片MP2359設(shè)計(jì)，由標(biāo)稱7.2 V電池組降壓到3.3 V電源時(shí)，能夠獲得90%以上的電源效率.

2.3 應(yīng)力-位移測(cè)試電路

+5 V電路使用低靜態(tài)功耗，采用高效率的BUCK型DC/DC轉(zhuǎn)換芯片MP2359設(shè)計(jì)，給位移傳感器供電，同時(shí)它的使能端由MCU控制，只有在使用位移傳感器時(shí)才啟動(dòng)這個(gè)電源，不使用時(shí)保持關(guān)閉狀態(tài)以降低功耗.測(cè)試儀中常用的功能是測(cè)量巖石的應(yīng)力和位移，因此使用一個(gè)八芯的航空接口將兩種傳感器接線頭組裝在一起.測(cè)試儀應(yīng)力-位移測(cè)試電路圖如圖5所示.

圖5 應(yīng)力-位移測(cè)試電路圖

位移傳感器采用容柵式位移傳感器，配給5 V工作電壓和一個(gè)RS232接口，需要將電池電壓降壓使用.系統(tǒng)使用SP3232芯片完成硬件邏輯，MCU提供一路標(biāo)準(zhǔn)串口.在需要使用傳感器時(shí)啟動(dòng)5 V供電.啟動(dòng)串口讀取數(shù)據(jù)即可.采用定時(shí)方式驅(qū)動(dòng)串口中斷讀取數(shù)據(jù)，采樣速率與壓力采樣同步.

壓力傳感器使用HX711芯片采集數(shù)據(jù)，該芯片是一款專為高精度壓力傳感器而設(shè)計(jì)的24位A/D轉(zhuǎn)換器芯片.HX711采用系統(tǒng)3.3 V供電，橋路則采用3.3 V通過TL431穩(wěn)壓至3 V供電，供電電流調(diào)整限流電阻，保證應(yīng)變橋可靠工作(不使用內(nèi)部穩(wěn)壓器).具體的傳感器靈敏度約為2 mV/V，滿量程約6 mV，增益為128.

2.4 巖石結(jié)構(gòu)面摩擦角測(cè)試電路

+10 V電路使用低靜態(tài)功耗，采用高效率的BOOST型DC/DC轉(zhuǎn)換芯片XL6007設(shè)計(jì)，用來給角度傳感器供電，同時(shí)它的使能端由MCU控制，只有在使用角度傳感器時(shí)才啟動(dòng)這個(gè)電源，不使用時(shí)保持關(guān)閉狀態(tài)以降低功耗.

系統(tǒng)中巖石結(jié)構(gòu)面摩擦角測(cè)試模塊是由角度傳感器、減速電機(jī)、激光開關(guān)傳感器組成，三個(gè)傳感器集成在一個(gè)七芯航空插頭上，減少外部連接線.減速電機(jī)控制被測(cè)巖塊處于一定傾斜程度，當(dāng)巖塊滑動(dòng)時(shí)觸發(fā)接近開關(guān)迫使電機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)，傾角傳感器采取此狀態(tài)下的角度，即為巖石滑動(dòng)摩擦角.巖石結(jié)構(gòu)面摩擦角測(cè)試電路圖如圖6所示.

圖6 巖石結(jié)構(gòu)面摩擦角測(cè)試電路圖

傾角傳感器配給10 V供電和一個(gè)RS232接口，系統(tǒng)使用SP3232芯片完成硬件邏輯，MCU提供一路標(biāo)準(zhǔn)串口.采用L9110S芯片，它用于通道推挽功率放大器電路的特殊集成芯片器件，可控制和驅(qū)動(dòng)電機(jī).該芯片有兩個(gè)TTL/CMOS(Transistor-Transistor Logic,晶體管邏輯電路)兼容電平的輸入，具有較好的抗干擾能力，并且兩個(gè)輸出端驅(qū)動(dòng)電機(jī)雙向往復(fù)運(yùn)動(dòng).激光開關(guān)傳感器采用OC(Open Collector,開集極電路)門接線方式，工作電壓也是10 V.

3 系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)對(duì)整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程進(jìn)行精確而靈活的操作、功能按鍵化，可以按實(shí)際要求進(jìn)行精準(zhǔn)測(cè)量、顯示信息、處理并存儲(chǔ)，集成度高，便于操作且可靠[11].整個(gè)巖石力學(xué)參數(shù)及結(jié)構(gòu)面摩擦角的測(cè)量系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了智能化采集數(shù)據(jù)的要求，測(cè)試儀主程序框圖如圖7所示.

圖7 測(cè)試儀測(cè)試系統(tǒng)主程序框圖

測(cè)試設(shè)備開機(jī)準(zhǔn)備使用時(shí)，系統(tǒng)首先會(huì)自動(dòng)測(cè)試電源電量，電量正常則進(jìn)入主界面繼續(xù)工作，若電量不足20%則提示充電.進(jìn)入系統(tǒng)主界面時(shí)，屏幕提示按鍵盤K4進(jìn)行應(yīng)力-位移試驗(yàn)、按K8進(jìn)入巖石摩擦角測(cè)試試驗(yàn)、按K12進(jìn)入SD卡目錄界面等.例如當(dāng)進(jìn)入“應(yīng)力-位移測(cè)試界面”，首先對(duì)兩個(gè)傳感器進(jìn)行校準(zhǔn).壓力傳感器是橋式連接應(yīng)變片，當(dāng)有壓力時(shí)，應(yīng)變片發(fā)生形變，電阻改變導(dǎo)致電壓差改變，在未受力時(shí)，輸出的兩根線理論上來說，電壓應(yīng)該相等，即電壓差為0，但是實(shí)際上一開始就會(huì)有一個(gè)電壓差，所以需要調(diào)用校準(zhǔn)函數(shù)對(duì)其校正.進(jìn)行試驗(yàn)可獲取相關(guān)數(shù)據(jù)，并顯示出變化過程圖像，在此界面操作者可以選擇保存文件至SD卡中或刪除，保存后也可在文件目錄中選擇重新打開文件并顯示巖石崩潰點(diǎn)的數(shù)據(jù)和全過程圖像.當(dāng)選擇測(cè)試巖石結(jié)構(gòu)面摩擦角的測(cè)試功能時(shí)，同樣地，獲得的數(shù)據(jù)進(jìn)行運(yùn)算、存儲(chǔ)，并在液晶屏中顯示，所有數(shù)據(jù)均可通過藍(lán)牙傳輸?shù)健癝MRM電子野簿”APP，上傳數(shù)據(jù)也可在數(shù)據(jù)云平臺(tái)中讀取.

程序編寫中的難點(diǎn)是構(gòu)造文件系統(tǒng)，該文件系統(tǒng)是對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)做全程的數(shù)據(jù)記錄及存儲(chǔ)，并自動(dòng)生成Excel格式文件.可取出SD卡，方便獲取試驗(yàn)源數(shù)據(jù).文件在保存時(shí)，可以自定義文件名，目前僅局限于十位0～9純數(shù)字命名.

4 系統(tǒng)調(diào)試及測(cè)試

4.1 壓力傳感器標(biāo)定

測(cè)試裝置安裝好各部分傳感器后，在進(jìn)行試驗(yàn)之前，先將壓力傳感器進(jìn)行標(biāo)定.傳感器的標(biāo)定，就是為了測(cè)試傳感器的輸出和輸入量的相關(guān)性，并確定不同應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)下的偏差相關(guān)性.壓力傳感器的靜態(tài)數(shù)據(jù)校準(zhǔn)是指給幾個(gè)不同的工作壓力點(diǎn)，獲取壓力傳感器的相對(duì)輸出電壓讀數(shù)，并生成靜態(tài)數(shù)據(jù)校準(zhǔn)曲線.校準(zhǔn)曲線的線性范圍就是壓力傳感器的工作范圍，線性范圍的斜率是傳感器的比例系數(shù).根據(jù)一系列的校準(zhǔn)曲線，可以獲得靜態(tài)特征標(biāo)準(zhǔn)值:離散型、滯后性、重復(fù)性和精度.在標(biāo)定過程中，默認(rèn)MTS815巖石力學(xué)性能試驗(yàn)機(jī)的壓力為標(biāo)準(zhǔn)力，分別對(duì)壓力傳感器施加1 T、3 T、5 T、10 T的力.測(cè)試儀標(biāo)定成功后即可投入使用.

4.2 單軸抗壓強(qiáng)度測(cè)試試驗(yàn)

當(dāng)試件在垂直作用的壓力下，測(cè)得出現(xiàn)壓縮破壞時(shí)，試件單位面積上所承受的荷載力稱為巖石的單軸抗壓強(qiáng)度[12].本試驗(yàn)測(cè)得15組青砂巖單軸抗壓強(qiáng)度數(shù)據(jù)，被測(cè)巖樣規(guī)格為φ20*40 mm圓柱形巖芯.通過數(shù)據(jù)采集處理，單軸抗壓試驗(yàn)應(yīng)力-位移曲線會(huì)顯示在液晶屏上.取其中一組試驗(yàn)數(shù)據(jù)，曲線如圖8所示.為驗(yàn)證峰值數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性，計(jì)算分析巖石單軸抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值與實(shí)測(cè)單軸抗壓強(qiáng)度平均值之間關(guān)系[13-14]，得到統(tǒng)計(jì)修正系數(shù)為0.976 4，符合工程要求.

圖8 單軸抗壓試驗(yàn)應(yīng)力-位移曲線

測(cè)得15組單軸壓縮強(qiáng)度與達(dá)到強(qiáng)度時(shí)位移數(shù)據(jù)，通過MATLAB軟件實(shí)現(xiàn)最小二乘法，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行一階直線擬合，圖中直線為擬合函數(shù)，如圖9所示，數(shù)據(jù)偏差較小，離散度低，達(dá)到試驗(yàn)要求.下文亦采用此方法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合.

圖9 單軸壓縮強(qiáng)度與達(dá)到強(qiáng)度時(shí)位移離散分布圖(15組)

4.3 巖石點(diǎn)荷載測(cè)試試驗(yàn)

點(diǎn)荷載試驗(yàn)是測(cè)試點(diǎn)荷載下巖石、混凝土或其他純天然建筑材料的抗壓強(qiáng)度的簡(jiǎn)單方法.本試驗(yàn)測(cè)試標(biāo)號(hào)為42.5不規(guī)則均質(zhì)水泥塊15組，其規(guī)格為30 mm～55 mm不等的立方體.取其中一組點(diǎn)荷載試驗(yàn)強(qiáng)度試驗(yàn)應(yīng)力-位移曲線如圖10所示，試件的應(yīng)力-位移曲線較為完整，峰值數(shù)據(jù)符合試驗(yàn)要求[15-16].15組點(diǎn)荷載強(qiáng)度與達(dá)到強(qiáng)度時(shí)位移離散分布圖如圖11所示.

圖10 點(diǎn)荷載試驗(yàn)強(qiáng)度試驗(yàn)應(yīng)力-位移曲線

圖11 點(diǎn)荷載強(qiáng)度與達(dá)到強(qiáng)度時(shí)位移離散分布圖(15組)

4.4 巖石結(jié)構(gòu)面摩擦角測(cè)試試驗(yàn)

在地質(zhì)工程勘察中，巖石結(jié)構(gòu)面的特征的調(diào)查是可靠性評(píng)估工作中很重要的一部分.在結(jié)構(gòu)面特征參數(shù)中，結(jié)構(gòu)面摩擦角是最重要的主要參數(shù)之一[17]，其中，結(jié)構(gòu)面殘余摩擦角是指經(jīng)風(fēng)化、水流腐蝕的巖石結(jié)構(gòu)面摩擦角，可野外直接測(cè)得，角度集中在25°～50°.因試驗(yàn)在野外進(jìn)行，測(cè)試的摩擦角即為殘余摩擦角.通過測(cè)試15組花崗巖殘余摩擦角，被測(cè)巖樣規(guī)格為40*50*20 mm，測(cè)試數(shù)據(jù)離散分布圖如圖12所示.

圖12 摩擦角測(cè)試數(shù)據(jù)離散分布圖

殘余摩擦角可以通過Barton and Choubey進(jìn)行估算驗(yàn)證[18-20]，計(jì)算得到花崗巖殘余摩擦角理論值為39.67°，多次實(shí)測(cè)殘余摩擦角均值為43.3°.因選取被測(cè)巖塊表面風(fēng)化程度、粗糙程度不同，實(shí)測(cè)角度值與理論值存在一定的誤差，接近理論值，符合工程要求.

圖12中觀察得出測(cè)試數(shù)據(jù)介于42.9°～43.8°，上下波動(dòng)值小于1°，數(shù)據(jù)擬合后趨于一條平滑直線，測(cè)試儀運(yùn)行較為平穩(wěn).

5 結(jié)論

本文所設(shè)計(jì)的便攜式巖石力學(xué)試驗(yàn)機(jī)測(cè)試儀，分別測(cè)試15組青砂巖、花崗巖、水泥塊進(jìn)行單軸抗壓強(qiáng)度、點(diǎn)荷載強(qiáng)度以及結(jié)構(gòu)面摩擦角試驗(yàn)，整個(gè)試驗(yàn)過程嚴(yán)格按照ISRM推薦方法、《工程巖體試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T50266-2013)、《工程巖體分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T50218-2014)等規(guī)范的要求執(zhí)行.測(cè)試儀經(jīng)過測(cè)試所獲取數(shù)據(jù)通過最小二乘法擬合線性函數(shù)，分析得出的巖石力學(xué)試驗(yàn)值誤差在工程誤差范圍內(nèi)，可見通過現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試不同試件的巖石力學(xué)試驗(yàn)?zāi)軌颢@得標(biāo)準(zhǔn)尺寸的點(diǎn)荷載強(qiáng)度指標(biāo)，滿足工程實(shí)際運(yùn)用的要求.通過分析巖石試驗(yàn)過程曲線圖像表明，測(cè)試設(shè)備所獲得的數(shù)據(jù)可靠，測(cè)試儀運(yùn)行正常、控制較為準(zhǔn)確.從15組試驗(yàn)峰值數(shù)據(jù)離散分布擬合圖可以看出，基本趨于平穩(wěn)，上下波動(dòng)小，離散程度低，滿足試驗(yàn)要求.