鐘自成

（中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司，陜西 西安 710077）

在巖土工程領(lǐng)域，巖體的力學(xué)參數(shù)往往用于評(píng)價(jià)礦山巖體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，而抗剪強(qiáng)度作為一項(xiàng)可靠的并能解決工程實(shí)際問(wèn)題的重要參數(shù)，其精確可靠的獲取方式一直是礦山巖石力學(xué)研究者所關(guān)心的[1]。隨著人為掘進(jìn)和開(kāi)采等活動(dòng)影響，礦山巷道圍巖穩(wěn)定性破壞，致使巖體產(chǎn)生變形、移動(dòng)甚至破壞，而今礦山開(kāi)采規(guī)模、開(kāi)采深度不斷增加，更將造成礦井巷道的地質(zhì)力學(xué)環(huán)境日趨惡劣，地下工程災(zāi)害頻發(fā)，巷道圍巖穩(wěn)定性控制變得尤為困難[2-4]，因此，能夠正確地、合理地評(píng)價(jià)礦山巷道圍巖的穩(wěn)定性可以有效預(yù)防地下工程災(zāi)害的發(fā)生。

目前，在巖土工程領(lǐng)域用于獲取巖體抗剪強(qiáng)度的方法主要有室內(nèi)測(cè)試方法和原位測(cè)試方法。測(cè)定巖體的抗剪強(qiáng)度室內(nèi)試驗(yàn)方法主要有直剪試驗(yàn)、單剪試驗(yàn)、環(huán)剪試驗(yàn)、三軸壓縮試驗(yàn)等[5]。室內(nèi)測(cè)試方法雖然能夠很好地控制排水條件、應(yīng)力和應(yīng)變的加載，但是需要試樣的制備，再加上運(yùn)輸過(guò)程中不可避免受到外界的干擾影響，最終導(dǎo)致進(jìn)行測(cè)試的物理參數(shù)已經(jīng)改變，使得獲取的巖體參數(shù)無(wú)法準(zhǔn)確地表征原始狀態(tài)指標(biāo)[6]。

原位測(cè)試技術(shù)具有可直接測(cè)量原位巖土的工程參數(shù)，不需要鉆孔取樣，減小對(duì)巖土的擾動(dòng)等優(yōu)點(diǎn)[7]，因此在巖土工程勘察領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。為了滿足評(píng)價(jià)礦山巷道圍巖的穩(wěn)定性的需要，迫切需要開(kāi)展礦用原位測(cè)試技術(shù)裝備的研究，實(shí)現(xiàn)能在短時(shí)間內(nèi)基于鉆孔獲得大量試驗(yàn)數(shù)據(jù)，進(jìn)而得到巖體的工程力學(xué)參數(shù)，達(dá)到為巷道工程鉆孔高效利用以及圍巖力學(xué)參數(shù)的確定的目的[8-9]。

基于弓狀結(jié)構(gòu)和楔形刀具侵入巖體特性，自主研制一款新型預(yù)鉆式原位巖體剪切儀，該裝置具有結(jié)構(gòu)小巧、輕便，且移動(dòng)搬遷方便的特點(diǎn)，適用于成孔直徑為75～85 mm 的巖體參數(shù)的測(cè)量，能在短時(shí)間內(nèi)基于鉆孔獲得大量試驗(yàn)數(shù)據(jù)，進(jìn)而得到巖體的工程力學(xué)參數(shù)，為巷道工程鉆孔高效利用以及圍巖力學(xué)參數(shù)的確定提供了新手段。

1 總體結(jié)構(gòu)及試驗(yàn)原理

預(yù)鉆式原位巖體剪切儀[10]由剪切儀、顯示表、手動(dòng)液壓泵、數(shù)據(jù)采集管理裝置及輔助配件等組成。預(yù)鉆式原位巖體剪切儀主要用于原位巖體的抗剪強(qiáng)度的測(cè)量，該試驗(yàn)裝置小巧、輕便，且移動(dòng)搬遷方便，適用于成孔直徑為75～85 mm 的巖體參數(shù)的測(cè)量,能在短時(shí)間內(nèi)基于鉆孔獲得大量試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

根據(jù)原位測(cè)試技術(shù)及巖土工程參數(shù)測(cè)量的需求，剪切儀主要參數(shù)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(yù)鉆式原位巖體剪切儀工作流程示意圖如圖1。

圖1 預(yù)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(jié)合巖土工程中其他常用鉆孔巖體工程特性測(cè)試方法，首先預(yù)鉆式原位巖體剪切儀需要進(jìn)行儀器標(biāo)定，獲取未對(duì)巖體作用時(shí)的載荷與位移曲線圖，然后泄壓恢復(fù)到初始狀態(tài)，其次利用儀器中部油缸加壓方式對(duì)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(guò)外接鉆機(jī)施加起拔力，實(shí)現(xiàn)侵入巖體的楔形刀具對(duì)巖體的直接剪切破壞，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)實(shí)時(shí)采集壓力與位移數(shù)據(jù)，顯示出載荷-位移曲線，最終測(cè)得巖體的抗剪強(qiáng)度。

1.1 剪切儀總體結(jié)構(gòu)

剪切儀主要由剪切裝置、加壓裝置、位移裝置、變徑轉(zhuǎn)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(guò)外接加壓泵為加壓裝置施加壓力，在位移裝置的作用下，實(shí)現(xiàn)剪切裝置上的楔形刀具作用在孔壁巖體上；變徑轉(zhuǎn)接頭可將剪切儀與鉆機(jī)連接，通過(guò)操作鉆機(jī)可實(shí)現(xiàn)剪切儀下放到預(yù)鉆孔內(nèi)，也可對(duì)剪切儀進(jìn)行起拔，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)孔壁巖體的直接剪切破壞，進(jìn)而測(cè)得巖體的工程力學(xué)參數(shù)。

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(shí)起到保護(hù)作用；緊箍共計(jì)2 個(gè)，主要箍住各個(gè)彈性剪切片，并且在剪切儀工作時(shí)，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(yù)鉆孔壁巖體上，為后續(xù)獲取巖體的抗剪強(qiáng)度奠定基礎(chǔ)；每個(gè)彈性片上焊接有2 個(gè)楔形刀具，楔形刀具通過(guò)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(zhuǎn)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(shí)現(xiàn)楔形刀具對(duì)原位巖體的作用。缸體上開(kāi)有小槽，可將彈性片上布置的應(yīng)變片上的數(shù)據(jù)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?；瑝K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(dòng)滑軌移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)滑塊在滑軌的導(dǎo)向槽運(yùn)動(dòng)，導(dǎo)向槽設(shè)計(jì)為一上升的斜面，因此滑塊推動(dòng)彈性片外張呈弓狀，實(shí)現(xiàn)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(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要由位移傳感器、顯示表及數(shù)據(jù)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(shí)時(shí)測(cè)得活塞的位移值，通過(guò)轉(zhuǎn)化即可計(jì)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(shù)值，同時(shí)兼有為位移傳感器供電，以及信號(hào)傳輸功能；數(shù)據(jù)采集管理軟件通過(guò)計(jì)算機(jī)串行口采集儀表測(cè)量數(shù)據(jù)并實(shí)時(shí)顯示、存儲(chǔ)，對(duì)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)進(jìn)行曲線分析、曲線打印、趨勢(shì)瀏覽、報(bào)表生成、報(bào)表編輯、報(bào)表打印、轉(zhuǎn)化生成TXT、EXCEL 文件等。

2 關(guān)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(nèi)的強(qiáng)度高低決定了剪切儀的使用壽命，也關(guān)系到剪切儀使用能力。

彈性片采用65Mn 材料，因此密度設(shè)置為7 820 kg/m3，彈性模量和泊松比分別設(shè)置為211 GPa 和0.288；選用Quad 單元為主類型和S4R 線性殼單元進(jìn)行網(wǎng)格劃分[12]，并將彈性片與緊箍連接處設(shè)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(tài)下應(yīng)力云圖如圖6，彈性片極限狀態(tài)下應(yīng)變?cè)茍D如圖7。

圖6 彈性片極限狀態(tài)下應(yīng)力云圖Fig.6 Stress diagram of elastic sheet in the limit state

圖7 彈性片極限狀態(tài)下應(yīng)變?cè)茍DFig.7 Strain diagram of elastic sheet in the limit state

由彈性片應(yīng)力云圖可知，彈性片最大應(yīng)力為493.5 MPa。由65Mn 彈簧鋼力學(xué)性能可知，其屈服強(qiáng)度為520～690 MPa，因此彈性片有限元分析得出的最大應(yīng)力值小于屈服強(qiáng)度最小值，且整體受力良好。由彈性片應(yīng)變?cè)茍D可知，最大應(yīng)變?yōu)?.405 mm。仿真結(jié)果表明，彈性片的設(shè)計(jì)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(qiáng)，因此在設(shè)計(jì)要求最大承壓能力40 MPa 極限狀態(tài)下，對(duì)缸體進(jìn)行靜力學(xué)分析。

缸體采用Q345 材料，因此密度設(shè)置為7 850 kg/m3，彈性模量和泊松比分別設(shè)置為206 GPa 和0.28；選用Tet 單元類型和C3D4 線性四面體單元進(jìn)行網(wǎng)格劃分[13]，將缸體中腔最大承壓設(shè)定為40 MPa。缸體應(yīng)力云圖如圖8，缸體應(yīng)變?cè)茍D如圖9。

圖8 缸體應(yīng)力云圖Fig.8 Stress chart of cylinder block

圖9 缸體應(yīng)變?cè)茍DFig.9 Strain chart of cylinder block

由缸體應(yīng)力云圖可知，其整體受力良好，最大應(yīng)力為199.9 MPa，遠(yuǎn)小于Q345 材料的屈服強(qiáng)度。由缸體應(yīng)變?cè)茍D可知，最大應(yīng)變?yōu)?.015 mm，最大應(yīng)力和最大應(yīng)變均出現(xiàn)在螺栓的安裝孔處，仿真結(jié)果表明，應(yīng)力、應(yīng)變均滿足40 MPa 承壓能力的設(shè)計(jì)要求。

3 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

為確定剪切儀測(cè)試應(yīng)用時(shí)彈性片結(jié)構(gòu)呈弓形張開(kāi)所需的載荷大小，因此在使用前必須進(jìn)行儀器標(biāo)定試驗(yàn)。將剪切儀豎立，并塞入直徑大于85 mm，深度適中的孔內(nèi)；通過(guò)手動(dòng)液壓泵向剪切儀施加壓力，由外接壓力表查看相應(yīng)的壓力值；通過(guò)采集軟件得出時(shí)間與位移的動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)曲線，最終測(cè)得的壓力-位移關(guān)系曲線，即為儀器標(biāo)定曲線，標(biāo)定試驗(yàn)曲線如圖10。

圖10 標(biāo)定試驗(yàn)曲線Fig.10 Calibration test curves

由標(biāo)定試驗(yàn)曲線可知，剪切儀加壓張開(kāi)有效，壓力大于4.3 MPa 時(shí)，剪切儀徑向位移趨于穩(wěn)定，即此時(shí)彈性片完全張開(kāi)處于穩(wěn)定階段，為侵入巖體所需的壓力預(yù)留較多，能夠很好的滿足侵入巖體試驗(yàn)。

新型預(yù)鉆式原位巖體剪切儀在澆筑的混凝土平臺(tái)上進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，通過(guò)操作鉆機(jī)鉆直徑75 mm 左右鉆孔，孔深600 mm，將儀器下放到孔內(nèi)最下端楔形刀具距離平臺(tái)130 mm 深處，通過(guò)手動(dòng)液壓泵加壓，實(shí)現(xiàn)帶有楔形刀具的彈性片侵入巖體；隨后用鋼絲繩將動(dòng)力頭和儀器轉(zhuǎn)接頭連接，通過(guò)操作鉆機(jī)給進(jìn)起拔手柄將剪切儀拉出孔內(nèi)，實(shí)現(xiàn)孔壁巖體的直接剪切破壞。

預(yù)鉆式原位巖體剪切試驗(yàn)完后，觀察孔壁被直接剪切破壞，而且剪切儀刀頭整體結(jié)構(gòu)良好，原位測(cè)試效果較好。

4 結(jié) 語(yǔ)

自主研制的新型預(yù)鉆式原位巖體剪切儀適用于通過(guò)鉆孔獲取大量試驗(yàn)數(shù)據(jù)，進(jìn)而得到原位巖體的工程力學(xué)參數(shù)，滿足巷道工程鉆孔高效利用以及圍巖力學(xué)參數(shù)確定的需要。剪切儀體積小、結(jié)構(gòu)安全可靠，剪切儀的關(guān)鍵部件仿真結(jié)果表明，關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)合理，滿足設(shè)計(jì)要求；剪切儀加壓張開(kāi)有效，完全張開(kāi)所需壓力適中，能夠很好的滿足侵入試驗(yàn)，且整體強(qiáng)度較好，同時(shí)能夠承受足夠的起拔力，滿足后續(xù)的剪切試驗(yàn)需求；預(yù)鉆式原位巖體剪切儀可以有效地獲取預(yù)鉆孔壁巖體工程參數(shù)，為巷道工程鉆孔高效利用以及圍巖力學(xué)參數(shù)的確定提供了新手段。