(19)国家知识产权局 (12)发明 专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请 号 202210799647.X (22)申请日 2022.07.06 (71)申请人 中国科学院武汉岩土力学研究所 地址 430071 湖北省武汉市武昌区水果湖 街小洪山2号 (72)发明人 江权　陈朋飞　冯夏庭　刘建坡　 赵贺蕊　汪昕　辛杰　 (74)专利代理 机构 北京方圆嘉 禾知识产权代理 有限公司 1 1385 专利代理师 刘璐璐 (51)Int.Cl. G01N 3/12(2006.01) G01N 3/02(2006.01) G01N 1/32(2006.01) (54)发明名称 原位岩体模量测量系统与方法 (57)摘要 本发明公开一种原位岩体模量测量系统与 方法， 包括控制器、 伸缩 杆和保护筒， 伸缩 杆与保 护筒固定连接， 保护筒内上下两端均设有孔内支 撑结构， 保护筒内固定连接有基座， 基座上滑动 连接有送进滑板， 送进滑板由送进气缸驱动， 送 进滑板上设有直角传动转向器、 驱动电机和磨削 气缸， 直角传动转向器与驱动电机传动连接， 直 角传动转向器的输出轴沿水平方向设置且两端 均连接有磨削压头， 直角传动转向器由磨削气缸 驱动以水平平移， 并带动磨削压头通过第二通孔 向外磨削孔壁， 送进滑板上固定设有液压油缸， 液压油缸两端的液压杆顶端均设有一个测量压 头， 液压油缸的缸体上设有位移传感器。 本发明 简化测量装置， 提高测量精度， 扩大适用范围， 降 低造价成本 。 权利要求书3页 说明书7页 附图3页 CN 115184171 A 2022.10.14 CN 115184171 A 1.一种原位岩体模量测量系统， 其特征在于： 包括控制器、 伸缩杆和保护筒， 所述伸缩 杆下端与所述保护筒上端固定连接， 所述保护筒内上下两端均设有孔内支撑结构， 所述孔 内支撑结构能够通过所述保护筒 上的第一通孔向外 打开支撑于孔壁上， 所述保护筒内固定 连接有基座， 所述基座上沿竖向滑动连接有送进滑板， 所述送进滑板由安装于所述基座上 的送进气缸驱动上下滑动， 所述送进滑板上设有直角传动转向器、 驱动电机和磨削气缸， 所 述直角传动转向器的输入轴与所述驱动电机输出轴传动连接， 所述直角传动转向器的输出 轴沿水平方向设置且两端均连接有一个磨削压头， 所述直角传动转向器由所述磨削气缸驱 动以水平平移， 并带动所述磨削压头通过所述保护筒上 的第二通孔向外磨削孔壁， 所述送 进滑板上固定设有液压油缸， 所述液压油缸两端分别设有一个液压杆， 两个所述液压杆沿 水平方向伸缩设置， 两个所述液压杆的顶端均设有一个测 量压头， 所述液压油缸 的缸体上 设有用于检测两个所述测量压头相对位移的位移传感器， 所述测量压头能够通过所述第二 通孔对孔壁磨平面进行挤压， 所述驱动电机和所述位移传感器均与所述控制器电连接， 所 述孔内支撑结构、 所述送进气缸、 所述磨削气缸和所述液压油缸均由所述控制器控制。 2.根据权利要求1所述的原位岩体模量测量系统， 其特征在于： 所述直角传动转向器两 端分别固定连接在第一平移板和 第二平移板上， 所述第一平移板和所述第二平移板 分别与 直线轴承座光轴的两端固定连接， 所述直线轴承座光轴沿水平方向滑动连接在固定于所述 送进滑板上 的直线轴承座上， 所述磨削气缸两端设有两个独立工作的磨削活塞杆， 两个所 述磨削活塞杆沿水平方向伸缩设置， 两个所述磨削活塞杆的顶端分别与所述第一平移板和 所述第二平 移板固定连接 。 3.根据权利要求1所述的原位岩体模量测量系统， 其特征在于： 所述孔内支撑结构包括 撑紧气缸、 通过连杆连接的第一圆盘和第二圆盘、 L形撑紧爪和双锥形体， 所述双锥形体为 两个锥体尖端对接连接而成， 所述撑紧气缸一端通过固定圆盘固定在所述保护筒内， 所述 撑紧气缸另一端与所述第一圆盘固定连接， 所述撑紧气缸的活塞杆穿过所述第一圆盘连接 位于所述第一圆盘和所述第二圆盘之 间的所述双锥形体， 所述第一圆盘朝向所述第二圆盘 的一面上沿周向设有多个固定杆， 各所述固定杆顶端均转动连接一个所述L形撑紧爪且所 述固定杆与所述L形撑紧爪的拐角处转动连接， 所述L形撑紧爪的一个直角边设置于所述双 锥形体的两个锥面之间， 所述撑紧气缸 的活塞杆的伸缩能够带动各所述L形撑紧爪转动以 打开支撑 于孔壁上或收缩于所述保护筒内， 所述撑紧气缸由所述控制器控制。 4.根据权利要求1所述的原位岩体模量测量系统， 其特征在于： 所述驱动电机 固定连接 在所述送进滑板上， 所述驱动电机输出轴与所述直角传动转向器的输入轴通过万向传动节 传动连接 。 5.根据权利要求1所述的原位岩体模量测量系统， 其特征在于： 所述控制器包括输入器 和显示器， 所述显示器用于显示气压参数信息、 油压参数信息及所述测 量压头的位移参数 信息。 6.根据权利要求1所述的原位岩体模量测量系统， 其特征在于： 所述位移传感器外设有 密封盖， 所述密封盖通过螺栓固定在所述液压油缸 的缸体上， 所述密封盖与所述液压油缸 的缸体之间使用密封圈密封 。 7.根据权利要求2所述的原位岩体模量测量系统， 其特征在于： 所述磨削气缸两端均设 有一个复位弹簧， 两个所述复位弹簧一端均固定在所述磨削气缸 的缸体上， 另一端分别固权　利　要　求　书 1/3 页 2 CN 115184171 A 2定在所述第一平移板和所述第二平移板上， 在所述磨削压头磨平孔壁 曲面后， 所述磨削气 缸卸压至中位依靠所述复位弹簧的回弹力能够使所述磨削压 头复位到初始状态。 8.根据权利要求1所述的原位岩体模量测量系统， 其特征在于： 所述测量压头为刚性 圆 形测量压 头， 所述测量压 头能够与孔 壁磨平面吻合。 9.根据权利要求3所述的原位岩体模量测量系统， 其特征在于： 所述保护筒顶端设有总 线路孔， 所述保护筒外设有气泵、 液压泵、 气缸电磁阀和液压电磁阀， 所述气缸电磁阀和所 述液压电磁阀均与所述控制器电连接， 所述气泵通过所述气缸电磁阀分别连接所述送进气 缸、 所述磨削气缸和所述撑紧气缸， 所述液压泵通过所述液压电磁阀连接所述液压油缸， 所 述气缸电磁阀连接所述送进气缸、 所述磨削气缸和所述撑紧气缸的气路管线通过所述总线 路孔由筒外伸入筒内， 所述液压电磁阀连接所述液压油缸的液压管线通过所述总线路孔由 筒外伸入筒内， 所述控制器连接所述驱动电机和所述位移传感器的线路通过所述总线路孔 由筒外伸入筒内。 10.一种原位岩体模量测量方法， 其特征在于： 采用权利要求1～9中任意一项所述的原 位岩体模量测量系统进行测量， 包括以下步骤： S1： 通过所述伸缩杆将所述保护筒送到钻孔内指定位置， 打开所述孔内支撑结构， 将所 述保护筒固定在指定位置； S2： 启动所述驱动电机， 通过所述磨削气缸带动所述磨削压头在钻孔两侧磨平孔壁， 获 得2个以钻孔轴线为对称线且相互平行的圆形平 面， 2个圆形平面之 间的垂直距离大于钻孔 直径， 之后， 停止所述驱动电机， 将所述磨削压 头复位到初始状态； S3： 由所述控制器控制所述送进滑板移动， 将所述测量压头对准圆形平面， 通过所述液 压油缸控制两侧的所述测量压头同时伸出， 两侧的所述测量压头施加至圆形平面的压力相 同， 所述测量压头与圆形平面完全耦合后， 开始缓慢加压至P1， 所述位移传感器记录P1作用 下两个圆形平 面的和位移 L1， 然后继续加压至P2， 所述位移传感器记录P2作用下两个圆形平 面的和位移L2； S4： 将所述测量压 头复位， 将所述送进滑板复位到初始状态； S5： 旋转所述保护筒一定角度到另一目标位置， 重复步骤S2 ～S4； S6： 根据式(1)计算得到所述测量压 头接触面上的应力差 Δσ： 式中： D——液压油缸的内径； d——测量压 头直径； P1——两个圆形平面的和位移为 L1时液压油的加载压强； P2——两个圆形平面的和位移为 L2时液压油的加载压强； 根据式(2)计算得到 两个圆形平面在P1和P2时的和位移的位移差： ΔL＝L2‑L1 (2) 式中： L1——P1作用下两个圆形平面的和位移； L2——P2作用下两个圆形平面的和位移； 根据式(3)计算得到岩体弹性模量：权　利　要　求　书 2/3 页 3 CN 115184171 A 3