岩体旋切式触探机理与现场力学参数快速测试研究

To obtain the mechanical parameters of rock mass quickly and precisely is essential to solve the problem of rock mass stability and design the supporting system in construction site. In order to plan to create a kind of fast, reliable, simple field test theory and method for mechanical parameters of rock mass, to replace the existing of the expensive and time-consuming to field test method for mechanical parameters of rock mass, so the mechanism of the rotary cutting penetration is deeply studied in this project which is based on the outdoor rotary cutting penetrometer which has be been developed by this team. Then we researched the relationships between penetration parameters (axial force, torsional moment, drilling rate and rotating speed) and rock mass mechanics parameters (elastic modulus, Poisson's ratio,cohesive force, internal frictional angle, tensile strength and compressive strength) in the process of the rotary cutting penetration. Based on this study, we will present theory and methods of the Site Rotary Cutting Penetrometer which also will be test at project site and then build a perfect test method and the technical system. Lastly, we will write a using procedures for this equipment. The procedures are applied into the design and construction of rock engineering.

准确快速获取现场岩体力学参数是解决岩体稳定分析与评价、岩体工程加固研究与设计的基础。本项目拟创建一种快速、可靠、简便的现场岩体力学参数测试理论与方法，以取代现有的昂贵又费时费力的现场岩体力学参数测试方法。以申请人刚研发成功的现场岩体旋切式动力触探仪为平台，对岩体旋切探入的触探机理与影响因素进行深入研究，建立旋切过程中触探参数（轴力、扭矩、钻速、转速）与岩体力学参数（弹性模量、泊松比、粘聚力、内摩擦角、抗拉强度、抗压强度）之间的内在关系，同时考虑现场岩层特性、岩体地应力、岩体构造特性、钻头型式等不同作用机理与影响规律，进而提出并建立岩体现场旋切式触探理论与方法，并在工程现场应用、调试，形成一套完备测试方法与技术体系，并编制相应的使用规程，推广应用于广阔的岩体工程设计与施工中。

准确快速获取现场岩体力学参数是解决岩体稳定分析与评价、岩体工程加固研究与设计的基础。本项目基于自主研制的旋切触探仪，创建了一种快速、可靠、简便的现场岩体力学参数测试理论与方法，以取代现有的昂贵又费时费力的现场岩体力学参数测试方法。主要结论如下：.（1）建立了岩石力学参数和不同钻头（角片钻、麻花钻、取芯钻）的运行参数、响应参数之间的理论关系；建立岩体力学参数的预测模型，获得基于旋切触探技术确定岩石力学参数（弹性模量、抗压强度、粘聚力与内摩擦角）理论公式。.（2）定义了旋切破碎带的概念，提出了抗切削强度指标和抗切削强度的定义。推导提出了旋切强度的理论表达式，及旋切厚度、抗切削强度指标和旋切强度与钻速和转速的数学模型。建立了旋切强度与岩石力学参数之间的理论模型。根据摩尔库伦强度准则和D-P强度准则，提出了旋切钻进准则及最优钻进曲线，并通过现场测试验证其可靠性。.（3）设计了大型整体机动性XCY-1及便携式XCY-2旋切触探仪系统，实现了岩体力学参数触探仪的四个参数相互之间的互不干扰测试；实现了岩体力学参数触探仪荷载控制和钻速控制两种控制模式互不干扰控制。.（4）基于《工程岩体分级标准》规范，建立岩石级别智能识别模块、岩体基本力学参数智能识别模块、岩体结构面智能识别模块、岩体质量等级识别模块，基于这四个模块，开发了基于旋切触探技术快速智能集成系统，实现旋切触探技术现场快速获取岩石力学参数的智能方法。.（5）将研发旋切触探仪应用于二类围岩的引汉济渭三河口水利枢纽工程，三类围岩的引汉济渭黄三交通洞，四类围岩的引汉济渭岭北输水隧洞工程等岩体工程，并基于旋切触探技术快速智能集成系统，实现旋切触探技术现场快速获取岩石力学参数，通过工程实例，验证了技术的可靠性。