[发明专利]一种弱胶结软岩空心圆柱试样制样装置及制备方法

说明书

本发明属于岩石工程领域，公开了一种弱胶结软岩空心圆柱试样制样装置及制备方法，所述装置包括：中空螺旋钻、外套筒、机架、通气连轴、密封套和低温气泵。所述中空螺旋钻包括内凸台、螺旋叶、空心筒和切削齿，转动过程中，钻杆上的螺旋叶将岩样产生的碎屑逐步向上输送；所述外套筒包括外凸台、钻身和钻齿，内凸台与外凸台用滚珠连接，实现了外套筒与中空螺旋钻同轴转动；所述通气连轴的一端活动连接外套筒，中部设置密封套；外套筒下方设置钻齿，外套筒与中空螺旋钻轴中心重合。所述低温气泵与中空螺旋钻相连，通过进气孔向装置注入低温空气，形成稳定内外气压差进行护壁，同时又可冷却钻齿。本发明提供的一种弱胶结软岩空心圆柱试样制样装置及制备方法可提高软岩试件的制样成功率和钻进效率，减小试样的扰动，操作简便。

技术领域

本发明涉及室内岩石力学试验装置，具体涉及一种弱胶结软岩空心圆柱试样制样装置及制备方法，属于岩土工程测试技术领域。

背景技术

弱胶结软岩是我国西部白垩系和侏罗系地层中广泛存在的一类具有强度低、易风化、胶结性差、遇水易泥化、崩解等特点的特殊软岩。随着“一带一路”倡议的提出，我国西部弱胶结软岩地区交通、水利和矿山建设工程日益增加，对软弱岩体力学性能研究提出了更高的要求。施工扰动引起围岩应力场的重新调整过程将改变岩体原有的应力状态和应力路径，影响围岩力学响应、裂隙扩展方向和扩展深度，甚至产生裂缝贯穿进而引发地下硐室失稳、基坑失效和滑坡等工程灾害。因此，深入研究复杂应力状态下弱胶结软岩力学响应及本构关系，正确认识岩体工程中存在的主应力轴旋转问题及其对工程稳定性的影响是提高设计可靠性，保证施工安全的基础，也是安全高效开展相关工程建设的关键，对于认识和治理岩体开挖扰动诱发的工程灾害具有重要意义。

目前，可实现复杂应力路径的岩土室内试验装置主要为空心圆柱扭剪设备，先后有GDS SSHCA，GCTS HCA和中科院武汉岩土所研制的岩石空心扭剪试验设备。上述设备均采用空心圆柱试样作为研究对象，通过独立控制內围压、外围压、轴力和扭矩实现复杂应力路径加载。因土体强度较低且具有较好的粘结结构，易于原状切削或者重塑且可保持试样端面及内、外壁的光滑和完整；硬岩具有较好的强度不易破坏，可以采用同轴但不同直径的空心钻头直接钻取即可。但弱胶结软岩空心圆柱试样制取则存在着困难，其一，弱胶结软岩遇水易泥化、崩解，因此采用传统水钻的方法极易造成试件的破损；其二，弱胶结软岩强度要高于土体且结构脆性也远大于土体，若采用先切削外壁，然后采用螺旋钻头从土样底部即从下而上切削取芯的方法极易造成内壁的破损，甚至在内壁切削过程中产生的裂纹会扩展至试样外壁造成整个弱胶结软岩空心试样的破坏。对于硬岩空心岩样制备方法通常是在大的岩样上先钻取实心圆柱，再在所述实心圆柱上钻取空心芯，这种方法在很大程度上导致了两个过程的误差累积，严重影响试样质量同时进一步劣化了试样质量。因此如何制取符合试验要求的空心圆柱试样，特别是如何在尽量减小扰动情况下将弱胶结软岩制成满足扭剪试验要求的空心圆柱试样十分必要。

发明内容

本发明提供一种弱胶结软岩空心圆柱试样制样装置及制备方法，解决了现有技术中弱胶结软岩空心圆柱试样制备困难、误差大和质量劣化的技术问题，适用于制备可用于复杂应力路径试验的弱胶结软岩空心圆柱试样。

为解决上述技术问题，本发明提供了一种弱胶结软岩空心圆柱试样制样装置及制备方法。

所述弱胶结软岩空心圆柱试样制样装置包括：中空螺旋钻、外套筒、机架、通气连轴、密封套、和低温气泵，所述中空螺旋钻包括内凸台、螺旋叶、空心筒和切削齿；所述外套筒包括外凸台、钻身和钻齿；所述通气连轴分为粗轴段和细轴段，通气连轴细轴段活动连接外套筒；所述通气连轴中部设置密封套；所述内凸台与外凸台用滚珠连接。

进一步，所述中空螺旋钻包括顶部设置内凸台，中部设置螺旋叶、空心筒，底部设置切削齿，螺旋叶沿空心筒外壁均匀分布，切削齿的切削表面区域呈比例，切削齿尖端设置两个对应排气孔方便低温气体排出，所述切削齿能够增加钻进能力、稳定性和导向能力。