一种预钻式旁压仪、自钻式旁压仪及自钻式旁压设备

摘要

本发明提供一种预钻式旁压仪、自钻式旁压仪及自钻式旁压设备，该预钻式旁压仪包括试验装置、控制装置和输油管，试验装置包括主体筒、弹性膜、压力传感器和位移传感器，控制装置包括油箱、油泵、应变控制器和数据分析器；自钻式旁压仪包括试验装置、控制装置和输油管，试验装置包括外层套筒、内层套筒、钻头、弹性膜、压力传感器、位移传感器、透水石和孔隙水压力传感器，控制装置包括油箱、油泵、应变控制器和数据分析器；自钻式旁压设备包括自钻式旁压仪、钻进装置、水循环装置和动力装置。本发明控制弹性膜稳定发生膨胀，可避免弹性膜因膨胀不均导致的破裂现象，确保试验数据连续且准确，采用液压油作为膨胀介质，可保护内部电路结构不被腐蚀。

说明书

技术领域

本发明涉及土工勘察技术领域，具体地，涉及一种预钻式旁压仪、自钻式旁压仪及自 钻式旁压设备。

背景技术

旁压试验是利用安装在旁压仪上的弹性膜在土中的膨胀对周围的土体施加均匀压力， 分析所记录的压力与土体变形量的关系推算出土体的强度、变形模量等土体力学性质及多 种岩土工程参数的一种原位测试方法。

旁压仪是开展旁压试验的主要试验设备。原始旁压仪使用水作为介质，将水压入旁压 仪后使弹性膜膨胀从而对土体施加压力，所施加的压力由压力泵记录，基于假设弹性膜以 圆柱体形态膨胀，土体变形量可由压入水的体积代表，但是由于原始旁压仪内部没有任何 测量装置，很难精确测量压入水的体积，而且膨胀膜在实际操作过程中并非均匀膨胀，由 水的体积换算膨胀量的方法不能精确测量某一特定位置土的位移，因此原始旁压仪的准确 性较低。现代旁压仪是在旁压仪内部安装压力及位移传感器，从而能够精确记录对土体施 加的压力及土体的变形量，所测量及推导得到的岩土工程参数更精确可信；由于现代旁压 仪的内部都安装有传感器及附属电路结构，所以目前主流旁压仪普遍使用压缩空气或其他 气体而非水作为弹性膜的膨胀介质，即向旁压仪中压入气体从而使弹性膜膨胀。

随着近年来海底水下工程（如海底隧道，桥梁基础，海上风力发电等）及垃圾填埋场 改造项目的增多，岩土勘察人员经常需要在如岩石地区、垃圾填埋场或海底进行旁压试验， 复杂的土层及杂物会经常刺穿弹性膜，由于目前主流旁压仪大多使用气体作为膨胀介质， 在弹性膜被刺穿后，气体迅速排空从而导致旁压试验被迫终止，导致整个旁压试验失败。 同时海水、垃圾渗滤液或其它腐蚀性液体会从弹性膜穿孔部分进入旁压仪内部，从而破坏 或腐蚀内部电路。旁压仪经常性损坏，不但使得旁压仪维修成本升高，严重时更使得工程 勘察项目延迟。

此外，目前主流旁压仪多使用手动方法控制气体进入旁压仪，也就说通过观测旁压仪 的实时测量数据来判断是否需要增加进气量或减少进气量，这样做的缺点是在试验过程中 增加了人为影响因素，使试验获得的土体所受压力-土体形变量曲线不平滑，从而导致随后 的数据分析产生误差。由于旁压仪被置于地面下较深的位置，当在地面上打开阀门使气体 进入旁压仪后，需要经过一段时间，才可以通过实时数据观测到旁压仪内部压力和体积的 变化，对于不熟悉实验操作的人员，很容易误认为气体进入量不够，而增加进气量，当观 测到旁压仪内部压力突然增加后，又马上减小或关闭阀门，这样就会导致试验曲线过于离 散，而不能进行随后的分析，另外旁压仪内部的压力突然增加或减小，也容易导致弹性膜 破裂，从而使得旁压试验完全失败。

综上所述，虽然现代旁压仪能够精确测量施加给土体的压力和土体的变形量，但是采 用气体作为膨胀介质和采用手动控制进入旁压仪的膨胀介质量的方式却给现代旁压仪的 使用带来了很大限制。

发明内容

本发明实施例的主要目的在于提供一种预钻式旁压仪、自钻式旁压仪及自钻式旁压设 备，以解决现有旁压试验技术中采用气体作为膨胀介质易导致腐蚀性液体进入旁压仪，以 及使用手动方法控制进入旁压仪的膨胀介质量容易导致旁压试验质量差及易失败的缺陷。

为了实现上述目的，本发明实施例提供一种预钻式旁压仪，包括：试验装置、控制装 置和输油管；试验装置具体包括主体筒、弹性膜、压力传感器和位移传感器；控制装置具 体包括油箱、油泵、应变控制器和数据分析器；其中，

所述油泵分别连接输油管和油箱，用于通过输油管输出所述油箱中的液压油或将液压 油回收到油箱中；

所述输油管的一端连接油泵，另一端连接所述主体筒，用于向主体筒内部输入液压油， 或回收主体筒内部的液压油；

所述主体筒的筒壁上设有第一通孔；

所述弹性膜套设于所述主体筒外部，与主体筒的筒壁形成一封闭空间，该封闭空间通 过所述第一通孔与主体筒内部连通；当输油管向主体筒内部输入的液压油通过第一通孔充 入所述封闭空间时，该弹性膜膨胀，当输油管回收主体筒内部的液压油且所述封闭空间的 液压油通过第一通孔排出时，该弹性膜收缩，该弹性膜通过膨胀和收缩对被测土体施加压 力；

所述压力传感器固定装设于所述封闭空间内，用于测量所述封闭空间内的液压油压 强；

所述位移传感器固定装设于所述封闭空间内且与弹性膜内表面接触，用于测量所述弹 性膜的形变量；

所述应变控制器分别连接压力传感器、位移传感器和油泵，用于获取压力传感器和位 移传感器的测量结果，并根据所述测量结果控制油泵输出和回收液压油；

所述数据分析器连接应变控制器，用于获取并记录压力传感器和位移传感器的测量结 果，根据压力传感器的测量结果确定所述弹性膜施加给被测土体的压力大小，根据位移传 感器的测量结果确定被测土体的土体形变量，分析被测土体的形变量与所受压力大小之间 的关系。

优选的，所述预钻式旁压仪中，所述油箱内存储的液压油为可生物降解液压油。

优选的，所述预钻式旁压仪中，所述油泵包括出油阀门和回油阀门；所述输油管包括 输出油管和回收油管；所述预钻式旁压仪还包括数据线；

所述输出油管的一端连接出油阀门，另一端连接所述主体筒，所述油泵通过出油阀门 和输出油管将液压油输入到所述主体筒内部；

所述回收油管一端连接回油阀门，另一端连接所述主体筒，所述油泵通过回油阀门和 回收油管回收所述主体筒内部的液压油；

所述数据线穿设于所述输出油管和主体筒内部，并穿过所述第一通孔，其一端连接所 述应变控制器，另一端分别连接所述压力传感器和位移传感器，用于将压力传感器和位移 传感器的测量结果传输给所述应变控制器。

优选的，所述预钻式旁压仪中，所述试验装置具体还包括：器件仓、上卡圈、下卡圈； 其中，

所述器件仓为筒状结构，固定套设于主体筒外部，与主体筒的筒壁形成第一封闭空间， 器件仓的两端分别与上卡圈和下卡圈固定连接，器件仓的筒壁上设置有第二通孔，所述第 一封闭空间通过所述第一通孔与主体筒内部连通；

所述弹性膜套设于所述器件仓外部，与器件仓的筒壁形成第二封闭空间，弹性膜的两 端分别固定于器件仓与上卡圈和下卡圈的连接处，所述第一封闭空间与第二封闭空间通过 第二通孔连通并共同组成所述封闭空间；

所述压力传感器固定装设于所述第一封闭空间内；

所述位移传感器固定装设于所述第一封闭空间内，并穿过所述第二通孔伸入第二封闭 空间内与弹性膜内表面接触；

当输油管向主体筒内部输入的液压油通过第一通孔充入所述第一封闭空间，并通过所 述第二通孔充入第二封闭空间时，所述弹性膜膨胀；当输油管回收主体筒内部的液压油， 所述第二封闭空间的液压油通过第二通孔排出至第一封闭空间，再由第一封闭空间排出至 主体筒内部时，所述弹性膜收缩。

优选的，所述预钻式旁压仪中，所述试验装置还包括弹性膜保护套、上固定环和下固 定环；其中，

所述上固定环与所述上卡圈固定连接；

所述下固定环与所述下卡圈固定连接；

所述弹性膜保护套为笼状结构，套设于所述弹性膜外部，其两端分别固定于上固定环 与上卡圈和下固定环与下卡圈的连接处，用于保护弹性膜。

一种自钻式旁压仪，包括：试验装置、控制装置和输油管；试验装置具体包括外层套 筒、内层套筒、钻头、弹性膜、压力传感器、位移传感器、透水石和孔隙水压力传感器； 控制装置具体包括油箱、油泵、应变控制器和数据分析器；其中，

所述外层套筒的内径大于内层套筒的外径，套设于内层套筒外部；

所述钻头固定连接内层套筒的下端，用于在内层套筒的带动下旋转钻进；

所述弹性膜套设于外层套筒外部，与外层套筒的筒壁形成一封闭空间，该弹性膜在所 述封闭空间内充入液压油时膨胀，排出所述封闭空间的液压油时收缩，通过膨胀和收缩对 被测土体施加压力；

所述油泵分别连接输油管和油箱，用于通过输油管输出所述油箱中的液压油或将液压 油回收到油箱中；

所述输油管的一端连接油泵，另一端伸入所述封闭空间内；

所述压力传感器固定装设于所述封闭空间内，用于测量所述封闭空间内的液压油压 强；

所述位移传感器固定装设于所述封闭空间内且与弹性膜内表面接触，用于测量所述弹 性膜的形变量；

所述孔隙水压力传感器固定装设于所述封闭空间内；所述透水石穿过所述弹性膜且与 弹性膜表面密闭连接，其一端与被测土体接触，另一端与所述孔隙水压力传感器连通；所 述孔隙水压力传感器用于测量通过所述透水石渗透的被测土体孔隙水的压强；

所述应变控制器分别连接压力传感器、位移传感器、孔隙水压力传感器和油泵，用于 获取压力传感器、位移传感器和孔隙水压力传感器的测量结果，并根据所述测量结果控制 油泵输出和回收液压油；

所述数据分析器连接应变控制器，用于获取并记录压力传感器、位移传感器和孔隙水 压力传感器的测量结果，根据压力传感器和孔隙水压力传感器的测量结果确定所述弹性膜 施加给被测土体的压力大小，根据位移传感器的测量结果确定被测土体的土体形变量，分 析被测土体的形变量与所受压力大小之间的关系；

使用时，所述试验装置置于钻孔中，所述控制装置置于所述钻孔之外；所述外层套筒 的上端与外部钻进装置的外层钻杆固定连接；所述内层套筒的上端与所述外部钻进装置的 内层钻杆固定连接，在所述内层钻杆的带动下旋转；所述内层套筒的内部用于输送循环水 到钻头，所述外层套筒与内层套筒之间的空隙用于排出钻头的循环水。

优选的，所述自钻式旁压仪中，所述油箱内存储的液压油为可生物降解液压油。

优选的，所述自钻式旁压仪中，所述油泵包括出油阀门和回油阀门；所述输油管包括 输出油管和回收油管；所述自钻式旁压仪还包括数据线；

所述输出油管的一端连接出油阀门，另一端伸入所述封闭空间内，所述油泵通过出油 阀门和输出油管将液压油输入到所述封闭空间内；

所述回收油管一端连接回油阀门，另一端伸入所述封闭空间内，所述油泵通过回油 阀门和回收油管回收所述封闭空间内的液压油；

所述数据线穿设于输出油管内，并深入所述封闭空间内，其一端连接所述应变控制器， 另一端分别连接所述压力传感器、位移传感器和孔隙水压力传感器，用于将压力传感器、 位移传感器和孔隙水压力传感器的测量结果传输给所述应变控制器。

优选的，所述自钻式旁压仪中，所述试验装置具体还包括：器件仓、上卡圈、下卡圈； 其中，

所述器件仓为筒状结构，固定套设于外层套筒外部，与外层套筒的筒壁形成第一封闭 空间，器件仓的两端分别与上卡圈和下卡圈固定连接，器件仓的筒壁上设置有通孔；

所述弹性膜套设于所述器件仓外部，与器件仓的筒壁形成第二封闭空间，弹性膜的两 端分别固定于器件仓与上卡圈和下卡圈的连接处，所述第一封闭空间与第二封闭空间通过 所述通孔连通并共同组成所述封闭空间；

所述压力传感器固定装设于所述第一封闭空间内；

所述位移传感器固定装设于所述第一封闭空间内，并穿过所述通孔伸入第二封闭空间 内与弹性膜内表面接触；

所述孔隙水压力传感器固定装设于所述第一封闭空间内；

所述透水石穿过弹性膜并固定装设于器件仓的筒壁上，其另一端通过一穿设于所述器 件仓筒壁上的管道与所述孔隙水压力传感器连通；

所述输油管的一端连接油泵，另一端伸入所述第一封闭空间内；

当输油管向所述第一封闭空间中输入的液压油通过所述通孔充入第二封闭空间时，所 述弹性膜膨胀，当输油管回收第一封闭空间内的液压油且第二封闭空间内的液压油通过所 述通孔排出至第一封闭空间时，所述弹性模收缩。

优选的，所述自钻式旁压仪中，所述试验装置还包括弹性膜保护套、上固定环和下固 定环；其中，

所述上固定环与所述上卡圈固定连接；

所述下固定环与所述下卡圈固定连接；

所述弹性膜保护套为笼状结构，套设于所述弹性膜外部，其两端分别固定于上固定环 与上卡圈和下固定环与下卡圈的连接处，用于保护弹性膜。

一种自钻式旁压设备，包括：自钻式旁压仪、钻进装置、水循环装置和动力装置；

所述自钻式旁压仪包括试验装置、控制装置和输油管；试验装置具体包括外层套筒、 内层套筒、钻头、弹性膜、压力传感器、位移传感器、透水石和孔隙水压力传感器；控制 装置具体包括油箱、油泵、应变控制器和数据分析器；其中，

所述外层套筒的内径大于内层套筒的外径，套设于内层套筒外部；

所述钻头固定连接内层套筒的下端，用于在内层套筒的带动下旋转钻进；

所述弹性膜套设于外层套筒外部，与外层套筒的筒壁形成一封闭空间，该弹性膜在所 述封闭空间内充入液压油时膨胀，排出所述封闭空间的液压油时收缩，通过膨胀和收缩对 被测土体施加压力；

所述油泵分别连接输油管和油箱，用于通过输油管输出所述油箱中的液压油或将液压 油回收到油箱中；

所述输油管的一端连接油泵，另一端伸入所述封闭空间内；

所述压力传感器固定装设于所述封闭空间内，用于测量所述封闭空间内的液压油压 强；

所述位移传感器固定装设于所述封闭空间内且与弹性膜内表面接触，用于测量所述弹 性膜的形变量；

所述孔隙水压力传感器固定装设于所述封闭空间内；所述透水石穿过所述弹性膜且与 弹性膜表面密闭连接，其一端与被测土体接触，另一端与所述孔隙水压力传感器连通；所 述孔隙水压力传感器用于测量通过所述透水石渗透的被测土体孔隙水的压强；

所述应变控制器分别连接压力传感器、位移传感器、孔隙水压力传感器和油泵，用于 获取压力传感器、位移传感器和孔隙水压力传感器的测量结果，并根据所述测量结果控制 油泵输出和回收液压油；

所述数据分析器连接应变控制器，用于获取并记录压力传感器、位移传感器和孔隙水 压力传感器的测量结果，根据压力传感器和孔隙水压力传感器的测量结果确定所述弹性膜 施加给被测土体的压力大小，根据位移传感器的测量结果确定被测土体的土体形变量，分 析被测土体的形变量与所受压力大小之间的关系；

所述钻进装置包括钻机、外层钻杆和内层钻杆；其中，所述钻机具有可垂直升降的升 降机构；外层钻杆的下端固定连接所述外层套筒；内层钻杆的外径小于所述外层钻杆的内 径，装设于外层钻杆内部，其上端枢接所述升降机构，下端固定连接所述内层套筒；

所述水循环装置包括水箱、水泵、输出水管、回收水管；其中，所述水泵连接水箱； 输出水管分别连接水泵和所述内层钻杆；回收水管分别连接水箱和所述外层钻杆；

动力装置分别连接所述钻进装置和水循环装置，用于为钻机和水泵提供动力；

使用时，所述试验装置置于钻孔中，所述控制装置置于所述钻孔之外；所述钻机通过 控制升降机构垂直升降以带动外层钻杆和内层钻杆垂直上升或下降，并且钻机通过控制内 层钻杆和内层套筒旋转以带动钻头旋转；所述水泵通过输出水管和内层钻杆将水箱中的水 输送到钻头，并通过外层钻杆和内层钻杆的空隙以及回收水管将输出的水回收至水箱。

借助于上述技术方案，本发明提供的预钻式旁压仪、自钻式旁压仪以及自钻式旁压设 备采用控制装置控制进入弹性膜的液压油流量多少，并采用液压油作为膨胀介质，在旁压 试验中，控制装置能根据实时测量得到的弹性膜膨胀量和压力大小来控制进入弹性膜的液 压油流量，从而可以使弹性膜膨胀程度稳定变化，不仅能够避免弹性膜因膨胀不均而导致 破裂的现象发生，而且能够确保试验数据的连续性，同时如果弹性膜损坏，则液压油可保 护旁压仪内部的电路结构不受外界液体侵入而导致被腐蚀，相比于现有技术，本发明实施 例大大降低了人为影响因素，减小了试验误差，保证了旁压试验的正常进行。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例描述中所 需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施 例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附 图获得其他的附图。

图1是本发明实施例二提供的预钻式旁压仪中试验装置的结构示意图；

图2是本发明实施例四提供的自钻式旁压仪中试验装置的结构示意图；

图3是本发明实施例六提供的自钻式旁压设备的结构示意图；

图4是本发明实施例二提供的预钻式旁压仪获得的土体所受压力-土体形变量曲线示 意图。

图5是依据本发明实施例六提供的自钻式旁压设备获得的土体所受压力-土体形变量 曲线示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地 描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本 发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实 施例，都属于本发明保护的范围。

鉴于现有的旁压试验技术采用气体作为膨胀介质以及使用手动方法控制进入旁压仪 的膨胀介质量容易导致旁压试验失败，本发明实施例提供了一种预钻式旁压仪、自钻式旁 压仪以及自钻式旁压设备，用以克服上述现有旁压试验技术的缺陷。以下结合附图对本发 明进行详细说明。

实施例一

本实施例提供一种预钻式旁压仪，该预钻式旁压仪包括：试验装置、控制装置和输油 管；试验装置具体包括主体筒、弹性膜、压力传感器和位移传感器；控制装置具体包括油 箱、油泵、应变控制器和数据分析器；其中，

所述油泵分别连接输油管和油箱，用于通过输油管输出所述油箱中的液压油或将液压 油回收到油箱中；

所述输油管的一端连接油泵，另一端连接所述主体筒，用于向主体筒内部输入液压油， 或回收主体筒内部的液压油；

所述主体筒的筒壁上设有第一通孔；

所述弹性膜套设于所述主体筒外部，与主体筒的筒壁形成一封闭空间，该封闭空间通 过所述第一通孔与主体筒内部连通；当输油管向主体筒内部输入的液压油通过第一通孔充 入所述封闭空间时，该弹性膜膨胀，当输油管回收主体筒内部的液压油且所述封闭空间的 液压油通过第一通孔排出时，该弹性膜收缩，该弹性膜通过膨胀和收缩对被测土体施加压 力；

所述压力传感器固定装设于所述封闭空间内，用于测量所述封闭空间内的液压油压 强；

所述位移传感器固定装设于所述封闭空间内且与弹性膜内表面接触，用于测量所述弹 性膜的形变量；

所述应变控制器分别连接压力传感器、位移传感器和油泵，用于获取压力传感器和位 移传感器的测量结果，并根据所述测量结果控制油泵输出和回收液压油；

所述数据分析器连接应变控制器，用于获取并记录压力传感器和位移传感器的测量结 果，根据压力传感器的测量结果确定所述弹性膜施加给被测土体的压力大小，根据位移传 感器的测量结果确定被测土体的土体形变量，分析被测土体的形变量与所受压力大小之间 的关系。

具体的，本实施例中，主体筒可以采用铜质材料制作；弹性膜应采用具有较好的膨胀 收缩性能的弹性材料，例如可以采用现有旁压仪常用的橡胶材料制作；压力传感器可采用 工业中常用的能够测量压力并将测量结果以电信号的形式传输出去的传感器实现；位移传 感器可采用工业中常用的能够测量位移并将测量结果以电信号的形式传输出去的传感器 实现；输油管为需要从钻孔外伸入钻孔内为旁压仪提供液压油的管状结构，抗压和抗磨损 力需较强，可承受内部液压油的压力和外部土体的摩擦力，可采用石油工业中使用的深井 电缆作为输油管。

本实施例中，应变控制器应具有以下功能：接收压力传感器和位移传感器传输的相应 电信号，能够根据压力传感器的测量结果确定弹性膜膨胀的压力大小，根据位移传感器的 测量结果确定弹性膜的膨胀程度，在确保弹性膜不膨胀过度并保证试验数据连续的情况 下，控制油泵是否需要输出液压油，以及输出液压油的流量多少；具体实施中，应变控制 器可以为具有相应数据处理程序的微型计算机、芯片等实现。

本实施例中，数据分析器应具有以下功能：获取并存储在整个旁压试验过程中压力传 感器和位移传感器测量得到的结果；根据压力传感器测量得到的结果确定被测土体所受的 压力大小，根据位移传感器测量得到的结果确定被测土体的形变量，分析被测土体形变量 与所受压力大小之间的关系，进而获得更多的土体力学参数，如内聚力、内摩擦角、膨胀 角、刚度、强度等；具体实施中，应变控制器可以为具有存储及进行相应数据处理功能的 微型计算机、芯片等实现。

由于本实施例提供的预钻式旁压仪自身不具备钻进机构，因此在使用本实施例提供的 预钻式旁压仪时，需要预先采用该预钻式旁压仪之外的钻进设备进行钻孔，然后借助于钻 进设备的钻杆及升降机构等装置，将所述试验装置置于钻孔中，执行旁压试验，同时所述 钻孔外的控制装置及分析系统执行旁压试验的数据采集及分析任务。

本实施例提供的预钻式旁压仪采用应变控制器控制进入弹性膜的液压油流量多少，工 作时，应变控制器能根据实时测量得到的弹性膜膨胀量和压力大小来控制进入弹性膜的液 压油流量，从而可以使弹性膜的膨胀程度稳定变化，确保试验数据的连续性，降低了人为 影响因素，减小了试验误差；此外，本实施例提供的预钻式旁压仪采用液压油作为膨胀介 质，工作过程中，如果弹性膜损坏，液压油不会像气体型的膨胀介质一样会迅速漏离弹性 膜，可以避免外界液体侵入弹性膜而导致旁压仪内部的电路结构受到腐蚀，相比于现有技 术，本实施例能够较好地实施旁压试验，获得更连续的试验结果，从而能够获得反应真实 土体的力学参数。

优选的，所述油箱内存储的液压油为可生物降解液压油。

具体的，本实施例采用可生物降解液压油作为膨胀介质，将可生物降解液压油压入旁 压仪的弹性膜中时，即使在旁压仪工作过程中弹性膜损坏，此种液压油泄漏到被测土体（例 如地下水环境或海洋环境）中，可与自然界的微生物发生反应而降解成为无毒无害的物质， 不会污染土壤环境，具有较好的环境保护效果。

优选的，所述油泵包括出油阀门和回油阀门；所述输油管包括输出油管和回收油管； 所述预钻式旁压仪还包括数据线；

所述输出油管的一端连接出油阀门，另一端连接所述主体筒，所述油泵通过出油阀门 和输出油管将液压油输入到所述主体筒内部；

所述回收油管一端连接回油阀门，另一端连接所述主体筒，所述油泵通过回油阀门和 回收油管回收所述主体筒内部的液压油；

所述数据线穿设于所述输出油管和主体筒内部，并穿过所述第一通孔，其一端连接所 述应变控制器，另一端分别连接所述压力传感器和位移传感器，用于将压力传感器和位移 传感器的测量结果传输给所述应变控制器。

具体的，本实施例通过设置出油阀门和回油阀门，以及输出油管和回收油管，实现了 将向弹性膜中输入液压油和从弹性膜中回收液压油的输油管路分开设置，能够更好地在旁 压试验中控制液压油的输入回收情况，从而更好地控制弹性膜的膨胀程度，保证试验结果 的连续性，避免弹性膜因膨胀不均而导致破裂的现象发生。

具体的，为了保证压力传感器和位移传感器能够将测量结果以相应信号的方式安全传 输给应变控制器，本实施例提供数据线将压力传感器和位移传感器连接至应变控制器，并 令数据线穿过输出油管，以保护数据线由钻孔外深入到钻孔内时不被外界干扰。

优选的，所述试验装置具体还包括：器件仓、上卡圈、下卡圈；其中，

所述器件仓为筒状结构，固定套设于主体筒外部，与主体筒的筒壁形成第一封闭空间， 器件仓的两端分别与上卡圈和下卡圈固定连接，器件仓的筒壁上设置有第二通孔，所述第 一封闭空间通过所述第一通孔与主体筒内部连通；

所述弹性膜套设于所述器件仓外部，与器件仓的筒壁形成第二封闭空间，弹性膜的两 端分别固定于器件仓与上卡圈和下卡圈的连接处，所述第一封闭空间与第二封闭空间通过 第二通孔连通并共同组成所述封闭空间；

所述压力传感器固定装设于所述第一封闭空间内；

所述位移传感器固定装设于所述第一封闭空间内，并穿过所述第二通孔伸入第二封闭 空间内与弹性膜内表面接触；

当输油管向主体筒内部输入的液压油通过第一通孔充入所述第一封闭空间，并通过所 述第二通孔充入第二封闭空间时，所述弹性膜膨胀；当输油管回收主体筒内部的液压油， 所述第二封闭空间的液压油通过第二通孔排出至第一封闭空间，再由第一封闭空间排出至 主体筒内部时，所述弹性膜收缩。

具体的，器件仓、上卡圈和下卡圈可以采用铜质材料制作；主体筒与上卡圈和下卡圈 之间可以采用螺纹连接或卡接方式固定连接；设置器件仓的目的是支撑弹性膜的形状，使 弹性膜能够以均匀的圆柱体形态膨胀，同时能够保护压力传感器和位移传感器正常工作。

优选的，所述试验装置还包括弹性膜保护套、上固定环和下固定环；其中，

所述上固定环与所述上卡圈固定连接；

所述下固定环与所述下卡圈固定连接；

所述弹性膜保护套为笼状结构，套设于所述弹性膜外部，其两端分别固定于上固定环 与上卡圈和下固定环与下卡圈的连接处，用于保护弹性膜。

具体的，弹性膜保护套为由多条金属条片制成的灯笼状结构，在弹性膜没有膨胀时， 构成该弹性膜保护套的金属条片聚拢并贴在弹性膜外表面，随着弹性膜膨胀，各金属条片 展开，用于保护弹性膜不被被测土体中的硬质物体划伤。

实施例二

本实施例提供一具体的预钻式旁压仪，如图1所示，该预钻式旁压仪包括：主体筒10 1、弹性膜102、压力传感器103、位移传感器104、器件仓105、上卡圈106、下卡圈107、 弹性膜保护套108、油箱109、油泵110、应变控制器111、数据分析器112、输出油管113、 回收油管114、数据线115、上固定环118、下固定环119、电子仪器仓120；油泵110具体包 括出油阀门110A和回油阀门110B；

其中，主体筒101、弹性膜102、压力传感器103、位移传感器104、器件仓105、上卡 圈106、下卡圈107、弹性膜保护套108、上固定环118、下固定环119和电子仪器仓120共同 组成该预钻式旁压仪的试验装置；油箱109、油泵110、应变控制器111和数据分析器112共 同组成该预钻式旁压仪的控制装置；油箱109中存储有可生物降解液压油；

本实施例中各器件的连接关系如下：主体筒101、器件仓105和弹性膜保护套108都为 铜质筒状结构；主体筒101的筒壁上设置有第一通孔116；器件仓105固定套设于主体筒101 外部，其上下两端分别与上卡圈106和下卡圈107卡接固定，器件仓105的内筒壁与主体筒1 01的外筒壁形成第一封闭空间，第一封闭空间与主体筒101的内部通过第一通孔116连通， 器件仓105的筒壁上设置有第二通孔117；弹性膜102为筒状橡胶弹性膜，套设于器件仓105 外部，其上端被上卡圈106和器件仓105夹住固定，下端被下卡圈107和器件仓105夹住固定， 弹性膜102内表面与器件仓105的外筒壁形成第二封闭空间，第一封闭空间与第二封闭空间 通过第二通孔117连通；弹性膜保护套108为笼状结构，套设于弹性膜102的外部，其上端 被上端被上固定环118和上卡圈106夹住固定，下端被下固定环119和下卡圈107夹住固定， 弹性膜保护套108能够保护弹性膜102免受被测土中的锋利物质破坏；压力传感器103固定 于主体筒101的外筒壁上，通过数据线115电连接应变控制器111；位移传感器104固定于主 体筒101的外筒壁上，通过数据线115电连接应变控制器111，位移传感器104的弹片结构穿 过第二通孔117伸入第二封闭空间内与弹性膜102的内表面接触；电子仪器仓120固定于主 体筒的下端，其内部装设有各种辅助预钻式旁压仪工作的仪器（如定位仪器等），这些仪 器通过数据线115连接应变控制器111；输出油管113一端连接油泵110的出油阀门110A，另 一端连接主体筒，用于向主体筒内部输入可生物降解液压油，同时数据线115穿设于输出 油管113中，输出油管113能够保护数据线115不受外界环境干扰；回收油管114一端连接油 泵110的回油阀门110B，另一端连接主体筒，用于回收主体筒内部的可生物降解液压油； 数据分析器112电连接应变控制器111；

本实施例提供的预钻式旁压仪的工作过程如下：

步骤S11，首先利用该预钻式旁压仪之外的钻进设备进行钻孔，然后将钻进设备的钻 杆与该预钻式旁压仪的主体筒固定连接，借助钻进设备的升降机构，将该预钻式旁压仪的 试验装置送入预先钻好的钻孔中，到达预定测试位置后，开启控制装置；

步骤S12，油泵110将油箱109中的可生物降解液压油泵入主体筒101内部，随着泵入液 压油的增多，液压油通过第一通孔116充入器件仓105与主体筒101的筒壁围成的第一封闭 空间内，随着第一封闭空间内液压油的增多，液压油通过第二通孔117流入弹性膜102与器 件仓105的筒壁围成的第二封闭空间内；在该过程中，刚开始弹性膜102未发生形变，位移 传感器104的弹片结构处于压缩状态，随着弹性膜102发生膨胀，位移传感器104的弹片结 构开始伸展，位移传感器104通过自身弹片结构的形变来确定弹性膜102的形变量；同时， 压力传感器103测量第一封闭空间中的液压油压强；

步骤S13，待弹性膜102膨胀到一定程度时，应变控制器111控制油泵110停止输出可生 物降解液压油，当确定弹性膜102内部的压力稳定后，应变控制器111控制油泵110回收弹 性膜中的可生物降解液压油，此时由于弹性膜102内的压力很大，会有一部分液压油被直 接压出并通过回收油管114返回油箱109中，当确定弹性膜102内的压力降低到一定程度时， 停止回收液压油；

再次确定弹性膜102内的压力稳定后，应变控制器111再次控制油泵110输出可生物降 解液压油，待确定弹性膜102内部的压力恢复到回收液压油之前的压力时，第一个回滞圈 操作完成；

按照旁压试验要求完成的回滞圈操作次数（旁压试验一般要求完成至少两个回滞圈操 作），重复上述步骤S12和步骤S13；

需要指出的是，执行每一回滞圈的过程中，应变控制器111通过数据线115实时获取压 力传感器103和位移传感器104的测量结果，并根据实时获得的结果确定弹性膜的形变量和 弹性膜内部液压油的压强大小，同时控制进入弹性膜102的液压油流量，使得弹性膜的膨 胀程度稳定变化，不仅降低由于弹性膜102内部压力突变而导致损坏的可能性，而且确保 了试验数据的连续性；此外，数据分析器112通过应变控制器111获取并记录压力传感器10 3和位移传感器104的测量结果，并根据压力传感器103测量得到的结果确定被测土体所受 的压力大小，根据位移传感器104测量得到的结果确定被测土体的形变量，分析被测土体 的形变量与所受压力大小之间的关系，进而获得更多土体的力学参数，如内聚力、内摩擦 角、膨胀角、刚度、强度等；

步骤S14，完成旁压试验规定的所有回滞圈操作之后，应变控制器111控制油泵110回 收可生物降解液压油，在此过程开始时，由于弹性膜102内的压力较大，会有一部分可生 物降解液压油被直接压出并返回油箱109中，但是随着弹性膜102内的压力减小，而液压油 又具有一定的自重，仅靠弹性膜102的内部压力已不可能继续将剩余的液压油压回油箱10 9，此时，应变控制器111开启油泵110的抽油功能，将弹性膜内剩余的可生物降解液压油 抽回油箱109中，从而使弹性膜102完全收缩；

步骤S15，待弹性膜102完全收缩后，借助外部钻进设备的钻杆，收回钻孔中该预钻式 旁压仪的试验装置；

步骤S16，数据分析器112根据本次旁压试验中所记录的压力传感器103和位移传感器1 04的测量结果，分析被测土体的形变量与所受压力大小之间的关系，绘制出如图4所示的 土体所受压力-土体形变量曲线；结束本次旁压试验。

实施例三

本实施例提供一种自钻式旁压仪，该自钻式旁压仪包括：试验装置、控制装置和输油 管；试验装置具体包括外层套筒、内层套筒、钻头、弹性膜、压力传感器、位移传感器、 透水石和孔隙水压力传感器；控制装置具体包括油箱、油泵、应变控制器和数据分析器； 其中，

所述外层套筒的内径大于内层套筒的外径，套设于内层套筒外部；

所述钻头固定连接内层套筒的下端，用于在内层套筒的带动下旋转钻进；

所述弹性膜套设于外层套筒外部，与外层套筒的筒壁形成一封闭空间，该弹性膜在所 述封闭空间内充入液压油时膨胀，排出所述封闭空间的液压油时收缩，通过膨胀和收缩对 被测土体施加压力；

所述油泵分别连接输油管和油箱，用于通过输油管输出所述油箱中的液压油或将液压 油回收到油箱中；

所述输油管的一端连接油泵，另一端伸入所述封闭空间内；

所述压力传感器固定装设于所述封闭空间内，用于测量所述封闭空间内的液压油压 强；

所述位移传感器固定装设于所述封闭空间内且与弹性膜内表面接触，用于测量所述弹 性膜的形变量；

所述孔隙水压力传感器固定装设于所述封闭空间内；所述透水石穿过所述弹性膜且与 弹性膜表面密闭连接，其一端与被测土体接触，另一端与所述孔隙水压力传感器连通；所 述孔隙水压力传感器用于测量通过所述透水石渗透的被测土体孔隙水的压强；

所述应变控制器分别连接压力传感器、位移传感器、孔隙水压力传感器和油泵，用于 获取压力传感器、位移传感器和孔隙水压力传感器的测量结果，并根据所述测量结果控制 油泵输出和回收液压油；

所述数据分析器连接应变控制器，用于获取并记录压力传感器、位移传感器和孔隙水 压力传感器的测量结果，根据压力传感器和孔隙水压力传感器的测量结果确定所述弹性膜 施加给被测土体的压力大小，根据位移传感器的测量结果确定被测土体的土体形变量，分 析被测土体的形变量与所受压力大小之间的关系；

使用时，所述试验装置置于钻孔中，所述控制装置置于所述钻孔之外；所述外层套筒 的上端与外部钻进装置的外层钻杆固定连接；所述内层套筒的上端与所述外部钻进装置的 内层钻杆固定连接，在所述内层钻杆的带动下旋转；所述内层套筒的内部用于输送循环水 到钻头，所述外层套筒与内层套筒之间的空隙用于排出钻头的循环水。

具体的，本实施例中，外层套筒、内层套筒可以采用铜质材料制作，内层套筒的外径 小于外层套筒的内径，并且内层套筒的外筒壁壁与外层套筒的内筒壁相隔一定距离，以保 证内层套筒旋转时不会影响到固定不动的外层套筒；钻头为该自钻式旁压仪的钻进机构， 固定连接于内层套筒下端，能够在内层套筒旋转时一起旋转钻进；

本实施例中的弹性膜、压力传感器、位移传感器、输油管、应变控制器和数据分析器， 与实施例一、实施例二中的相应部件具有类似的功能和结构，并可采用相同的材料或器件 实现，此处不再赘述。

本实施例中的孔隙水压力传感器可采用土体测量领域中常用于测量孔隙水压的传感 器实现；需要说明的是，本实施例中，自钻式旁压仪的应变控制器通过将压力传感器的测 量结果和孔隙水压力传感器的测量结果综合后确定弹性膜膨胀的压力大小，并且数据分析 器通过将压力传感器的测量结果和孔隙水压力传感器的测量结果综合后确定被测土体所 受的压力大小，而实施例一和实施例二提供的预钻式旁压仪中，应变控制器仅通过压力传 感器的测量结果确定弹性膜膨胀的压力大小，数据分析器仅通过压力传感器的测量结果确 定被测土体所受的压力大小。

本实施例提供的自钻式旁压仪自身具有钻头，因此在使用时，可与该自钻式旁压仪之 外的钻进装置配合使用，即先将外层套筒的上端与外部钻进装置的外层钻杆固定连接，并 将内层套筒的上端与所述外部钻进装置的内层钻杆固定连接；当外部钻进装置启动后，所 述内层钻杆旋转的同时带动内层套筒旋转，进而带动钻头旋转钻进；此外，为了配合外部 钻进装置的水循环系统，所述内层套筒的内部用于输送循环水到钻头，所述外层钻杆与内 层钻杆之间的空隙以及外层套筒与内层套筒之间的空隙用于排出钻头的循环水。工作过程 中，所述试验装置置于钻孔中，执行旁压试验的数据采集任务，所述控制装置置于所述钻 孔之外，执行旁压试验的数据分析任务。

本实施例提供的自钻式旁压仪采用应变控制器控制进入弹性膜的液压油流量多少，工 作时，应变控制器能根据实时测量得到的弹性膜膨胀量和压力大小来控制进入弹性膜的液 压油流量，从而可以使弹性膜膨胀程度稳定变化，不仅能够避免弹性膜因膨胀不均而导致 破裂的现象发生，而且能够确保试验数据的连续性，降低了人为影响因素，减小了试验误 差；此外，本实施例提供的预钻式旁压仪采用液压油作为膨胀介质，工作过程中，如果弹 性膜损坏，液压油不会像气体型的膨胀介质一样会迅速漏离弹性膜，可以避免外界液体侵 入弹性膜而导致旁压仪内部的电路结构受到腐蚀，相比于现有技术，本实施例能够较好地 实施旁压试验，获得更连续的试验结果，从而能够获得真实反应土体的力学参数。

优选的，所述油箱内存储的液压油为可生物降解液压油。

具体的，与实施例一和实施例二类似，本实施例提供的自钻式旁压仪也可采用可生物 降解液压油作为膨胀介质，以避免因旁压试验带来的环境污染问题。

优选的，所述油泵包括出油阀门和回油阀门；所述输油管包括输出油管和回收油管； 所述自钻式旁压仪还包括数据线；

所述输出油管的一端连接出油阀门，另一端伸入所述封闭空间内，所述油泵通过出油 阀门和输出油管将液压油输入到所述封闭空间内；

所述回收油管一端连接回油阀门，另一端伸入所述封闭空间内，所述油泵通过回油 阀门和回收油管回收所述封闭空间内的液压油；

所述数据线穿设于输出油管内，并深入所述封闭空间内，其一端连接所述应变控制器， 另一端分别连接所述压力传感器、位移传感器和孔隙水压力传感器，用于将压力传感器、 位移传感器和孔隙水压力传感器的测量结果传输给所述应变控制器。

具体的，与实施例一和实施例二类似，本实施例提供的自钻式旁压仪通过设置出油阀 门、回油阀门、输出油管、回收油管和数据线，能够更好地在旁压试验中控制液压油的输 入回收情况，从而更好地控制弹性膜的膨胀程度，保证试验结果的连续性，避免弹性膜因 膨胀不均而导致破裂的现象发生，并且，保护数据线由钻孔外深入到钻孔内时不被外界干 扰，保证了压力传感器和位移传感器能够将测量结果以相应信号的方式安全传输给应变控 制器。

优选的，所述试验装置具体还包括：器件仓、上卡圈、下卡圈；其中，

所述器件仓为筒状结构，固定套设于外层套筒外部，与外层套筒的筒壁形成第一封闭 空间，器件仓的两端分别与上卡圈和下卡圈固定连接，器件仓的筒壁上设置有通孔；

所述弹性膜套设于所述器件仓外部，与器件仓的筒壁形成第二封闭空间，弹性膜的两 端分别固定于器件仓与上卡圈和下卡圈的连接处，所述第一封闭空间与第二封闭空间通过 所述通孔连通并共同组成所述封闭空间；

所述压力传感器固定装设于所述第一封闭空间内；

所述位移传感器固定装设于所述第一封闭空间内，并穿过所述通孔伸入第二封闭空间 内与弹性膜内表面接触；

所述孔隙水压力传感器固定装设于所述第一封闭空间内；

所述透水石穿过弹性膜并固定装设于器件仓的筒壁上，其另一端通过一穿设于所述器 件仓筒壁上的管道与所述孔隙水压力传感器连通；

所述输油管的一端连接油泵，另一端伸入所述第一封闭空间内；

当输油管向所述第一封闭空间中输入的液压油通过所述通孔充入第二封闭空间时，所 述弹性膜膨胀，当输油管回收第一封闭空间内的液压油且第二封闭空间内的液压油通过所 述通孔排出至第一封闭空间时，所述弹性模收缩。

具体的，与实施例一和实施例二类似，本实施例提供的自钻式旁压仪中，器件仓、上 卡圈和下卡圈可以采用铜质材料制作；外层套筒与上卡圈和下卡圈之间可以采用螺纹连接 或卡接方式固定连接；设置器件仓的目的是支撑弹性膜的形状，使弹性膜能够以均匀的圆 柱体形态膨胀，同时能够保护压力传感器和位移传感器正常工作。

优选的，所述试验装置还包括弹性膜保护套、上固定环和下固定环；其中，

所述上固定环与所述上卡圈固定连接；

所述下固定环与所述下卡圈固定连接；

所述弹性膜保护套为笼状结构，套设于所述弹性膜外部，其两端分别固定于上固定环 与上卡圈和下固定环与下卡圈的连接处，用于保护弹性膜。

具体的，与实施例一和实施例二类似，本实施例中，弹性膜保护套用于保护弹性膜不 被被测土体中的锋利物质划伤，可以采用金属材料制作。

实施例四

本实施例提供一具体的自钻式旁压仪，如图2所示，该自钻式旁压仪具体包括：外层 套筒201、内层套筒217、钻头218、弹性膜202、压力传感器203、位移传感器204、孔隙水 压力传感器219、透水石220、器件仓205、上卡圈206、下卡圈207、弹性膜保护套208、上 固定环221、下固定环222、油箱209、油泵210、应变控制器211、数据分析器212、输出油 管213、回收油管214和数据线215；油泵210具体包括出油阀门210A和回油阀门210B；

其中，外层套筒201、内层套筒217、钻头218、弹性膜202、压力传感器203、位移传 感器204、器件仓205、上卡圈206、下卡圈207、弹性膜保护套208、上固定环221和下固定 环222共同组成了该自钻式旁压仪的试验装置；油箱209、油泵210、应变控制器211和数据 分析器212共同组成了该自钻式旁压仪的控制装置；油箱209用于存储可生物降解液压油；

本实施例中各器件的连接关系如下：外层套筒201、内层套筒217、器件仓205和弹性 膜保护套208都为铜质筒状结构；外层套筒201的内径大于内层套筒217的外径，外层套筒2 01套设于内层套筒217的外部；内层套筒217的底部固定连接钻头218，内层套筒217可在外 部钻进设备的带动下旋转，同时带动钻头218旋转；器件仓205固定套设于外层套筒201外 部，其上下两端分别与上卡圈206和下卡圈207卡接固定，器件仓205的内筒壁与外层套筒2 01的外筒壁形成第一封闭空间，器件仓205的筒壁上设置有通孔216；弹性膜202为筒状橡 胶弹性膜，套设于器件仓205外部，其上端被上卡圈206和器件仓205夹住固定，下端被下 卡圈207和器件仓205夹住固定，弹性膜202内表面与器件仓205的外筒壁形成第二封闭空 间；弹性膜保护套208为具有弹性，套设于弹性膜202的外部，其上端分别被上端被上卡圈 206和器件仓205夹住固定，下端被下卡圈207和器件仓205夹住固定，弹性膜保护套208能 够保护弹性膜202免受被测土中的锋利物质破坏；压力传感器203固定于外层套筒201的外 筒壁上，通过数据线215电连接应变控制器211；位移传感器204固定于外层套筒201的外筒 壁上，通过数据线215电连接应变控制器211，位移传感器204的弹片结构穿过通孔216伸入 第二封闭空间内与弹性膜202的内表面接触；透水石220穿过弹性膜202，并利用螺丝固定 于器件仓205的筒壁上，弹性膜202上装设透水石220的部分被透水石220压住而不发生膨 胀，并且弹性膜202表面与透水石220密闭连接，保证了弹性膜202内的液压油不会漏出； 透水石220露在弹性膜202外侧的部分与被测土体接触，包裹在弹性膜202内部的部分通过 一穿设于器件仓205上的管道223与孔隙水压力传感器219连通，孔隙水压力传感器219固定 于外层套筒201的筒壁外侧，用于测量通过透水石220的被测土体孔隙水的压强；

输出油管213一端连接油泵210的出油阀门210A，另一端穿过上卡圈206和器件仓205 上的相应通孔（图中未标识）伸入第一封闭空间中，用于传输可生物降解液压油，同时数 据线215穿设于输出油管213中，输出油管213能够保护数据线215不受外界环境干扰；回收 油管214一端连接油泵210的回油阀门210B，另一端穿过上卡圈206和器件仓205上的相应通 孔（图中未标识）伸入第一封闭空间中，用于传输可生物降解液压油；数据分析器212电 连接应变控制器211；

本实施例提供的自钻式旁压仪的工作过程可参考本申请实施例六，在此不再赘述。

实施例五

本实施例提供一种自钻式旁压设备，该自钻式旁压设备包括：自钻式旁压仪、钻进装 置、水循环装置和动力装置；

所述自钻式旁压仪包括试验装置、控制装置和输油管；试验装置具体包括外层套筒、 内层套筒、钻头、弹性膜、压力传感器、位移传感器、透水石和孔隙水压力传感器；控制 装置具体包括油箱、油泵、应变控制器和数据分析器；其中，

所述外层套筒的内径大于内层套筒的外径，套设于内层套筒外部；

所述钻头固定连接内层套筒的下端，用于在内层套筒的带动下旋转钻进；

所述弹性膜套设于外层套筒外部，与外层套筒的筒壁形成一封闭空间，该弹性膜在所 述封闭空间内充入液压油时膨胀，排出所述封闭空间的液压油时收缩，通过膨胀和收缩对 被测土体施加压力；

所述油泵分别连接输油管和油箱，用于通过输油管输出所述油箱中的液压油或将液压 油回收到油箱中；

所述输油管的一端连接油泵，另一端伸入所述封闭空间内；

所述压力传感器固定装设于所述封闭空间内，用于测量所述封闭空间内的液压油压 强；

所述位移传感器固定装设于所述封闭空间内且与弹性膜内表面接触，用于测量所述弹 性膜的形变量；

所述孔隙水压力传感器固定装设于所述封闭空间内；所述透水石穿过所述弹性膜且与 弹性膜表面密闭连接，其一端与被测土体接触，另一端与所述孔隙水压力传感器连通；所 述孔隙水压力传感器用于测量通过所述透水石渗透的被测土体孔隙水的压强；

所述应变控制器分别连接压力传感器、位移传感器、孔隙水压力传感器和油泵，用于 获取压力传感器、位移传感器和孔隙水压力传感器的测量结果，并根据所述测量结果控制 油泵输出和回收液压油；

所述数据分析器连接应变控制器，用于获取并记录压力传感器、位移传感器和孔隙水 压力传感器的测量结果，根据压力传感器和孔隙水压力传感器的测量结果确定所述弹性膜 施加给被测土体的压力大小，根据位移传感器的测量结果确定被测土体的土体形变量，分 析被测土体的形变量与所受压力大小之间的关系；

所述钻进装置包括钻机、外层钻杆和内层钻杆；其中，所述钻机具有可垂直升降的升 降机构；外层钻杆的下端固定连接所述外层套筒；内层钻杆的外径小于所述外层钻杆的内 径，装设于外层钻杆内部，其上端枢接所述升降机构，下端固定连接所述内层套筒；

所述水循环装置包括水箱、水泵、输出水管、回收水管；其中，所述水泵连接水箱； 输出水管分别连接水泵和所述内层钻杆；回收水管分别连接水箱和所述外层钻杆；

动力装置分别连接所述钻进装置和水循环装置，用于为钻机和水泵提供动力；

使用时，所述试验装置置于钻孔中，所述控制装置置于所述钻孔之外；所述钻机通过 控制升降机构垂直升降以带动外层钻杆和内层钻杆垂直上升或下降，并且钻机通过控制内 层钻杆和内层套筒旋转以带动钻头旋转；所述水泵通过输出水管和内层钻杆将水箱中的水 输送到钻头，并通过外层钻杆和内层钻杆的空隙以及回收水管将输出的水回收至水箱。

本实施例所提供设备中的自钻式旁压仪与实施例三和实施例四中的自钻式旁压仪类 似，其中，外层套筒、内层套筒、钻头、弹性膜、压力传感器、位移传感器、孔隙水压力 传感器、油箱、油泵、应变控制器和数据分析器等都与实施例三和实施例四中的相应部件 具有类似的功能和结构，并可采用相同的材料或器件实现，此处不再赘述。

本实施例中的钻进装置、水循环装置和动力装置，可以采用现有的商用钻机系统所自 带的钻进装置、水循环装置和动力装置实现。

本实施例提供的自钻式旁压设备既包括旁压仪机构，又包括钻进机构，在进行旁压试 验时，不需要借助外部的钻进装置进行钻孔，仅采用该自钻式旁压设备即可完成旁压试验， 给试验人员提供了方便。该设备在使用时，首先启动钻机装置，通过控制升降机构垂直升 降以带动外层钻杆和内层钻杆垂直上升或下降，进而带动外层套筒、内层套筒和钻头垂直 上升或下降；同时，钻机通过控制内层钻杆和内层套筒旋转，进而带动钻头旋转钻进；所 述水泵通过输出水管和内层钻杆将水箱中的水输送到钻头，并通过外层钻杆和内层钻杆的 空隙、外层套筒与内层套筒的空隙以及回收水管将输出的水回收至水箱。工作过程中，所 述试验装置置于钻孔中，执行旁压试验的数据采集任务，所述控制装置置于所述钻孔之外； 执行旁压试验的数据分析任务。

本实施例提供的自钻式旁压设备采用应变控制器控制进入弹性膜的液压油流量多少， 工作时，应变控制器能根据实时测量得到的弹性膜膨胀量和压力大小来控制进入弹性膜的 液压油流量，从而可以使弹性膜膨胀程度稳定变化，不仅能够避免弹性膜因膨胀不均而导 致破裂的现象发生，而且能够确保试验数据的连续性，降低了人为影响因素，减小了试验 误差；此外，本实施例提供的预钻式旁压仪采用液压油作为膨胀介质，工作过程中，如果 弹性膜损坏，液压油不会像气体型的膨胀介质一样会迅速漏离弹性膜，可以避免外界液体 侵入弹性膜而导致旁压仪内部的电路结构受到腐蚀，相比于现有技术，本实施例能够较好 地实施旁压试验，获得更连续的试验结果，从而能够获得反应土体真实情况的各种参数。

具体实施中，所述油箱内存储的液压油可以为可生物降解液压油，即采用可生物降解 液压油作为膨胀介质，以避免因旁压试验带来的环境污染问题。

本实施例提供的自钻式旁压设备中，所述自钻式旁压仪的具体结构可以采用如实施例 四提供的自钻式旁压仪结构，即还可以包括器件仓、上卡圈、下卡圈、输出油管、回收油 管、出油阀门、回油阀门等结构，具体可参见实施例四，此处不再赘述。

实施例六

本实施例提供一具体的自钻式旁压设备，如图3所示，该自钻式旁压设备包括：自钻 式旁压仪、钻进装置、水循环装置和动力装置313；

自钻式旁压仪具体包括：试验装置301、控制装置302、输油管303和数据线304；其中， 试验装置301具体包括外层套筒、内层套筒、钻头、弹性膜、压力传感器、位移传感器、 透水石、孔隙水压力传感器、器件仓、上卡圈、下卡圈、弹性膜保护套，控制装置302具 体包括油箱、油泵、应变控制器、数据分析器，输油管303具体包括输出油管、回收油管； 油泵具体包括出油阀门和回油阀门；油箱中存储可生物降解液压油；该自钻式旁压仪中各 器件的连接关系可参考实施例四，此处不再赘述；

钻进装置具体包括：钻机305、外层钻杆306、内层钻杆（图中未示出）、卡盘307； 其中，钻机305具有升降机构308；外层钻杆306的内径大于内层钻杆的外径，套设于内层 钻杆外侧，其上端固定连接升降机构308，下端固定连接外层套筒；内层钻杆的上端枢接 升降机构308，下端固定连接内层套筒；钻机305用于驱动升降机构308上升或下降，以及 驱动内层钻杆旋转；当升降机构308带动外层钻杆306到合适的位置，以使得试验装置301 处于预设的试验位置时，卡盘307用于将外层钻杆306固定卡住，进而固定住钻孔内的外层 套筒，确保稳定地执行旁压试验；

水循环装置包括水箱309、水泵310、输出水管311、回收水管312；其中，所述水泵3 10连接水箱309；输出水管311分别连接水泵310和内层钻杆；回收水管312分别连接水箱30 9和外层钻杆306；水泵310用于将水箱309中的水通过输出水管311泵入到内层钻杆的内部， 进而到达钻头处；当钻孔打好后，钻头的水会通过外层钻杆306内筒壁与内层钻杆外筒壁 之间的空间排出，并通过回收水管312回流到水箱309中；

动力装置313分别连接钻进装置和水循环装置，用于提供相应的动力。

本实施例提供的自钻式旁压设备的工作过程如下：

步骤S61，启动钻进装置和水循环装置；

钻机305驱动内层钻杆和内层套筒进行旋转，并带动钻头旋转钻进，同时，钻机305 通过控制升降机构308垂直下降，进而带动钻头下降；

同时，水泵310开始将水箱309中的水通过输出水管311泵入内层钻杆内，循环水从上 到下依次流经内层钻杆、内层套筒最终到达钻头处，然后循环水携带着钻头切削后的泥土 碎屑等物质，从下到上依次流经外层钻杆306和内层钻杆之间的空隙、外层套筒和内层套 筒之间的空隙，然后到达回收水管312，进而将循环水回收到水箱309；

步骤S62，在钻头持续下降并钻进的过程中，当自钻式旁压仪的试验装置301到达了预 先设定好的测试深度（此时弹性膜的中部即位移传感器处正好位于预先设定好的测试深 度）后，关闭钻机305以使钻头停止转动和下降，同时采用卡盘307将外层钻杆306固定住；

打开油泵的出油阀门，通过输出油管缓慢向弹性膜中注入可生物降解液压油，开始时 由于液压油流速较慢，弹性膜不会马上膨胀；

随着液压油持续被注入弹性膜中，弹性膜逐渐开始膨胀并对周围的被测土体施加压 力，使被测土体的发生形变，此时，压力传感器、位移传感器和孔隙水压力传感器开始执 行测量，并通过数据线304将测量结果发送给应变控制器；同时，数据分析器通过应变控 制器获取并记录压力传感器、位移传感器和孔隙水压力传感器的测量结果；

待弹性膜膨胀到一定程度时，应变控制器控制油泵停止输出液压油，当确定弹性膜内 部的压力稳定后，应变控制器控制回油阀门打开以回收弹性膜中的液压油，此时由于弹性 膜内的压力很大，会有一部分液压油被直接压出并通过回收油管返回油箱中，当确定弹性 膜内的压力降低到一定程度时，关闭回油阀门；

再次确定弹性膜内的压力稳定后，应变控制器再次控制出油阀门打开向弹性膜内注入 液压油，待确定弹性膜内部的压力恢复到回收液压油之前的压力时，第一个回滞圈操作完 成；

按照旁压试验要求完成的回滞圈操作次数（旁压试验一般要求完成至少两个回滞圈操 作），重复上述步骤S62；

步骤S63，完成旁压试验规定的所有回滞圈操作之后，应变控制器控制出油阀门关闭， 并控制回油阀门打开，回收液压油，在此过程开始时，由于弹性膜内的压力较大，会有一 部分液压油被直接压出并通过回收油管返回油箱中，但是随着弹性膜内的压力减小，而液 压油又具有一定的自重，仅靠弹性膜的内部压力已不可能继续将剩余的液压油压回油箱， 此时，应变控制器开启油泵的抽油功能，将弹性膜内剩余的液压油抽回油箱中，从而使弹 性膜完全收缩；

步骤S64，待弹性膜完全收缩后，令卡盘307松开被固定的外层钻杆306，然后钻机30 5驱动升降机构308上升，使外层钻杆306、内层钻杆以及试验装置301上升，收回所述各装 置；

步骤S65，数据分析器根据本次旁压试验中所记录的压力传感器、位移传感器和孔隙 水压力传感器的测量结果，分析被测土体的形变量与所受压力大小之间的关系，绘制出如 图5所示的土体所受压力-土体形变量曲线；结束本次旁压试验。

需要注意的是，在执行上述步骤S62和步骤S63的过程中，应变控制器应控制单位时间 内向弹性膜中注入或回收的液压油量稳定变化，以保证试验所得结果的连续性，使得最终 绘制出的土体所受压力-土体形变量曲线足够平滑。

综上所述，本发明实施例提供的预钻式旁压仪、自钻式旁压仪以及自钻式旁压设备包 括以下有益效果：

（1）采用控制装置控制进入弹性膜的液压油流量多少，在旁压试验中，控制装置能 根据实时测量得到的弹性膜膨胀量和压力大小来控制进入弹性膜的液压油流量，从而可以 使弹性膜膨胀程度稳定变化，降低由于弹性膜内部压力突变而导致损坏的可能性；

（2）采用液压油作为膨胀介质，在弹性膜损坏的情况下，液压油可保护旁压仪内部 的电路结构不受外界液体侵入而导致被腐蚀；

（3）采用可生物降解液压油作为膨胀介质，即使在旁压仪工作过程中弹性膜损坏， 可生物降解液压油泄漏到被测土体中，也可与自然界的微生物发生反应而降解成为无毒无 害的物质，不会污染土壤环境，具有较好的环境保护效果；

（4）获得的旁压试验数据具有连续性，据此绘制出的土体所受压力-土体形变量曲线 足够平滑，降低了人为因素对试验结果的干扰性，减小了试验误差，试验结果能够更准确 的反应被测土体的相关特性。

（5）本发明提升了旁压仪的性能，使预钻式旁压仪测试压力可达到20MPa以上，自 钻式旁压仪的测试压力达到10MPa以上，改进了旁压试验的稳定性，不仅便利了岩土工程 原位测试工作，也使得旁压试验能够应用到其他领域，如可使用本发明提供的旁压仪测定 烃源岩或页岩的力学性质和压裂特性，提高页岩气及其它油气资源的开采效率。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说 明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限定本发明的保护 范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在 本发明的保护范围之内。