CN102818665A - 围岩应力与位移集成采集装置及方法 - Google Patents

围岩应力与位移集成采集装置及方法 Download PDF

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Abstract

一种围岩应力与位移集成采集装置，包括球体、套管、钢丝和光缆，沿球体的一条直径钻有螺纹孔，球体内部沿六个不同方向分别粘贴有一个光纤布拉格光栅，钢丝一端固定在球体上，光缆一端与球体内的光纤布拉格光栅相连接。通过测量某点六个方向的应变可计算出该点的三维应力；能在一个钻孔中同时测量应力和位移，既便于对比分析，又可避免多个近距离钻孔之间的相互干扰，保证了测试结果的准确性，同时减小了钻孔工作量；光纤光栅不受电磁、湿度及腐蚀环境的影响，而且球体与围岩及孔内灌注的浆体之间接触充分，保证了应力测试结果的准确性与可靠性；由于球体通过灌注浆液的方式固定在围岩孔内，不会产生松脱现象，避免了错误的位移测试结果。

Description

围岩应力与位移集成采集装置及方法
技术领域
本发明涉及一种采集装置及方法，尤其是一种适用于地下工程监测的围岩应力与位移集成采集装置及方法。
背景技术
为保证地下空间工程的安全稳定性，同时为工程的优化设计提供可靠依据，必须进行工程围岩应力与位移的现场监测。
目前，现场围岩应力与位移的监测一般采用钻孔应力计（振弦式或油压式）和多点位移计分别监测围岩应力和位移，存在以下几方面的不足：
（1）钻孔工作量大：由于应力监测与位移监测相互独立，而且一个钻孔仅能监测一个点的应力，为监测围岩不同深度的应力和位移需要钻凿多个测试孔。
（2）钻孔间相互干扰：为对照分析围岩某处的应力与位移演化规律，需要在待测位置近距离地钻凿多个应力测孔和位移测孔，钻孔间存在相互干扰，使得测试结果失真。
（3）钻孔应力计仅能测单向应力：现有的钻孔应力计，不管是振弦式还是油压式，一个应力计仅能粗略地监测某点一个方向的应力，无法测试该点的三维应力。
（4）可靠性差：钻孔应力计与围岩接触不充分，传力不可靠，导致测试结果不准确；多点位移计的基点一般采用机械式固定，容易出现松脱滑动现象，导致测试结果错误；由于无法获得同一位置的应力和位移，测试数据用于对照分析的可信度较差。
发明内容
技术问题：本发明的目的是针对现有技术中存在的问题，提供一种结构简单、操作方便、省时省力、测量准确高的围岩应力与位移集成采集装置及方法。
技术方案：本发明的围岩应力与位移集成采集装置，包括与待测围岩弹性模量相近的多个球体，多个球体之间设有套管，经套管螺纹连接为一体，各球体的中部分别钻有与套管相连通的螺纹孔，各球体的内分别粘贴有六个不同方向的光纤布拉格光栅，每个球体与其内部沿六个方向粘贴的光纤布拉格光栅共同组成一个三维应力测试单元，每个球体上均固定有一根穿出套管与显示器相连的钢丝，各球体内的光纤布拉格光栅上均连接有一根穿出套管与光栅解调仪相连接的光缆。
所述的多个球体为2~10个；所述套管的长度根据测试基点的间距确定。
利用上述装置实现围岩应力与位移集成采集的方法： 
a、根据围岩测试深度及测点数量制作相应数量的三维应力测试单元和套管；
b、首先将球体与钢丝连接，然后将光缆和钢丝穿过套管并将套管与球体螺纹连接为一体，使各个球体中对应光栅的布设方向一致；
c、将组装好的三维应力测试单元和套管放入测试的围岩钻孔内，灌浆固定，把外露钢丝和光缆分别与位移显示器和光栅解调仪连接；
d、记录应力测试单元中x、y、z方向光栅的指向、位移显示器和光栅解调仪的初始读数，将光栅解调仪的初始读数代入公式（1）、（2）、（3）并辅以公式（4）求得测点的初始应力大小和方向；
e、以后每次进行数据采集时，将测得的位移计读数减去其初始读数即可获得该测点的位移值；将光栅解调仪的读数代入公式（1）、（2）、（3）并辅以公式（4）即可求得测点在该时刻的应力大小和方向；
所述的公式（1）、（2）、（3）、（4）分别如下：
Figure 2012103096562100002DEST_PATH_IMAGE002
              （1）
式中，
Figure 2012103096562100002DEST_PATH_IMAGE004
、
Figure 2012103096562100002DEST_PATH_IMAGE006
、
Figure 2012103096562100002DEST_PATH_IMAGE008
——测点处沿x、y、z方向的正应力；
Figure 2012103096562100002DEST_PATH_IMAGE010
、
Figure 2012103096562100002DEST_PATH_IMAGE012
、
Figure 2012103096562100002DEST_PATH_IMAGE014
——测点处的剪应力；
、
Figure 2012103096562100002DEST_PATH_IMAGE018
、
Figure 2012103096562100002DEST_PATH_IMAGE020
——测点处沿x、y、z方向的正应变；
Figure 2012103096562100002DEST_PATH_IMAGE022
、
Figure 2012103096562100002DEST_PATH_IMAGE024
、
Figure 2012103096562100002DEST_PATH_IMAGE026
——测点处的剪应变；
q、G——拉梅常数。
其中，剪应变
Figure DEST_PATH_IMAGE022A
、、
Figure DEST_PATH_IMAGE026A
可通过下式求解获得：
Figure 2012103096562100002DEST_PATH_IMAGE028
                 （2）
式中的六个应变
Figure DEST_PATH_IMAGE016A
、
Figure DEST_PATH_IMAGE018A
、
Figure DEST_PATH_IMAGE020A
及、
Figure 2012103096562100002DEST_PATH_IMAGE032
、
Figure 2012103096562100002DEST_PATH_IMAGE034
由球体（1）内粘贴的六个光纤光栅测得；
拉梅常数q、G与弹性模量E和泊松比μ的关系为：
Figure 2012103096562100002DEST_PATH_IMAGE036
○2空间某点的主应力与该点的六个应力分量之间满足下式：
Figure 2012103096562100002DEST_PATH_IMAGE038
                （3）
式中，
Figure 2012103096562100002DEST_PATH_IMAGE040
、
Figure 2012103096562100002DEST_PATH_IMAGE042
、
Figure 2012103096562100002DEST_PATH_IMAGE044
分别为主应力
Figure 2012103096562100002DEST_PATH_IMAGE046
 、
Figure 2012103096562100002DEST_PATH_IMAGE048
、
Figure 2012103096562100002DEST_PATH_IMAGE050
的方向余弦，它们之间满足：
Figure 2012103096562100002DEST_PATH_IMAGE052
                       （4）
有益效果：本发明可实现在一个钻孔中同时对围岩不同深度的三维应力与径向位移进行测量，其优点如下：
（1）可测量三维应力：通过测量某点六个方向的应变可计算出该点的三维应力；
（2）集成监测：在一个钻孔中同时测量应力和位移，既便于对比分析，又可避免多个近距离钻孔之间的相互干扰，保证了测试结果的准确性，同时减小了钻孔工作量；
（3）可靠性高：光纤光栅不受电磁、湿度及腐蚀环境的影响，而且球体与围岩及孔内灌注的浆体之间接触充分，保证了应力测试结果的准确性与可靠性；由于球体通过灌注浆液的方式固定在围岩孔内，不会产生松脱现象，避免了错误的位移测试结果。
附图说明
图1是本发明的围岩应力与位移集成采集装置示意图；
图2(a)是本发明的三维应力测试单元线主视框图；
图2(b)是本发明的三维应力测试单元线左视框图；
图2(c)是本发明的三维应力测试单元线俯视框图；
图2(d)是本发明的三维应力测试单元线西南等轴测视图；
图3(a)是本发明的三维应力测试单元实体剖切主视图；
图3(b)是本发明的三维应力测试单元实体剖切左视图；
图3(c)是本发明的三维应力测试单元实体剖切俯视图；
图3(d)是本发明的三维应力测试单元实体剖切西南等轴测视图；
图4是本发明的三维应力测试原理图。
图中：1—球体；2—套管；3—钢丝；4—光缆；5—光纤布拉格光栅；6—螺纹孔。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的一个实施例作进一步的描述：
如附图1所示，本发明的围岩应力与位移集成采集装置主要由与待测围岩弹性模量相近的多个球体1、套管2、钢丝3和光缆4构成。所述的多个球体1为2~10个，根据测试范围选定个数。多个球体1之间设有套管2，经套管2将多个球体1螺纹连接为一体，套管2的长度根据测试基点的间距确定。各球体1的中部分别钻有与套管2相连通的螺纹孔6，各球体1的内部分别沿六个不同方向粘贴有光纤布拉格光栅5，每个球体1上均固定有一根穿出套管2与显示器相连的钢丝3，各球体1内的光纤布拉格光栅5上均连接有一根穿出套管2与光栅解调仪相连接的光缆4。
如附图2所示，球体由弹性模量与待测围岩相近的材料制成，用于传递待测点的围岩应力并兼做位移测试的基点；每个球体1与其内部沿六个方向粘贴的光纤布拉格光栅5共同组成一个应力测试单元，其中三个沿正交方向，另外三个与正交方向分别成45度夹角，用于测量六个方向的应变，继而根据球体的弹性模量计算出三维应力。光缆一端与光纤布拉格光栅5连接，另一端与光栅解调仪连接，用于传递光信号。套管的两端加工有螺纹，其规格与球体1的孔内螺纹匹配，用于连接球体并铺设钢丝和光缆。钢丝的一端固定在球体上，另一端沿套管内引至围岩孔口与显示器相连。
本发明的围岩应力与位移集成采集方法： 
a、制作：根据测试深度及测点数量的要求制作相应数量的三维应力测试单元和合适长度的套管2；
b、组装：首先将球体1与钢丝3连接，然后将光缆4和钢丝3穿过套管2并将套管2与球体1通过螺纹连接，并注意使各个球体中对应光栅的布设方向一致，以便于根据测试结果计算主应力大小和方向；
c、安设：将组装好的围岩应力与位移集成采集装置放入钻孔并采用灌浆的方式固定在钻孔内，把外露钢丝和光缆分别与位移显示器和光栅解调仪连接；记录应力测试单元中x、y、z方向光栅的指向、位移显示器和光栅解调仪的初始读数，将光栅解调仪的初始读数代入公式（1）、（2）、（3）并辅以公式（4）求得测点的初始应力大小和方向；
d、结果分析：将各个时刻测得的位移计读数减去其初始读数即可获得测点在不同时刻发生的位移；将光栅解调仪的读数代入公式（1）、（2）、（3）并辅以公式（4）即可求得测点在相应时刻的应力大小和方向。应力和位移的测读原理如下：
1. 三维应力测试原理
○1根据弹性力学原理，空间某点的六个应力分量可由式（1）求得
Figure DEST_PATH_IMAGE002A
              （1）
式中，
Figure DEST_PATH_IMAGE004A
、
Figure DEST_PATH_IMAGE006A
、
Figure DEST_PATH_IMAGE008A
——测点处沿x、y、z方向的正应力；
Figure DEST_PATH_IMAGE010A
、
Figure DEST_PATH_IMAGE012A
、——测点处的剪应力；
Figure DEST_PATH_IMAGE016AA
、、——测点处沿x、y、z方向的正应变；
Figure DEST_PATH_IMAGE022AA
、
Figure DEST_PATH_IMAGE024AA
、
Figure DEST_PATH_IMAGE026AA
——测点处的剪应变；
q、G——拉梅常数。
其中，三个正应变
Figure DEST_PATH_IMAGE016AAA
、
Figure DEST_PATH_IMAGE018AAA
、
Figure DEST_PATH_IMAGE020AAA
可直接由光纤光栅传感器测得，剪应变
Figure DEST_PATH_IMAGE022AAA
、、
Figure DEST_PATH_IMAGE026AAA
可通过式（2）求解获得。式中的六个应变
Figure DEST_PATH_IMAGE016AAAA
、
Figure DEST_PATH_IMAGE018AAAA
、
Figure DEST_PATH_IMAGE020AAAA
及
Figure DEST_PATH_IMAGE030A
、
Figure DEST_PATH_IMAGE032A
、
Figure DEST_PATH_IMAGE034A
，如图4所示，则由球体内粘贴的六个光纤光栅测得。
Figure DEST_PATH_IMAGE028A
                         （2）
拉梅常数q、G与弹性模量E和泊松比μ的关系为
Figure DEST_PATH_IMAGE036A
○2空间某点的主应力与该点的六个应力分量之间满足
Figure DEST_PATH_IMAGE038A
                    （3）
式中，
Figure DEST_PATH_IMAGE040A
、
Figure DEST_PATH_IMAGE042A
、
Figure DEST_PATH_IMAGE044A
分别为主应力
Figure DEST_PATH_IMAGE046A
 、
Figure DEST_PATH_IMAGE048A
、
Figure DEST_PATH_IMAGE050A
的方向余弦，它们之间满足
Figure DEST_PATH_IMAGE052A
                             （4）
根据式（3）和（4）即可求得该点的主应力大小和方向。
2. 围岩位移测试原理
每个球体相当于多点位移计的一个锚头，每个锚头与一根细钢丝相连并沿套管内部引至钻孔口与显示器连接，各个锚头与孔口的相对位移及锚头间的相对位移都可以通过显示器直观地获取。

Claims (4)

1.一种围岩应力与位移集成采集装置，其特征在于：它包括与待测围岩弹性模量相近的多个球体（1），多个球体（1）之间设有套管（2），经套管（2）螺纹连接为一体，各球体（1）的中部分别钻有与套管（2）相连通的螺纹孔（6），各球体（1）的内分别粘贴有六个不同方向的光纤布拉格光栅（5），每个球体（1）与其内部沿六个方向粘贴的光纤布拉格光栅（5）共同组成一个三维应力测试单元，每个球体（1）上均固定有一根穿出套管（2）与显示器相连的钢丝（3），各球体（1）内的光纤布拉格光栅（5）上均连接有一根穿出套管（2）与光栅解调仪相连接的光缆（4）。
2.根据权利要求1所述的围岩应力与位移集成采集装置，其特征在于：所述的多个球体（1）为2~10个。
3.根据权利要求1所述的围岩应力与位移集成采集装置，其特征在于：所述多个球体（1）之间的套管（2）的长度根据测试基点的间距确定。
4.一种如权利要求1、2或3所述装置的围岩应力与位移集成采集方法： 
a、根据围岩测试深度及测点数量制作相应数量的三维应力测试单元和套管（2）；
b、首先将球体（1）与钢丝（3）连接，然后将光缆（4）和钢丝（3）穿过套管（2）并将套管（2）与球体（1）螺纹连接为一体，使各个球体（1）中对应光栅的布设方向一致；
c、将组装好的三维应力测试单元和套管（2）放入测试的围岩钻孔内，灌浆固定，把外露钢丝和光缆分别与位移显示器和光栅解调仪连接；
d、记录应力测试单元中x、y、z方向光栅的指向、位移显示器和光栅解调仪的初始读数，将光栅解调仪的初始读数代入公式（1）、（2）、（3）并辅以公式（4）求得测点的初始应力大小和方向；
e、以后每次进行数据采集时，将测得的位移计读数减去其初始读数即可获得该测点的位移值；将光栅解调仪的读数代入公式（1）、（2）、（3）并辅以公式（4）即可求得测点在该时刻的应力大小和方向；
所述的公式（1）、（2）、（3）、（4）分别如下：
Figure 2012103096562100001DEST_PATH_IMAGE002
              （1）
                  （2）
Figure 2012103096562100001DEST_PATH_IMAGE006
                （3）
Figure 2012103096562100001DEST_PATH_IMAGE008
                         （4）
式中，
Figure 2012103096562100001DEST_PATH_IMAGE010
、、
Figure 2012103096562100001DEST_PATH_IMAGE014
——测点处沿x、y、z方向的正应力；
Figure 2012103096562100001DEST_PATH_IMAGE016
、
Figure 2012103096562100001DEST_PATH_IMAGE018
、
Figure 2012103096562100001DEST_PATH_IMAGE020
——测点处的剪应力；
、
Figure 2012103096562100001DEST_PATH_IMAGE024
、
Figure 2012103096562100001DEST_PATH_IMAGE026
——测点处沿x、y、z方向的正应变，由光纤光栅测得；
Figure 2012103096562100001DEST_PATH_IMAGE028
、
Figure 2012103096562100001DEST_PATH_IMAGE030
、
Figure 2012103096562100001DEST_PATH_IMAGE032
——测点处的剪应变；
Figure 2012103096562100001DEST_PATH_IMAGE034
、
Figure 2012103096562100001DEST_PATH_IMAGE036
、
Figure 2012103096562100001DEST_PATH_IMAGE038
——测点O处象限角xOy、yOz、xOz平分线上的正应变，由光纤光栅测得；
Figure 2012103096562100001DEST_PATH_IMAGE040
、
Figure 2012103096562100001DEST_PATH_IMAGE042
、
Figure 2012103096562100001DEST_PATH_IMAGE044
——主应力 、
Figure 2012103096562100001DEST_PATH_IMAGE048
、
Figure 2012103096562100001DEST_PATH_IMAGE050
的方向余弦；
q、G——拉梅常数，它们与弹性模量E和泊松比μ的关系为：
Figure 2012103096562100001DEST_PATH_IMAGE052
。
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