CN103743501A - 便携式气动脉冲地应力原位测试仪 - Google Patents

Abstract

本发明便携式气动脉冲地应力原位测试仪主要由信号发射系统、信号采集系统、数据处理系统、信息显示系统组成。基于气动脉冲原理，通过在测试空间中打设不同方向的实测钻孔，将钻孔探针置于实测钻孔底部，通过红外线定向控制经过加压后的空气脉冲冲击实测钻孔底部的岩石表面，使岩石表面压陷，对变形量进行实时监测，基于力的平衡原理，通过微处理器对监测变形数据进行处理，从而计算出原岩应力的大小和方向。该仪器用于实现复杂地质条件下地应力原位测试的低成本化和可视化，在地应力原位测试中具有广泛的适用性。

Description

便携式气动脉冲地应力原位测试仪

技术领域

本发明涉及一种地应力原位测试仪，尤其是一种便携式的气动脉冲测试仪器，用于复杂地质条件下的岩土工程，特别是地下空间工程的地应力原位测试技术中。

背景技术

随着我国国民经济建设快速稳步发展，在复杂地形地貌条件下修建大量的岩土工程已经基本涵盖了能源、水利水电和交通运输等各个方面。特别是对于地下空间工程而言，原位地应力的测量和相关的研究工作尤为重要。我国在20世纪首次成功进行原位地应力测试之后，在地应力测量方面积累的大量的研究成果。目前已经形成完整的地应力测试手段及分析方法，主要包括应力解除法、应力恢复法、水压致裂法、钻孔崩落法、震源机制分析法、地质资料分析法、岩石强度估计应力法、凯瑟效应法（Kaiser法）、原子磁性共振法、同位素法等，有效的满足了地应力原位测试的基本要求，对于岩土工程的顺利施工奠定了良好的基础。由于岩土工程施工环境的复杂性和多变性，加之现有测试技术和测试方法操作工艺复杂，部分测试技术费用昂贵，且对地质环境（水、温度、磁场）的适应性不强等因素造成地应力原位测试工作面临诸多困难。缺少对原始地应力环境的准确把控是导致一系列岩土工程施工安全事故屡屡发生的根本诱因。提供一种携带方便、操作简单、对地质环境适应性强的地应力原位测试仪器是复杂工程地质条件下岩土工程施工的客观要求，也是丰富我国地应力原位测试技术体系的根本要求。为此，本发明提出一种便携式气动脉冲地应力原位测试仪，基于气动脉冲原理，通过在原岩地质体中打设不同方向的实测钻孔，将钻孔探针置于实测钻孔底部，通过红外线定向控制高压气流冲击岩石表面，使岩石表面压陷，产生的应变通过信号探测器进行实时监测，通过微处理器对监测到的压陷量进行处理，从而计算出原岩应力的大小和方向，在可视化的彩色电子显示屏上显示，用于实现复杂地质条件下地应力原位测试的低成本化和可视化。

发明内容

技术问题：本发明的目的是提供一种操作简单、准确度高、数据处理方便可信的便携式气动脉冲地应力原位测试仪器，实现复杂岩土工程特别是地下空间工程中地应力的快速测定。

技术方案：本发明便携式气动脉冲地应力原位测试仪包括信号发射系统、信号采集系统、数据处理系统、信息显示系统组成。其中数据处理系统和信号显示系统全部封装在留设USB接口的便携式地应力原位测试仪中。所述的信号发射系统由钻孔探针、进气口、压力平衡器、空气加压器、空气喷头、红外定向控制器组成。信号采集系统包括变形监测仪和信号放大器组成。数据处理系统通过A/D转换器将信号放大器传输的实测变形信号转化为数据信号传递到微处理器进行数据处理，微处理器通过蓄电池提供动力。由彩色电子屏、压力监测仪组成的信息显示系统实时传输经过微处理器计算过的地应力实测值，所有实测数据和计算数据保存在内存卡中。

有益效果：本发明应用地应力原位测试技术中，具体应用在复杂岩土工程特别是地下空间工程的地应力原位测试技术中，采用便携式气动脉冲地应力原位测试仪可以有效地减少传统地应力原位测试的操作环节，实现了地应力原位测试的简单化和低成本化。此外，便携式气动脉冲地应力原位测试仪降低了仪器对于特殊地质条件适应性的严格要求，很大程度上减少了由于特殊环境带来的测量误差，保证了测试数据的科学性和准确性。同时，可视化信息显示系统实现了井下实测数据的实时显示和完整传输，最大限度的记录数据。微处理器进行实测数据的处理规避了由于人工处理计算带来的误差，也降低了数据处理的程序，提高了实测数据的准确性。

便携式气动脉冲地应力原位测试仪结构紧凑，设计精巧合理，操作简单，在岩土工程地应力原位测试方面具有广泛的实用性，使复杂地质环境下的岩土工程地应力原位测试简单化，保证了所有实测数据的真实可靠。

附图说明

图1是本发明便携式气动脉冲地应力原位测试仪基本原理示意图。

图2是本发明便携式气动脉冲地应力原位测试仪整体结构图。

图中：1-测试空间，2-实测钻孔，3-便携式气动脉冲地应力原位测试仪，4-实测钻孔底部，5-实测变形位置，6-理论变形位置，7-红外定向控制器，8-启动开关，9-彩色显示屏，10-压力平衡器，11-信号放大器，12-A/D信号转换器，13-进气口，14-内存卡，15-蓄电池，16-空气加压器，17-微处理器，18-手柄，19-压力监测仪，20-钻孔探针，21-空气喷口，22-变形监测仪。

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：

图1所示，本发明便携式气动脉冲地应力原位测试仪（3）安设在实测钻孔（2）中，实测钻孔按照任意方向均匀布置在待测工程地质体中，当加压后的空气到达实测钻孔（4）底部时，根据力的平衡原理，实测钻孔（4）底部的岩石应该到达理论变形位置（6），由于地应力的存在，只到达实测变形位置（5）。由此计算得到该实测钻孔（2）轴向位置的地应力大小。通过打设不同方向的实测钻孔（2），根据力的合成原理计算地应力的方向和大小。

图2所示，本发明便携式气动脉冲地应力原位测试仪由信号发射系统、信号采集系统、数据处理系统、信息显示系统组成。所述的信号发射系统的钻孔探针（20）布置在实测钻孔（2）底部，空气流经过进气口（13）到达空气加压器（16），加压后的空气流经过压力平衡器（10）后通过钻孔探针（20）输送到空气喷头（21），当压力监测仪（19）显示经过空气加压器（16）和压力平衡器（10）的空气压力达到预定值时，按动启动开关（8），加压后的空气流转换为脉冲信号，冲击实测钻孔底部（4），安装在空气喷头（21）上的变形监测仪（22）将实测钻孔（2）的实测变形位置（5）进行标记。信号采集系统中安装在钻孔探针（20）上的变形监测仪（22）将采集到的岩体形变通过钻孔探针（20）传输到信号放大器（11）。数据处理系统中的A/D信号转换器（12）将通过信号放大器（11）放大过的监测的数据转化为数字信号后传输到微处理器（17）。微处理器（17）计算处理完成的信息通过彩色显示屏（9）输出。微处理器（17）和空气加压器（16）所需的动力通过蓄电池（15）提供。所有测试数据和处理过的数据均存储在内存卡（14）中。

Claims (3)

1.便携式气动脉冲地应力原位测试仪，基于气动脉冲原理进行地应力原位测试；其特征在于：该便携式气动脉冲地应力原位测试仪通过空气加压后形成的高压脉冲挤压岩体产生形变，从而实现地应力的原位测试。

2.根据权利要求1所述的便携式气动脉冲地应力原位测试仪，其特征在于：所述的测试仪（1）通过其内部的空气加压器（16）对空气流加压形成脉冲信号，冲击实测钻孔底部（4）的岩体，使其产生形变。

3.根据权利要求1所述的便携式气动脉冲地应力原位测试仪，其特征在于：所述的测试仪（1）通过红外定向控制器（7）调整空气喷头（21）的方向。

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