CN105043610B - 一种测量地应力的高灵敏度钻孔变形计及其检测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种测量地应力的高灵敏度钻孔变形计及其检测方法，在变形计外壳内设置四组环式传感器，每一组环式传感器由两片厚弧形钢片、两片薄弧形钢片相间首尾连接组成；每片薄弧形钢片的圆弧中心位置的内外两侧对应地分别粘贴一片感应电阻片；每片厚弧形钢片的圆弧外侧顶部中心上设置有感应触头。四组环式传感器上八个感应触头分别穿过所述的变形计外壳外周上八个检测孔，以便于检测待测岩体内的应变。利用应力解除法测量岩体变形；通过标定的应变和变形关系，计算获得测量孔孔径变形量，根据变形量反算出地应力。
Description
技术领域
本发明涉及主要应用于岩体的地应力测量，属于岩土工程技术领域，具体地指一种测量地应力的高灵敏度钻孔变形计及其检测方法，本发明还步及利用这种钻孔变形计的检测方法。
背景技术
地应力是赋存于岩体中的一种应力，它不仅是地质环境与地壳稳定性评价的主要因素，也是地质工程设计和施工的重要资料之一。目前工程上应用最广泛的应力测量方法是水压致裂法和套孔应力解除法。由于水压致裂法存在必须事先假定地应力张量的一个主方向与钻孔轴向一致的局限，因此，套孔应力解除法因其可靠性和稳定性被认为是获得空间三维应力的理想测试方法。套孔解除法中变形法和应变计法应用广泛，主要有以下2种方法：
(1)岩土力学(1983年，第4卷第1期)36-2型钻孔变形计的组装工艺和现场应用；
(2)岩土力学(1987年，第8卷第3期)空心包体式孔壁应变计。
套孔应力解除法中，一般由变形法和应变计法这两种方式。应变计法的精度和可靠性不高，操作麻烦；而变形法操作相对便利，精度和可靠性较高。因此，最常用的是变形法的套孔应力解除法测量。
工程中套孔解除法使用最多的是36-2型钻孔变形计，其传感器为钢环式传感器，套孔应力解除过程中将应力释放产生的钻孔变形转化为钢环的变形。但是，对于软弱岩石，36-2型钻孔变形计传感器刚度较大，触头会给予钻孔壁较大压力、压碎接触处岩石，所测得变形量大于实际的钻孔变形，产生较大误差。在一般情况下，进行应力解除法的坚硬岩石，其钻孔变形较小，而36-2型钻孔变形计灵敏度较低，使得测量的精度不高。同时，36-2型钻孔变形计的传感器不易粘贴应变片，回收率低。
如何有效测量各种岩体、特别是孔径变形小的情况，保证检测结果可信且灵敏度高，这一直是本领域技术人员公认的难题和努力探索的方向，但至今为止尚无令人满意的技术方案问世。
发明内容
本发明的第一目的在于克服上述现有背景技术的不足之处，而提供一种测量地应力的高灵敏度钻孔变形计。
本发明的第一目的是通过如下措施来达到的，测量地应力的高灵敏度钻孔变形计：头部为变形计头部，中部为空腔圆柱体形的变形计外壳，尾部为锥形卡紧器，所述的变形计外壳内部依次设置有：沿中心轴线设置有圆柱体形的锁座栓，在所述的锁座栓上依次相互间隔套装有四组环式传感器和三个传感器座；每组环式传感器上设置有两个感应电阻片；所述的每个感应电阻片分别接有数据电缆内的电线；所述的数据电缆通过锁座栓的底部的接线板经由电缆压紧圈在锥形卡紧器尾部引出；
所述的每一组环式传感器由两片厚弧形钢片、两片薄弧形钢片相间首尾连接组成；每片薄弧形钢片的圆弧中心位置的内外两侧对应地分别粘贴一片感应电阻片；每组感应电阻片的法向的中心轴线重合且穿过环式传感器外周圆的圆心O；每片厚弧形钢片的圆弧外侧顶部中心上设置有感应触头；所述的感应触头的中心轴线穿过环式传感器外周圆的圆心O；
每个组环式传感器上，两个感应触头的中心轴线和两个感应电阻片的法向的中心轴线相互垂直且相交于环式传感器外周圆的圆心O；
四组环式传感器上八个感应触头分别穿过所述的变形计外壳外周上八个检测孔。
上述技术方案中，所述变形计外壳外的八个检测孔分为四组，对应四组环式传感器；以变形计外壳的中心轴线为轴，两两相邻的一组检测孔变形计外壳圆周上依次旋转相差45°。
上述技术方案中，所述的环式传感器中的两片厚弧形钢片为同等大小的环形的圆弧片，圆弧角度在90°～180°之间。
上述技术方案中，所述的环式传感器中的两片薄弧形钢片为同等大小的环形的圆弧片，圆弧角度在90°～180°之间。
上述技术方案中，每片厚弧形钢片的两端设置有厚弧形钢片螺孔，该厚弧形钢片螺孔的中心轴线穿过环式传感器外周圆圆心O；每片薄弧形钢片的两端设置有薄弧形钢片螺孔，该薄弧形钢片螺孔的中心轴线穿过环式传感器外周圆圆心O；每片厚弧形钢片上的厚弧形钢片螺孔部位设置有台阶式凹槽，该台阶式凹槽的厚度及宽度和薄弧形钢片的厚度及宽度相同；将两片薄弧形钢片和两片厚弧形钢片相间首尾连接，所述的薄弧形钢片插入所述厚弧形钢片的后弧形钢片螺孔的台阶式凹槽上，薄弧形钢片螺孔和厚弧形钢片螺孔对齐时，对应位置的薄弧形钢片螺孔和厚弧形钢片螺孔的中心轴线重合并穿过外环形传感器外周圆圆心O，将对应的薄弧形钢片螺孔和厚弧形钢片螺孔用螺钉固定，组成一个环式传感器。
利用本发明所设计的一种测量地应力的高灵敏度钻孔变形计的检测方法，包括以下步骤：
步骤1)在室内标定台上标定高灵敏钻孔变形计的灵敏度K，并确定应变片读数变化量和地应力的对应关系；
δ＝Δε/K (式1)
Δε为套钻解除初始时和套钻进至30cm处时的变形计读数差；
δ为测量孔的孔径变形量；
(式2)
(式3)
σ1、σ2为平面主应力；α为σ1与δ0的夹角；
E为待测岩体的弹性模量；ν为待测岩体的泊松比；
D为测量孔的直径；
δ0、δ45、δ90表示应变分别选择自三个依次相位相差45°的环式传感器；
步骤2)在测试现场，套钻钻进至地应力测试区域岩体，并记录钻孔方位，将高灵敏钻孔变形计连通静态应变仪，校正采集参数；
步骤3)将高灵敏钻孔变形计推入测量孔中，记录静态应变仪读数；
步骤4)启动定向器测量记录高灵敏钻孔变形计深入的方位、钻孔的方位和钻孔的倾角；
步骤5)等待静态应变仪读数稳定，记录为应变初始值，然后和步骤2)一样校正并调零；
步骤6)钻探套孔，对测量孔进行应力解除，在解除应力的过程中每钻进2cm，记录下各测点的读数，套钻钻进至30cm时，若连续两次读数相差不超过5με确认为稳定，即可停止钻探同时停止记录数据；
步骤7)折断岩芯，取出带有高灵敏钻孔变形计的岩芯，回收变形计探头；
步骤8)将现场测得应变值Δε代入步骤1)中的式1、式2、式3，计算得到岩体的地应力。
上述检测方案中，所述步骤3)还包括如下步骤：
步骤3.1)待测量的地应力岩体区域内钻探一段套孔进至到目标范围；
步骤3.2)在上述钻探的套孔的下方，再钻探一个测量孔；所述的测量孔和套孔同轴但直径较小；
步骤3.3)用推杆将变形计探头送进测量孔内，记录变形计探头在测量孔中的方位，并记录采集主机的初始读数；
步骤3.4)套钻钻进套孔，对测量孔周围的岩体进行应力解除，记录静态应变仪当前读数。
本发明所设计的高灵敏度钻孔变形计改变现有传感器的结构形式，采用组合圆环传感器代替36-2型钻孔变形计中的钢环式传感器。本发明所采用的环式传感器由薄、厚弧形钢片组成。薄、厚弧形钢片的设计采取适当的厚度，从而保证在进行应力解除时，厚弧形钢片只发生刚体平移，薄弧形钢片只发生弯曲变形。因此，薄弧形钢片上的感应电阻片能够有效的测量出薄弧形钢片的弯曲形变程度，从而测量地应力。
感应触头发生相同的位移量时，本发明所采用的环式传感器上粘贴应变片测得应变量远大于36-2型钻孔变形计应变片测得的应变量。由于薄弧形钢片的厚度明显小于36-2型钻孔变形计传感器的钢环厚度，使得本发明所设计的环式传感器的刚度小于原36-2型钻孔变形计所使用的整体钢环的刚度；感应触头与钻孔壁接触处的应力更小，更易于测量。
环式传感器采取组合结构，各部分薄、厚弧形钢片可拆卸，在薄弧形钢片上粘贴感应电阻片的工作更加便捷，而且厚弧形钢片可以重复回收利用。每个环式传感器的结构稳定，在应力解除过程中，不易受到套钻旋转振动的影响。
室内对环式传感器灵敏度标定和现场定向器的使用，保证测试结果的合理性。获取测变形计应变数据之后，在现场即可快速计算出测量平面地应力量值和方位。
本发明设计合理，结构简单，灵敏度高，稳定性好，适用于软硬岩石的套孔应力解除法的地应力测量。
附图说明
图1为本发明所设计的钻孔变形计的结构示意图。
图2为钻孔变形计的触头位置分布图。
图3为钻孔变形计中钢片传感器安装结构示意图。
图4为钻孔变形计测量岩体时的设备结构示意图。
图5为待测量岩体上钻套孔的示意图。
图6为待测量岩体上钻探测孔的示意图。
图7为待测量岩体上探测孔内的钻孔变形计安装示意图。
图8为待测量岩体上钻孔变形计测量示意图。
图9为测量岩体时钻孔变形计安装示意图。
图10为测量岩体时变形计的探头上的标计点水平夹角示意图。
图11为实施例中套钻解除距离与各个环式传感器对应的应变关系图。
图中：环式传感器1、传感器座2、传感触头3、传感器座盖4、锁座栓5、接线板6、电缆压紧圈7、压紧螺母8、变形计头部9、变形计外壳10、锥形卡紧器11、数据电缆12、厚弧形钢片13、薄弧形钢片14、感应电阻片15、检测孔16、环式传感器外周圆17、环式传感器外周圆圆心O、测量孔18、套孔19、变形计探头20、静态应变仪21、标记点22。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明的装置及检测方法作进一步的详细描述。
高灵敏度钻孔变形计的结构
如图1～3所示的高灵敏度钻孔变形计包括如下部分：头部为变形计头部9，中部的最外层为变形计外壳10，尾部为锥形卡紧器11，最后连有数据电缆12。变形计头部9至锥形卡紧器11尾部，不包括后方的数据电缆12为变形计探头20。
所述的变形计头部9为半圆球型，顶端中心设置有半球形凸起。所述变形计头部9的底部安装在变形计外壳10上。所述的变形计外壳10为空心圆柱形，直径和变形计头部9相同。所述变形计外壳10的后方通过压紧螺母8安装锥形卡紧器11。
变形计外壳10外周上有八个检测孔16，分为四组检测孔16。在变形计外壳10同一外周圆上的两个检测孔16为一组；每组的两个检测孔16的中轴线重合且穿过变形计外壳10外周圆圆心。变形计外壳10的外周圆的圆心均在变形计外壳10的中心轴线上。在变形计外壳10的外周圆上，相邻的一组检测孔16相对于该变形计外壳10中轴线在圆周上依次相差45°。
变形计外壳10内部为圆柱形空腔，依次设置有以下部件：沿中心轴线设置有圆柱体形的锁座栓5，在所述的锁座栓5上依次套装有四组环式传感器1和三个传感器座2；锁座栓5的底部安装有环形的接线板6。相邻两组环式传感器1之间为一个传感器座2，最后一组环式传感器1的后方为传感器座盖4。所述的环形传感器1、传感器座2、传感器座盖4和接线板6均为环形结构，前后有序的套装在上锁座栓5。
所述的每一组环式传感器1均为相同尺寸的圆环形结构，该环形传感器1的最外圈除了两个感应触头3以外为一个圆形即环式传感器外周圆17，其圆心为环式传感器外周圆圆心O。所述的环式传感器外周圆圆心O在该环式传感器1的中心轴线上。当该环式传感器1安装在变形计外壳10内后，该环式传感器1的中心轴线和变形计外壳10的中心轴线重合，该环式传感器外周圆圆心O和变形计外壳10的外周圆圆心重合。
所述的每一组环式传感器1由两片厚弧形钢片13、两片薄弧形钢片14相间首尾连接，相互之间以四个螺钉连接组成。每片厚弧形钢片13和每片薄弧形钢片14的最外周的圆弧在环式传感器外周圆17上，且圆心为环式传感器外周圆圆心O。
每片厚弧形钢片13的厚度为1.2mm，每片薄弧形钢片14的厚度为0.3～0.5mm。所述的薄弧形钢片14的厚度可以依据实际测量需要，较硬的岩体使用较厚的薄弧形钢片14，较软的岩体选择较薄的薄弧形钢片14。
每片厚弧形钢片13为同等大小的环形的圆弧片，圆弧角度在90°～180°之间。每片厚弧形钢片13的两端设置有厚弧形钢片螺孔13a，该厚弧形钢片螺孔13a的中心轴线穿过环式传感器外周圆圆心O。每片厚弧形钢片13的圆弧外侧顶部中心上设置有感应触头3。所述的感应触头3为圆柱体型，顶部为和圆柱体同径的半圆球。所述的感应触头3的中心轴线穿过环式传感器外周圆圆心O。
每片薄弧形钢片14为同等大小的环形的圆弧片，圆弧角度在90°～180°之间。每片薄弧形钢片14的两端设置有薄弧形钢片螺孔14a，该薄弧形钢片螺孔14a的中心轴线穿过环式传感器外周圆圆心O。每片薄弧形钢片14的圆弧中心位置上设置有一组感应电阻片15。每一组感应电阻片15包括两片同样大小的弧形片状的感应电阻片15。每片薄弧形钢片14的圆弧中心位置的内外两侧对应地分别粘贴一片感应电阻片15。每组感应电阻片15的法向上的中心轴线重合且穿过环式传感器外周圆圆心O。
每片厚弧形钢片13上的厚弧形钢片螺孔13a部位设置有台阶式凹槽，该台阶式凹槽的厚度及宽度和薄弧形钢片14的厚度及宽度相同。将两片薄弧形钢片14和两片厚弧形钢片13相间首尾连接，所述的薄弧形钢片13插入所述厚弧形钢片13的后弧形钢片螺孔13a的台阶式凹槽上，薄弧形钢片螺孔14a和厚弧形钢片螺孔13a对齐时，对应位置的薄弧形钢片螺孔14a和厚弧形钢片螺孔13a的中心轴线重合并穿过外环形传感器外周圆圆心O，将对应的薄弧形钢片螺孔14a和厚弧形钢片螺孔13a用螺钉固定，组成一个环式传感器1。
此时，每组环式传感器1外周的环形传感器外周圆17上：两个感应触头3的中心轴线重合穿过环形传感器外周圆圆心O；不同薄弧形钢片14上的同组感应电阻片15的法向上的中心轴线重合穿过环形传感器外周圆圆心O；两个感应触头3的中心轴线和不同薄弧形钢片14上的同组感应电阻片15的中心轴线相互垂直于环形传感器外周圆圆心O。
在所述的变形计外壳10内，利用锁座栓5安装所述的四个环式传感器1时：所述的四个环式传感器1前后串联，且依次相差45°相位；每组环式传感器1上的两个感应触头3的中心轴线在环形传感器外周圆17上依次旋转相差45°；每组环式传感器1上的感应触头3从所述变形计外壳10上的检测孔16中伸出，用于测量岩体。
四个环式传感器1以上述方式安装好后，将每组环式传感器1上的两个感应电阻片1分别接上数据电缆12内的电线，以供数据信号传输。数据电缆12经由电缆压紧圈7后，通过锥形卡紧器11引出。变形计外壳10与锥形卡紧器11之间通过压紧螺母8相连。
高灵敏度钻孔变形计的工作原理
本发明的目的是测量岩体内的地应力。地应力测量分为空间三维应力测量和平面应力测量。平面应力测量的是与测量孔垂直的平面上的二维应力。本发明所测量的平面地应力是垂直于测量孔的横截面上的地应力。
本发明所设计的高灵敏度钻孔变形计的工作原理为：测量岩体钻孔变形过程中的位移，并将其传递。
具体采用下述方式：首先在待测区域钻探一段套钻孔，然后在套钻孔底部同轴的钻探一个探孔，探孔内放入再用套钻的环形钻头同轴钻进将把应变计周围岩体的应力约束解除掉，所以称为应力解除法。应力约束解除之后，应变计周围岩体变形，应变计产生应变。通过标定的应变和变形关系，计算获得测量孔孔径变形量，根据变形量反算出地应力。
在本发明中，变形计位于钻孔内，发生形变时，感应触头3随之发生位移，同时带动厚弧形钢片13发生同步的刚体平移，促使薄弧形钢片14发生同步的弯曲变形；此时在感应电阻片15的位置会产生极大的应变变化；由此，钻孔的变形集中在感应电阻片15的位置反映出来，并通过该感应电阻片15由形变量转换为电信号。
理论上，测量孔的角度是可以任意的，但实际操作中，应用最多的是水平和近乎水平的。
高灵敏度钻孔变形计的检测步骤
如图4～11所示，本发明所设计的高灵敏钻孔变形计使用时，放入测量孔18的称为变形计探头20，其尾部的数据电缆12连接静态应变仪21后连接室内的计算机，以读取和存储数据并计算结果。
利用本发明所设计的高灵敏度钻孔变形计检测岩体的方法，包括以下步骤：
步骤1)在室内标定台标定高灵敏钻孔变形计灵敏度K，并确定应变片读数变化量和地应力的对应关系；
δ＝Δε/K (式1)
其中，K为标定后得到的变形计的灵敏度(με/10-3mm)；
Δε(单位为：με)为套钻解除初始时和套钻进至30cm处时的变形计读数差；
以表1中1号钢环为例，套钻钻进0cm时，应变读数为0，当套钻钻进至30cm时，其应变读数为266，则此时Δε＝266με。
δ(mm)表示测量孔18的孔径变形量。
(式2)
(式3)
σ1、σ2(Mpa)为平面主应力，α为σ1与δ0的夹角。E(GPa)为待测岩体的弹性模量，ν(无量纲)为待测岩体的泊松比。D(mm)为测量孔18的直径。
变形计中四个环式传感器1从变形计头部9起顺序编号为1号、2号、3号、4号，分别对应一个方向上的应变；由各个环式传感器1上的应变量，可以反推并计算得到四个环式传感器1对应的测量孔的孔径变形量；任选其中的三个孔径变形量就可以反推并计算相应的地应力。δ0的下标0、45和90表示一种所取三个孔径变形量对应的环式传感器1的相位顺序，即选择的三个环式传感器1依次相位相差45°(三个环式传感器1的中心轴线在变形计外壳10的中心轴线上依次旋转45°)分别是【1号、2号、3号】，【2号、3号、4号】，【3号、4号、1号】，【4号、1号、2号】四种方式。
步骤2)在测试现场，将高灵敏钻孔变形计连通静态应变仪21，校正采集参数；
静态应变仪21是YJ-H4型静态电阻应变仪。每组环式传感器1上有两个感应电阻片15，采用半桥连接。贴感应电阻片15的环式传感器1在未变形前，利用静态应变仪测得每个感应电阻片15的应变读数为0，表示半桥桥路电压平衡；校正读数为8888，表示静态应变仪内部电容平衡。现场开始测量前，需要对感应电阻片15进行应变校准。校准具体参数：应变读数为0，校正读数为8888。
步骤3)将高灵敏钻孔变形计推入测量孔18中，记录静态应变仪21读数；
步骤3.1)如图6所示，在测试现场，待测量的地应力岩体区域内钻探一段套孔19进至到目标范围，记录套钻的方位与深度。实际上，测量孔18的角度和套钻的角度是一致的。记录下套钻的方位就是记录了测量孔18的方位。
在本实施例的现场测量中，钻孔为水平钻孔，且垂直于隧道走向，
在地应力测试中，钻孔一般都是水平钻孔，且垂直于隧道走向。
步骤3.2)在上述钻探的套孔19的下方，再钻探一个测量孔18；所述的测量孔18和套孔19同轴但直径较小。
具体的，钻进测量孔18为实心直径36mm的钻头；钻进套孔19为类似圆环的钻头：内径110mm，外径120mm。钻探时，套孔19和测量孔18是同轴的同心圆。
一般情况下，中间的测量孔18的深度在30cm左右。
步骤3.3)用推杆将变形计探头20送进测量孔18内，记录变形计探头20在测量孔18中的方位，并记录采集主机的初始读数
用推杆将高灵敏钻孔变形计的变形计探头20推入测量孔18中时，由于变形计探头20的总长度为22.5cm，变形计探头20完全深入测量孔18即可。
此时，变形计探头20的后方依次是定向器和推杆，推杆将变形计探头20送入探测控18中。
步骤3.4)套钻钻进套孔19，对测量孔18周围的岩体进行应力解除，记录静态应变仪21当前读数。
步骤4)启动定向器，旋转推杆调整高灵敏钻孔变形计，测量记录高灵敏钻孔变形计深入的方位、钻孔的方位和钻孔的倾角，随后拉出推杆；
变形计放入测量孔之后，变形计一般都会转动角度，用定向器可以测到变动角度。变形计探头20放入测量孔18前，其尾部的标记点22对应的方向为竖直向上；此时，定向器读数为90°。在变形计探头20进入测量孔18的推进过程中，变形计探头20会整体发生偏转。
将变形计探头20放入测量孔18之后，启动定向器，测得变形计探头20的偏转角度。随后，取出推杆和定向器，并读取变形计探头20最终的偏转角度。原始角度90°，出现顺时针偏转，认为角度减小；逆时针偏转，认为角度增大。下文的实际测量实施例中，变形计探头20上的标记点22和右侧水平方向夹角为α＝-29°，表示变形计探头20在放入探测孔18的过程中，相对于右侧水平方向逆时针转动了29°。
变形计探头20组装时，其尾部的标计点22和3号钢环(从头部数起第3个)的一个触点对应的连线和变形计探头20的中心轴线平行；同时，该标记点22和定向器的90°点对应。因此，通过定向器可以确定该高灵敏钻孔变形计上的四个环式传感器1上的八个传感触头3测量时对应的方向。
检测的钻孔位置参数：1、钻孔深度；2、钻孔角度。例如，钻孔为水平钻孔时(即钻孔在水平面上)，但与隧道边帮壁面(地下隧道的墙壁面)成可以任意角度；一般选取钻孔角度垂直于壁面、或者与壁面成45°角，便于计算和分析。
具体数据由实际测试得到。
步骤5)等待静态应变仪21读数稳定，记录为应变初始值，然后和步骤2)一样校正数据并调零；
将变形计探头20刚放入测量孔18中的时候，因为感应触头3和测量孔18的孔壁接触，引起四个环式传感器1变形，环式传感器1上的感应电阻片15会产生变化并波动，静态应变仪21读数也会波动，静待一段时间，读数会稳定下来，这时候静态应变仪21的读数为装入测量孔18的应变值。
重新调零的目的是解除过程中测得数据容易读取和计算。
步骤6)钻探套孔19，对测量孔18进行应力解除，在解除应力的过程中每钻进2cm，记录下各测点的读数，套钻钻进至30cm时，若连续两次读数相差不超过5με确认为稳定，即可停止钻探，同时停止记录数据；
在地应力测试中，先把变形计探头20放进测量孔18中，然后钻进套孔19。套孔19的钻进距离对测量孔18变形有存在一定关系，因为测量孔18的变形对应的是变形计探头20上各个环式传感器1的形变。当套孔19钻进30cm时，套钻再继续钻进对各个环式传感器1的变形影响可以忽略不计。但是这个时候套钻的钻头还在旋转，会引起变形计里面几个环式传感器1的感应电阻片15的读数的波动，只要最后的两次读数波动在5με之内，就认为读数是稳定的。
步骤7)折断岩芯，取出带有高灵敏钻孔变形计的岩芯，回收变形计探头20；
步骤8)将现场测得应变值代入步骤1)中的式(1)、式(2)、式(3)，计算得到测量岩体的地应力。
四个环式传感器1上的感应电阻片15都可测到数据，在步骤1)中的公式可知，只需要三个环式传感器1的数据即可计算出地应力。一般的做法是，四个环式传感器1中任取三个即有四种组合方式，从而计算出四组地应力量值和角度，然后得出平均值作为检测结果。
现场测试实施例
在四川某引水隧洞进行地应力测试，相关数据如下：
弹性模量为E＝41.1GPa，泊松比为ν＝0.22，测量孔直径为D＝36mm；
本次套钻为水平钻孔，且垂直于隧洞壁面。
1)在变形计探头20放入测量孔18之前，先校准应变，主要目的是：平衡半桥电压。
2)2.a.将变形计探头20及其后方的定向器一同用推杆推进测量孔18中。
2.b.推进变形计探头20之后，退出定向器。此时，定向器显示读数即为变形计上探头20上的标计点22和右侧水平方向夹角为α＝-29°(逆时针方向)。
因为四组环式传感器1上的各个感应触头3和标记点关系是确定的，所以间接计算出四组环式传感器1上的各个感应触头3在测量孔18中的角度。
2.c.变形计探头20被推进测量孔18之后，待静态应变仪21上读数稳定之后，读取读数。
2.d.再次校准应变，主要目的：开始应力解除时各读数为0，便于以后的计算。
3)开动套钻，每2cm记录各个通道的应变值。当套钻钻进至30cm前后，比较最后两个数据之差，如果连续两次读数相差不超过5με确认为稳定，即可停钻。
4)将测得数据代入计算公式。
所有数据如下表1应力测试测量数据表所示。
表1 应力测试测量数据
将上述测量数据计算后，得到图11的套钻解除距离与各个环式传感器对应的应变关系图。
相应的，不同的环式传感器1测量得到的K、Δε、δ如表2所示：
标定获得的变形计灵敏度K(με/10-3mm)；
变形计从套钻开始解除到钻进至30cm处读数为Δε(即με)；
测量孔的孔径变形量δ(mm)；
表2：不同环式传感器测量得到的K、Δε、δ：
| 环式传感器编号 | 读数差Δε(单位με) | K(με/10-3mm) | δ(10-3mm) |
| 1号 | 266 | 9.4 | 28.3 |
| 2号 | 653 | 9.6 | 68 |
| 3号 | 392 | 9.2 | 46.2 |
| 4号 | -7 | 8.7 | -0.8 |
相应的环式传感器1不同相位δ0、δ45、δ90所测得的σ1、σ2以及形成的角，如下表3所示：
表3：环式传感器1不同相位δ0、δ45、δ90所测得的σ1、σ2以及形成的角：
角为σ1与水平向右方向所成角度(°)：/>
n表示δ0对应的环式传感器1的编号(从头部数起)，112°为此次试验中定向器测得读数。
的取值范围在-90°～90°，所有大于90°的/>需要减去180°。表3中，第3组δ0计算出/>的实际结果是151°，减去180°后为-29°；实际这两个角度是一条直线上。
计算出四组地应力量值和角度，然后得出平均值作为检测结果：
最大主应力＝29.7MPa；
最小主应力＝9.65MPa；
主应力方向＝-29°(以水平向右为起始线，顺时针旋转29°)。
其他未说明的部分均属于现有技术。
Claims (6)
1.一种测量地应力的高灵敏度钻孔变形计，头部为变形计头部(9)，中部为空腔圆柱体形的变形计外壳(10)，尾部为锥形卡紧器(11)，其特征在于：所述的变形计外壳(10)内部依次设置有：沿中心轴线设置有圆柱体形的锁座栓(5)，在所述的锁座栓(5)上依次相互间隔套装有四组环式传感器(1)和三个传感器座(2)；每组环式传感器(1)上设置有两个感应电阻片(15)；所述的每个感应电阻片(15)分别接有数据电缆(12)内的电线；所述的数据电缆(12)通过锁座栓(5)的底部的接线板(6)经由电缆压紧圈(7)在锥形卡紧器(11)尾部引出；
所述的每一组环式传感器(1)由两片厚弧形钢片(13)、两片薄弧形钢片(14)相间首尾连接组成；每片薄弧形钢片(14)的圆弧中心位置的内外两侧对应地分别粘贴一片感应电阻片(15)；每组感应电阻片(15)的法向的中心轴线重合且穿过环式传感器外周圆(17)的圆心O；每片厚弧形钢片(13)的圆弧外侧顶部中心上设置有感应触头(3)；所述的感应触头(3)的中心轴线穿过环式传感器外周圆(17)的圆心O；
每组环式传感器(1)上，两个感应触头(3)的中心轴线和两个感应电阻片(15)的法向的中心轴线相互垂直且相交于环式传感器外周圆(17)的圆心O；
四组环式传感器(1)上八个感应触头(3)分别穿过所述的变形计外壳(10)外周上八个检测孔(16)；
所述变形计外壳(10)外的八个检测孔(16)分为四组，对应四组环式传感器(1)；以变形计外壳(10)的中心轴线为轴，两两相邻的一组检测孔(16)变形计外壳(10)圆周上依次旋转相差45°；
所述的环式传感器(1)中的两片厚弧形钢片(13)为同等大小的环形的圆弧片，圆弧角度在90°～180°之间。
2.根据权利要求1所述的一种测量地应力的高灵敏度钻孔变形计，其特征在于：所述的环式传感器(1)中的两片薄弧形钢片(14)为同等大小的环形的圆弧片，圆弧角度在90°～180°之间。
3.根据权利要求1所述的一种测量地应力的高灵敏度钻孔变形计，其特征在于：每片厚弧形钢片(13)的两端设置有厚弧形钢片螺孔(13a)，该厚弧形钢片螺孔(13a)的中心轴线穿过环式传感器外周圆圆心O；每片薄弧形钢片(14)的两端设置有薄弧形钢片螺孔(14a)，该薄弧形钢片螺孔(14a)的中心轴线穿过环式传感器外周圆圆心O；每片厚弧形钢片(13)上的厚弧形钢片螺孔(13a)部位设置有台阶式凹槽，该台阶式凹槽的厚度及宽度和薄弧形钢片(14)的厚度及宽度相同；将两片薄弧形钢片(14)和两片厚弧形钢片(13)相间首尾连接，所述的薄弧形钢片(14)插入所述厚弧形钢片(13)的厚弧形钢片螺孔(13a)的台阶式凹槽上，薄弧形钢片螺孔(14a)和厚弧形钢片螺孔(13a)对齐时，对应位置的薄弧形钢片螺孔(14a)和厚弧形钢片螺孔(13a)的中心轴线重合并穿过外环形传感器外周圆圆心O，将对应的薄弧形钢片螺孔(14a)和厚弧形钢片螺孔(13a)用螺钉固定，组成一个环式传感器(1)。
4.根据权利要求1所述的一种测量地应力的高灵敏度钻孔变形计，其特征在于：所述的环式传感器(1)中的厚弧形钢片(13)的厚度为1.2mm，薄弧形钢片(14)的厚度为0.3～0.5mm。
5.一种权利要求1所述一种测量地应力的高灵敏度钻孔变形计的检测方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1)在室内标定台上标定高灵敏钻孔变形计的灵敏度K，并确定应变片读数变化量和地应力的对应关系；
δ＝Δε/K (式1)
Δε为套钻解除初始时和套钻进至30cm处时的变形计读数差；
δ为测量孔(18)的孔径变形量；
σ1、σ2为平面主应力；α为σ1与δ0的夹角；
E为待测岩体的弹性模量；v为待测岩体的泊松比；
D为测量孔(18)的直径；
δ0、δ45、δ90表示应变分别选择自三个依次相位相差45°的环式传感器(1)；
步骤2)在测试现场，套钻钻进至地应力测试区域岩体，并记录钻孔方位，将高灵敏钻孔变形计连通静态应变仪(21)，校正采集参数；
步骤3)将高灵敏钻孔变形计推入测量孔(18)中，记录静态应变仪(21)读数；
步骤4)启动定向器测量记录高灵敏钻孔变形计深入的方位、钻孔的方位和钻孔的倾角；
步骤5)等待静态应变仪(21)读数稳定，记录为应变初始值，然后和步骤2)一样校正并调零；
步骤6)钻探套孔(19)，对测量孔(18)进行应力解除，在解除应力的过程中每钻进2cm，记录下各测点的读数，套钻钻进至30cm时，若连续两次读数相差不超过5με确认为稳定，即可停止钻探同时停止记录数据；
步骤7)折断岩芯，取出带有高灵敏钻孔变形计的岩芯，回收变形计探头(20)；
步骤8)将现场测得应变值Δε代入步骤1)中的式(1)、式(2)、式(3)，计算得到岩体的地应力。
6.根据权利要求5所述一种测量地应力的高灵敏度钻孔变形计的检测方法，其特征在于，所述步骤3)还包括如下步骤：
步骤3.1)待测量的地应力岩体区域内钻探一段套孔(19)进至到目标范围；
步骤3.2)在上述钻探的套孔(19)的下方，再钻探一个测量孔(18)；所述的测量孔(18)和套孔(19)同轴但直径较小；
步骤3.3)用推杆将变形计探头(20)送进测量孔(18)内，记录变形计探头(20)在测量孔(18)中的方位，并记录采集主机的初始读数；
步骤3.4)套钻钻进套孔(19)，对测量孔(18)周围的岩体进行应力解除，记录静态应变仪(21)当前读数。
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