CN105606287B - 一种测量软岩地应力的装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种测量软岩地应力的装置和方法，属于地应力测量技术领域。该装置包括导线、杆体、注浆结石体、钻孔、空腔、数据采集器、防水膜和传感器，导线位于杆体内部中心，杆体内部除导线外，其余部分为空腔，杆体放入钻孔内，杆体周围注浆，形成注浆结石体，导线与数据采集器相连，传感器位于杆体端部，传感器外部包裹防水膜。本方法通过在巷道一个竖直面(M)内布置水平孔和斜向孔，在另一个斜面(N)内布置水平孔和斜向孔，向孔内放入测量装置并注浆，经测量注浆结石体内的应力状态达到测量地应力的目的。本发明提供一种新的地应力测量方法，能够准确测量三维地应力，测量杆结构简单，并且在理论上也不受测量深度的限制，测量精度高。

Description

一种测量软岩地应力的装置和方法

技术领域

本发明涉及地应力测量技术领域，特别是指一种测量软岩地应力的装置和方法。

背景技术

随着我国基础设施建设的飞速发展，各种岩体工程的规模越来越大，对工程设计和施工质量的要求也越来越高，相应的岩土工程问题不断涌现，而岩体应力又是影响岩体稳定和工程安全的重要参数之一。地应力的测量在我国岩体力学的发展史上，一直占有十分重要的位置，不仅有重要理论意义，也有重要的应用价值。

常规三维地应力测量方法为水压裂法和套芯应力解除法，不仅操作工艺复杂，测量误差也比较大，一种新型地应力测量方法及装置急需研发。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种测量软岩地应力的装置和方法，该装置包括导线、杆体、空腔、数据采集器、防水膜和传感器，导线位于杆体内部，杆体内部除导线外为空腔，导线一端与数据采集器相连，导线另一端与传感器相连，传感器位于杆体外侧端部，传感器外部包裹防水膜；杆体放入钻孔中，杆体周围注浆形成注浆结石体。

其中，传感器为两个或两个以上，杆体同一方向上安装两个传感器，两个传感器中心连线与杆体中心线正交。杆体为刚性材料制成，杆体上具有刻度，用于测出传感器的位置，内部有空腔，用于传输导线，空腔尺寸尽可能小，以免影响杆体的刚度，杆体外形不限，空腔形状不限。防水膜与传感器紧密接触，无空隙，用于防水。

该装置具体测量方法如下：

在竖直面M内，施作水平孔(或小角度钻孔)和斜向孔，两个孔在同一竖直面M内，两孔夹角30°～90°；在斜面N内，施作水平孔(或小角度钻孔)和斜向孔，两个孔在同一斜面N内，两孔夹角30°～90°，面M与面N斜交且交线不为竖直线或水平线；

放入测量装置，并向钻孔内注浆；

在地应力作用下钻孔变形，应力通过注浆结石体传递到传感器上，应力稳定后，水平孔(或小角度钻孔)测得竖直应力σ_z和水平应力σ_x，斜向孔测得应力σ_θ；

另一水平应力σ_y由应力σ_θ和竖直应力σ_z计算求得，由两组钻孔，能够得到两个坐标系下的六个应力数据，代入地应力的计算公式中，得出测试点地应力。

其中，钻孔孔径大于杆体直径，钻孔深度为巷道半径2.5倍以上，斜向孔与水平孔的夹角为θ＝30°～90°，斜向孔底部与水平孔底部在同一竖直直线上。水平孔内，杆体四个面上安装4个传感器，4个传感器中心连线正交，2个传感器为一组，一组传感器测水平应力σ_x，另一组传感器测竖直应力σ_z。斜向孔内，安装2个或4个传感器，安装2个传感器时，一个传感器测量应力σ_θ，另一个备用，防止传感器损坏而影响测量；安装4个传感器时，一组传感器用来测量应力σ_θ，另一组传感器用来验证测量结果的准确性。

该方法的基本原理为：

分别以水平钻孔轴向为y方向，钻孔所在面(M或N)法向方向为x方向，垂直xy面向上为z方向建立空间直角坐标系，将测量装置放入钻孔内，保证传感器轴线方向与所测应力方向相同，向钻孔内注浆，注浆浆液的配比应满足注浆结石体的弹性模量低于或等于岩体弹性模量，使传感器与岩体耦合，浆液养护完成后，钻孔变形将地应力通过注浆结石体传递到传感器上，应力稳定后，装置上的四个传感器直接测量上下、左右方向的应力，即竖直应力σ_z和水平应力σ_x。另一个水平方向应力σ_y，需由角度为θ的斜向孔测量得出的应力σ_θ，经岩石力学公式：

求出σ_y。

在竖直面M内，以水平钻孔轴向为y方向，钻孔所在面法向方向为x方向，垂直xy面向上为z方向建立空间直角坐标系oxyz；在斜面N内，以水平钻孔轴向为y’方向，钻孔所在面法向方向为x’方向，垂直x’y’面向上为z’方向建立空间直角坐标系ox’y’z’，由两组钻孔即可得到两个坐标系下的σ_x、σ_y、σ_z和σ’_x、σ’_y、σ’_z，并设j1、j2、j3分别为x’、y’、z’与x轴之间的方向余弦，k1、k2、k3分别为x’、y’、z’与y轴之间的方向余弦，l1、l2、l3分别为x’、y’、z’与z轴之间的方向余弦。将上述已知量代入下式，建立方程组，求解得到测试点在oxyz坐标系下的应力状态(σ_x、σ_y、σ_z、τxy、τyz、τzx)和ox’y’z’坐标系下的地应力状态(σ’_x、σ’_y、σ’_z、τ’xy、τ’yz、τ’zx)。其中，τxy、τyz、τzx为oxyz坐标系下的剪切应力分量，τ’xy、τ’yz、τ’zx为ox’y’z’坐标系下的剪切应力分量。

σ'_x＝σ_xj₁ ²+σ_yk₁ ²+σ_zl₁ ²+2τ_xyj₁k₁+2τ_yzk₁l₁+2τ_zxl₁j₁

σ'_y＝σ_xj₂ ²+σ_yk₂ ²+σ_zl₂ ²+2τ_xyj₂k₂+2τ_yzk₂l₂+2τ_zxl₂j₂

σ'_z＝σ_xj₃ ²+σ_yk₃ ²+σ_zl₃ ²+2τ_xyj₃k₃+2τ_yzk₃l₃+2τ_zxl₃j₃

τ'_xy＝σ_xj₁j₂+σ_yk₁k₂+σ_zl₁l₂+τ_xy(j₁k₂+j₂k₁)+τ_yz(k₁l₂+k₂l₁)+τ_zx(l₁j₂+l₂j₁)

τ'_yz＝σ_xj₂j₃+σ_yk₂k₃+σ_zl₂l₃+τ_xy(j₂k₃+j₃k₂)+τ_yz(k₂l₃+k₃l₂)+τ_zx(l₂j₃+l₃j₂)

τ'_zx＝σ_xj₁j₃+σ_yk₁k₃+σ_zl₁l₃+τ_xy(j₃k₁+j₁k₃)+τ_yz(k₃l₁+k₁l₃)+τ_zx(l₃j₁+l₁j₃)

将上述所得的oxyz坐标系下的应力状态(σ_x、σ_y、σ_z、τ_xy、τ_yz、τ_zx)代入下式：

I₁＝σ_x+σ_y+σ_z

I₂＝σ_xσ_y+σ_yσ_z+σ_zσ_x-τ_xy ²-τ_yz ²-τ_zx ²

I₃＝σ_xσ_yσ_z+2τ_xyτ_yzτ_zx-σ_xτ_yz ²-σ_yτ_zx ²-σ_zτ_xy ²

σ³-I₁σ²+I₂σ-I₃＝0

即可得到三个主应力σ₁、σ₂、σ₃。

将σ＝σ₁、σ₂、σ₃分别代入下列方程组，即可求出主应力对应的主方向v＝(l，m，n)。

(σ_x-σ)l+τ_xym+τ_zxn＝0

τ_yxl+(σ_y-σ)m+τ_yzn＝0

l²+m²+n²＝1

本发明的上述技术方案的有益效果如下：

本发明与传统的水压裂法和套芯应力解除法相比，测量结果更准确，而且不需要复杂的测量结构，装置简易，且理论上不受测量深度的影响，具有更广阔的应用前景。

附图说明

图1为本发明的测量软岩地应力的装置结构示意图；

图2为图1的A-A′剖面图；

图3为图1的B-B′剖面图；

图4为图1的C-C′剖面图；

图5为钻孔布置三维图；

图6为地应力测量方法坐标系示意图；

图7为主应力方向示意图；

图8为方法实施流程图。

其中：1-导线；2-杆体；3-注浆结石体；4-钻孔；5-空腔；6-数据采集器；7-防水膜；8-传感器。

具体实施方式

为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。

本发明针对现有的地应力测量方法，操作程序繁琐、装置结构复杂、限制因素较多等问题，提供一种测量软岩地应力的装置和方法。

如图1、图2、图3和图4所示，该装置包括导线1、杆体2、空腔5、数据采集器6、防水膜7和传感器8，导线1位于杆体2内部，杆体2内部除导线1外为空腔5，导线1一端与数据采集器6相连，导线1另一端与传感器8相连，传感器8位于杆体2外侧端部，传感器8外部包裹防水膜7；杆体2放入钻孔4中，杆体2周围注浆形成注浆结石体3。其中，如图2和图4所示，杆体2同一方向上安装两个传感器8，两个传感器8中心连线与杆体2中心线正交，防水膜7与传感器8紧密接触，无空隙。

本实施例中杆体2选用正方形，截面边长为40mm，内部有空腔5，空腔5也为正方形，空腔5截面边长为8mm，供传输导线1，杆体2外部长度方向上具有刻度，用于测量传感器8的位置。

采用图8所示流程，在实际实施例中，选择巷道内的待测应力点，按照图5所示的钻孔布置三维图，分别在竖直面M、斜面N内，施工水平钻孔，孔径为90mm，深度5m(为巷道半径2.5倍以上)，选取一定角度施工斜向钻孔，此处以45°为例，深度至水平孔传感器正上方，竖直面M与斜面N斜交且交线不为竖直线或水平线，此处使孔m₂和孔n₂成45°夹角。在钻孔4内安放测量装置，保证传感器8轴线方向与所测应力方向相同，并与钻孔4外数据采集器6连接，安放注浆管并进行注浆，注浆材料采用水泥砂浆，浆液养护完成后，随时间的延续多次读取传感器8测得的应力值，直到数据趋于稳定，对数据进行分析得到地应力值，其中注浆浆液的配比应满足注浆结石体的弹性模量低于或等于岩体弹性模量。

具体施工流程如下：

(1)在工作平台上确定钻孔4位置并标记；

(2)在标记处钻孔至所需深度；

(3)在已钻孔内安放注浆管；

(4)在孔内安放测量装置；

(5)向孔内进行注浆；

(6)装置调试；

(7)地应力测量。

测量得到竖直应力σ_z和水平应力σ_x。另一个水平方向应力σ_y，需由角度为θ的斜向孔，测量出应力σ_θ，由岩石力学公式：

求出σ_y。

如图6和图7所示，在竖直面M内，以水平钻孔轴向为y方向，钻孔所在面法向方向为x方向，垂直xy面向上为z方向建立空间直角坐标系oxyz；在斜面N内，以水平钻孔轴向为y’方向，钻孔所在面法向方向为x’方向，垂直x’y’面向上为z’方向建立空间直角坐标系ox’y’z’，由两组钻孔即可得到两个坐标系下的σ_x、σ_y、σ_z和σ’_x、σ’_y、σ’_z，并设j1、j2、j3分别为x’、y’、z’与x轴之间的方向余弦，k1、k2、k3分别为x’、y’、z’与y轴之间的方向余弦，l1、l2、l3分别为x’、y’、z’与z轴之间的方向余弦。将上述已知量代入下式，建立方程组，求解得到测试点在oxyz坐标系下的应力状态(σ_x、σ_y、σ_z、τxy、τyz、τzx)和ox’y’z’坐标系下的地应力状态(σ’_x、σ’_y、σ’_z、τ’xy、τ’yz、τ’zx)。其中，τxy、τyz、τzx为oxyz坐标系下的剪切应力分量，τ’xy、τ’yz、τ’zx为ox’y’z’坐标系下的剪切应力分量。

σ'_x＝σ_xj₁ ²+σ_yk₁ ²+σ_zl₁ ²+2τ_xyj₁k₁+2τ_yzk₁l₁+2τ_zxl₁j₁

σ'_y＝σ_xj₂ ²+σ_yk₂ ²+σ_zl₂ ²+2τ_xyj₂k₂+2τ_yzk₂l₂+2τ_zxl₂j₂

σ'_z＝σ_xj₃ ²+σ_yk₃ ²+σ_zl₃ ²+2τ_xyj₃k₃+2τ_yzk₃l₃+2τ_zxl₃j₃

τ'_xy＝σ_xj₁j₂+σ_yk₁k₂+σ_zl₁l₂+τ_xy(j₁k₂+j₂k₁)+τ_yz(k₁l₂+k₂l₁)+τ_zx(l₁j₂+l₂j₁)

τ'_yz＝σ_xj₂j₃+σ_yk₂k₃+σ_zl₂l₃+τ_xy(j₂k₃+j₃k₂)+τ_yz(k₂l₃+k₃l₂)+τ_zx(l₂j₃+l₃j₂)

τ'_zx＝σ_xj₁j₃+σ_yk₁k₃+σ_zl₁l₃+τ_xy(j₃k₁+j₁k₃)+τ_yz(k₃l₁+k₁l₃)+τ_zx(l₃j₁+l₁j₃)

将上述所得的oxyz坐标系下的应力状态(σ_x、σ_y、σ_z、τ_xy、τ_yz、τ_zx)代入下式：

I₁＝σ_x+σ_y+σ_z

I₂＝σ_xσ_y+σ_yσ_z+σ_zσ_x-τ_xy ²-τ_yz ²-τ_zx ²

I₃＝σ_xσ_yσ_z+2τ_xyτ_yzτ_zx-σ_xτ_yz ²-σ_yτ_zx ²-σ_zτ_xy ²

σ³-I₁σ²+I₂σ-I₃＝0

即可得到三个主应力σ₁、σ₂、σ₃。

将σ＝σ₁、σ₂、σ₃分别代入下列方程组，即可求出主应力对应的主方向v＝(l，m，n)。

(σ_x-σ)l+τ_xym+τ_zxn＝0

τ_yxl+(σ_y-σ)m+τ_yzn＝0

l²+m²+n²＝1

以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种测量软岩地应力的方法，其特征在于：

在竖直面M内，施作水平孔和斜向孔，两个孔在同一竖直面M内，两孔夹角30°～90°；在斜面N内，施作水平孔和斜向孔，两个孔在同一斜面N内，两孔夹角30°～90°，面M与面N斜交且交线不为竖直线或水平线；

放入测量软岩地应力的装置，并向钻孔(4)内注浆；

在地应力作用下钻孔(4)变形，应力通过注浆结石体(3)传递到传感器(8)上，应力稳定后，水平孔测得竖直应力σ_z和水平应力σ_x，斜向孔测得应力σ_θ；

另一水平应力σ_y由应力σ_θ和竖直应力σ_z计算求得，由两组钻孔，能够得到两个坐标系下的六个应力数据，即每个坐标系下得到水平应力σ_x、水平应力σ_y和竖直应力σ_z，代入地应力的计算公式中，得出测试点地应力；

所述地应力的计算公式具体包括如下：

装置上的传感器直接测量上下、左右方向的应力，即竖直应力σ_z和水平应力σ_x，另一个水平方向应力σ_y，需由角度为θ的斜向孔测量得出的应力σ_θ，经岩石力学公式：

求出σy，

在竖直面M内，以水平钻孔轴向为y方向，钻孔所在面法向方向为x方向，垂直xy面向上为z方向建立空间直角坐标系oxyz；在斜面N内，以水平钻孔轴向为y’方向，钻孔所在面法向方向为x’方向，垂直x’y’面向上为z’方向建立空间直角坐标系ox’y’z’，由两组钻孔即可得到两个坐标系下的σx、σy、σz和σ’x、σ’y、σ’z，并设j1、j2、j3分别为x’、y’、z’与x轴之间的方向余弦，k1、k2、k3分别为x’、y’、z’与y轴之间的方向余弦，l1、l2、l3分别为x’、y’、z’与z轴之间的方向余弦，将上述已知量代入下式，建立方程组，求解得到测试点在oxyz 坐标系下的地应力状态(σx、σy、σz、τxy、τyz、τzx)和ox’y’z’坐标系下的地应力状态(σ’x、σ’y、σ’z、τ’xy、τ’yz、τ’zx)；其中，τxy、τyz、τzx为oxyz坐标系下的剪切应力分量，τ’xy、τ’yz、τ’zx为ox’y’z’坐标系下的剪切应力分量；

σ'_x＝σ_xj₁ ²+σ_yk₁ ²+σ_zl₁ ²+2τ_xyj₁k₁+2τ_yzk₁l₁+2τ_zxl₁j₁

σ'_y＝σ_xj₂ ²+σ_yk₂ ²+σ_zl₂ ²+2τ_xyj₂k₂+2τ_yzk₂l₂+2τ_zxl₂j₂

σ'_z＝σ_xj₃ ²+σ_yk₃ ²+σ_zl₃ ²+2τ_xyj₃k₃+2τ_yzk₃l₃+2τ_zxl₃j₃

τ'_xy＝σ_xj₁j₂+σ_yk₁k₂+σ_zl₁l₂+τ_xy(j₁k₂+j₂k₁)+τ_yz(k₁l₂+k₂l₁)+τ_zx(l₁j₂+l₂j₁)

τ'_yz＝σ_xj₂j₃+σ_yk₂k₃+σ_zl₂l₃+τ_xy(j₂k₃+j₃k₂)+τ_yz(k₂l₃+k₃l₂)+τ_zx(l₂j₃+l₃j₂)

τ'_zx＝σ_xj₁j₃+σ_yk₁k₃+σ_zl₁l₃+τ_xy(j₃k₁+j₁k₃)+τ_yz(k₃l₁+k₁l₃)+τ_zx(l₃j₁+l₁j₃)

将上述所得的oxyz坐标系下的应力状态(σ_x、σ_y、σ_z、τ_xy、τ_yz、τ_zx)代入下式：

I₁＝σ_x+σ_y+σ_z

I₂＝σ_xσ_y+σ_yσ_z+σ_zσ_x-τ_xy ²-τ_yz ²-τ_zx ²

I₃＝σ_xσ_yσ_z+2τ_xyτ_yzτ_zx-σ_xτ_yz ²-σ_yτ_zx ²-σ_zτ_xy ²

σ³-I₁σ²+I₂σ-I₃＝0

即可得到测试点地应力σ₁、σ₂、σ₃；

该方法采用的测量软岩地应力的装置，包括导线(1)、杆体(2)、空腔(5)、数据采集器(6)、防水膜(7)和传感器(8)，导线(1)位于杆体(2)内部，杆体(2)内部除导线(1)外为空腔(5)，导线(1)一端与数据采集器(6)相连，导线(1)另一端与传感器(8)相连，传感器(8)位于杆体(2)外侧端部，传感器(8)外部包裹防水膜(7)；杆体(2)放入钻孔(4)中，杆体(2)周围注浆形成注浆结石体(3)；

所述传感器(8)为两个或两个以上，杆体(2)同一方向上安装两个传感器(8)，两个传感器(8)中心连线与杆体(2)中心线正交；

所述杆体(2)为刚性材料制成，杆体(2)上具有刻度。

2.根据权利要求1所述的一种测量软岩地应力的方法，其特征在于：所述防水膜(7)与传感器(8)紧密接触，无空隙。

3.根据权利要求1所述的测量软岩地应力的方法，其特征在于：所述钻孔(4)孔径大于杆体(2)直径，钻孔(4)深度为巷道半径2.5倍以上，斜向孔与水平孔的夹角为θ＝30°～90°，斜向孔底部与水平孔底部在同一竖直直线上。

4.根据权利要求1所述的测量软岩地应力的方法，其特征在于：所述水平孔内，杆体(2)四个面上安装4个传感器(8)，4个传感器(8)中心连线正交，2个传感器(8)为一组，一组传感器(8)测水平应力σ_x，另一组传感器(8)测竖直应力σ_z。

5.根据权利要求1所述的测量软岩地应力的方法，其特征在于：所述斜向孔内，安装2个或4个传感器(8)，安装2个传感器(8)时，一个传感器(8)测量应力σ_θ，另一个备用；安装4个传感器(8)时，一组传感器(8)用来测量应力σ_θ，另一组传感器(8)用来验证测量准确性。

6.根据权利要求1所述的测量软岩地应力的方法，其特征在于：所述注浆浆液的配比满足注浆结石体(3)弹性模量低于或等于岩体弹性模量。