CN107036523B - 软岩孔壁形变电测仪及软岩形变测量方法 - Google Patents

软岩孔壁形变电测仪及软岩形变测量方法 Download PDF

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    • G01B7/16Measuring arrangements characterised by the use of electric or magnetic means for measuring the deformation in a solid, e.g. by resistance strain gauge

Abstract

一种软岩孔壁形变电测仪及软岩形变测量方法,属于岩土测量设备领域。该软岩孔壁形变电测仪包括导向杆和数据采集仪,导向杆的两端分别设有固定装置和测量装置;固定装置包括沿导向杆周向布置的至少两个可伸缩的固定杆;测量装置包括沿导向杆周向布置的至少两个第一弹簧片,及与第一弹簧片一一对应的LVDT位移计,且每个第一弹簧片的一端与导向杆连接,LVDT位移计的两端分别与导向杆和对应的第一弹簧片连接,每个LVDT位移计均与数据采集仪电连接。该软岩孔壁形变测量仪能够在软岩软化变形而未出现局部塌孔的情况下准确的测量孔壁的变形量。本发明还提供了一种软岩形变测量方法。

Description

软岩孔壁形变电测仪及软岩形变测量方法
技术领域
本发明涉及岩土测量设备领域,具体而言,涉及一种软岩孔壁形变电测仪及软岩形变测量方法。
背景技术
地下工程施工过程中经常会遇到软岩岩体,由于软岩具有强度低、变形大、遇水软化严重以及流变效应显著等特点,软岩环境下的地下工程施工容易遭遇时效大变形甚至塌方等工程问题,极易对地下工程的稳定性造成重大威胁,为了提高地下工程施工的安全性,避免产生安全隐患,必须准确掌握围岩工程的力学特征,因此开展软岩环境下地下工程围岩变形的准确监测对于确保地下工程的稳定性具有重要意义。
目前工程上较为可靠的方法是采用岩土测量设备对工程围岩开展现场监测,尤其是使用岩土变形检测设备对围岩进行变形监测,然后在此基础上对围岩工程力学特征进行反演分析。但是岩石变形测量设备大都不能很好的对软岩形变量进行准确的测量,这是由于软岩具有变形大、遇水软化严重的特点,软岩遇水软化后易在岩体表面形成一定厚度的膨胀松软层,该膨胀松软层的强度和变形模量都非常低,现有软岩形变测量设备在测量时很容易嵌入到该膨胀松软层,无法对软岩深孔孔壁的变形量进行准确测量;同时,由于地应力及支护措施等因素的影响,软岩中深孔孔壁并不一定都是沿孔径出现轴对称变形,而现有软岩形变测量设备仅仅是测量某一径向上孔壁的相对变形,也无法实现不同径向孔壁变形的独立测量,难以满足使用的需要。
因此,需要一种能够准确测量软岩钻孔孔壁的不同深度和径向形变的测量设备及测量方法。
发明内容
本发明的目的在于提供一种软岩孔壁形变电测仪,其能够在软岩软化变形而未出现局部塌孔的情况下,准确测量不同深度和径向的孔壁的变形量。
本发明的另一目的在于提供一种软岩形变测量方法,该方法能够简单、快速的测量软岩钻孔孔壁的变形量。
本发明的实施例是这样实现的:
一种软岩孔壁形变电测仪,其包括导向杆和数据采集仪,导向杆的两端分别设有固定装置和测量装置;其中,固定装置包括沿导向杆周向布置的至少两个可伸缩的固定杆;测量装置包括沿导向杆周向布置的至少两个第一弹簧片,及与第一弹簧片一一对应的LVDT位移计,每个第一弹簧片的一端与导向杆连接,每个LVDT位移计的两端分别与导向杆和对应的第一弹簧片连接,每个LVDT位移计均与数据采集仪电连接。
在本发明较佳的实施例中,第一弹簧片的形状为弧形,且每个第一弹簧片凹陷的一侧朝向导向杆,每个LVDT位移计的两端分别与导向杆和对应的第一弹簧片凹陷的一侧连接。
在本发明较佳的实施例中,测量装置还包括第一套筒,第一套筒套设于导向杆上并可沿导向杆移动,每个第一弹簧片的一端均与第一套筒连接。
在本发明较佳的实施例中,固定装置包括第二套筒,第二套筒套设于导向杆上并可沿导向杆的轴向移动,每个固定杆均与第二套筒连接。
在本发明较佳的实施例中,导向杆的中部还设有至少一个定位装置,每个定位装置包括沿导向杆周向布置的至少两个第二弹簧片,每个第二弹簧片的一端与导向杆连接。
在本发明较佳的实施例中,定位装置还包括第三套筒,第三套筒套设于导向杆上并可沿导向杆的轴向移动,每个第二弹簧片的一端均与对应的第三套筒连接。
在本发明较佳的实施例中,固定杆包括杆体和可沿杆体轴向移动的螺帽。
在本发明较佳的实施例中,导向杆由可拆卸连接的多根短杆组成。
本发明还提供了一种软岩形变测量方法,其是使用上述软岩孔壁形变电测仪进行的,该方法包括以下步骤:
将软岩孔壁形变电测仪设有测量装置的一端插入软岩上开设的钻孔中;
使用固定装置将导向杆固定于钻孔内,保证导向杆与钻孔同轴布置,并使每个第一弹簧片与钻孔的内壁相互抵压;
使用数据采集仪收集各个LVDT位移计检测的数据,并计算钻孔的孔壁变形量。
在本发明较佳的实施例中,将导向杆插入钻孔之前,将至少一个定位装置套设于导向杆上,定位装置包括第二套筒及沿第二套筒周向布置的至少两个第二弹簧片,每个第二弹簧片的一端与第二套筒连接,将导向杆插入钻孔后,使每个第二弹簧片与钻孔的内壁抵压。
本发明实施例的有益效果是:本发明提供的软岩孔壁形变电测仪在导向杆的两端分别设有固定装置和测量装置,固定装置包括沿导向杆周向布置的至少两个可伸缩的固定杆;测量装置包括沿导向杆周向布置的至少两个第一弹簧片,及与第一弹簧片对应的LVDT位移计,每个第一弹簧片的一端与导向杆连接,每个LVDT位移计的两端分别与导向杆和对应的第一弹簧片连接,各个LVDT位移计均与数据采集仪电连接。该软岩孔壁形变测量仪结构简单,拆装、携带和使用方便,能够在软岩软化变形而未出现局部塌孔的情况下准确测量其变形量。本发明还提供了一种软岩形变测量方法,该方法能够简单、快速的测量软岩钻孔孔壁的变形量。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案,下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍,应当理解,以下附图仅示出了本发明的某些实施例,因此不应被看作是对范围的限定,对于本领域普通技术人员来讲,在不付出创造性劳动的前提下,还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
图1为本发明实施例1提供的软岩孔壁形变电测仪的结构示意图;
图2为图1中A-A处的剖视图;
图3为图1中B-B处的剖视图;
图4为本发明实施例2提供的软岩形变测量方法的结构示意图;
图5为图4中C-C处的剖视图;
图6为图4中D-D处的剖视图。
图中:001-软岩孔壁形变电测仪;002-软岩孔壁形变电测仪;100-导向杆;110-短杆;120-标尺;200-固定装置;210-固定杆;211-杆体;212-螺帽;220-第二套筒;300-测量装置;310-第一弹簧片;320-LVDT位移计;330-第一套筒;400-数据采集仪;500-定位装置;510-第二弹簧片;520-第三套筒;600-电脑。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚,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,所描述的实施例是本发明一部分实施例,而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
因此,以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围,而是仅仅表示本发明的选定实施例。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。
应注意到:相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项,因此,一旦某一项在一个附图中被定义,则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
在本发明的描述中,需要说明的是,术语“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系,或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系,仅是为了便于描述本发明和简化描述,而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作,因此不能理解为对本发明的限制。此外,术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述,而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本发明的描述中,还需要说明的是,除非另有明确的规定和限定,术语“设置”、“连接”应做广义理解,例如,可以是固定连接,也可以是可拆卸连接,或一体地连接;可以是机械连接,也可以是电连接;可以是直接相连,也可以通过中间媒介间接相连,可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言,可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
实施例1
请参照图1、图2和图3所示,本实施例提供一种软岩孔壁形变电测仪001,其包括导向杆100和数据采集仪400,导向杆100的两端分别设有固定装置200和测量装置300。其中,固定装置200包括沿导向杆100周向布置的至少两个可伸缩的固定杆210;测量装置300包括沿导向杆100周向布置的至少两个第一弹簧片310,及与第一弹簧片310一一对应的LVDT位移计320,且每个第一弹簧片310的一端与导向杆100连接,LVDT位移计320的两端分别与导向杆100和对应的第一弹簧片310连接,每个LVDT位移计320均与数据采集仪400电连接。具体的,本实施例中固定装置200包括沿导向杆100周向布置的四个可伸缩的固定杆210,四个固定杆210的一端均与导向杆100连接且四个固定杆210呈十字形布置,测量装置300包括沿导向杆100周向布置的四个第一弹簧片310及与第一弹簧片310一一对应的四个LVDT位移计320,且四个第一弹簧片310与四个固定杆210对应的呈十字形布置。
本实施例提供的软岩孔壁形变电测仪001能够在软岩孔壁软化变形而未出现局部塌孔的情况下准确测量其变形量。该软岩孔壁形变电测仪001包括插入到软岩上开设的钻孔中的导向杆100,导向杆100插入到钻孔中的一端设有用于检测孔壁变形量的测量装置300,导向杆100的另一端设有由四个固定杆210组成的固定装置200,通过调节四个沿导向杆100周向布置的可伸缩的固定杆210的长度,能够将导向杆100固定的同时保证导向杆100的一端与钻孔同轴线布置,测量装置300包括沿导向杆100周向布置的四个第一弹簧片310及与第一弹簧片310一一对应的四个LVDT位移计320,采用四个LVDT位移计320测量孔壁的变形量,且LVDT位移计320的两端分别与导向杆100和对应的第一弹簧片310连接,LVDT位移计320能够通过弹性性能较好的第一弹簧片310精确的感知软岩表面的膨胀松软层的位移,确保了对软岩深孔孔壁变形量检测的准确性。
本实施例中的第一弹簧片310的形状不限,只要能保证软岩孔壁形变电测仪001插入到软岩上开设的深孔中时,第一弹簧片310与钻孔孔壁相互抵压即可。进一步的,第一弹簧片310的形状优选为弧形,每个第一弹簧片310凹陷的一侧朝向导向杆100布置,每个LVDT位移计320的两端分别与导向杆100和对应的第一弹簧片310凹陷的一侧连接。当软岩孔壁形变电测仪001插入到软岩上开设的深孔中时,测量装置300中每个第一弹簧片310凸起的一侧抵压钻孔孔壁,与对应的第一弹簧片310凹陷一侧连接的LVDT位移计320能够通过第一弹簧片310产生的位移精确的感应钻孔孔壁的变形量,同时第一弹簧片310凸起的表面具有较大的表面积,也不会嵌入到软岩内壁的膨胀松软层内,避免了一般侧脸设备在使用时嵌入到软岩内壁的膨胀松软层中从而产生测量误差。
如图1所示,测量装置300还包括套设于导向杆100上并可沿导向杆100移动的第一套筒330,每个第一弹簧片310的一端均与第一套筒330连接。具体的,本实施例中,四个第一弹簧片310的一端均与第一套筒330连接。通过在导向杆100上套设可沿其轴向移动的第一套筒330,每个第一弹簧片310的一端均与第一套筒330连接,使用者可以同步的调节第一弹簧片310和LVDT位移计320沿导向杆100的轴向移动,从而调整测量装置300沿导向杆100的轴向移动,从而保证适应不同深度孔壁的变形量的检测作业。
如图2所示,固定装置200还包括第二套筒220,第二套筒220套设于导向杆100上并可沿导向杆100的轴向移动,每个固定杆210均与第二套筒220连接。在导向杆100上套设有可沿其轴向移动的第二套筒220,每个固定杆210均与第二套筒220连接,能够方便使用者调节固定杆210的方位,从而保证将导向杆100固定时,使导向杆100与钻孔同轴布置,保证测量装置300的测量精度。
固定杆210包括杆体211和可沿杆体211轴向移动的螺帽212。具体的,杆体211的表面设有外螺纹,杆体211远离导向杆100的一端套设有螺帽212,螺帽212的内壁设有对应的内螺纹。通过旋转螺帽212,能够调节螺帽212与杆体211的相对位置,从而调节固定杆210的长度,使用者可以通过调节各个固定杆210的长度将导向杆100固定在钻孔内,并保证导向杆100与钻孔同轴布置,从而提高测量装置300对钻孔孔壁变形量的测量精度。
导向杆100由可拆卸连接的多根短杆110组成。具体的,本实施例中,导向杆100由四根短杆110通过螺纹依次连接组成。使用多节可拆卸的短杆110组成导向杆100可以适应不同深度的钻孔孔壁的变形测量作业,同时将导向杆100拆卸成多根短杆110也能方便运输和在狭小空间内作业。
导向杆100的表面刻有标尺120。在导向杆100表面刻有标尺120,能够方便使用者查看导向杆100插入钻孔的深度,方便使用者调节导向杆100对钻孔内壁不同深度处的变形量进行测量。
如图3所示,导向杆100的中部还设有至少一个定位装置500,每个定位装置500包括沿导向杆100周向布置的至少两个第二弹簧片510,每个第二弹簧片510的一端均与导向杆100连接。具体的,本实施例中,导向杆100的中部还设有一个定位装置500,定位装置500包括沿导向杆100的周向布置的四个第二弹簧片510,四个第二弹簧片510与四个固定杆210对应的呈十字形布置。通过在导向杆100的中部设置呈十字形布置的四个第二弹簧片510,且四个第二弹簧片510的一端均与导向杆100连接,能够调节导向杆100的位置,保证导向杆100的中部与钻孔轴向重合,四个第二弹簧片510和四个固定杆210之间相互配合,能够进一步的确保导向杆100与钻孔轴向重合,最大化提高测量装置300的测量精度。
第二弹簧片510的形状为弧形,每个第二弹簧片510凹陷的一侧朝向导向杆100布置。弧形的第二弹簧片510凹陷的一侧朝向导向杆100布置时,软岩孔壁形变电测仪001插入到软岩上开设的深孔中时,每个第二弹簧片510凸起的一侧抵压钻孔孔壁,由于弧形的第二弹簧片510具有较大的表面积,能够避免嵌入到软岩内壁的膨胀松软层中,从而保证导向杆100的中部与钻孔孔壁之间相对稳定,使导向杆100保持与钻孔的同轴布置,提高了测量装置300对钻孔内壁各个径向的形变检测时的测量精度。
定位装置500还包括第三套筒520,第三套筒520套设于导向杆100上并可沿导向杆100轴向移动,每个第二弹簧片510的一端均与对应的第三套筒520连接。定位装置500包括可沿导向杆100轴向移动的第二套筒220和与第三套筒520连接的四个第二弹簧片510,能够方便使用者调节定位装置500的位置,从而适应不同深度软岩钻孔的内壁,使定位装置500能够更好的对导向杆100的中部进行定位,保证测量装置300的检测精度。
本实施例还提供了一种软岩形变测量方法,其是使用上述软岩孔壁形变电测仪001进行的,该方法包括以下步骤:
S1、在待测量的软岩上钻孔,根据钻孔的深度将短杆110依次连接得到导向杆100,将定位装置500套设于导向杆100上并沿导向杆100移动第三套筒520,保证定位装置500位于导向杆100的中部后,在导向杆100的两端分别装配固定装置200和测量装置300,并将数据采集仪400与测量装置300中的各个LVDT位移计320通过电缆连接。
S2、将导向杆100装配有测量装置300的一端插入软岩上开设的钻孔中,保证测量装置300中每个第一弹簧片310凸起的一侧抵压钻孔内壁,并使定位装置500中每个第二弹簧片510凸起的一侧抵压钻孔内壁,通过导向杆100表面的标尺120确定测量装置300伸入到钻孔中的目标深度。
S3、将固定装置200套设于导向杆100上并沿导向杆100移动第二套筒220,随后调节四个固定杆210的长度将导向杆100固定于钻孔内,使导向杆100与钻孔同轴布置。
S4、使用数据采集仪400收集各个LVDT位移计320采集的数据,计算得到孔壁的变形量。
S5、旋转导向杆100或调节导向杆100插入钻孔中的深度,使用数据采集仪400进一步收集各个LVDT位移计320采集的数据,计算得到不同深度或不同径向的孔壁的变形量。
本实施例提供的软岩形变测量方法,在导向杆100的一端和中部设置用于固定导向杆100的固定装置200和定位装置500,并使导向杆100与钻孔同轴布置,能够提高对钻孔孔壁不同径向变形量的测量准确度,减小对不同径向孔壁变形量检测的误差;同时导向杆100上设置的测量装置300使用四个呈十字形布置的LVDT位移计320和与之一一对应的弧形的第一弹簧片310,通过LVDT位移计320检测产生形变的孔壁对第一弹簧片310的挤压形变确定孔壁的变形量,能够避免测量设备嵌入软岩表面的膨胀松软层中影响测量精度,确保了对软岩深孔孔壁变形量检测的准确性。该软岩形变测量方法适合对软岩钻孔中孔壁变形不是特别严重的情况进行检测,如仅出现软岩软化变形而未出现局部塌孔的情况。
实施例2
如图4、图5和图6所示,本实施例提供一种软岩孔壁形变电测仪002,其包括导向杆100,导向杆100的两端分别设有固定装置200和测量装置300,测量装置300连接有数据采集仪400,数据采集仪400连接有电脑600;导向杆100由多根短杆110可拆卸连接组成,导向杆100的表面刻有标尺120。
其中,固定装置200包括套设于导向杆100上并可沿其轴向移动的第二套筒220,及与第二套筒220连接的三个可伸缩的固定杆210,三个固定杆210沿导向杆100周向布置;固定杆210包括杆体211和螺帽212,杆体211的表面设有外螺纹,杆体211远离导向杆100的一端套设有螺帽212,螺帽212的内壁设有对应的内螺纹。
测量装置300包括套设于导向杆100上并可沿导向杆100移动的第一套筒330沿导向杆100周向布置的三个第一弹簧片310,及与第一弹簧片310一一对应的LVDT位移计320,每个第一弹簧片310的一端均与第一套筒330连接,LVDT位移计320的两端分别与导向杆100和对应的第一弹簧片310连接,每个LVDT位移计320均与数据采集仪400电连接。
导向杆100的中部还设有两个定位装置500,每个定位装置500均包括套设于导向杆100上并可沿其轴向移动的第三套筒520,及沿导向杆100周向布置的三个第二弹簧片510,每个第二弹簧片510的一端与对应的第三套筒520连接。
第一弹簧片310和第二弹簧片510的形状均为弧形。第一弹簧片310和第二弹簧片510凹陷的一侧均朝向导向杆100。
本实施例提供的软岩孔壁形变电测仪002在导向杆100上套设有两个定位装置500,两个定位装置500均包括可沿导向杆100轴向移动的第三套筒520,及沿导向杆100周向布置的三个第二弹簧片510,三个弧形的第二弹簧片510的凹陷一侧朝向导向杆100,两个定位装置500中的第二弹簧片510和固定装置200中沿导向杆100周向布置的固定杆210配合,能够保证导向杆100稳定的固定于软岩上开设的钻孔内,并使导向杆100在伸入到较深的钻孔中时也能保证与钻孔同轴布置,从而提高了该软岩孔壁形变电测仪002对于钻孔不同深度和不同径向的孔壁变形量测定的准确性,减小了测量误差,同时使用电脑600实时接收数据采集仪400从各个LVDT位移计320获取的数据并进行计算,能够快速获取软岩孔壁的变形量数据。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已,并不用于限制本发明,对于本领域的技术人员来说,本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内,所作的任何修改、等同替换、改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种软岩孔壁形变电测仪,其特征在于,其包括导向杆和数据采集仪,所述导向杆的两端分别设有固定装置和测量装置;其中,所述固定装置包括沿所述导向杆周向布置的至少两个可伸缩的固定杆;所述测量装置包括沿所述导向杆周向布置的至少两个第一弹簧片,及与所述第一弹簧片一一对应的LVDT位移计,每个所述第一弹簧片的一端与所述导向杆连接,每个所述LVDT位移计的两端分别与所述导向杆和对应的所述第一弹簧片连接,每个所述LVDT位移计均与所述数据采集仪电连接;所述导向杆的中部还设有至少一个定位装置,每个所述定位装置包括沿所述导向杆周向布置的至少两个第二弹簧片,每个所述第二弹簧片的一端与所述导向杆连接;所述第二弹簧片的形状为弧形,每个所述第二弹簧片凹陷的一侧朝向导向杆布置。
2.根据权利要求1所述的软岩孔壁形变电测仪,其特征在于,所述第一弹簧片的形状为弧形,且每个所述第一弹簧片凹陷的一侧朝向所述导向杆,每个所述LVDT位移计的两端分别与所述导向杆和对应的所述第一弹簧片凹陷的一侧连接。
3.根据权利要求1所述的软岩孔壁形变电测仪,其特征在于,所述测量装置还包括第一套筒,所述第一套筒套设于所述导向杆上并可沿所述导向杆移动,每个第一弹簧片的所述一端均与所述第一套筒连接。
4.根据权利要求1所述的软岩孔壁形变电测仪,其特征在于,所述固定装置包括第二套筒,所述第二套筒套设于所述导向杆上并可沿所述导向杆的轴向移动,每个所述固定杆均与所述第二套筒连接。
5.根据权利要求1所述的软岩孔壁形变电测仪,其特征在于,所述定位装置还包括第三套筒,所述第三套筒套设于所述导向杆上并可沿所述导向杆的轴向移动,每个所述第二弹簧片的一端均与对应的所述第三套筒连接。
6.根据权利要求1所述的软岩孔壁形变电测仪,其特征在于,所述固定杆包括杆体和可沿所述杆体轴向移动的螺帽。
7.根据权利要求1所述的软岩孔壁形变电测仪,其特征在于,所述导向杆由可拆卸连接的多根短杆组成。
8.一种软岩形变测量方法,其特征在于,其是使用如权利要求1所述的软岩孔壁形变电测仪进行的,该方法包括以下步骤:
将软岩孔壁形变电测仪设有测量装置的一端插入软岩上开设的钻孔中;
使用固定装置将导向杆固定于所述钻孔内,保证所述导向杆与所述钻孔同轴布置,并使每个第一弹簧片与所述钻孔的内壁相互抵压;
使用数据采集仪收集各个LVDT位移计检测的数据,并计算所述钻孔的孔壁变形量;
其中,将所述导向杆插入所述钻孔之前,将至少一个定位装置套设于所述导向杆上,所述定位装置包括第二套筒及沿所述第二套筒周向布置的至少两个第二弹簧片,每个所述第二弹簧片的一端与所述第二套筒连接,将所述导向杆插入所述钻孔后,使每个所述第二弹簧片与所述钻孔的内壁抵压。
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