CN107255546B - 解除应力测量法测量精度的校验装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种在岩石洞室进行解除应力测量法进行仿真试验的装置及方法，所述装置包括试验洞室、设于试验洞室内的试验台、设于试验台上的试验材料、用于对试验材料进行加载的三维预应力加载装置、用于解除试验的钻机及附属设备、埋设于试验材料的应力测试元件、与应力测试元件连接的试验仪器。试验材料应先进行固定和预应力加载、由钻机及附属设备对试验材料进行钻孔后将试验测试元件埋设于孔内；预应力加载装置包括设于试验材料前端面的前置传力板、支撑设于上部洞室墙壁和试验台之间的反力柱、设于试验材料各个端面的传力部件以及加压及支撑部件。本发明可对单个测试方法进行仿真试验，并对设备的测试精度进行定量表述，或者进行不同方法间的测试精度比较。

Description

解除应力测量法测量精度的校验装置及方法

技术领域

本发明涉及岩土试验领域，具体是一种解除应力测量法测量精度的校验装置及方法。

背景技术

水利、水电、交通、核电和采矿等行业进行地下建筑物设计时需要进行地应力测量，其中一类较为常用的测量方法是应力解除法，包括孔壁应变法、孔径应变法和孔底应变法。以上各种方法均有不同的仪器设备进行测试，如孔壁应变法有空心包体应变计，孔径应变法有孔径变形计等。各测试设备依据测量过程中获得的变形数据、测量元件的分布和测量材料的物理性质进行计算，从而获得测量部位的应力特征。对于以上方法而言，由于测量过程复杂，测试过程中设备本身带入的系统误差，加上测试岩体的各向异性，测试过程带入的随机误差的因素多，测试结果往往随机变动大，因此，测试仪器和测试方法的精度易受到质疑。

发明内容

针对上述不足，本发明提供一种解除应力测量法测量精度的校验装置及方法，通过建立仿真试验模型、对模型施加已知应力环境的仿真试验，从而对单个测试方法、技术或设备的测试精度进行校验，或者进行不同方法间的测试精度比较。

一种解除应力测量法测量精度的校验装置，包括试验岩石洞室、设于试验洞室内的试验台、设于试验台的试验材料、用于对试验材料进行加载的预应力加载装置、与预应力加载装置连接的钻机及附属设备、埋设于试验材料的应力测试元件及与应力测试元件连接的试验仪器，所述应力测试元件由钻机及附属设备对试验材料进行钻孔后埋设于孔内；所述预应力加载装置包括设于试验材料前端面的前置传力板、支撑设于上部洞室墙壁和试验台之间的反力柱、设于试验材料各个端面的传力部件以及加压及支撑部件，应力测试元件与传力部件受力接触，加压及支撑部件与传力部件连接。

进一步的，所述试验材料为介质材料均匀的水泥、各向同性无裂隙岩体或颗粒细微的混凝土材料。

进一步的，试验材料的截面大于等于400mm×400mm。

一种解除应力测量法测量精度的校验装置，包括如下步骤：

第一步、建立已知应力环境的室内试验加载模型，所述试验加载模型包括试验岩石洞室、设于试验洞室内的试验台、设于试验台的试验材料、用于对试验材料进行加载的预应力加载装置、与预应力加载装置连接的钻机及附属设备、埋设于试验材料的应力测试元件及与应力测试元件连接的试验仪器，所述应力测试元件由钻机及附属设备对试验材料进行钻孔后埋设于孔内；试验洞室的外围为经过加固的洞室墙壁，所述预应力加载装置包括设于试验材料前端面的前置传力板、支撑设于上部洞室墙壁和试验台之间的反力柱、设于试验材料各个端面的传力部件以及加压及支撑部件，应力测试元件与传力部件受力接触，加压及支撑部件与传力部件连接；

第二步、通过加压及支撑部件、传力部件对试验材料进行预应力加载；

第三步、仿真试验：对试验材料的加载完成并稳定变形后，由钻机及附属设备对试验材料进行钻孔，完成应力测试元件的埋设，随后在试验过程中通过试验仪器完成对试验数据的采集，通过试验仪器进行检测或监测应力场变化，随后完成其它辅助试验和测试结果计算；

第四步、分别采用各主应力量值和角度的相对误差平方和的均方根进行表述量值和角度综合误差，具体的，

单个试验材料的三维或者二维各主应力测量误差ε_i由(1)式表示:

k＝2或者3 (1)

其中k为维度，k为2时对应为二维应力测试方法，k为3时对应三维应力测量方法，规定三个主应力量值分别为σ₁、σ₂和σ_3,仿真测试结果的主应力量值分别为σ₁′、σ₂′和σ₃′，σ_k(k的取值在二维应力校验时取值1～2，三维应力测试时为1～3)代表试验加载主应力的真值，σ_k′为测试结果值，主应力量值分别为σ₁′、σ₂′和σ₃′，方位角分别为α₁′、α₂′和α₃′，倾角分别为₁′、₂′和₃′，二维应力量值的大、小主应力分别为σ₁′和σ₂′，角度分别为α₁′和α₂′，

各参数所在坐标系中，规定三维主应力量值分别为σ₁、σ₂和σ₃，方位角分别为α₁、α₂和α₃，各角度以正X轴向为0°，向Y轴正向偏转为正，取值范围为±180°，倾角分别为₁、₂和₃，取值范围为±90°。二维应力量值的大、小主应力量值分别为σ₁和σ₂，角度分别为α₁和α₂，取值范围为±90°，δ_i-k为单个主应力测量对真值的相对误差，δ_i-max为最大误差值，

多个仿真试验的主应力测量误差为：

单个仿真试验三维应力测量的角度误差为：

其中，|α_k-α_k'|和|β_k-β_k'|为角度偏差，ξ_k和ζ_k为角度偏差相对值，θ_i-max为角度偏差的最大值；

二维应力测量的角度误差为：

多个试验样本的角度测量误差为：

采用以上处理的测量误差表示方法可以定量表述一个测量方法或设备的测量精度，建议量值综合误差和角度综合误差分别比较

通过本发明提供的解除应力测量法测量精度的校验装置可对单个测试方法进行仿真试验，并对设备的测试精度进行校验，或者进行不同方法间的测试精度比较，而且本发明根据试验应力场真值和测试值，综合参照相对误差和标准差概念提出了二维和三维应力测量精度的定量表述方法，可以达到对测试方法(设备)进行仿真试验进行改进的目的，而且可以对测试精度进行校验或对不同测试方法进行测量精度对比。

附图说明

图1是本发明解除应力测量法测量精度的校验装置的结构示意图；

图2是本发明的试验坐标系示意图。

图中：1—试验洞室，2—试验台，3—试验仪器，4—钻机及附属设备，5—前置传力板，6—反力柱，7—洞室墙壁，8—试验材料，9—传力部件，10—加压及支撑部件。

具体实施方式

下面将结合本发明中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述。

请参考图1，本发明解除应力测量法测量精度的校验装置包括试验洞室1、设于试验洞室1内的试验台2、设于试验台2的试验材料8、用于对试验材料8进行加载的预应力加载装置、与预应力加载装置连接的钻机及附属设备4、埋设于试验材料8的应力测试元件(图未示出)及与应力测试元件连接的试验仪器3。

试验洞室1的外围为试验洞室墙壁7，所述预应力加载装置包括设于试验材料8前端面的前置传力板5、支撑设于上部洞室墙壁7和试验台2之间的反力柱6、设于试验材料8各个端面的传力部件9以及加压及支撑部件10，应力测试元件与传力部件9受力接触，加压及支撑部件10与传力部件9连接。

本发明还提供一种解除应力测量法测量精度的校验方法，所述方法包括如下步骤：

第一步，充分利用勘探洞室，建立已知应力环境的室内试验加载模型，如图1所示，所述试验加载模型包括试验岩石洞室1、设于试验洞室1内的试验台2、设于试验台2的试验材料8、用于对试验材料8进行加载的预应力加载装置、与预应力加载装置连接的钻机及附属设备4、埋设于试验材料8的应力测试元件及与应力测试元件连接的试验仪器3，所述应力测试元件由钻机及附属设备4对试验材料8进行钻孔后埋设于孔内；试验洞室1的外围为经过加固的洞室墙壁7，所述预应力加载装置包括设于试验材料8前端面的前置传力板5、支撑设于上部洞室墙壁7和试验台2之间的反力柱6、设于试验材料8各个端面的传力部件9以及加压及支撑部件10，应力测试元件与传力部件9受力接触，加压及支撑部件10与传力部件9连接。试验洞室1作为仿真试验环境采用勘探岩石洞室，洞室温度较为恒定、不需要加固，可以提供大试验荷载，可减少试验墙壁加固成本。

其中试验材料8宜选用介质材料均匀的水泥、各向同性无裂隙岩体或颗粒细微的混凝土材料等，试验材料8的截面尺寸宜为400mm×400mm或以上。

第二步，模型加载。上述试验模型组装完成后，通过加压及支撑部件10、传力部件9对试验材料8进行预应力加载，可对试验材料8施加已知的三维或二维预应力环境。模型加载宜采用三向不等值加载(为了降低角度测量误差，如X向为10Mpa，Y向8Mpa，Z向为6MPa等)，二维应力测量时轴向(Z向)加载为零；不同样本间易采用相同加载方式。

第三步，仿真试验。对试验材料8的加载完成并稳定变形后，由钻机及附属设备4对试验材料8进行钻孔，完成应力测试元件的埋设，随后在试验过程中通过试验仪器3完成对试验数据的采集，通过试验仪器3进行检测或监测应力场变化，随后完成其它辅助试验和测试结果计算。

由上述加载装置对试验材料8进行的加载应力场可认为是应力场“真值”，如有必要可在实验材料8靠近试验部位或在试验材料8及传力部件9之间埋设合适的应力应变测量器件以确定应力场真值。

在如图2所示坐标系中，规定三个主应力量值分别为σ₁、σ₂和σ₃，方位角分别为α₁、α₂和α₃，各角度以正X轴向为0°，向Y轴正向偏转为正，取值范围为±180°。倾角分别为₁、2和₃，取值范围为±90°。二维应力量值的大、小主应力量值分别为σ₁和σ₂，角度分别为α₁和α₂，取值范围为±90°。

假设仿真测试结果的主应力量值分别为σ₁′、σ₂′和σ₃′，方位角分别为α₁′、α₂′和α₃′，倾角分别为₁′、₂′和₃′。二维应力量值的大、小主应力分别为σ₁′和σ₂′，角度分别为α₁′和α₂′。坐标系和取值规定等同“真值”。

地应力测量结果是多维度结果，本发明采用对测试结果的量值综合误差和角度综合误差分别表述，也可相加表述的办法。量值和角度综合误差分别采用各主应力量值和角度的相对误差平方和的均方根进行表述，各主应力量值和角度具有相同权重。

应力量值误差采用各主应力测量相对误差的均方根表示，则单个试验材料8(多个重复试验的第i个)的相对误差由(1)式表示。其中k为维度，k为2时对应为二维应力测试方法，k为3时对应三维应力测量方法。多个(n个)试验样本的测量误差如(2)式所示。

三维应力测量的角度误差定量表示为(3)式，二维应力测量的角度误差表示为(4)式，同类试验的多个(n个)试验样本的角度测量误差如(5)式所示。

第i个试验材料的主应力测量误差为：

k＝2或者3(1)

多个(共n个)仿真试验的测量误差为：

第i个仿真试验三维应力测量的角度误差为：

其中，|α_k-α_k'|和|β_k-β_k'|为角度偏差，ξ_k和ζ_k为角度偏差相对值，θ_i-max为角度偏差的最大值，式(4)同。

二维应力测量的角度误差表述为：

多个(共n个)试验样本的角度测量误差为：

采用以上处理的测量精度表示方法可以定量表述一个测量方法(设备)的测量精度(测量误差)，建议量值综合误差和角度综合误差分别比较。针对当前的实际情况，一套地应力测试设备或技术，单个主应力量值相对误差最大值δ_i-max小于0.3，主应力测量误差ε或小于0.3，各主应力方位角和倾角角度偏差最大为30度的情况下(此时，Δ_i＝0.26，θ_i-max＝0.33)，该测试设备或技术为合格测试技术。主应力测试误差和主应力角度偏差越小说明测试技术测量精度越高。而超出以上范围的测试技术或设备有待于进一步改进。

应该说明，本发明给出了多维应力测量技术(测量设备)的测试精度测定及定量描述的办法，对于不同测试方法间比较或改进测试仪器具有创新性和实用性，能够促进该行业的健康发展。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何属于本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种解除应力测量法测量精度的校验方法，其特征在于包括如下步骤：

第一步、建立已知应力环境的室内试验加载模型，所述试验加载模型包括试验岩石洞室(1)、设于试验洞室(1)内的试验台(2)、设于试验台(2)的试验材料(8)、用于对试验材料(8)进行加载的预应力加载装置、与预应力加载装置连接的钻机及附属设备(4)、埋设于试验材料(8)的应力测试元件及与应力测试元件连接的试验仪器(3)，所述应力测试元件由钻机及附属设备(4)对试验材料(8)进行钻孔后埋设于孔内；试验洞室(1)的外围为经过加固的洞室墙壁(7)，所述预应力加载装置包括设于试验材料(8)前端面的前置传力板(5)、支撑设于上部洞室墙壁(7)和试验台(2)之间的反力柱(6)、设于试验材料(8)各个端面的传力部件(9)以及加压及支撑部件(10)，应力测试元件与传力部件(9)受力接触，加压及支撑部件(10)与传力部件(9)连接；

第二步、通过加压及支撑部件(10)、传力部件(9)对试验材料(8)进行预应力加载；

第三步、仿真试验：对试验材料(8)的加载完成并稳定变形后，由钻机及附属设备(4)对试验材料(8)进行钻孔，完成应力测试元件的埋设，随后在试验过程中通过试验仪器(3)完成对试验数据的采集，通过试验仪器(3)进行检测或监测应力场变化，随后完成其它辅助试验和测试结果计算；

第四步、分别采用各主应力量值和角度的相对误差平方和的均方根进行表述量值和角度综合误差，具体的，

单个试验材料(8)的三维或者二维各主应力测量误差ε_i由(1)式表示:

其中k为维度，k为2时对应为二维应力测试方法，k为3时对应三维应力测量方法，σ_k代表试验加载主应力的真值，k的取值在二维应力校验时取值1～2，三维应力测试时为1～3，σ_k′为测试结果值，

各参数所在坐标系中，规定三维主应力量值分别为σ₁、σ₂和σ₃，方位角分别为α₁、α₂和α₃，各角度以正X轴向为0°，向Y轴正向偏转为正，取值范围为±180°，各主应力倾角分别为β₁、β₂和β₃，取值范围为±90°，二维应力量值的大、小主应力量值分别为σ₁和σ₂，方位角分别为α₁和α₂，取值范围为±90°，各主应力的测试结果值分别为σ₁′、σ₂′和σ₃′，方位角的测试结果值分别为α₁′、α₂′和α₃′，各主应力倾角的测试结果值分别为β₁′、β₂′和β₃′，二维应力量值的大、小主应力的测试结果值分别为σ₁′和σ₂′，方位角的测试结果值分别为α₁′和α₂′，δ_i-k为单个主应力测量对真值的相对误差，δ_i-max为最大误差值，

多个仿真试验的主应力测量误差为：

单个仿真试验三维应力测量的角度误差为：

其中，|α_k-α_k'|和|β_k-β_k'|为角度偏差，ξ_k和ζ_k为角度偏差相对值，θ_i-max为角度偏差的最大值；

二维应力测量的角度误差为：

多个试验样本的角度测量误差为：