CN107725026B - 一种岩土地质体钻孔变形测试装置及其测试方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种岩土地质体钻孔变形测试装置及其测试方法，所述的装置包括一个正多边形柱状基座，在基座的每个侧面上开有安装槽，通过安装槽固定有悬臂梁式弹性杆，在每个悬臂梁式弹性杆的上下两表面各贴一枚应变计形成单个悬臂梁式位移测量计；在每个悬臂梁式弹性杆的顶端安装有向外发散的定位螺丝，定位螺丝作为触点与孔壁紧密接触，接受孔径变形信号，并传递给感应元件。本发明实现了在同一截面上进行多点同步测量，充分考虑了钻孔变形的方向性，适用于各类地质钻孔，通过测试钻孔孔壁在不同方位上的变形量，获得钻孔变形后的形状；通过调节定位螺丝外伸的长度，获取各种孔径的钻孔变形量。
Description
技术领域
本发明涉及岩土工程测试技术领域，尤其涉及一种岩土地质体钻孔变形测试装置及其测试方法，且该装置适用于监测各类地质钻孔的变形过程。
背景技术
在采矿、地下空间、隧道等岩土工程施工中，由于支护、卸压、勘探及工程技术特殊需要的目的，通常需要在岩壁上进行钻孔，钻孔直径、长度及分布情况各式各样。钻孔形成后，受地质构造及继续施工的影响，钻孔将会发生变形，甚至导致整个孔壁破坏、坍塌。钻孔变形量及其随时间的变化关系属于钻孔稳定问题研究的一个方面，可做为岩体工程设计与建造的重要参考依据。
经检索查询，“高灵敏度钻孔变形计”(专利号：CN203719798U)、“三分向双环钻孔变形计”(专利号：CU203310554U)作为36-2型钻孔变形计的改进装置，应用于套孔应力解除法的地应力测量，它们利用钢环或钢片粘贴应变计作为传感元件，仅适用于地应力测量时对钻孔的弹性变形进行测量，无法实现对钻孔孔壁的大变形甚至塌孔过程进行监测。“一种模拟测试钻孔变形的装置及方法”(专利号：CN104535422N)利用实验室相似模拟获取的钻孔变形量与相对压力的对应关系，间接反映钻孔变形量，但该装置在工作过程中，胶囊压力感应器及管路组成的液压系统是封闭的，受液体可压缩性的限制，当胶囊内液体压力过高时，将对钻孔内壁施加较高反作用力，进而改变钻孔在自然条件下的变形规律，获取的变形量数据将偏离实际情况。“煤岩层卸压钻孔变形监测装置及方法”(专利号：CN204899903U)利用注水轴向弹性较好的变形感应枕内注水，通过调小溢流阀整定压力，避免了对钻孔内壁施加较高反作用力，保证变形感应枕出水量与卸压钻孔变形量的精确对应关系，但它通过流量计示数，忽略了外界环境对水体积的影响，由几何关系换算出钻孔整体变形量，继而无法得到钻孔变形的在不同方向上的差异性。
结合工程实际情况可知，类似花岗岩等脆性坚硬岩石的钻孔截面变化不大，长期变形后钻孔截面仍近似为圆形，该类钻孔的变形量利用传统方法易于测量。但是由于地质构造的复杂性，考虑到地应力、岩性、流变、或爆破冲击的影响，大部分软弱大变形钻孔的变形必然具有方向性，变形后的钻孔截面形状可能近似为椭圆或更为复杂的形状，且在钻孔长度方向上具有差异性。因此，如何突破将钻孔变形视作孔的整体等径收缩这一局限，一次性精确地测出钻孔多个特定方向上的变形量，借此确定变形后钻孔截面形状至关重要。精确地获取钻孔多截面、各方向上的变形量对岩体工程支护、钻孔卸压、地应力测量等理论及施工安全具有重要意义。
发明内容
本发明的目的在于提出一种岩土地质体钻孔变形测试装置，该装置对钻孔孔径及深度适应性好，能够进行多截面、多点同步测量，传感元件与钻孔孔壁直接接触，弹性好，不影响孔壁的自然变形，测量数据精度高，稳定性好，适用于长期监测各类地质体钻孔的变形过程。
为达此目的，本发明采用以下技术方案：
一种岩土地质体钻孔变形测试装置，简称钻孔变形测试装置，其特征在于，它包括一个正多边形柱状基座，在基座的每个侧面上开有安装槽，通过安装槽固定有悬臂梁式弹性杆，在每个悬臂梁式弹性杆的上下两表面各贴一枚应变计形成单个悬臂梁式位移测量计，悬臂梁式弹性杆为其传感元件，应变计为其感应元件；在每个悬臂梁式弹性杆的顶端安装有向外发散的定位螺丝，定位螺丝作为触点与孔壁紧密接触，接受孔径变形信号，并传递给感应元件，这样多个悬臂梁式位移测量计依次固定在一个基座上面沿基座环向均匀分布组成一个具有多个触点的环形结构，每一个悬臂梁式位移测量计都是相对独立的。
为了对称测量便于分析数据，上述正多边形优选边数不小于2n的正多边形，其中n≧2。
为了保证弹性杆的柔韧性，所述悬臂梁式弹性杆的材料为65Mn弹簧钢，厚度约2mm，宽度4mm。
为了提高变形测量精度，在弹性杆上表面靠近基座的一端开一个U型宽槽，深度为1.5mm，槽内粘贴一枚应变计，对应位置下表面粘贴一枚应变计。在该部位，悬臂梁式弹性杆的截面尺寸最小，弯曲应变最大，提高了变形测量精度。
优选地，基座由高强度钢材制成，如45#钢，侧面开的安装槽的深度与宽度与悬臂梁式弹性杆的厚度与宽度相同。
进一步说明，所述悬臂梁式弹性杆通过两枚紧固螺丝固定在基座上。
本发明岩土地质体钻孔变形测试装置的测试方法是：
第一步：根据钻孔的深度设置测点的位置和数目，根据测点数目制作、准备相应数目的钻孔变形测试装置；
制作时，在悬臂梁式弹性杆上粘贴专用应变计、焊接导线、涂抹防护胶，定位螺丝，然后用热塑管将悬臂梁式弹性杆上粘贴应变计的部分包裹起来，防水防潮后，再将悬臂梁式弹性杆用紧固螺丝固定到基座上，调节定位螺丝保证起触头作用的定位螺丝能与孔壁紧密接触；
第二步：对所有悬臂梁式位移测量计进行参数标定，从而标定出各个悬臂梁式位移测量计钻孔变形量与测出的应变之间的换算系数K；
第三步：将所有钻孔变形测试装置通过连杆串联成一体，
第四步：将整个串联结构用外包软套进行封装，封装时，将所有应变计的导线贴着钻孔变形测试装置的表体引出
第五步：将串联封装后的钻孔变形测试装置安装到钻孔中，安装时，要求定位螺丝刚好处于测点，并保证串联封装后的钻孔变形测试装置的中心与钻孔的中心重合；
第六步：将所有导线连接到孔外应变采集器各自的接口上，应变采集器再与计算机相连，通过应变采集器和计算机进行钻孔变形静态及动态监测；
第七步：数据导出及后处理，得到各测点变形量，利用软件(MATLAB等)拟合出变形后钻孔的形状。
为了便于直观测取钻孔变形量，将悬臂梁式弹性杆上的两枚应变计按应变电测法的半桥测量电路接入应变采集器，应变采集器通过软件与计算机相连，则应变采集器所测悬臂梁式弹性杆的应变εd与定位螺丝触头所感受到的钻孔变形△d成正比，即△d＝Kεd；
为方便数据采集，优选无线应变采集器。
为了确保钻孔在某一位置发生塌孔时，则塌孔之前的元件也能够逐段取出，第三步所述的串联方法是：基座中心开有起串联作用的螺纹孔，在螺纹孔中穿过一根螺杆，相邻钻孔变形测试装置的螺杆之间再旋上一根连杆，这样通过螺杆和连杆将所有的钻孔变形测试装置串联成一体。
进一步说明，连杆可用轻质铝合金材料制作，定制多种规格长度。由连杆确定各钻孔变形测试装置之间的间距。
为了方便布线，所述的连杆的截面形状为与基座的截面形状一样，连杆各侧面开半圆布线槽，
本发明的有益效果：
其一，该装置实现了在同一截面上进行多点同步测量，充分考虑了钻孔变形的方向性，适用于各类地质钻孔，通过测试钻孔孔壁在不同方位上的变形量，获得钻孔变形后的形状；通过调节定位螺丝外伸的长度，获取各种孔径的钻孔变形量。
其二，该装置能够对钻孔孔壁变形量进行直接测量，消除了测量装置本身对钻孔变形的阻碍、影响，简单方便地得到钻孔在自然条件下的变形规律。
其三，该装置结构简单，便于串联测量。如钻孔较长，受地层和结构面切割的影响，钻孔沿长度方向上的变形具有差异性，需要将钻孔变形测量仪串联起来，一次性测出多个钻孔截面的变形特征。
附图说明
图1是本发明实施例的立体结构图，图中以正六方柱体的基座为例
图2是本发明实施例1测试地质体钻孔变形的专用装置的串联构造图；
图3是本发明测试方法的技术路线图；
图4是实施例一的左视图；
图5是图1中悬臂梁式弹性杆实施例的结构图；
图6是本发明一种测试地质体钻孔变形的专用装置串联所用连杆实施例的结构图；
图7是图1基座的立体结构图；
图8是利用本发明一种测试地质体钻孔变形的专用装置测量钻孔变形示意图；
图9a是钻孔的原始形状；
图9b是变形后钻孔的形状。
图中：1-钻孔，2-串联封装后的钻孔变形测试装置，21(22……2n)-第一至第n个钻孔变形测试装置，211-定位螺丝，211a-第一定位螺丝，211b-第二定位螺丝，211c-第三定位螺丝，211d-第四定位螺丝，211e-第五定位螺丝，211f-第六定位螺丝，212-悬臂梁式弹性杆，213-应变计，213a-第一应变计，213b-第二应变计，214-紧固螺丝，215-基座，3-应变采集器，4-计算机，5-钻孔变形后处理模块，6-软套，7-连杆，8-螺杆。
具体实施方式
下面结合附图并通过具体实施例来进一步说明本发明的技术方案。
如图1所示，本发明的岩土地质体钻孔变形测试装置实施例，包括一个正六方柱状基座215(见图7)，在基座215的每个侧面上开有安装槽，通过安装槽和紧固螺丝214固定有悬臂梁式弹性杆212，在每个悬臂梁式弹性杆212的上下两表面各贴一枚应变计213形成单个悬臂梁式位移测量计，悬臂梁式弹性杆212为其传感元件，应变计213为其感应元件；在悬臂梁式弹性杆212的顶端有螺纹孔，螺纹孔中安装有向外发散的定位螺丝211，定位螺丝211作为触头，通过调节定位螺丝211可以适应不同尺寸的钻孔，保证触头与孔壁紧密接触，接受孔径变形信号，并传递给感应元件，这样六个悬臂梁式位移测量计依次固定在一个基座215上面沿基座215环向均匀分布组成一个具有六个触点的环形结构，每一个悬臂梁式位移测量计都是相对独立的，两两悬臂梁式位移测量计之间的夹角为60°，可以测量钻孔一个方位上(30°、90°、150°、210°、270°、330°)的变形量，也就是钻孔孔壁的径向位移量，该数据通过应变采集器3获取，实现多点同步测量。
上述悬臂梁式弹性杆212的材料为65Mn弹簧钢，厚度约2mm，宽度4mm。
从图5可以看出：在悬臂梁式弹性杆212上表面靠近基座215的一端开一个U型宽槽，深度为1.5mm，槽内粘贴第一应变计213a，对应位置下表面粘贴第二应变计213b。在该部位，悬臂梁式弹性杆212的截面尺寸最小，弯曲应变最大，提高了变形测量精度。
实施例中，基座215由高强度钢材制成，如45#钢，侧面开槽的深度与宽度与悬臂梁式弹性杆的厚度与宽度相同。同一基座215上，各位移测量计两两独立，保证了测量数据间的独立性。
本发明岩土地质体钻孔变形测试装置的测试方法见图3，具体步骤是：
第一步：根据钻孔1的深度设置测点的位置和数目，根据测点数目制作、准备相应数目的钻孔变形测试装置，图2中示出了n个钻孔变形测试装置；
制作时，在悬臂梁式弹性杆212上粘贴专用应变计213、焊接导线、涂抹防护胶，安装定位螺丝211作为作为触头，从图4可以看出，每个悬臂梁式弹性杆212对称安装六个定位螺丝，分别是第一定位螺丝211a、第二定位螺丝211b、第三定位螺丝211c、第四定位螺丝211d、第五定位螺丝211e和第六定位螺丝211f，然后用热塑管将悬臂梁式弹性杆212上粘贴应变计213的部分包裹起来，防水防潮后，再将悬臂梁式弹性杆212用紧固螺丝214固定到基座215上，调节定位螺丝211保证触头能与孔壁紧密接触；
第二步：对所有悬臂梁式位移测量计进行参数标定，从而标定出各个悬臂梁式位移测量计钻孔变形量与测出的应变之间的换算系数K；
第三步：将所有钻孔变形测试装置通过连杆7串联成一体，连杆7的长度保证测试时各个触点刚好位于测点上。串联方法见图2：基座215中心开有起串联作用的螺纹孔，在螺纹孔中穿过一根螺杆8，相邻钻孔变形测试装置的螺杆8之间再旋上一根连杆7，这样通过螺杆8和连杆7将所有的钻孔变形测试装置串联成一体如图2所示的串联结构，包括n个钻孔变形测试装置，分别是第一至第n个钻孔变形测试装置21，22......2n。这种串联方法能确保钻孔在某一位置发生塌孔时，则塌孔之前的元件也能够逐段取出。
从图6可以看出，连杆7的端面和基座一样，也是一个正六边形，在连杆7的六个侧面上均开有半圆布线槽，每个悬臂梁式弹性杆212上的应变计213贴着基座
第四步：将整个串联结构用外包软套6进行封装，封装时，将所有悬臂梁式弹性杆212上的应变计213的导线基座的表体引入连杆上对应的布线槽内并用导线胶固定
第五步：将串联封装后的钻孔变形测试装置2安装到钻孔1中(见图8)，安装时，要求定位螺丝211刚好处于测点，并保证串联封装后的钻孔变形测试装置2的中心与钻孔1的中心重合；
第六步：将所有导线连接到孔外应变采集器3的接口上，应变采集器3再与计算机4相连，通过应变采集器3和计算机4进行钻孔变形静态及动态监测；
第七步：数据导出及后处理，得到各测点变形量，利用钻孔变形后处理模块5拟合出变形后钻孔的形状。
为了便于直观测取钻孔1变形量，将悬臂梁式弹性杆212上的第一应变计213a和第二应变计213b按应变电测法的半桥测量电路接入应变采集器3，应变采集器3通过软件与计算机4相连，则应变采集器3所测悬臂梁式弹性杆212的应变εd与定位螺丝211触头所感受到的钻孔变形△d成正比，即△d＝Kεd；
为方便数据采集，优选无线应变采集器。
为了确保钻孔在某一位置发生塌孔时，则塌孔之前的元件也能够逐段取出，第三步所述的串联方法是：基座215中心开有起串联作用的螺纹孔，在螺纹孔中穿过一根螺杆8，相邻螺杆之间再旋上一根连杆7，这样通过螺杆8和连杆7将所有的钻孔变形测试装置串联成一体。
进一步说明，连杆7可用轻质铝合金材料制作，定制多种规格长度。由连杆7确定各钻孔变形测试装置之间的间距。
进一步说明，为方便数据采集，优选无线应变采集器3。
在上述实施例中，采用数显螺旋测微仪(精度0.001mm)对一钻孔变形测试装置21的K值进行标定，然后在试验机上对某钻孔试件进行加载测试，各测点的变形量见附表1，利用软件MATLAB拟合出变形后钻孔的形状为图9b，与钻孔的原形状图见9a，比较图9a和图9b所示的钻孔形状，可以看出钻孔的变形，从而证明本发明的可行性。
以上结合具体实施例描述了本发明的技术原理。这些描述只是为了解释本发明的原理，而不能以任何方式解释为对本发明保护范围的限制。基于此处的解释，本领域的技术人员不需要付出创造性的劳动即可联想到本发明的其它具体实施方式，这些方式都将落入本发明的保护范围之内。
附表1钻孔变形测试装置实施例相关数据(mm)
| 测点 | K | 变形量 | 测点原坐标 | 测点现坐标 |
| 90° | 0.742 | -1.203 | 0，3 | 0，1.979 |
| 150° | 0.786 | 0.360 | -2.598，1.5 | -2.910，1.680 |
| 210° | 0.661 | 0.423 | -2.598，-1.5 | -2.964，-1.712 |
| 270° | 0.781 | -1.289 | 0，-3 | 0，-1.711 |
| 330° | 0.767 | 0.274 | 2.598，-1.5 | 2.835，-1.637 |
| 30° | 0.760 | 0.395 | 2.598，1.5 | 2.940，1.698 |
Claims (7)
1.一种岩土地质体钻孔变形测试装置的测试方法，所述的岩土地质体钻孔变形测试装置简称钻孔变形测试装置，其特征在于，所述的岩土地质体钻孔变形测试装置包括一个正多边形柱状基座，在基座的每个侧面上开有安装槽，通过安装槽固定有悬臂梁式弹性杆，在每个悬臂梁式弹性杆的上下两表面各贴一枚应变计形成单个悬臂梁式位移测量计， 悬臂梁式弹性杆为其传感元件，应变计为其感应元件；在每个悬臂梁式弹性杆的顶端安装有向外发散的定位螺丝，定位螺丝作为触点与孔壁紧密接触，接受孔径变形信号，并传递给感应元件，这样多个悬臂梁式位移测量计依次固定在一个基座上面沿基座环向均匀分布组成一个具有多个触点的环形结构，每一个悬臂梁式位移测量计都是相对独立的，通过调节定位螺丝外伸的长度，获取各种孔径的钻孔变形量；
所述岩土地质体钻孔变形测试装置的测试方法步骤如下：
第一步：根据钻孔的深度设置测点的位置和数目，根据测点数目制作、准备相应数目的钻孔变形测试装置；
制作时，在悬臂梁式弹性杆上粘贴专用应变计、焊接导线、涂抹防护胶，安装定位螺丝，然后用热塑管将悬臂梁式弹性杆上粘贴应变计的部分包裹起来，防水防潮后，再将悬臂梁式弹性杆用紧固螺丝固定到基座上，调节定位螺丝保证起触头作用的定位螺丝能与孔壁紧密接触；
第二步：对所有悬臂梁式位移测量计进行参数标定，从而标定出各个悬臂梁式位移测量计钻孔变形量与测出的应变之间的换算系数；
第三步：将所有钻孔变形测试装置通过连杆串联成一体；
第四步：将整个串联结构用外包软套进行封装，封装时，将所有应变片的导线贴着钻孔变形测试装置的表体引出；
第五步：将串联封装后的钻孔变形测试装置安装到钻孔中，安装时，要求定位螺丝刚好处于测点，并保证串联封装后的钻孔变形测试装置的中心与钻孔的中心重合；
第六步：将所有导线连接到孔外应变采集器各自的接口上，应变采集器再与计算机相连，通过应变采集器和计算机进行钻孔变形静态及动态监测；
第七步：数据导出及后处理，得到各测点变形量，拟合出变形后钻孔的形状。
2.如权利要求1所述的岩土地质体钻孔变形测试装置的测试方法，其特征在于，所述的正多边形指的是边数不小于2n的正多边形，其中。
3.如权利要求1所述的岩土地质体钻孔变形测试装置的测试方法，其特征在于，在所述的悬臂梁式弹性杆上表面靠近基座的一端开一个U型宽槽，槽内粘贴一枚应变片，对应位置下表面粘贴一枚应变片。
4.如权利要求1所述的岩土地质体钻孔变形测试装置的测试方法，其特征在于，基座侧面安装槽的深度与宽度与悬臂梁式弹性杆的厚度与宽度相同。
5.如权利要求1所述的岩土地质体钻孔变形测试装置的测试方法，其特征在于，悬臂梁式弹性杆上的两枚应变计按应变电测法的半桥测量电路接入应变采集器，应变采集器通过软件与计算机相连，则应变采集器所测悬臂梁式弹性杆的应变与定位螺丝触头所感受到的钻孔变形成正比，即。
6.如权利要求1所述的岩土地质体钻孔变形测试装置的测试方法，其特征在于，第三步所述的将所有钻孔变形测试装置通过连杆串联成一体采取的方法是：基座中心开有起串联作用的螺纹孔，在螺纹孔中穿过一根螺杆，相邻钻孔变形测试装置的螺杆之间再旋上一根连杆，这样通过螺杆和连杆将所有的钻孔变形测试装置串联成一体。
7.如权利要求1所述的岩土地质体钻孔变形测试装置的测试方法，其特征在于，所述的连杆的截面形状为与基座的截面形状一样，连杆各侧面开半圆布线槽。
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