CN107941137A - 任意倾角钻孔变形量测方法 - Google Patents

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    • G01B7/18—Measuring arrangements characterised by the use of electric or magnetic techniques for measuring the deformation in a solid, e.g. by resistance strain gauge using change in resistance

Abstract

本发明公开了一种任意倾角钻孔变形量测方法，它首先将钻孔测斜仪的探头进行成一个由可变形材料做成的中空弹状壳体，中空弹状壳体外侧设有四个外凸的导向滑条，在中空弹状壳体空腔的内侧黏贴有四个电阻应变片，并由导线引出；然后在待测的岩土体位置施工任意角度的钻孔，将探头装入测斜管中进行探测，将各测点量测的应变值减去对应的初次应变值即为本次的各测点应变值，根据这些应变值算出各测点的横向位移值。本发明可量测任意角度钻孔的横向位移，大大地扩展钻孔位移监测的应用范围，对完善岩土工程的监测方法有重要的意义。

Description

任意倾角钻孔变形量测方法
技术领域
本发明涉及交通、水利水电、矿山及城市建设的隧道、边坡和基坑等岩土工程。
背景技术
在岩土工程中，往往必需关注岩土体内部的变形。例如，边坡工程和基坑工程，通过监测岩土体内部的变形及发展动态，可以对岩土体的稳定性进行判断和预测，及时发现问题，防范于未然。
监测岩土体内部的变形方法很多，主要是通过钻孔深入到岩土体内部，采用某种位移传感器进行量测，但是这些量测方法都存在着一定的局限性。例如：采用围岩内部多点位移计进行量测，可量测钻孔中个点与孔口的相对位移，缺不能量测钻孔的横向位移。
目前本领域常用的钻孔测斜仪是一种用于测量钻孔、基坑、地基基础、墙体和坝体坡等工程构筑物的顶角、方位角的仪器。一般由探头、电缆、数据采集仪(读数仪)组成。测斜仪使用时，首先需要预埋测斜管，通过测量测斜管轴线与铅垂线之间的夹角变化，从而计算土体在不同高程的水平位移。虽然采用钻孔测斜仪可量测钻孔的变形，但要求钻孔应基本处于与地面垂直的位置，给实际应用带来很大的限制。
发明内容
本发明的目的是提供一种任意倾角钻孔变形量测方法，可量测任意角度钻孔的横向位移，大大地扩展钻孔位移监测的应用范围，对完善岩土工程的监测方法有重要的意义。
为达到上述目的，本发明采取的技术方案是：
一种任意倾角钻孔变形量测方法，其特征在于：
第一步：将钻孔测斜仪的探头进行改进
改进后的探头是一个由橡胶等可变形材料做成的中空弹状壳体，中空弹状壳体外侧设有四个外凸的导向滑条，在中空弹状壳体空腔的内侧黏贴有4个电阻应变片，并由导线引出；
第二步：安装钻孔测斜仪
在待测的岩土体的适当位置按照现有钻孔施工方法施工钻孔，钻孔角度可根据要求任意选择；在钻孔中安设带有导向槽的测斜管,将探头与连接杆连接好后装入测斜管中，使探头外侧的导向滑条能在测斜管中的导向槽滑动，由连接杆上的标尺确定探头在钻孔中的位置；
为了保证导向滑条能在测斜管中的导向槽自由滑动，在导向槽中涂覆有硅油。
上述电阻应变片可选用BF350-10AA箔式单轴长栅型电阻应变片。
第三步：将上述黏贴有电阻应变片探头的导线引出接入钻孔测斜仪的量测电路，为了提高量测精度，可将四个电阻应变片组成全桥电路进行量测。调至平衡后，从距离孔口内200mm开始，采用等间距采集方式每间隔一段距离测一次应变值，并记录测点点号及相应的各初次应变值；经历一段时间后，钻孔发生变形，使用同样的方法再次进行量测。将本次各测点量测的应变值减去对应的初次应变值即为本次的各测点应变值，根据这些应变值算出各测点的横向位移值，由各测点的横向位移值绘制出钻孔横向变形图：具体方法如下：
设钻孔沿轴线x方向产生的横向变形曲线为y(x)，则钻孔横截面转角(即斜率)方程应为转角变化率应为：
设采集间距为s，靠近孔口的首点标记为i＝0，以下依次标记为i＝1、2、3…n；设第i点的转角变化率为ti,，则ti由下式确定：
式中：分别表示第i点上、下应变片的应变值；a为应变片距探头中心的距离。
因此，第i点的转角由数值积分方法获得：
这里设θ0＝0
同理，第i点的横向位移yi也由θi采用数值积分方法获得：
这里设y0＝0，
依照上述方法算出所有测点的横向位移，最后，可由散点(i×s,yi)(i＝1、2、3…n)绘出钻孔横向变形图。整个计算过程可编写成软件由计算机自动完成。
本发明的积极效果是：
本发明将钻孔变形仪的探头设计成由橡胶等可变形材料做成的中空弹状壳体，中空弹状壳体外侧设有四个外凸的导向滑条，当钻孔发生变形时，由于导向滑条的作用，使得探头可以自由随着测斜管一起发生变形，然后根据各测点的应变值计算出各测点的转角变化率，根据转角变化率计算出各测点的横向位移，这样可量测任意角度钻孔的横向位移，大大地扩展钻孔位移监测的应用范围，对完善岩土工程的监测方法有重要的意义。
附图说明
图1为本发明钻孔测斜仪的结构图，图中省略了测斜管以及孔外的数据采集仪；
图2为本发明图1中A-A的截面示意图；
图3为应用实例图；
图4为应用实例量测成果图。
图例说明：1-中空弹状壳体；2-电阻应变片；3-测斜管；4-导向槽；5-导线；6-连接杆；7-穿脉巷道；8-F1断层；9-矿体；10-下盘破碎带；11-钻孔；12-30天的钻孔变形曲线；13-60天的钻孔变形曲线，第一电阻应变片-ε1，第二电阻应变片-ε2，第三电阻应变片-ε3，第四电阻应变片-ε4。
具体实施方式
下面以某黄金矿山利用本发明的方法对岩土体内部的变形进行监测为例进一步说明本发明的技术方案。
某黄金矿山矿体总体走向62°，倾向南东，平均倾角46°，矿体厚度为15～20m，如图3所示。在矿体上盘矿岩交界处为F1断层8的界面带，并有断层泥充填，矿体的下盘附近存在一连续、厚度不均的破碎带。
为掌握上覆岩层的变形动态，及时发现异常，做到防患于未然，万无一失，保证矿井的生产安全，必需通过监控量测掌握上盘岩体、F1断层、矿体、下盘岩体以及下盘岩体中的破碎带之间的相对变形状态，采用了本发明的钻孔变形量测方法进行量测，具体如下：
第一步：将钻孔测斜仪的探头做成一个由橡胶等可变形材料做成的中空弹状壳体1，中空弹状壳体1外侧设有四个外凸的导向滑条，在中空弹状壳体1空腔的内侧黏贴有2-4个电阻应变片2，实施例中黏贴有四个电阻应变片，分别称为第一至第四电阻应变片ε1、ε2、ε3和ε4(见图2)，四个电阻应变片由导线5引出；见图1
第二步：安装钻孔测斜仪
在穿脉巷道7中选择适当的位置施工钻孔11，钻孔大致垂直于矿体9布置，钻孔直径为长度为65m。在钻孔中安设带有导向槽4的测斜管3,测斜管选用的PVC钻孔测斜仪的专用测斜管；将探头与连接杆6连接好后装入测斜管3中，使探头外侧的导向滑条能在测斜管3中的导向槽4中滑动，由连接杆6上的标尺确定探头在钻孔中的位置；见图2和图3。
第三步：钻孔的测斜管安装并固定后，将探头中的应变片的导线引出接入钻孔测斜仪的数据采集仪并调至平衡，进行初次量测，从距离孔口200mm开始，每100mm测一次应变值，并采集记录测点点号及相应的各应变值，这些应变值为初始应变值，经历一段时间后，由于采矿活动，上盘岩体、F1断层8、矿体9、下盘岩体以及下盘岩体中的破碎带10之间的相对变形，使得钻孔轴线发生变形，使用同样的方法再次进行量测，获得本次各测点的相应应变值。将本次各测点量测的应变值减去对应的初次应变值即为本次的各测点的计算应变值。然后，采用上述的方法进行计算，即可的各点的横向位移值。并由散点(i×s,yi)(i＝1、2、3…n)绘出钻孔横向变形图。整个计算过程可编写成软件由计算机自动完成。图4中的曲线12为系统安装后30天的钻孔轴线变形曲线，曲线13为60天的曲线。

Claims (4)

1.一种任意倾角钻孔变形量测方法，其特征在于：
第一步：将钻孔测斜仪的探头进行改进
改进后的探头是一个由可变形材料做成的中空弹状壳体，中空弹状壳体外侧设有四个外凸的导向滑条，在中空弹状壳体空腔的内侧黏贴有四个电阻应变片，并由导线引出；
第二步：安装钻孔测斜仪；
在待测的岩土体位置施工钻孔，钻孔角度根据要求任意选择；在钻孔中安设带有导向槽的测斜管，将探头与连接杆连接好后装入测斜管中，使探头外侧的导向滑条能在测斜管中的导向槽滑动，由连接杆上的标尺确定探头在钻孔中的位置；
第三步：将上述黏贴有电阻应变片探头的导线引出接入钻孔测斜仪的量测电路，调至平衡后，从距离孔口内200mm开始，采用等间距采集方式每间隔一段距离测一次应变值，并记录测点点号及相应的各初次应变值；经历一段时间后，钻孔发生变形，使用同样的方法再次进行量测；将本次各测点量测的应变值减去对应的初次应变值即为本次的各测点应变值，根据这些应变值算出各测点的横向位移值，由各测点的横向位移值绘制出钻孔横向变形图：具体方法如下：
设钻孔沿轴线x方向产生的横向变形曲线为y(x)，则钻孔横截面转角(即斜率)方程应为转角变化率应为：
设采集间距为s，靠近孔口的首点标记为i＝0，以下依次标记为i＝1、2、3…n；设第i点的转角变化率为ti,，则ti由下式确定：
<mrow> <msub> <mi>t</mi> <mi>i</mi> </msub> <mo>=</mo> <mfrac> <mrow> <msubsup> <mi>&amp;epsiv;</mi> <mi>i</mi> <mn>1</mn> </msubsup> <mo>-</mo> <msubsup> <mi>&amp;epsiv;</mi> <mi>i</mi> <mn>2</mn> </msubsup> </mrow> <mrow> <mn>2</mn> <mi>a</mi> </mrow> </mfrac> </mrow>
式中：分别表示第i点上、下应变片的应变值；a为应变片距探头中心的距离；
因此，第i点的转角由数值积分方法获得：
<mrow> <msub> <mi>&amp;theta;</mi> <mi>i</mi> </msub> <mo>=</mo> <mi>s</mi> <munderover> <mo>&amp;Sigma;</mo> <mrow> <mi>j</mi> <mo>=</mo> <mn>0</mn> </mrow> <mi>i</mi> </munderover> <msub> <mi>t</mi> <mi>j</mi> </msub> </mrow>
这里设θ0＝0
同理，第i点的横向位移yi也由θi采用数值积分方法获得：
<mrow> <msub> <mi>y</mi> <mi>i</mi> </msub> <mo>=</mo> <mi>s</mi> <munderover> <mo>&amp;Sigma;</mo> <mrow> <mi>j</mi> <mo>=</mo> <mn>0</mn> </mrow> <mi>i</mi> </munderover> <msub> <mi>&amp;theta;</mi> <mi>j</mi> </msub> </mrow>
这里设y0＝0，
依照上述方法算出所有测点的横向位移，最后，可由散点(i×s,yi)(i＝1、2、3…n)绘出钻孔横向变形图。
2.如权利要求1所述的任意倾角钻孔变形量测方法，其特征在于，在导向槽中涂覆有硅油。
3.如权利要求1所述的任意倾角钻孔变形量测方法，其特征在于，所述电阻应变片选用BF350-10AA箔式单轴长栅型电阻应变片。
4.如权利要求1所述的任意倾角钻孔变形量测方法，其特征在于，四个电阻应变片组成全桥电路进行量测。
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