CN108414129B - 半包体直接贴片地应力解除测试装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种半包体直接贴片地应力解除测试装置及方法，该发明消除了空心包体式应变计包体层和粘胶层对应力应变传递带来的测量误差，保留应变计对应变片和线路的防水保护功能。所述装置包括支架、与支架连接的支撑件、套设于支撑件外围的橡皮筒，支撑件由至少3个弧形块拼接形成，每个弧形块从内孔至外表均设有安装应变丛推挤块的槽孔，应变丛推挤块的外表为弧形结构，多个弧形块和应变丛推挤块拼接后形成圆柱体结构，橡皮筒套设在支撑件和应变丛推挤块所形成圆柱体结构外壁。应变丛推挤块的外端壁设有不变形层，橡皮筒上设有安装应变丛的开口，不变形层与橡皮筒开口处粘结；不变形层上粘结补偿片或温度传感器，其上依次粘结应变丛软橡皮、应变丛。

Description

半包体直接贴片地应力解除测试装置及方法
技术领域
本发明涉及三维孔壁应变解除地应力测量技术领域，具体是一种半包体直接贴片地应力解除测试装置及方法。
背景技术
当前水利、水电、交通、核电、采矿等行业大型地下工程进行地应力测量时，孔壁应变解除法是当前最广泛应用的方法之一。该方法是唯一的单次测试可以给出三维应力状态的测量方法。截至目前，已出现的孔壁应变测试技术有直接贴片式、空心包体式、刚性包体式和实心包体式等。直接贴片技术自1960s年代以来陆续出现，以南非研制成功“CSIR三轴孔壁应变计”为代表，该方法是国际岩石力学测试专业委员会推荐地应力测试方法之一。国内长江科学院研制了CJS-1型直接贴片测试装置，由于成功率低，随后被淘汰。刚性包体式应变计由钢或其它硬金属材料制作，其弹性模量值比岩石高几倍，不允许钻孔有显著变形，因此适用性不强。葡萄牙和澳大利亚等国家研制出了实心包体式应变计，包体由环氧树脂等软弹性材料组成。上述刚性包体和实心包体应用较少或被淘汰。
与此同时，空心包体式孔壁应变测量(CSIRO型)在国内获得了广泛应用，该型应变计应变片封装于环氧树脂中，试验时将中空腔内胶水推出，从而将整个空心包体与岩体粘胶固化。该测试技术将应变计和接头线路均保护在环氧树脂中，因而测试成功率较高。但其存在以下局限性：相较于直接贴片技术、空心包体测试增加了胶水层和环氧树脂层的应力应变传递环节，而且为了获得解析结果增加了4个计算参数。因此，该技术增加了测试环节、降低了测量精度，使得测试结果具有一定的不确定性。
发明内容
针对现有技术存在的上述不足，本发明提供一种半包体直接贴片地应力解除测试装置及方法，其设计了新型半包体直接贴片应变计，以软橡胶材料为应变计基底和保护层，不影响岩体变形，此外温度传感器或者补偿片粘结在不变形层和软橡皮之间，更靠近测量部位而又不受孔壁变形影响，消除了空心包体式应变计包体层和粘胶层对应力应变传递带来的测量误差，同时补偿作用更准确，可以实现应变计对应变片和线路实现防水功能。
一种半包体直接贴片地应力解除测试装置，包括支架、与支架连接的支撑件、套设于支撑件外围的橡皮筒，所述支撑件由至少3个弧形块拼接形成，每个弧形块从内孔至外表均设有安装应变丛推挤块的槽孔，应变丛推挤块的外表为弧形结构，多个弧形块和应变丛推挤块拼接后形成圆柱体结构，橡皮筒套设在支撑件和应变丛推挤块所形成圆柱体结构外壁；应变丛推挤块的外端壁设有不变形层，橡皮筒上设有安装应变丛的开口，不变形层与橡皮筒开口处粘结；不变形层上粘结补偿片或温度传感器，在粘结补偿片或温度传感器上依次粘结应变丛软橡皮、应变丛，应变丛通过连接线与电缆线连接，电缆线与测试仪连接，以获取应变丛的测量数据；支架与支撑件中部形成可插入推挤内杆的空腔，推挤内杆插入时可推动支撑件向外扩展。
进一步的，支撑件的另一端插接前端支撑杆，前端支撑杆与导向头连接。
进一步的，推挤内杆推入时，推挤内杆将应变丛推挤块和支撑件撑起，应变丛推挤块带动不变形层、外层的软橡皮层和应变丛首先接触测量孔孔壁，随后应变计其它部位橡皮筒接触测量孔孔壁。
进一步的，橡皮筒的尺寸与未插入推挤内杆时的支撑件的尺寸相匹配，呈略绷紧状，外径呈圆筒形。
进一步的，应变丛推挤块由具有一定弹性的塑料材料制成。
进一步的，还包括套管双杆安装装置，所述套管双杆安装装置包括外连接杆和设于外连接杆内的内连接杆，外连接杆和内连接杆分别由多根连接杆可拆卸地串联而成，第一根外连接杆与支架连接，内连接杆与推挤内杆相连接。
进一步的，第一根外连接杆与推挤内杆的连接部位设有定位凸起，支架上设有与第一根外连接杆的定位凸起相配的支架定位槽，其余外连接杆首端具有连接螺帽，杆内侧有定位凸起，末端具有连接螺纹和定位槽，连接时定位凸起卡入定位槽，连接螺纹与连接螺帽螺纹连接。
进一步的，内连接杆用开口销与推挤内杆相连接，内连接杆的内杆首端为凸起，内杆末端为开口槽，均设有销孔。
一种采用如上述的半包体直接贴片地应力解除测试装置进行应力解除测试的方法，其特征在于包括如下步骤：
步骤一、测量孔测试准备：测量孔取芯后，首先进行孔深测量，获得大孔和小孔的孔深；其次进行孔壁清洗，用丙酮对孔壁擦拭；再次进行孔壁烘干，采用微型烘干器烘干小孔孔壁；
步骤二、应变计安装：根据已获得的孔深，截取合适长度的导向头，将应变计安装在支架上，支架前端插入导向头，连接支架和第一根外连接杆，插入推挤内杆，但保持安装初始状态，将应变计软橡皮外表面均匀涂胶，随后逐根连接内连接杆和外连接杆，直至将应变计送入小孔计算孔深处，随后通过推动内连接杆进而推动推挤内杆使得应变计撑起，将应变丛及橡皮筒与孔壁接触压紧，推进时旋转外连接杆使得应变计表面胶水不过分集中在一个方向，等到胶水固化完毕，首先拉出内连接杆和推挤内杆，其次拉出外连接杆以及支架，支撑件等在可在试验完成后再回收；
步骤三、应变计解除及后续试验：将应变计电缆线依次穿过套钻钻具、钻杆，拉紧固定于钻机后侧，最后连接到测试仪器，启动钻机、逐步解除包含应变计的岩心，在此过程中记录应变片应变数据。为了获得应变片粘结情况及计算参数，对取得的岩心进行围压试验；
步骤四、利用直接贴片测试技术计算方法进行结果计算：设定应变计布设3个应变丛，其序号用i表示，应变丛对应极角为θi；每个应变丛由4个应变片组成，其序号用j表示，与轴线夹角为
Figure BDA0001614714680000047
求解下述观测值方程组，可得测试部位三维应力状态：
E·εk＝Ak1σx+Ak2σy+Ak3σz+Ak4τxy+Ak5τyz+Ak6τzx (1)
k＝4(i-1)+j，i＝1～3，j＝1～4；
式中应力系数Ak1～Ak2为：
Figure BDA0001614714680000041
Figure BDA0001614714680000042
Figure BDA0001614714680000043
Figure BDA0001614714680000044
Figure BDA0001614714680000045
Figure BDA0001614714680000046
其中：E为岩体弹性模量，μ为泊松比，εk为观测值。
本发明中应变计以软橡皮为应变计基底和保护层，软橡皮粘在不变形层上，不变形层与其它保护区软橡皮粘结一起，试验时，应变计外表涂胶将应变片和线路粘接于试验孔内壁，软橡皮和应变丛部位不变形层将应变片和电子线路保护起来，应变片直接粘结于孔壁上，其基底为弹性模量极低的软橡皮，因此，该应变计不影响岩体变形，此外温度传感器或者补偿片粘结在不变形层和软橡皮之间，更靠近测量部位而又不受孔壁变形影响，因此，该型式包体消除了空心包体式应变计包体层和粘胶层对应力应变传递带来的测量误差，同时补偿作用更准确；此外，为了应对新型应变计的安装，设计了应变计粘结方法、试验程序和套管双杆装置以保证安装精确及安装精度，本发明是对孔壁应变测试技术的重大革新。
附图说明
图1是本发明半包体直接贴片地应力解除测试装置其中一个实施例的结构示意图；
图2是图1中A-A向剖视图；
图3是本发明一实施例中套管双杆安装装置的分解结构示意图；
图4是本发明一实施例使用套管双杆安装装置组装后的结构示意图。
图中：1-1—推挤内杆；1-2—支架；1-3—电缆线；1-4—绑丝；1-5—连接线；1-6—橡皮筒；1-7—支撑件；1-8—应变丛推挤块；1-9—不变形层；1-10—应变片区软橡皮；1-11—应变丛；1-12—前端支撑杆；2-1—定位凸起；2-2—定位槽；2-3—首端定位凸起；2-4—支架定位槽；2-5—连接螺帽；2-6—末端螺纹；2-7—第一根连接外杆；2-8—支架连接螺纹；2-9—内杆末端；2-10—内杆首端；2—大孔；3—外连接杆；4—开口销；5—内连接杆；6—对中器；7—紧固件；8—外连接杆螺纹；9—导向头；10—小孔。
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。
请参阅图1及图2，本发明半包体直接贴片地应力解除测试装置其中一个实施例包括支架1-2、与支架1-2连接的支撑件1-7、套设于支撑件1-7外围的橡皮筒1-6，橡皮筒1-6上设有安装应变丛的开口，与不变形层1-9粘接。
所述支撑件1-7由至少3个弧形块拼接形成，每个弧形块从内孔至外表均设有四边形槽孔，用以安装应变丛推挤块1-8，不变形层1-9等。应变丛推挤块1-8的外表也为弧形结构，多个弧形块和应变丛推挤块1-8拼接后形成圆柱体结构，即外壁为完整的圆形，橡皮筒1-6套设在支撑件1-7和应变丛推挤块1-8所形成圆柱体结构外壁。
应变丛推挤块1-8的外端壁设有不变形层1-9，不变形层1-9与橡皮筒1-6开口处周围部分粘结，不变形层1-9上粘结补偿片或温度传感器，在其上依次粘结应变丛软橡皮1-10、应变丛1-11，即所述补偿片或温度传感器粘贴在不变形层1-9外表面，其外层粘贴应变片区软橡皮1-10，再外层粘贴测量应变丛1-11。应变丛1-11通过连接线1-5与电缆线1-3连接，电缆线与测试仪连接，以获取应变丛1-11的测量数据。
支架1-2与支撑件1-7一端的连接方式可为套接或螺旋连接或卡扣连接，支架1-2与支撑件1-7中部形成可插入推挤内杆1-1的空腔，支撑件1-7的另一端可插接前端支撑杆1-12。
支撑件1-7可为较硬的塑料材料，径向分为3个部分，可在三部分间交错分层设计，未插入推挤内杆1-1时自然拼接成一体。支撑件1-7在应变丛1-11安装部位开槽，尺寸与应变丛推挤块1-8和不变形层1-9配合设计。配合设计支撑件1-7的内表面形状和推挤内杆1-1形状，将推挤内杆1-1推入时，将应变丛推挤块1-8和支撑件1-7撑起，应变丛推挤块1-8首先带动不变形层1-9、外层的软橡皮层1-10和应变丛1-11首先接触测量孔10孔壁，随后应变计其它部位橡皮筒1-6接触测量孔10孔壁。
推挤内杆1-1和支架1-2可为金属材料，可以据此对应变计安装角度定位。推挤内杆1-1前端形状配合支撑件1-7内腔设计，根据应变计尺寸和安装动作来设计，其插入时使得应变丛1-11接触孔壁，其次推挤内杆1-1上有两个接触点压紧支撑件1-7，使得橡皮筒1-6能够紧贴孔壁。
应变计制作应先制作成橡皮筒1-6，橡皮材料应具有良好的弹性、绝缘性，厚度约1～2mm，在应变丛安装部位设有开口，开口边缘部位适当增加厚度，与支撑件1-7嵌入部位外表面配合制作。制作完成的橡皮筒尺寸与未插入推挤内杆1-1和前端支撑杆1-12时的支撑件1-7的尺寸相匹配，呈略绷紧状，外径呈圆筒形。支撑件1-7的外壁套设有绑丝1-4，绑丝1-4为弹性橡皮筋，对支撑件1-7提供弹性收缩力。
应变丛推挤块1-8可为有一定弹性的塑料材料，不变形层1-9为硬塑料材料，最好采用测量同类岩体磨片，其中不变形层1-9外表面形状与测量孔10内径相同，其尺寸根据应变丛1-11的形状进行改变，并与支撑件1-7、推挤内杆1-1和应变丛推挤块1-8等的形状匹配设计。
传统应变丛多采用3丛120°径向均布应变丛，应变片角度分别为0°、90°和45°，共计9片。本发明的半包体应变计布置3丛12片应变片，应变片与轴向角度建议包含0°、45°、90°、30°和60°等，以获得足够的应变信息供计算处理。
应变计制作时，首先把支撑件1-7固定在支架1-2上，安装橡皮筒1-6，装入应变丛推挤块1-8和不变形层1-9，将不变形层1-9与周围橡皮筒1-6粘结，需预留应变丛软橡皮1-10的厚度。该状态为应变计制作的初始状态，也是现场试验时的安装初始状态。其后，插入推挤内杆1-1和前端支撑杆1-12，将应变计撑起，该状态为应变计安装状态，其外径为略大于测量孔10的孔径。此后，在不变形层1-9上粘结补偿片或温度传感器，在其上依次粘结应变丛软橡皮1-10、应变丛1-11；焊接好连接线1-5，并与橡皮筒1-6粘结可靠，做到恢复到初始状态时不翘起。
橡皮筒1-6和不变形层1-9等部件可采用3D打印技术成型，或者将所有非金属部件一次成型。
为了实现半包体直接贴片应变计的安装，本发明还设计有套管双杆安装装置。如图3和图4所示，套管双杆安装装置分为外连接杆3和内连接杆4。两杆均设计为2m或1.5m标准长度，表面刻画标尺。外连接杆3和内连接杆4可分别由多根连接杆可拆卸地串联而成。
外连接杆3的多根连接杆之间采用螺纹连接，第一根外连接杆2-7通过连接螺纹8与支架1-2的连接螺纹2-8连接，第一根外连接杆2-7与推挤内杆1-1的连接部位设有定位凸起2-3，支架1-2上设有与第一根外连接杆的定位凸起2-3相配的支架定位槽2-4。其余外连接杆首端具有连接螺帽2-5，杆内侧有定位凸起2-1，末端具有连接螺纹2-6和定位槽2-2，连接时定位凸起2-1卡入定位槽2-2，连接螺纹2-6与连接螺帽2-5螺纹连接。
内连接杆5设于外连接杆3内部，内连接杆5用开口销4与推挤内杆1-1相连接，内连接杆5的内杆首端2-10为凸起，内杆末端2-9为开口槽，均设有销孔。推挤内杆1-1末端加工形式与内杆末端2-9形式相同。
应变计应变丛安装角度根据外连接杆3与应变计的安装关系、以及最后一根外连接杆的定位槽2-4的角度来确定。
本应变计未设置胶筒，应变计的粘贴采用将有反应后仍处于粘稠状态胶水均匀涂抹于应变丛软橡皮1-10，安装推进时旋转外连接杆3使得应变计表面胶水不过分集中在一个方向，本黏胶方法有多次成功应用实例。
本发明实施例还提供一种半包体直接贴片地应力解除测试方法，包括如下步骤：
1、测量孔10测试准备步骤：测量孔10取芯后，首先进行孔深测量，获得大孔2和小孔10的孔深；其次进行孔壁清洗用丙酮等对孔壁擦拭；再次进行孔壁烘干，采用微型烘干器烘干小孔10孔壁。
2、应变计安装步骤：根据已获得的孔深，截取合适长度的导向头9，将应变计(应变丛1-11)安装在支架1-2上，支架1-2前端插入导向头9，连接支架1-2和第一根外连接杆2-7，插入推挤内杆1-1，但保持安装初始状态。随后逐根连接内连接杆4和外连接杆3，直至将应变计送入预定孔深部位。随后通过推动内连接杆4进而推动推挤内杆1-1使得应变计撑起，将应变丛1-11及橡皮筒1-6与孔壁接触压紧，等待胶水固化。推进时旋转外连接杆3使得应变计表面胶水不过分集中在一个方向。等到胶水固化完毕，首先拉出内连接杆3和推挤内杆1-1，其次拉出外连接杆(3,2-7)，支撑件1-7在可在试验完成后再回收。
3、应变计解除及后续试验：将应变计电缆线依次穿过套钻钻具、钻杆，拉紧固定于钻机后侧，最后连接到测试仪器，启动钻机、逐步解除包含应变计的岩心，在此过程中记录应变片应变数据。为了获得应变片粘结情况及计算参数，对取得的岩心进行围压试验。
4、利用直接贴片测试技术计算方法进行结果计算：设定应变计布设3个应变丛，其序号用i表示，应变丛对应极角为θi；每个应变丛由4个应变片组成，其序号用j表示，与轴线夹角为
Figure BDA0001614714680000091
求解下述观测值方程组，可得测试部位三维应力状态：
E·εk＝Ak1σx+Ak2σy+Ak3σz+Ak4τxy+Ak5τyz+Ak6τzx (1)
k＝4(i-1)+j，i＝1～3，j＝1～4；
式中应力系数Ak1～Ak2为：
Figure BDA0001614714680000092
Figure BDA0001614714680000094
Figure BDA0001614714680000095
Figure BDA0001614714680000096
Figure BDA0001614714680000097
其中：E为岩体弹性模量，μ为泊松比，εk为观测值。
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 (8)

1.一种半包体直接贴片地应力解除测试装置，包括支架、与支架连接的支撑件、套设于支撑件外围的橡皮筒，所述支撑件由至少3个弧形块拼接形成，每个弧形块从内孔至外表均设有安装应变丛推挤块的槽孔，应变丛推挤块的外表为弧形结构，多个弧形块和应变丛推挤块拼接后形成圆柱体结构，橡皮筒套设在支撑件和应变丛推挤块所形成圆柱体结构外壁；应变丛推挤块的外端壁设有不变形层，橡皮筒上设有安装应变丛的开口，不变形层与橡皮筒开口处粘结；不变形层上粘结补偿片或温度传感器，在粘结补偿片或温度传感器上依次粘结应变丛软橡皮、应变丛，应变丛通过连接线与电缆线连接，电缆线与测试仪连接，以获取应变丛的测量数据；支架与支撑件中部形成可插入推挤内杆的空腔，推挤内杆插入时推动支撑件向外扩展；推挤内杆推入时，推挤内杆将应变丛推挤块和支撑件撑起，应变丛推挤块带动不变形层、外层的软橡皮层和应变丛首先接触测量孔孔壁，随后应变计其它部位橡皮筒接触测量孔孔壁；应变计的粘贴采用将有反应后仍处于粘稠状态胶水均匀涂抹于应变丛软橡皮，安装推进时旋转外连接杆使得应变计表面胶水不过分集中在一个方向。
2.如权利要求1所述的半包体直接贴片地应力解除测试装置，其特征在于：支撑件的另一端插接前端支撑杆，前端支撑杆与导向头连接。
3.如权利要求1所述的半包体直接贴片地应力解除测试装置，其特征在于：橡皮筒的尺寸与未插入推挤内杆时的支撑件的尺寸相匹配，呈略绷紧状，外径呈圆筒形。
4.如权利要求1所述的半包体直接贴片地应力解除测试装置，其特征在于：应变丛推挤块由具有一定弹性的塑料材料制成。
5.如权利要求1所述的半包体直接贴片地应力解除测试装置，其特征在于：还包括套管双杆安装装置，所述套管双杆安装装置包括外连接杆和设于外连接杆内的内连接杆，外连接杆和内连接杆分别由多根连接杆可拆卸地串联而成，第一根外连接杆与支架连接，内连接杆与推挤内杆相连接。
6.如权利要求5所述的半包体直接贴片地应力解除测试装置，其特征在于：第一根外连接杆与推挤内杆的连接部位设有定位凸起，支架上设有与第一根外连接杆的定位凸起相配的支架定位槽，其余外连接杆首端具有连接螺帽，杆内侧有定位凸起，末端具有连接螺纹和定位槽，连接时定位凸起卡入定位槽，连接螺纹与连接螺帽螺纹连接。
7.如权利要求5所述的半包体直接贴片地应力解除测试装置，其特征在于：内连接杆用开口销与推挤内杆相连接，内连接杆的内杆首端为凸起，内杆末端为开口槽，均设有销孔。
8.一种采用如权利要求1-7中任一项所述的半包体直接贴片地应力解除测试装置进行应力解除测试的方法，其特征在于包括如下步骤：
步骤一、测量孔测试准备：测量孔取芯后，首先进行孔深测量，获得大孔和小孔的孔深；其次进行孔壁清洗，用丙酮对孔壁擦拭；再次进行孔壁烘干，采用微型烘干器烘干小孔孔壁；
步骤二、应变计安装：根据已获得的孔深，截取合适长度的导向头，将应变计安装在支架上，支架前端插入导向头，连接支架和第一根外连接杆，插入推挤内杆，但保持安装初始状态，将应变计软橡皮外表面均匀涂胶，随后逐根连接内连接杆和外连接杆，直至将应变计送入小孔计算孔深处，随后推动内连接杆进而推动推挤内杆使得应变计撑起，将应变丛及橡皮筒与孔壁接触压紧，推进时旋转外连接杆使得应变计表面胶水不过分集中在一个方向等到胶水固化完毕，首先拉出内连接杆和推挤内杆，其次拉出外连接杆以及支架；
步骤三、应变计解除及后续试验：将应变计电缆线依次穿过套钻钻具、钻杆，拉紧固定于钻机后侧，最后连接到测试仪器，启动钻机、逐步解除包含应变计的岩心，在此过程中记录应变片应变数据，为获得应变片粘结情况及计算参数，对取得的岩心进行围压试验；
步骤四、设定应变计布设3个应变丛，其序号用i表示，应变丛对应极角为θi；每个应变丛由4个应变片组成，其序号用j表示，与轴线夹角为
Figure FDA0004273293100000031
求解下述观测值方程组，可得测试部位三维应力状态：E·εk＝Ak1σx+Ak2σy+Ak3σz+Ak4τxy+Ak5τyz+Ak6τzx (1)
k＝4(i-1)+j，i＝1～3，j＝1～4；
式中应力系数Ak1～Ak2为：
Figure FDA0004273293100000032
Figure FDA0004273293100000033
Figure FDA0004273293100000034
Figure FDA0004273293100000035
Figure FDA0004273293100000036
Figure FDA0004273293100000037
其中：E为岩体弹性模量，μ为泊松比，εk为观测值。
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