CN109025984A - 一种孔内岩芯空间方向定位装置及套孔应力解除法验证法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种孔内岩芯空间方向定位装置，包括厚壁铜筒11后端装有高压风管接口5，所述高压风管接口5连接有高压风管9，厚壁铜筒11中设置标记液盛放盒6，所述标记液盛放盒6后端与高压风管接口5相连，所述标记液盛放盒6前端接有标记液输送管16，所述标记液输送管16末端装有标记液喷头17，所述标记液喷头17喷出“丰”字形防水定向标记，厚壁铜筒11后端还装有水平定向装置4。还公开了一种套孔应力解除法准确度的验证方法，该方法中采用波速分析法、差应变分析法和AE法测量的地应力测试结果与采用应力解除法测量的结果进行对比分析，若能从多个方面得到印证其一致性，则说明应力解除法测试结果的准确度得到验证。

Description

一种孔内岩芯空间方向定位装置及套孔应力解除法验证法

技术领域

本发明属于地下岩体工程地应力测试技术领域，尤其涉及一种孔内岩芯空间方向定位装置以及一种套孔应力解除法准确度的验证方法。

背景技术

地应力（也称原岩应力）是地壳中岩体所具有的天然内在应力，它是引起各种地下岩土工程失稳破坏的根本作用力，准确掌握其分布规律是实现地下岩体工程决策、设计与施工科学化的必要前提。岩体中存在着的这种天然地应力只能通过实测的方式来获取。

套孔应力解除法是目前学界公认的技术最成熟、应用最为广泛的一种地应力测试技术，它利用一个钻孔就可实现地下岩体的三维地应力状态测量，三维地应力的状态测量包括三个主应力的大小和方向。该法的理论基础是弹性力学，它假设岩体介质为线弹性体，在岩体完整性好，应力又非超高时，准确度和可靠性较好。但在实际工程中，地下岩体介质往往具有较复杂的地质结构，如岩性、各向异性、节理裂隙、高应力下的塑性等，同时该法还易受温度、地下水等环境变化影响结果的准确性，具体表现在即使在同一钻孔的相邻测段，最终的解除应变也可能有较大的差别。又因为该法使用的三轴应力计探头通常成本较高，测试的工艺环节也较复杂，采用多次测量取均值的方法从经济性和测试效率角度考虑均不可取。

目前，常用的3种地应力测试验证手段分别是波速法、差应变法和声发射法。

1） 波速法是通过对圆柱体岩芯柱水平方向上不同方向的波速测量得到地应力的最大水平主应力和最小水平主应力方向的一种方法。所依靠的基本原理为岩芯在所受到的应力解除后沿着各个方向的应变恢复不一，从而在各个方向上波速相异，应力大小与波速大小相反。由于钻孔方位不一，因此岩芯的空间方向定位是准确测量的重点。

2）差应变法（DSA法）是对整个岩芯加压进行不同方向的差应变分析，得到最大及最小主应力的方向，并利用在取出的岩样上粘贴应变片测量不同方向上的压力-应变曲线，通过张量分析计算，得到主应变的比值关系从而确定地应力的大小的方法。传统的差应变法需要三个彼此正交的平面且要把平行于岩芯轴向的侧面加工成相互垂直的平面，每个平面至少贴三个应变片。而合理布置应变片的位置是准确测量的重点，这一步骤操作难度大。

3） 声发射法（AE法）是利用岩石本身具有的Kaiser效应在实验室内进行地应力测量的一种方法。与测量地应力较为常用的应力解除法和水压致裂法相比，AE法不需要庞大的现场设备，只要将钻取的岩心样品运到实验室内测试声发射信号即可，传统的声发射法测量的准确性重点在于岩芯定向的准确性。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中存在的缺陷，提供一种孔内岩芯空间方向定位装置以及一种套孔应力解除法准确度的验证方法，通过该装置可以准确获取到岩芯的空间方位，为波速法、差应变法、声发射法提供了准确空间方位的岩芯。

本发明采用以下技术方案：

一种孔内岩芯空间方向定位装置，其特征在于，厚壁铜筒11后端装有高压风管接口5，所述高压风管接口5连接有高压风管9，厚壁铜筒11中设置标记液盛放盒6，所述标记液盛放盒6后端与高压风管接口5相连，所述标记液盛放盒6前端接有标记液输送管16，所述标记液输送管16末端装有标记液喷头17，所述标记液喷头17喷出“丰”字形防水定向标记，厚壁铜筒11后端还装有水平定向装置4。

优选地，在所述水平定位装置4中，气泡12位于汞柱13中，两段汞柱外端与电池相连，两段汞柱内端与定向显示灯14相连。

优选地，所述装置还包括竹节式安装杆1、安装杆铰接头3，所述厚壁铜筒前端装有前保护套7，后端装有保护套10。

优选地，所述厚壁铜筒11直径略小于钻孔直径。

优选地，所述喷射器由厚壁铜筒11后端安装的孔内定向灯14定位，所述定向灯只有在铜筒处于水平位置时即气泡12位于汞柱13中间时定位灯14两端线路与汞柱一起形成闭合回路才会亮起，所述厚壁铜筒11后端所接风管9吹出标记液盛放盒6内红色的防水快速干燥标记液，在孔内未断岩芯8孔口端面上形成“丰”字形防水定向标记。

优选地，所述厚壁铜筒11后端盖中心处焊有一个连接母头，可与竹节式安装杆1牢固铰接，所述竹节式安装杆为1米定长的高强铝合金杆，前端焊有一个连接公头，后端焊有一个连接母头，安装杆可根据钻孔实际深度无限延长。

一种套孔应力解除法准确度的验证方法，其特征在于，采用波速分析法测量最大、最小主应力的方向，采用差应变分析法测量三向主应力大小和方向，采用声发射法测量垂直主应力、水平最大主应力和水平最小主应力。

优选地，所述采用波速分析法测量最大、最小主应力的方向具体包括：先测量好孔底距离，然后通过竹节式安装杆1将权利要求1-6任一装置送入孔底，微调安装杆使厚壁铜筒处于水平位置时即气泡12位于汞柱13中间，此时定向显示灯14亮起，打开高压风，吹动铜筒11内红色的防水快速干燥标记液从“丰”字形多喷头标记喷射器15喷出，在孔内未断根岩芯8孔口断面上形成“丰”字形防水定位标记，实现岩芯的孔内方向标记定位，而后利用金刚石单管钻头套孔钻取出该岩芯；钻取出的岩芯由端面标记与钻孔方位角确定实际的空间方位，而后根据空间方位加工出垂直于水平面的直径50mm、高50mm的岩石试件，用细记号笔将该岩芯具体NSWE方位做好标记后以地理北向为0º，按15º间隔在180º范围内的测过岩芯中心轴的纵波波速大小，其中最大、最小波速度对应的角度即为岩样在水平方向上的最小、最大主应力对应的方向。

优选地，所述采用差应变分析法测量三向主应力大小和方向具体包括：通过上述岩芯样品，依据其实际埋藏深度，进行差应变分析法地应力测量，具体步骤为：

1）将3组角度分别为0°、45º、90°、135°的应变花粘贴在包括北向在内的三个相互垂直且已划上标线的的端面上；

2）将试样和温度补偿块一起放入压力容器中，按0.1MPa/min的增压速率增加静水压至100～140MPa；

3）记录加压过程中每个应变片的应力-应变值，描绘出不同通道应变片的应力-应变曲线；

4）重复以上步骤（2）-（3）加压和卸压3次以上，并对每条应力-应变曲线进行微分分析；

5）通过多个方向的裂隙闭合应变率求出三个主裂隙应变的方向，即是三个主应力的方向，由于该岩芯已经完成空间定位，因此可以知道主应力的具体空间物理方向，而主应力大小则可由瞬时关闭压力值确定。

优选地，所述采用声发射法测量垂直主应力、水平最大主应力和水平最小主应力具体包括：

1)另取一段孔内已定位岩芯，用记号笔划出水平线和北向线的标记线；

2）按划出的水平线和北向线标记线钻取加工声发射法地应力测试小试件，所述小试件的直径25mm、高度50mm，其中垂直方向一组，水平方向三组，所述水平方向三组分别是与正北向顺时针成0º、45º和90º夹角，每组取3-4个试件；

3）利用材料试验机和声发射仪对加工好的地应力测试小试件进行单轴压缩声发射信号测试，采用岩石Kaiser效应原理确定岩心在各个方向上的Kaiser效应点，然后利用弹性力学公式分别计算出垂直主应力、水平最大主应力和水平最小主应力及它们间的夹角。

本发明的优点和有益效果在于：本发明采用了孔内岩芯空间方向定位技术，通过在孔底未断根岩芯外端面上做出方向定位防水标记，待岩芯钻取出后便可结合孔深、孔倾角、孔方位角及定位标记得到岩芯的真实空间方位。这种岩芯空间定向技术无需使用大型专用设备，定位与钻探过程分离，不影响生产钻探，精度高、费用低、操作简单、快速高效。该技术的产生不仅为波速法定主应力方向奠定了基础，同时也为一孔四法测量地应力的AE法和差应变法提供定向的岩芯，使得地应力测试方法简单易行、经济高效、便于大规模推广应用。同时，本发明提供的一种套孔应力解除法准确度的验证方法中采用波速分析法、差应变分析法和AE法测量的地应力测试结果与采用应力解除法测量的结果进行对比分析，若能从多个方面得到印证其一致性，则说明应力解除法测试结果的准确度得到验证。

附图说明

图1为孔内岩芯空间方向定位示意图

图2为孔内岩芯空间方向定位装置结构示意图

图3为应力解除法步骤图

图4为波速法示意图

图5为差应变法示意图

图6为声发射法取芯位置示意图

图中：1—竹节式安装杆，2—钻孔，3—安装杆铰接头，4—水平定向装置，5—高压风管接口，6—标记液盛放盒，7—孔内定向装置前保护套，8—未断根岩芯，9—高压风管，10—孔内定向装置后保护套，11—厚壁铜筒，12—气泡，13—汞柱，14—定向显示灯，15—“丰”字形多喷头标记喷射器，16—标记液输送管，17—标记液喷头。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。

图1为本发明提供的一种利用套孔应力解除法原孔岩芯校验测试结果可靠度的基于孔内岩心标记定向技术方法的示意图，适合孔内未断根岩芯的空间方位测量。所述装置包括竹节式安装杆1，水平定向装置4，标记液盛放盒6，高压风管9，厚壁铜筒11。

厚壁铜筒11后端装有高压风管接口5，高压风管接口5连接有高压风管9，厚壁铜筒11中设置标记液盛放盒6，标记液盛放盒6后端与高压风管接口5相连，标记液盛放盒6前端接有标记液输送管16，标记液输送管16末端装有标记液喷头17，厚壁铜筒11后端还装有水平定向装置4。水平定位装置4中，气泡12位于汞柱13中，两段汞柱外端与电池相连，两段汞柱内端与定向显示灯14相连。

图2为孔内岩心标记定向装置结构示意图，如图2所示，孔内岩芯定向标记装置，包括孔内定向装置后保护套10、厚壁铜筒11、定位气泡12、汞柱13、定位显示灯14、丰字形多喷头标记喷射器15和标记液喷头17，所述厚壁铜筒11直径略小于钻孔直径，具有一定的重量和长度，利于在钻孔内前后滑动时保持稳定。厚壁铜筒前端装有前保护套7，后端装有保护套10。

厚壁铜筒前端装有丰字形多喷头标记喷射器15，标记液输送管16，标记液喷头17；厚壁铜筒后端装有气泡12，汞柱13，定向显示灯14。所述喷射器由厚壁铜筒11后端安装的孔内定向灯14定位，所述定向灯只有在铜筒处于水平位置时即气泡12位于汞柱13中间时定位灯14两端线路与汞柱一起形成闭合回路才会亮起，所述厚壁铜筒11后端装有高压风管接口5，高压风管接口5连接有高压风管9，所述厚壁铜筒11后端所接高压风管9吹出标记液盛放盒6内红色的防水快速干燥标记液，在孔内未断岩芯8孔口端面上形成“丰”字形防水定向标记，此时丰字画出了岩芯的上下向，结合孔深、孔方位角、孔倾角和埋深可得到岩芯的空间方位，为3种校验方法提供了准确空间方位的岩芯。

所述厚壁铜筒11后端盖中心处焊有一个连接母头，可与竹节式安装杆1牢固铰接，所述竹节式安装杆为1米定长的高强铝合金杆，前端焊有一个连接公头，后端焊有一个连接母头，安装杆可根据钻孔实际深度无限延长。

图3为应力解除法步骤图，首先打3-5度直径91mm的倾斜孔至原岩应力区，而后使用磨平钻头磨平孔底，待孔底磨平结束后换上直径38.5mm的小定位钻头打定位孔，定位孔结束后打40cm的小孔，取出小岩芯，而后根据岩石完整程度确定应变探头安装位置，紧接着用水洗孔，酒精或丙酮清洗小孔，小孔干燥后试安装与正式安装探头，待探头与岩石黏为一体后套孔取出带探头岩芯，取芯长度40cm，待应变解除后测量解除应变值。

图4为波速法示意图，取出已经定向的岩芯，其实该岩芯已经确定了具体的空间方位，而后根据其空间方位加工出垂直于地表的直径50mm的岩芯，用细记号笔将该岩芯具体NSWE方位做好标记后以地理北向为0度每10/15度测量岩芯360度范围内的波速大小，可得到一个类似正弦函数的角度-波速变化图，该图的最大、最小波速度即岩芯在水平方向上的最小、最大主应力方向。

图5为差应变法示意图，3组应变片角度分别为0°、45°、90°和135°，粘贴位置为三个已经划上标线的相互垂直的端面。

图6为声发射法取芯位置示意图，以N向为0°角度，顺时针旋转，在0°、45°、90°和垂直向取芯，红色部分为待取岩芯。

工作原理：在使用孔内岩心定向标记装置时，将钻孔2中位于原岩应力区与使用应力解除法套孔取芯完毕后相邻的未断根岩芯8作为待测岩石样品，用可以无限延长的竹节式安装杆1将孔内岩芯空间方向定位装置沿钻孔内壁推到孔底与岩芯接触；通过旋转竹节式安装杆1调整孔内岩芯空间方向定位装置6后端水平气泡12居中，连通电路，使定向显示灯14亮起，以此保证此时孔内岩芯空间方向定位装置6处于水平位置，而后端高压风管9输送高压风，吹动标记液盛放盒6内的防水标记液从前端丰字形多喷头标记喷射器15喷出，在孔底岩芯8孔口端形成定向标记。

利用套孔应力解除法原孔岩芯校验测试结果可靠度的方法，该方法为在原岩应力区首先使用应力解除法测出该点地应力大小和方向，而后在与之相邻段未断根岩芯8先使用孔内岩芯空间方向定位装置6定向，而后用钻机取出该段岩芯，取芯过程中若是岩芯断裂，则对孔内剩余未定向岩芯再次定向，取出的岩芯用于波速法、声发射法和差应变法三种方法测量地应力，根据钻孔倾角、深度和定向标记将岩芯空间位置恢复，而后加工为直径50mm垂直向岩芯用于波速法测量，得到角度-波速的近正弦函数曲线，波速最大和最小分别对应最小、最大主应力的方向；对波速法测量完毕的直径50mm、高50mm的定位岩芯，将3组角度分别为0°、45º、90°、135°的应变花粘贴在三个已经划上标线的相互垂直的端面上，通过在压力盒中增加静水压得到相应应变片的应力-应变曲线，通过对每条应力-应变曲线进行微分分析，得到地应力的大小和方向；声发射法用已经空间定位的岩芯按照垂直向、与北向呈0°、45°和90°加工成25mm´50mm圆柱形试样，而后使用声发射法得到不同角度试样的Kaiser点与之对应的应力值，算出地应力的大小和方向。

本发明所述三种测量地应力技术测量结果相互独立、互不影响，可以校验套孔应力解除法的测试结果。

本发明提供一种利用原孔岩芯验证套孔应力解除法测试结果准确度的方法。所述方法包括应力解除法钻孔中未断根岩芯的定向标识装置与方法、采用三种不同技术手段对定向岩芯进行地应力测量、地应力测量结果的比较分析三个部分。所述的三种技术手段包括波速分析法、声发射法（AE法）和差应变分析法地应力测量。基本原理为使用孔内岩芯空间方向定位装置在底部岩芯上标记出未断根岩芯的上下向，取出完整岩芯后，用该定向岩芯的一部分加工成竖直向岩石试样，使用波速法测量其最大主应力的方向，之后使用差应变法测量该岩芯的地应力，对已定向的其余部分岩芯，按照岩芯的方位角回归北向后，加工为指定方向的小试样，使用AE法获取相应的Kaiser点，得到三维地应力计算结果。通过上述三种方法的测量结果，验证套孔应力解除法的准确性。该法可广泛应用于各种地下岩体工程在复杂地质力学条件下的原岩应力测量，实现施工单个钻孔即可获取测点处准确的地应力大小和方向信息。

本发明与现有技术相比有如下优点：（1）空间方向定位准确，孔内岩芯空间方向定位装置结合孔倾角、孔方位角等参数定向，定向结果准确可靠。（2）方法简便、高效、可靠性强。已经对孔内未断根岩芯进行了空间方向定位，三种验证方法验证时有方向可依。（3）测量精度高、成本低、自由灵活。取出的岩芯用于波速法测量后可直接用于差应变法测量，两种方法可紧密衔接，三种方法共同验证，对方向和大小都进行了验证。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种孔内岩芯空间方向定位装置，其特征在于，厚壁铜筒（11）后端装有高压风管接口（5），所述高压风管接口（5）连接有高压风管（9），厚壁铜筒（11）中设置标记液盛放盒（6），所述标记液盛放盒（6）后端与高压风管接口（5）相连，所述标记液盛放盒（6）前端接有标记液输送管（16），所述标记液输送管（16）末端装有标记液喷头（17），所述标记液喷头（17）喷出“丰”字形防水定向标记，厚壁铜筒（11）后端还装有水平定向装置（4）。

2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，在所述水平定位装置（4）中，气泡（12）位于汞柱（13）中，两段汞柱外端与电池相连，两段汞柱内端与定向显示灯（14）相连。

3.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述装置还包括竹节式安装杆（1）、安装杆铰接头（3），所述厚壁铜筒前端装有前保护套（7），后端装有保护套（10）。

4.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述厚壁铜筒（11）直径略小于钻孔直径。

5.如权利要求1-3任一项所述的装置，其特征在于，所述喷射器由厚壁铜筒（11）后端安装的孔内定向灯（14）定位，所述定向灯只有在铜筒处于水平位置时即气泡（12）位于汞柱（13）中间时定位灯（14）两端线路与汞柱一起形成闭合回路才会亮起，所述厚壁铜筒（11）后端所接风管（9）吹出标记液盛放盒（6）内红色的防水快速干燥标记液，在孔内未断岩芯（8）孔口端面上形成“丰”字形防水定向标记。

6.如权利要求1-5任一项所述的装置，其特征在于，所述厚壁铜筒（11）后端盖中心处焊有一个连接母头，可与竹节式安装杆（1）牢固铰接，所述竹节式安装杆为（1）米定长的高强铝合金杆，前端焊有一个连接公头，后端焊有一个连接母头，安装杆可根据钻孔实际深度无限延长。

7.一种套孔应力解除法准确度的验证方法，其特征在于，采用波速分析法测量最大、最小主应力的方向，采用差应变分析法测量三向主应力大小和方向，采用声发射法测量垂直主应力、水平最大主应力和水平最小主应力。

8.如权利要求7所述的方法，其特征在于，所述采用波速分析法测量最大、最小主应力的方向具体包括：先测量好孔底距离，然后通过竹节式安装杆（1）将权利要求1-6任一装置送入孔底，微调安装杆使厚壁铜筒处于水平位置时即气泡（12）位于汞柱（13）中间，此时定向显示灯（14）亮起，打开高压风，吹动铜筒（11）内红色的防水快速干燥标记液从“丰”字形多喷头标记喷射器（15）喷出，在孔内未断根岩芯（8）孔口断面上形成“丰”字形防水定位标记，实现岩芯的孔内方向标记定位，而后利用金刚石单管钻头套孔钻取出该岩芯；钻取出的岩芯由端面标记与钻孔方位角确定实际的空间方位，而后根据空间方位加工出垂直于水平面的直径50mm、高50mm的岩石试件，用细记号笔将该岩芯具体NSWE方位做好标记后以地理北向为0°，按15°间隔在180°范围内的测过岩芯中心轴的纵波波速大小，其中最大、最小波速度对应的角度即为岩样在水平方向上的最小、最大主应力对应的方向。

9.如权利要求7所述的方法，其特征在于，所述采用差应变分析法测量三向主应力大小和方向具体包括：通过上述岩芯样品，依据其实际埋藏深度，进行差应变分析法地应力测量，具体步骤为：

1）将3组角度分别为0°、45°、90°、135°的应变花粘贴在包括北向在内的三个相互垂直且已划上标线的的端面上；

2）将试样和温度补偿块一起放入压力容器中，按0.1MPa/min的增压速率增加静水压至100～140MPa；

3）记录加压过程中每个应变片的应力-应变值，描绘出不同通道应变片的应力-应变曲线；

4）重复以上步骤（2）-（3）加压和卸压3次以上，并对每条应力-应变曲线进行微分分析；

5）通过多个方向的裂隙闭合应变率求出三个主裂隙应变的方向，即是三个主应力的方向，由于该岩芯已经完成空间定位，因此可以知道主应力的具体空间物理方向，而主应力大小则可由瞬时关闭压力值确定。

10.如权利要求7所述的方法，其特征在于，所述采用声发射法测量垂直主应力、水平最大主应力和水平最小主应力具体包括：

1)另取一段孔内已定位岩芯，用记号笔划出水平线和北向线的标记线；

2）按划出的水平线和北向线标记线钻取加工声发射法地应力测试小试件，所述小试件的直径25mm、高度50mm，其中垂直方向一组，水平方向三组，所述水平方向三组分别是与正北向顺时针成0°、45°和90°夹角，每组取3-4个试件；

3）利用材料试验机和声发射仪对加工好的地应力测试小试件进行单轴压缩声发射信号测试，采用岩石Kaiser效应原理确定岩心在各个方向上的Kaiser效应点，然后利用弹性力学公式分别计算出垂直主应力、水平最大主应力和水平最小主应力及它们间的夹角。