CN109357942A - 一种精确主应力构造精细应力场的装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种精确主应力构造精细应力场的装置及方法它包括钻孔，所述钻孔钻取在待测量岩壁内部，在钻孔的内部设置有间隔布置的两块能够膨胀的封堵块，在封堵块之间预留有一段用于试验的压裂实验段，所述压裂实验段通过管路与第一高压泵相连，在管路上安装有流量计、第一压力表和压力传感器；所述压力传感器和流量计都同时分别与数字采集系统、数字磁带记录仪和X‑Y记录仪通过信号线相连。优化了空间多个应力构造应力场的复杂性和精准度，弥补了传统方法中大区域模型反演分析中无法进行精细分析、直接构建小模型过于繁琐的不足。

Description

一种精确主应力构造精细应力场的装置及方法
技术领域
本发明涉及一种精确主应力构造精细应力场的装置及方法及使用方法，属于岩体隧道工程应力场构造技术领域，适用于岩土工程中隧洞局部区域进行精细的片理模拟和精细应力场构造。
背景技术
目前，较为普遍采用的应力场构造方式是通过模型边界施加面力和剪切力，然后逐步调整施加力的大小以达到模型内应力场与实际地应力场一致。该方法不仅操作繁琐，重复工作量大，且多数情况下构造出的应力场与实际地应力场误差较大(边界施加的剪切力一般较小，影响深度非常有限)。
同时采用大区域模型反演分析可较好的得出引水隧洞大区域的整体地应力场，但大区域模型反演分析存在以下不足：①隧洞开挖各工况下围岩片理角度在不断改变，无法对局部区域进行精细的片理模拟和精细应力构造；②大区域模型只是在各边界面上施加应力，应力边界效应显著，应力影响范围较小，无法影响到内部局部精细区域。若对大模型局部区域建立小模型后，直接采用测得各正应力、剪应力在各边界上施加应力，各边界面均有三个不同的应力，共18个应力，构造的应力场空间受力复杂，无法对局部区域进行精细应力场精准构造。
因此，本方法基于此探索出了一种新的应力场构造方式，对大模型局部区域建立小模型后用实际精确的三个主应力进行精细应力场精准构造，大大优化了空间多个应力构造应力场的复杂性和精准度，弥补了传统方法中的不足。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种精确主应力构造精细应力场的装置及方法，用实际精确的三个主应力进行精细应力场精准构造，优化了空间多个应力构造应力场的复杂性和精准度，弥补了传统方法中大区域模型反演分析中无法进行精细分析、直接构建小模型过于繁琐的不足。
为了实现上述的技术特征，本发明的目的是这样实现的：一种精确主应力构造精细应力场的装置，它包括设置在钻孔的内部，并间隔布置的两块能够膨胀的封堵块，在封堵块之间预留有一段用于试验的压裂实验段，所述压裂实验段通过管路与第一高压泵相连，在管路上安装有流量计、第一压力表和压力传感器；所述压力传感器和流量计都同时分别与数字采集系统、数字磁带记录仪和X-Y记录仪通过信号线相连。
所述钻孔的深度在测试深度范围内，其孔径小于封堵块膨胀之后的直径。
所述封堵块与用于对其进行充气膨胀的二级加压装置相连，所述二级加压装置包括第二高压泵，所述第二高压泵通过管路与封堵块相连，在管路上安装有第二压力表。
采用任意一项所述精确主应力构造精细应力场装置的方法，它包括以下步骤：
S1、采用水压致裂法测出岩壁的应力分量；
S1.1、座封：采用两个可膨胀的封堵块，通过钻杆将其放置到选定的测试段，加压使封堵块座封于钻孔的孔壁上，形成压裂实验段，并构成承压段空间，此时的压裂实验段的液压为零；
S1.2、注液加压：通过钻杆推动推拉转换阀，用高压泵对压裂实验段加压，使钻孔的孔壁承受渐增的液压作用；
S1.3、岩壁致裂：在足够大的液压作用下，孔壁沿阻力最小方向产生破裂，该破裂将在垂直于横截面上最小主应力的平面内进行延伸，与之相适应，当高压泵的泵压上升到一临界压力时，由于岩石破裂导致压力值急剧下降；
S1.4、关闭高压泵：高压泵关闭后，压裂实验段压力迅速下降，随着液体渗入到岩体，压力变成缓慢下降，此时即为裂缝处于临界闭合状态的压力，也为垂直于裂缝面的最小主应力与液压回路达到平衡的压力，即瞬时闭合压力；
S1.5、卸压：打开高压泵进行卸压，压裂实验段压力被解除后，裂缝完全闭合，泵压记录下降为零；
S1.6、重张：按上述步骤S1.2～S1.5连续进行多次进行加压循环，以取得合理的压裂参数，得以正确判断岩石破裂和裂缝延伸的过程；
S1.7、解封：当压裂试验完毕后，通过钻杆推动推拉阀，使封堵块压力通过钻杆解除，此时封堵块解封。
S2、数据处理；
S2.1、获取数据：根据S1中，通过压力传感器、数字采集系统、数字磁带记录仪、X-Y记录仪记录测得构造应力场所需数据，包括地应力的应力分量，具体为六个分量σx、σy、σz、τxy、τyz、τzx；
S2.2、根据S2.1中的六个分量，构成应力场三个不变量I1，I2，I3，其计算步骤为：
I1＝σx+σy+σz (1)
I2＝(σxσy+σyσz+σzσx)+2τxy+2τyz+2τzx (2)
I3＝σxσyσz+2τxyτyzτzx-2σxτyz-2σyτzx-2σzτxy (3)
主应力σ1、σ2、σ3方程为：
σ3-I1σ2-I2σ1-I3＝0 (4)
求出(4)中一元三次方程组，得到各主应力值大小，即σ1、σ2、σ3的值，根据主应力值的大小，由式(5)和(6)联立求解后，按式(7)计算主应力倾角αi和方位角θi，得出实际工程中该测点各主应力、方位角和倾角；
式中：li、mi、ni分别为主应力σi对于X、Y、Z轴的方向余弦，i＝1,2,3；
S3、采用本方法对应立场进行构造；
根据S1得出的实际工程中测点各主应力、方位角和倾角，在实际工程中选取局部小区域，根据测点各主应力、倾角和方位角利用有限元软件建立隧洞模型，在模型边界上施加与之垂直的相应面力，其大小为三个主应力值σ1、σ2、σ3，即为精细计算模型应力场构造。
本发明与现有的技术相比，具有的有益效果为：
1、本方法提出了一种精确主应力构造精细应力场的方法，用实际精确的三个主应力进行精细应力场精准构造，大大优化了空间多个应力构造应力场的复杂性和精准度。
2、本发明所提出的方法避免了大区域模型构造应力场时的应力边界效应，随着隧洞开挖各工况下围岩片理角度在不断改变，可对局部区域进行精细的片理模拟和精细应力构造。
3、本发明针对工程中对隧洞局部区域建立模型，若直接采用测得各正应力、剪应力在各边界上施加应力，各边界面均有三个不同的应力，共18个应力，构造的应力场空间受力复杂，提出一种新的精确主应力构造精细应力场的方法，用实际精确的三个主应力进行精细应力场精准构造，方法简单精炼。
4、本发明优化了空间多个应力构造应力场的复杂性和精准度，弥补了传统方法中大区域模型反演分析中无法进行精细分析、直接构建小模型过于繁琐的不足。
5、二次加压部分可在压裂试验段内压力不足或是密封性不好时进行压力的补给，极大提高了测试结果的准确性。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
图1为本发明所涉及水压致裂装置整体示意图。
图2为本发明涉及原始地应力和钻孔液压力共同作用下钻孔的力学模型。
图3为空间单元体的复杂应力场受力示意图。
图4为本发明构造精细应力场受力示意图。
图中：钻孔1、封堵块2、压裂实验段3、流量计4、高压泵5、压力表6、压力传感器7、数字采集系统8、数字磁带记录仪9、X-Y记录仪记录10、应力分量11、主应力值12、主应力倾角αi和方位角θi 13、复杂应力场14、精细应力场15、第二高压泵16、第二压力表17。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的实施方式做进一步的说明。
实施例1：
参照图1-4，一种精确主应力构造精细应力场的装置，它包括钻孔1，所述钻孔1钻取在待测量岩壁内部，在钻孔1的内部设置有间隔布置的两块能够膨胀的封堵块2，在封堵块2之间预留有一段用于试验的压裂实验段3，所述压裂实验段3通过管路与第一高压泵5相连，在管路上安装有流量计4、第一压力表6和压力传感器7；所述压力传感器7和流量计4都同时分别与数字采集系统8、数字磁带记录仪9和X-Y记录仪10通过信号线相连。
进一步的，所述钻孔1的深度在测试深度范围内，其孔径小于封堵块2膨胀之后的直径。
进一步的，所述封堵块2与用于对其进行充气膨胀的二级加压装置相连，所述二级加压装置包括第二高压泵16，所述第二高压泵16通过管路与封堵块2相连，在管路上安装有第二压力表17。
实施例2：
采用任意一项所述精确主应力构造精细应力场装置的方法，它包括以下步骤：
S1、采用水压致裂法测出岩壁的应力分量；
S1.1、座封：采用两个可膨胀的封堵块2，通过钻杆将其放置到选定的测试段，加压使封堵块2座封于钻孔1的孔壁上，形成压裂实验段3，并构成承压段空间，此时的压裂实验段3的液压为零；
S1.2、注液加压：通过钻杆推动推拉转换阀，用高压泵5对压裂实验段3加压，使钻孔1的孔壁承受渐增的液压作用；
S1.3、岩壁致裂：在足够大的液压作用下，孔壁沿阻力最小方向产生破裂，该破裂将在垂直于横截面上最小主应力的平面内进行延伸，与之相适应，当高压泵5的泵压上升到一临界压力时，由于岩石破裂导致压力值急剧下降；
S1.4、关闭高压泵5：高压泵5关闭后，压裂实验段3压力迅速下降，随着液体渗入到岩体，压力变成缓慢下降，此时即为裂缝处于临界闭合状态的压力，也为垂直于裂缝面的最小主应力与液压回路达到平衡的压力，即瞬时闭合压力；
S1.5、卸压：打开高压泵5进行卸压，压裂实验段3压力被解除后，裂缝完全闭合，泵压记录下降为零；
S1.6、重张：按上述步骤S1.2～S1.5连续进行多次进行加压循环，以取得合理的压裂参数，得以正确判断岩石破裂和裂缝延伸的过程；
S1.7、解封：当压裂试验完毕后，通过钻杆推动推拉阀，使封堵块2压力通过钻杆解除，此时封堵块2解封。
S2、数据处理；
S2.1、获取数据：根据S1中，通过压力传感器7、数字采集系统8、数字磁带记录仪9、X-Y记录仪记录10测得构造应力场所需数据，包括地应力的应力分量11，具体为六个分量、σy、σz、τxy、τyz、τzx；
S2.2、根据S2.1中的六个分量，构成应力场三个不变量I1，I2，I3，其计算步骤为：
I1＝σx+σy+σz (1)
I2＝(σxσy+σyσz+σzσx)+2τxy+2τyz+2τzx (2)
I3＝σxσyσz+2τxyτyzτzx-2σxτyz-2σyτzx-2σzτxy (3)
主应力σ1、σ2、σ3方程为：
σ3-I1σ2-I2σ1-I3＝0 (4)
运用Matlab软件，求出(4)中一元三次方程组，得到各主应力值12大小，即σ1、σ2、σ3的值，根据主应力值12的大小，由式(5)和(6)联立求解后，按式(7)计算主应力倾角αi和方位角θi 13，得出实际工程中该测点各主应力、方位角和倾角；
式中：li、mi、ni分别为主应力σi对于X、Y、Z轴的方向余弦，i＝1,2,3；
S3、采用本方法对应立场进行构造；
根据S1得出的实际工程中测点各主应力、方位角和倾角，在实际工程中选取局部小区域，根据测点各主应力、倾角和方位角利用有限元软件建立隧洞模型，在模型边界上施加与之垂直的相应面力，其大小为三个主应力值σ1、σ2、σ3，即为精细计算模型应力场构造。
上述实施例用来解释说明本发明，而不是对本发明进行限制，在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明做出的任何修改和改变，都落入本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种精确主应力构造精细应力场的装置，其特征在于：它包括设置在钻孔(1)内部，并间隔布置的两块能够膨胀的封堵块(2)，在封堵块(2)之间预留有一段用于试验的压裂实验段(3)，所述压裂实验段(3)通过管路与第一高压泵(5)相连，在管路上安装有流量计(4)、第一压力表(6)和压力传感器(7)；所述压力传感器(7)和流量计(4)都同时分别与数字采集系统(8)、数字磁带记录仪(9)和X-Y记录仪(10)通过信号线相连。
2.根据权利要求1所述的一种精确主应力构造精细应力场的装置，其特征在于：所述钻孔(1)的深度在测试深度范围内，其孔径小于封堵块(2)膨胀之后的直径。
3.根据权利要求1所述的一种精确主应力构造精细应力场的装置，其特征在于：所述封堵块(2)与用于对其进行充气膨胀的二级加压装置相连，所述二级加压装置包括第二高压泵(16)，所述第二高压泵(16)通过管路与封堵块(2)相连，在管路上安装有第二压力表(17)。
4.采用权利要求1-3任意一项所述精确主应力构造精细应力场装置的方法，其特征在于它包括以下步骤：
S1、采用水压致裂法测出岩壁的应力分量；
S1.1、座封：采用两个可膨胀的封堵块(2)，通过钻杆将其放置到选定的测试段，加压使封堵块(2)座封于钻孔(1)的孔壁上，形成压裂实验段(3)，并构成承压段空间，此时的压裂实验段(3)的液压为零；
S1.2、注液加压：通过钻杆推动推拉转换阀，用高压泵(5)对压裂实验段(3)加压，使钻孔(1)的孔壁承受渐增的液压作用；
S1.3、岩壁致裂：在足够大的液压作用下，孔壁沿阻力最小方向产生破裂，该破裂将在垂直于横截面上最小主应力的平面内进行延伸，与之相适应，当高压泵(5)的泵压上升到一临界压力时，由于岩石破裂导致压力值急剧下降；
S1.4、关闭高压泵(5)：高压泵(5)关闭后，压裂实验段(3)压力迅速下降，随着液体渗入到岩体，压力变成缓慢下降，此时即为裂缝处于临界闭合状态的压力，也为垂直于裂缝面的最小主应力与液压回路达到平衡的压力，即瞬时闭合压力；
S1.5、卸压：打开高压泵(5)进行卸压，压裂实验段(3)压力被解除后，裂缝完全闭合，泵压记录下降为零；
S1.6、重张：按上述步骤S1.2～S1.5连续进行多次进行加压循环，以取得合理的压裂参数，得以正确判断岩石破裂和裂缝延伸的过程；
S1.7、解封：当压裂试验完毕后，通过钻杆推动推拉阀，使封堵块(2)压力通过钻杆解除，此时封堵块(2)解封。
S2、数据处理；
S2.1、获取数据：根据S1中，通过压力传感器(7)、数字采集系统(8)、数字磁带记录仪(9)、X-Y记录仪记录(10)测得构造应力场所需数据，包括地应力的应力分量(11)，具体为六个分量σx、σy、σz、τxy、τyz、τzx；
S2.2、根据S2.1中的六个分量，构成应力场三个不变量I1，I2，I3，其计算步骤为：
I1＝σx+σy+σz (1)
I2＝(σxσy+σyσz+σzσx)+2τxy+2τyz+2τzx (2)
I3＝σxσyσz+2τxyτyzτzx-2σxτyz-2σyτzx-2σzτxy (3)
主应力σ1、σ2、σ3方程为：
σ3-I1σ2-I2σ1-I3＝0 (4)
求出(4)中一元三次方程组，得到各主应力值(12)大小，即σ1、σ2、σ3的值，根据主应力值(12)的大小，由式(5)和(6)联立求解后，按式(7)计算主应力倾角αi和方位角θi(13)，得出实际工程中该测点各主应力、方位角和倾角；
式中：li、mi、ni分别为主应力σi对于X、Y、Z轴的方向余弦，i＝1,2,3；
S3、采用本方法对应立场进行构造；
根据S1得出的实际工程中测点各主应力、方位角和倾角，在实际工程中选取局部小区域，根据测点各主应力、倾角和方位角利用有限元软件建立隧洞模型，在模型边界上施加与之垂直的相应面力，其大小为三个主应力值σ1、σ2、σ3，即为精细计算模型应力场构造。
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