CN109946008A - 一种球形包体真三维原岩应力解除法测量装置及测量方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种球形包体真三维原岩应力解除法测量装置及测量方法，包括应变球、与应变球连接的推进器，所述应变球呈圆球状，应变球的外周壁设有若干应变片、若干出胶小孔，所述推进器包括活塞、壳体、排胶定向孔，壳体内设有空腔，活塞一端与空腔滑动配合，另一端与安装杆连接，所述排胶定向孔设置在壳体上，排胶定向孔将空腔与导胶通道连通，所述空腔内注有粘接剂。采用刚性设计和应力片真三维布置，实现复杂应力环境下和岩体非均质性的真三维原岩应力测试，完善了真三维地应力测量技术，为原岩应力测量领域提供新的思路和大数据分析运算提供真实原岩应力场。
Description
技术领域
本发明属于岩体力学中的原岩应力测量技术领域，运用于地下矿山、地下电站、坝体、隧道和大断面的地下工程的原岩应力测量工程，具体地说，涉及一种球形包体真三维原岩应力解除法测量装置及测量方法。
背景技术
随着科学技术的进步和机械化设备的使用，地下工程建设、坝体、隧道和边坡开挖速度比以往明显增加，但在原岩应力测量方面的技术远远跟不上，原岩应力是引发地下工程和坝体破坏的本质作用力，且受测量条件和昂贵的测试费用，导致许多工程基本以铅垂应力和侧压系数换算而得。传统的空心包体三轴原岩应力测量装置采用的是圆柱形设计，以互为120度的夹角布置的3组应力花，共12个应力片组成，从设计上来看，难以达到真三维的测定，且从三维受力的情况分析来看，部分应变片受力的不垂直使得测定同方位的应力片出现拉伸和压缩现象，导致测量数据的准确性下降。水压致裂法受试验环境和时间影响，难以发挥其测量工作，同时受岩体的非均质性也难以达到真三维测量工作。
近年来，由于大数据中心和云计算平台的建立，真三维原岩应力场的测量数据对计算起着重大作用，但现有的测量方法和技术尚没有哪一种可实现真三维的测试。
有鉴于此特提出本发明。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于克服现有技术的不足，提供一种球形包体真三维原岩应力解除法测量装置及测量方法，采用刚性设计和应力片真三维布置，实现复杂应力环境下和岩体非均质性的真三维原岩应力测试，完善了真三维地应力测量技术，为原岩应力测量领域提供新的思路和大数据分析运算提供真实原岩应力场。
为解决上述技术问题，本发明采用技术方案的基本构思是：
一种球形包体真三维原岩应力解除法测量装置，包括应变球、与应变球连接的推进器，所述应变球呈圆球状，应变球的外周壁设有若干应变片、若干出胶小孔，应变片通过数据线与接收器电连接，所述应变球通过球体连接杆与推进器连接，球体连接杆与应变球垂直连接，所述球体连接杆设有布线通道、轴向贯穿的导胶通道、将布线通道与外界连通的出线口，数据线从应变球内部穿过布线通道由出线口穿出，导胶通道与出胶小孔连接，所述推进器包括活塞、壳体、排胶定向孔，壳体内设有空腔，活塞一端与空腔滑动配合，另一端与安装杆连接，所述排胶定向孔设置在壳体上，排胶定向孔将空腔与导胶通道连通，所述空腔内注有粘接剂。
进一步地，所述应变球的直径为36mm，球体的直径为34mm，球体外表面涂覆有一层1mm厚的防腐防水层，所述推进器呈圆柱状或类圆柱状，其直径或圆周向外径小于等于36mm。
进一步地，所述球体为钛铝合金球体，所述防腐防水层为环氧树脂层。
进一步地，所述应变片为温度自补偿应变片，所述应变片为21片，其中，球体赤道平面设有7个，与球体连接杆沿360°均布；球体的南北纬60°平面各设置6个，各应变片之间互成60°；球体的南北极点各设置一个应变片。
进一步地，所述出胶小孔为两个，且对称布置在应变球垂线的两侧，所述粘接剂为环氧树脂。
进一步地，所述球体连接杆与推进器卡接，球体连接杆远离应变球的一端设有固定卡，推进器设有连接器，连接器与壳体靠近应变球的端头连接，连接器上设有与固定卡配合的连接销。
进一步地，所述活塞与壳体内壁连接处设有用于密封的封闭圈，所述壳体设有防止活塞脱出的固定销。
进一步地，还包括钻孔导向器，钻孔导向器呈圆盘状，安装杆同轴穿过钻孔导向器，所述钻孔导向器设有用于穿过数据线的导线孔。
球形包体真三维原岩应力解除法测量装置的测量方法，包括以下步骤：
步骤S1，钻孔，采用φ(75～130)mm的钻打第一段大孔，第一段大孔的深度为断面直径的2-3倍，采用φ36mm的钻再打进25-30cm的第二段小孔，第二段小孔与第一段大孔同心，再采用半球形磨孔器将小孔磨进至少36mm形成磨孔；
步骤S2，第一次安装，将球形包体测量装置准确装入，测量装置的应变球置于磨孔中心，应变球的外壁应与磨孔的孔壁紧密接触，推动活塞将粘接剂沿排胶定向孔、导胶通道由出胶小孔排出，将应变球粘结在孔壁上；
步骤S3，第一次套孔应力解除和数据采集，待球形包体安装24h后，粘结剂完全固化，采用直径为φ(75～130)mm的钻沿大孔底部开钻，钻进速度每分钟10～20mm，进行球形包体解除，并同时进行数据采集；
步骤S4，第二次测量，在第一次解除后的基础上，采用半球形磨孔器21进行磨孔，深度一般为10cm，采用φ36mm的钻再打进25-30cm的第二段小孔，第二段小孔与第一段大孔同心，再采用半球形磨孔器21将小孔磨进至少36mm形成磨孔。
步骤S5，第二次安装，重复步骤S2将球形包体进行第二次安装；
步骤S6，第二次套孔应力解除和数据采集，重复步骤S3进行第二解除和数据采集；
步骤S7，第三次测量，重复第二测量操作，直至数据采集结束，得到三次采集数据；
步骤S8，将解除的三段含应力测量球的岩芯进行围岩率定试验，测出岩石泊松比和弹性模量；
步骤S9，数据分析，将每次采集的数据导入到分析软件中，进行分析，得出每次真三维条件下的原岩应力分布情况，将三次数据进行加权平均后，得出真三维条件下的原岩应力分布情况，完成测量工作。
进一步地，所述第一段大孔和第二段大孔同轴，且孔轴与水平面呈3-5°仰角；所述半球形磨孔器呈类圆柱状，中心设有轴孔，其顶端呈圆弧状。
本发明实现真三维原岩应力测量工作，由于原岩应力场的测量相当复杂，特别是多次构造活动的影响，本装置和方法解决复杂原岩应力场的测量问题。本装置从外观上采用球形设计，确保原岩应力垂直作用到应力片上；本装置从应力片布置上采用真三维设计，在同方位上至少存在两个应力片，确保测定的数据的准确性和真三维性；本装置和方法从测量的数据真三维性，为原岩应力空间演化规律提供理论分析基础；本装置和方法测定的精准三维原岩应力场可有效的避免事故隐患的发生和针对性设计方案，保障安全可靠和技术可行，明显降低经济投入。
采用上述技术方案后，本发明与现有技术相比具有以下有益效果。
1、该装置结构简洁、操作方便，安装简单，对测试环境要求低。
2、利用现代信息化技术提出球形包体真三维原岩应力解除法测量装置和方法，测量应力片采用的三维布置，使得原岩应力垂直作用在应力片上，有效地达到真三维地应力测试工作。
3、该装置数据采集系统准确率高，同方位的应力由2个应力片测定，可相互校对，适用性强，成本低。
4、该装置和方法测量的数据能运用到大数据、云计算分析平台，为数值模拟工作提供了有效地数据采集和分析技术支撑。
5、该装置的发明弥补了国内外在真三维原岩应力测定中的空缺，达到国际领先水平。
6、该装置的球形采用36mm设计，同时可用于时时在线监测工作，对桩、柱、挡墙等在线监测可行，适用范围广。
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的描述。
附图说明
附图作为本申请的一部分，用来提供对本发明的进一步的理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，但不构成对本发明的不当限定。显然，下面描述中的附图仅仅是一些实施例，对于本领域普通技术人员来说，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他附图。在附图中：
图1为本发明一实施例应变球结构示意图一；
图2为本发明一实施例应变球结构示意图二
图3为本发明一实施例测量装置结构示意图；
图4为图3中a部详图；
图5为本发明一实施例半球形磨孔器剖面结构示意图；
图6为本发明一实施例测量时钻孔示意图。
图中：1-应变片；2-出胶小孔；3-导胶通道；4-固定卡；5-球体连接杆；6-应变片布置点；7-布线通道；8-应变球；9-封闭圈；10-出线口；11-连接销；12-连接器；13-排胶定向孔；14-空腔；15-固定销；16-活塞；17-安装杆；18-钻孔导向器；19-数据线；20-导线孔；21-半球形磨孔器。
需要说明的是，这些附图和文字描述并不旨在以任何方式限制本发明的构思范围，而是通过参考特定实施例为本领域技术人员说明本发明的概念。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
实施例一
如图1至图6所示，本实施例所述的一种球形包体真三维原岩应力解除法测量装置，包括应变球8、与应变球8连接的推进器，应变球8呈圆球状，应变球8采用直径34mm的钛铝合金加工而成，球的表面附有1mm的环氧树脂材料，保证防腐防水作用，也就是说应变球8整体的直径为36mm。应变球8的外周壁设有若干应变片1、若干出胶小孔2，应变片1通过数据线19与接收器电连接，应变片1为21片，21个应变片1按应变片布置点6粘结在应变球8上，为适应环境变化保证测量准确，可内置温度补偿片，亦或是应变片1为温度自补偿应变片1。本例中21个应变片的布置方式为：赤道平面为7片，相互各成45度角，预留一个位置与日界线面垂直点，连接杆5布置。南北韦60度平面，各布置6片，相互之间成60度。南北极点各布置一片应变片。这种位置方式为后期理论公式推导和求解提供依据。出胶小孔2为两个，且对称布置在应变球8垂线的两侧。
应变球8通过球体连接杆5与推进器连接，球体连接杆5与应变球8垂直连接，推进器呈圆柱状或类圆柱状，其直径或圆周向外径小于等于36mm，也就是说推进器的外轮廓比应变球8小，如此利于放入钻孔中。为便于球体连接杆5与推进器连接，二者可采用卡接方式，球体连接杆5远离应变球8的一端设有固定卡4，推进器设有连接器12，连接器12与壳体靠近应变球8的端头连接，连接器12上设有与固定卡4配合的连接销11。
球体连接杆5设有布线通道7、轴向贯穿的导胶通道3、将布线通道7与外界连通的出线口10，数据线19从应变球8内部穿过布线通道7由出线口10穿出，便于数据线19的引出，导胶通道3与出胶小孔2连接。推进器包括活塞16、壳体、排胶定向孔13，壳体内设有空腔14，活塞16一端与空腔14滑动配合，另一端与安装杆17连接，所述排胶定向孔13设置在壳体上，排胶定向孔13将空腔14与导胶通道3连通，所述空腔14内注有粘接剂，粘接剂为环氧树脂。活塞16与壳体内壁连接处设有用于密封的封闭圈9，这里的封闭圈9可以是传统的密封O型圈(推动活塞16时，封闭圈9位置不变)，也可以是套设在活塞16外壁与空腔14壁紧密配合的构件(推动活塞16时，封闭圈9随活塞16同步移动)，壳体设有防止活塞16脱出的固定销15，该固定销15将活塞16卡在起始位置，使用时，推动活塞16，活塞16打破固定销15的阻力，将空腔14内的环氧树脂沿排胶定向孔13和导胶通道3由出胶小孔2排出，从而将应变球8粘结在孔壁上，完成应变球8的固定，对称布置的出胶小孔2能保证粘结的点受力平衡，保证应变球8的稳固以使测量准确。
本发明装置还包括钻孔导向器18，钻孔导向器18呈圆盘状，安装杆17同轴穿过钻孔导向器18，所述钻孔导向器18设有用于穿过数据线19的导线孔20。如此，数据线19通过布线通道7、出线口10和钻孔导向器18中的导线孔20将数据线19接出钻孔外。
本发明测量装置的测量方法：首先进行选址，确定安装位置，应考虑以下几个方面：(1)岩体的质量。测点周围岩体力求均质完整，钻孔定位于该类岩石中，以保证取芯的完整性及地应力测量结果的可信度。(2)靠近研究对象。根据地质构造资料，测点所处地应力场应具有代表性。(3)避开附近正在施工的巷硐工程，避开应力崎变区、不稳定区及干扰源，保证原岩应力的真实性。(4)避免断层对测定值的影响。实测结果表明，在大断层附近，不但水平应力值偏低，而且还可能干扰主应力的方向。(5)考虑测试条件。例如是否具备水、电等条件，是否与正常生产、施工相冲突，是否具备测试必要的空间(钻机支撑空间，布置仪器设备的空间等)。(6)钻孔至少有3-5度的仰角，以便排水。具体步骤如下：
步骤S1，钻孔，采用φ(75～130)mm的钻打第一段大孔，第一段大孔的深度为断面直径的2-3倍，采用φ36mm的钻再打进25-30cm的第二段小孔，第二段小孔与第一段大孔同心，再采用半球形磨孔器21将小孔磨进至少36mm形成磨孔。半球形磨孔器21呈类圆柱状，中心设有轴孔，其顶端呈圆弧状，参考附图5示出，用半球形磨孔器21磨孔是为保证球形包体测量装置安装与孔内围岩更好的接触。
步骤S2，第一次安装，将球形包体测量装置准确装入，测量装置的应变球8置于磨孔中心，应变球8的外壁应与磨孔的孔壁紧密接触，推动活塞16将粘接剂沿排胶定向孔13、导胶通道3由出胶小孔2排出，将应变球8粘结在孔壁上。球形包体的安装，球形包体地应力测量传感器应准确进入测量小钻孔至预定深度并位于小钻孔的中心，装有触头的传感器，触头应与孔壁紧密接触，采用粘结剂安装的传感器应与孔壁胶结紧密。
步骤S3，第一次套孔应力解除和数据采集，待球形包体安装24h后，粘结剂完全固化，采用直径为φ(75～130)mm的钻沿大孔底部开钻，钻进速度每分钟10～20mm，进行球形包体解除，并同时进行数据采集。解除长度视钻孔内岩芯自动断开为止，一般为1m以内。
步骤S4，第二次测量，在第一次解除后的基础上，采用半球形磨孔器21进行磨孔，深度一般为10cm，采用φ36mm的钻再打进25-30cm的第二段小孔，第二段小孔与第一段大孔同心，再采用半球形磨孔器21将小孔磨进至少36mm形成磨孔。半球形磨孔器21呈类圆柱状，中心设有轴孔，其顶端呈圆弧状，参考附图5示出，用半球形磨孔器21磨孔是为保证球形包体测量装置安装与孔内围岩更好的接触。
步骤S5，第二次安装，将球形包体测量装置准确装入，测量装置的应变球8置于磨孔中心，应变球8的外壁应与磨孔的孔壁紧密接触，推动活塞16将粘接剂沿排胶定向孔13、导胶通道3由出胶小孔2排出，将应变球8粘结在孔壁上。球形包体的安装，球形包体地应力测量传感器应准确进入测量小钻孔至预定深度并位于小钻孔的中心，装有触头的传感器，触头应与孔壁紧密接触，采用粘结剂安装的传感器应与孔壁胶结紧密。
步骤S6，第二次套孔应力解除和数据采集，待球形包体安装24h后，粘结剂完全固化，采用直径为φ(75～130)mm的钻沿大孔底部开钻，钻进速度每分钟10～20mm，进行球形包体解除，并同时进行数据采集。解除长度视钻孔内岩芯自动断开为止，一般为1m以内。
步骤S7，为第三次测量，重复第二次的操作，直到数据采集结束。
步骤S8，将解除的三段含应力测量球的岩芯进行围岩率定试验，测出岩石泊松比和弹性模量。
步骤S9，数据分析，将每次采集的数据导入到分析软件中，进行分析，得出每次真三维条件下的原岩应力分布情况。将三次数据进行加权平均后，得出真三维条件下的原岩应力分布情况，完成测量工作。进行三次测量，以平均值衡量，避免一次测量数据不准确的情况发生，保证数据测量的真实有效性。
本发明实现真三维原岩应力测量工作，由于原岩应力场的测量相当复杂，特别是多次构造活动的影响，本装置和方法解决复杂原岩应力场的测量问题。本装置从外观上采用球形设计，确保原岩应力垂直作用到应力片上；本装置从应力片布置上采用真三维设计，在同方位上至少存在两个应力片，确保测定的数据的准确性和真三维性；本装置和方法从测量的数据真三维性，为原岩应力空间演化规律提供理论分析基础；本装置和方法测定的精准三维原岩应力场可有效的避免事故隐患的发生和针对性设计方案，保障安全可靠和技术可行，明显降低经济投入。
以上所述仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专利的技术人员在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述提示的技术内容作出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明方案的范围内。
Claims (10)
1.一种球形包体真三维原岩应力解除法测量装置，其特征在于，包括应变球、与应变球连接的推进器，所述应变球呈圆球状，应变球的外周壁设有若干应变片、若干出胶小孔，应变片通过数据线与接收器电连接，所述应变球通过球体连接杆与推进器连接，球体连接杆与应变球垂直连接，所述球体连接杆设有布线通道、轴向贯穿的导胶通道、将布线通道与外界连通的出线口，数据线从应变球内部穿过布线通道由出线口穿出，导胶通道与出胶小孔连接，所述推进器包括活塞、壳体、排胶定向孔，壳体内设有空腔，活塞一端与空腔滑动配合，另一端与安装杆连接，所述排胶定向孔设置在壳体上，排胶定向孔将空腔与导胶通道连通，所述空腔内注有粘接剂。
2.根据权利要求1所述的一种球形包体真三维原岩应力解除法测量装置，其特征在于，所述应变球的直径为36mm，球体的直径为34mm，球体外表面涂覆有一层1mm厚的防腐防水层，所述推进器呈圆柱状或类圆柱状，其直径或圆周向外径小于等于36mm。
3.根据权利要求2所述的一种球形包体真三维原岩应力解除法测量装置，其特征在于，所述球体为钛铝合金球体，所述防腐防水层为环氧树脂层。
4.根据权利要求1所述的一种球形包体真三维原岩应力解除法测量装置，其特征在于，所述应变片为温度自补偿应变片，所述应变片为21片，其中，球体赤道平面设有7个，与球体连接杆沿360°均布；球体的南北纬60°平面各设置6个，各应变片之间互成60°；球体的南北极点各设置一个应变片。
5.根据权利要求1所述的一种球形包体真三维原岩应力解除法测量装置，其特征在于，所述出胶小孔为两个，且对称布置在应变球垂线的两侧，所述粘接剂为环氧树脂。
6.根据权利要求1所述的一种球形包体真三维原岩应力解除法测量装置，其特征在于，所述球体连接杆与推进器卡接，球体连接杆远离应变球的一端设有固定卡，推进器设有连接器，连接器与壳体靠近应变球的端头连接，连接器上设有与固定卡配合的连接销。
7.根据权利要求1所述的一种球形包体真三维原岩应力解除法测量装置，其特征在于，所述活塞与壳体内壁连接处设有用于密封的封闭圈，所述壳体设有防止活塞脱出的固定销。
8.根据权利要求1所述的一种球形包体真三维原岩应力解除法测量装置，其特征在于，还包括钻孔导向器，钻孔导向器呈圆盘状，安装杆同轴穿过钻孔导向器，所述钻孔导向器设有用于穿过数据线的导线孔。
9.如权利要求1-8任一所述球形包体真三维原岩应力解除法测量装置的测量方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤S1，钻孔，采用φ(75～130)mm的钻打第一段大孔，第一段大孔的深度为断面直径的2-3倍，采用φ36mm的钻再打进25-30cm的第二段小孔，第二段小孔与第一段大孔同心，再采用半球形磨孔器将小孔磨进至少36mm形成磨孔；
步骤S2，第一次安装，将球形包体测量装置准确装入，测量装置的应变球置于磨孔中心，应变球的外壁应与磨孔的孔壁紧密接触，推动活塞将粘接剂沿排胶定向孔、导胶通道由出胶小孔排出，将应变球粘结在孔壁上；
步骤S3，第一次套孔应力解除和数据采集，待球形包体安装24h后，粘结剂完全固化，采用直径为φ(75～130)mm的钻沿大孔底部开钻，钻进速度每分钟10～20mm，进行球形包体解除，并同时进行数据采集；
步骤S4，第二次测量，在第一次解除后的基础上，采用半球形磨孔器21进行磨孔，深度一般为10cm，采用φ36mm的钻再打进25-30cm的第二段小孔，第二段小孔与第一段大孔同心，再采用半球形磨孔器21将小孔磨进至少36mm形成磨孔。
步骤S5，第二次安装，重复步骤S2将球形包体进行第二次安装；
步骤S6，第二次套孔应力解除和数据采集，重复步骤S3进行第二解除和数据采集；
步骤S7，第三次测量，重复第二测量操作，直至数据采集结束，得到三次采集数据；
步骤S8，将解除的三段含应力测量球的岩芯进行围岩率定试验，测出岩石泊松比和弹性模量；
步骤S9，数据分析，将每次采集的数据导入到分析软件中，进行分析，得出每次真三维条件下的原岩应力分布情况，将三次数据进行加权平均后，得出真三维条件下的原岩应力分布情况，完成测量工作。
10.根据权利要求9所述的球形包体真三维原岩应力解除法测量装置的测量方法，其特征在于，所述第一段大孔和第二段大孔同轴，且孔轴与水平面呈3-5°仰角；所述半球形磨孔器呈类圆柱状，中心设有轴孔，其顶端呈圆弧状。
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