CN110307924A - 一种测定围岩应力场主应力的装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种测定围岩应力场主应力的装置及方法，钻孔的底层位置浇筑有素水泥浆，位于素水泥浆的上层钻孔内部设置有圆柱加力体，所述圆柱加力体的外部包裹有柔性包裹层，所述柔性包裹层的内部包裹有高强金属球的环形细铁丝网，所述环形铁丝网与钻孔孔壁之间设置有压力传感器，所述圆柱加力体的端头位置设置有锥形加载头，所述锥形加载头的底部端面中心位置焊接有传力杆，所述传力杆的另一端连接有加载杆，所述加载杆与加载设备相连。通过多次钻孔测量岩壁的致裂压力对岩壁的应力分量及主应力进行计算，同时采用了膨胀泥浆提供致裂压力，锥形加载器在压力不足时进行补充。

Description

一种测定围岩应力场主应力的装置及方法

技术领域

本发明涉及衬砌围岩压力测量装置领域，具体涉及一种测定围岩应力场主应力的装置及方法，适用于工程中对隧洞围岩等区域岩体的主应力的测定。

背景技术

对于一项需要开挖岩体进行建设的工程，如：隧洞工程、地下工程、基坑工程等而言，主应力的测量及确定尤为重要。对主应力的大小及方向等基本量的明确，有助于工程中对岩体后期变形方向及速度等的预测、对基坑或边坡的破坏的方向的预知以及有助于正确选择地下洞室开挖的方向以及断面形状使其更加稳定等。因此，如何精确测量主应力方向及大小是工程中的重要问题。

目前，较为普遍采用的测量计算围岩应力的方式是水压致裂法或应力解除法等，该方法操作较为繁琐，所需仪器较多，测量工作量大，所需时间长，同时在实验中会有一定的资源被浪费。

发明内容

鉴于已有技术存在的缺陷，本发明的目的是提供一种测定围岩应力场主应力的装置及方法，通过多次钻孔测量岩壁的致裂压力对岩壁的应力分量及主应力进行计算，同时采用了膨胀泥浆提供致裂压力，锥形加载器在压力不足时进行补充，所需仪器较少且易于安装，加载所需时间短，数据易于获取计算，同时除膨胀泥浆外的大部分器材均可回收用于下次实验。

为了实现上述的技术特征，本发明的目的是这样实现的：一种测定围岩应力场主应力的装置，它包括设置在待测定围岩体上的钻孔，所述钻孔的底层位置浇筑有素水泥浆，位于素水泥浆的上层钻孔内部设置有圆柱加力体，所述圆柱加力体的外部包裹有柔性包裹层，所述柔性包裹层的内部包裹有高强金属球的环形细铁丝网，所述环形铁丝网与钻孔孔壁之间设置有压力传感器，所述圆柱加力体的端头位置设置有锥形加载头，所述锥形加载头的底部端面中心位置焊接有传力杆，所述传力杆的另一端连接有加载杆，所述加载杆与加载设备相连。

所述钻孔深度在测试深度范围内且应在较完整岩芯所处位置，所述钻孔的直径应使圆柱加力体顺利置入。

所述圆柱加力体采用铁皮制成，为半径小于钻孔直径的内部中空的圆柱体，其高度小于钻孔深度。

所述钻孔外部一侧有圆锥体状凹陷，所述圆锥体状凹陷与锥形加载头相配合。

所述柔性包裹层采用具柔性耐磨材料制成，在柔性包裹层上设置有用于穿过注浆管的通孔，所述注浆管安装在注浆孔上。

所述高强金属球采用合金材料制成，其直径取值为3~5mm，所述高强金属球通过环形细铁丝网均匀包裹并密集均匀排列。

所述圆柱加力体的内部通过注浆管浇筑有大掺量膨胀泥浆。

所述钻孔内部并位于传力杆所在位置浇筑有素水泥浆。

任意一项所述测定围岩应力场主应力的装置的测定方法，它包括以下步骤：

Step1：平行地面钻孔：在所测试岩壁上选取一处裸露的基岩钻孔并打磨孔壁使其尽可能光滑；

Step2：器材准备：

1）在钻孔内部浇筑适量素水泥浆；

2）钻孔内部设备仪器的的设置：在钻孔内部布置好连接了压力采集仪的压力传感器后置入外部包裹了柔性包裹层及内有高强金属球的环形细铁丝网的圆柱加力体，并设置好注浆管，之后在其内部包裹锥形加载头；预先通过岩壁的标准致裂压力计算出所需的膨胀泥浆的量，通过注浆管将其注入圆柱加力体内部；

3）封闭钻孔：在不影响传力杆转动的情况下，在钻孔内部注入素水泥浆，使钻孔与锥形加载头之间的缝隙被封闭且锥形加载头后部部分空间被封闭；

Step3：岩壁致裂：使圆柱加力体内部的膨胀泥浆膨胀并对钻孔孔壁施加压力，通过压力采集仪实时监测加载时岩壁的受力情况，当发现所施加压力不足时可通过电动或手动加载杆带动锥形加载头，将锥形加载头的前部旋入圆柱加力体并使其半径不断增加，进行精确应力补偿，直至岩壁破裂；

Step4：停止加压：当压力采集仪显示的应力骤跌时，表明钻孔围岩开裂，此时停止加压；

Step5：记录数据：记录岩壁致裂后压力陡跌时所测得的压力大小，作为第一主应力；

Step6：回收器材：将加载器材及设备、环形细铁丝网、压力采集仪，进行回收以便继续利用；

Step7：测量计算其它主应力：沿垂直于初次钻孔方向的方向在岩壁上水平钻孔，测得第二主应力，沿垂直于水平面的方向钻孔测得第三主应力。

本发明有如下有益效果：

1、本方法针对工程中应力的测量需要提出了一种测定围岩应力场主应力的装置及方法，可为应力场构造等提供精确的应力值，弥补了目前存在的问题。

2、本方法中所使用的膨胀泥浆的量可根据岩壁致裂所需压力大小计算得出，精准提供岩壁致裂压力的同时节约了成本。

3、本发明通过加载杆及膨胀剂膨胀可在膨胀泥浆大掺量膨胀泥浆提供的压力不足时对压力进行补充，精确提供并测定岩壁致裂时所需压力的值，扩大了所提供的压力的范围，极大提高了测试结果的准确性。

4、本发明大幅减少了测定应力所需工期和时间，减少了计算量，在短期内便可精准测定主应力，使主应力的测定更加方便快捷，提高了测试的效率，节约了时间。

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为本发明所涉及锥形加载头示意图。

图2为本发明中钻孔内部装置截面图。

图3为本发明所涉装置整体示意图。

图4为本发明涉及的钻孔示意图。

图中：钻孔1、圆柱加力体2、素水泥浆3、锥形加载头4、注浆孔5、注浆管6、柔性包裹层7、高强金属球8、环形细铁丝网9、压力传感器10、传力杆11、加载杆12。

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：

如图1-4所示，一种测定围岩应力场主应力的装置，它包括设置在待测定围岩体上的钻孔1，所述钻孔1的底层位置浇筑有素水泥浆3，位于素水泥浆3的上层钻孔1内部设置有圆柱加力体2，所述圆柱加力体2的外部包裹有柔性包裹层7，所述柔性包裹层7的内部包裹有高强金属球8的环形细铁丝网9，所述环形铁丝网9与钻孔1孔壁之间设置有压力传感器10，所述圆柱加力体2的端头位置设置有锥形加载头4，所述锥形加载头4的底部端面中心位置焊接有传力杆11，所述传力杆11的另一端连接有加载杆12，所述加载杆12与加载设备相连。通过注浆管将膨胀泥浆注入圆柱加力体内部后，在不影响传力杆11转动的情况下，注入素水泥浆封闭钻孔，使膨胀泥浆膨胀对钻孔孔壁施加压力，并在发现所施加压力不足时旋进锥形加载头，进行精确应力补偿，直至岩壁破裂；当压力采集仪显示的应力骤跌时，表明钻孔围岩开裂，停止加压；通过不同方向的钻孔测得岩壁致裂后压力陡跌时所测得的压力大小，作为第一、第二和第三主应力。本装置所需仪器较少且易于安装，加载所需时间短，数据易于获取，同时除膨胀泥浆外的大部分器材均可回收用于下次实验。最终完成围岩应力的精确测量。

进一步的，所述钻孔1深度在测试深度范围内且应在较完整岩芯所处位置，所述钻孔1的直径应使圆柱加力体2顺利置入。孔壁应尽可能的光滑、孔径均匀。

进一步的，压裂实验段的长度不宜过长，尽量使加压时压力集中于一个较小的面上，以保证加压的压强足够高，并得到较为清晰的岩石片理。

进一步的，所述锥形加载头4、传力杆11、加载杆12所采用的材料应有足够强的刚度，以保证其在承受较大力时不会产生形变，同时锥形加载头表面应粗糙有较高的摩擦阻力系数，使其在加载中能顺利旋入钻孔。

进一步的，所述圆柱加力体2采用铁皮制成，为半径小于钻孔1直径的内部中空的圆柱体，其高度小于钻孔1深度。采用比较薄的铁皮制成，使其在膨胀泥浆膨胀时可以发生较大形变，并将力施加在钻孔孔壁上，同时在锥形加载头旋入时也应该发生一定程度的形变，其外部包裹的柔性材料应有较强的延展性及柔度，在不限制膨胀泥浆膨胀的同时使钻孔孔壁受力均匀。

进一步的，所述钻孔1外部一侧有圆锥体状凹陷，所述圆锥体状凹陷与锥形加载头4相配合。

进一步的，所述柔性包裹层7采用具柔性耐磨材料制成，在柔性包裹层7上设置有用于穿过注浆管6的通孔，所述注浆管6安装在注浆孔5上。

进一步的，所述高强金属球8采用合金材料制成，其直径取值为3~5mm，所述高强金属球8通过环形细铁丝网9均匀包裹并密集均匀排列。以保证仪器与洞壁的接触方式为面接触，防止因接触不均匀而产生应力集中现象。

进一步的，所述圆柱加力体2的内部通过注浆管6浇筑有大掺量膨胀泥浆。所述大掺量膨胀泥浆可根据孔洞不同的岩性选择不同含量的膨胀剂，以节约材料的用量。所述注浆管应置于圆柱加力体内部较中心位置，并根据实际情况增加支管，使膨胀泥浆能够均匀填充进援助了加力体内部，使其膨胀时对钻孔孔壁施加荷载为面式荷载。

进一步的，所述锥形加载头的二次加压作用可在压裂试验段内膨胀泥浆膨胀所提供压力不足无法使钻孔岩壁致裂时进行压力的精确补给，极大提高了测试结果的准确性，降低了实验的重负次数。

进一步的，所述钻孔1内部并位于传力杆11所在位置浇筑有素水泥浆3。

实施例2：

任意一项所述测定围岩应力场主应力的装置的测定方法，它包括以下步骤：

Step1：平行地面钻孔：在所测试岩壁上选取一处裸露的基岩钻孔并打磨孔壁使其尽可能光滑；

Step2：器材准备：

1在钻孔1内部浇筑适量素水泥浆；

2钻孔1内部设备仪器的的设置：在钻孔1内部布置好连接了压力采集仪的压力传感器10后置入外部包裹了柔性包裹层7及内有高强金属球8的环形细铁丝网9的圆柱加力体2，并设置好注浆管6，之后在其内部包裹锥形加载头4；预先通过岩壁的标准致裂压力计算出所需的膨胀泥浆的量，通过注浆管6将其注入圆柱加力体2内部；

3封闭钻孔：在不影响传力杆11转动的情况下，在钻孔1内部注入素水泥浆，使钻孔与锥形加载头之间的缝隙被封闭且锥形加载头后部部分空间被封闭；

Step3：岩壁致裂：使圆柱加力体2内部的膨胀泥浆膨胀并对钻孔1孔壁施加压力，通过压力采集仪实时监测加载时岩壁的受力情况，当发现所施加压力不足时可通过电动或手动加载杆12带动锥形加载头4，将锥形加载头4的前部旋入圆柱加力体并使其半径不断增加，进行精确应力补偿，直至岩壁破裂；

Step4：停止加压：当压力采集仪显示的应力骤跌时，表明钻孔围岩开裂，此时停止加压；

Step5：记录数据：记录岩壁致裂后压力陡跌时所测得的压力大小，作为第一主应力；

Step6：回收器材：将加载器材及设备、环形细铁丝网、压力采集仪，进行回收以便继续利用；

Step7：测量计算其它主应力：沿垂直于初次钻孔方向的方向在岩壁上水平钻孔，测得第二主应力，沿垂直于水平面的方向钻孔测得第三主应力。

Claims (9)

1.一种测定围岩应力场主应力的装置，其特征在于，它包括设置在待测定围岩体上的钻孔（1），所述钻孔（1）的底层位置浇筑有素水泥浆（3），位于素水泥浆（3）的上层钻孔（1）内部设置有圆柱加力体（2），所述圆柱加力体（2）的外部包裹有柔性包裹层（7），所述柔性包裹层（7）的内部包裹有高强金属球（8）的环形细铁丝网（9），所述环形铁丝网（9）与钻孔（1）孔壁之间设置有压力传感器（10），所述圆柱加力体（2）的端头位置设置有锥形加载头（4），所述锥形加载头（4）的底部端面中心位置焊接有传力杆（11），所述传力杆（11）的另一端连接有加载杆（12），所述加载杆（12）与加载设备相连。

2.根据权利要求1所述的一种测定围岩应力场主应力的装置，其特征在于：所述钻孔（1）深度在测试深度范围内且应在较完整岩芯所处位置，所述钻孔（1）的直径应使圆柱加力体（2）顺利置入。

3.根据权利要求1所述的一种测定围岩应力场主应力的装置，其特征在于：所述圆柱加力体（2）采用铁皮制成，为半径小于钻孔（1）直径的内部中空的圆柱体，其高度小于钻孔（1）深度。

4.根据权利要求1所述的一种测定围岩应力场主应力的装置，其特征在于：所述钻孔（1）外部一侧有圆锥体状凹陷，所述圆锥体状凹陷与锥形加载头（4）相配合。

5.根据权利要求1所述的一种测定围岩应力场主应力的装置，其特征在于：所述柔性包裹层（7）采用具柔性耐磨材料制成，在柔性包裹层（7）上设置有用于穿过注浆管（6）的通孔，所述注浆管（6）安装在注浆孔（5）上。

6.根据权利要求1所述的一种测定围岩应力场主应力的装置，其特征在于：所述高强金属球（8）采用合金材料制成，其直径取值为3~5mm，所述高强金属球（8）通过环形细铁丝网（9）均匀包裹并密集均匀排列。

7.根据权利要求1所述的一种测定围岩应力场主应力的装置，其特征在于：所述圆柱加力体（2）的内部通过注浆管（6）浇筑有大掺量膨胀泥浆。

8.根据权利要求1所述的一种测定围岩应力场主应力的装置，其特征在于：所述钻孔（1）内部并位于传力杆（11）所在位置浇筑有素水泥浆（3）。

9.采用权利要求1-8任意一项所述测定围岩应力场主应力的装置的测定方法，其特征在于它包括以下步骤：

Step1：平行地面钻孔：在所测试岩壁上选取一处裸露的基岩钻孔并打磨孔壁使其尽可能光滑；

Step2：器材准备：

1）在钻孔（1）内部浇筑适量素水泥浆；

2）钻孔（1）内部设备仪器的的设置：在钻孔（1）内部布置好连接了压力采集仪的压力传感器（10）后置入外部包裹了柔性包裹层（7）及内有高强金属球（8）的环形细铁丝网（9）的圆柱加力体（2），并设置好注浆管（6），之后在其内部包裹锥形加载头（4）；预先通过岩壁的标准致裂压力计算出所需的膨胀泥浆的量，通过注浆管（6）将其注入圆柱加力体（2）内部；

3）封闭钻孔：在不影响传力杆（11）转动的情况下，在钻孔（1）内部注入素水泥浆，使钻孔与锥形加载头之间的缝隙被封闭且锥形加载头后部部分空间被封闭；

Step3：岩壁致裂：使圆柱加力体（2）内部的膨胀泥浆膨胀并对钻孔（1）孔壁施加压力，通过压力采集仪实时监测加载时岩壁的受力情况，当发现所施加压力不足时可通过电动或手动加载杆（12）带动锥形加载头（4），将锥形加载头（4）的前部旋入圆柱加力体并使其半径不断增加，进行精确应力补偿，直至岩壁破裂；

Step4：停止加压：当压力采集仪显示的应力骤跌时，表明钻孔围岩开裂，此时停止加压；

Step5：记录数据：记录岩壁致裂后压力陡跌时所测得的压力大小，作为第一主应力；

Step6：回收器材：将加载器材及设备、环形细铁丝网、压力采集仪，进行回收以便继续利用；

Step7：测量计算其它主应力：沿垂直于初次钻孔方向的方向在岩壁上水平钻孔，测得第二主应力，沿垂直于水平面的方向钻孔测得第三主应力。