CN110530255A - 一种地应力测试用橡皮叉式三轴应变计线缆连接装置、三轴应变计及其使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种地应力测试用橡皮叉式三轴应变计线缆连接装置、三轴应变计及其使用方法，其包括引线连接器和引线安装仪，引线连接器包括第一外套，第一外套内依次设置连接座、补偿室、控向板，第一外套的后端设置封孔塞；连接座上设有插孔，插孔内设置接线柱；补偿室上设置引线孔和推杆底孔；控向板上设置穿孔；封孔塞的轴向设置推杆通孔和过线通孔；引线安装仪安装于引线连接器的后端，且引线安装仪包括套杆，套杆内设置推杆，且推杆经推杆通孔、穿孔伸入推杆底孔中，引线安装仪与引线连接器动态连接。本发明实现了三轴应变计与线缆连接，且搭建了钻进状态下岩心应变变化过程值量测的桥梁。

Description

一种地应力测试用橡皮叉式三轴应变计线缆连接装置、三轴 应变计及其使用方法

技术领域

本发明涉及一种用于工程岩体地应力测试试验的三轴应变计，特别是一种地应力测试用橡皮叉式三轴应变计线缆连接装置、三轴应变计及其使用方法。

背景技术

地球在各种动力运动作用下，在地壳中产生各种应力场，使地壳物质处于其综合作用之下，产生了内应力效应，这种应力即地应力。从岩石工程来说，岩体地应力主要来源于地质构造运动和岩体自重。它对正确认识岩体的力学性质，研究围岩的破坏机制，掌握地应力对岩石工程(如坝基、地下建筑物、岩石边坡等)的影响，充分发挥围岩的自承能力，都是极为重要的。

地应力测试是工程岩体稳定性分析及工程设计的重要参数，目前主要靠实测求得，特别是构造活动较强烈及地形起伏复杂的地区。由于应力不能直接测得，只能通过测量应力变化引起的诸如位移、应变等物理量的变化值，然后基于某种假设反算出应力值。因此，目前国内外使用的所有应力测量方法，都是在平硐壁面或地表露头面上打钻孔或刻槽，引起应力扰动，然后用探头测量由应力扰动而产生的各种物理量变化值的方法来实现。

孔壁应变法是目前常用的一种地应力测试方法。孔壁应变法量测元件有孔壁应变计和空心包体式应变计。空心包体式应变计在上世纪70年代初期由澳大利亚联邦科学和工业研究组织（CSIRO）研究并应用于工程，采用测试段与线缆一体化设计，通过注胶，把应变片与岩壁粘结在一起，是地应力量测中，间接量测应变值装置之一；孔壁应变计一般采用依据CSIR原理生产的橡皮叉式三轴应变计，其包括三个呈120度等间距分布的测量活塞，各测量活塞的前端部由橡胶类物质制成，且其前端部为圆弧状，弧度和钻孔弧度相一致，在前端部表面粘贴电阻应变片，通过技术手段把测量活塞上的电阻应变片直接粘贴到检测孔的孔壁上，各电阻应变片分别经导线与一插头上的插针连接，插头与连接外部电缆的插座连接后，进行套孔应力解除。在应力解除前后各测一次应变读数，根据应变片的读数变化值来计算应力值。

目前，空心包体式应变计在孔壁应变法地应力测试中应用较为广泛，其广泛应用的基础之一是线缆一体化设计，因而能够测试岩心解除过程应变，提高数值采集可信度，但成本较高，不能重复使用；依据CSIR原理生产的橡皮叉式孔壁三轴应变计成本低，但橡皮叉式孔壁三轴应变计是直粘式的，工作中应变元件直接粘贴到检测孔的孔壁上，量测应变片焊接引线与插针根部连接，通过插针、插座形式连接外部电缆引出，很明显，橡皮叉式孔壁三轴应变计不适用于破碎和孔内有裂隙水的岩体地应力测量，且由于外部电缆与量测应变片分离，插针与插座连接后，实现连接的装置不能撤出，受限于检测孔内安装空间，因而仅倾向于获取岩体解除前后的应变值，由此计算岩体应力，不严格强调解除过程量测，然而，解除过程的量测可辅助提高数据可信度，因此，严重制约着橡皮叉式孔壁三轴应变计在工程中的应用。

发明内容

本发明要解决的技术问题是，针对橡皮叉式孔壁三轴应变计应用存在的不足，提供一种能测量钻进状态下，岩心解除过程应变的地应力测试用橡皮叉式三轴应变计线缆连接装置、三轴应变计及其使用方法。

为解决上述技术问题，本发明提供了一种地应力测试用橡皮叉式三轴应变计线缆连接装置，包括引线连接器和引线安装仪，其中：

所述引线连接器包括直径略等于检测孔直径的第一外套，该第一外套内沿轴向依次设置连接座、补偿室、控向板，该第一外套的后端设置封孔塞；所述连接座的前端设有多个插孔，后端设置一端伸入插孔的接线柱；所述补偿室的轴向设置引线孔和推杆底孔；所述控向板的轴向设置穿孔；所述封孔塞的轴向设置推杆通孔和过线通孔；

所述引线安装仪动态安装于所述引线连接器的后端，所述引线安装仪包括延伸到钻孔外的套杆，套杆内设置一延伸到钻孔外的推杆，套杆内设置一延伸到钻杆外的推杆，且所述推杆经所述推杆通孔、所述控向板的穿孔伸入所述推杆底孔中，所述引线安装仪与所述引线连接器动态连接。

本发明通过引线连接器实现了三轴应变计测量装置与外部电缆的电连接，并经钻杆将外部电缆引出，且引线连接器上设置封孔塞，在应变法地应力测试中可将检测孔封堵，且引线连接器与引线安装仪动态连接，在地应力测试过程中，引线安装仪可撤出钻孔，因而本发明搭建了孔壁三轴应变计与应变测试仪间的桥梁，不仅适应于洞室岩体浅孔孔壁应变法地应力试验，而且适应于岩心解除过程的孔壁应变计数值测试。

进一步地，所述引线安装仪还包括直径略等于钻孔直径的第二外套，第二外套的前端设置前盖板，后端设置后盖板，前、后盖板的中部固定套设所述套杆，所述前盖板的前端间隙配合设置在所述封孔塞的后端，不仅实现了引线安装仪与引线连接器的连接，而且使本发明能沿着钻孔孔壁平稳送入检测孔中。

进一步地，所述控向板的轴向设置第二定位孔，所述封孔塞的前端设置第二定位柱，所述第二定位柱插入所述第二定位孔中使所述控向板与所述封孔塞快速准确地连接在一起；所述封孔塞的后端设置定位条，且所述定位条插入所述前盖板上设置的第三定位孔中，使所述引线连接器和所述引线安装仪通过定位条与第三定位孔的配合正确、快速而动态连接成一体。

进一步地，所述第二外套为90度开口的圆筒，所述前、后盖板上对应第二外套的90度开口设置过线孔，以便线缆通过引线安装仪引出。

进一步地，所述引线孔、穿孔、过线通孔相对设置，使线缆可笔直地从引线孔、穿孔、过线通孔中引出。

进一步地，所述第二外套上设置调节滑槽，所述第二外套经设置在调节滑槽内的螺钉与所述控向板间隙配合连接。在线缆连接过程中，通过螺钉在调节滑槽中的移动，可调节线缆连接的松紧度。

进一步地，所述第一外套上开设切槽，所述补偿室通过所述切槽设置在所述外套内，且所述补偿室上设置平台，该平台上放置与线缆电连接的温度补偿片，在应变测量过程中，对测量应变片进行温度补偿，消减温度变化引起的应变测量值偏差。

进一步地，所述前盖板的后端设置三线水银开关，以便于检测线缆连接装置的水平度，从而方便连接座与插针的连接。

进一步地，所述封孔塞的前端设置为锥状，中部设置凸出的封板，以便于封孔塞进入检测孔中，并对其进行封堵。

为解决上述技术问题，本发明还提供了一种地应力测试用橡皮叉式三轴应变计，其包括所述的线缆连接装置和测量装置，测量装置的一端设置应变片，另一端设置多个插针，所述连接座的插孔中的至少一个同时作为第一定位孔，多个插针中的至少一根插针同时作为第一定位柱，通过第一定位柱与第一定位孔匹配设置，使所述连接座的多个插孔与多个插针准确连接。

为解决上述技术问题，本发明还提供了一种所述地应力测试用橡皮叉式三轴应变计的使用方法，其包括下列步骤：

在钻孔中开设孔径略大于第一外套的检测孔，并在检测孔中安装测量装置，使应变片紧贴检测孔壁，插针朝向检测孔外；

在引线连接器的接线柱上焊接线缆，并通过引线孔、穿孔、过线通孔将线缆引出；

通过套杆将线缆连接装置送入钻孔内的预估安装位置，并将引线连接器推入检测孔内，转动套杆调整线缆连接装置的水平，直至与三线水银开关连接的水平指示灯点亮；

线缆连接装置调整到水平后，推送推杆，推杆带动引线连接器的连接座与测量装置的插针连接，直至用于钻孔外监视的连接指示灯点亮；

用力推送套杆，使封孔塞封堵住检测孔，封孔塞挤压变形，封孔塞内过线通孔把线缆握住，封孔塞的外壁与检测孔的内壁接触产生摩擦，提供线缆在钻孔中张拉反力；

拔出引线安装仪，在检测孔外继续钻孔，并同时通过测量装置对套心解除过程中的钻孔内壁应变恢复值进行测量。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

1、 消减了橡皮叉式三轴应变计地应力测量中对岩心解除过程对地应力采集的制约；

2、引入了引线连接器，实现了连接、温度补偿、引出线缆封装一体化；

3、采用与钻孔相适应的圆柱状的引线安装仪，使引线安装仪与钻孔同心设置，保证了引线安装仪的径向与钻孔径向一致；并进一步采用三线水银开关，保证了整个装置的水平；通过套杆控制装置的轴向，使整体装置的三个方向都得到控制的状况下实现连接座与插针的对接安装。

附图说明

图1是本发明线缆连接装置的结构示意图。

图2是本发明引线连接器一实施例的侧视结构示意图。

图3是补偿室的主视结构示意图。

图4是控向板的主视结构示意图。

图5是本发明引线安装仪一实施例的俯视结构示意图。

图6为本发明橡皮叉式三轴应变计的测量装置展开结构示意图。

图中：1、连接座；2、第一外套；3、接线柱；4、推杆底孔；5、补偿室；6、控向板；7、第二定位柱；8、封孔塞；9、推杆通孔；10、过线通孔；11、滑槽；12、引线孔；13、第一定位孔；14、切槽；15、平台；16、插孔；17、定位条；18、前盖板；19、第二外套；20、后盖板；21、套杆；22、第二定位孔；23、穿孔； 24、三线水银开关；25、第三定位孔；26、推杆；27、封板；28、应变片；29、插针；30、插头；31、测量活塞。

具体实施方式

以下结合具体优选的实施例对本发明作进一步描述，但并不因此而限制本发明的保护范围。

为了便于描述，各部件的相对位置关系（如：上、下、左、右等）的描述均是根据说明书附图的布图方向来进行描述的，并不对本专利的结构起限定作用。

实施例1：

如图1－图5所示，本发明地应力测试用三轴应变计线缆连接装置一实施例包括引线连接器A和引线安装仪B。

引线连接器A包括直径略等于检测孔直径的第一外套2，该第一外套2内依次封装连接座1、补偿室5、控向板6，控向板6的后部连接封孔塞8。第一外套2由薄壁不锈钢管加工而成，外径φ35mm，内径φ32mm，长度88mm，其中部切割1/3侧壁后而形成一切槽14，后端切割四个长13mm，高3mm的滑槽11。连接座1由胶木板制作，连接座1的前端设有多个插孔16，后端设置一端插入插孔16的接线柱3，其中至少一插孔16作为连接座1与插针连接的第一定位孔13，其横截面为圆形，直径φ32mm-0.2mm，最大长度38mm；切槽14处设置补偿室5，补偿室5为有机玻璃材质的柱体，最大直径φ32mm-0.2mm，长度28mm，补偿室5上设置用于放置温度补偿片的平台15，中部钻设φ6mm深2/3长度的推杆底孔4，下方开一个高5mm的“U”型的引线孔12；控向板6为铝质材料制成，圆环状，中部形成穿孔23，控向板6的外圆直径φ30mm，内孔直径φ15mm，环体和环侧上轴对称分布螺孔，通过设置在滑槽11内的螺钉与第一外套2间隙式连接。控向板6的轴向设置至少一个第二定位孔22，与封孔塞8的钢条对接；封孔塞8为橡胶材质，大体锥形，前端设置第二定位柱7，轴向设置推杆通孔9和过线通孔10，直径分别为φ5mm和φ10mm，第二定位柱7插入第二定位孔22中使控向板6与封孔塞8连接。封孔塞8的后端设置定位条17。

引线安装仪B包括1/4开口的圆筒形的第二外套19和延伸到钻孔外的套杆21，第二外套19的直径φ90mm，前端设置前盖板18，后端设置后盖板20。套杆21的一端经后盖板20插入第二外套19及前盖板18中，前盖板18的头部套设在引线连接器A的封孔塞8上实现连接，且封孔塞8上的定位条17插入前盖板18上设置的第三定位孔25中，使引线连接器A和引线安装仪B动态连接成一体。后盖板20通过螺丝固定在套杆21上。套杆21内设置延伸到钻孔外的推杆22，且推杆22经推杆通孔9、控向板6的穿孔23伸入推杆底孔4中。第二外套19内布置三线水银开关24，用于检测装置工作时是否达到了水平状态。

本发明使用时，一般钻孔直径φ91mm，检测孔直径φ36mm。工作时，线缆一端焊接在连接座1的接线柱3上，通过引线孔12、穿孔23、过线通孔10把线缆引出，封孔塞8的第二定位柱7插入控向板6的第二定位孔22内，定位条17与引线安装仪B的前盖板18上的第三定位孔25对接，并动态连接在一起，安装过程把连接好的装置，通过套杆21送入钻孔内的预估安装位置，小心的把引线连接器A推入检测孔内，转动套杆21使装置达到水平，水平平衡状态调整由钻孔外与三线水银开关24电连接的指示灯点亮显示，调整完毕后，推送套杆21内的推杆26，推杆26带动引线连接器A的连接座1与检测孔内三轴应变计的插针连接，直至钻孔外监视的连接指示灯点亮，表明连接完成，此时，用力推送套杆21，使封孔塞8封堵住检测孔。封孔塞8封堵检测孔的孔口过程中，发生挤压变形，使封孔塞8内的过线通孔10缩小从而把线缆握住，封孔塞8的外壁与检测孔的内壁接触产生摩擦，以提供线缆在钻孔中张拉反力。最后将引接安装仪B与引线连接器A分离，并将引线安装仪B撤出钻孔外，进一步用钻头钻孔，则可通过三轴应变计检测岩心解除过程中钻孔内壁的应变恢复值。

以上所述，仅是本申请的较佳实施例，并非对本申请做任何形式的限制，虽然本申请以较佳实施例揭示如上，然而并非用以限制本申请，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本申请技术方案的范围内，利用上述揭示的技术内容做出些许的变动或修饰均等同于等效实施案例，均属于技术方案范围内。

Claims (11)

1.一种地应力测试用橡皮叉式三轴应变计线缆连接装置，包括引线连接器（A）和引线安装仪（B）；其特征在于：

所述引线连接器包括第一外套（2），该第一外套内沿轴向依次设置连接座（1）、补偿室（5）、控向板（6），该第一外套的后端设置封孔塞（8）；所述连接座的前端设有多个插孔，后端设置一端伸入插孔的接线柱（3）；所述补偿室的轴向设置引线孔（12）和推杆底孔（4）；所述控向板的轴向设置穿孔（23）；所述封孔塞的轴向设置推杆通孔（9）和过线通孔（10）；

所述引线安装仪动态安装于所述引线连接器的后端，所述引线安装仪包括延伸到钻孔外的套杆（21），套杆内设置一延伸到钻孔外的推杆（26），且所述推杆经所述推杆通孔、所述控向板的穿孔伸入所述推杆底孔中，所述引线安装仪与所述引线连接器动态连接。

2.根据权利要求1所述的一种地应力测试用橡皮叉式三轴应变计线缆连接装置，其特征在于，所述引线安装仪还包括直径略等于钻孔直径的第二外套（19），第二外套的前端设置前盖板（18），后端设置后盖板（20），前、后盖板的中部固定套设所述套杆，所述前盖板的前端间隙配合设置在所述封孔塞的后端。

3.根据权利要求2所述的一种地应力测试用橡皮叉式三轴应变计线缆连接装置，其特征在于，所述控向板的轴向设置第二定位孔（22），所述封孔塞的前端设置第二定位柱（7），所述第二定位柱插入所述第二定位孔中使所述控向板与所述封孔塞连接；所述封孔塞的后端设置定位条（17），且所述定位条插入所述前盖板上设置的第三定位孔（25）中，使所述引线连接器（A）和所述引线安装仪（B）动态连接成一体。

4.根据权利要求1所述的一种地应力测试用橡皮叉式三轴应变计线缆连接装置，其特征在于，所述第二外套为90度开口的圆筒，所述前、后盖板上对应第二外套的90度开口设置过线孔。

5.根据权利要求1所述的一种地应力测试用橡皮叉式三轴应变计线缆连接装置，其特征在于，所述引线孔（12）、穿孔（22）、过线通孔（10）相对设置。

6.根据权利要求2所述的一种地应力测试用橡皮叉式三轴应变计线缆连接装置，其特征在于，所述第二外套上设置调节滑槽（11），所述第二外套经设置在调节滑槽内的螺钉与所述控向板间隙配合连接。

7.根据权利要求1所述的一种地应力测试用橡皮叉式三轴应变计线缆连接装置，其特征在于，所述第一外套上开设切槽（14），所述补偿室通过所述切槽设置在所述外套内，且所述补偿室上设置平台（15），该平台上放置温度补偿片。

8.根据权利要求2所述的一种地应力测试用橡皮叉式三轴应变计线缆连接装置，其特征在于，所述前盖板的后端设置三线水银开关。

9.根据权利要求1所述的一种地应力测试用橡皮叉式三轴应变计线缆连接装置，其特征在于，所述封孔塞的前端设置为锥状，中部设置凸出的封板（27）。

10.一种橡皮叉式三轴应变计，其特征在于包括权利要求1－9中任一项所述的线缆连接装置和测量装置，测量装置的一端设置应变片（28），另一端设置多个插针（29），所述连接座的插孔中的至少一个同时作为第一定位孔（13），多个插针中的至少一根插针同时作为第一定位柱，通过第一定位柱与第一定位孔匹配设置，使所述连接座的多个插孔与多个插针准确连接。

11.一种权利要求10所述橡皮叉式三轴应变计的使用方法，其特征在于包括下列步骤：

在钻孔中开设孔径略大于第一外套的检测孔，并在检测孔中安装测量装置，使应变片紧贴检测孔壁，插针朝向检测孔外；

在引线连接器的接线柱上焊接线缆，并通过引线孔（12）、穿孔（22）、过线通孔（10）将线缆引出；

通过套杆将线缆连接装置送入钻孔内的预估安装位置，并将引线连接器推入检测孔内，转动套杆调整线缆连接装置的水平，直至与三线水银开关连接的水平指示灯点亮；

线缆连接装置调整到水平后，推送推杆，推杆带动引线连接器的连接座与测量装置的插针连接，直至用于钻孔外监视的连接指示灯点亮；

用力推送套杆，使封孔塞封堵住检测孔，封孔塞挤压变形，封孔塞内过线通孔把线缆握住，封孔塞的外壁与检测孔的内壁接触产生摩擦，提供线缆在钻孔中张拉反力；

拔出引线安装仪，在检测孔外继续钻孔，并同时通过测量装置对套心解除过程中的钻孔内壁应变恢复值进行测量。