CN111999148B - 快速构建应力饱和的原岩地应力测试标准件的方法 - Google Patents
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Abstract
一种快速构建应力饱和的原岩地应力测试标准件的方法，该方法包括以下步骤：步骤1：制备现场原岩试样；步骤2：钻设应力主孔和监测副孔；步骤3：均匀布置多个副孔压力传感器；步骤4：对各应力主孔进行颜色标记，在各应力主孔内沿孔深方向均匀布置多个主孔压力传感器；步骤5：回填各应力主孔；步骤6：利形成侧限刚度类岩石的约束边界层；步骤7：在现场原岩试样上除应力主孔和监测副孔所在面的其他面上安装应力锁死构件。本发明所要解决的技术问题是提供一种快速构建应力饱和的原岩地应力测试标准件的方法，可以解决制样时间长，测试精度和准确度无法保证的问题。
Description
技术领域
本发明涉及原岩地应力测试技术领域，尤其是一种快速构建应力饱和的原岩地应力测试标准件的方法。
背景技术
目前，现场原岩取出后，应力饱和状态发生改变，丧失了原有的特征，但是现有的大尺度岩体应力饱和构造装置，让岩体达到应力饱和的时间较长，需要30～100天左右，并且水平主应力的设置非常单一。同时当下地应力测试方法都基于前期未知的应力状态下的测试，测试的精度及准确度有待考究。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种快速构建应力饱和的原岩地应力测试标准件的方法，可以解决制样时间长，测试精度和准确度无法保证的问题，能够将现场原岩试样达到饱和的时间缩短到3-5天；实现了应力传力路径的多样性；可准确量度现场原岩试样的状态，并实现对现有的地应力测试方法进行检验。
为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：一种快速构建应力饱和的原岩地应力测试标准件的方法，该方法包括以下步骤：
步骤1：在现场原位选取砂岩岩体，制备现场原岩试样；
步骤2：在现场原岩试样上钻设应力主孔和监测副孔，应力主孔和监测副孔的深度、数量和排列方式根据测试的主题确定；
步骤3：在各监测副孔内沿孔深方向均匀布置多个副孔压力传感器，将钻孔时掘出的岩石碎屑物以水泥胶结后制得的胶结物回填各个监测副孔，各副孔压力传感器分别与综合数据采集系统连接；
步骤4：对各应力主孔进行颜色标记，在各应力主孔内沿孔深方向均匀布置多个主孔压力传感器，各主孔压力传感器分别与综合数据采集系统连接；
步骤5：利用强度可调膨胀砂浆材料，配比与现场原岩试样强度一致的材料，改变膨胀材料的掺量形成不同等级的应力，再回填至各应力主孔内，形成应力传递源；
步骤6：利用强度可调膨胀砂浆材料，配比出与研究预设大小的主孔应力一致、与现场原岩试样本身强度一致的材料，均匀涂抹在现场原岩试样上除了应力主孔和监测副孔所在面的其余各面上，形成侧限强度类岩石的约束边界层，用以提供侧限约束；
步骤7：在现场原岩试样上除应力主孔和监测副孔所在面的其他面上安装应力锁死构件，即完成应力饱和的现场原岩地应力测试标准件的快速构建。
步骤1中，制备现场原岩试样的方法为：在现场原位选取砂岩岩体，在砂岩岩体周围掘出一圈一定深度的工作面，即制得现场原岩试样。
在制得现场原岩试样后，再在岩样上方搭建遮雨棚。
步骤5和6中，强度可调膨胀砂浆材料由膨胀水泥浆液与煤渣、岩石碎屑物、膨胀剂拌和合而成，其中煤渣、水及岩石碎屑物的相对配比由现场原岩试样的实测抗压强度确定，通过改变膨胀剂掺量配比实现对应力的分级调控。
步骤2中，当需在水平方向上对地应力测试方法进行检验时，应力主孔和监测副孔布置方式为：应力主孔的数量为一个，开设于现场原岩试样上表面中心，监测副孔的数量为多个，以应力主孔为中心，围绕应力主孔呈多个圆圈形均匀设置。
步骤2中，当需在水平方向上对地应力测试方法进行检验时，应力主孔和监测副孔的布置方式还可为：应力主孔的数量为两个，开设于现场原岩试样上表面中轴线的1/3及2/3处，监测副孔的数量为多个，以每个应力主孔为中心，围绕应力主孔呈多个圆圈形均匀设置。
步骤2中，当需要在竖直方向上对地应力测试方法进行检验时，应力主孔和监测副孔布置方式为：应力主孔的数量为一个，开设于现场原岩试样侧表面中心，监测副孔的数量为多个，以应力主孔为中心，围绕应力主孔呈多个圆圈形均匀设置。
步骤7中，应力锁死构件包括设置于现场原岩试样外部上方的架体，现场原岩试样上表面上放置有板体，架体下表面以及板体上表面通过多个千斤顶连接；现场原岩试样各侧面分别设置有板体，砂岩岩体侧壁与现场原岩试样侧面之间设有多个侧千斤顶。
在步骤5和步骤6之间还设置有以下步骤：
在现场原岩试样上应力主孔和监测副孔所在面外部相应位置架设延时摄影机；
在步骤6和步骤7之间还设置有以下步骤：
在现场原岩试样上应力主孔和监测副孔所在面的外表面设置多个应变片，各应变片设置于每两个监测副孔之间的区域并分别与综合数据采集系统连接，再在应力主孔和监测副孔所在面上铺设网格硫酸纸，形成应变场标志区。
本发明提供的快速构建应力饱和的原岩地应力测试标准件的方法，有益效果如下：
1、创新性地提出一种快速构建原位岩石的应力扩散饱和状态的方法，通过改变应力主孔的布置数量及排列方式，可实现应力传力路径的多样性。
2、利用综合数据采集系统，准确获取岩体应力空间及时间上的扩散、稳定及饱和期间传力路径及演化规律，利用有限的应力检测布置点，获取应力—应变—蠕变曲线，绘制出标准件的应力应变汇聚场，准确度量标准件状态，极大提高试验精度。
3、将现场原岩试样达到应力饱和状态的时间从3～12月缩短到3-5天，避免了现场原位取样运输中的应力耗散，降低试验难度及成本，缩短数十倍的试验周期。
4、利用强度可调混凝土砂浆膨胀剂，还原岩样自身的强度参数，充分模拟深部岩体的应力真实环境，将变量单一化，试验手段先进。
5、本发明充分利用了标准件已知的应力环境，在检验已有的地应力测试方法准确性的同时，还可研究现场岩芯饼化、水力软化效应等，应用范围广泛，前景可观。
可以解决制样时间长，测试精度和准确度无法保证的问题，能够将现场原岩试样达到饱和的时间缩短到3-5天；实现了应力传力路径的多样性；可准确量度现场原岩试样的状态，并实现对现有的地应力测试方法进行检验。
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为本发明各实施例步骤1制得的现场原岩试样的剖视图；
图2为本发明实施例一所构建的应力饱和的现场原岩地应力测试标准件的剖视图；
图3为本发明实施例一所构建的应力饱和的现场原岩地应力测试标准件的俯视图；
图4为本发明实施例二所构建的应力饱和的现场原岩地应力测试标准件的俯视图；
图5为本发明实施例三所构建的应力饱和的现场原岩地应力测试标准件的剖视图；
图6为利用本发明所构建的应力饱和的现场原岩地应力测试标准件所监测到的数据，绘制的应力—应变曲线图；
图7为利用本发明所构建的应力饱和的现场原岩地应力测试标准件所监测到的数据，绘制的应力—位置曲线图。
图8为本发明实施例一-三的设置于设置于现场原岩试样上方的应力锁死构件的示意图；
图9为本发明实施例五不同灰渣比下的膨胀剂抗压强度示意图。
具体实施方式
实施例一
如图1、图2和图3所示，当需在水平方向上对地应力测试方法进行检验时：
一种快速构建应力饱和的原岩地应力测试标准件的方法，该方法包括以下步骤：
步骤1：在现场原位选取砂岩岩体13，制备现场原岩试样1；
其方法为：在现场原位选取砂岩岩体13，在砂岩岩体13周围掘出一圈一定深度的工作面，即制得现场原岩试样1；
在制得现场原岩试样1后，再在岩样上方搭建遮雨棚2。
步骤2：在现场原岩试样1上钻设应力主孔4和监测副孔5，应力主孔4和监测副孔5的深度都为3米，应力主孔4和监测副孔5布置方式为：应力主孔4的数量为一个，开设于现场原岩试样1上表面中心，监测副孔5的数量为多个，以应力主孔4为中心，围绕应力主孔4呈多个圆圈形均匀设置。
步骤3：在各监测副孔5内沿孔深方向均匀布置多个副孔压力传感器8，将钻孔时掘出的岩石碎屑物以水泥胶结后制得的胶结物回填各个监测副孔5，各副孔压力传感器8分别与综合数据采集系统7连接；每两个副孔压力传感器8之间的间距为30厘米，即在各个监测副孔5的30cm、60cm、90cm……270cm、300cm深度处设置副孔压力传感器8。
步骤4：对各应力主孔4进行颜色标记(优选为采用防水漆进行标记)，在各应力主孔4内沿孔深方向均匀布置多个主孔压力传感器3，各主孔压力传感器3分别与综合数据采集系统7连接；每两个主孔压力传感器3之间的间距为30厘米，即在应力主孔4的30cm、60cm、90cm……270cm、300cm深度处设置主孔压力传感器3。
步骤5：利用强度可调膨胀砂浆材料，配比与现场原岩试样1强度一致的材料，改变膨胀材料的掺量形成不同等级的应力，再回填至各应力主孔4内，形成应力传递源；
步骤6：利用强度可调膨胀砂浆材料，配比出与研究预设大小的主孔应力一致、与现场原岩试样1本身强度一致的材料，均匀涂抹在现场原岩试样1上除了应力主孔4和监测副孔5所在面的其余各面上，形成侧限强度类岩石的约束边界层11，以提供侧限约束；
强度可调混凝土砂浆膨胀剂由膨胀水泥浆液与铁砂、黏土以及岩石碎屑物拌和而成，其中膨胀水泥浆液掺量一定，通过改变铁砂、黏土及岩石碎屑物的相对配比以实现强度的调控。
在步骤5和步骤6之间还设置有以下步骤：
在现场原岩试样1上应力主孔4和监测副孔5所在面外部相应位置架设延时摄影机9。
步骤7：在现场原岩试样1上除应力主孔4和监测副孔5所在面的其他面上安装应力锁死构件6，即完成应力饱和的现场原岩地应力测试标准件的快速构建。
应力锁死构件6包括设置于现场原岩试样1外部上方的架体6-1，现场原岩试样1上表面上放置有板体6-2，架体6-1下表面以及板体6-2上表面通过多个千斤顶6-3连接，如图8所示；
现场原岩试样1各侧面分别设置有板体，砂岩岩体13侧壁与现场原岩试样1侧面之间设有多个侧千斤顶6-4；
板体优选为亚克力板。
在步骤6和步骤7之间还设置有以下步骤：
在现场原岩试样1上应力主孔4和监测副孔5所在面的外表面设置多个应变片10，各应变片10设置于每两个监测副孔5之间的区域并分别与综合数据采集系统7连接，再在应力主孔4和监测副孔5所在面上铺设网格硫酸纸12，形成应变场标志区。
综合数据采集系统7优选为南京丹陌电子科技有限公司制造的动静态应变测试分析系统(型号为DM-YB1820)。
实施例二
如图1和图4所示，当需在水平方向上对地应力测试方法进行检验时：
步骤2中应力主孔4和监测副孔5的布置方式还可为：应力主孔4的数量为两个，开设于现场原岩试样1上表面中轴线的1/3及2/3处，监测副孔5的数量为多个，以每个应力主孔4为中心，围绕应力主孔4呈多个圆圈形均匀设置。
其余步骤同实施例一。
实施例三
如图1和图5所示，当需要在竖直方向上对地应力测试方法进行检验时，
步骤2中应力主孔4和监测副孔5布置方式为：应力主孔4的数量为一个，开设于现场原岩试样1侧表面中心，监测副孔5的数量为多个，以应力主孔4为中心，围绕应力主孔4呈多个圆圈形均匀设置。
其余步骤同实施例一。
实施例四
利用综合数据采集系统的数据，可在构建测试标准件的过程中，准确获取岩体各部分的应力状态，监测现场岩体的应力，在空间及时间上的扩散、稳定及饱和期间传力路径及演化规律利用压力传感器及应变片绘制应力—应变曲线，利用有限的应力检测布置点，绘制出整个标准件上的应力场，借此来准确度量标准件状态，为下一步检验地应力测试方式做基础，所得到的应力-应变示意图以及应力-位置示意图分别如图6和图7所示。
另外，采用岩芯取样机获取定向岩心，利用基于定向岩芯研究的地应力测试方法对检验标准件进行测试，或者采用钻探设备对标准件进行钻孔，利用基于岩样钻孔研究的地应力测试方法对标准件进行测试。将数据进行对比，达到检验或者修正地应力测试方法的目的。
实施例五
上述实施例一-实施例三中，
强度可调膨胀砂浆材料由水泥浆液与煤渣、岩石碎屑物、膨胀剂拌和合而成，其中煤渣、岩石碎屑物的相对配比依据现场原岩试样1的实测强度确定。
步骤5和6中强度可调膨胀砂浆材料，膨胀剂掺量的确定方式为：根据研究所需要的主应力大小决定，本案例以10％膨胀剂含量为例。
步骤5和6中强度可调膨胀砂浆材料，回归现场原岩试样强度的方式为：先根据研究所需的主应力大小确定膨胀剂含量，随后将材料按照表2比例放入砂浆搅拌机中进行拌和，随后浇筑成10*10*10cm3的立方体试件，采用标准方式在恒温恒湿标准养护箱中养护72h后，进行单轴抗压强度测定实验。根据实验结果如图9所示，对灰渣比进行微调，直至试件的的强度与现场原岩试样大致相同。
给出带有数据的实施例说明如何调控，如表1所示，结合表1说明
表1.膨胀剂含量对应的膨胀应力
表2.强度可调膨胀砂浆材料配比方案
上述的实施例仅为本发明的优选技术方案，而不应视为对于本发明的限制，本申请中的实施例及实施例中的特征在不冲突的情况下，可以相互任意组合。本发明的保护范围应以权利要求记载的技术方案，包括权利要求记载的技术方案中技术特征的等同替换方案为保护范围。即在此范围内的等同替换改进，也在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种快速构建应力饱和的原岩地应力测试标准件的方法，其特征在于该方法包括以下步骤：
步骤1：在现场原位选取砂岩岩体（13），制备现场原岩试样（1）；
步骤2：在现场原岩试样（1）上钻设应力主孔（4）和监测副孔（5），应力主孔（4）和监测副孔（5）的深度都为3米，应力主孔（4）和监测副孔（5）布置方式为：应力主孔（4）的数量为一个，开设于现场原岩试样（1）上表面中心，监测副孔（5）的数量为多个，以应力主孔（4）为中心，围绕应力主孔（4）呈多个圆圈形均匀设置；
步骤3： 在各监测副孔（5）内沿孔深方向均匀布置多个副孔压力传感器（8），将钻孔时掘出的岩石碎屑物以水泥胶结后制得的胶结物回填各个监测副孔（5），各副孔压力传感器（8）分别与综合数据采集系统（7）连接；
步骤4：对各应力主孔（4）进行颜色标记，在各应力主孔（4）内沿孔深方向均匀布置多个主孔压力传感器（3），各主孔压力传感器（3）分别与综合数据采集系统（7）连接；
步骤5：利用强度可调膨胀砂浆材料，配比与现场原岩试样（1）强度一致的材料，改变膨胀材料的掺量形成不同等级的应力，再回填至各应力主孔（4）内，形成应力传递源；
步骤6：利用强度可调膨胀砂浆材料，配比出与应力主孔应力一致、与现场原岩试样（1）自身强度一致的材料，均匀涂抹在现场原岩试样（1）上除应力主孔（4）和监测副孔（5）所在面的其余各面上，形成侧限强度类岩石的约束边界层（11），用以提供侧限约束；
步骤7：在现场原岩试样（1）上除应力主孔（4）和监测副孔（5）所在面的其他面上安装应力锁死构件（6），即完成应力饱和的现场原岩地应力测试标准件的快速构建。
2.根据权利要求1所述的快速构建应力饱和的原岩地应力测试标准件的方法，其特征在于步骤1中，制备现场原岩试样（1）的方法为：在现场原位选取砂岩岩体（13），在砂岩岩体（13）周围掘出一圈一定深度的工作面，即制得现场原岩试样（1）。
3.根据权利要求2所述的快速构建应力饱和的原岩地应力测试标准件的方法，其特征在于：在制得现场原岩试样（1）后，再在岩样上方搭建遮雨棚（2）。
4.根据权利要求1所述的快速构建应力饱和的原岩地应力测试标准件的方法，其特征在于：步骤5和6中，强度可调膨胀砂浆材料由膨胀水泥浆液与煤渣、岩石碎屑物、膨胀剂拌和而成，其中煤渣、水及岩石碎屑物的相对配比由现场原岩试样（1）的实测抗压强度确定，通过改变膨胀剂掺量配比实现对应力的分级调控。
5.根据权利要求1所述的快速构建应力饱和的原岩地应力测试标准件的方法，其特征在于步骤2中，当需在水平方向上对地应力测试方法进行检验时，应力主孔（4）和监测副孔（5）布置方式为：应力主孔（4）的数量为一个，开设于现场原岩试样（1）上表面中心，监测副孔（5）的数量为多个，以应力主孔（4）为中心，围绕应力主孔（4）呈多个圆圈形均匀设置。
6.根据权利要求1所述的快速构建应力饱和的原岩地应力测试标准件的方法，其特征在于步骤2中，当需在水平方向上对地应力测试方法进行检验时，应力主孔（4）和监测副孔（5）的布置方式还可为：应力主孔（4）的数量为两个，开设于现场原岩试样（1）上表面中轴线的1/3及2/3处，监测副孔（5）的数量为多个，以每个应力主孔（4）为中心，围绕应力主孔（4）呈多个圆圈形均匀设置。
7.根据权利要求1所述的快速构建应力饱和的原岩地应力测试标准件的方法，其特征在于步骤2中，当需要在竖直方向上对地应力测试方法进行检验时，应力主孔（4）和监测副孔（5）布置方式为：应力主孔（4）的数量为一个，开设于现场原岩试样（1）侧表面中心，监测副孔（5）的数量为多个，以应力主孔（4）为中心，围绕应力主孔（4）呈多个圆圈形均匀设置。
8.根据权利要求1所述的快速构建应力饱和的原岩地应力测试标准件的方法，其特征在于：步骤7中，应力锁死构件（6）包括设置于现场原岩试样（1）外部上方的架体（6-1），现场原岩试样（1）上表面上放置有板体（6-2），架体（6-1）下表面以及板体（6-2）上表面通过多个千斤顶（6-3）连接；现场原岩试样（1）各侧面分别设置有板体，砂岩岩体（13）侧壁与现场原岩试样（1）侧面之间设有多个侧千斤顶（6-4）。
9.根据权利要求1所述的快速构建应力饱和的原岩地应力测试标准件的方法，其特征在于：
在步骤5和步骤6之间还设置有以下步骤：
在现场原岩试样（1）上应力主孔（4）和监测副孔（5）所在面外部相应位置架设延时摄影机（9）；
在步骤6和步骤7之间还设置有以下步骤：
在现场原岩试样（1）上应力主孔（4）和监测副孔（5）所在面的外表面设置多个应变片（10），各应变片（10）设置于每两个监测副孔（5）之间的区域并分别与综合数据采集系统（7）连接，再在应力主孔（4）和监测副孔（5）所在面上铺设网格硫酸纸（12），形成应变场标志区。
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