CN113532719A - 钻孔用组合单向液压枕测深部断裂带地应力的装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种钻孔用组合单向液压枕测深部断裂带地应力的装置及方法。该装置包括手压泵、压力管路、液压枕组合装置，手压泵与压力管路连接，压力管路和液压枕组合装置用于放入软弱岩体的试验钻孔中，由灌浆管向试验钻孔进行水泥灌浆，压力管路和液压枕组合装置固结后埋在水泥中，所述液压枕组合装置由至少两个单向液压枕组合而成，所述单向液压枕包括主体和承压板，主体为单面开口的槽状结构，另一面设置受力变形并将主体单面开口密封的承压板，主体与承压板连接后形成液压油室，压力管路通过油嘴与液压油室连通。本发明可直接测量或观测岩体单向应力，通过上述钻孔钻孔和液压枕的组合可获取1维至3维的洞室深部断裂带岩体高至极高地应力信息。
Description
技术领域
本发明涉及涉及岩土试验领域，具体是一种钻孔用组合单向液压 枕测深部断裂带地应力的装置及方法。
背景技术
地应力是地下工程围岩变形和破坏的控制因素之一，高至极高地 应力条件下硬脆岩体易产生岩爆、软弱岩体易产生软岩大变形破环。 随着我国长距离调水工程、交通工程和深部矿山工程的推进，软弱岩 体围岩大变形、TBM掘进卡机事故频繁出现。断裂带等典型软弱岩 体地应力资料获取成为亟需解决的工程问题。
一般而言，断裂带岩体具有岩质偏软、均质性差、岩体完整性差、 塑性和流变性特征明显等特点，常用地应力测量方法如水压致裂法和 套孔应力解除法均不适用。目前，针对软弱岩体地应力测量的方法仅 有基于流变恢复理论的三向压力盒、应用于井下煤岩体应力测量的液 压钻孔应力计和基于弹性变形分离的主动施压式软质岩体快速测量 方法等。其中，基于流变恢复理论的三向压力盒埋设在洞室内壁钻孔 中，灌浆处理后通过测量压力盒承载板的变形计算岩体的三向应力， 该方法通过测量承载板变形计算三向压力盒的应力分量，再计算岩体 空间应力，为间接测量方法，此外，该方法不适用于均质性较差的断 裂带岩体；名称为“应用于井下煤岩体应力测量的液压钻孔应力计” 的专利(公开号CN204694384U)提供了对煤岩体钻孔径向应力变化 监测的技术，该技术采用匹配钻孔直径的4个囊式液压枕，可监测液 压枕布置径向覆盖范围(方向范围较大)的应力变化，该技术无法准 确计算岩体地应力场；主动施压式软质岩体快速测量装置由封闭的水 压致裂法管路系统和孔径变形测量系统组成，通过特定加载条件下的 孔径变形测量进行地应力量值计算，单次测试可以获取钻孔截面的平 面应力，该方法设备制作难度大尚无成品。
针对深埋长大调水等工程对断裂带地应力资料的需求和现有测 量方法匮乏的现状，一种钻孔用组合单向液压枕测深部断裂带地应力 的装置及方法获得研发。该发明对表面应力测量所用的压力枕等装置 进行了全新改型设计，采用组合方式进行钻孔地应力测量，并提供了 配套方法。本发明可直接获取单个方向的压应力，通过液压枕组合和 钻孔布置可获取岩体平面和三维地应力状态，可以全面满足勘测设计 对断裂带岩体地应力资料的需求。
发明内容
针对现有针对现有测量方法的不足，本发明提供一种钻孔用组合 单向液压枕测深部断裂带地应力的装置及方法，该测量装置设备制作 和操作简单可靠，可以随时读取单个液压枕承压板方向的压应力，也 可通过长期观测获取初始应力，还可以通过不同试验布置获取需要的 地应力特征数据。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种钻孔用组合单向液压枕测深部断裂带地应力的装置，包括手 压泵、压力管路、液压枕组合装置，手压泵与压力管路连接，压力管 路和液压枕组合装置用于放入软弱岩体的试验钻孔中，由灌浆管向试 验钻孔进行水泥灌浆，压力管路和液压枕组合装置固结后埋在水泥 中，所述液压枕组合装置由至少两个单向液压枕组合而成，所述单向 液压枕包括主体和承压板，主体为单面开口的槽状结构，另一面设置 受力变形并将主体单面开口密封的承压板，主体与承压板连接后形成 液压油室，压力管路通过油嘴与液压油室连通。
进一步的，还包括截止阀、压力表、三通阀，手压泵、截止阀、 三通阀依次连接，截止阀的出口端与三通阀的第一端连接，三通阀的 第二端通过压力管路与液压枕组合装置连接，三通阀的第三端与压力 表连接。
进一步的，所述主体和所述承压板的连接方式为螺纹连接。
进一步的，所述单向液压枕还包括螺钉、盖板、密封圈，密封圈 放置在主体上，承压板由螺钉和盖板固定在主体上。
进一步的，所述主体和所述承压板的连接方式为焊接。
进一步的，所述主体的侧面设有与压力管路连接和排气用的油 嘴。
进一步的，所述承压板采用薄钢板。
一种钻孔用组合单向液压枕测深部断裂带地应力的测试方法，采 用上述装置进行，其特征在于：所述方法包括如下步骤：
(1)单向液压枕气密性试验：加工完成后组合安装前，将单向 液压枕连接油泵、截止阀、高压管和压力表，注油过程中须排气完全， 之后对单向液压枕进行加压和长时间压力保持，检验液压枕气密性；
(2)压力标定试验：模拟现场试验条件下的岩体受力状态，对 单向液压枕进行标定试验，获得特定预加载压力下试验加载和输出压 力关系；
(3)试验布置：通过液压枕组合和钻孔布置达到试验测试要求， 可实现1维至3维地应力信息的测量；
(4)装置安装：根据钻孔布置进行钻孔施工，随后将组合装置 安装在钻孔内；
(5)灌浆回填：对测孔进行灌浆回填，使观测装置与岩体凝结 一体，浆材物理参数应与岩体参数尽可能一致；
(6)施加预压：水泥固结完毕，根据压力标定试验结果，选择 合适的预加载压力并锁紧截止阀；
(7)应力观测：对各单向压力枕的应力变化进行观测，记录读 数时间和压力表读数；
(8)数据处理：
(8-1)根据压力标定试验的预加载压力等级、特定预加载压力下 试验加载和输出压力关系，由压力表读数反算单向液压枕测量的单向 压应力；
(8-2)绘制单向液压枕压力随时间变化曲线，确定测量方向的单 向稳定应力；
(8-3)计算组合液压枕的测量结果，根据试验布置计算不同维 度的地应力。
进一步的，步骤(3)中：所述液压枕组合是指根据测量需求对 单向液压枕进行组合，选择测量钻孔任意径向的单向应力或者钻孔横 截面的平面应力；采用两个单向液压枕组合而成的单向液压枕组合进 行单向应力测量；采用三个及以上单向液压枕组成的平面液压枕组合 可进行平面应力测量；所述钻孔布置是指根据测试需求，在洞壁或洞 室底板布置单个试验钻孔或试验钻孔组合；在试验钻孔安装液压枕组 合，获取钻孔横截面内的单向压应力或平面应力，由3个不同方向的 平面应力组合计算空间三维应力
进一步的，步骤(8-3)中三维应力测试由三个平面应力测量结 果计算：
σn＝(σn1+σn2)/2 (1)
式中：σn1、σn2、和σn3为各单向液压枕法向的单向压应力，σ n为单向液压枕组合测量的单向应力，σ1为钻孔横截面的大主应力， σ2为钻孔横截面的小主应力，角度ɑ为最大主应力方向角，为以轴 x起始逆时针旋转到最大主应力方向的角度。
本发明的主要创新和有益效果如下：
①对液压枕结构进行了全新设计和加工制作工艺设计，试验证实 预加载后的承压板正向加载应力与液体压力高度线性化相关，即通过 液压枕压力测试可反向确定地应力场单向压应力，使得单向液压枕应 力测试成为可能；
②针对断裂带岩体特性，改变三向压力盒等现有技术的变形测量 为压力测量，即变间接测量为直接测量，可适应更多种类岩体、提高 地应力测试准确性；
③将用于地下洞室表面地应力测试的双面受力的液压枕改为单 面受力的单向液压枕，并采用组合方式进行钻孔截面任意(或多个) 方向的应力观测(测量)，再配合钻孔组合可获取岩体单向(1维)、 平面(2维)和空间(3维)地应力数据，可完全满足勘测设计对地应力资料的需求；
④测量装置尺寸可适用于常用地质钻孔(直径91mm或130mm)， 将仅适用于地下洞室表面进行的地应力测量转变为钻孔深部的岩体 地应力测量，可获取洞室深处的初始地应力场数据，可进行高至极高 地应力的测试。
⑤表面地应力测试需要应力和变形联合测试，适用于地下洞室的 表面硬质岩体测试，本发明仅需要进行应力观测，不需要进行变形测 试，完全适用于断裂带等软弱岩体地应力测试。
附图说明
图1是本发明钻孔用组合单向液压枕测深部断裂带地应力的装 置其中一个实施例的结构示意图；
图2(a)是本发明实施例中单向液压枕正面剖视图，图2(b) 是本发明实施例中单向液压枕的俯视图，图2(c)是本发明实施例 中单向液压枕的侧视图；
图3是本发明实施例中单向液压枕的压力标定曲线；
图4是本发明实施例中单向液压枕的组合示意图；
图5是本发明实施例中平面液压枕的组合示意图。
图中附图标记分述如下：
1—手压泵，2—截止阀，3—压力表，4—软弱岩体，5—三通阀， 6—灌浆管，7—压力管路，8—试验钻孔，9—液压枕组合装置，10 —水泥，11—螺钉，12—盖板，13—密封圈，14—承压板，15—液压 油室，16—主体，17—油嘴，18—液压枕组合装置孔，21—单向液压枕。
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，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、 完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是 全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件 可以以各种不同的配置来布置和设计。
如图1所示，本发明实施例提供一种钻孔用组合单向液压枕测深 部断裂带地应力的装置，包括手压泵1、截止阀2、压力表3、三通 阀5、压力管路7、液压枕组合装置9。
手压泵1、截止阀2、三通阀5依次连接，截止阀2的出口端与 三通阀5的第一端连接，三通阀5的第二端通过压力管路7与液压枕 组合装置9连接，三通阀5的第三端与压力表3连接。
压力管路7和液压枕组合装置9工作时放入软弱岩体4的试验钻 孔8中，由灌浆管6向试验钻孔8进行水泥灌浆，压力管路7和液压 枕组合装置9固结后埋在水泥10中。所述压力管路7为钢管或高压 钢丝编织胶管。
请一并参阅图4及图5，所述液压枕组合装置9由至少两个单向 液压枕21组合而成。所述单向液压枕21形体纤长，其长宽比大于3， 组合安装后可放入试验钻孔8中。
请一并参阅图2(a)、图2(b)和图2(c)，所述单向液压枕 21包括主体16和承压板14，承压板14和主体1的连接方式由螺纹 连接或焊接而成。主体16、承压板14材质以钢材为主，主体16为 上端开口的槽状结构，例如薄板金属槽结构，设计为窄长形状，单面 设置承压板14，主体16与承压板14连接后形成液压油室15，主体 16侧面设置有油嘴17。为了适应不同的断裂段岩体，材质和尺寸可 调整。
在其中一个实施例中，由螺纹连接而成的单向液压枕21包括螺 钉11、盖板12、密封圈13、承压板14、主体16、油嘴17。油嘴17 设置两个，位于侧面，如图2(c)所示，油嘴17用于连接压力管路 7和液压油室15。密封圈13放置在主体17上，承压板14由螺钉11 和盖板12固定在主体16上，油嘴17用来连接压力管路7和排气操 作。
在另一实施例中，焊接的单向液压枕无螺钉11和盖板12，承压 板14通过焊接工艺与主体16连接。
主体16的两端设有液压枕组合装置孔18，用于单向液压枕21 的定位和固定。
本发明实施例还提供一种钻孔用组合单向液压枕测深部断裂带 地应力的测试方法，包括如下步骤：
(1)单向液压枕21气密性试验：加工完成后组合安装前，将单 向液压枕21连接油泵、截止阀2、高压管和压力表3，注油过程中须 排气完全，之后对单向液压枕21进行加压和长时间压力保持，检验 液压枕气密性；
(2)压力标定试验：模拟现场试验条件下的岩体受力状态，对 单向液压枕21进行标定试验，获得特定预加载压力下试验加载和输 出压力关系，即图3中关系式中的系数a和b；
(3)试验布置：通过液压枕组合和钻孔布置达到试验测试要求， 可实现1维至3维地应力信息的测量；
所述液压枕组合是指根据测量需求对单向液压枕进行组合，可选 择测量钻孔任意径向的单向应力或者钻孔横截面的平面应力。
所述两个单向液压枕组合而成的单向液压枕组合(图4所示)可 进行单向应力测量；采用三个及以上单向液压枕组成的平面液压枕组 合(例如图5所示的3个单向液压枕组合)可进行平面应力测量。液 压枕或液压枕组合可在钻孔内朝向不同方向安装，即图4和图5组合 体安装方向可进行旋转。单个钻孔可安装多个液压枕组合。
所述钻孔布置是指根据测试需求，在洞壁或洞室底板布置单个试 验钻孔或试验钻孔组合；在试验钻孔安装液压枕组合，可获取钻孔横 截面内的单向压应力或平面应力，单向压应力方向与液压枕组合安装 方向油管，由3个不同方向的平面应力可组合计算空间三维应力；
(4)装置安装：根据钻孔布置进行钻孔施工，随后将组合装置 安装在钻孔内；
(5)灌浆回填：对测孔进行灌浆回填，使观测装置与岩体凝结 一体，浆材物理参数应与岩体参数尽可能一致；
(6)施加预压：水泥固结完毕，根据压力标定试验结果，选择 合适的预加载压力并锁紧截止阀2；
(7)应力观测：对各单向压力枕21的应力变化进行观测，记录 读数时间和压力表读数；
(8)数据处理：
(8-1)根据压力标定试验的预加载压力等级、系数a和b的值， 由压力表读数反算单向液压枕测量的单向压应力；
(8-2)绘制单向液压枕压力随时间变化曲线，确定测量方向的单 向稳定应力；
(8-3)计算组合液压枕的测量结果，根据试验布置计算不同维度 的地应力。一般而言，洞室对附近岩体初始应力场有扰动作用，测量 装置的埋设对测量具有“嵌入效应”，均对测量结果的准确性有影响。 装置设计及试验布置应尽量避免上述影响。建立如图4和图5所示钻 孔横截面的平面坐标系o-xy，轴x为水平向右，轴y垂直向上。不考 虑上述影响，图4所示单向液压枕组合获取的单向压应力为(1)式， 图5所示平面应力观测的平面应力测量结果为(2)式。三维应力测 试由三个平面应力测量结果计算。
σn＝(σn1+σn2)/2 (1)
式中：σn1、σn2、和σn3为各单向液压枕法向的单向压应力，σn为 单向液压枕组合测量的单向应力，σ1为钻孔横截面的大主应力，σ2为钻孔横截面的小主应力，角度ɑ为最大主应力方向角，为以轴x起 始逆时针旋转到最大主应力方向的角度。
本发明的主要创新和有益效果如下：
①对液压枕结构进行了全新设计和加工制作工艺设计，试验证实 预加载后的承压板正向加载应力与液体压力高度线性化相关，即通过 液压枕压力测试可反向确定地应力场单向压应力，使得应力测试成为 可能(采用两个单向液压枕面对面对压方式，进行了不同预加载条件 下的加载应力和观测应力关系试验，线性拟合优度(R2)均大于0.99； 图3为预加载压力为5.0MPa的试验结果，线性拟合结果a＝1.68、 b＝-7.66，主动加载和观测压力的线性拟合优度(R2)为0.9941，验证 了单向液压枕的施加应力与观测应力高度线性相关)；
②针对断裂带岩体特性，改变三向压力盒等现有技术的变形测量 为压力测量，即变间接测量为直接测量，可适应更多种类岩体、提高 地应力测试准确性；
③将用于地下洞室表面地应力测试的双向受力的液压枕改为单 面受力的单向液压枕，并采用组合方式进行钻孔截面多个方向的应力 观测(测量)，再配合钻孔组合可获取岩体单向(1维)、平面(2 维)和空间(3维)地应力数据，可完全满足勘测设计对地应力资料的需求；
④测量装置尺寸可适用于常用地质钻孔(直径91mm或130mm)， 将洞室表面的地应力测量转变为钻孔内深部的岩体应力测量，可获取 洞室深处的初始地应力场数据，可进行高至极高地应力的测试。
⑤表面地应力测试需要应力和变形联合测试，适用于地下洞室的 表面硬质岩体测试，本发明仅需要进行应力观测，不再需要进行变形 测试，完全适用于断裂带等软弱岩体的地应力测试。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并 不局限于此，任何属于本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范 围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。 因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。
Claims (10)
1.一种钻孔用组合单向液压枕测深部断裂带地应力的装置，其特征在于：包括手压泵、压力管路、液压枕组合装置，手压泵与压力管路连接，压力管路和液压枕组合装置用于放入软弱岩体的试验钻孔中，由灌浆管向试验钻孔进行水泥灌浆，压力管路和液压枕组合装置固结后埋在水泥中，所述液压枕组合装置由至少两个单向液压枕组合而成，所述单向液压枕包括主体和承压板，主体为单面开口的槽状结构，另一面设置受力变形并将主体单面开口密封的承压板，主体与承压板连接后形成液压油室，压力管路通过油嘴与液压油室连通。
2.如权利要求1所述的钻孔用组合单向液压枕测深部断裂带地应力的装置，其特征在于：还包括截止阀、压力表、三通阀，手压泵、截止阀、三通阀依次连接，截止阀的出口端与三通阀的第一端连接，三通阀的第二端通过压力管路与液压枕组合装置连接，三通阀的第三端与压力表连接。
3.如权利要求1所述钻孔用组合单向液压枕测深部断裂带地应力的装置，其特征在于：所述主体和所述承压板的连接方式为螺纹连接。
4.如权利要求3所述钻孔用组合单向液压枕测深部断裂带地应力的装置，其特征在于：所述单向液压枕还包括螺钉、盖板、密封圈，密封圈放置在主体上，承压板由螺钉和盖板固定在主体上。
5.如权利要求1所述钻孔用组合单向液压枕测深部断裂带地应力的装置，其特征在于：所述主体和所述承压板的连接方式为焊接。
6.如权利要求1所述钻孔用组合单向液压枕测深部断裂带地应力的装置，其特征在于：所述主体的侧面设有与压力管路连接和排气用的油嘴。
7.如权利要求1所述钻孔用组合单向液压枕测深部断裂带地应力的装置，其特征在于：所述承压板采用薄钢板。
8.一种钻孔用组合单向液压枕测深部断裂带地应力的测试方法，采用如权利要求1-7中任一项所述的装置进行，其特征在于：所述方法包括如下步骤：
(1)单向液压枕气密性试验：加工完成后组合安装前，将单向液压枕连接油泵、截止阀、高压管和压力表，注油过程中须排气完全，之后对单向液压枕进行加压和长时间压力保持，检验液压枕气密性；
(2)压力标定试验：模拟现场试验条件下的岩体受力状态，对单向液压枕进行标定试验，获得特定预加载压力下试验加载和输出压力关系；
(3)试验布置：通过液压枕组合和钻孔布置达到试验测试要求，可实现1维至3维地应力信息的测量；
(4)装置安装：根据钻孔布置进行钻孔施工，随后将组合装置安装在钻孔内；
(5)灌浆回填：对测孔进行灌浆回填，使观测装置与岩体凝结一体，浆材物理参数应与岩体参数尽可能一致；
(6)施加预压：水泥固结完毕，根据压力标定试验结果，选择合适的预加载压力并锁紧截止阀；
(7)应力观测：对各单向压力枕的应力变化进行观测，记录读数时间和压力表读数；
(8)数据处理：
(8-1)根据压力标定试验的预加载压力等级、特定预加载压力下试验加载和输出压力关系，由压力表读数反算单向液压枕测量的单向压应力；
(8-2)绘制单向液压枕压力随时间变化曲线，确定测量方向的单向稳定应力；
(8-3)计算组合液压枕的测量结果，根据试验布置计算不同维度的地应力。
9.如权利要求8所述钻孔用组合单向液压枕测深部断裂带地应力的方法，其特征在于：步骤(3)中：
所述液压枕组合是指根据测量需求对单向液压枕进行组合，选择测量钻孔任意径向的单向应力或者钻孔横截面的平面应力；
采用两个单向液压枕组合而成的单向液压枕组合进行单向应力测量；采用三个及以上单向液压枕组成的平面液压枕组合可进行平面应力测量；
所述钻孔布置是指根据测试需求，在洞壁或洞室底板布置单个试验钻孔或试验钻孔组合；
在试验钻孔安装液压枕组合，获取钻孔横截面内的单向压应力或平面应力，由3个不同方向的平面应力组合计算空间三维应力。
10.如权利要求8所述钻孔用组合单向液压枕测深部断裂带地应力的方法，其特征在于：步骤(8-3)中三维应力测试由三个平面应力测量结果计算：
σn＝(σn1+σn2)/2 (1)
式中：σn1、σn2、和σn3为各单向液压枕法向的单向压应力，σn为单向液压枕组合测量的单向应力，σ1为钻孔横截面的大主应力，σ2为钻孔横截面的小主应力，角度ɑ为最大主应力方向角，为以轴x起始逆时针旋转到最大主应力方向的角度。
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