CN204085751U - 岩体工程单孔多点光纤光栅空心包体三维应力测试装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种岩体工程单孔多点光纤光栅空心包体三维应力测试装置。它主要由两个以上单元光纤光栅圆柱空心包体应力计、刚性连接杆、对中支架、波长解调仪和计算机组成，单元光纤光栅圆柱空心包体应力计由环氧树脂空心包体、刚性连接端环、光纤、光栅构成，光纤缠绕固定于应力计外表面的轴向、径向和螺旋凹槽内。测试装置安装于岩体中的钻孔内，通过注浆液与钻孔孔壁岩体耦合，实现对岩体工程三维扰动应力分布及其时空演化规律测试。本实用新型耦合了光纤光栅和空心包体技术，耐腐蚀、抗地下水和电磁干扰，测试精度高，对岩体工程复杂地质和水文条件适应性强，可广泛应用于水利水电、矿山、交通等工程的地下隧洞和边坡岩体三维扰动应力测试。

Description

岩体工程单孔多点光纤光栅空心包体三维应力测试装置

技术领域

本实用新型涉及一种岩体工程单孔多点光纤光栅空心包体三维应力测试装置，该装置可广泛应用于水利水电、矿山、交通等工程的地下隧洞和边坡岩体开挖和运行过程的三维扰动应力测试。

背景技术

岩石工程所赋存的地质环境和应力条件复杂，大规模工程建设过程中发生的塌方、滑坡和岩爆灾害是影响影响工程施工安全和运行的最关键因素，工程失事常造成施工设备损坏和重大人员伤亡事故。这些灾害的发生首先反映在岩体中应力的变化，通过应力演化信息的现场直接获取和分析，可以有效实现灾害的预警和控制，因此，岩体应力原位测试成为岩石工程灾害研究的最重要内容之一。

岩体中的应力测试分为两类，一类是原岩中的地应力测试，测试工程岩体的自重和构造应力，成熟的测试方法有钻孔应力解除法、水压致裂法等；另一类是扰动应力测试，即测试工程开挖扰动和运行过程中岩体应力的变化情况。现有开挖扰动应力测试通常都是基于钻孔内放置传感器的测试技术，并让传感器通过介质与孔壁耦合，国内外在这方面已有的代表性技术有单向钻孔应力计、三向实心基体应力计、澳大利亚CSIRO三向空心包体应力计。中国专利公开号CN103398807A、CN103076128A、CN102095533A、CN102628716B，发明名称分别为：一种新型三维应力测量传感器、一种隧道三维应力场模拟装置、一种地质构造模拟实验中的三维应力测量装置、基于流变应力恢复原理的深部软岩地应力测试方法和装置，上述申请案公开了四种基于电法的三向应力测试装置。中国专利公开号CN102620870B、CN102175366A，发明名称分别为：一种基于光纤光栅传感的岩土三向压应力传感器、一种岩石三维应力状态的光纤光栅测试装置及测试方法，上述申请案公开了两种基于光纤光栅技术的实心基体三维应力测试装置。经过综合分析和比较，上述公开的发明专利其缺陷在于：首先，单向钻孔应力计只能测试单个方向的岩体应力变化，而上述三向实心基体和澳大利亚CSIRO空心包体应力计均只能测试孔底或孔内单个测点的三向应力，未能实现对岩体中钻孔全长多点应力的测试；其次，现有通过电法或相关电信号的测试元件，其稳定性和抗干扰能力差，不适宜于水、酸碱腐蚀、岩体裂隙等复杂恶劣条件下的长期监测；再次，上述基于光纤光栅技术的实心基体三维应力测试装置，传感器测试的多个应力分量分别由多根光纤光栅完成，由于其本底基体为实心的立方体或圆柱体，高强度金属材料或混凝土使得该传感器对岩体应变响应的灵敏度较低，且应变计安装在立方体给定平面上的测试方法，只适合于软弱岩体中的测试，不能真实准确反映坚硬岩体在空间上所受围压的三维应力状态和方向。

二十世纪末发展起来的光纤光栅技术获得了广泛应用，光纤光栅是利用紫外曝光技术在光纤芯内形成的折射率的周期性分布结构，光纤光栅传感采用光波长编码，无源无电、耐腐蚀、抗地下水和电磁干扰，不受信号强弱和衰减的影响，并且信号传输距离远，容易组网，具有大规模、网络化、远程、长久监测的技术特点，给岩体工程三维应力及其分布测试提供了新的途径。

发明内容

针对上述存在的缺陷，本实用新型的目的在于基于单个测试钻孔，可靠、准确、长期获取岩体工程开挖和运行过程中的三维扰动应力分布及其随时间、空间的变化规律，提供单孔多点光纤光栅空心包体三维扰动应力测试装置，实现对塌方、滑坡和岩爆灾害前兆信息的有效获取，为工程灾害的预警和控制提供原位基础数据。

为了实现上述目的，其技术解决方案为：

岩体工程单孔多点光纤光栅空心包体三维应力测试装置，所述装置由两个以上单元光纤光栅圆柱空心包体应力计、刚性连接杆、对中支架、波长解调仪和计算机组成，单元光纤光栅圆柱空心包体应力计由环氧树脂空心包体、刚性连接端环、光纤构成，刚性连接端环安装在环氧树脂空心包体的两端，单元光纤光栅圆柱空心包体应力计之间经刚性连接端环由刚性连接杆和螺栓串接，对中支架套装在刚性连接端环上，环氧树脂空心包体外表面沿轴线方向开有三条互成120°的轴向凹槽，在轴线中点位置沿径向方向开有第一径向凹槽，在第一径向凹槽的左侧依次以间距4cm开有第二径向凹槽、第三径向凹槽，在右侧依次以间距4cm开有第四径向凹槽、第五径向凹槽，在环氧树脂空心包体的外表面还分别开有螺距为12cm的顺时针螺旋凹槽和螺距为6cm的逆时针螺旋凹槽，顺时针螺旋凹槽、逆时针螺旋凹槽通过轴向凹槽与第一径向凹槽、第二径向凹槽、第三径向凹槽、第四径向凹槽、第五径向凹槽的交点，光纤缠绕固定在轴向凹槽、第一径向凹槽、第二径向凹槽、第三径向凹槽、第四径向凹槽、第五径向凹槽、顺时针螺旋凹槽和逆时针螺旋凹槽内，环氧树脂空心包体外表面设有环氧树脂保护层，三条轴向凹槽、逆时针螺旋凹槽分别与第一径向凹槽、第三径向凹槽、第四径向凹槽形成三个交叉点A、B、C，光纤在三个交叉点A、B、C往出线端方向分别刻有轴向光栅、径向光栅和斜向光栅，光纤的两个出线端分别固定在刚性连接端环的内壁，经由刚性连接杆内空间引出，分别接入在波长解调仪上，波长解调仪与计算机通过信号线连接。

所述的刚性连接杆为圆形空心状，单根刚性连接杆长度为0.8～1.5m。

所述的轴向凹槽、第一径向凹槽、第二径向凹槽、第三径向凹槽、第四径向凹槽、第五径向凹槽、顺时针螺旋凹槽和逆时针螺旋凹槽的宽度为1.0mm，深度为0.8mm。

所述的轴向光栅、径向光栅和斜向光栅长度均为8.0mm。

由于采用了以上技术方案，本实用新型岩体工程单孔多点光纤光栅空心包体三维应力测试装置的积极效果和优点在于：(1)由于采用了光纤光栅技术，圆柱空心包体应力计耐腐蚀、抗地下水和电磁干扰，不受信号强弱和衰减的影响，对于岩体工程复杂地质和水文条件的适应性强，不仅实现对工程建设期的岩体应力测试，更能应用于工程运行中的长期跟踪监测，稳定性好，可靠性高；(2)采用的圆柱空心包体为基体结构形式，真实反应岩体中的三维应力状态和方向，大大增强了应力测试的灵敏度和精度；(3)测试装置安装在注有水泥浆的测试钻孔内，有效解决了岩体破碎、裂隙等地质缺陷条件下应力计与岩体不能充分耦合的难题；(4)基于多个单元光纤光栅圆柱空心包体应力计通过刚性连接杆串接的形式，不仅实现了对岩体中单点扰动应力的测试，还可实现对钻孔全长扰动应力空间分布及其演化过程的测试。

附图说明

图1是本实用新型的结构示意图

图2是单元光纤光栅圆柱空心包体应力计三维结构图

图3是图1中交叉点A、B、C在空间上互成120°示意图

图4是图1中的A点局部放大后的三个光栅布置图

图5是单根光纤上的九个串接光栅分布示意图

图6是测试装置在测试钻孔内的安装示意图

图7是边坡中测试钻孔的布置示意图

图8是地下隧洞中的测试钻孔直接法布置示意图

图9是地下隧洞中的测试钻孔预埋法布置示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型岩体工程单孔多点光纤光栅空心包体三维应力测试装置作进一步详细的描述。

见附图1、2、3，岩体工程单孔多点光纤光栅空心包体三维应力测试装置，所述装置由两个以上单元光纤光栅圆柱空心包体应力计1、刚性连接杆2、对中支架3、波长解调仪5和计算机6组成，单元光纤光栅圆柱空心包体应力计1由环氧树脂空心包体9、刚性连接端环8、光纤4构成，刚性连接端环8安装在环氧树脂空心包体9的两端，单元光纤光栅圆柱空心包体应力计1之间经刚性连接端环8由刚性连接杆2和螺栓21串接，对中支架3套装在刚性连接端环8上。环氧树脂空心包体9外表面沿轴线方向开有三条互成120°的轴向凹槽10，在轴线中点位置沿径向方向开有第一径向凹槽15，在第一径向凹槽15的左侧依次以间距4cm开有第二径向凹槽13、第三径向凹槽14，在右侧依次以间距4cm开有第四径向凹槽16、第五径向凹槽17，在环氧树脂空心包体9的外表面还分别开有螺距为12cm的顺时针螺旋凹槽11和螺距为6cm的逆时针螺旋凹槽12。顺时针螺旋凹槽11、逆时针螺旋凹槽12通过轴向凹槽10与第一径向凹槽15、第二径向凹槽13、第三径向凹槽14、第四径向凹槽16、第五径向凹槽17的交点，光纤4缠绕固定在轴向凹槽10、第一径向凹槽15、第二径向凹槽13、第三径向凹槽14、第四径向凹槽16、第五径向凹槽17、顺时针螺旋凹槽11和逆时针螺旋凹槽12内。环氧树脂空心包体9外表面设有环氧树脂保护层，三条轴向凹槽10、逆时针螺旋凹槽12分别与第一径向凹槽15、第三径向凹槽14、第四径向凹槽16形成三个交叉点A、B、C，光纤4在三个交叉点A、B、C往出线端方向分别刻有轴向光栅18、径向光栅19和斜向光栅20，光纤4的两个出线端分别固定在刚性连接端环8的内壁，经由刚性连接杆2内空间引出，分别接入在波长解调仪5上，波长解调仪5与计算机6通过信号线连接。

所述的刚性连接杆2为圆形空心状，单根刚性连接杆2长度为0.8～1.5m,刚性连接杆2与刚性连接端环8、多根刚性连接杆2之间均通过螺纹连接。

所述的轴向凹槽10、第一径向凹槽15、第二径向凹槽13、第三径向凹槽14、第四径向凹槽16、第五径向凹槽17、顺时针螺旋凹槽11和逆时针螺旋凹槽12的宽度为1.0mm，深度为0.8mm。

所述的轴向光栅18、径向光栅19和斜向光栅20长度均为8.0mm。

所述的环氧树脂空心包体9的圆柱体壁厚为1.0～2.5mm，其长度是测试钻孔22直径的3～5倍。

具体光纤光栅在空心包体上的布置方案如下：

见附图3、4、5，本实用新型通过所述的单元光纤光栅圆柱空心包体应力计1仅由一根光纤4缠绕，单根光纤的两个出线端固定在刚性连接端环8的内壁，经由刚性连接杆2内空间引出。为了实施岩体中三维应力的空间测量，首先，在环氧树脂空心包体9的外表面刻出三种不同方向的凹槽：(1)三条轴向凹槽10；(2)第一径向凹槽15、第二径向凹槽13、第三径向凹槽14、第四径向凹槽16、第五径向凹槽17；(3)顺时针螺旋凹槽11、逆时针螺旋凹槽12。其次，将光纤4在上述三种不同方向凹槽内绕行，逆时针螺旋凹槽12内的光纤4将分别与第一径向凹槽17、第三径向凹槽16、第四径向凹槽18的光纤4形成三个交叉点A、B、C，由于三条轴向凹槽10互成120°，因此三个交叉点A、B、C相应形成互成120°的空间位置关系。再次，设计将光纤4在该三个交叉点往出线端方向分别刻出轴向光栅18、径向光栅19和斜向光栅20。因此，最终形成所述单元光纤光栅圆柱空心包体应力计1上的光纤4包含三组不同空间分布光栅，每组由三个光栅组成，根据应力测试基本原理，该空间分布的光纤光栅传感装置可有效实施岩体中的三维应力测试。

见附图6，测试装置在钻孔内的具体安装测试方案如下：

(1)在测试对象所需的设计位置开出测试钻孔22；

(2)在试钻孔22的孔口顺序连接单元光纤光栅圆柱空心包体应力计1、对中支架3、刚性连接杆2，安放注浆管24，不断将测试装置推送进入孔内；

(3)检验测试装置的可靠性，在每个单元光纤光栅圆柱空心包体应力计1安装推送进入孔内后，将光线4出线端接入解调仪5，通过计算机6测读各应力计的数据；

(4)封堵测试钻孔22孔口后进行注浆；

(5)在岩体工程开挖运行过程中，按设计要求动态测试每个单元应力计上的光栅应变数据，通过圆形空心包体应力计测试基本原理计算三维应力大小和方向。

对中支架3为环形橡胶薄片材料，厚度为6mm，测试装置安装时，对中支架3套装在刚性连接端环8上，由于对中支架3的直径比测试钻孔22的直径小2mm，因此有效避免了单元光纤光栅圆柱空心包体应力计1与测试钻孔22的孔壁直接接触，从而在环氧树脂空心包体9的外表面与测试钻孔22孔壁之间形成环状空间，提高注浆耦合效果。

单元光纤光栅圆柱空心包体应力计1通过注浆液23与测试钻孔22的孔壁耦合。光纤4和注浆管24均由单元光纤光栅圆柱空心包体应力计1、刚性连接端环8和刚性连接杆2的内部空间通过。对于孔底的单元光纤光栅圆柱空心包体应力计1，其底端由圆形橡胶塞7封闭，注浆管24穿过橡胶塞7并通过胶粘剂进行环形接触面密封处理，防止注浆液23进入到单元光纤光栅圆柱空心包体应力计1和刚性连接杆2的内部空间。

具体测试钻孔的布置方案如下：

见附图7、8、9，本实用新型在实际应用时，针对不同的测试对象，测试钻孔22的布置方式为：

(1)对于岩石边坡工程，根据设计要求在边坡坡面25上的相应位置开出任意方向的测试钻孔22；

(2)对于地下隧洞工程，测试装置的埋设有两种方法，一种为直接法，在测试隧洞26的设计剖面往岩体内开出任意方向的测试钻孔22，另一种为预埋法，即通过测试隧洞26附近已开挖隧洞27向测试隧洞26方向开出测试钻孔22；

(3)测试钻孔22的直径为75mm，钻孔设备采用金刚石钻头回转钻机，确保钻孔平直、孔壁光滑。

Claims (4)

1.岩体工程单孔多点光纤光栅空心包体三维应力测试装置，其特征在于：所述装置由两个以上单元光纤光栅圆柱空心包体应力计(1)、刚性连接杆(2)、对中支架(3)、波长解调仪(5)和计算机(6)组成，单元光纤光栅圆柱空心包体应力计(1)由环氧树脂空心包体(9)、刚性连接端环(8)、光纤(4)构成，刚性连接端环(8)安装在环氧树脂空心包体(9)的两端，单元光纤光栅圆柱空心包体应力计(1)之间经刚性连接端环(8)由刚性连接杆(2)和螺栓(21)串接，对中支架(3)套装在刚性连接端环(8)上，环氧树脂空心包体(9)外表面沿轴线方向开有三条互成120°的轴向凹槽(10)，在轴线中点位置沿径向方向开有第一径向凹槽(15)，在第一径向凹槽(15)的左侧依次以间距4cm开有第二径向凹槽(13)、第三径向凹槽(14)，在右侧依次以间距4cm开有第四径向凹槽(16)、第五径向凹槽(17)，在环氧树脂空心包体(9)的外表面还分别开有螺距为12cm的顺时针螺旋凹槽(11)和螺距为6cm的逆时针螺旋凹槽(12)，顺时针螺旋凹槽(11)、逆时针螺旋凹槽(12)通过轴向凹槽(10)与第一径向凹槽(15)、第二径向凹槽(13)、第三径向凹槽(14)、第四径向凹槽(16)、第五径向凹槽(17)的交点，光纤(4)缠绕固定在轴向凹槽(10)、第一径向凹槽(15)、第二径向凹槽(13)、第三径向凹槽(14)、第四径向凹槽(16)、第五径向凹槽(17)、顺时针螺旋凹槽(11)和逆时针螺旋凹槽(12)内，环氧树脂空心包体(9)外表面设有环氧树脂保护层，三条轴向凹槽(10)、逆时针螺旋凹槽(12)分别与第一径向凹槽(15)、第三径向凹槽(14)、第四径向凹槽(16)形成三个交叉点(A)、(B)、(C)，光纤(4)在三个交叉点(A)、(B)、(C)往出线端方向分别刻有轴向光栅(18)、径向光栅(19)和斜向光栅(20)，光纤(4)的两个出线端分别固定在刚性连接端环(8)的内壁，经由刚性连接杆(2)内空间引出，分别接入在波长解调仪(5)上，波长解调仪(5)与计算机(6)通过信号线连接。

2.根据权利要求1所述的岩体工程单孔多点光纤光栅空心包体三维应力测试装置，其特征在于：所述的刚性连接杆(2)为圆形空心状，单根刚性连接杆(2)长度为0.8～1.5m。

3.根据权利要求1所述的岩体工程单孔多点光纤光栅空心包体三维应力测试装置，其特征在于：所述的轴向凹槽(10)、第一径向凹槽(15)、第二径向凹槽(13)、第三径向凹槽(14)、第四径向凹槽(16)、第五径向凹槽(17)、顺时针螺旋凹槽(11)和逆时针螺旋凹槽(12)的宽度为1.0mm，深度为0.8mm。

4.根据权利要求1所述的岩体工程单孔多点光纤光栅空心包体三维应力测试装置，其特征在于：所述的轴向光栅(18)、径向光栅(19)和斜向光栅(20)长度均为8.0mm。