一種測量軟巖地應力的裝置的制造方法
【專利摘要】本實用新型提供一種測量軟巖地應力的裝置，屬于地應力測量技術領域。該裝置包括導線、桿體、注漿結石體、鉆孔、空腔、數據采集器、防水膜和傳感器，導線位于桿體內部中心，桿體內部除導線外，其余部分為空腔，桿體放入鉆孔內，桿體周圍注漿，形成注漿結石體，導線與數據采集器相連，傳感器位于桿體端部，傳感器外部包裹防水膜。本實用新型提供一種新的地應力測量裝置，能夠準確測量三維地應力，測量桿結構簡單，并且在理論上也不受測量深度的限制，測量精度高。
【專利說明】
-種測量軟巖地應力的裝置
技術領域
[0001] 本實用新型設及地應力測量技術領域，特別是指一種測量軟巖地應力的裝置。
【背景技術】
[0002] 隨著我國基礎設施建設的飛速發展，各種巖體工程的規模越來越大，對工程設計 和施工質量的要求也越來越高，相應的巖±工程問題不斷涌現，而巖體應力又是影響巖體 穩定和工程安全的重要參數之一。地應力的測量在我國巖體力學的發展史上，一直占有十 分重要的位置，不僅有重要理論意義，也有重要的應用價值。
[0003] 常規Ξ維地應力測量方法為水壓裂法和套忍應力解除法，不僅操作工藝復雜，測 量誤差也比較大，一種新型地應力測量方法及裝置急需研發。 【實用新型內容】
[0004] 本實用新型要解決的技術問題是提供一種測量軟巖地應力的裝置，該裝置包括導 線、桿體、空腔、數據采集器、防水膜和傳感器，導線位于桿體內部，桿體內部除導線外為空 腔，導線一端與數據采集器相連，導線另一端與傳感器相連，傳感器位于桿體外側端部，傳 感器外部包裹防水膜;桿體放入鉆孔中，桿體周圍注漿形成注漿結石體。
[0005] 其中，傳感器為兩個或兩個W上，桿體同一方向上安裝兩個傳感器，兩個傳感器中 屯、連線與桿體中屯、線正交。桿體為剛性材料制成，桿體上具有刻度，用于測出傳感器的位 置，內部有空腔，用于傳輸導線，空腔尺寸盡可能小，W免影響桿體的剛度，桿體外形不限， 空腔形狀不限。防水膜與傳感器緊密接觸，無空隙，用于防水。
[0006] 該裝置具體測量方法如下：
[0007] 在豎直面Μ內，施作水平孔(或小角度鉆孔)和斜向孔，兩個孔在同一豎直面Μ內，兩 孔夾角30°~90%在斜面Ν內，施作水平孔(或小角度鉆孔)和斜向孔，兩個孔在同一斜面Ν 內，兩孔夾角30°~90°，面Μ與面Ν斜交且交線不為豎直線或水平線；
[000引放入測量裝置，并向鉆孔內注漿；
[0009]在地應力作用下鉆孔變形，應力通過注漿結石體傳遞到傳感器上，應力穩定后，水 平孔(或小角度鉆孔)測得豎直應力〇z和水平應力Οχ,斜向孔ii得應力ΟΘ;
[0010]另一 平應力Oy由應力ΟΘ和豎直應力〇z計算求得，由兩組鉆孔，能夠得到兩個坐標 系下的六個應力數據，代入地應力的計算公式中，得出測試點地應力。
[00川其中，鉆孔孔徑大于桿體直徑，鉆孔深度為巷道半徑2.5倍W上，斜向孔與水平孔 的夾角為θ = 30°~90°，斜向孔底部與水平孔底部在同一豎直直線上。水平孔內，桿體四個 面上安裝4個傳感器，4個傳感器中屯、連線正交，2個傳感器為一組，一組傳感器測水平應力 Οχ,另一組傳感器測豎直應力0ζ。斜向孔內，安裝2個或4個傳感器，安裝2個傳感器時，一個傳 感器測量應力ΟΘ，另一個備用，防止傳感器損壞而影響測量;安裝4個傳感器時，一組傳感器 用來測量應力ΟΘ，另一組傳感器用來驗證測量結果的準確性。
[0012]該方法的基本原理為：
[001引分別w水平鉆孔軸向為y方向，鉆孔所在面(Μ或N)法向方向為X方向，垂直xy面向 上為Z方向建立空間直角坐標系，將測量裝置放入鉆孔內，保證傳感器軸線方向與所測應力 方向相同，向鉆孔內注漿，注漿漿液的配比應滿足注漿結石體的彈性模量低于或等于巖體 彈性模量，使傳感器與巖體禪合，漿液養護完成后，鉆孔變形將地應力通過注漿結石體傳遞 到傳感器上，應力穩定后，裝置上的四個傳感器直接測量上下、左右方向的應力，即豎直應 力曰Z和水平應力Οχ。另一個水平方向應力Oy，需由角度為Θ的斜向孔測量得出的應力0Θ，經巖 石力學公式：
[0014]
[0015] 求出巧。
[0016] 在豎直面Μ內，W水平鉆孔軸向為y方向，鉆孔所在面法向方向為X方向，垂直xy面 向上為Z方向建立空間直角坐標系oxyz;在斜面N內，W水平鉆孔軸向為y '方向，鉆孔所在面 法向方向為X'方向，垂直x'y'面向上為Z'方向建立空間直角坐標系ox'y'z'，由兩組鉆孔即 可得到兩個坐標系下的ox、oy、oz和σ'χ、σ'y、σ'z，并設jl、j2、j3分別為x'、y'、z'與x軸之間 的方向余弦，kl、k2、k3分別為x'、y'、z'與y軸之間的方向余弦，ll、12、13分別為x'、y'、z'與 Z軸之間的方向余弦。將上述已知量代入下式，建立方程組，求解得到測試點在oxyz坐標系 下的應力狀態(οχ、巧、〇ζ、τχγ、τγζ、τζχ)和ox'y'z '坐標系下的地應力狀態(σ'χ、σ'γ、σ'ζ、 τ':xy、τ'yz、τ'zx)。其中，τ巧、τyz、τzx為oxyz坐標系下的剪切應力分量，τ'χy、τ'yz、τ'zx為 ox'y'z'坐標系下的剪切應力分量。
[002引即可得到Ξ個主應力01、02、化。
[0029] 將〇 = 〇1、化、化分別代入下列方程組，即可求出主應力對應的主方向v=(l，m，n)。
[0033] 本實用新型的上述技術方案的有益效果如下：
[0034] 本實用新型與傳統的水壓裂法和套忍應力解除法相比，測量結果更準確，而且不 需要復雜的測量結構，裝置簡易，且理論上不受測量深度的影響，具有更廣闊的應用前景。
【附圖說明】
[0035] 圖1為本實用新型的測量軟巖地應力的裝置結構示意圖；
[0036] 圖2為圖1的A-A'剖面圖；
[0037] 圖3為圖1的Β-β/剖面圖；
[003引圖4為圖1的C-C'剖面圖；
[0039] 圖5為鉆孔布置Ξ維圖；
[0040] 圖6為地應力測量方法坐標系示意圖；
[0041] 圖7為主應力方向示意圖；
[0042] 圖8為方法實施流程圖。
[0043] 其中：1-導線；2-桿體;3-注漿結石體;4-鉆孔;5-空腔;6-數據采集器;7-防水膜； 8-傳感器。
【具體實施方式】
[0044] 為使本實用新型要解決的技術問題、技術方案和優點更加清楚，下面將結合附圖 及具體實施例進行詳細描述。
[0045] 本實用新型針對現有的地應力測量方法，操作程序繁瑣、裝置結構復雜、限制因素 較多等問題，提供一種測量軟巖地應力的裝置和方法。
[0046] 如圖1、圖2、圖巧日圖4所示，該裝置包括導線1、桿體2、空腔5、數據采集器6、防水膜 7和傳感器8,導線1位于桿體2內部，桿體2內部除導線1外為空腔5,導線1 一端與數據采集器 6相連，導線1另一端與傳感器8相連，傳感器8位于桿體2外側端部，傳感器8外部包裹防水膜 7;桿體2放入鉆孔4中，桿體2周圍注漿形成注漿結石體3。其中，如圖2和圖4所示，桿體2同一 方向上安裝兩個傳感器8，兩個傳感器8中屯、連線與桿體2中屯、線正交，防水膜7與傳感器8緊 密接觸，無空隙。
[0047] 本實施例中桿體2選用正方形，截面邊長為40mm，內部有空腔5,空腔5也為正方形， 空腔5截面邊長為8mm，供傳輸導線1，桿體2外部長度方向上具有刻度，用于測量傳感器8的 位置。
[0048] 采用圖8所示流程，在實際實施例中，選擇巷道內的待測應力點，按照圖5所示的鉆 孔布置Ξ維圖，分別在豎直面M、斜面N內，施工水平鉆孔，孔徑為90mm，深度5m(為巷道半徑 2.5倍W上），選取一定角度施工斜向鉆孔，此處W45°為例，深度至水平孔傳感器正上方，豎 直面Μ與斜面N斜交且交線不為豎直線或水平線，此處使孔m2和孔m成45°夾角。在鉆孔4內安 放測量裝置，保證傳感器8軸線方向與所測應力方向相同，并與鉆孔4外數據采集器6連接， 安放注漿管并進行注漿，注漿材料采用水泥砂漿，漿液養護完成后，隨時間的延續多次讀取 傳感器8測得的應力值，直到數據趨于穩定，對數據進行分析得到地應力值，其中注漿漿液 的配比應滿足注漿結石體的彈性模量低于或等于巖體彈性模量。
[0049] 具體施工流程如下：
[0050] (1)在工作平臺上確定鉆孔4位置并標記；
[0051] (2)在標記處鉆孔至所需深度；
[0052] (3)在已鉆孔內安放注漿管；
[0053] (4)在孔內安放測量裝置；
[0054] (5)向孔內進行注漿；
[0055] (6)裝置調試；
[0056] (7)地應力測量。
[0057] 測量得到豎直應力〇z和水平應力Οχ。另一個水平方向應力Oy，需由角度為Θ的斜向 孔，測量出應力ΟΘ，由巖石力學公式：
[0化引
[0化9] 求出巧。
[0060]如圖6和圖7所示，在豎直面Μ內，W水平鉆孔軸向為y方向，鉆孔所在面法向方向為 X方向，垂直xy面向上為Z方向建立空間直角坐標系oxyz;在斜面N內，W水平鉆孔軸向為y' 方向，鉆孔所在面法向方向為X'方向，垂直x'y'面向上為Z'方向建立空間直角坐標系ox'y' Z'，由兩組鉆孔即可得到兩個坐標系下的σχ、σγ、σζ和σ'χ、σ'γ、σ'ζ，并設jl、j2、j3分別為 X'、y'、z'與X軸之間的方向余弦，kl、k2、k3分別為X'、y'、z'與y軸之間的方向余弦，11、12、 13分別為x'、y'、z'與Z軸之間的方向余弦。將上述已知量代入下式，建立方程組，求解得到 測試點在oxyz坐標系下的應力狀態(σχ、巧、σζ、τχγ、τγζ、τζχ)和ox'y'z'坐標系下的地應力 狀態（σ'χ、σ'y、σ'z、τ'χy、τ'yz、τ'zx)。其中，τ巧、τyz、τzx為oxyz坐標系下的剪切應力分 量，T'xy、T'yz、T'zx為ox'y'z'坐標系下的剪切應力分量。
[0067] 將上述所得的oxyz坐標系下的應力狀態K、Oy、Oz、τχy、τyz、τzχ)代入下式：
[0072] 即可得到Ξ個主應力〇1、〇2、化。
[007引將0 = 01、化、化分別代入下列方程組，即可求出主應力對應的主方向v=(l，m，n)。
[0077] W上所述是本實用新型的優選實施方式，應當指出，對于本技術領域的普通技術 人員來說，在不脫離本實用新型所述原理的前提下，還可W做出若干改進和潤飾，運些改進 和潤飾也應視為本實用新型的保護范圍。
【主權項】
1. 一種測量軟巖地應力的裝置，其特征在于:包括導線（1)、桿體(2)、空腔(5)、數據采 集器(6)、防水膜(7)和傳感器(8)，導線（1)位于桿體(2)內部，桿體(2)內部除導線（1)外為 空腔(5)，導線（1) 一端與數據采集器(6)相連，導線（1)另一端與傳感器(8)相連，傳感器(8) 位于桿體(2)外側端部，傳感器(8)外部包裹防水膜(7);桿體(2)放入鉆孔(4)中，桿體(2)周 圍注漿形成注漿結石體(3)。2. 根據權利要求1所述的一種測量軟巖地應力的裝置，其特征在于:所述傳感器(8)為 兩個或兩個以上，桿體(2)同一方向上安裝兩個傳感器(8)，兩個傳感器(8)中心連線與桿體 (2)中心線正交。3. 根據權利要求1所述的一種測量軟巖地應力的裝置，其特征在于:所述桿體(2)為剛 性材料制成，桿體(2)上具有刻度。4. 根據權利要求1所述的一種測量軟巖地應力的裝置，其特征在于:所述防水膜(7)與 傳感器(8)緊密接觸，無空隙。
【文檔編號】E21B49/00GK205449364SQ201620194697
【公開日】2016年8月10日
【申請日】2016年3月14日
【發明人】吳順川, 蔣波, 蔣一波, 李想, 嚴瓊
【申請人】北京科技大學, 中電建路橋集團有限公司