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    重庆时时彩优博平台: 一种测量软岩地应力的装置和方法.pdf

    摘要
    申请专利号:

    重庆时时彩单双窍门 www.4mum.com.cn CN201610144836.8

    申请日:

    2016.03.14

    公开号:

    CN105606287A

    公开日:

    2016.05.25

    当前法律状态:

    授权

    有效性:

    有权

    法律详情: 授权|||实质审查的生效IPC(主分类):G01L 5/00申请日:20160314|||公开
    IPC分类号: G01L5/00; E21B49/00 主分类号: G01L5/00
    申请人: 北京科技大学; 中电建路桥集团有限公司
    发明人: 吴顺川; 蒋一波; 李想; 严琼
    地址: 100083 北京市海淀区学院路30号
    优先权:
    专利代理机构: 北京市广友专利事务所有限责任公司 11237 代理人: 张仲波
    PDF完整版下载: PDF下载
    法律状态
    申请(专利)号:

    CN201610144836.8

    授权公告号:

    ||||||

    法律状态公告日:

    2018.09.14|||2016.06.22|||2016.05.25

    法律状态类型:

    授权|||实质审查的生效|||公开

    摘要

    本发明提供一种测量软岩地应力的装置和方法,属于地应力测量技术领域。该装置包括导线、杆体、注浆结石体、钻孔、空腔、数据采集器、防水膜和传感器,导线位于杆体内部中心,杆体内部除导线外,其余部分为空腔,杆体放入钻孔内,杆体周围注浆,形成注浆结石体,导线与数据采集器相连,传感器位于杆体端部,传感器外部包裹防水膜。本方法通过在巷道一个竖直面(M)内布置水平孔和斜向孔,在另一个斜面(N)内布置水平孔和斜向孔,向孔内放入测量装置并注浆,经测量注浆结石体内的应力状态达到测量地应力的目的。本发明提供一种新的地应力测量方法,能够准确测量三维地应力,测量杆结构简单,并且在理论上也不受测量深度的限制,测量精度高。

    权利要求书

    1.一种测量软岩地应力的装置,其特征在于:包括导线(1)、
    杆体(2)、空腔(5)、数据采集器(6)、防水膜(7)和传感器(8),
    导线(1)位于杆体(2)内部,杆体(2)内部除导线(1)外为空腔
    (5),导线(1)一端与数据采集器(6)相连,导线(1)另一端与
    传感器(8)相连,传感器(8)位于杆体(2)外侧端部,传感器(8)
    外部包裹防水膜(7);杆体(2)放入钻孔(4)中,杆体(2)周围
    注浆形成注浆结石体(3)。
    2.根据权利要求1所述的一种测量软岩地应力的装置,其特征
    在于:所述传感器(8)为两个或两个以上,杆体(2)同一方向上安
    装两个传感器(8),两个传感器(8)中心连线与杆体(2)中心线正
    交。
    3.根据权利要求1所述的一种测量软岩地应力的装置,其特征
    在于:所述杆体(2)为刚性材料制成,杆体(2)上具有刻度。
    4.根据权利要求1所述的一种测量软岩地应力的装置,其特征
    在于:所述防水膜(7)与传感器(8)紧密接触,无空隙。
    5.根据权利要求1所述的一种测量软岩地应力的装置,涉及一
    种测量软岩地应力的方法,其特征在于:
    在竖直面M内,施作水平孔(或小角度钻孔)和斜向孔,两个孔在
    同一竖直面M内,两孔夹角30°~90°;在斜面N内,施作水平孔(或
    小角度钻孔)和斜向孔,两个孔在同一斜面N内,两孔夹角30°~90°,
    面M与面N斜交且交线不为竖直线或水平线;
    放入测量装置,并向钻孔(4)内注浆;
    在地应力作用下钻孔(4)变形,应力通过注浆结石体(3)传递
    到传感器(8)上,应力稳定后,水平孔(或小角度钻孔)测得竖直应力
    σz和水平应力σx,斜向孔测得应力σθ;
    另一水平应力σy由应力σθ和竖直应力σz计算求得,由两组钻孔,
    能够得到两个坐标系下的六个应力数据,代入地应力的计算公式中,
    得出测试点地应力。
    6.根据权利要求5所述的测量软岩地应力的方法,其特征在于:
    所述钻孔(4)孔径大于杆体(2)直径,钻孔(4)深度为巷道半径
    2.5倍以上,斜向孔与水平孔的夹角为θ=30°~90°,斜向孔底部与
    水平孔底部在同一竖直直线上。
    7.根据权利要求1或5所述的测量软岩地应力的装置和方法,
    其特征在于:所述水平孔内,杆体(2)四个面上安装4个传感器(8),
    4个传感器(8)中心连线正交,2个传感器(8)为一组,一组传感
    器(8)测水平应力σx,另一组传感器(8)测竖直应力σz。
    8.根据权利要求1或5所述的测量软岩地应力的装置和方法,
    其特征在于:所述斜向孔内,安装2个或4个传感器(8),安装2个
    传感器(8)时,一个传感器(8)测量应力σθ,另一个备用;安装4
    个传感器(8)时,一组传感器(8)用来测量应力σθ,另一组传感
    器(8)用来验证测量准确性。
    9.根据权利要求1或5所述的测量软岩地应力的装置和方法,
    其特征在于:所述注浆浆液的配比满足注浆结石体(3)弹性模量低
    于或等于岩体弹性模量。

    说明书

    一种测量软岩地应力的装置和方法

    技术领域

    本发明涉及地应力测量技术领域,特别是指一种测量软岩地应力
    的装置和方法。

    背景技术

    随着我国基础设施建设的飞速发展,各种岩体工程的规模越来越
    大,对工程设计和施工质量的要求也越来越高,相应的岩土工程问题
    不断涌现,而岩体应力又是影响岩体稳定和工程安全的重要参数之一。
    地应力的测量在我国岩体力学的发展史上,一直占有十分重要的位置,
    不仅有重要理论意义,也有重要的应用价值。

    常规三维地应力测量方法为水压裂法和套芯应力解除法,不仅操
    作工艺复杂,测量误差也比较大,一种新型地应力测量方法及装置急
    需研发。

    发明内容

    本发明要解决的技术问题是提供一种测量软岩地应力的装置和
    方法,该装置包括导线、杆体、空腔、数据采集器、防水膜和传感器,
    导线位于杆体内部,杆体内部除导线外为空腔,导线一端与数据采集
    器相连,导线另一端与传感器相连,传感器位于杆体外侧端部,传感
    器外部包裹防水膜;杆体放入钻孔中,杆体周围注浆形成注浆结石体。

    其中,传感器为两个或两个以上,杆体同一方向上安装两个传感
    器,两个传感器中心连线与杆体中心线正交。杆体为刚性材料制成,
    杆体上具有刻度,用于测出传感器的位置,内部有空腔,用于传输导
    线,空腔尺寸尽可能小,以免影响杆体的刚度,杆体外形不限,空腔
    形状不限。防水膜与传感器紧密接触,无空隙,用于防水。

    该装置具体测量方法如下:

    在竖直面M内,施作水平孔(或小角度钻孔)和斜向孔,两个孔在
    同一竖直面M内,两孔夹角30°~90°;在斜面N内,施作水平孔(或
    小角度钻孔)和斜向孔,两个孔在同一斜面N内,两孔夹角30°~90°,
    面M与面N斜交且交线不为竖直线或水平线;

    放入测量装置,并向钻孔内注浆;

    在地应力作用下钻孔变形,应力通过注浆结石体传递到传感器上,
    应力稳定后,水平孔(或小角度钻孔)测得竖直应力σz和水平应力σx,
    斜向孔测得应力σθ;

    另一水平应力σy由应力σθ和竖直应力σz计算求得,由两组钻孔,
    能够得到两个坐标系下的六个应力数据,代入地应力的计算公式中,
    得出测试点地应力。

    其中,钻孔孔径大于杆体直径,钻孔深度为巷道半径2.5倍以上,
    斜向孔与水平孔的夹角为θ=30°~90°,斜向孔底部与水平孔底部在
    同一竖直直线上。水平孔内,杆体四个面上安装4个传感器,4个传
    感器中心连线正交,2个传感器为一组,一组传感器测水平应力σx,
    另一组传感器测竖直应力σz。斜向孔内,安装2个或4个传感器,安
    装2个传感器时,一个传感器测量应力σθ,另一个备用,防止传感
    器损坏而影响测量;安装4个传感器时,一组传感器用来测量应力σθ,
    另一组传感器用来验证测量结果的准确性。

    该方法的基本原理为:

    分别以水平钻孔轴向为y方向,钻孔所在面(M或N)法向方向
    为x方向,垂直xy面向上为z方向建立空间直角坐标系,将测量装
    置放入钻孔内,保证传感器轴线方向与所测应力方向相同,向钻孔内
    注浆,注浆浆液的配比应满足注浆结石体的弹性模量低于或等于岩体
    弹性模量,使传感器与岩体耦合,浆液养护完成后,钻孔变形将地应
    力通过注浆结石体传递到传感器上,应力稳定后,装置上的四个传感
    器直接测量上下、左右方向的应力,即竖直应力σz和水平应力σx。
    另一个水平方向应力σy,需由角度为θ的斜向孔测量得出的应力σθ,
    经岩石力学公式:

    σ y = 2 σ θ + ( c o s 2 θ - 1 ) σ z 1 + c o s 2 θ ]]>

    求出σy。

    在竖直面M内,以水平钻孔轴向为y方向,钻孔所在面法向方
    向为x方向,垂直xy面向上为z方向建立空间直角坐标系oxyz;在
    斜面N内,以水平钻孔轴向为y’方向,钻孔所在面法向方向为x’方向,
    垂直x’y’面向上为z’方向建立空间直角坐标系ox’y’z’,由两组钻孔即
    可得到两个坐标系下的σx、σy、σz和σ’x、σ’y、σ’z,并设j1、j2、
    j3分别为x’、y’、z’与x轴之间的方向余弦,k1、k2、k3分别为x’、y’、
    z’与y轴之间的方向余弦,l1、l2、l3分别为x’、y’、z’与z轴之间的
    方向余弦。将上述已知量代入下式,建立方程组,求解得到测试点在
    oxyz坐标系下的应力状态(σx、σy、σz、τxy、τyz、τzx)和ox’y’z’
    坐标系下的地应力状态(σ’x、σ’y、σ’z、τ’xy、τ’yz、τ’zx)。其
    中,τxy、τyz、τzx为oxyz坐标系下的剪切应力分量,τ’xy、τ’yz、
    τ’zx为ox’y’z’坐标系下的剪切应力分量。

    σ'x=σxj12+σyk12+σzl12+2τxyj1k1+2τyzk1l1+2τzxl1j1

    σ'y=σxj22+σyk22+σzl22+2τxyj2k2+2τyzk2l2+2τzxl2j2

    σ'z=σxj32+σyk32+σzl32+2τxyj3k3+2τyzk3l3+2τzxl3j3

    τ'xy=σxj1j2+σyk1k2+σzl1l2+τxy(j1k2+j2k1)+τyz(k1l2+k2l1)+τzx(l1j2+l2j1)

    τ'yz=σxj2j3+σyk2k3+σzl2l3+τxy(j2k3+j3k2)+τyz(k2l3+k3l2)+τzx(l2j3+l3j2)

    τ'zx=σxj1j3+σyk1k3+σzl1l3+τxy(j3k1+j1k3)+τyz(k3l1+k1l3)+τzx(l3j1+l1j3)

    将上述所得的oxyz坐标系下的应力状态(σx、σy、σz、τxy、
    τyz、τzx)代入下式:

    I1=σx+σy+σz

    I2=σxσy+σyσz+σzσx-τxy2-τyz2-τzx2

    I3=σxσyσz+2τxyτyzτzx-σxτyz2-σyτzx2-σzτxy2

    σ3-I1σ2+I2σ-I3=0

    即可得到三个主应力σ1、σ2、σ3。

    将σ=σ1、σ2、σ3分别代入下列方程组,即可求出主应力对应的
    主方向v=(l,m,n)。

    (σx-σ)l+τxym+τzxn=0

    τyxl+(σy-σ)m+τyzn=0

    l2+m2+n2=1

    本发明的上述技术方案的有益效果如下:

    本发明与传统的水压裂法和套芯应力解除法相比,测量结果更准
    确,而且不需要复杂的测量结构,装置简易,且理论上不受测量深度
    的影响,具有更广阔的应用前景。

    附图说明

    图1为本发明的测量软岩地应力的装置结构示意图;

    图2为图1的A-A′剖面图;

    图3为图1的B-B′剖面图;

    图4为图1的C-C′剖面图;

    图5为钻孔布置三维图;

    图6为地应力测量方法坐标系示意图;

    图7为主应力方向示意图;

    图8为方法实施流程图。

    其中:1-导线;2-杆体;3-注浆结石体;4-钻孔;5-空腔;6-数据
    采集器;7-防水膜;8-传感器。

    具体实施方式

    为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚,下面
    将结合附图及具体实施例进行详细描述。

    本发明针对现有的地应力测量方法,操作程序繁琐、装置结构复
    杂、限制因素较多等问题,提供一种测量软岩地应力的装置和方法。

    如图1、图2、图3和图4所示,该装置包括导线1、杆体2、空
    腔5、数据采集器6、防水膜7和传感器8,导线1位于杆体2内部,
    杆体2内部除导线1外为空腔5,导线1一端与数据采集器6相连,
    导线1另一端与传感器8相连,传感器8位于杆体2外侧端部,传感
    器8外部包裹防水膜7;杆体2放入钻孔4中,杆体2周围注浆形成
    注浆结石体3。其中,如图2和图4所示,杆体2同一方向上安装两
    个传感器8,两个传感器8中心连线与杆体2中心线正交,防水膜7
    与传感器8紧密接触,无空隙。

    本实施例中杆体2选用正方形,截面边长为40mm,内部有空腔
    5,空腔5也为正方形,空腔5截面边长为8mm,供传输导线1,杆
    体2外部长度方向上具有刻度,用于测量传感器8的位置。

    采用图8所示流程,在实际实施例中,选择巷道内的待测应力点,
    按照图5所示的钻孔布置三维图,分别在竖直面M、斜面N内,施
    工水平钻孔,孔径为90mm,深度5m(为巷道半径2.5倍以上),选取
    一定角度施工斜向钻孔,此处以45°为例,深度至水平孔传感器正
    上方,竖直面M与斜面N斜交且交线不为竖直线或水平线,此处使
    孔m2和孔n2成45°夹角。在钻孔4内安放测量装置,保证传感器8
    轴线方向与所测应力方向相同,并与钻孔4外数据采集器6连接,安
    放注浆管并进行注浆,注浆材料采用水泥砂浆,浆液养护完成后,随
    时间的延续多次读取传感器8测得的应力值,直到数据趋于稳定,对
    数据进行分析得到地应力值,其中注浆浆液的配比应满足注浆结石体
    的弹性模量低于或等于岩体弹性模量。

    具体施工流程如下:

    (1)在工作平台上确定钻孔4位置并标记;

    (2)在标记处钻孔至所需深度;

    (3)在已钻孔内安放注浆管;

    (4)在孔内安放测量装置;

    (5)向孔内进行注浆;

    (6)装置调试;

    (7)地应力测量。

    测量得到竖直应力σz和水平应力σx。另一个水平方向应力σy,
    需由角度为θ的斜向孔,测量出应力σθ,由岩石力学公式:

    σ y = 2 σ θ + ( c o s 2 θ - 1 ) σ z 1 + c o s 2 θ ]]>

    求出σy。

    如图6和图7所示,在竖直面M内,以水平钻孔轴向为y方向,
    钻孔所在面法向方向为x方向,垂直xy面向上为z方向建立空间直
    角坐标系oxyz;在斜面N内,以水平钻孔轴向为y’方向,钻孔所在面
    法向方向为x’方向,垂直x’y’面向上为z’方向建立空间直角坐标系
    ox’y’z’,由两组钻孔即可得到两个坐标系下的σx、σy、σz和σ’x、σ’y、
    σ’z,并设j1、j2、j3分别为x’、y’、z’与x轴之间的方向余弦,k1、
    k2、k3分别为x’、y’、z’与y轴之间的方向余弦,l1、l2、l3分别为x’、
    y’、z’与z轴之间的方向余弦。将上述已知量代入下式,建立方程组,
    求解得到测试点在oxyz坐标系下的应力状态(σx、σy、σz、τxy、
    τyz、τzx)和ox’y’z’坐标系下的地应力状态(σ’x、σ’y、σ’z、τ’xy、
    τ’yz、τ’zx)。其中,τxy、τyz、τzx为oxyz坐标系下的剪切应力
    分量,τ’xy、τ’yz、τ’zx为ox’y’z’坐标系下的剪切应力分量。

    σ'x=σxj12+σyk12+σzl12+2τxyj1k1+2τyzk1l1+2τzxl1j1

    σ'y=σxj22+σyk22+σzl22+2τxyj2k2+2τyzk2l2+2τzxl2j2

    σ'z=σxj32+σyk32+σzl32+2τxyj3k3+2τyzk3l3+2τzxl3j3

    τ'xy=σxj1j2+σyk1k2+σzl1l2+τxy(j1k2+j2k1)+τyz(k1l2+k2l1)+τzx(l1j2+l2j1)

    τ'yz=σxj2j3+σyk2k3+σzl2l3+τxy(j2k3+j3k2)+τyz(k2l3+k3l2)+τzx(l2j3+l3j2)

    τ'zx=σxj1j3+σyk1k3+σzl1l3+τxy(j3k1+j1k3)+τyz(k3l1+k1l3)+τzx(l3j1+l1j3)

    将上述所得的oxyz坐标系下的应力状态(σx、σy、σz、τxy、τyz、
    τzx)代入下式:

    I1=σx+σy+σz

    I2=σxσy+σyσz+σzσx-τxy2-τyz2-τzx2

    I3=σxσyσz+2τxyτyzτzx-σxτyz2-σyτzx2-σzτxy2

    σ3-I1σ2+I2σ-I3=0

    即可得到三个主应力σ1、σ2、σ3。

    将σ=σ1、σ2、σ3分别代入下列方程组,即可求出主应力对应的
    主方向v=(l,m,n)。

    (σx-σ)l+τxym+τzxn=0

    τyxl+(σy-σ)m+τyzn=0

    l2+m2+n2=1

    以上所述是本发明的优选实施方式,应当指出,对于本技术领域
    的普通技术人员来说,在不脱离本发明所述原理的前提下,还可以做
    出若干改进和润饰,这些改进和润饰也应视为本发明的?;し段?。

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    一种 测量 应力 装置 方法
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