[發明專利]圍巖應力與位移集成采集裝置及方法

有效

• 申請號: 201210309656.2
• 申請日: 2012-08-28
• 公開（公告）號: CN102818665A
• 公開（公告）日: 2012-12-12
• 發明（設計）人: 許國安;靖洪文;陳坤福
• 申請（專利權）人: 中國礦業大學
• 主分類號: G01L1/24
• 分類號: G01L1/24;G01B11/02
• 代理公司: 江蘇圣典律師事務所 32237
• 代理人: 程化銘

技術領域

本發明涉及一種采集裝置及方法，尤其是一種適用于地下工程監測的圍巖應力與位移集成采集裝置及方法。

背景技術

為保證地下空間工程的安全穩定性，同時為工程的優化設計提供可靠依據，必須進行工程圍巖應力與位移的現場監測。

目前，現場圍巖應力與位移的監測一般采用鉆孔應力計（振弦式或油壓式）和多點位移計分別監測圍巖應力和位移，存在以下幾方面的不足：

（1）鉆孔工作量大：由于應力監測與位移監測相互獨立，而且一個鉆孔僅能監測一個點的應力，為監測圍巖不同深度的應力和位移需要鉆鑿多個測試孔。

（2）鉆孔間相互干擾：為對照分析圍巖某處的應力與位移演化規律，需要在待測位置近距離地鉆鑿多個應力測孔和位移測孔，鉆孔間存在相互干擾，使得測試結果失真。

（3）鉆孔應力計僅能測單向應力：現有的鉆孔應力計，不管是振弦式還是油壓式，一個應力計僅能粗略地監測某點一個方向的應力，無法測試該點的三維應力。

（4）可靠性差：鉆孔應力計與圍巖接觸不充分，傳力不可靠，導致測試結果不準確；多點位移計的基點一般采用機械式固定，容易出現松脫滑動現象，導致測試結果錯誤；由于無法獲得同一位置的應力和位移，測試數據用于對照分析的可信度較差。

發明內容

技術問題：本發明的目的是針對現有技術中存在的問題，提供一種結構簡單、操作方便、省時省力、測量準確高的圍巖應力與位移集成采集裝置及方法。

技術方案：本發明的圍巖應力與位移集成采集裝置，包括與待測圍巖彈性模量相近的多個球體，多個球體之間設有套管，經套管螺紋連接為一體，各球體的中部分別鉆有與套管相連通的螺紋孔，各球體的內分別粘貼有六個不同方向的光纖布拉格光柵，每個球體與其內部沿六個方向粘貼的光纖布拉格光柵共同組成一個三維應力測試單元，每個球體上均固定有一根穿出套管與顯示器相連的鋼絲，各球體內的光纖布拉格光柵上均連接有一根穿出套管與光柵解調儀相連接的光纜。

所述的多個球體為2~10個；所述套管的長度根據測試基點的間距確定。

利用上述裝置實現圍巖應力與位移集成采集的方法：?

a、根據圍巖測試深度及測點數量制作相應數量的三維應力測試單元和套管；

b、首先將球體與鋼絲連接，然后將光纜和鋼絲穿過套管并將套管與球體螺紋連接為一體，使各個球體中對應光柵的布設方向一致；

c、將組裝好的三維應力測試單元和套管放入測試的圍巖鉆孔內，灌漿固定，把外露鋼絲和光纜分別與位移顯示器和光柵解調儀連接；

d、記錄應力測試單元中x、y、z方向光柵的指向、位移顯示器和光柵解調儀的初始讀數，將光柵解調儀的初始讀數代入公式（1）、（2）、（3）并輔以公式（4）求得測點的初始應力大小和方向；

e、以后每次進行數據采集時，將測得的位移計讀數減去其初始讀數即可獲得該測點的位移值；將光柵解調儀的讀數代入公式（1）、（2）、（3）并輔以公式（4）即可求得測點在該時刻的應力大小和方向；

所述的公式（1）、（2）、（3）、（4）分別如下：

??????????????（1）

式中，、、——測點處沿x、y、z方向的正應力；

、、——測點處的剪應力；

、、——測點處沿x、y、z方向的正應變；

、、——測點處的剪應變；

q、G——拉梅常數。

其中，剪應變、、可通過下式求解獲得：

?????????????????（2）

式中的六個應變、、及、、由球體（1）內粘貼的六個光纖光柵測得；

拉梅常數q、G與彈性模量E和泊松比μ的關系為：

○2空間某點的主應力與該點的六個應力分量之間滿足下式：

????????????????（3）

式中，、、分別為主應力?、、的方向余弦，它們之間滿足：

???????????????????????（4）

有益效果：本發明可實現在一個鉆孔中同時對圍巖不同深度的三維應力與徑向位移進行測量，其優點如下：

（1）可測量三維應力：通過測量某點六個方向的應變可計算出該點的三維應力；