专利名称：存储式孔壁应变法地应力测试方法及测试装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种现场测试岩体三维应力的方法及测试装置，尤其是现场岩体孔壁应变法地应力的测试试验，属于岩体力学试验领域。
背景技术：
在水利水电、矿山、交通等领域需修建的深部地下工程日趋增多。随着深度的增加，地应力增大、地质条件恶化、破碎岩体增多、水头压力和涌水量加大、地温升高等因素显现，为研究深部工程岩体的力学特性，尤其是高应力条件下工程岩体的应力参数，较为直接的、经济的途径是进行现场岩体三维应力的测试，通过试验获得复杂地质条件下岩体应力参数，以便在保证工程长期稳定性及长期运营安全。目前传统的“孔壁应变法法”岩体三维应力试验以测试深度区分，可分为浅孔解除法和深孔解除法。浅孔解除法采用人工安装方式，试验过程中应变片与地面读数仪通过数据电缆始终相连，该方法可得到解除全过程数据。鉴于人力极限，该方法一般测量孔深不超过20m，因此只能得到平硐附近或岩层浅表层的测试资料。该方法可以得到完整试验过程数据；但只能得到平硐附近或岩层浅表层的测试资料，而且测试过程电缆线需通过钻杆中心孔穿出，试验过程繁琐。深孔解除法测试采用专用的安装器将应变计安装到试验孔中，等胶水凝结固化后，读取初始读数后切断应变计和电缆线联接，并提升安装器。套芯解除后将应变计和安装器重新焊接并读取解除后数据。该方法测量记录已达500m以上，但无法得到解除过程数据。其中安装器提升需采用多芯承重电缆，接入线路长，试验环节装备多，使得测量结果误差较大。该方法是扩大了解除法测量孔深范围；但仅能得到解除前后测量数据，而且多芯承重电缆较为笨重并使得测量误差较大。鉴于现场岩体三维应力试验存在的问题，深孔测试易受试验环境设备因素影响， 直接影响测试技术的可靠性、稳定性和准确度。针对测试岩体深度的条件要求，改进井下存储式孔壁应变法地应力测试方法，完成测试数据的采集、存储于一体，以满足得到测试全过程数据，而多芯承重电缆较为笨重，线路较长，试验环节装备多，使得测量结果误差较大，在控制测试准确精度方面尚存欠缺，都是目前岩体三维应力试验所需要解决的问题。
发明内容
本发明的目的是为了克服现有技术的缺陷，提供一种现场岩体深孔存储式孔壁应变法地应力测试方法与测试装置，数据采集和存储在井下集中实现，解除过程可自动采集和存储，得到测试全过程数据。本发明解决其技术问题采用以下技术方案一种存储式孔壁应变法地应力测试方法，主要包括应变计安装、井下数据采集控制、井上数据处理步骤，具体方法如下I)应变计安装将仪器舱放入安装器中，仪器舱与应变计线路焊接密封，将安装器触针拉出，应变计活塞与安装器中心杆相接触，应变计中注胶，将安装器放入试验钻孔中，安装器和仪器舱解锁，安装器上部惯性带动中心推杆继续向下，将胶水挤出并填充在应变计和孔壁间隙，脱水凝结后，应变计安装完成，安装器脱开与仪器舱的联接并回收地面；2)井下数据采集控制试验钻孔中，封装在仪器舱中的数据采集控制系统进行试验温度传感信号、应变计方位信号和应变数据采集及存储，接受并执行井上数据处理系统指令；3)井上数据处理安装有数据处理软件的计算机，与仪器仓联接并进行通讯，控制井下装置的参数设置和读取数据并输出。所述封装在仪器舱中数据采集控制系统由单片机控制温度传感信号、方位信号及应变传感信号的数据采集，进行应变信号放大滤波处理并存储，并与井上数据处理系统进行通讯及命令处理。所述封装在仪器舱中数据采集控制系统的应变传感器接入应变测量全桥电路，且自动切换测量各应变片，并接入工作桥路，采集存储电路在设定间隔时间内读取切换后电路信号，数模转换后存入存储器中。所述井上数据处理系统的计算机安装配套编程软件进行通讯指令、采集设置、校准测试和数据读取。一种存储式孔壁应变法地应力测试装置，主要包括应变计安装系统、井下数据采集控制系统、井上数据处理系统；其中，应变计安装系统由仪器舱放入安装器中，仪器舱与应变计线路焊接密封，安装器中心杆伸入仪器舱并与应变计活塞相接触，应变计中注胶，挤出胶水填充在应变计和孔壁间隙，安装器中心杆上套有解锁器与伸缩件，安装器下部有触针；而且，井下数据采集控制系统为温度传感器、方位传感器接入单片机，单片机接存储处理器，且应变传感器与信号采集放大处理电路联接，并接入单片机，封装在仪器舱中。而且，井上数据处理系统为安装有数据处理软件的计算机与仪器舱内单片机联接。而且，所述井下数据采集控制系统的应变传感器为应变片组成测量全桥电路，基准电桥的应变片贴在仪器舱的采集电路板上。所述井下数据采集控制系统的方位信号和应变信号用AD转换器。所述井下数据采集控制系统接可充电供电电源。本发明与现有技术相比还具有以下的主要优点I、由于本发明存储式孔壁应变法地应力测试方法，分别由应变计安装系统、井下数据采集控制系统、井上数据处理系统分三个步骤完成进行测试，数据采集和存储缩小到井下集中实现，得到测试全过程数据，避免现有“孔壁应变法”中浅孔解除法和深孔解除法存在问题，现场岩体深孔试验，解决了解除过程可自动采集和存储，集数据采集和存储于一体，增加了测试技术的可靠性和准确度。2、由于本发明应变计安装系统采用将应变计固定在深孔井下，且应变计上安装有应变传感器，并在完成应变计的安装、注胶，胶水凝结后脱开安装器与仪器舱的联接并回收地面，使应变计中的数据采集与存储控制系统在井下完成测试试验。3、由于本发明采用应变计安装系统，在井下采集控制系统仪器舱中设置温度传感器、电子罗盘、数据处理控制电路完成试验温度传感信号、方位信号的采集及存储，完成深孔现场温度、方位测试，可以研究地温对地应力和测试过程的影响，可将仪器舱中温度进行采集并存储，而采用电路信号以及电子罗盘信号的高精度AD转换，可保证数据采集后数据有足够的精确度。4、由于本发明在采集控制系统中设置应变传感器为应变片组成测量全桥电路，且应变片贴在仪器舱的采集电路板上，测量各应变片的应变值时，与计算机的通讯及命令处理，可以自动切换相应应变片接入工作桥路，通过数据放大过滤控制电路处理，进行各种测试采集存储电路在设定间隔时间内读取切换后电路信号，数模转换后存入存储器中。5、、由于本发明采用井上数据处理系统，配套编程软件安装在计算机中，通过串口与仪器舱进行通讯指令，井下可进行采集设置、校准测试和数据读取。6、由于本发明采用铝电池组供电，保证了测试仪的稳定性，能保障一次完整测量， 可在最大工作负荷下连续工作超过12小时。7、由于本发明采用仪器舱内安装井下采集控制系统，主控芯片采用单片机，运行速度可保障复杂的数据处理和运算；参数存储采用较大存储空间用来存放参数和试验数据存储芯片，共512K的存储空间用来存放参数和试验数据，保障存储空间足够，以及采集频率存储空间可使用足够时间。
图I本发明应变计安装系统井下安装器示意图。图2本发明存储式孔壁应变法地应力测试方法工作流程3本发明井下数据采集控制系统数据采集存储测量电路原理图。图4本发明井下数据采集控制系统数采集装置工作原理图。图5本发明井上数据处理系统配套软件程序流程图。安装器(I)、钻孔孔壁(2)、试验钻孔(3)、仪器舱(4)、触针(5)、应变计(6)、应变计活塞(6/ )、密封圈(7)、小钻孔(8)、伸缩件(9)、解锁器(10)、中心推杆(11)。
具体实施例方式下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。本发明存储式孔壁应变法地应力测试方法包括应变计安装、井下数据采集控制、 井上数据处理步骤。首先是进行应变计的安装，再就是进行井下数据采集控制系统数据采集存储，以及解除过程的数据采集和存储，最后是井上数据处理数据的读取和其它试验参数进行应力计算。见图I、图2，存储式孔壁应变法地应力测试方法应变计的安装由安装器实现。试验安装前应已选择好试验钻孔深度，钻孔(3)准备完毕。应变计安装系统O由仪器舱(4) 放入安装器⑴中，仪器舱⑷与应变计(6)线路焊接密封，安装器中心杆(11)伸入仪器舱(4)并与应变计活塞)相接触，应变计￠)中注胶，安装器中心杆(11)上套有解锁器(10)与伸缩件(9)，安装器⑴下部有触针(5)。应变计安装前，将仪器舱放入安装器中，仪器舱(4)应提前充电，仪器舱与应变计线路焊接密封，将安装器触针拉出，应变计活塞与安装器中心杆相接触，伸缩件(9)、解锁器
(10)会自动锁定仪器舱，应变计中注胶，以上动作依次完成后将安装器放入试验钻孔(3)中，让安装器自由下落或者匀速下降释放钢丝绳；将安装器放入试验钻孔中，当安装器接近孔底时，应变计在导向头的引导下首先进入试验小钻孔(8)中，接着安装器触针触及试验钻孔(3)孔底，带动伸缩件(9)和解锁器(10)的动作，将安装器和仪器舱解锁；应变计安装到位后，安装器上部惯性带动中心推杆(11)继续向下动作，将胶水挤出并填充在密封圈(7)之间应变计和孔壁的间隙，脱水凝结后，应变计安装动作全部结束安装器继续停在孔底，胶水固结后才可提升，应变计安装完成，安装器脱开与仪器舱的联接并回收地面。见图3、图4，井下数据采集控制，在试验钻孔中，封装在仪器舱中的数据采集控制系统进行试验温度传感信号、应变计方位信号和应变数据采集及存储。井下数据采集控制系统为温度传感器、方位传感器接入单片机，单片机接存储处理器，且应变传感器与信号采集放大处理电路联接，并接入单片机，封装在仪器舱中；数据采集控制系统由单片机控制温度传感信号、方位信号及应变传感信号的数据采集，进行应变信号放大滤波处理并存储，并与井上数据处理系统进行通讯及命令处理；应变传感器为应变片组成测量全桥电路，应变片贴在仪器舱的采集电路板上，自动切换测量各应变片，并接入工作桥路，采集存储电路在设定间隔时间内读取切换后电路信号，数模转换后存入存储器中。井下数据采集控制应变测量桥采用全桥电路，由13片灵敏系数相同的应变片组成一路全桥和九路(可根据应变计中封装的应变片数量进行扩展)变桥进行测量，如图3 所示。其中由R0，Ra，Rb，Re组成O路全桥(四个应变电阻具有相同的材质和灵敏度)，由于这四个应变片都贴在仪器舱的采集电路板上，不会发生变形，其桥路输出全由外部温度、 湿度和压力等环境引起。测量各应变片的应变值时，切换相应应变片(代替R0)接入工作桥路，采集存储电路在设定间隔时间内读取切换后电路信号，数模转换后存入存储器中。井下数据采集控制系统供电电源由8个可充铝电池组成4*2容量铝电池组供电， 铝电池组能保障一次完整测量(可在最大工作负荷下连续工作超过12小时)；测量桥路中，输入桥压的变化会引起测量输出的信号的变化，从而引起测量误差。本系统桥压稳压采用高精度低温票芯片给出稳定的+2. 000V桥路电压，同时通过2个O. 1%的高精度电阻差分出I. 000V电压作AD转换的基准。井下采集控制系统的主控芯片采用单片机，是基于8051内核的高速8位单片机， 在IT工作模式下，运行速度可保障复杂的数据处理和运算；电路信号以及电子罗盘信号的采集AD转换，采用16位高精度AD转换器，可保证数据采集后数据有足够的精确度。见图5，井上数据处理系统井上数据处理系统为安装有数据处理软件的计算机与仪器舱内单片机联接；计算机中可移植或通过串口与仪器仓进行通讯，控制井下装置的参数设置和读取数据。该系统程序设计采用C语言和汇编语言混合编写。计算机控制系统等待上位机信号，检测电池电量，发送电池余量信息；测试连接信号，设置成功并发送应答信号，给上位机；设置采样时间信号，发送设置应答信号给上位机； 发出采集信号、采集数据，判断存储器是否已满，等待上位机信号，上位机是否有新的命令， 进行重新采集数据；采集完成，读取采集数据信号，给上位机发送数据，判断数据是否发送完毕，上位机接受信号完毕，上位机是否有新命令。编程语言完成仪器舱内井下数据采集存储的数据处理。
权利要求
1.一种存储式孔壁应变法地应力测试方法，其特征在于包括应变计安装、井下数据采集控制、井上数据处理步骤，具体方法如下1)应变计安装将仪器舱放入安装器中，仪器舱与应变计线路焊接密封，将安装器触针拉出，应变计活塞与安装器中心杆相接触，应变计中注胶，将安装器放入试验钻孔中，安装器和仪器舱解锁，安装器上部惯性带动中心推杆继续向下，将胶水挤出并填充在应变计和孔壁间隙，脱水凝结后，应变计安装完成，安装器脱开与仪器舱的联接并回收地面；2)井下数据采集控制试验钻孔中，封装在仪器舱中的数据采集控制系统进行温度传感信号、应变计方位信号和应变数据采集及存储，接受并执行井上数据处理系统指令；3)井上数据处理安装有数据处理软件的计算机，与仪器仓联接并进行通讯，控制井下装置的参数设置和读取数据并输出。
2.根据权利要求I所述的一种存储式孔壁应变法地应力测试方法，其特征在于所述封装在仪器舱中数据采集控制系统由单片机控制温度传感信号、方位信号及应变传感信号的数据采集，进行应变信号放大滤波处理并存储，并与井上数据处理系统进行通讯及命令处理。
3.根据权利要求I所述的一种存储式孔壁应变法地应力测试方法，其特征在于所述封装在仪器舱中数据采集控制系统的应变传感器接入应变测量全桥电路，且自动切换测量各应变片，并接入工作桥路，采集存储电路在设定间隔时间内读取切换后电路信号，数模转换后存入存储器中。
4.根据权利要求I所述的一种存储式孔壁应变法地应力测试方法，其特征在于所述井上数据处理系统的计算机安装配套编程软件进行通讯指令、采集设置、校准测试和数据读取。
5.一种存储式孔壁应变法地应力测试装置，其特征在于包括应变计安装系统、井下数据采集控制系统、井上数据处理系统；其中，应变计安装系统由仪器舱(4)放入安装器(I)中，仪器舱(4)与应变计(6)线路焊接密封，安装器中心杆(11)伸入仪器舱(4)并与应变计活塞(6')相接触，应变计(6)中注胶，挤出胶水填充在应变计(6)和孔壁⑵间隙，安装器中心杆(11)上套有解锁器(10) 与伸缩件(9)，安装器(I)下部有触针(5)；井下数据采集控制系统为温度传感器、方位传感器接入单片机，单片机接存储处理器， 且应变传感器与信号采集放大处理电路联接，并接入单片机，封装在仪器舱中。
6.根据权利要求5所述的测试装置，其特征在于井上数据处理系统为安装有数据处理软件的计算机与仪器舱内单片机联接。
7.根据权利要求5所述的测试装置，其特征在于所述井下数据采集控制系统的应变传感器为应变片组成测量全桥电路，基准电桥的应变片贴在仪器舱的采集电路板上。
8.根据权利要求5所述的一种存储式孔壁应变法地应力测试装置，其特征在于所述井下数据采集控制系统的方位信号和应变信号用AD转换器。
9.根据权利要求5所述的一种存储式孔壁应变法地应力测试装置，其特征在于所述井下数据采集控制系统接可充电供电电源。
全文摘要
本发明公开了一种存储式孔壁应变法地应力测试方法及测试装置，数据采集和存储在井下集中实现，解除过程可自动采集和存储，得到测试全过程数据。包括应变计安装、井下数据采集控制、井上数据处理三个步骤，将仪器舱放入安装器中，仪器舱与应变计线路焊接密封，将安装器放入试验钻孔中，安装器和仪器舱解锁，安装器带动中心推杆将胶水挤出并填充在应变计和孔壁间隙，胶水凝结后，应变计安装完成，安装器脱开与仪器舱的联接并回收地面；井下试验钻孔中，封装在仪器舱中的数据采集控制系统进行试验温度传感信号、应变计方位信号和应变数据采集及存储，并与井上数据处理系统联接；井上数据处理计算机控制井下装置的参数设置和读取数据并输出。
文档编号E21B47/026GK102606149SQ201210076760
公开日2012年7月25日 申请日期2012年3月20日 优先权日2012年3月20日
发明者刘元坤, 周春华, 尹健民, 文必用, 李永松, 汪洋, 肖国强, 艾凯, 许静, 邬爱清, 韩晓玉 申请人:长江水利委员会长江科学院