一种测量软岩地应力的装置和方法
【技术领域】
[0001]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】
[0002] 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。
[0003] 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】
[0004] 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。
[0005] 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。
[0006] 该装置具体测量方法如下：
[0007] 在竖直面Μ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Μ内，两 孔夹角30°~90°;在斜面Ν内，施作水平孔(或小角度钻孔)和斜向孔，两个孔在同一斜面Ν 内，两孔夹角30°~90°，面Μ与面Ν斜交且交线不为竖直线或水平线；
[0008] 放入测量装置，并向钻孔内注浆；
[0009] 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σ ζ和水平应力σχ，斜向孔测得应力σθ;
[0010]另一水平应力oy由应力οθ和竖直应力(^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。
[0011 ]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 〇x，另一组传感器测竖直应力σζ。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σ θ，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。
[0012]该方法的基本原理为：
[0013]分别以水平钻孔轴向为y方向，钻孔所在面(μ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 力〇 2和水平应力σχ。另一个水平方向应力oy，需由角度为Θ的斜向孔测量得出的应力σ θ，经岩 石力学公式：
[0015] 求出 oyo
[0016] 在竖直面Μ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〇 x、〇y、σζ和σ ' X、σ ' y、σ ' z，并设j 1、j2、j3分别为X '、y '、z '与X轴之间的 方向余弦，kl、k2、k3分别为x'、y'、z'与y轴之间的方向余弦，11、12、13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(〇\、〇7、〇2、117、172、121)和(《'7'2'坐标系下的地应力状态(〇\、〇\、0' 2、1：\7、 1：'5^、1：'21)。其中，117、15^、121为(《5^坐标系下的剪切应力分量，1：、7、1：'5^、1：'21为(《'7' z'坐标系下的剪切应力分量。
[0017] 〇 ,x=oxji2+〇yki2+〇zli 2+2TXyjiki+2Tyzkili+2Tzxli ji
[0018] 〇,y = oxj22+〇yk22+〇zl22+2T xyj2k2+2Tyzk2l2+2Tzxl2j2
[0019] o,z = oxj32+oyk32+〇zl3 2+2Txyj3k3+2Tyzk3l3+2Tzxl 3j3
[0020] τ，xy = 〇xji j2+〇yklk2+〇zlll2+TXy( jlk2+j2kl)+Tyz(kll2+k2ll)+Tzx(ll J-2+l2 jl)
[0021 ] T yz - 〇xJ.2 J'3+〇yk2k3+〇zl2l3+Txy ( J'2k3+J'3k2 ) +Tyz (k2l3+k3l2 ) +Tzx( 12 J'3+13 J_2 )
[0022] T zx - 〇x jl j3+〇yklk3+〇zll 13 + Txy ( J'3kl+jlk3 ) +Tyz (k311+klI3 ) +Tzx( I3 jl+ll J_3 )
[0023] 将上述所得的oxyz坐标系下的应力状态(〇x、〇y、 〇z、Txy、Tyz、TzxM$ATS:
[0024] Ιι = σχ+σγ+σζ
[0025] 工2 - CJX(Jy+(Jy(JZ + (JZ(JX_TXy _TyZ_ΤΖχ
[0026] 工3 - 〇X〇y〇Z + 2TXyTyZTZX-〇XTy Z-OyTZX-〇ZTXy
[0027] σ3-Ιισ2+Ι2σ-Ι3 = 〇
[0028] 即可得到三个主应力
[0029] 将〇 = 〇1、〇2、〇3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)。
[0030] (σχ-σ) 1+Txym+Tzxn = 0
[0031] τγχ1+(σγ-σ )m+xyzn = 0
[0032] l2+m2+n2 = l
[0033] 本发明的上述技术方案的有益效果如下：
[0034] 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】
[0035] 图1为本发明的测量软岩地应力的装置结构示意图；
[0036] 图2为图1的A-Y剖面图；
[0037] 图3为图1的B-B'剖面图；
[0038] 图4为图1的C-C剖面图；
[0039]图5为钻孔布置三维图；
[0040]图6为地应力测量方法坐标系示意图；
[0041 ]图7为主应力方向示意图；
[0042]图8为方法实施流程图。
[0043] 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】
[0044] 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。
[0045] 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。
[0046] 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。
[0047]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