本发明涉及钻孔稳定性及钻孔应力应变测量研究技术领域，提出了一种应力方向自动变换的刚性钻孔应力计与操作方法。
背景技术
钻孔的应用范围广泛，在地质、矿业、地铁、隧道以及其他地下空间工程中都有多种用途，比如地应力测量、超前探测、打锚杆锚索等科研或工程活动，都需要进行钻孔作业。地下工程受地应力的影响极大，需要在工程建设时考虑所处地应力的大小与方向，以便选择合适的支护方式方法以及施工方法，此外，地下工程的稳定性与安全性与应力大小、方向有密切关系。所以，地下工程的建设必须对所处地应力有准确的判断，以防因采取了不恰当的支护方式方法和施工方法造成服务年限或工程质量不达标，进而对正常的生产工作产生影响，造成经济损失甚至是人员伤亡。
一般的地应力测试采用钻孔应力计投放入钻孔内的方法，其前方探头内的传感器收到周围孔壁的挤压得到应力的大小。但是软岩内的钻孔在地应力的影响下极易变形，且孔壁破碎，钻孔应力计在其中使用时探头不容易往其中投放，并且在测量结束后探头容易卡在钻孔内，由于钻孔应力计成本高，因而造成额外的经济损失；另一方面，一般的钻孔应力计只能测量到应力的大小，而地应力还有一个很重要的方面就是其方向。判断出起主要作用的地应力的方向，对于地下工程建设具有重要意义。基于此，本发明提出了一种应力方向自动变换的刚性钻孔应力计与操作方法。
技术实现要素：
本发明的目的在于克服现有的钻孔应力计只能测量钻孔内应力大小而无法识别应力来压方向的缺陷，提出一种应力方向自动变换的刚性钻孔应力计与操作方法。
为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：
一种应力方向自动变换的刚性钻孔应力计，包括测量装置、信号采集装置和投送装置。所述测量装置与信号采集装置通过导线连接，通过投送装置将测量装置送至钻孔内指定位置，信号采集装置放置于钻孔之外，采集数据后将其回收。
所述测量装置包括高灵敏度应变传感器、免焊接延长导线、刚性片集合座、弧形刚性片，所述高灵敏度应变传感器为高灵敏度电阻应变片，同时带有免焊接延长导线，所述高灵敏度应变传感器位于所述弧形刚性片内壁，充分接触所述弧形刚性片，且一个弧形刚性片配备两个高灵敏度应变传感器，此两个高灵敏度应变传感器视为一组，达到将所述弧形刚性片的变形进行数字化表现的目的，将力与变形信号转化为电信号传递出去；所述刚性片集合座为侧面和顶面分别带有四个和一个插槽的铁质圆柱体，侧面的插槽用于安装弧形刚性片，安装完成之后将其焊接，保证连接的稳固性，顶面的插槽用于与投送装置连接；所述弧形刚性片共有四个，并将所述弧形刚性片进行编号，分别为1号刚性片、2号刚性片、3号刚性片和4号刚性片，俯视图中1号刚性片与刚性片集合座的顶面插槽平行，弧形刚性片固定于所述刚性片集合座上，且所述四个弧形刚性片彼此之间不存在互相接触，以此来保证其中某一个弧形刚性片的变形不会影响到其余三个弧形刚性片的变形情况。
所述信号采集装置为一个有四个接收通道的信号记录仪，分别为1号接收通道、2号接收通道、3号接收通道和4号接收通道，其自身带有电源，具有自动记录数据和存储的功能，每个通道连接一组高灵敏度应变传感器，所述信号采集装置的通道编号与所述高灵敏度应变传感器所在的弧形刚性片按照编号一一对应进行，通过免焊接延长导线与接收通道接线端连接。
所述投送装置包括伸缩杆、电磁铁和电磁铁开关，所述伸缩杆带有刻度，能将该钻孔应力计投送至钻孔内，测量某一特定位置的应力大小及方向；所述电磁铁与所述电磁铁开关分别位于伸缩杆的两端，电磁铁一端连接钻孔应力计，电磁铁开关一端为手握端；电磁铁的形状为一长方体形状，与所述刚性片集合座顶面的插槽相匹配，该长方体电磁铁能嵌入到刚性片集合座的插槽内，以此保证此处连接的稳固性；将该钻孔应力计投送至指定位置时，操作所述伸缩杆上的电磁铁开关，电磁铁断电，磁性消失，此时撤回伸缩杆。
一种应力方向自动变换的刚性钻孔应力计与操作方法，包括如下步骤：
a、接线
将1号刚性片上两个高灵敏度应变传感器的免焊接延长导线与信号记录仪的1号接收通道连接，以此类推，将另外三组高灵敏度应变传感器与另外三个接收通道依次连接。
b、整理导线
防止导线过于杂乱影响钻孔应力计的投放。
c、投放钻孔应力计
将伸缩杆调整至指定长度，打开电磁铁，伸缩杆带有电磁铁的一端与刚性片集合座有插槽的一端匹配连接，投送入钻孔内，到达指定位置后，关闭电磁铁，抽出伸缩杆。
为判别应力方向，四个弧形刚性片的位置需要固定，在投送钻孔应力计时：
若是水平钻孔或倾斜钻孔，则在投送钻孔应力计时应保持1号刚性片处于竖直位置向钻孔内投放；若是竖直钻孔，则在投送钻孔应力计时应保持1号刚性片处于与地球经线平行的方向。
本发明的有益效果：
1、本发明可开展钻孔内全角度的应力测量，并能够测量各方向应力的来压情况；
2、本发明可实现应力测量数据现场记录并存储，钻孔应力计放入钻孔之后不必专人看管；
3、本发明设计各装置部件易于制作，结构简单，成本低廉，操作方便，回收仪器时可以只回收信号记录仪。
附图说明
图1是本发明的单个弧形刚性片的结构示意图；
图2是本发明的钻孔应力计结构的俯视图；
图3是本发明的伸缩杆的结构示意图；
图4是本发明的信号记录仪的接线面板布置图；
图5是本发明的刚性片集合座示意图；
图中：1—高灵敏度应变传感器；2—弧形刚性片；3—信号记录仪；4—免焊接延长线；5—刚性片集合座；6—电磁铁插槽；7—1号刚性片；8—2号刚性片；9—3号刚性片；10—4号刚性片；11—电磁铁开关；12—伸缩杆；13—电磁铁；14—1号接收通道；15—2号接收通道；16—3号接收通道；17—4号接收通道；18—接线端；19—1号刚性片插槽；20—2号刚性片插槽；21—3号刚性片插槽；22—4号刚性片插槽。
具体实施方式
下面结合附图，进一步详细说明本专利的具体实施方式。
如图1、图2、图3、图4及图5所示，一种应力方向自动变换的刚性钻孔应力计，包括测量装置、信号采集装置和投送装置。
所述测量装置包括高灵敏度应变传感器1、免焊接延长导线4、刚性片集合座5和弧形刚性片2，所述高灵敏度应变传感器1为高灵敏度电阻应变片，贴于所述弧形刚性片2内壁上，两者充分接触，弧形刚性片2的变形能引起高灵敏度应变传感器1变形，从而使钻孔力与变形的信号转化为电信号，一个弧形刚性片匹配有两个高灵敏度应变传感器，该两组高灵敏度应变传感器视为一组；高灵敏度应变传感器1自身带有免焊接延长导线4，使所述免焊接延长导线4另一端能伸出至钻孔外；所述刚性片集合座5为铁质圆柱体，其侧面有四个刚性片插槽(1号刚性片插槽19、2号刚性片插槽20、3号刚性片插槽21、4号刚性片插槽22)，顶面有一个电磁铁插槽6，1号刚性片插槽19径向方向与电磁铁插槽6径向方向平行，四个刚性片插槽空间位置为上下关系，互不相通，且在逆时针方向上上方的插槽径向方向依次比下方插槽偏转45°，以此达到覆盖360°全角度测量的目的，刚性片插槽用于安装弧形刚性片2，安装完成之后将其焊接，保证连接的稳固性，顶面的插槽用于与投送装置连接；所述弧形刚性片2共有四个，分别编号为1号刚性片7、2号刚性片8、3号刚性片9和4号刚性片10，按刚性集合座5侧面插槽的位置布置，四个弧形刚性片之间互不接触，保证其中某一个弧形刚性片的变形不会引起其余三者的变形，防止判别应力方向出现误差。
所述信号采集装置为信号记录仪3，接线面板上共有四个接线通道，分别为1号接收通道14、2号接收通道15、3号接收通道16和4号接收通道17，每个接收通道连接同一组的两个高灵敏度应变传感器1，信号记录仪3的通道编号与高灵敏度应变传感器1所在的弧形刚性片按照编号一一对应进行，通过免焊接延长导线与接收通道接线端18连接，即1号刚性片上7的一组高灵敏度应变传感器1通过免焊接延长导线4连接在1号接收通道14的接线端18上，以此类推，将其余三组高灵敏度应变传感器与对应接收通道的接线端连接。
所述投送装置包括伸缩杆12、电磁铁13和电磁铁开关11，所述伸缩杆12带有刻度，能将该钻孔应力计投送至钻孔内某一指定位置，测量这一指定位置的应力大小及方向；所述电磁铁13与所述电磁铁开关11分别位于伸缩杆12的两端，电磁铁13所在的一端连接钻孔应力计，电磁铁开关11所在的一端为手握端；电磁铁13的形状为一长方体形状，与所述刚性片集合座5顶面的电磁铁插槽6相匹配，该长方体电磁铁13嵌入到刚性片集合座5的电磁铁插槽6内，打开电磁铁开关11，电磁铁产生磁力，吸住铁质的刚性片集合座5，向钻孔内投放钻孔应力计；将该钻孔应力计投送至指定位置后，操作伸缩杆12上的电磁铁开关11，电磁铁13断电，磁性消失，电磁铁13与刚性片集合座5分离，此时撤回伸缩杆12。
一种应力方向自动变换的刚性钻孔应力计与操作方法，包括如下步骤：
a、接线
将1号刚性片上两个高灵敏度应变传感器的免焊接延长导线与信号记录仪的1号接收通道连接，以此类推，将另外三组高灵敏度应变传感器与另外三个接收通道依次连接。
b、整理导线
防止导线过于杂乱影响钻孔应力计的投放。
c、投放钻孔应力计
将伸缩杆调整至指定长度，打开电磁铁，伸缩杆带有电磁铁的一端与刚性片集合座电磁铁插槽的一端匹配连接，投送入钻孔内，到达指定位置后，关闭电磁铁，抽出伸缩杆。
为判别应力方向，四个弧形刚性片的位置需要固定，在投送钻孔应力计时：
若是水平钻孔或倾斜钻孔，则在投送钻孔应力计时应保持1号刚性片处于竖直位置向钻孔内投放；若是竖直钻孔，则在投送钻孔应力计时应保持1号刚性片处于与地球经线平行的方向。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不以本发明为限制，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进，如改变高灵敏度应变传感器数量、调整弧形刚性片的形状等，均应包含在本发明的保护范围之内。