快速测定软岩地层地应力的测量装置及方法与流程

本发明涉及岩土试验领域，具体是一种快速测定软岩地层地应力的测量装置及方法。

背景技术：

地应力信息是地震预测预报和水电、交通、核电、采矿等行业地下工程建筑设计的基础资料，进行原位地应力测试是获取其信息的最准确方法。目前，地应力测试的主要方法有表面应力测量法、套钻孔解除法和水压致裂法，套钻孔解除法又分为孔壁应变法、孔径变形法和孔底应变法，其中孔壁应变法又分为直接贴片式和空心包体式。当前应用最广泛方法为空心包体解除法和水压致裂法。由于软岩具有显著的塑性变形，而上述方法均建立在弹性理论的基础上，因此只适用于硬岩地层的地应力测试。

近年来，随着我国工程向大埋深、地质条件复杂地区的挺进，软岩在高应力下的大变形问题给多个调水工程、交通工程的建设带来了巨大经济损失，正在实施的川藏铁路等大型工程建设也亟需软岩地应力测试技术。截至目前，软岩地应力测试方法仅有“基于流变应力恢复理论的压力盒三维应力测试方法”，但其缺点明显，测试周期远远大于100天。总之，现有软岩地应力测试方法远远不能满足工程需要，而其它测试方法不能应用，软岩测量技术亟需突破。

技术实现要素：

针对现有软岩地应力测试手段的不足，本发明提供了一种快速测定软岩地层地应力的试验装置及方法。

一种快速测定软岩地层地应力的测量装置，包括施压变形子系统和数据测量子系统，所述施压变形子系统用于对钻孔进行全断面、特殊加载方式的内加压使孔径扩展变形，所述数据测量子系统用于采集所述施压变形子系统在孔径扩展变形中的变形数据、方位数据、压力数据，以及利用地应力、施加应力和岩体的变形特性来确定地应力状态，根据所述变形数据进行孔径变形的椭圆化模拟，结合所述压力数据和所述方位数据计算变形椭圆长轴方向和短轴方向的压力与变形关系，并确定钻孔截面的主应力方向和主应力量值，所述钻孔横截面的主应力方向由测量过程中钻孔的变形数据的椭圆化模拟和方位数据获得，变形最小的方向为截面最大主应力方向；主应力量值由特殊加载方式中获取的变形椭圆长轴方向和短轴方向的弹性恢复变形、弹性模量和施加应力确定。

进一步的，所述施压变形子系统包括加压泵、压力管路和伸缩胶囊，所述伸缩胶囊设于工程重点部位造孔形成的测量钻孔中，加压泵通过压力管路与伸缩胶囊连接，当伸缩胶囊内充满介质并贴紧孔壁后，继续通过加压泵泵入压力传导介质时伸缩胶囊径向膨胀，使测量钻孔的孔径变形，关闭加压泵介质回流则伸缩胶囊收缩；

所述数据测量子系统包括压力传感器、压力表、数据采集仪、信号仓、计算机、圆周向布置于伸缩胶囊内的测距元件以及与伸缩胶囊连接的三维电子罗盘，压力传感器用于采集伸缩胶囊的压力数据，测距元件用于检测伸缩胶囊在加压过程中测距元件所处部位的变形数据，三维电子罗盘用于检测伸缩胶囊的x轴的方位数据β，测距元件和三维电子罗盘通过信号仓与数据采集仪连接，数据采集仪的信号输出端与计算机连接，所述信号仓具有数据采集、处理和通讯功能，与数据采集仪的第一信号接收端连接，压力传感器与数据采集仪的第二信号接收端连接，数据采集仪的信号输出端与计算机连接。

进一步的，所述信号仓内封装有三维电子罗盘、信号处理电路和通讯电路，测距元件和三维电子罗盘与信号处理电路连接，信号处理电路与通讯电路连接，通讯电路通过信号线与数据采集仪的第一信号接收端连接；三维电子罗盘用于提供测量基准n与伸缩胶囊的x轴的夹角，即方位数据β；信号处理电路将方位数据和变形数据交由通讯电路经由信号线传输至采集仪。

进一步的，所述钻孔横截面的主应力方向由测量过程中钻孔变形数据的椭圆化模拟和方位数据获得，设孔径变形椭圆化结果的长轴方向与x轴夹角为α，令θ＝α+β，可知截面最大主应力方向垂直于长轴方向，角度为θ±90°。

进一步的，所述特殊加载方式为加压和释压在相同压力区间的方式，分离出弹性变形进行主应力量值计算。

进一步的，所述钻孔横截面的主应力量值由公式(1)进行计算：

式中：σ1为平面最大主应力，σ2为平面最小主应力，uae为c2到c3状态长轴方向的弹性恢复变形，ube为短轴方向的弹性恢复变形，由c2到c3状态的孔径变形的椭圆化模拟数据得到，计算公式见式(2)：

式(2)中u2a和u2b分别为c3状态对i状态在长轴方向和短轴方向的变形；ua和ub分别为从i状态到c2状态在长轴和短轴方向的孔径变形；

μ为岩体泊松比，可估算或由辅助试验获得；r为试验钻孔半径，p为c1状态到c2状态的压力差值，计算公式为(p2-p1)，可设定p1＝(pi+1)mpa，pi为i状态时的伸缩胶囊压力，i状态为胶囊贴紧孔壁的初始状态，p2为设定计算加载过程中施加应力的最大值；e为岩体的弹性模量。

进一步的，岩体的弹性模量e由c2到c3状态的压力变化和弹性变形得到，可由公式(3)计算得到：

式中的a为与测量设备相关的系数；u2a和u2b分别为c3状态相对于i状态在长轴和短轴方向的变形；ua和ub分别为从i状态到c2状态在长轴和短轴方向的变形。

进一步的，所述压力传导介质是气体或者液体。

一种快速测定软岩地层地应力的测量方法，其特征在于采用上述装置进行，所述方法包括如下步骤：

第一步、在工程重点部位造孔形成测量钻孔，孔径与伸缩胶囊直径相匹配；

第二步、造孔完成后，连接施压变形管路和数据测量线路，选择确定孔深放入伸缩胶囊和信号仓，其中伸缩胶囊通过压力管路与加压泵连接，压力管路上设置压力传感器、压力表；所述信号仓内封装有三维电子罗盘、信号处理电路和通讯电路，所述信号仓通过信号线信号线连接，另一端连通数据采集仪连接数据采集仪和计算机，压力传感器用于采集伸缩胶囊的压力数据，测距元件用于检测伸缩胶囊在加压过程中测距元件所处部位的变形数据，三维电子罗盘用于检测伸缩胶囊x轴方向的方位数据β；

第三步、加压泵对压力管路泵入介质，使伸缩胶囊膨胀变形，直至完全贴合测量钻孔的孔壁，此后进行计算采用过程的加载试验，全过程采集、记录所述压力数据、变形数据和方位数据通过数据采集仪传送至计算机存储、处理和显示；

第四步、由试验数据进行结果计算，即所述钻孔横截面的主应力方向由测量过程中钻孔的变形数据和方位数据的椭圆化模拟获得，主应力量值由特殊加载方式中获取的长轴方向和短轴方向的弹性恢复变形、弹性模量和施加应力等确定。

本发明结合水压致裂法和孔径变形法特点，依据岩体地应力、施加应力和岩体的变形特性来测定软岩地应力，测量采用特殊加载方式使得孔径变形，通过对孔径变形进行椭圆化模拟获取最大主应力方向，分离出弹性变形进行地应力量值计算，单次测试即可获得钻孔横截面的二维应力量值和方向，测量过程不需要进行套钻孔解除操作，测量时间较水压致裂法和孔径变形法可节省50％以上，利用三孔及以上交汇孔系可以获得三维应力结果。

附图说明

图1是本发明快速测定软岩地层地应力测量装置的结构示意图；

图2是本发明中伸缩胶囊的结构示意图；

图3是本发明测量加压过程胶囊及孔径截面的变化示意图，图中0状态为胶囊未扩张状态的截面形状，i和e分别为加压贴紧孔壁时和最大加压状态的钻孔截面形状；o-xy为钻孔和伸缩胶囊的坐标系，x轴为三维电子罗盘的测量目标，n为三维电子罗盘的测量基准，垂直孔一般取为正北向，水平钻孔取为水平向；

图4是本发明测量过程各状态关系示意图，图中i和e分别为加压贴紧孔壁状态和极限加压状态的钻孔截面形状，c1、c2和c3分别为测量计算使用过程的初始状态、最大加压状态和恢复到压力p1时的钻孔截面形状；

图5是本发明胶囊压力与长轴和短轴方向孔径变形的关系曲线。

图中：1-1—计算机，1-2—数据采集仪，1-3—压力表，1-4—压力传感器，1-5—加压泵；2-1—压力管路、2-2—信号线；3-1—伸缩胶囊、3-2—测距元件、3-3—信号仓、3-4—骨架，4—测量钻孔。

具体实施方式

下面将结合本发明中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述。

请参阅图1及图2，本发明快速测定软岩地层地应力的测量装置由封闭的水压致裂法管路系统和孔径变形测量系统组成，具体为施压变形子系统和数据测量子系统，其中施压变形子系统包括加压泵1-5、压力管路2-1和伸缩胶囊3-1，所述伸缩胶囊3-1设于工程重点部位造孔形成的测量钻孔4中，测量钻孔4的直径与伸缩胶囊3-1直径相匹配；加压泵1-5通过压力管路2-1与伸缩胶囊3-1连接。当伸缩胶囊3-1内充满介质，液体或气体，继续通过加压泵1-5泵入介质时伸缩胶囊3-1径向膨胀，迫使测量钻孔孔径变形，关闭加压泵1-5介质回流，伸缩胶囊3-1收缩。

所述数据测量子系统包括压力传感器1-4、压力表1-3、数据采集仪1-2、计算机1-1、设于伸缩胶囊3-1内的测距元件3-2以及与伸缩胶囊3-1连接的信号仓3-3，所述信号仓3-3内封装有三维电子罗盘、信号处理电路和通讯电路等。测距元件3-2和三维电子罗盘与信号仓内的信号处理电路连接，信号处理电路与通讯电路连接，通讯电路通过信号线2-2与数据采集仪1-2的第一信号接收端连接；压力传感器1-4、压力表1-3设于压力管路2-1上，压力传感器1-4与数据采集仪1-2的第二信号接收端连接，数据采集仪1-2的信号输出端与计算机1-1连接。

三维电子罗盘可给出伸缩胶囊的空间位置，利用其钻孔截面内的测量基准n可给出伸缩胶囊3-1的x轴的方位数据。测距元件3-2可以采用直线位移计、激光测距仪等多种原理的测量方式，圆周向布置于伸缩胶囊3-1内，数量越多越好，测距元件3-2用于检测伸缩胶囊3-1在加压过程中测距元件3-2所处部位的变形数据，利用全部测距元件3-2的变形数据和周向布置数据对孔径变形进行椭圆化处理，可以获取伸缩胶囊3-1相对于x轴的变形数据，并将其等效于孔径变形数据。压力传感器1-4用于采集伸缩胶囊3-1的压力数据。

所述信号仓3-3具有对伸缩胶囊3-1方位和变形信号等信息进行采集、处理和与地面计算机1-1进行通信等功能。三维电子罗盘提供的伸缩胶囊3-1x轴的方位数据、测距元件3-2采集的变形数据经由信号仓3-3的信号处理电路进行处理，然后经由信号线2-2传输至采集仪1-2，再传送至计算机1-1存储、处理和显示，压力传感器1-4采集的压力数据也传送至计算机1-1。所述计算机1-1用于存储上述测量数据，所述计算机1-1内安装有应用软件根据所述压力数据、变形数据和方位数据进行孔径变形椭圆化模拟、计算椭圆的长轴和短轴方向的压力与变形关系，以及计算主应力方向和主应力量值。

本发明采用主动加压和释压的方式引起钻孔岩体变形，通过测量钻孔变形数据和测试压力，结合岩体的变形特性获得钻孔截面的最大主应力、最小主应力和主应力方向。本发明实施例提供一种快速测定软岩地层地应力的测量方法，包括如下步骤：

第一步、在工程重点部位造孔形成测量钻孔4，孔径与伸缩胶囊直径3-1相匹配；

第二步、造孔完成后，选择确定孔深放入伸缩胶囊3-1和信号仓3-3，将伸缩胶囊3-1通过压力管路2-1与加压泵1-5连接，压力管路2-1上设置压力传感器1-4、压力表1-3；所述信号仓(3-3)内封装有三维电子罗盘、信号处理电路和通讯电路，所述信号仓(3-3)通过信号线(2-2)信号线(2-2)连接，另一端连通数据采集仪(1-2)连接数据采集仪(1-2)和计算机(1-1)，压力传感器(1-4)用于采集伸缩胶囊(3-1)的压力数据，测距元件(3-2)用于检测伸缩胶囊(3-1)在加压过程中测距元件所处部位的变形数据，三维电子罗盘用于检测伸缩胶囊(3-1)的x轴的方位数据；第三步、加压泵1-5对压力管路2-1泵入介质，使伸缩胶囊3-1膨胀变形，直至完全贴合测量钻孔4的孔壁，此后按照特定加压方式进行加载试验，在此过程中，全过程采集、记录压力数据、测距信号和方位数据，上述数据通过数据采集仪1-2传送至计算机1-1存储、处理和显示。可选的，将采集到的钻孔岩心进行单轴加载试验等辅助试验，获取岩石压力加载与变形关系，以及弹性模量e和泊松比μ。

第四步、由试验数据进行结果计算，即所述钻孔横截面的主应力方向由测量过程中钻孔的变形数据的椭圆化模拟和方位数据获得，主应力量值由特殊加载方式中获取的长轴和短轴方向的弹性变形、弹性模量和施加应力等确定。

本发明单次测试可以给出钻孔横截面的二维地应力结果，即钻孔横截面的主应力方向和主应力量值。钻孔横截面的主应力方向由钻孔施压过程中孔径变形的椭圆化模拟获得。根据伸缩胶囊3-1的变形数据，可实时计算并椭圆化模拟钻孔孔径变形，则椭圆形状的长轴方位为最小主应力方向，设孔径变形椭圆化结果的长轴方向与伸缩胶囊3-1x轴方向夹角为α，x轴与三维电子罗盘基准n的夹角为β，令θ＝α+β，则最大主应力方向相对于三维电子罗盘测量基准n的角度为θ±90°。

本发明提供了一种分离出软岩弹性变形的特殊加载方式，为了获取高测量精度结果，加载方式可调整。胶囊加压的变形情况演示如图3所示。0状态为测量装置放入孔内未加压的初始状态，i状态为胶囊贴紧孔壁的初始状态，e状态为设备极限加载状态，为设备承受的极限压力或使用限定压力，i状态和e状态之间为试验区间。本发明提供的加载方式为：胶囊贴紧孔壁后继续加压，设定压力p1为计算压力的起始点，如p1＝(pi+1)mpa，pi为i状态时的伸缩胶囊压力，设此时为c1状态，设定计算加载过程中施加应力的最大值为p2，p2由设备最大加载压力和测量者根据测量情况决定，对伸缩胶囊3-1注入介质加载到压力达到p2，即c2状态时关闭加压泵，缓慢释放介质，直至压力降至p1，设此时状态为c3，各状态的孔径变形椭圆如图4所示，伸缩胶囊在上述过程中在长轴和短轴方向的压力和变形关系如图5所示。

本发明的量值计算与加载方式和取值相关，在上述示例加载方式下，利用测量过程数据可分离出弹性变形数据，则钻孔横截面的主应力量值由公式(1)进行计算，采用图3、图4的坐标系和图5所示的测量数据，

式中：σ1为平面最大主应力，σ2为平面最小主应力，uae为c2到c3状态长轴方向的弹性恢复变形，ube为短轴方向的弹性恢复变形，由c2到c3状态的孔径变形的椭圆化模拟数据得到，计算公式见式(2)；

对应于图5所示p-u曲线，式(2)中u2a和u2b分别为c3状态对i状态在长轴方向和短轴方向的变形；ua和ub分别为从i状态到c2状态在长轴和短轴方向的孔径变形。

μ为岩体泊松比，可估算或由辅助试验获得；

r为试验钻孔半径，可由i状态的测量数据获得或采用钻孔钻具数据；p为c1状态到c2状态的压力差值，计算公式为(p2-p1)，可设定p1＝(pi+1)mpa，pi为i状态时的伸缩胶囊压力，i状态为胶囊贴紧孔壁的初始状态，p2为设定计算加载过程中施加应力的最大值；e为岩体的弹性模量；

e为岩体的弹性模量，可由c2到c3状态的压力和弹性变形得到，一种示例计算方法见(3)式，

(3)式中的a为与测量设备相关的系数；u2a和u2b分别为c3状态相对于i状态在长轴和短轴方向的变形；ua和ub分别为从i状态到c2状态在长轴和短轴方向的变形。

利用上述装置和计算方法可以快速测定软岩地应力，单次测试即可获得钻孔横截面的二维主应力的量值和方向，测量过程不需要进行套钻孔解除操作，测量时间较水压致裂法和孔径变形法节省50％以上，利用三孔及以上交汇孔系可以获得三维应力结果。上述测量步骤、加载方式和计算方法为本发明的应用示例，有多种加载方式和计算方法可选，可进行测量精度校验并进行方法优选。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何属于本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。