一种低成本的地应力测试方法与流程

1.本发明涉及地应力测量技术领域，具体地说，涉及一种低成本的地应力测试方法。


背景技术：

2.地应力是由于地球经过无数次的地壳运动及其他原因而赋存在地壳物质内的岩体应力。随着我国基础设施建设，无论是深部矿井采矿还是在大埋深隧道的建设中，地应力对地下开挖岩体稳定性以及施工过程安全性起至关重要的影响，地应力大小直接影响了工程的设计、施工及后期运营。因此如何准确测量地应力就成为学术界及工程人员的当务之急。
3.目前，最常用的地应力测试方法主要是应力解除法，而应力解除法中常用的方法是空心包体解除法，其测量的步骤大致如下：测量位置选择、开挖硐室来尽量减少扰动、打大孔至原岩应力区来进一步排除扰动、打小孔、安装应变计、取芯和数据采集，其中打孔应注意钻孔的平直度、大小孔径向偏差以及孔壁平滑度。
4.但是目前的空心包体应力解除法测量地应力具有局限性，有以下缺点：
5.(1)在使用空心包体测地应力的过程中，需要开挖硐室以及打孔(大孔套小孔)且对打孔的施工精度要求高，目的是为了减少对测量区域产生扰动；
6.(2)定位空心包体应变计方向的定位器比较笨重，不易操作，如果操作不当会对测量造成很大误差；
7.(3)测量过程所需的工序繁多，测量仪器需要较多，测量周期长，测量成本高。
8.因此，需要一种在不开挖硐室及不打大小孔的前提下，因地制宜，利用简易仪器低成本、短周期测量地应力的方法。


技术实现要素：

9.本发明的内容是提供一种低成本的地应力测试方法，其能够克服现有技术的某种或某些缺陷。
10.根据本发明的一种低成本的地应力测试方法，其包括以下步骤：
11.(1)测量仪器的选择，使仪器在富水情况下能够正常工作；
12.(2)选择测量区域；
13.(3)按应变花布置形式在岩石表面钻孔打入膨胀螺栓，将应变计的底座焊接在膨胀螺栓上；
14.(4)待焊接点冷却后，将三个振弦应变计分别安装到x、y及斜45
°
三个方向的六个底座上，拧紧底座内六角螺栓；
15.(5)测读x方向、y方向及斜45
°
方向振弦应变计的初始频率值f
xc
、f
yc
、 f
45c
并记录；
16.(6)搭设作业台架，利用倒链将水磨钻机吊在作业台架上，上下左右调整水磨钻机的位置，检查是否能顺利到位；
17.(7)在掌子面周边轮廓线上钻芯，水磨钻机钻芯到位后，将芯体取出；
18.(8)重复钻孔取芯的操作，直至掌子面外周形成连续槽道临空面；
19.(9)测读x方向、y方向及斜45
°
方向振弦应变计此时的频率值f
xz
、f
yz
、 f
45z
并记录；
20.(10)利用测读的数据按照下述公式计算得到测量点三个方向的变形值；
[0021][0022][0023][0024]
其中k为振弦应变计的k值；ε
x
为x方向的变形，ε
y
为y方向变形,ε
45
为45
°
方向变形；
[0025]
利用45
°
应变花测得一点的三个线应变后，该点的主应变为：
[0026][0027][0028][0029]
其中ε
max
为最大主应变，ε
min
为最小主应变，α为该点最大主应力的方向；
[0030]
(11)计算出相应的应力σ
c
；
[0031]
(12)建模计算，基于测读计算的应力σ
c
反推得到与原始地应力σ
s
的关系，即σ
s
＝f(σ
c
)，从而得到原始地应力σ
s
。
[0032]
作为优选，步骤(2)中，根据工程现场所需要的测量区域，进行试验方案设计，选择测量点位置。
[0033]
作为优选，步骤(3)中，在掌子面新的一榀未开挖前，按应变花布置形式在测量点位置钻取6个的钻孔，钻孔垂直，孔壁完整，打入的膨胀螺栓，固定拧紧螺栓，确保膨胀螺栓能与岩石同步变形。
[0034]
作为优选，步骤(6)中，水磨钻机开机前应检查机器运转是否正常，钻头是否完整锋利，检查一切正常后再在掌子面周边轮廓线上钻芯，相邻钻孔采取搭接2cm的方式进行钻芯，钻进深度为60cm。
[0035]
作为优选，步骤(7)中，水磨钻机钻芯到位后，退回机器，利用撬棍敲击芯体使其断裂，然后将芯体取出。
[0036]
作为优选，步骤(5)和步骤(9)中，用振弦式系列测读仪进行测读。
[0037]
作为优选，步骤(11)中，根据弹性力学应力—应变公式：σ＝e
·
ε，其中， e为弹性模量，计算应力σ
c
。
[0038]
作为优选，步骤(12)中，利用有限元模拟软件进行建模计算。
[0039]
为了减少空心包体测地应力的过程中需排除对原始应力区的干扰而增加的工序——开挖硐室、打大孔和套小孔，本发明在不开挖硐室及不打大小孔的前提下，因地制宜，测量周期短，测量工序较少且仪器安装容易，测量仪器携带便捷，测量成本低，性价比
高。
附图说明
[0040]
图1为实施例1中一种低成本的地应力测试方法的流程图；
[0041]
图2为实施例1中振弦应变计的结构示意图；
[0042]
图3为实施例1中振弦应变计按应变花布设示意图；
[0043]
图4为实施例1中振弦应变计安装位置关系图。
具体实施方式
[0044]
为进一步了解本发明的内容，结合附图和实施例对本发明作详细描述。应当理解的是，实施例仅仅是对本发明进行解释而并非限定。
[0045]
实施例1
[0046]
如图1所示，本实施例提供了一种低成本的地应力测试方法，其包括以下步骤：
[0047]
(1)测量仪器的选择，使仪器在富水情况下能够正常工作；
[0048]
(2)根据工程现场确定测量点位，进行试验方案设计；
[0049]
(3)在掌子面新的一榀未开挖前，用冲击钻按应变花布置形式在岩石表面钻取6个的钻孔，布设形式如图3，要求钻孔垂直，孔壁完整，打入的膨胀螺栓，固定拧紧螺栓，确保膨胀螺栓能与岩石同步变形；
[0050]
(4)用焊机将含导管的底座焊接在埋设的膨胀螺栓上，导管的作用是确保两底座的距离、角度正确，便于后续安装应变计；
[0051]
(5)待焊接点冷却后，拧松底座内六角螺栓取出导管，将三个振弦应变计分别安装到x、y及斜45
°
三个方向的六个底座上，拧紧底座内六角螺栓；
[0052]
(6)用振弦式系列测读仪分别测读x方向、y方向及斜45
°
方向振弦应变计的初始频率值f
xc
、f
yc
、f
45c
并记录；
[0053]
(7)搭设水磨钻机的作业台架，台架搭设应牢固，强度和稳定性应满足要求，利用倒链将水磨钻机吊在作业台架上，上下左右调整水磨钻机的位置，检查是否能顺利到位；
[0054]
(8)开机前应检查机器运转是否正常，钻头是否完整锋利，检查一切正常后在掌子面周边轮廓线上钻芯，为了保证取芯效率和较小的超挖量，相邻钻孔采取搭接2cm的方式进行钻芯，钻进深度为60cm；
[0055]
(9)水磨钻机钻芯到位后，人工缓慢退回机器，利用撬棍轻轻敲击芯体使其断裂，然后将芯体取出；
[0056]
(10)重复钻孔取芯的操作，直至掌子面周围形成连续槽道临空面；
[0057]
图4是定性描述示意图；钻孔取芯前，中部岩石受到周围岩石传递的压力——自重应力场中的垂直应力σ
y
和水平应力σ
x
，周围岩石钻孔取芯之后，原本中部受到压力的岩石不再受力，进而有一个恢复形变、向外扩张的趋势，也就是图4中描述的外轮廓线。外轮廓线只是一种定性的示意图，实施例测取的就是钻芯前后岩石的变形值，进而计算出应力值；
[0058]
(11)用振弦式系列测读仪分别测读x方向、y方向及斜45
°
方向振弦应变计此时的频率值f
xz
、f
yz
、f
45z
并记录；
[0059]
(12)利用测读的数据按照下述公式计算得到测量点三个方向的变形值；
[0060][0061][0062][0063]
其中k为振弦应变计的k值，有k
拉
和k
压
，可查仪器出厂对应的表得到对应应变计的k值；ε
x
为x方向的变形，ε
y
为y方向变形,ε
45
为45
°
方向变形；
[0064]
利用45
°
应变花测得一点的三个线应变后，该点的主应变为：
[0065][0066][0067][0068]
其中ε
max
为最大主应变，ε
min
为最小主应变，α为该点最大主应力的方向(见图3)；
[0069]
(13)根据弹性力学应力—应变公式：σ＝e
·
ε，其中，e为弹性模量，根据变形值计算出相应的应力σ
c
；
[0070]
(14)根据现场实际情况，利用有限元软件进行建模计算，包括建立实体模型、网格划分、边界条件设置、输入地层参数、模拟开挖、计算求解平衡等过程，考虑此种情况下(边界条件范围、掌子面大小、水磨钻开挖进尺)水磨钻钻芯过程中对测量区域原始岩体应力的干扰，基于现场测取计算的应力σ
c
反算得到与真实地应力σ
s
之间的关系，即σ
s
＝f(σ
c
)，从而得到原始地应力σ
s
。
[0071]
本实施例中，一种低成本的地应力测试方法中所用的仪器包括，监测装置和测读装置，监测装置采用防水型的xj
‑
yx振弦应变计，如图2所示，振弦应变计由安装底座1、内六角螺栓2、不锈钢护管3及信号传输电缆4组成，仪器安装底座位于应变计的两端，内六角螺栓可以固定应变计的位置，不锈钢护管可以保护仪器内部在富水环境下正常工作，信号传输电缆可以将应变计内部频率的变化传输出来且电缆长度可以根据现场实际情况进行接长；测读仪器采用对应的xj
‑
609振弦式系列测读仪，通过数据连接线对应变计频率变化进行监测读取，携带方便功能强大且测量精度高。
[0072]
在测试仪器确定后，在选定的测量区域准备应变计的安装，待掌子面新的一榀未开挖前，选择掌子面中部平坦位置，首先按照图3应变花的布设形式，在测量区域确定钻孔的位置；然后采用冲击钻钻取φ14mm的孔，孔深为6cm(膨胀螺栓的长度)，钻的过程应保证孔洞轴线垂直且孔壁光滑，钻孔完毕后用清水冲洗孔洞直至冲洗的水清澈为止；接下来向在孔洞内安装φ14mm的膨胀螺栓，用锤子敲击膨胀螺栓至孔洞底部，固定膨胀螺栓，确保螺栓安装稳固能精准感知周边围岩的变形；用焊机将套取导管的底座焊接在固定好的膨胀螺栓上；拧松底座上的内六角螺栓，卸下导管，安装应变计；待应变计安装完毕后，用振弦式测读仪测取三个方向应变计的初始频率值f
xc
、f
yc
、f
45c
；搭设水磨钻机的台架，确保强度及稳
定性要求，上下左右调整水磨钻的位置，检查是否能顺利到位；钻芯前检查钻机及钻头是否运转正常，一切正常后，开始钻芯，钻进过程中应保证钻机垂直于岩面钻进，为了保证取芯效率和较小的超挖量，相邻钻孔采取搭接2cm的方式进行钻芯，钻进深度大约为60cm；水磨钻钻芯到位后，人工缓慢退回机器，利用撬棍轻轻敲击芯体使其断裂，然后将芯体取出，重复此操作，直至掌子面周边形成槽道临空面；待掌子面外围形成槽道临空面后，原本中心受压的岩面卸载，会产生一个往外的变形，正好安装的应变计记录了这个变形过程，用振弦式系列测读仪分别测读x方向、y方向及斜45
°
方向应变计此时的频率值f
xz
、f
yz
、f
45z
；利用测取数据按照已有公式计算并得出此种情况下地应力的大小σ
c
；后期利用有限元模拟软件进行建模计算，考虑在此种情况下 (边界条件范围、掌子面大小、水磨钻开挖进尺)水磨钻钻芯过程中对测量区域原始岩体应力的干扰，基于现场测取计算的应力σ
c
反算得到与真实地应力σ
s
之间的关系，即σ
s
＝f(σ
c
)，进而得到原始地应力。
[0073]
本实施例与空心包体测地应力的对比如表1所示：
[0074]
表1本实施例与空心包体测地应力对比表
[0075]
项目空心包体测地应力实施例所需装备多少测量周期长(一周以上)短(两天以内)测量工序多(开挖硐室、打大孔、小孔)少安装方式困难容易测量成本高低
[0076]
本实施例所需的试验装备简单，所述的测量仪器由xj
‑
yx振弦应变计及 xj
‑
609振弦式测读仪两部分组成；而空心包体测地应力需要3组应变花*4个应变片、定位杆、推杆、采集设备，因此，本实施例所需装备轻巧便捷携带方便且安装拆卸相较容易操作，测量成本低，测量精度高。
[0077]
总体说来，本实施例测量周期短，测量工序较少且仪器安装容易，测量仪器携带便捷，测量成本低，性价比高。
[0078]
以上示意性的对本发明及其实施方式进行了描述，该描述没有限制性，附图中所示的也只是本发明的实施方式之一，实际的结构并不局限于此。所以，如果本领域的普通技术人员受其启示，在不脱离本发明创造宗旨的情况下，不经创造性的设计出与该技术方案相似的结构方式及实施例，均应属于本发明的保护范围。