一种适用于深部破碎岩体的三维应变测量装置及方法与流程

[0001]
本发明属于深部破碎岩体的三维应变测试技术领域，具体涉及一种适用于深部破碎岩体的三维应变测量装置，还涉及一种适用于深部破碎岩体的三维应变测量方法。


背景技术：

[0002]
随着我国地下工程快速发展，深部复杂地质环境高已成为制约深部地下工程发展的重要因素，而深部破碎岩体受力与变形精确测量是揭示深部复杂地质环境下破碎岩体力学特性的关键技术。目前，针对深部岩体测量主要以水力压裂和应力解除法为主，这些方法主要适用于完整岩体，在深部破碎岩体适用性较弱，且无法获得三维测试结果，使得测试结果不能真实反应深部岩体三维力学特性。


技术实现要素：

[0003]
本发明的目的在于针对现有技术存在的上述问题，提供了一种适用于深部破碎岩体的三维应变测量装置，还提供一种适用于深部破碎岩体的三维应变测量方法。可实现三维应变测量和实时监测。该装置具有灵敏度高，稳定性好，适应性强等特点，且在使用过程中安装灵活，易拆卸，可伸缩调节。
[0004]
为实现上述目的，本发明通过以下技术方案实现：
[0005]
一种适用于深部破碎岩体的三维应变测量装置，包括光纤传感单元，光纤传感单元包括光纤圆柱体，光纤圆柱体一端端面开设有圆柱形的传感器放置孔，光纤圆柱体另一端设置有连接螺纹，传感器放置孔从外至内依次设置有第一固定块和第二固定块，第一固定块和第二固定块相对的侧面上分别设置有第一圆弧槽和第二圆弧槽，第一圆弧槽和第二圆弧槽之间设置有环形的光纤应变计，光纤应变计两对侧分别与光纤连接，压头伸入到传感器放置孔中与第一固定块相抵。
[0006]
如上所述的压头包括传力柱和外部接触柱，传力柱一端与外部接触柱连接，传力柱另一端伸入到传感器放置孔中与第一固定块相抵。
[0007]
如上所述的传力柱与第一固定块相抵的一端的外周设置有压头卡环，传感器放置孔的内壁上开设有密封环槽、第一环槽和第二环槽，第一固定块外周设置有第一卡环，压头卡环的外侧环面上设置有密封圆环，密封圆环、压头卡环和第一卡环均卡设在第一环槽内，第二固定块外周设置有第二卡环，第二卡环设置在第二环槽内，密封套环内环套设在传力柱上，密封套环外环卡设在密封环槽内。
[0008]
如上所述的第一圆弧槽与环形的光纤应变计之间设置有第一圆弧垫片，第二圆弧槽与环形的光纤应变计之间设置有第二圆弧垫片，所述的第二圆弧槽设置有温度传感器。
[0009]
一种适用于深部破碎岩体的三维应变测量装置，还包括圆柱状的光纤连接件，光纤连接件的外周均匀设置有三个光纤传感单元，各个光纤传感单元的轴线与光纤连接件的轴线呈设定角度。
[0010]
如上所述的光纤连接件的两端均通过连接杆与定位器连接，定位器包括定位连接
块和均匀设置在定位连接块外周的弹性滚轮部。
[0011]
如上所述的弹性滚轮部包括螺纹杆、第一弹簧底盘、弹簧、第二弹簧底盘、第一滚轮定位片、第二滚轮定位片、横杆和滚轮，
[0012]
螺纹杆一端与定位连接块外周的螺纹孔连接，另一端与第一弹簧底盘一侧连接，弹簧两端分别与第一弹簧底盘另一侧和第二弹簧底盘一侧连接，第一滚轮定位片和第二滚轮定位片均设置在第二弹簧底盘另一侧，横杆两端分别与第一滚轮定位片和第二滚轮定位片连接，滚轮套设在横杆上。
[0013]
如上所述的连接杆为多根，连接杆两端设置有螺纹，相邻的连接杆之间通过螺纹套筒连接，连接杆与设置在定位连接块上的定位连接块接口连接。
[0014]
一种适用于深部破碎岩体的三维应变测量方法，包括以下步骤：
[0015]
步骤1、光纤传感单元组装；
[0016]
步骤2、光纤传感单元与光纤连接件安装；
[0017]
步骤3、弹性滚轮部组装；
[0018]
步骤4、弹性滚轮部与定位连接块安装；
[0019]
步骤5、光纤连接件、定位连接块、连接杆进行组装；
[0020]
步骤6、根据现场钻孔直径大小，调节螺纹杆拧入定位连接块外周的螺纹孔的深度，使得定位连接块的中心线与钻孔中心线一致；然后通过滚轮在钻孔内导向定位，确定实际埋设深度，并将光纤应变计的引线固定，再用水泥浆将钻孔回灌封堵，最后测量和记录光纤应变计的应变原始数据；
[0021]
步骤7、任取其中一个光纤传感单元的中心轴线为x1方向；光纤连接件2-1的中心轴线方向为x2方向，以x1-x2所在平面垂线方向为x3方向，建立笛卡尔坐标系x1-x2-x3，对应变原始数据进行坐标变换获得笛卡尔坐标下三维应变数据，计算主应变和主应变大小和方向。
[0022]
本发明相对于现有技术，具有以下有益效果：
[0023]
(1)测量精度高：光纤应变计包括中部圆环，且在中部圆环与压头之间加设圆弧槽(1-3-1、1-3-2)和圆弧垫片(1-4-1、1-4-2)，这使得中部圆环与圆弧槽和圆弧垫片之间形成圆弧铰接连接方式，且中部圆环与圆弧垫片(1-4-1、1-4-2)的接触面呈中心对称结构，不仅能将上部受力更均匀的传递到光纤应变计上，还能避免受力平面内因受力不均匀和剪切受力带来的应变测量误差，此外预设的温度传感器可实时监测光纤应变计内部温度，对温度引起的测量变化精确可控；
[0024]
(2)密封性好：通过密封套环可避免外部流体渗流进入光纤圆柱体，且密封套环和光纤圆柱体梯形密封口均填充黄油，不仅可避免流体渗入且不会对压头受力传递产生影响，在内部通过密封圆环1-8进行二次密封处理；确保光纤应变计的密封性能；
[0025]
(3)伸缩可调：调节螺纹杆3-7拧入定位连接块4-1外周的螺纹孔的深度，可实现不同钻孔大小的适用性，而弹簧和滚轮不仅能实现导向定位，还能避免钻孔内岩屑、碎渣、岩壁破损等导致的卡轮和阻塞，进而无法推进定位问题；
[0026]
(4)适应性广：该本发明的整体直径小于钻孔直径，且通过弹性滚轮部推进至预设位置后注浆封孔完成埋设，即本发明通过注浆体与围岩进行受力传递，无需与钻孔围岩直接接触，避免埋设时的局部应力集中和三维受力不均匀，同时使得其不仅适应于深部破碎
3-4外周设置有第二卡环1-3-6，第二卡环1-3-6设置在第二环槽1-1-7内，密封套环1-9内环套设在传力柱1-2-1上，密封套环1-9外环卡设在密封环槽1-1-5内，密封套环1-9内环涂抹黄油密封填充。
[0041]
第一圆弧槽1-3-1与环形的光纤应变计1-5之间设置有第一圆弧垫片1-4-1，第二圆弧槽1-3-2与环形的光纤应变计1-5之间设置有第二圆弧垫片1-4-2，所述的第二圆弧槽1-3-2设置有温度传感器1-7。
[0042]
光纤圆柱体1-1上部中心开槽预留空腔(传感器放置孔1-1-4)用于固定光纤应变计1-5和压头，在光纤圆柱体1-1内部开槽预留引线通道，引线通道用于光纤应变计1-5的引线和温度传感器1-7的引线埋设，在光纤圆柱体1-1顶部边缘内壁设置有截面为梯形的密封环槽1-1-5，密封套环1-9外形与密封环槽1-1-5适配，密封套环1-9扣设在密封环槽1-1-5上，用于光纤圆柱体1-1密封。
[0043]
第一固定块1-3-3和第二固定块1-3-4均为拱桥形状，密封圆环1-8、压头卡环1-2-3和第一卡环1-3-5均卡设在第一环槽1-1-6内，第二固定块1-3-4外周设置有第二卡环1-3-6，第二卡环1-3-6设置在第二环槽1-1-7内，实现第一固定块1-3-3和第二固定块1-3-4在传感器放置孔1-1-4中的固定，密封圆环1-8、压头卡环1-2-3和第一卡环1-3-5的厚度之和略小于第一环槽1-1-6的高度，以保证为上部受力传递预留足够空间。
[0044]
光纤应变计1-5包括中部圆环、第一圆柱形固定端和第二圆柱形固定端，第一圆柱形固定端和第二圆柱形固定端的轴线共线且经过中部圆环的直径(如图2所示，第一圆柱形固定端和第二圆柱形固定端设置在竖直放置的中部圆环水平两侧)，光纤的测量部沿中部圆环的直径穿过中部圆环，并分别由第一圆柱形固定端和第二圆柱形固定端固定，第一圆弧垫片1-4-1和第二圆弧垫片1-4-2分别与中部圆环的顶部圆弧和底部圆弧相抵，第一圆弧槽1-3-1和第二圆弧槽1-3-2对称分布在中部圆环的顶部和底部，(如图2所示)。光纤的引线通过引线通道引出。中部圆环与圆弧垫片(1-4-1、1-4-2)的接触面呈中心对称结构。
[0045]
密封套环1-9、密封圆环1-8、第一圆弧垫片1-4-1、第二圆弧垫片1-4-2均为柔性材料，可选择橡胶。
[0046]
温度传感器1-7的长度小于中部圆环的半径，与中部圆环不接触，温度传感器引线与光纤引线一样通过光纤圆柱体1-1两侧预留引线通道引出。
[0047]
压头1-2、第一圆弧槽1-3-1、第二圆弧槽1-3-2、光纤应变计1-5、第一圆弧垫片1-4-1、第二圆弧垫片1-4-2、密封套环1-9、密封圆环1-8的中心线均与光纤圆柱体1-1的中心线重合。
[0048]
一种适用于深部破碎岩体的三维应变测量装置，还包括圆柱状的光纤连接件2-1，光纤连接件2-1的外周均匀设置有三个光纤传感单元，各个光纤传感单元的轴线与光纤连接件2-1的轴线呈设定角度。本实施例中，各个光纤传感单元的轴线与光纤连接件2-1的轴线呈60度，呈空间四面积形状。
[0049]
光纤连接件2-1的两端均通过连接杆5-1与定位器连接，定位器包括定位连接块4-1和均匀设置在定位连接块4-1外周的弹性滚轮部。
[0050]
弹性滚轮部包括螺纹杆3-7、第一弹簧底盘3-1、弹簧3-2、第二弹簧底盘3-3、第一滚轮定位片3-4-1、第二滚轮定位片3-4-2、横杆3-5和滚轮3-6，
[0051]
螺纹杆3-7一端与定位连接块4-1外周的螺纹孔连接，另一端与第一弹簧底盘3-1
一侧连接，弹簧3-2两端分别与第一弹簧底盘3-1另一侧和第二弹簧底盘3-3一侧连接，第一滚轮定位片3-4-1和第二滚轮定位片3-4-2均设置在第二弹簧底盘3-3另一侧，横杆3-5两端分别与第一滚轮定位片3-4-1和第二滚轮定位片3-4-2连接，滚轮3-6套设在横杆3-5上。
[0052]
连接杆5-1为多根，连接杆5-1两端设置有螺纹，相邻的连接杆5-1之间通过螺纹套筒5-2连接，连接杆5-1与设置在定位连接块4-1上的定位连接块接口4-2连接。
[0053]
在本实施例中，三个弹性滚轮部均匀分布在定位连接块4-1外周，且在同一平面内，且弹性滚轮部之间夹角为120度。
[0054]
连接杆5-1为多根，连接杆5-1两端设置有螺纹，相邻的连接杆5-1之间通过螺纹套筒5-2连接，可以根据需要增加和减少连接杆5-1，进行加长或减短，光纤连接件2-1、定位连接块4-1和连接杆5-1的中线轴线重合。
[0055]
如图3所示，光纤圆柱体1-1包括光纤圆柱体左部1-1-1和光纤圆柱体右部1-1-2，光纤圆柱体左部1-1-1和光纤圆柱体右部1-1-2通过光纤圆柱体梯形密封口1-1-3连接，光纤圆柱体梯形密封口1-1-3连接包括梯形密封槽和与梯形密封槽件。光纤圆柱体梯形密封口1-1-3处通过密封胶密封固定。
[0056]
一种适用于深部破碎岩体的三维应变测量方法，利用上述一种适用于深部破碎岩体的三维应变测量装置，包括以下步骤：
[0057]
步骤1、光纤传感单元组装：首先用胶水将第一圆弧垫片1-4-1和第二圆弧垫片1-4-2固定于第一圆弧槽1-3-1和第二圆弧槽1-3-2内，然后将第二固定块1-3-4设置在第二固定块1-3-4内；然后，将光纤应变计1-5置于第二圆弧槽1-3-2上，再将已固定好第一圆弧垫片1-4-1的第一固定块1-3-3置于光纤应变计1-5上部，温度传感器1-7固定于第二圆弧槽1-3-2表面，传力柱1-2-1与第一固定块1-3-3相抵，密封圆环1-8、压头卡环1-2-3和第一卡环1-3-5均卡设在第一环槽1-1-6内；再将密封圆环1-8固定于压头卡环1-2-3上表面，密封套环1-9内环套设在传力柱1-2-1上，密封套环1-9外环卡设在密封环槽1-1-5内，密封套环1-9内环涂抹黄油密封填充，光纤应变计1-5和温度传感器1-7的引线通过预留在光纤圆柱体的引线通道引出；最后通过光纤圆柱体梯形密封口1-1-3处通过密封胶密封固定，将光纤圆柱体左部1-1-1和光纤圆柱体右部1-1-2固定在一起；
[0058]
步骤2、光纤传感单元与光纤连接件2-1安装：按照步骤1的方法分别安装三个光纤传感单元，三个光纤传感单元均匀设置在光纤连接件2-1的外周，最后将三个光纤传感单元的引线引出到光纤连接件2-1内，并通过光纤连接件2-1上的穿线孔2-3引出，完成光纤传感单元的安装；
[0059]
步骤3、弹性滚轮部组装：螺纹杆3-7一端与定位连接块4-1外周的螺纹孔连接，另一端与第一弹簧底盘3-1一侧连接，弹簧3-2两端分别与第一弹簧底盘3-1另一侧和第二弹簧底盘3-3一侧连接，安装横杆3-5和滚轮3-6；
[0060]
步骤4、弹性滚轮部与定位连接块4-1安装：调节螺纹杆3-7拧入定位连接块4-1外周的螺纹孔的深度，根据需要对弹性滚轮部的长度进行粗调；
[0061]
步骤5、光纤连接件2-1、定位连接块4-1、连接杆5-1进行组装。
[0062]
步骤6、现场测量：首先根据现场钻孔直径大小，调节螺纹杆3-7拧入定位连接块4-1外周的螺纹孔的深度，使得定位连接块4-1的中心线与钻孔中心线一致；然后通过滚轮在钻孔内导向定位，确定实际埋设深度，并将光纤引线固定，再用水泥浆将钻孔回灌封堵，最
后测量和记录光纤应变计的数据；
[0063]
步骤7、根据实际需要进行三维应变数据测量，并对测量数据进行计算分析；
[0064]
步骤8、原始测量数据计算：
[0065]
由于各个光纤传感单元的轴线与光纤连接件2-1的轴线呈60度，并不与笛卡尔坐标系平行，进行首先需要对三个方向上的应变原始数据进行笛卡尔坐标变换；然后根据坐标变换矩阵h，得到笛卡尔坐标下三维应变数据，最后根据可研究需要计算得出测点的主应变和主应力大小与方向。
[0066]
坐标变换：
[0067]
以三个光纤传感单元的中心轴线为坐标轴，建立局部坐标系，则在局部坐标系下三个方向的应变分量分别为(x1，x2，x3)；由于各个光纤传感单元的轴线与光纤连接件2-1的轴线呈60度，因此，任取其中一个光纤传感单元的中心轴线为x1方向；光纤连接件2-1的中心轴线方向为x2方向，以x1-x2所在平面垂线方向为x3方向，建立笛卡尔坐标系x1-x2-x3，在笛卡尔坐标系(x1-x2-x3)下三个方向上的应变分量为ε(ε
1
,ε
2
,ε
3
)，则其变换公式为ε＝x
·
h，其中h为坐标变换矩阵，表达式如下：
[0068][0069]
本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。