本發(fā)明涉及涉及巖土試驗(yàn)領(lǐng)域，具體是一種基于分布式雙面受壓液壓枕監(jiān)測(cè)的地應(yīng)力測(cè)試設(shè)備及實(shí)現(xiàn)方法。

背景技術(shù)：

1、地應(yīng)力是地下工程圍巖變形和破壞的控制因素之一，高至極高地應(yīng)力條件下硬脆巖體易產(chǎn)生巖爆、軟弱巖體易產(chǎn)生軟巖大變形破環(huán)。隨著我國(guó)長(zhǎng)距離調(diào)水工程、交通工程和深部礦山工程的推進(jìn)，軟弱巖體圍巖大變形、tbm掘進(jìn)卡機(jī)事故頻繁出現(xiàn)。斷裂帶等典型軟弱巖體地應(yīng)力資料獲取成為亟需解決的工程問(wèn)題。

2、目前，針對(duì)軟弱巖體地應(yīng)力測(cè)量的方法有三向壓力盒、液壓鉆孔應(yīng)力計(jì)和組合單向液壓枕。其中組合單向液壓枕采用的是直接測(cè)量軟弱巖體的單向壓應(yīng)力，組合計(jì)算二維應(yīng)力，實(shí)際應(yīng)用顯示，組合單向液壓枕的平面組合在一起，容易影響灌漿回填效果，進(jìn)而影響巖體與液壓枕的應(yīng)力耦合和試驗(yàn)效果。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、針對(duì)現(xiàn)有組合單向液壓枕在軟弱巖體地應(yīng)力測(cè)量的不足，本發(fā)明提供一種基于分布式雙面受壓液壓枕的地應(yīng)力監(jiān)測(cè)設(shè)備及實(shí)現(xiàn)方法，實(shí)現(xiàn)了液壓枕雙面受壓、信號(hào)轉(zhuǎn)換、提升了測(cè)試靈敏度、可在鉆孔內(nèi)布置多個(gè)雙面受壓液壓枕，實(shí)現(xiàn)了組合測(cè)試巖體應(yīng)力場(chǎng)的功能，本發(fā)明可解決單向液壓枕組合一起影響灌漿質(zhì)量，進(jìn)而導(dǎo)致測(cè)試結(jié)果代表性不足的問(wèn)題。

2、為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：

3、一種基于分布式雙面受壓液壓枕監(jiān)測(cè)的地應(yīng)力測(cè)試設(shè)備，包括：

4、雙面受壓液壓枕，埋設(shè)于隧洞的側(cè)壁或掌子面的鉆孔，每個(gè)鉆孔至少埋設(shè)三個(gè)不同安裝角度的雙面受壓液壓枕；所述雙面受壓液壓枕包括主體、承壓板、承壓液體、壓力轉(zhuǎn)換裝置連接口、單向閥及密封螺母連接螺絲，主體是方形框架結(jié)構(gòu)，承壓板覆蓋在主體的兩側(cè)，承壓液體位于主體內(nèi)部；

5、安裝桿，與主體的兩端可拆卸連接；

6、單向閥及密封螺母，與單向閥及密封螺母連接螺絲連接，用于向雙面受壓液壓枕的主體內(nèi)注入承壓液體；

7、雙面受壓液壓枕采用灌漿方式埋設(shè)于鉆孔中，由水泥結(jié)石填充鉆孔和雙面受壓液壓枕之間的空間，用于耦合巖體和雙面受壓液壓枕的應(yīng)力場(chǎng)；

8、壓力轉(zhuǎn)換裝置，安裝于所述壓力轉(zhuǎn)換裝置連接口，用于感知承壓液體的壓力；

9、電纜線，與壓力轉(zhuǎn)換裝置通信連接，用于將感知的壓力數(shù)據(jù)傳送至孔口的數(shù)據(jù)采集儀器；

10、數(shù)據(jù)處理裝置，用于根據(jù)數(shù)據(jù)采集儀器傳送的壓力數(shù)據(jù)繪制雙面受壓液壓枕壓力隨時(shí)間變化曲線，確定液壓枕穩(wěn)定應(yīng)力pj，再根據(jù)壓力標(biāo)定試驗(yàn)所得擬合系數(shù)aj和bj的值，由穩(wěn)定階段的液壓枕穩(wěn)定應(yīng)力pj反算雙面受壓液壓枕所反映巖體的單向壓應(yīng)力σnj；組合計(jì)算雙面受壓液壓枕的測(cè)量結(jié)果，根據(jù)試驗(yàn)布置計(jì)算不同維度的地應(yīng)力。

11、進(jìn)一步的，所述主體為金屬材料，所述承壓板為紙鋼板。

12、進(jìn)一步的，所述雙面受壓液壓枕還包括固定于主體側(cè)面的電纜線管和灌漿通道，所述灌漿通道與灌漿管相連直至孔口外，通過(guò)灌漿管、灌漿通道向雙面受壓液壓枕與鉆孔之間的空間灌漿形成水泥結(jié)石，電纜經(jīng)過(guò)其它雙面受壓液壓枕時(shí)放置在電纜線管中通過(guò)。

13、進(jìn)一步的，所述雙面受壓液壓枕還包括設(shè)于主體兩端的下連接螺紋、上連接螺紋，所述安裝桿的兩端與的連接螺紋的規(guī)格與雙面受壓液壓枕的上連接螺紋和下連接螺紋一致。

14、進(jìn)一步的，所述承壓液體為液壓油、水或者是液壓油和水的混合液體。

15、進(jìn)一步的，所述數(shù)據(jù)處理裝置具體用于：

16、根據(jù)(1)式計(jì)算單個(gè)雙面受壓液壓枕組合獲取的單向壓應(yīng)力σnj；

17、鉆孔橫截面的平面應(yīng)力測(cè)量結(jié)果為(2)式，

18、σnj＝aj·pj+bj(1)

19、

20、式中，σn1、σn2、和σn3為一個(gè)鉆孔內(nèi)3個(gè)雙面受壓液壓枕法向的單向壓應(yīng)力，σ1為鉆孔橫截面的大主應(yīng)力，σ2為鉆孔橫截面的小主應(yīng)力，角度ɑ為最大主應(yīng)力方向角，為以軸xi起始逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)到最大主應(yīng)力方向的角度，σnj為序號(hào)為j的雙面受壓液壓枕的單向壓應(yīng)力；

21、三維應(yīng)力計(jì)算時(shí)建立大地坐標(biāo)系o-xyz和鉆孔坐標(biāo)系oi-xiyizi，單個(gè)雙面受壓液壓枕的觀測(cè)值方程見(jiàn)式(3)：

22、σnj＝ak1σx+ak2σy+ak3σz+ak4τxy+ak5τyz+ak6τzx(3)

23、式中，σx、σy、σz、τxy、τyz和τzx為在坐標(biāo)系o-xyz的空間應(yīng)力分量；ak1～ak6為應(yīng)力系數(shù)，取值如式(4)所示，其中αj為第j個(gè)雙面受壓液壓枕的傾角，β0為坐標(biāo)系o-xyz的x軸方位，βi為設(shè)備埋設(shè)鉆孔的軸向方位；

24、

25、式中，αj為雙面受壓液壓枕的安裝角度，βi為雙面受壓液壓枕平面的走向；設(shè)共有a個(gè)雙面受壓液壓枕，求解應(yīng)力分量最佳值σx，σy，…τzx的正規(guī)方程組如式(5)所示：

26、

27、式中，σ*為觀測(cè)值，為式(3)的左邊項(xiàng)。

28、一種基于分布式雙面受壓液壓枕監(jiān)測(cè)的地應(yīng)力測(cè)試方法，其特征在于，采用上述設(shè)備進(jìn)行，所述方法包括如下步驟：

29、步驟一、確定基于分布式雙面受壓液壓枕的試驗(yàn)方案：確定鉆孔數(shù)量及鉆孔布置方案、雙面受壓液壓枕布置方案和數(shù)量，通過(guò)液壓枕組合和鉆孔布置達(dá)到試驗(yàn)測(cè)試要求，實(shí)現(xiàn)1維至3維地應(yīng)力信息的測(cè)量；

30、步驟二、雙面受壓液壓枕準(zhǔn)備和標(biāo)定試驗(yàn)，包括如下步驟：

31、(1)雙面受壓液壓枕的氣密性試驗(yàn)：雙面受壓液壓枕加工完成后，將單向閥及密封螺母通過(guò)單向閥及密封螺母連接螺絲連接在雙面受壓液壓枕主體上，另一端連接油泵，通過(guò)單向閥向雙面受壓液壓枕內(nèi)注入承壓液體，注入過(guò)程中須通過(guò)壓力轉(zhuǎn)換裝置連接口排氣完全，之后連接壓力轉(zhuǎn)換裝置，對(duì)雙面受壓液壓枕加預(yù)壓并長(zhǎng)時(shí)間壓力保持，檢驗(yàn)液壓枕氣密性；

32、(2)壓力標(biāo)定試驗(yàn)：在壓力機(jī)或模擬現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)條件下的巖體受力狀態(tài)，對(duì)雙面受壓液壓枕進(jìn)行標(biāo)定試驗(yàn)，獲得特定預(yù)加載壓力下試驗(yàn)加載和輸出壓力關(guān)系，得到試驗(yàn)加載和輸出壓力關(guān)系式中的擬合系數(shù)aj和bj；

33、步驟三、液壓枕埋設(shè)及數(shù)據(jù)觀測(cè)，包括如下步驟：

34、(1)鉆孔準(zhǔn)備：根據(jù)鉆孔布置方案進(jìn)行鉆孔施工，保證孔徑適合，鉆孔按預(yù)定方案進(jìn)行鉆孔；

35、(2)裝置安裝：將多個(gè)已標(biāo)定好且進(jìn)行編號(hào)的雙面受壓液壓枕安裝在鉆孔內(nèi)，記錄好雙面受壓液壓枕的安裝深度和角度數(shù)據(jù)；

36、(3)灌漿回填：對(duì)鉆孔進(jìn)行灌漿回填，使觀測(cè)裝置與巖體凝結(jié)一體，漿材物理參數(shù)應(yīng)與巖體參數(shù)盡可能一致；

37、(4)應(yīng)力觀測(cè)：對(duì)各雙面壓力枕的壓力變化進(jìn)行持續(xù)觀測(cè)，記錄壓力隨時(shí)間變化數(shù)據(jù)；

38、步驟四、應(yīng)力計(jì)算，包括如下步驟：

39、(1)繪制雙面受壓液壓枕壓力隨時(shí)間變化曲線，確定液壓枕穩(wěn)定應(yīng)力pj，再根據(jù)壓力標(biāo)定試驗(yàn)所得擬合系數(shù)aj和bj的值，由穩(wěn)定階段的液壓枕穩(wěn)定應(yīng)力pj反算雙面受壓液壓枕所反映巖體的單向壓應(yīng)力σnj；

40、(2)組合計(jì)算雙面受壓液壓枕的測(cè)量結(jié)果，根據(jù)試驗(yàn)布置計(jì)算不同維度的地應(yīng)力。

41、進(jìn)一步的，步驟四具體包括：

42、單個(gè)雙面受壓液壓枕組合獲取的單向壓應(yīng)力σnj為(1)式，鉆孔橫截面的平面應(yīng)力測(cè)量結(jié)果為(2)式，

43、σnj＝aj·pj+bj(1)

44、

45、式中，σn1、σn2、和σn3為一個(gè)鉆孔內(nèi)3個(gè)雙面受壓液壓枕法向的單向壓應(yīng)力，σ1為鉆孔橫截面的大主應(yīng)力，σ2為鉆孔橫截面的小主應(yīng)力，角度ɑ為最大主應(yīng)力方向角，為以軸xi起始逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)到最大主應(yīng)力方向的角度，σnj為序號(hào)為j的雙面受壓液壓枕的單向壓應(yīng)力；

46、三維應(yīng)力計(jì)算時(shí)建立大地坐標(biāo)系o-xyz和鉆孔坐標(biāo)系oi-xiyizi，單個(gè)雙面受壓液壓枕的觀測(cè)值方程見(jiàn)式(3)：

47、σnj＝ak1σx+ak2σy+ak3σz+ak4τxy+ak5τyz+ak6τzx(3)

48、式中，σx、σy、σz、τxy、τyz和τzx為在坐標(biāo)系o-xyz的空間應(yīng)力分量；ak1～ak6為應(yīng)力系數(shù)，取值如式(4)所示，其中αj為第j個(gè)雙面受壓液壓枕的傾角，β0為坐標(biāo)系o-xyz的x軸方位，βi為設(shè)備埋設(shè)鉆孔的軸向方位；

49、

50、式中，αj為雙面受壓液壓枕的安裝角度，βi為雙面受壓液壓枕平面的走向；設(shè)共有a個(gè)雙面受壓液壓枕，求解應(yīng)力分量最佳值σx，σy，…τzx的正規(guī)方程組如式(5)所示：

51、

52、式中，σ*為觀測(cè)值，為式(3)的左邊項(xiàng)。

53、本發(fā)明具有如下有益效果：

54、①將單個(gè)液壓枕的線纜和灌漿通道進(jìn)行合理布置，實(shí)現(xiàn)液壓枕雙面受壓且可以沿著鉆孔軸線展布，雙面受壓液壓枕與組合單向液壓枕測(cè)力原理一致，能夠雙面受壓，同等液壓枕尺寸、同等受壓下條件下較單向液壓枕有更大的受力面積，可充分與巖體進(jìn)行耦合，可產(chǎn)生更靈敏的壓力反饋，是針對(duì)單向組合液壓枕結(jié)構(gòu)的全新設(shè)計(jì)；

55、②多個(gè)雙面受壓液壓枕沿鉆孔軸向展布，液壓枕分散，灌漿時(shí)雙面沐浴在漿材中，結(jié)石后可雙面承受壓力，而組合單向液壓枕結(jié)構(gòu)密集緊湊，液壓枕間容易漿液分布不均，雙面受壓液壓枕比單向液壓枕灌漿效果好，反映巖體應(yīng)力靈敏，監(jiān)測(cè)效果好；

56、③壓力轉(zhuǎn)換裝置和單向閥解決了液壓預(yù)加載、液體的全密閉和液壓的測(cè)量，采用壓力轉(zhuǎn)換裝置就地將試驗(yàn)壓力轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，減小了長(zhǎng)油管導(dǎo)致的壓力損失導(dǎo)致的測(cè)量誤差。

57、④分布式雙面受壓液壓枕布置靈活，可獲得1維至3維地應(yīng)力數(shù)據(jù)，本發(fā)明專門(mén)提供了分布式液壓枕進(jìn)行三維應(yīng)力測(cè)量的計(jì)算方法，可全面滿足勘測(cè)設(shè)計(jì)對(duì)地應(yīng)力資料的需求；

58、⑤本發(fā)明針對(duì)組合單向液壓枕測(cè)量技術(shù)容易導(dǎo)致灌漿不飽滿的缺點(diǎn)，通過(guò)技術(shù)革新有效提升巖體應(yīng)力場(chǎng)與液壓枕的應(yīng)力耦合效果、使液壓枕產(chǎn)生更靈敏的壓力反映和減小測(cè)量誤差。軟弱巖體尚無(wú)可靠的地應(yīng)力探測(cè)技術(shù)，本技術(shù)可有效提升其探測(cè)效果。