[发明专利]围岩应力与位移集成采集装置及方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种采集装置及方法，尤其是一种适用于地下工程监测的围岩应力与位移集成采集装置及方法。

背景技术

为保证地下空间工程的安全稳定性，同时为工程的优化设计提供可靠依据，必须进行工程围岩应力与位移的现场监测。

目前，现场围岩应力与位移的监测一般采用钻孔应力计（振弦式或油压式）和多点位移计分别监测围岩应力和位移，存在以下几方面的不足：

（1）钻孔工作量大：由于应力监测与位移监测相互独立，而且一个钻孔仅能监测一个点的应力，为监测围岩不同深度的应力和位移需要钻凿多个测试孔。

（2）钻孔间相互干扰：为对照分析围岩某处的应力与位移演化规律，需要在待测位置近距离地钻凿多个应力测孔和位移测孔，钻孔间存在相互干扰，使得测试结果失真。

（3）钻孔应力计仅能测单向应力：现有的钻孔应力计，不管是振弦式还是油压式，一个应力计仅能粗略地监测某点一个方向的应力，无法测试该点的三维应力。

（4）可靠性差：钻孔应力计与围岩接触不充分，传力不可靠，导致测试结果不准确；多点位移计的基点一般采用机械式固定，容易出现松脱滑动现象，导致测试结果错误；由于无法获得同一位置的应力和位移，测试数据用于对照分析的可信度较差。

发明内容

技术问题：本发明的目的是针对现有技术中存在的问题，提供一种结构简单、操作方便、省时省力、测量准确高的围岩应力与位移集成采集装置及方法。

技术方案：本发明的围岩应力与位移集成采集装置，包括与待测围岩弹性模量相近的多个球体，多个球体之间设有套管，经套管螺纹连接为一体，各球体的中部分别钻有与套管相连通的螺纹孔，各球体的内分别粘贴有六个不同方向的光纤布拉格光栅，每个球体与其内部沿六个方向粘贴的光纤布拉格光栅共同组成一个三维应力测试单元，每个球体上均固定有一根穿出套管与显示器相连的钢丝，各球体内的光纤布拉格光栅上均连接有一根穿出套管与光栅解调仪相连接的光缆。

所述的多个球体为2~10个；所述套管的长度根据测试基点的间距确定。

利用上述装置实现围岩应力与位移集成采集的方法： 

a、根据围岩测试深度及测点数量制作相应数量的三维应力测试单元和套管；

b、首先将球体与钢丝连接，然后将光缆和钢丝穿过套管并将套管与球体螺纹连接为一体，使各个球体中对应光栅的布设方向一致；

c、将组装好的三维应力测试单元和套管放入测试的围岩钻孔内，灌浆固定，把外露钢丝和光缆分别与位移显示器和光栅解调仪连接；

d、记录应力测试单元中x、y、z方向光栅的指向、位移显示器和光栅解调仪的初始读数，将光栅解调仪的初始读数代入公式（1）、（2）、（3）并辅以公式（4）求得测点的初始应力大小和方向；

e、以后每次进行数据采集时，将测得的位移计读数减去其初始读数即可获得该测点的位移值；将光栅解调仪的读数代入公式（1）、（2）、（3）并辅以公式（4）即可求得测点在该时刻的应力大小和方向；

所述的公式（1）、（2）、（3）、（4）分别如下：

              （1）

式中，、、——测点处沿x、y、z方向的正应力；

、、——测点处的剪应力；

、、——测点处沿x、y、z方向的正应变；

、、——测点处的剪应变；

q、G——拉梅常数。

其中，剪应变、、可通过下式求解获得：

                 （2）

式中的六个应变、、及、、由球体（1）内粘贴的六个光纤光栅测得；

拉梅常数q、G与弹性模量E和泊松比μ的关系为：

○2空间某点的主应力与该点的六个应力分量之间满足下式：

                （3）

式中，、、分别为主应力 、、的方向余弦，它们之间满足：

                       （4）

有益效果：本发明可实现在一个钻孔中同时对围岩不同深度的三维应力与径向位移进行测量，其优点如下：

（1）可测量三维应力：通过测量某点六个方向的应变可计算出该点的三维应力；