存儲式孔壁應變法地應力測試方法及測試裝置的製作方法

2023-09-17 14:31:55 1

專利名稱：存儲式孔壁應變法地應力測試方法及測試裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種現場測試巖體三維應力的方法及測試裝置，尤其是現場巖體孔壁應變法地應力的測試試驗，屬於巖體力學試驗領域。
背景技術：
在水利水電、礦山、交通等領域需修建的深部地下工程日趨增多。隨著深度的增加，地應力增大、地質條件惡化、破碎巖體增多、水頭壓力和湧水量加大、地溫升高等因素顯現，為研究深部工程巖體的力學特性，尤其是高應力條件下工程巖體的應力參數，較為直接的、經濟的途徑是進行現場巖體三維應力的測試，通過試驗獲得複雜地質條件下巖體應力參數，以便在保證工程長期穩定性及長期運營安全。目前傳統的「孔壁應變法法」巖體三維應力試驗以測試深度區分，可分為淺孔解除法和深孔解除法。淺孔解除法採用人工安裝方式，試驗過程中應變片與地面讀數儀通過數據電纜始終相連，該方法可得到解除全過程數據。鑑於人力極限，該方法一般測量孔深不超過20m，因此只能得到平硐附近或巖層淺表層的測試資料。該方法可以得到完整試驗過程數據；但只能得到平硐附近或巖層淺表層的測試資料，而且測試過程電纜線需通過鑽杆中心孔穿出，試驗過程繁瑣。深孔解除法測試採用專用的安裝器將應變計安裝到試驗孔中，等膠水凝結固化後，讀取初始讀數後切斷應變計和電纜線聯接，並提升安裝器。套芯解除後將應變計和安裝器重新焊接並讀取解除後數據。該方法測量記錄已達500m以上，但無法得到解除過程數據。其中安裝器提升需採用多芯承重電纜，接入線路長，試驗環節裝備多，使得測量結果誤差較大。該方法是擴大了解除法測量孔深範圍；但僅能得到解除前後測量數據，而且多芯承重電纜較為笨重並使得測量誤差較大。鑑於現場巖體三維應力試驗存在的問題，深孔測試易受試驗環境設備因素影響， 直接影響測試技術的可靠性、穩定性和準確度。針對測試巖體深度的條件要求，改進井下存儲式孔壁應變法地應力測試方法，完成測試數據的採集、存儲於一體，以滿足得到測試全過程數據，而多芯承重電纜較為笨重，線路較長，試驗環節裝備多，使得測量結果誤差較大，在控制測試準確精度方面尚存欠缺，都是目前巖體三維應力試驗所需要解決的問題。

發明內容
本發明的目的是為了克服現有技術的缺陷，提供一種現場巖體深孔存儲式孔壁應變法地應力測試方法與測試裝置，數據採集和存儲在井下集中實現，解除過程可自動採集和存儲，得到測試全過程數據。本發明解決其技術問題採用以下技術方案一種存儲式孔壁應變法地應力測試方法，主要包括應變計安裝、井下數據採集控制、井上數據處理步驟，具體方法如下I)應變計安裝將儀器艙放入安裝器中，儀器艙與應變計線路焊接密封，將安裝器觸針拉出，應變計活塞與安裝器中心杆相接觸，應變計中注膠，將安裝器放入試驗鑽孔中，安裝器和儀器艙解鎖，安裝器上部慣性帶動中心推桿繼續向下，將膠水擠出並填充在應變計和孔壁間隙，脫水凝結後，應變計安裝完成，安裝器脫開與儀器艙的聯接並回收地面；2)井下數據採集控制試驗鑽孔中，封裝在儀器艙中的數據採集控制系統進行試驗溫度傳感信號、應變計方位信號和應變數據採集及存儲，接受並執行井上數據處理系統指令；3)井上數據處理安裝有數據處理軟體的計算機，與儀器倉聯接並進行通訊，控制井下裝置的參數設置和讀取數據並輸出。所述封裝在儀器艙中數據採集控制系統由單片機控制溫度傳感信號、方位信號及應變傳感信號的數據採集，進行應變信號放大濾波處理並存儲，並與井上數據處理系統進行通訊及命令處理。所述封裝在儀器艙中數據採集控制系統的應變傳感器接入應變測量全橋電路，且自動切換測量各應變片，並接入工作橋路，採集存儲電路在設定間隔時間內讀取切換後電路信號，數模轉換後存入存儲器中。所述井上數據處理系統的計算機安裝配套編程軟體進行通訊指令、採集設置、校準測試和數據讀取。一種存儲式孔壁應變法地應力測試裝置，主要包括應變計安裝系統、井下數據採集控制系統、井上數據處理系統；其中，應變計安裝系統由儀器艙放入安裝器中，儀器艙與應變計線路焊接密封，安裝器中心杆伸入儀器艙並與應變計活塞相接觸，應變計中注膠，擠出膠水填充在應變計和孔壁間隙，安裝器中心杆上套有解鎖器與伸縮件，安裝器下部有觸針；而且，井下數據採集控制系統為溫度傳感器、方位傳感器接入單片機，單片機接存儲處理器，且應變傳感器與信號採集放大處理電路聯接，並接入單片機，封裝在儀器艙中。而且，井上數據處理系統為安裝有數據處理軟體的計算機與儀器艙內單片機聯接。而且，所述井下數據採集控制系統的應變傳感器為應變片組成測量全橋電路，基準電橋的應變片貼在儀器艙的採集電路板上。所述井下數據採集控制系統的方位信號和應變信號用AD轉換器。所述井下數據採集控制系統接可充電供電電源。本發明與現有技術相比還具有以下的主要優點I、由於本發明存儲式孔壁應變法地應力測試方法，分別由應變計安裝系統、井下數據採集控制系統、井上數據處理系統分三個步驟完成進行測試，數據採集和存儲縮小到井下集中實現，得到測試全過程數據，避免現有「孔壁應變法」中淺孔解除法和深孔解除法存在問題，現場巖體深孔試驗，解決了解除過程可自動採集和存儲，集數據採集和存儲於一體，增加了測試技術的可靠性和準確度。2、由於本發明應變計安裝系統採用將應變計固定在深孔井下，且應變計上安裝有應變傳感器，並在完成應變計的安裝、注膠，膠水凝結後脫開安裝器與儀器艙的聯接並回收地面，使應變計中的數據採集與存儲控制系統在井下完成測試試驗。3、由於本發明採用應變計安裝系統，在井下採集控制系統儀器艙中設置溫度傳感器、電子羅盤、數據處理控制電路完成試驗溫度傳感信號、方位信號的採集及存儲，完成深孔現場溫度、方位測試，可以研究地溫對地應力和測試過程的影響，可將儀器艙中溫度進行採集並存儲，而採用電路信號以及電子羅盤信號的高精度AD轉換，可保證數據採集後數據有足夠的精確度。4、由於本發明在採集控制系統中設置應變傳感器為應變片組成測量全橋電路，且應變片貼在儀器艙的採集電路板上，測量各應變片的應變值時，與計算機的通訊及命令處理，可以自動切換相應應變片接入工作橋路，通過數據放大過濾控制電路處理，進行各種測試採集存儲電路在設定間隔時間內讀取切換後電路信號，數模轉換後存入存儲器中。5、、由於本發明採用井上數據處理系統，配套編程軟體安裝在計算機中，通過串口與儀器艙進行通訊指令，井下可進行採集設置、校準測試和數據讀取。6、由於本發明採用鋁電池組供電，保證了測試儀的穩定性，能保障一次完整測量， 可在最大工作負荷下連續工作超過12小時。7、由於本發明採用儀器艙內安裝井下採集控制系統，主控晶片採用單片機，運行速度可保障複雜的數據處理和運算；參數存儲採用較大存儲空間用來存放參數和試驗數據存儲晶片，共512K的存儲空間用來存放參數和試驗數據，保障存儲空間足夠，以及採集頻率存儲空間可使用足夠時間。


圖I本發明應變計安裝系統井下安裝器示意圖。圖2本發明存儲式孔壁應變法地應力測試方法工作流程3本發明井下數據採集控制系統數據採集存儲測量電路原理圖。圖4本發明井下數據採集控制系統數採集裝置工作原理圖。圖5本發明井上數據處理系統配套軟體程序流程圖。安裝器(I)、鑽孔孔壁(2)、試驗鑽孔(3)、儀器艙(4)、觸針(5)、應變計(6)、應變計活塞(6/ )、密封圈(7)、小鑽孔(8)、伸縮件(9)、解鎖器(10)、中心推桿(11)。
具體實施例方式下面結合附圖和實施例對本發明進一步說明。本發明存儲式孔壁應變法地應力測試方法包括應變計安裝、井下數據採集控制、 井上數據處理步驟。首先是進行應變計的安裝，再就是進行井下數據採集控制系統數據採集存儲，以及解除過程的數據採集和存儲，最後是井上數據處理數據的讀取和其它試驗參數進行應力計算。見圖I、圖2，存儲式孔壁應變法地應力測試方法應變計的安裝由安裝器實現。試驗安裝前應已選擇好試驗鑽孔深度，鑽孔(3)準備完畢。應變計安裝系統O由儀器艙(4) 放入安裝器⑴中，儀器艙⑷與應變計(6)線路焊接密封，安裝器中心杆(11)伸入儀器艙(4)並與應變計活塞)相接觸，應變計￠)中注膠，安裝器中心杆(11)上套有解鎖器(10)與伸縮件(9)，安裝器⑴下部有觸針(5)。應變計安裝前，將儀器艙放入安裝器中，儀器艙(4)應提前充電，儀器艙與應變計線路焊接密封，將安裝器觸針拉出，應變計活塞與安裝器中心杆相接觸，伸縮件(9)、解鎖器
(10)會自動鎖定儀器艙，應變計中注膠，以上動作依次完成後將安裝器放入試驗鑽孔(3)中，讓安裝器自由下落或者勻速下降釋放鋼絲繩；將安裝器放入試驗鑽孔中，當安裝器接近孔底時，應變計在導向頭的引導下首先進入試驗小鑽孔(8)中，接著安裝器觸針觸及試驗鑽孔(3)孔底，帶動伸縮件(9)和解鎖器(10)的動作，將安裝器和儀器艙解鎖；應變計安裝到位後，安裝器上部慣性帶動中心推桿(11)繼續向下動作，將膠水擠出並填充在密封圈(7)之間應變計和孔壁的間隙，脫水凝結後，應變計安裝動作全部結束安裝器繼續停在孔底，膠水固結後才可提升，應變計安裝完成，安裝器脫開與儀器艙的聯接並回收地面。見圖3、圖4，井下數據採集控制，在試驗鑽孔中，封裝在儀器艙中的數據採集控制系統進行試驗溫度傳感信號、應變計方位信號和應變數據採集及存儲。井下數據採集控制系統為溫度傳感器、方位傳感器接入單片機，單片機接存儲處理器，且應變傳感器與信號採集放大處理電路聯接，並接入單片機，封裝在儀器艙中；數據採集控制系統由單片機控制溫度傳感信號、方位信號及應變傳感信號的數據採集，進行應變信號放大濾波處理並存儲，並與井上數據處理系統進行通訊及命令處理；應變傳感器為應變片組成測量全橋電路，應變片貼在儀器艙的採集電路板上，自動切換測量各應變片，並接入工作橋路，採集存儲電路在設定間隔時間內讀取切換後電路信號，數模轉換後存入存儲器中。井下數據採集控制應變測量橋採用全橋電路，由13片靈敏係數相同的應變片組成一路全橋和九路(可根據應變計中封裝的應變片數量進行擴展)變橋進行測量，如圖3 所示。其中由R0，Ra，Rb，Re組成O路全橋(四個應變電阻具有相同的材質和靈敏度)，由於這四個應變片都貼在儀器艙的採集電路板上，不會發生變形，其橋路輸出全由外部溫度、 溼度和壓力等環境引起。測量各應變片的應變值時，切換相應應變片(代替R0)接入工作橋路，採集存儲電路在設定間隔時間內讀取切換後電路信號，數模轉換後存入存儲器中。井下數據採集控制系統供電電源由8個可充鋁電池組成4*2容量鋁電池組供電， 鋁電池組能保障一次完整測量(可在最大工作負荷下連續工作超過12小時)；測量橋路中，輸入橋壓的變化會引起測量輸出的信號的變化，從而引起測量誤差。本系統橋壓穩壓採用高精度低溫票晶片給出穩定的+2. 000V橋路電壓，同時通過2個O. 1%的高精度電阻差分出I. 000V電壓作AD轉換的基準。井下採集控制系統的主控晶片採用單片機，是基於8051內核的高速8位單片機， 在IT工作模式下，運行速度可保障複雜的數據處理和運算；電路信號以及電子羅盤信號的採集AD轉換，採用16位高精度AD轉換器，可保證數據採集後數據有足夠的精確度。見圖5，井上數據處理系統井上數據處理系統為安裝有數據處理軟體的計算機與儀器艙內單片機聯接；計算機中可移植或通過串口與儀器倉進行通訊，控制井下裝置的參數設置和讀取數據。該系統程序設計採用C語言和彙編語言混合編寫。計算機控制系統等待上位機信號，檢測電池電量，發送電池餘量信息；測試連接信號，設置成功並發送應答信號，給上位機；設置採樣時間信號，發送設置應答信號給上位機； 發出採集信號、採集數據，判斷存儲器是否已滿，等待上位機信號，上位機是否有新的命令， 進行重新採集數據；採集完成，讀取採集數據信號，給上位機發送數據，判斷數據是否發送完畢，上位機接受信號完畢，上位機是否有新命令。程式語言完成儀器艙內井下數據採集存儲的數據處理。
權利要求
1.一種存儲式孔壁應變法地應力測試方法，其特徵在於包括應變計安裝、井下數據採集控制、井上數據處理步驟，具體方法如下1)應變計安裝將儀器艙放入安裝器中，儀器艙與應變計線路焊接密封，將安裝器觸針拉出，應變計活塞與安裝器中心杆相接觸，應變計中注膠，將安裝器放入試驗鑽孔中，安裝器和儀器艙解鎖，安裝器上部慣性帶動中心推桿繼續向下，將膠水擠出並填充在應變計和孔壁間隙，脫水凝結後，應變計安裝完成，安裝器脫開與儀器艙的聯接並回收地面；2)井下數據採集控制試驗鑽孔中，封裝在儀器艙中的數據採集控制系統進行溫度傳感信號、應變計方位信號和應變數據採集及存儲，接受並執行井上數據處理系統指令；3)井上數據處理安裝有數據處理軟體的計算機，與儀器倉聯接並進行通訊，控制井下裝置的參數設置和讀取數據並輸出。
2.根據權利要求I所述的一種存儲式孔壁應變法地應力測試方法，其特徵在於所述封裝在儀器艙中數據採集控制系統由單片機控制溫度傳感信號、方位信號及應變傳感信號的數據採集，進行應變信號放大濾波處理並存儲，並與井上數據處理系統進行通訊及命令處理。
3.根據權利要求I所述的一種存儲式孔壁應變法地應力測試方法，其特徵在於所述封裝在儀器艙中數據採集控制系統的應變傳感器接入應變測量全橋電路，且自動切換測量各應變片，並接入工作橋路，採集存儲電路在設定間隔時間內讀取切換後電路信號，數模轉換後存入存儲器中。
4.根據權利要求I所述的一種存儲式孔壁應變法地應力測試方法，其特徵在於所述井上數據處理系統的計算機安裝配套編程軟體進行通訊指令、採集設置、校準測試和數據讀取。
5.一種存儲式孔壁應變法地應力測試裝置，其特徵在於包括應變計安裝系統、井下數據採集控制系統、井上數據處理系統；其中，應變計安裝系統由儀器艙(4)放入安裝器(I)中，儀器艙(4)與應變計(6)線路焊接密封，安裝器中心杆(11)伸入儀器艙(4)並與應變計活塞(6')相接觸，應變計(6)中注膠，擠出膠水填充在應變計(6)和孔壁⑵間隙，安裝器中心杆(11)上套有解鎖器(10) 與伸縮件(9)，安裝器(I)下部有觸針(5)；井下數據採集控制系統為溫度傳感器、方位傳感器接入單片機，單片機接存儲處理器， 且應變傳感器與信號採集放大處理電路聯接，並接入單片機，封裝在儀器艙中。
6.根據權利要求5所述的測試裝置，其特徵在於井上數據處理系統為安裝有數據處理軟體的計算機與儀器艙內單片機聯接。
7.根據權利要求5所述的測試裝置，其特徵在於所述井下數據採集控制系統的應變傳感器為應變片組成測量全橋電路，基準電橋的應變片貼在儀器艙的採集電路板上。
8.根據權利要求5所述的一種存儲式孔壁應變法地應力測試裝置，其特徵在於所述井下數據採集控制系統的方位信號和應變信號用AD轉換器。
9.根據權利要求5所述的一種存儲式孔壁應變法地應力測試裝置，其特徵在於所述井下數據採集控制系統接可充電供電電源。
全文摘要
本發明公開了一種存儲式孔壁應變法地應力測試方法及測試裝置，數據採集和存儲在井下集中實現，解除過程可自動採集和存儲，得到測試全過程數據。包括應變計安裝、井下數據採集控制、井上數據處理三個步驟，將儀器艙放入安裝器中，儀器艙與應變計線路焊接密封，將安裝器放入試驗鑽孔中，安裝器和儀器艙解鎖，安裝器帶動中心推桿將膠水擠出並填充在應變計和孔壁間隙，膠水凝結後，應變計安裝完成，安裝器脫開與儀器艙的聯接並回收地面；井下試驗鑽孔中，封裝在儀器艙中的數據採集控制系統進行試驗溫度傳感信號、應變計方位信號和應變數據採集及存儲，並與井上數據處理系統聯接；井上數據處理計算機控制井下裝置的參數設置和讀取數據並輸出。
文檔編號E21B47/026GK102606149SQ201210076760
公開日2012年7月25日 申請日期2012年3月20日 優先權日2012年3月20日
發明者劉元坤, 周春華, 尹健民, 文必用, 李永松, 汪洋, 肖國強, 艾凱, 許靜, 鄔愛清, 韓曉玉 申請人:長江水利委員會長江科學院