扰动应力测量的单元体法及装置

摘要

本发明实施例提供了一种扰动应力测量的单元体法及装置，涉及岩土测量技术领域。通过将应变测量模块安装在所述弹性变形体内的斜向贯穿的孔道内，测量对应孔道轴线方向变形。根据测量结果计算弹性变形体的应变，从而测量得出传感装置所在测量点的扰动应力。操作方便，更准确。

权利要求

1.一种传感装置，其特征在于，包括弹性变形体，在所述弹性变形体内设置至少一个斜向贯穿的孔道，在所述至少一个斜向贯穿的孔道中的每个斜向贯穿的孔道中安装有应变测量模块，所述应变测量模块用于测量对应孔道轴线方向变形。

2.根据权利要求1所述的传感装置，其特征在于，所述至少一个斜向贯穿的孔道为12个斜向贯穿的孔道。

3.根据权利要求1所述的传感装置，其特征在于，所述应变测量模块包括电阻应变片。

4.一种扰动应力测量系统，其特征在于，所述系统包括如权利要求1-3任一项所述的传感装置和数据处理装置，所述传感装置与所述数据处理装置连接，所述传感装置用于设置于围岩内的测量点；

所述数据处理装置，用于获取所述传感装置采集的所述测量点处至少一个孔道应变值；

所述数据处理装置，用于基于所述至少一个孔道应变值，获得所述测量点处的扰动应力值。

5.根据权利要求4所述的系统，其特征在于，所述至少一个孔道应变值为12个孔道应变值，所述数据处理装置，用于基于所述12个孔道应变值及预设的方程组，获得6个目标应变值；

所述数据处理装置，用于基于所述6个目标应变值及预设的弹性本构模型，获得所述测量点处的扰动应力值。

6.根据权利要求5所述的系统，其特征在于，所述预设的弹性本构模型为σ＝Dε，所述数据处理装置，用于将所述6个目标应变值代入σ＝Dε中，获得所述测量点处的扰动应力值；

其中， E、ν均是预设常数，σxx,

σyy,σzz,σxy,σxz,σyz为扰动应力值，εxx,εyy,εzz,γxy,γxz,γyz为所述6个目标应变值。

7.一种扰动应力测量系统安装工艺，其特征在于，所述安装工艺包括：在巷道围岩内钻孔至测量点处；

将如权利要求1-3任一项所述的传感装置设置于所述测量点处，记录所述传感装置的安装角度；

所述传感装置内的应变测量模块通过数据线与孔外的数据处理装置连接；

对孔注浆，填满后将孔封口；

待浆液凝固后，所述数据处理装置读取所述传感装置采集的数据。

8.一种扰动应力测量方法，其特征在于，应用于如权利要求4-6任一项所述的扰动应力测量系统，所述系统包括传感装置和数据处理装置，所述传感装置与所述数据处理装置连接，所述传感装置用于设置于围岩内的测量点，所述方法包括：所述数据处理装置获取所述传感装置采集的所述测量点处至少一个孔道应变值；

所述数据处理装置基于所述至少一个孔道应变值，获得所述测量点处的扰动应力值。

9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述至少一个孔道应变值为12个孔道应变值，所述数据处理装置基于所述至少一个孔道应变值，获得所述测量点处的扰动应力值，包括：所述数据处理装置基于所述12个孔道应变值及预设的方程组，获得6个目标应变值；

所述数据处理装置基于所述6个目标应变值及预设的弹性本构模型，获得所述测量点处的扰动应力值。

10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述预设的弹性本构模型为σ＝Dε，所述数据处理装置基于所述6个目标应变值及预设的弹性本构模型，获得所述测量点处的扰动应力值，包括：所述数据处理装置将所述6个目标应变值代入σ＝Dε中，获得所述测量点处的扰动应力值；

其中， E、ν均是预设常数，σxx,

σyy,σzz,σxy,σxz,σyz为扰动应力值，εxx,εyy,εzz,γxy,γxz,γyz为所述6个目标应变值。

说明书

扰动应力测量的单元体法及装置

技术领域

[0001] 本发明涉及岩土测量技术领域，具体而言，涉及一种扰动应力测量的单元体法及装置。

背景技术

[0002] 近年来，我国地下空间开发发展迅速，涉及到生活发展的方方面面，包括交通隧道、水工隧洞、地下厂房、地下实验室、矿井巷道、民防工程等等。为保证地下工程施工及运
行过程的安全性，需要对围岩全过程的应力场演化过程有清晰明确的认识，因此对地应力
测量的测量精度、测量范围、测量连续性有较高的技术要求。

[0003] 常规测量方法，如水压致裂法、应力解除法等，均为单次测量原岩应力方法，无法对扰动条件下围岩应力的变化过程进行测量记录；工程中也采用预埋压力盒或应力计的方
法来记录应力的变化过程，但只能针对单个方向或特殊构件的应力进行测量记录，无法实
现围岩内三向应力场的测量；刘泉声提出流变应力恢复原理，并研制应力测量装置，由于测
量原理的限制，其地应力测量只适用于软岩地层，对于非软岩地层，孔并不会随时间无限收
敛变形直至原岩应力，而会在较小的变形状态下达到稳定，流变应力恢复原理不再适用。此
外，流变应力恢复法采用两个传感器按照一定角度固定安装，测量单元尺寸较大(40～
50cm)，而围岩应力场，尤其是近场扰动应力场，在施工扰动过程中沿深度梯度甚大，流变应
力恢复法测量单元实际上无法实现对单个点的应力状态测量。

发明内容

[0004] 本发明的目的在于提供一种扰动应力测量的单元体法及装置。本发明采取的技术方案如下：

[0005] 第一方面，本发明实施例提供了一种传感装置，包括弹性变形体。在所述弹性变形体内设置至少一个斜向贯穿的孔道。在所述至少一个斜向贯穿的孔道中的每个斜向贯穿的
孔道中安装有应变测量模块。所述应变测量模块用于测量对应孔道轴线方向变形。

[0006] 第二方面，本发明实施例提供了一种扰动应力测量系统，所述系统包括上述的传感装置和数据处理装置。所述传感装置与所述数据处理装置连接。所述传感装置用于设置
于围岩内的测量点。所述数据处理装置，用于获取所述传感装置采集的所述测量点处至少
一个孔道应变值。所述数据处理装置，用于基于所述至少一个孔道应变值，获得所述测量点
处的扰动应力值。

[0007] 第三方面，本发明实施例提供了一种扰动应力测量系统安装工艺，所述安装工艺包括：在巷道围岩内钻孔至测量点处；将传感装置设置于所述测量点处，记录传感装置的安
装角度；传感装置内的应变测量模块通过数据线与孔外的数据处理装置连接；对孔注浆，填
满后将孔封口；待浆液凝固后，数据处理装置读取传感装置采集的数据。

[0008] 第四方面，本发明实施例提供了一种扰动应力测量方法，应用于上述的扰动应力测量系统。所述系统包括传感装置和数据处理装置。所述传感装置与所述数据处理装置连
接。所述传感装置用于设置于围岩内的测量点。所述方法包括：所述数据处理装置获取所述
传感装置采集的所述测量点处至少一个孔道应变值；所述数据处理装置基于所述至少一个
孔道应变值，获得所述测量点处的扰动应力值。

[0009] 本发明实施例提供了一种扰动应力测量的单元体法及装置，通过将应变测量模块安装在所述弹性变形体内的斜向贯穿的孔道内，测量对应孔道轴线方向变形。根据测量结
果计算弹性变形体的应变，从而测量得出传感装置所在测量点的扰动应力。操作方便，更准
确。

[0010] 本发明的其他特征和优点将在随后的说明书阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明实施例了解。本发明的目的和其他优点可通过在所写的说
明书、权利要求书、以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

附图说明

[0011] 为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对
范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这
些附图获得其他相关的附图。

[0012] 图1为本发明实施例提供的一种传感装置的结构图；

[0013] 图2为本发明实施例提供的一种传感装置中12个孔道编号示意图；

[0014] 图3为本发明实施例提供的扰动应力测量系统的结构框图；

[0015] 图4为本发明实施例提供的扰动应力测量系统安装工艺中传感装置安装示意图；

[0016] 图5为本发明实施例提供的扰动应力测量系统；

[0017] 图6为本发明实施例提供的扰动应力测量方法的流程图。

[0018] 图中：100-数据处理装置；200-传感装置；210-弹性变形体；220-孔道；300-扰动应力测量系统。

具体实施方式

[0019] 为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是
本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施
例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实
施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施
例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的
所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

[0020] 应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。除非另有明确的
规定和限定，术语“设置”、“安装”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定电连接，也可以是可拆卸电连接，或一体地电连接；可以是机械电连接，也可以是电电连接；可以是直接相
连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人
员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

[0021] 请参阅图1，本发明实施例提供了一种传感装置200，包括弹性变形体210，在所述弹性变形体210内设置至少一个斜向贯穿的孔道220。在所述至少一个斜向贯穿的孔道220
中的每个斜向贯穿的孔道220中安装有应变测量模块。所述应变测量模块用于测量对应孔
道轴线方向变形。

[0022] 可选地，请参阅图2，所述至少一个斜向贯穿的孔道220为12个斜向贯穿的孔道，分别编号为1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、11和12。

[0023] 可选地，所述应变测量模块可以包括电阻应变片。电阻应变片通过数据线与数据处理装置连接。

[0024] 本发明实施例提供的一种传感装置，通过将应变测量模块安装在所述弹性变形体内的斜向贯穿的孔道内，测量对应孔道轴线方向变形。根据测量结果计算弹性变形体的应
变，从而测量得出传感装置所在测量点的扰动应力。操作方便，更准确。

[0025] 请参阅图3，本发明实施例提供了一种扰动应力测量系统300，所述系统包括传感装置200和数据处理装置100。所述传感装置200与所述数据处理装置100连接。所述传感装
置200用于设置于围岩内的测量点。所述数据处理装置100，用于获取所述传感装置200采集
的所述测量点处至少一个孔道应变值。所述数据处理装置，用于基于所述至少一个孔道应
变值，获得所述测量点处的扰动应力值。

[0026] 可选地，所述至少一个孔道应变为12个孔道应变值，所述数据处理装置，用于基于所述12个孔道应变值及预设的方程组，获得6个目标应变值；所述数据处理装置，用于基于
所述6个目标应变值及预设的弹性本构模型，获得所述测量点处的扰动应力值。

[0027] 可选地，所述预设的弹性本构模型为σ＝Dε，所述数据处理装置，用于将所述6个目标应变值代入σ＝Dε中，获得所述测量点处的扰动应力值；

[0028] 其中， E、ν均是预设常数，σxx,σyy,σzz,σxy,σxz,σyz为扰动应力值，εxx,εyy,εzz,γxy,γxz,γyz为所述6个目标应变值。

[0029] 可选地，预设的方程组为：

[0030]

[0031] 公式(1)中，ε1、ε2、ε3、ε4、ε5、ε6、ε7、ε8、ε9、ε10、ε11、ε12分别为所述12个孔道应变值，εxx,εyy,εzz,γxy,γxz,γyz为所述6个目标应变值。

[0032] 所述数据处理装置用于将所述12个孔道应变值代入公式(1)，获得6个目标应变值。

[0033] 传感装置尺寸较小，可以测量围岩内某点的扰动应力值，对于扰动条件下围岩的力学响应和破坏规律研究及围岩稳定性分析提供数据基础；由于采用了数据线外接测量，
可以方便实时地获取测量值，易于现场实施；可以进行长期的围岩应力监测。

[0034] 本发明实施例提供了一种扰动应力测量系统300，所述系统包括传感装置200和数据处理装置100。所述传感装置200与所述数据处理装置100连接。所述传感装置200用于设
置于围岩内的测量点。所述数据处理装置100，用于获取所述传感装置200采集的所述测量
点处至少一个孔道应变值。所述数据处理装置，用于基于所述至少一个孔道应变值，获得所
述测量点处的扰动应力值。操作方便，更准确。

[0035] 本发明实施例提供了一种扰动应力测量系统安装工艺，所述安装工艺包括：

[0036] 在巷道围岩内钻孔至测量点处；

[0037] 将传感装置设置于所述测量点处，记录传感装置的安装角度；

[0038] 传感装置内的应变测量模块通过数据线与孔外的数据处理装置连接；

[0039] 对孔注浆，填满后将孔封口；

[0040] 待浆液凝固后，数据处理装置读取传感装置采集的数据。

[0041] 请参阅图4和图5，为准确测得围岩内部应力场的变化，可以采用混凝土砂浆灌注到孔内，实现传感装置在孔中的稳定受力。图4和图5中，s1表示围岩，s2表示孔，s3表示连接
杆，s4表示数据线，在巷道围岩内钻孔至测量点处，将传感装置200设置于所述测量点处；传
感装置200内的应变测量模块通过数据线与孔外的数据处理装置100连接；对孔注浆，填满
后将孔封口；待浆液凝固后，数据处理装置读取传感装置采集的数据。数据处理装置100包
括读数仪。采过上述方法长时间内实施多次测量，就可以得到该测量点的地应力演化数据。

[0042] 在本实施例中，数据处理装置100可以包括存储器、存储控制器、一个或多个处理器和显示模块。存储器、存储控制器、一个或多个处理器和显示模块各元件之间直接或间接
地电连接，以实现数据的传输或交互。例如，这些元件之间可以通过一条或多条通讯总线或
信号总线实现电连接。

[0043] 存储器可以存储各种软件程序以及模块，如本申请实施例提供的扰动应力测量方法对应的程序指令/模块。处理器通过运行存储在存储器中的软件程序以及模块，从而执行
各种功能应用以及数据处理，即实现本申请实施例中的扰动应力测量方法。

[0044] 存储器可以包括但不限于随机存取存储器(Random Access Memory，RAM)，只读存储器(Read Only Memory，ROM)，可编程只读存储器(Programmable Read-Only Memory，
PROM)，可擦除只读存储器(Erasable Programmable Read-Only Memory，EPROM)，电可擦除
只读存储器(Electric Erasable Programmable Read-Only Memory，EEPROM)等。

[0045] 处理器可以是一种集成电路芯片，具有信号处理能力。上述处理器可以是通用处理器，包括中央处理器(Central Processing Unit，简称CPU)、网络处理器(Network 
Processor，简称NP)等；还可以是数字信号处理器(DSP)、专用集成电路(ASIC)、现场可编程
门阵列(FPGA)或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件。其可
以实现或者执行本申请实施例中的公开的各方法、步骤及逻辑框图。通用处理器可以是微
处理器或者该处理器也可以是任何常规的处理器等。

[0046] 于本发明实施例中，数据处理装置100可以为PC(personal computer)电脑、平板电脑、手机、笔记本电脑、智能电视、机顶盒、车载终端等终端设备。

[0047] 请参阅图6，本发明实施例提供了一种扰动应力测量方法，应用于上述的扰动应力测量系统，所述系统包括传感装置和数据处理装置，所述传感装置与所述数据处理装置连
接，所述传感装置用于设置于围岩内的测量点，所述方法包括：步骤S600和步骤S610。

[0048] 步骤S600：所述数据处理装置获取所述传感装置采集的所述测量点处至少一个孔道应变值；

[0049] 步骤S610：所述数据处理装置基于所述至少一个孔道应变值，获得所述测量点处的扰动应力值。

[0050] 所述至少一个孔道应变为12个孔道应变值，步骤S610，包括：

[0051] 所述数据处理装置基于所述12个孔道应变值及预设的方程组，获得6个目标应变值；

[0052] 所述数据处理装置基于所述6个目标应变值及预设的弹性本构模型，获得所述测量点处的扰动应力值。

[0053] 所述预设的弹性本构模型为σ＝Dε，所述数据处理装置基于及预设的弹性本构模型，获得所述测量点处的扰动应力值，包括：

[0054] 所述数据处理装置将所述6个目标应变值代入σ＝Dε中，获得所述测量点处的扰动应力值；

[0055] 其中， E、ν均是预设常数，σxx,σyy,σzz,σxy,σxz,σyz为扰动应力值，εxx,εyy,εzz,εxy,εxz,εyz为所述6个目标应变值。

[0056] 预设的方程组为：

[0057]

[0058] 公式(1)中，ε1、ε2、ε3、ε4、ε5、ε6、ε7、ε8、ε9、ε10、ε11、ε12分别为所述12个孔道应变值，εxx,εyy,εzz,γxy,γxz,γyz为所述6个目标应变值。

[0059] 所述数据处理装置基于所述12个孔道应变值及预设的方程组，获得6个目标应变值，包括：

[0060] 所述数据处理装置将所述12个孔道应变值代入公式(1)，获得6个目标应变值。

[0061] 本发明实施例提供的扰动应力测量方法，其实现原理及产生的技术效果和前述系统实施例相同，为简要描述，方法实施例部分未提及之处，可参考前述系统实施例中相应内
容。

[0062] 本发明实施例提供了一种扰动应力测量方法，应用于上述的扰动应力测量系统，所述系统包括传感装置和数据处理装置，所述传感装置与所述数据处理装置连接，所述传
感装置用于设置于围岩内的测量点，所述方法包括：所述数据处理装置获取所述传感装置
采集的所述测量点处至少一个孔道应变值；所述数据处理装置基于所述至少一个孔道应变
值，获得所述测量点处的扰动应力值。操作方便，更准确。

[0063] 以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵
盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。