本發(fā)明涉及地應(yīng)力測量，尤其涉及適用于水平和垂直鉆孔的三維地應(yīng)力測量儀器及方法。
背景技術(shù)：
1、地應(yīng)力是引起采礦、鐵路隧道、水利水電、國防工程等各種地下或露天巖土開挖工程變形和破壞的根本作用力。準確掌握工程地區(qū)的地應(yīng)力狀態(tài)是確定工程巖體屬性、進行圍巖穩(wěn)定性分析、實現(xiàn)巖土工程開挖設(shè)計和決策科學(xué)化的必要前提。對于地應(yīng)力的測量，迄今為止已經(jīng)開發(fā)和應(yīng)用了幾十種測量方法和裝置。在這些地應(yīng)力測量方法中，應(yīng)力解除法是目前使用最廣泛的測量方法，也是測量技術(shù)、計算理論比較成熟的測量方法，能夠通過單點測量獲得測點的三維地應(yīng)力狀態(tài)。然而，傳統(tǒng)的應(yīng)力解除技術(shù)通常應(yīng)用于隧道或巷道的水平鉆孔，但難以應(yīng)用于深部地下水飽和的垂直鉆孔（地表以下超千米深度），這主要是因為在水中粘貼應(yīng)變片的方法尚未建立，垂直深孔中的水影響應(yīng)力測量裝置的安裝，且通過電纜連續(xù)監(jiān)測的應(yīng)變或變形數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)難以應(yīng)用于垂直的深孔。
技術(shù)實現(xiàn)思路
1、本發(fā)明的目的是提供一種適用于水平和垂直鉆孔的三維地應(yīng)力測量儀器及方法，解決上述技術(shù)問題。
2、為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供了一種適用于水平和垂直鉆孔的三維地應(yīng)力測量儀器，包括依次設(shè)置的控制監(jiān)測機構(gòu)、測量機構(gòu)以及粘結(jié)機構(gòu)；
3、控制監(jiān)測機構(gòu)內(nèi)設(shè)置有伸縮除水機構(gòu)，伸縮除水機構(gòu)包括伸縮驅(qū)動單元，伸縮驅(qū)動單元連接有吸水套管，吸水套管內(nèi)設(shè)置有烘干管和吸風(fēng)管，吸水套管外側(cè)套設(shè)有吸水環(huán)。
4、優(yōu)選的，粘結(jié)機構(gòu)包括導(dǎo)向桿，導(dǎo)向桿一端可拆卸設(shè)置有導(dǎo)向錐，導(dǎo)向錐的頂部設(shè)置有壓力傳感器，導(dǎo)向桿另一端連接有擠壓板，擠壓板連接有環(huán)形粘結(jié)樹脂膠囊，擠壓板連接有導(dǎo)向柱，導(dǎo)向柱穿過有環(huán)形粘結(jié)樹脂膠囊中部設(shè)置在測量機構(gòu)內(nèi)。
5、優(yōu)選的，測量機構(gòu)包括內(nèi)嵌有應(yīng)變片和溫度傳感器的樹脂固體包體，應(yīng)變片設(shè)置有八個，樹脂固體包體內(nèi)設(shè)置有導(dǎo)向孔，導(dǎo)向柱設(shè)置在導(dǎo)向孔內(nèi)，導(dǎo)向孔的出口端設(shè)置有限位環(huán)。
6、優(yōu)選的，控制監(jiān)測機構(gòu)包括殼體，殼體內(nèi)設(shè)置有控制器、數(shù)據(jù)記錄儀和測斜儀，測斜儀、壓力傳感器、應(yīng)變片以及溫度傳感器均與數(shù)據(jù)記錄儀電連接，數(shù)據(jù)記錄儀與控制器電連接。
7、優(yōu)選的，伸縮驅(qū)動單元包括伸縮氣缸，伸縮氣缸的伸縮端與吸水套管相連接，吸水套管一端連接有負壓設(shè)備，負壓設(shè)備與吸水套管內(nèi)的儲水倉相連接，烘干管和吸風(fēng)管圓周分布在吸水套管內(nèi)且烘干管和吸風(fēng)管交錯設(shè)置，烘干管連接有吹風(fēng)機，吹風(fēng)機內(nèi)設(shè)置有加熱器，吸風(fēng)管與吹風(fēng)機的進風(fēng)端通過干燥管相連接，干燥管內(nèi)填充有干燥劑；
8、伸縮氣缸、負壓設(shè)備以及吹風(fēng)機均與控制器電連接。
9、優(yōu)選的，吸水環(huán)材質(zhì)為吸水海綿。
10、優(yōu)選的，吸水套管內(nèi)設(shè)置有刺破機構(gòu)，刺破機構(gòu)包括刺破柱，刺破柱側(cè)面通過滑塊滑動設(shè)置在吸水套管內(nèi)側(cè)，刺破柱頂部通過彈簧設(shè)置在安裝板上，安裝板設(shè)置在吸水套管內(nèi)，安裝板與刺破柱頂部相對側(cè)設(shè)置有電磁鐵，電磁鐵與控制器電連接。
11、基于上述一種適用于水平和垂直鉆孔的三維地應(yīng)力測量儀器的方法，具體步驟如下：
12、步驟s1：在測量位置鉆用于設(shè)備行進和操作的基礎(chǔ)孔；
13、步驟s2：在基礎(chǔ)孔的底部位置鉆出用于測量的測量孔；
14、步驟s3：通過水清洗設(shè)置對基礎(chǔ)孔和測量孔進行清洗，并通過地上負壓泵抽出多余的水；
15、步驟s4：下放三維地應(yīng)力測量儀器，通過測斜儀的數(shù)據(jù)調(diào)節(jié)下放設(shè)備，使得導(dǎo)向桿的導(dǎo)向錐進入測量孔，然后環(huán)形粘結(jié)樹脂膠囊和樹脂固體包體依次進入測量孔，當(dāng)導(dǎo)向桿的導(dǎo)向錐觸底后，壓力傳感器檢測到壓力變化后停止下放；
16、步驟s5：通過伸縮除水機構(gòu)清除測量孔內(nèi)殘留水；
17、步驟s6：繼續(xù)下放三維地應(yīng)力測量儀器，使得擠壓板擠壓環(huán)形粘結(jié)樹脂膠囊，并啟動刺破機構(gòu)刺破環(huán)形粘結(jié)樹脂膠囊后，伸縮除水機構(gòu)回到初始位置，環(huán)形粘結(jié)樹脂膠囊內(nèi)的粘結(jié)樹脂進入樹脂固體包體與測量孔之間的縫隙，下放至設(shè)定位置后靜止設(shè)定時間使得液態(tài)的粘結(jié)樹脂凝固；
18、步驟s7：通過解除設(shè)備解除測量孔周圍的巖石，同時實時采集應(yīng)變片和溫度傳感器的數(shù)據(jù)，通過應(yīng)變片和溫度傳感器的數(shù)據(jù)計算地應(yīng)力。
19、優(yōu)選的，步驟s5具體過程如下：
20、伸縮氣缸伸長使得吸水套管伸出，并同時啟動負壓設(shè)備將測量孔內(nèi)的水吸到儲水倉內(nèi)，且通過吸水環(huán)采用擦拭的方式吸取測量孔內(nèi)壁的水，吸水套管到底后，啟動吹風(fēng)機對測量孔進行烘干，伸縮氣缸按照設(shè)定速度收縮至的樹脂固體包體底端位置。
21、優(yōu)選的，刺破機構(gòu)在刺破環(huán)形粘結(jié)樹脂膠囊時，控制器為電磁鐵提供正向電流，使得刺破柱克服彈簧彈力伸出吸水套管，刺破環(huán)形粘結(jié)樹脂膠囊，刺破后控制器為電磁鐵提供反向電流，刺破柱縮回吸水套管，同時伸縮氣缸收縮至初始位置。
22、因此，本發(fā)明采用上述一種適用于水平和垂直鉆孔的三維地應(yīng)力測量儀器及方法，具有的有益效果為：通過伸縮除水機構(gòu)清除測量孔內(nèi)殘留水便于后續(xù)樹脂固體包體與測量孔的可靠粘合，不受鉆孔角度的限制，可以適用于水平和垂直鉆孔的三維地應(yīng)力測量。
23、下面通過附圖和實施例，對本發(fā)明的技術(shù)方案做進一步的詳細描述。
1.一種適用于水平和垂直鉆孔的三維地應(yīng)力測量儀器，其特征在于：包括依次設(shè)置的控制監(jiān)測機構(gòu)、測量機構(gòu)以及粘結(jié)機構(gòu)；
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種適用于水平和垂直鉆孔的三維地應(yīng)力測量儀器，其特征在于：粘結(jié)機構(gòu)包括導(dǎo)向桿，導(dǎo)向桿一端可拆卸設(shè)置有導(dǎo)向錐，導(dǎo)向錐的頂部設(shè)置有壓力傳感器，導(dǎo)向桿另一端連接有擠壓板，擠壓板連接有環(huán)形粘結(jié)樹脂膠囊，擠壓板連接有導(dǎo)向柱，導(dǎo)向柱穿過有環(huán)形粘結(jié)樹脂膠囊中部設(shè)置在測量機構(gòu)內(nèi)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種適用于水平和垂直鉆孔的三維地應(yīng)力測量儀器，其特征在于：測量機構(gòu)包括內(nèi)嵌有應(yīng)變片和溫度傳感器的樹脂固體包體，應(yīng)變片設(shè)置有八個，樹脂固體包體內(nèi)設(shè)置有導(dǎo)向孔，導(dǎo)向柱設(shè)置在導(dǎo)向孔內(nèi)，導(dǎo)向孔的出口端設(shè)置有限位環(huán)。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種適用于水平和垂直鉆孔的三維地應(yīng)力測量儀器，其特征在于：控制監(jiān)測機構(gòu)包括殼體，殼體內(nèi)設(shè)置有控制器、數(shù)據(jù)記錄儀和測斜儀，測斜儀、壓力傳感器、應(yīng)變片以及溫度傳感器均與數(shù)據(jù)記錄儀電連接，數(shù)據(jù)記錄儀與控制器電連接。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種適用于水平和垂直鉆孔的三維地應(yīng)力測量儀器，其特征在于：伸縮驅(qū)動單元包括伸縮氣缸，伸縮氣缸的伸縮端與吸水套管相連接，吸水套管一端連接有負壓設(shè)備，負壓設(shè)備與吸水套管內(nèi)的儲水倉相連接，烘干管和吸風(fēng)管圓周分布在吸水套管內(nèi)且烘干管和吸風(fēng)管交錯設(shè)置，烘干管連接有吹風(fēng)機，吹風(fēng)機內(nèi)設(shè)置有加熱器，吸風(fēng)管與吹風(fēng)機的進風(fēng)端通過干燥管相連接，干燥管內(nèi)填充有干燥劑；
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種適用于水平和垂直鉆孔的三維地應(yīng)力測量儀器，其特征在于：吸水環(huán)材質(zhì)為吸水海綿。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的一種適用于水平和垂直鉆孔的三維地應(yīng)力測量儀器，其特征在于：吸水套管內(nèi)設(shè)置有刺破機構(gòu)，刺破機構(gòu)包括刺破柱，刺破柱側(cè)面通過滑塊滑動設(shè)置在吸水套管內(nèi)側(cè)，刺破柱頂部通過彈簧設(shè)置在安裝板上，安裝板設(shè)置在吸水套管內(nèi)，安裝板與刺破柱頂部相對側(cè)設(shè)置有電磁鐵，電磁鐵與控制器電連接。
8.基于權(quán)利要求7所述的一種適用于水平和垂直鉆孔的三維地應(yīng)力測量儀器的方法，其特征在于，具體步驟如下：
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的一種適用于水平和垂直鉆孔的三維地應(yīng)力測量儀器的方法，其特征在于，步驟s5具體過程如下：
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的一種適用于水平和垂直鉆孔的三維地應(yīng)力測量儀器的方法，其特征在于，刺破機構(gòu)在刺破環(huán)形粘結(jié)樹脂膠囊時，控制器為電磁鐵提供正向電流，使得刺破柱克服彈簧彈力伸出吸水套管，刺破環(huán)形粘結(jié)樹脂膠囊，刺破后控制器為電磁鐵提供反向電流，刺破柱縮回吸水套管，同時伸縮氣缸收縮至初始位置。