洞壁应力测试装置.pdf

本实用新型公开了一种用于隧道岩体应力的现场量测的洞壁应力测试装置，可使其测量结果更加准确可靠。该洞壁应力测试装置，包括上下对置的马鞍型压块，上下两块马鞍型压块上的圆弧槽对置形成的圆孔的大小与对其加载的岩芯的直径相适配，上下两块马鞍型压块上的圆弧槽与岩芯之间设置有至少一层薄膜衬垫，马鞍型压块上的圆弧槽的弧长略小于半圆弧长。在应力恢复测量时，岩芯放置于上下对置的马鞍型压块的圆弧槽中进行加载，其应力分布均匀，可最大限度的减小测量误差，钻取单孔得到岩芯即可测定平面内多方向应力，适合于现场操作，可保证应力恢复测量的精度，具有制作简单、成本低、测量准确可靠的优点，尤其适合于在隧道岩体应力的现场量测中应用。

权利要求书
1、  洞壁应力测试装置，其特征是：包括上下对置的马鞍型压块(4、5)，上下两块马鞍型压块(4、5)上的圆弧槽(6、7)对置形成的圆孔的大小与对其加载的岩芯(3)的直径相适配，圆弧槽(6、7)的弧长略小于半圆弧长，上下两块马鞍型压块(4、5)上的圆弧槽(6、7)与岩芯(3)之间设置有至少一层薄膜衬垫(8)。

2、  如权利要求1所述的洞壁应力测试装置，其特征是：薄膜衬垫(8)设置有三层。

说明书洞壁应力测试装置
技术领域
本实用新型涉及一种测试装置，尤其是用于隧道岩体应力的现场量测的洞壁应力测试装置。
背景技术
岩体应力的现场量测包括岩体初始应力测试和洞室围岩的应力测试，其测试方法很多，目前常用的方法可分为两大类：即应力解除法和应力恢复法，其中应力解除法研究较为成熟，应用最广。应力恢复法常用于洞壁表面量测受开挖扰动的次生引力场。
对于隧道围岩洞壁的应力状态的测量，目前多采用单一的应力解除法或应力恢复法进行测量。由于应力解除法直接测量的是应变值，需要用应力应变关系才能换算出应力值，其测量的精度除了取决于测量本身外，还取决于弹性常数的选取和测量精度，因此其所得到的结果误差较大，只能起到参考的作用。
应力恢复法一般采用刻槽法，其基本原理是：在选定的测试点安装测量元件，然后在岩体中开挖一个扁槽埋设液压枕或千斤顶，对其加压，使测量元件的读数恢复到掏槽前的值，则液压枕或千斤顶的压力读数便是该方向上的岩体应力，其优点是可以不考虑岩体的应力-应变关系而直接得出岩体的地应力，其局限性在于：1、扁千斤顶法只是一种一维的应力测试方法，一个扁槽的测量只能确定测点处垂直于扁千斤顶方向的压力分量；为了确定该测点的几个应力分量就必须在该点沿不同方向切割几个扁槽，这是不可能实现的，因为扁槽的相互重叠造成不同方向测量结果的相互干扰，使之变得毫无意义。2、如果应力恢复时，岩体的应力和应变关系与应力解除前并不完全相同，也必然影响测量的精度。
因此，由上可知，由于应力解除法或应力恢复法本身都具有一定的缺陷，其测量结果的误差较大。
实用新型内容
本实用新型所要解决的技术问题是提供一种测量结果更加准确可靠的洞壁应力测试装置。
本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案是：洞壁应力测试装置，其特征是：包括上下对置的马鞍型压块，上下两块马鞍型压块上的圆弧槽对置形成的圆孔的大小与对其加载的岩芯的直径相适配，圆弧槽的弧长略小于半圆弧，长上下两块马鞍型压块上的圆弧槽与岩芯之间设置有至少一层薄膜衬垫。
本实用新型的有益效果是：在应力恢复测量时，岩芯放置于上下对置的马鞍型压块的圆弧槽中进行加载，其应力分布均匀，可以最大限度的减小了测量误差，钻取单孔得到岩芯即可测定平面内多方向应力，适合于现场操作，可保证应力恢复测量的精度，具有制作简单、成本低、测量准确可靠的优点，尤其适合于在隧道岩体应力的现场量测中应用。
附图说明
图1是本实用新型在岩石的测点上粘贴测量应变花和监测应变花的示意图，图中示出了应变花中应变片的数量和粘贴方向。
图2是本实用新型中的岩芯放置在上下对置的马鞍型压块中的示意图，图中箭头为应力恢复使的载荷加载方向。
图中标记为：测量应变花1、监测应变花2、岩芯3、马鞍型压块4、马鞍型压块5、圆弧槽6、圆弧槽7、薄膜衬垫8。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本实用新型进一步说明。
如图1、图2所示，本实用新型的洞壁应力的测试装置，是在使用同一岩芯3和同一组测量应变花1进行应力解除测量和应力恢复测量中，用于应力恢复测量的装置。其应力的测试方法的测量步骤如下：
(1)应力解除法：
a、在选定的洞壁岩石的测点上，按照常规的要求将测点处用切割机等切平，用砂纸等工具将其表面磨光，然后用蘸有丙酮的棉球清洗表面，这些都是粘贴应变片时对岩石表面的常规处理方式。岩石表面处理完毕后，在岩石的测点表面上粘贴分别为测量应变花1和监测应变花2的两组电阻应变片，测量应变花1用于现场测量，监测应变花2用于监测应力状态随时间的变化。每组电阻应变片为三片，三片电阻应变片的粘贴方向分别为沿X方向、Z方向及其间45°方向，粘贴应变片可采用环氧树脂胶等，粘贴时应挤出多余的胶液和粘接剂中的气泡，粘贴合格后，最好再在应变片和引线上涂上一层防潮胶，以减少水分对粘接剂强度、应变计工作性能的影响。经过一段时间的固化后，即可进行测量。为了进一步减少水分的影响，还可以在测量前用吹风机将应变片周围及其接线处吹干，待降温至隧道内的温度后，即可开始逐步进行测量应变花1的三个方向的应变量测。利用应变仪对测量应变花1测量，每隔5分钟读取一次数据，知道每个方向上的应变值基本不变时为止，从而得到其X方向、Z方向及其间45°方向上的初应变值ε00、ε450、ε900。上述的X方向为沿洞壁轴线的水平方向，Z方向为沿洞壁的垂直方向。
b、待三个方向的初始应变值全部测量完毕后，用钻取工具钻取下测量应变花1处的岩芯3，岩芯3的直径和长度可以根据实际条件和需要进行选取，通常情况下可以利用内径为50mm的手持式工程钻等工具，钻取下直径为50mm、长度为50mm的岩芯3。最好在在隧道内且在与步骤a中的初应变量测同样的温度、电压等条件下，利用应变仪对测量应变花1测量其X方向、Z方向及其间45°方向上的应变值ε0′、ε45′、ε90′，用应变值ε0′、ε45′、ε90′与初应变值ε0、ε45、ε90相减，得到应变差值Δε0、Δε45、Δε90，完成应力解除后的应变量测。
(2)应力恢复法：
应力恢复法在洞壁应力测试装置上完成。将取下的测量应变花1处的岩芯3放置在上下对置的马鞍型压块4、5的圆弧槽6、7中，马鞍型压块4、5的圆弧槽6、7大小与岩芯3的直径相匹配，圆弧槽6、7的弧长略小于半圆弧长，上下两块马鞍型压块4、5上的圆弧槽6、7与岩芯3之间最好设置有至少一层薄膜衬垫8，通常为三层。这种薄膜衬垫8可以采用聚四氟乙烯薄膜衬垫等，使其岩芯3在马鞍型压块4、5的圆弧槽6、7中受力均匀且消除摩擦产生的切向应力。
利用加载装置在马鞍型压块4上分别对岩芯3的测量应变花1的三个应变片的轴向方向进行加载，加载到单方向上对测量应变花1测量的应变值分别为初应变值ε0、ε45、ε90，完成应力恢复，分别读取加载压力值FX、F45、FZ，经下列计算可得到二次应力：
σX＝α×FX×SP/A；σZ＝α×FZ×SP/A；
σ45＝α×F45×SP/A；
式中，FX、FZ分别为应力恢复时加载装置的压力表读数，单位为MPa；SP为加载装置的活塞面积，单位为cm2；α为压力等效系数，压力等效系数的平均值为1.32；A为岩芯的截面面积，单位为cm2。
在上述的实际应力恢复测试中，没有考虑围压的影响，可以通过修正来使其最后的计算结果更精确，二次应力的计算采用下列公式进行修正：
σX＝α×β×FX×SP/A；σZ＝α×β×FZ×SP/A；
σ45＝α×β×F45×SP/A；
式中，β为围压影响系数。
围压影响系数与在围压作用下施加的载荷σV呈对数关系，围压为10MPa时的围压影响系数为1.2106，围压为20MPa时的围压影响系数为1.3043，围压为30MPa时的围压影响系数为1.387。在围压小于30MPa时，围压影响系数在1.0～1.4之间。