[发明专利]多点式光纤光栅孔壁应变计及孔壁应变检测方法

说明书

本发明公开了一种多点式光纤光栅孔壁应变计及孔壁应变检测方法，其中多点式光纤光栅孔壁应变计，包括测量筒体部分和活塞导向部分；测量筒体部分包括传感光纤、定位销、安装杆、粘结剂挡圈、测量筒体内腔、胶室、光纤光栅应变传感器、环氧树脂外壳和销钉孔；活塞导向部分包括销钉孔、活塞杆、出胶孔、粘结剂挡圈和导向器。本发明的有益效果是：提出基于多点式带温度补偿的光纤光栅应变传感器的孔壁应变检测方法，并研制光纤光栅孔壁应变计。本发明具有抗电磁干扰能力强、耐腐蚀性好、体积小精度高、测量范围大等优点，且结构简单，尺寸较小，安装与测量流程快速方便，可以实现在Φ38～40mm安装子孔中的孔壁应变测量。

技术领域

本发明涉及地球物理岩体应力测量领域，具体地说，涉及一种多点式光纤光栅孔壁应变计及孔壁应变检测方法。主要应用于套芯应力解除地应力测量领域，其功能是采用布设在弹性模量已知空心管壁上的多个带温度补偿单元的光纤光栅应变传感器，先将其安装进入测量子孔，在套芯过程中观测由于岩芯解除引起的子孔孔壁变形或应变，并通过孔口外光纤光栅解调仪将传感器应变数据记录并存储到计算机，根据测得的子孔孔壁应变，通过孔壁应变测量应力计算理论和空心包体应变测量应力计算理论及公式(蔡美峰，1999)求出子孔周围的原岩应力状态。

背景技术

深部地壳应力状态的观测与估算是地应力实测工作的一个重要难点问题，从地应力概念提出至今，各国科学家提出的数十种地应力测试方法按照其数据来源归类，大概可以分为五大类：基于岩芯的方法、基于钻孔的方法、地质学方法、地球物理方法(或地震学方法)、基于地下空间的方法(Hill et al.，1994；Amadei and Stephasson，1997)。套芯应力解除法作为一种基于钻孔的地应力测量常用方法，通过监测岩芯从母岩解除下来过程中的应变和变形，进而反演原地应力场。套芯应力解除法在测定原岩应力(绝对应力)的适用性和可靠性方面，经过国内外学者数十年的研究(O.J.Olson，1949；N.Hast，1974)，目前已形成一套标准化的测量程序，使用和测量过程相对与别的测试方法较为方便，且测量设备重量体积较小，成为适用性强和可靠性高的地应力测量方法之一。套芯应力解除法的测量步骤示意图如图1-4所示：其中：41为套芯大孔，42为安装子孔，43为应变传感器探头，44为套孔岩芯。

套芯应力解除法中的钻孔孔壁应变测量法能通过一个钻孔中的一次测量，就可确定岩体的三维应力状态，被公认为最有效的测量方法之一。钻孔孔壁应变测量法所采用的应变计，目前常用的有两种型式：一种是常见的钻孔三向应变计，它是把测量元件电阻丝应变片直接粘贴在钻孔岩壁上。这种应变计测量精度高，但操作复杂，对被测岩体完整性要求高，测量成功率较低。另一种是空心包体式钻孔三向应变计，它是把应变片粘贴在预制的环氧树脂薄筒上，再浇注一层薄的环氧树脂层制成应变计，当进行地应力测量时，再用环氧树脂粘结剂充填应变计与钻孔岩壁之间的空隙。空心包体式孔壁应变仪采用带温度补偿的多组电阻应变片花作为传感器件测量孔壁应变进而反演原地应力，通过包裹在电阻应变片外部的环氧树脂壳体更好的与钻孔孔壁进行粘贴耦合，能单孔测试全应力张量。国内外对于钻孔孔壁应变测量仪器已有大量的相关研究。钻孔孔壁应变测量仪器包括瑞典国家电力局研制的Borre三轴孔壁应变计、澳大利亚联邦科学和工业研究组织的(CSIRO)HI型空心包体应变计(and Klasson，2003)。国内有长江科学院研制的新型空心包体式钻孔三向应变计、地质力学研究所研究的KX2000型空心包体式钻孔三向应变计(刘允芳等，2011)和北京科技大学蔡美峰院士发明的采用完全温度补偿技术的改进型空心包体应变计(蔡美峰等，2001)。意大利的Iabichino(2014)等人利用CSIRO HID Cell数字式空心包体应变计，完成评估在单元CSIRO取心点附近的岩体中的完整应力状态。刘允芳等人(2008)采用瑞典深钻孔水下三向应变计在三峡工程船闸区进行地应力测量，该设备具有三向电阻应变计、定向罗盘和触发装置，其外径为70mm，其整体长度约1.7m，在76mm的钻孔中进行了突破300m深度的地应力测量。