一种考虑刚性旋转位移的扰动应力测试传感器
阅读说明：本技术 一种考虑刚性旋转位移的扰动应力测试传感器 (Disturbance stress test sensor considering rigid rotary displacement ) 是由 高阳 周辉 刘金山 余记远 李志� 庞博慧 周红波 朱小敏 杨凡杰 张勇智 于磊 于 2021-08-12 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种考虑刚性旋转位移的扰动应力测试传感器。它包括镂空型应变测量框架、角度测量系统、应变测量系统、以及传感器充填体；角度测量系统位于镂空型应变测量框架内；应变测量系统设置在镂空型应变测量框架外壁上；传感器充填体设置在镂空型应变测量框架外周、且位于应变测量系统外侧。本发明克服了未考虑软弱围岩大变形条件下传感器随围岩发生位移或转动的情况,导致扰动应力测试不准的缺点；具有考虑围岩变形过程中传感器的位移和转动,扰动应力测试准确,扩大地质适用性的优点。(The invention discloses a disturbance stress test sensor considering rigid rotary displacement. The strain gauge comprises a hollowed-out strain measuring frame, an angle measuring system, a strain measuring system and a sensor filling body; the angle measuring system is positioned in the hollowed-out strain measuring frame; the strain measurement system is arranged on the outer wall of the hollowed-out strain measurement frame; the sensor filling body is arranged on the periphery of the hollowed-out strain measurement frame and located on the outer side of the strain measurement system. The invention overcomes the defect that disturbance stress test is inaccurate because the displacement or rotation of the sensor along with surrounding rocks under the condition of large deformation of weak surrounding rocks is not considered; the method has the advantages of considering the displacement and rotation of the sensor in the deformation process of the surrounding rock, accurately testing the disturbance stress and expanding the geological applicability.)
技术领域
本发明涉及岩土测量技术领域，更具体地说它是一种考虑刚性旋转位移的扰动应力测试传感器。
背景技术
现有扰动应力测试方法主要适用于测量硬质地层条件，对煤矿、边坡、基坑等易发生大变形的软弱地质条件来说，在测量过程中无法保证传感器始终保持在初始的空间坐标位置，传感器会随着围岩变形发生位移和转动，同时在地应力作用下发生变形(如图1、图2所示)。如申请号为CN201810599551.2，专利名称为《扰动应力测量的单元体法及装置》提出了一种基于单元应力分析的扰动应力测试方法及装置，其测量原理是通过测量受力变形过程中传感器的应变量，根据单元块体的弹性力学解反向计算得到传感器所受外力，进而通过应变变化量得到扰动应力分布；但该测试方法未考虑软弱围岩大变形条件下传感器随围岩发生位移或转动的情况，也未考虑围岩变形过程中可能导致的传感器旋转，导致扰动应力测试不准。
因此，开发一种扰动应力测试准确、且可适应软弱大变形地层条件的扰动应力测试传感器很有必要。
发明内容
本发明的目的是为了提供一种考虑刚性旋转位移的扰动应力测试传感器，考虑围岩变形过程中传感器的位移和转动，可适应软弱大变形地层条件，扰动应力测试更加准确，扩大地质适用性。
为了实现上述目的，本发明的技术方案为：一种考虑刚性旋转位移的扰动应力测试传感器，其特征在于：包括镂空型应变测量框架、角度测量系统、应变测量系统、以及传感器充填体；
角度测量系统位于镂空型应变测量框架内；
应变测量系统设置在镂空型应变测量框架外壁上；
传感器充填体设置在镂空型应变测量框架外周、且位于应变测量系统外侧。
在上述技术方案中，镂空型应变测量框架外轮廓呈异形八面体；
镂空型应变测量框架内部设置空腔、外壁设置八面体棱面。
在上述技术方案中，角度测量系统安装在空腔内；
应变测量系统安装在八面体棱面上。
在上述技术方案中，传感器充填体呈正六面体；传感器充填体包裹在镂空型应变测量框架外周。
在上述技术方案中，镂空型应变测量框架位于传感器充填体的中心。
在上述技术方案中，镂空型应变测量框架外壁上设置八面体顶部正方形平面；多条八面体棱边通过八面体顶部正方形平面连接；
传感器充填体外壁设置六面体平面；
八面体顶部正方形平面与六面体平面呈平行设置。
在上述技术方案中，传感器充填体上设置倒圆角结构。
本发明具有如下优点：
(1)本发明考虑传感器的位移和转动，可适应软弱大变形地层条件，提高扰动应力测试准确度，扩大传感器的地质使用范围有指导意义；
(2)本发明扰动应力测试更加准确，扩大了其地质适用性。
附图说明
图1为围岩未变形条件下扰动应力测试传感器设置在围岩钻孔中的结构示意图。
图2为围岩变形时设置在围岩钻孔中的扰动应力测试传感器随围岩发生位移或转动的结构示意图。
图3为本发明中的镂空型应变测量框架、角度测量系统及应变测量系统的连接结构示意图。
图4为本发明的透视结构示意图。
图1中，A1表示设置在围岩钻孔中的扰动应力测试传感器；B1表示围岩。
图2中，A1表示围岩变形前设置在围岩钻孔中的扰动应力测试传感器；B1表示变形前的围岩；
A2表示围岩变形后设置在围岩钻孔中的扰动应力测试传感器；B2表示变形后的围岩。
图3、图4中的x、y、z为三维坐标系。
图中1-镂空型应变测量框架，1.1-空腔，1.2-八面体棱面，1.3-八面体顶部正方形平面，1.3A-第一正方形平面，1.3B-第二正方形平面，1.3C-第三正方形平面，1.3D-第四正方形平面，2-角度测量系统，3-应变测量系统，4-传感器充填体，4.1-六面体平面，4.1A-第一平面，4.1B-第二平面，4.1C-第三平面，4.1D-第四平面，4.2-倒圆角结构。
具体实施方式
下面结合附图详细说明本发明的实施情况，但它们并不构成对本发明的限定，仅作举例而已。同时通过说明使本发明的优点更加清楚和容易理解。
参阅附图可知：一种考虑刚性旋转位移的扰动应力测试传感器，包括镂空型应变测量框架1、角度测量系统2、应变测量系统3、以及传感器充填体4；
角度测量系统2位于镂空型应变测量框架1内；
应变测量系统3设置在镂空型应变测量框架1外壁上；
传感器充填体4设置在镂空型应变测量框架1外周、且位于应变测量系统3外侧(如图3、图4所示)，考虑围岩变形过程中传感器的位移和转动，扰动应力测试更加准确，可适应软弱大变形地层条件的地质以及硬质地层条件的地质，扩大本发明所述扰动应力测试传感器的地质适用性。
进一步地，镂空型应变测量框架1外轮廓呈异形八面体；此处的异形八面体指外轮廓为棱边被车平的八面体。本发明采用异形八面体是为了保证应变测量的方向是固定的，在棱面所处的方向上测量应变，对于后续的应力反算更加方便。
镂空型应变测量框架1内部设置空腔1.1、外壁设置八面体棱面1.2(如图3所示)；空腔1.1用于安装角度测量系统2，八面体棱面1.2用于安装应变测量系统3，考虑围岩变形过程中传感器的位移和转动，提高本发明扰动应力测试准确性。
本发明将角度测量系统2集成在镂空型应变测量框架1内部，通过角度测量系统2测量本发明的位移和转动情况，将应变测量系统3集成在镂空型应变测量框架1的外壁(即八面体棱面1.2上)，通过八面体棱面1.2测量扰动应力，并将镂空型应变测量框架1、角度测量系统2和应变测量系统3作为一个整体包裹在传感器充填体4内部，减小尺寸，对镂空型应变测量框架1、角度测量系统2和应变测量系统3进行有效保护，保证测量精度。
进一步地，角度测量系统2安装在空腔1.1内；角度测量系统2用于测量本发明所述考虑刚性旋转位移的扰动应力测试传感器的位移和转动情况；
应变测量系统3安装在八面体棱面1.2上(如图3所示)，棱面表面平整，将应变测量元件安装在车平的棱面上，便于安装，且保证与应变测量元件连接紧密；应变测量系统3用于测量本发明所述扰动应力测试传感器所在测量点的扰动应力。
进一步地，传感器充填体4呈正六面体，正六面体形状的传感器充填体4作为一个受力单元，便于进行地应力反算；传感器充填体4包裹在镂空型应变测量框架1外周(如图4所示)。
更进一步地，镂空型应变测量框架1位于传感器充填体4的内部中心，减弱在测试过程中的局部应力集中，保证传感器受力的均匀性，提高扰动应力测试结果准确性。
更进一步地，镂空型应变测量框架1外壁上设置八面体顶部正方形平面1.3；多条八面体棱面1.2通过八面体顶部正方形平面1.3连接；
传感器充填体4外壁设置六面体平面4.1；
八面体顶部正方形平面1.3与六面体平面4.1呈平行设置(如图4所示)，减弱在测试过程中的局部应力集中，保证传感器受力的均匀性，提高扰动应力测试结果准确性。
为了减弱在测试过程中的局部应力集中，保证传感器受力的均匀性，提高扰动应力测试结果准确性，各个八面体顶部正方形平面1.3与对应的六面体平面4.1呈平行设置，具体如下：
八面体顶部正方形平面1.3包括第一正方形平面1.3A、第二正方形平面1.3B、第三正方形平面1.3C、第四正方形平面1.3D、第五正方形平面和第六正方形平面；
六面体平面4.1的六个面分别为：第一平面4.1A、第二平面4.1B、第三平面4.1C、第四平面4.1D、第五平面和第六平面；
第一正方形平面1.3A位于第一平面4.1A内侧、且与第一平面4.1A平行；第二正方形平面1.3B位于第二平面4.1B内侧、且与第二平面4.1B平行；第三正方形平面1.3C位于第三平面4.1C内侧、且与第三平面4.1C平行；第四正方形平面1.3D位于第四平面4.1D内侧、且与第四平面4.1D平行；第五正方形平面位于第五平面内侧、且与第五平面平行；第六正方形平面位于第六平面内侧、且与第六平面平行(如图4所示)。
更进一步地，传感器充填体4上设置倒圆角结构4.2(如图4所示)，减弱在测试过程中的局部应力集中，保证传感器受力的均匀性。
现有专利申请CN201810599551.2，专利名称为《扰动应力测量的单元体法及装置》为本申请的申请人于2018年06月11日申请的专利申请，申请人在后续的研究中发现，专利申请CN201810599551.2，专利名称为《扰动应力测量的单元体法及装置》在应用于软弱大变形地层条件地质的测量过程中，未考虑软弱围岩大变形条件下传感器随围岩发生位移或转动的情况，也未考虑围岩变形过程中可能导致的传感器旋转，导致扰动应力测试不准。本专利申请正是为了解决专利申请CN201810599551.2，专利名称为《扰动应力测量的单元体法及装置》存在的未考虑软弱围岩大变形条件下传感器随围岩发生位移或转动的情况，导致应用于软弱大变形地层条件地质时扰动应力测试不准的问题。
实施例
如图3、图4所示，本实施例中的考虑刚性旋转位移的扰动应力测试传感器由四部分构成：镂空型应变测量框架1、角度测量系统2、应变测量系统3、以及传感器充填体4。传感器充填体4设置在镂空型应变测量框架1外周、且位于应变测量系统3外侧。
镂空型应变测量框架1内部设置空腔1.1，角度测量系统2设置在空腔1.1内。
镂空型应变测量框架1设置十二条八面体棱面1.2，设置六个八面体顶部正方形平面1.3。应变测量系统3设置在八面体棱面1.2上。
传感器充填体4设置六个六面体平面4.1，每个八面体顶部正方形平面1.3与一个六面体平面4.1呈平行设置。
传感器充填体4的十二条六面体棱边上均设置倒圆角结构。
本实施例首先制作镂空型应变测量框架1，其外形采用异形八面体，将角度测量系统2和应变测量系统3分别安装在镂空型应变测量框架1的内部的空腔1.1内和八面体棱面1.2上，并做好数据线固定和传感单元的外部防护，然后将镂空型应变测量框架1、角度测量系统2、应变测量系统3、数据线固定和传感单元通过传感器充填体4浇筑形成正六面体(即传感器充填体4包裹在镂空型应变测量框架1外周)，形成一个扰动应力测试传感器整体，并将所述扰动应力测试传感器安装到围岩钻孔的指定位置，进行扰动应力测试。
其中，镂空型应变测量框架1和传感器充填体4的材料一致，且在先后浇筑的过程中，保证镂空型应变测量框架1和传感器充填体4在界面处有很好的相容性，保证浇筑完成后的扰动应力测试传感器呈一个整体，并能在受力过程中协调变形。浇筑方法为现有技术。
本实施例中的角度测量系统2选用三维电子罗盘，本实施例采用三维电子罗盘监测传感器的转动角度，保证其精度、量程和敏感度能满足围岩缓慢大变形过程中传感器旋转角度的监测要求。
将本实施例所述的考虑刚性旋转位移的扰动应力测试传感器应用于基坑中进行扰动应力测试，该传感器会随着围岩变形发生位移和转动，本实施例扰动应力测试准确。
将本实施例所述的考虑刚性旋转位移的扰动应力测试传感器应用于煤矿中进行扰动应力测试，该传感器会随着围岩变形发生位移和转动，本实施例扰动应力测试准确。
将本实施例所述的考虑刚性旋转位移的扰动应力测试传感器应用于边坡中进行扰动应力测试，该传感器会随着围岩变形发生位移和转动，本实施例扰动应力测试准确。
将本实施例所述的考虑刚性旋转位移的扰动应力测试传感器应用于硬岩中进行扰动应力测试，该传感器未发生位移或转动，本实施例扰动应力测试准确。
其它未说明的部分均属于现有技术。
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