1、北 京 科 技 大 学 University of Science and Technology Beijing 030600030004000 A135 A90 A45 A0 B135 B90 B45 B0 C135 C90 C45 C0 T1 T2Strain gauge rosette Controlling system and data-logging system Rechargeable battery 第七届黄金科学技术论坛第七届黄金科学技术论坛（河南（河南焦作）焦作）报告题目：基于报告题目：基于CSIRO的深部岩体应力测量和监测技术的深部岩体

2、应力测量和监测技术 北京科技大学土木工程系北京科技大学土木工程系 2018年年10月月北 京 科 技 大 学University of Science and Technology Beijing 报告内容 地应力测量及应力扰动监测概述 CSIRO地应力测量方法发展 完全温度补偿技术及双温度补偿方法 针对岩体非线性特征的高压双轴试验系统研制 未来计划 北 京 科 技 大 学University of Science and Technology Beijing 地应力测量及应力扰动监测概述 Knowledge of the magnitudes and directions of these

3、in situ and induced stresses is an essential component of underground excavation design since,in many cases,the strength of the rock is exceeded and the resulting instability can have serious consequences on the behaviour of the excavations.-Evert Hoek 北 京 科 技 大 学University of Science and Technology

4、 Beijing 地应力测量及应力扰动监测概述 Rock stress estimation and measurement(ISRM)Part 1:岩体应力估算方法;Part 2:岩体应力与质量控制关系分析;Part 3:钻孔解除法;Part 4:水压致裂法(HF).北 京 科 技 大 学University of Science and Technology Beijing 地应力测量及应力扰动监测概述 地应力测量方法(ISRM)：1.扁千斤顶法;2.水压致裂法;3.实心包体应变计法(USBM);4.空心包体应变计法（The Commonwealth Scientific and Indu

5、strial Research Organization(CSIRO)）。P3水压致裂应力测量原理北 京 科 技 大 学University of Science and Technology Beijing 1.空心包体应变计法(Hollow inclusion cell)产生于20世纪70年代,是目前地应力测量方法中唯一一种一次安装可以获取三维地应力的技术。但在操作和理论假设方面存在一些问题，这些问题在深部测量中产生的误差不能忽略。CSIRO地应力测量方法发展 T3 Borehole Logging system Rock mass T1 Pilot hole T2 T1:Temperat

6、ure of rock mass T2:Temperature in borehole T3:Temperature in tunnel a.岩体线弹性力学行为假设;b.长导线(一般 20 m产生的信号衰减和电压误差;c.测量中的温度影响;北 京 科 技 大 学University of Science and Technology Beijing CSIRO地应力测量方法发展 通道通道通道正输出通道负输出公共线3.澳大利亚ES&S公司研发了世界首款数字化空心包体应变计(HID cell，2012），采用原为数字化设计，数字电路采集板集成在空心包体内部，以4芯数字信号传输电缆取代原设计中的14

7、芯模拟信号传输线，完全消除了长导线电阻误差。但仍需要从钻杆内部穿过数据线，进行读数。2.蔡美峰教授发明了改进型空心包体应变计(1991)，提出了完全温度不偿技术，极大地消除了长导线电阻温度干扰，使得空心包体应变计测量精度提高了20%(蔡美峰，1991；蔡美峰等，1994)。北 京 科 技 大 学University of Science and Technology Beijing CSIRO地应力测量方法发展 原位数字化无线空心包体应变计（2017，北京科技大学）：消除传输线路上的信号衰减及温度影响；完成了针对高温、高压环境的大量程通道设计，提出了高温环境下的传感器温度自补偿测量电路完全温度

8、补偿的双温度补偿算法。浮充式浮充式 充电系统充电系统 采集系统和数据存储系统采集系统和数据存储系统 自补偿应变花自补偿应变花 12通道正输出12通道012012012测量通道12通道负输出in电路调平R1R2R1:热敏测温传感器 R2：电路温度标定电阻12个电阻双温度补偿电桥电路图及集成板路 双温度补偿电桥电路图及集成板路 北 京 科 技 大 学University of Science and Technology Beijing 原位数字化空心包体应变计特点：原位数字化空心包体应变计特点：1、可作为应力监测仪器进行短期或长期的应力监测；2、采用原位数字化设计，无需导线

9、引出；3、微型采集仪电路采用ADuC847微处理器芯片，5V蓄电池供电，以稳压芯片代替传统的稳压模块，多路模拟开关分别控制各通道开合，具有漂移自补偿功能；4、基于完全温度补偿原理对采集通道和采集仪本身进行温度变化的补偿和修正；5、具有断电续采功能，同温度条件下精度+20；6、采用高强度无磁性铝合金材料，装置后部仪器腔内用导热硅胶封装，具有良好的防水、散热和减震性能；7、采集仪共有连续工作、定时工作、微待机定时工作和待机工作四种工作方式，使用时可以针对地应力采集或者应力监测时的不同需求自定义工作方式；8、采集间隔1240min可调，可根据记录号随时提取存储数据，随时查看当前运行参数指令；具有无限

10、传输功能；浮充式充电系统 采集系统和数据存储系统 自补偿应变花 CSIRO地应力测量方法发展 北 京 科 技 大 学University of Science and Technology Beijing 完全温度补偿技术及双温度补偿方法 深部地应力测量中，温度剧烈波动和未考虑岩体非线性特征产生的误差不能忽略。1.温度波动幅度达(地层温度与冷却水温度相差过大(30 三山岛地应力测量)，对原位数字化空心包体设备的影响尤其明显);2.高应力水平下岩体非线性特征明显，传统线弹性假设计算结果会有较大偏差;Rock mass T3 T2 Pilot hole Borehole Logging syste

11、m Rock mass T1 T1 Pilot hole T2 T1:Temperature of rock mass T2:Temperature in borehole T3:Temperature in tunnel 在蔡美峰教授发明的完全温度补偿原理的基础上，结合原位数字化无线空心包体应变计测量特征，提出双温度补偿方法（在蔡美峰教授发明的完全温度补偿原理的基础上，结合原位数字化无线空心包体应变计测量特征，提出双温度补偿方法（2017）。）。温度的双重影响:a.温度变化产生岩芯-应变片系统非应力影响下的热输出（测量系统+岩芯）;b.温度变化对采集电路的影响（常规测量未考虑）。北 京 科

12、技 大 学University of Science and Technology Beijing 完全温度补偿技术及双温度补偿方法 改进型专用电桥电路改进型专用电桥电路 地应力测量中，可以将解除的带有包体的岩芯进行温度标定，获取岩芯-应变片系统温度系数。地应力解除中小孔内应变片附近的温度变化由内置的温度传感器记录下来。温度扰动产生的热输出，由测量得到的温度变化量乘以标定得到的温度系数计算得到。最终解除应变等于测量应变量减去温度热输出应变。理想状态：接触前后温度平衡；采集电路不受温度变化影响。探头编号 温度传感器 12通道正输出12通道012012012测量通道12通道负

13、输出in电路调平R1R2R1:热敏测温传感器 R2：电路温度标定电阻12个电阻温度的双重影响:a.温度变化产生岩芯温度变化产生岩芯-应变片系统非应力应变片系统非应力影响下的热输出（测量系统影响下的热输出（测量系统+岩芯）岩芯）;b.温度变化对采集电路的影响（常规测量未考虑）。北 京 科 技 大 学University of Science and Technology Beijing 完全温度补偿技术及双温度补偿方法 岩体 T3 T2 小钻孔 钻孔 采集器 岩体 T1 T1 小钻孔 T2 T1:岩体温度 T2:钻孔内温度 T3:隧道内温度 由于应力中孔内温度不断变化，因此测量时需规范操作步骤以

14、减少操作不当引起的温度扰动。其中:1.解除开始前和解除完成后，需连续冲水至少30分钟，保证孔内温度基本稳定;2.由于新型数字化空心包体采集电路位于钻孔内，解除时电路板温度变化剧烈。因此将低温度系数电阻(1 ppm）加入测量电路板中(R2）用以标定电路板受温度变化影响程度。a.10 温度变化会引起 5-10 的误差。b.新型温度标定方法正在研发中，标定后不需要低温度系数电阻，采用高精度铂金热敏电偶进行温度矫正。温度的双重影响:a.温度变化产生岩芯-应变片系统非应力影响下的热输出（测量系统+岩芯）;b.温度变化对采集电路的影响（常规测量未考虑）。温度变化对采集电路的影响（常规测量未考虑）。北 京

15、科 技 大 学University of Science and Technology Beijing 完全温度补偿技术及双温度补偿方法 应变自补偿技术的应用：应变自补偿技术的应用：（1）考虑测量中完全稳态的温度场难以达到）考虑测量中完全稳态的温度场难以达到（2）胶体基质与岩石贴片温度系数不同）胶体基质与岩石贴片温度系数不同 (/)()tgsgtt -热输出应变热输出应变;g-阻值温度系数；阻值温度系数；g-应变片线膨胀系数；应变片线膨胀系数；-应变片应变阻值比；应变片应变阻值比；s-岩石线膨胀系数岩石线膨胀系数;t-温度变化量温度变化量.岩芯岩芯-应变片热输出大小由岩石和应变片热膨胀性质共同

16、决定：应变片热输出大小由岩石和应变片热膨胀性质共同决定：试块材料试块材料 CSIRO空心包体应变计空心包体应变计 z 45 煤煤 21.9 31.4 27.7 砂岩砂岩 23.8 26.2 23.3 大理岩大理岩 2.5 13.1 32.2 混凝土混凝土1 35.7 28.9 19.4 混凝土混凝土2 31.1 26.2 20.8 水泥水泥 29.8 20.7 17.3 水泥（水泥（T20）60.1 53.8 46.1 水泥（水泥（T50）46.3 28.2 32.3 水泥（水泥（T80）41.0 28.1 23.7 温度应变标定结果（/C）北 京 科 技 大 学University of S

17、cience and Technology Beijing 完全温度补偿技术及双温度补偿方法 康铜合金应变片，采用两种金属配合的方法实现对应变片热膨胀系数的调节。22:4800:0001:1202:2403:3604:4806:0007:1208:24-300-300400403020Thermal output of gauge strain Time(hh:mm)A B10热输出试验结果:A 应变片基质为花岗岩;B 应变片基质为1.5mm 后环氧树脂贴片 约为 3/.例子：11型温度自补偿应变片温度系数标定为9.2/。用以匹配三山岛花岗岩试样。温度热输出试验结果

18、如图所示。岩石种类岩石种类 线膨胀系数线膨胀系数（10-6/）岩石种类岩石种类 线膨胀系数线膨胀系数（10-6/）闪长岩闪长岩 1.8-11.9 白云岩白云岩 6.7-8.6 大理岩大理岩 1.1-16.0 石灰岩石灰岩 0.9-12.2 砂岩砂岩 4.3-13.9 花岗岩花岗岩 4.2-9.6 北 京 科 技 大 学University of Science and Technology Beijing 双温度不偿方法与传统空心包体地应力测量方法的比较（三山双温度不偿方法与传统空心包体地应力测量方法的比较（三山岛金矿、李楼铁矿）岛金矿、李楼铁矿）完全温度补偿技术及双温度补偿方法 三山岛金矿测

19、点水平：-795 m，-825 m。030600030004000Micro strainCollection time(min)A135 A90 A45 A0 B135 B90 B45 B0 C135 C90 C45 C0 T1 T2北 京 科 技 大 学University of Science and Technology Beijing 完全温度补偿技术及双温度补偿方法 030600030004000Micro strainCollection time(min)A135 A90 A45 A0 B135 B90 B45

20、 B0 C135 C90 C45 C0 T1 T2030600030004000Micro strainCollection time(min)A135 A90 A45 A0 B135 B90 B45 B0 C135 C90 C45 C0(c)-795 水平解除数据:a 原始数据;b 双温度算法处理后应变数据;通道通道 A135 A90 A45 A0 B135 B90 B45 B0 C135 C90 C45 C0 T1 T2 传统数据处理方法传统数据处理方法()1195 1395 1558 788 1693 1642 1784 1923 2245 2012 1

21、591 1365 42.40 65 完全温度标定结果完全温度标定结果(/)49 63 56 50 28 17 34 60 36 12 28 61 10.90 22 完全温度补偿后数据完全温度补偿后数据()1004 1150 1340 594 1584 1576 1652 1690 2105 1965 1482 1128 42.40/双温度算法补偿后数据双温度算法补偿后数据()1075 1247 1424 666 1616 1587 1695 1781 2151 1967 1514 1221/北 京 科 技 大 学University of Science and Technology Beij

22、ing 高压双轴加载系统 2222rRERr x z y A90 B90 C90 A0(Axial)A45 A90(Tangential)B0(Axial)B45 B90(Tangential)C0(Axial)C45 C90(Tangential)024681086420-1500- A0 A45 A90 B0 B45 B90 C0 C45 C90024681086420-1500- Micro strain Confining pressure/MPa 21222RrREkror -a传统空心包体地应力测量采用岩芯的线弹性假设以双轴加载-卸载

23、试验推算岩芯弹模和泊松比:深部地应力测量中，温度剧烈波动和未考虑岩体非线性特征产生的误差不能忽略。1.温度波动幅度达(地层温度与冷却水温度相差过大(30 三山岛地应力测量)，对原位数字化空心包体设备的影响尤其明显);2.高应力水平下岩体非线性特征明显，传统线弹性假设计算结果会有较大偏差高应力水平下岩体非线性特征明显，传统线弹性假设计算结果会有较大偏差;北 京 科 技 大 学University of Science and Technology Beijing Environmental Systems&Services Core Diameters A 110-150mm diameter(

24、0-30 MPa)B 70-110mm diameter(0-40 MPa)C 40-70mm diameter(0-40 MPa)Core Lengths Minimum 200mm Cell Type Hoek Pressurisation System Enerpac hand pump with gauge and 1.5m hose Housing Dimensions 500 x 700 x 450mm35 Kg Fittings”BSP 高压双轴加载系统 rubber sleevebleed valvepressure gaugethree-way control valvehi

25、gh pressure hosepressurization speed controllerpressure monitorhand pumpbiaxial test chamber 研发了高压双轴试验系统（2018升级版），可实现双轴高压加载，模拟深部应力水平，可实现长效加载。北 京 科 技 大 学University of Science and Technology Beijing 高压双轴加载系统 rubber sleevebleed valvepressure gaugethree-way control valvehigh pressure hosepressurization

26、speed controllerpressure monitorhand pumpbiaxial test chamber缸体试验压力400MPa；碳纤维自密封皮套试验压力目前最高为120 MPa（1mm缝隙条件下）；多尺寸岩芯通用型设计。长效加载功能，目前最长稳定测试时间60天。0554045-4900-4200-3500-2800-2100- Gauge strain Biaxial stress(MPa)A90 A0 B90 B0 C90 C0北 京 科 技 大 学University of Science and Technology Be

27、ijing 高压双轴加载系统 双轴试验中考虑岩石非线性特征的率定公式推导：0pKKabp0=pG Gcdp花岗岩、千枚岩、白云岩、砂岩等试样进行不同尺度，不同压力下双轴、单轴、三轴试验，推导了岩石应力水平和体积模量、剪切模量的关系(李远，2016)01=pdKadp01=K pultKKb01=pdGcdp01=GpultGGd 1、当P无穷大时，体积模量K和剪切模量G的值趋近渐近线K0+1,G0+1。因此1/b,1/d分别为体积模量和剪切模量的极限增量。2、当P=0时K和G的导数值趋近1/a和1/c,因此1/a,1/c分别为体积模量和剪切模量的初始切向增长率。3、K0，G0为初始体积模量和初

28、始剪切模量。0.00.10.20.30.40.50.60.70.81.61.82.02.22.42.62.83.0标准化p标准化KEquation y=1+x/(A+B*x)Adj.R-Square0.99333 A 0.093 B 0.403 K0=5GPa peak/3=30MPa0.00.10.20.30.40.50.60.70.81.82.02.22.42.62.83.03.2标准化p标准化GEquation y=1+x/(C+D*x)Adj.R-Square0.98963 C 0.070 D 0.402 G0=6GPa peak/3=30MPa北 京 科 技 大 学Universit

29、y of Science and Technology Beijing 高压双轴加载系统 双轴试验中考虑岩石非线性特征的率定公式推导：2222RrpREr=-ap双轴率定推导中引入上述非线性公式。假设应力水平变化不大时可以采用分段线性逼近非线性曲线，则可将原围压率定公式改写为增量形式：22223(12)raRRrK22222(1)raRRrG23rp x z y A90 B90 C90 A0(Axial)A45 A90(Tangential)B0(Axial)B45 B90(Tangential)C0(Axial)C45 C90(Tangential)评面应力状态中 北 京 科 技 大 学Un

30、iversity of Science and Technology Beijing 22223(12)raRRrK22222(1)raRRrG23rp222(2)apRKRr22232()apRGRr0pKKabp0=pG Gcdp22200()(2)(1)aab ppRa Kb Kp Rr22200()3()(1)2()acd ppRc Kd KpRr高压双轴加载系统 北 京 科 技 大 学University of Science and Technology Beijing 000(1)2222003()ln(1)2()(1)c Gd Gpc GaRd pcd GRrd G051015

31、202530354045-4900-4200-3500-2800-2100- Gauge strain Biaxial stress(MPa)A90 A0 B90 B0 C90 C0000(1)222200(2)ln1(1)a Kb Kpa KaRb pab KRrb K将上述增量式积分，并考虑压力=0时应变为0的边界条件：高压双轴加载系统 000(1)212220000(2)ln(1)(1)a Kb Kpa KaRppakKK b KRrb K000(1)2122200003()ln(1)2()(1)c Kd Kpc KaRppckKK d KRrd K若考虑环氧树脂

32、胶层厚度的影响，可以同时引入系数k1(具体过程请见相关论文，Yuan LI,2018):北 京 科 技 大 学University of Science and Technology Beijing 高压双轴加载系统 0.02.55.07.510.012.515.017.5-1400-1200-1000-800-600- Gauge strain Biaxial stress(MPa)02004006008000024681012+2aMicro strainMean stress(MPa)-a 双轴加载数据的非线性拟合结果双轴加载数据的非线性拟合结

33、果 双轴加载数据的线性拟合结果双轴加载数据的线性拟合结果 055404550-4200-3500-2800-2100- Gauge strain Biaxial stress(MPa)李楼铁矿大理岩解除岩芯测试数据对比李楼铁矿大理岩解除岩芯测试数据对比 05001000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 5000055 +2aMicro strainMean stress(MPa)-a 三山岛金矿花岗岩解除岩芯测试数据对比 双轴加载数据的非线性拟合结果双轴加载数据的非线性拟合结果 双轴加载数

34、据的线性拟合结果双轴加载数据的线性拟合结果 北 京 科 技 大 学University of Science and Technology Beijing 岩性岩性 平均应力平均应力(MPa)线弹性理论计算结果线弹性理论计算结果 考虑岩石非线性计算结果考虑岩石非线性计算结果 E(GPa)K(GPa)G(GPa)k1 E(GPa)K(GPa)G(GPa)k1 大理岩大理岩（李楼铁（李楼铁矿）矿）10.67 38.85 0.10 16.35 17.60 1.2040 45.78 0.07 17.90 21.32 1.2124 9.39 45.20 0.08 17.81 20.98 1.2117 8

35、.02 44.41 0.08 17.69 20.53 1.2107 6.72 43.43 0.09 17.53 19.98 1.2096 5.39 42.08 0.09 17.30 19.22 1.2079 4.05 40.11 0.11 16.92 18.15 1.2053 2.73 37.10 0.12 16.27 16.57 1.2011 1.33 31.27 0.14 14.59 13.68 1.1919 花岗岩花岗岩（三山岛（三山岛金矿）金矿）30.00 27.30 0.16 13.38 11.77 1.0732 46.86 0.20 26.29 19.48 1.0842 25.44

36、 42.99 0.20 23.60 17.97 1.0828 23.32 41.05 0.19 22.29 17.20 1.0820 20.02 37.82 0.19 20.15 15.93 1.0805 16.67 34.25 0.18 17.86 14.51 1.0784 13.41 30.45 0.17 15.51 12.98 1.0757 10.12 26.27 0.16 13.00 11.29 1.0718 6.77 21.57 0.15 10.29 9.37 1.0657 3.47 16.44 0.13 7.46 7.26 1.0551 线性及非线性算法结果对比线性及非线性算法结果

37、对比 高压双轴加载系统 北 京 科 技 大 学University of Science and Technology Beijing 未来计划(2018-2020)1.原位岩体应变动静一体化监测系统（2018）：基于CSIRO测量原理和原位数字化包体技术；自适应调节，适合静态、动态、长期岩体应变监测；云系统数据处理 2.新型HID探头，实现解除过程中多频波速的实时测量（2019）：HID CSIRO 测量设备中内嵌超声波探头；多频段信号首发功能；解除过程中弹性模量和泊松比实时获取。北 京 科 技 大 学University of Science and Technology Beijing