高精度三向应变计CKX-97型空心包体式钻孔

3.4.2.1　观测值方程组

CKX-97型空心包体式钻孔三向应变计，是钻孔孔壁应变测量法的另一类测量设备（应变丛嵌固在钻孔岩壁上的环氧树脂层中）。它是长江科学院根据澳大利亚的CSIRO应变计改进后研制的。这种应变计布设了等间距3个应变丛（即s=3），它们的极角θi=-90°，150°，30°，每个应变丛布置4个应变片（即t=4），它们的倾斜角是随应变丛而异，第一丛（θ1=-90°）：φ1j=0°，45°，90°，120°；第二丛（θ2=150°）：φ2j=0°，45°，90°，90°；第三丛（θ3=30°）：φ3j=45°，90°，90°，120°，如图3-11所示。应变片的倾斜角因不同的应变丛而不同，是由于多增加对解除应变信号比较敏感的切向应变片（切向应变片由一般的3片增加到5片），这样增加了应变计的测量精度。这种空心包体式钻孔三向应变计的一次测量可获得12个观测值方程，它们的应力系数Ak1～Ak6列于表3-8。

图3-11　CKX-97型空心包体式钻孔三向应变计应变片的布置图

3.4.2.2　应变计的结构

CKX-97型空心包体式钻孔三向应变计的外形尺寸为34mm×240mm，粘贴应变片部位长度约100mm，重量约0.5kg，前端还具有可根据测量钻孔的深度调节长度的导向棒，量测范围与CJS-1型钻孔三向应变计一样，为0～±3 000με，测量精度1με，灵敏度（二次仪表分辨能力）1με，测量钻孔孔径36mm，套钻钻孔孔径130mm。能适合于勘探平洞或其他洞室、隧洞中的水平向和垂直向无水或有水的钻孔中进行测量。最大测深约50m。

应变计的制作先将3个应变丛沿圆周间隔120°分布粘贴在薄的环氧树脂圆筒上，3个应变丛内各布置4个应变片（它们的倾斜角是各不相同的）。应变片接线完成后，在外层再浇注一层薄的环氧树脂层，也即这种应变计的测量系统由嵌固在环氧树脂层中的12个应变片组成，补偿室放在应变计的尾部。外层的环氧树脂层对该测量系统起到了保护作用，给实际操作提供了保障。

环氧树脂筒有一个足够大的内腔，用来贮存粘结剂，另有一个环氧树脂柱塞。使用时将应变计胶筒内腔装满粘结剂，然后将柱塞插入内腔约1.5cm深处，用铝丝作为销钉将其固定。柱塞的另一端有一木质导向定位棒，使其应变计顺利安装在预测的位置上。将应变计插入测孔中的预定位置后，用力推动安装杆，切断铝丝销钉，粘结剂经柱塞小孔流出，进入应变计和测孔岩壁的间隙里。待粘结剂完全固化后，即可进行套心解除。CKX-97型空心包体式钻孔三向应变计结构示意图如图3-12。

图3-12　CKX-97型空心包体式钻孔三向应变计结构图

1-电缆 2-安装杆 3-安装定向销钉 4-密封圈 5-补偿室 6-粘结剂7-应变丛 8-销钉 9-活塞 10-出胶孔 11-导向棒 12-钻孔

3.4.2.3　测量程序

1）钻孔

用ø130mm金刚石钻头开孔并钻进到预测深度后卡断岩心，孔内残留岩心不得超过5cm，磨平孔底岩面，钻便于导正的喇叭口或浅小孔，然后用ø36mm金刚石钻头从ø130mm钻孔孔底同心钻进45cm左右。钻孔方向，如要求钻孔无水，则上倾3°～5°，如不要求钻孔无水，则可任意。

2）洗孔(www.xing528.com)

测量孔钻探完毕，观察小岩心的完整情况，若岩心较为完整，且无大的节理裂隙面，则用清水冲洗，清除测量孔中的岩粉，并用脱脂纱布擦干测孔岩壁（如钻孔可以有水，就不需要做这一步工作）；如岩心不符合测量要求，则用ø130mm钻孔套钻重复第一步工作。

3）安装

配制好环氧树脂粘结剂或水下胶粘结剂后，注入应变计胶筒内腔，用若干铝丝销钉固定好柱塞，用带有定向器的安装杆细心将应变计送到预测位置，推动安装杆，切断定位销钉，粘结剂从应变计排胶孔挤出，充满应变计与钻孔岩壁之间的空隙。

4）解除与测试

待粘结剂完全固化后，记录应变计的安装角和深度、钻孔的倾角和方位角。将测量电缆穿过钻具、钻杆等引出并接入仪器进行预调。然后冲水，使仪器读数稳定后再钻进。用ø130mm金刚石钻头套钻解除，每钻进3cm测读一次，在应变丛粘贴部位前后1.5倍测孔直径范围内需每钻进2cm测读一次，直至读数稳定（解除深度应超过应变丛粘贴部位后测孔孔径的两倍）。

3.4.2.4　澳大利亚CSIRO型三向应变计的特点

澳大利亚是开展地应力测量工作较早的国家之一，1957年由Alexandar，L.G.和Worotnicki，G.首次在新南威尔士的雪山水电站采用扁千斤顶法获得地应力实测资料。从那时起，配合采矿、地下建筑工程和地震研究在境内进行了数百次地应力测量。1963年以后，当国际上普遍采用钻孔应变计，出现了各种形式的钻孔三向应变计时，澳大利亚联邦科学和工业研究组织（CSIRO）资源开发研究所岩石力学部于1976年研制出第一代CSIRO型空心包体式钻孔三向应变计，由于它具有操作简单、测试成功率高、试验周期短、能适应地质条件较差的岩体等优点，目前已成为世界上最广泛采用的地应力测量设备。在后来的使用过程中，又对CSIRO型空心包体式三向应变计原设计作了很多改进［36］［37］。

澳大利亚CSIRO型三向应变计有两个独有的特点：测量元件应变片的优化布置形式和对解除应变实测值进行修正，可以使地应力实测成果更精确。本节主要介绍第一个特点，对第二个特点，长江科学院也曾实践过，将在工程应用中介绍。

澳大利亚CSIRO型三向应变计的测量元件应变片，为适应测量对象的岩石含有多节理和多微裂隙的特点，采用有效长度为10mm的电阻丝应变片。应变片的布置摆脱了传统的形式，除了布置3个常规的三分量应变丛外，单独又布置了3个应变片，共12个应变片，一次测量可获得12个观测值方程。因测量钻孔的直径较小，圆周角稍微变化会引起应力状态的较大变化，应变丛中每个应变片的有效面积中心不可能处于同一极角上，因此，每个应变片所处的极角和倾斜角是单独计算的，具体布置如图3-13和表3-9所示［24］。

图3-13　CSIRO型三向应变计应变片的布置

表3-9　澳大利亚CSIRO型三向应变计测量元件应变片的布置

注：θ为应变片的极角，φ为应变片的倾角，即与应变计轴线夹角。

图3-13中应变片的布置形式是孔口往孔底看的，也即钻孔座标系的轴z由孔底指向孔口。第1组应变片为A0，A90，A45，D135，最大极角间隔为23°，应变片的倾斜角分别为0°，90°，45°，135°；第2组应变片为B45，B135，B90，E90，最大极角间隔为46.5°，应变片的倾斜角分别为45°，135°，90°，90°；第3组应变片为C0，C90，C45，F90，最大极角间隔为30°，应变片的倾斜角分别为0°，90°，45°，90°。3组应变片的极角平均间隔为126.5°，106°，127.5°，与传统应变计的应变丛布置间隔为120°相差不多。CSIRO型三向应变计的应变片倾斜角为90°的有5片，倾斜角为45°的有3片，倾斜角为0°和135°的各有2片。增加倾斜角90°切向应变片的数量，是因为切向应变片最为灵敏，有利于测量精度的提高。

虽然澳大利亚CSIRO型三向应变计与长江科学院CKX-97型空心包体式钻孔三向应变计在应变片布置形式上没有大的区别（只在第4个应变片的倾斜角前者是135°，后者是120°），但是澳大利亚CSIRO型三向应变计强调的是12个应变片所处的极角和倾斜角在实测数据整理时需要各自计算，这样避免了各个应变片所处的极角和倾斜角与设计角度的偏差而引起的测量误差，这是我们在今后的地应力测量中应该借鉴的地方。具体布置如图3-13和表3-9所示。［34］