本發(fā)明涉及巖土試驗領(lǐng)域，具體是一種解除應(yīng)力測量法測量精度的校驗裝置及方法。

背景技術(shù)：

水利、水電、交通、核電和采礦等行業(yè)進行地下建筑物設(shè)計時需要進行地應(yīng)力測量，其中一類較為常用的測量方法是應(yīng)力解除法，包括孔壁應(yīng)變法、孔徑應(yīng)變法和孔底應(yīng)變法。以上各種方法均有不同的儀器設(shè)備進行測試，如孔壁應(yīng)變法有空心包體應(yīng)變計，孔徑應(yīng)變法有孔徑變形計等。各測試設(shè)備依據(jù)測量過程中獲得的變形數(shù)據(jù)、測量元件的分布和測量材料的物理性質(zhì)進行計算，從而獲得測量部位的應(yīng)力特征。對于以上方法而言，由于測量過程復(fù)雜，測試過程中設(shè)備本身帶入的系統(tǒng)誤差，加上測試巖體的各向異性，測試過程帶入的隨機誤差的因素多，測試結(jié)果往往隨機變動大，因此，測試儀器和測試方法的精度易受到質(zhì)疑。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

針對上述不足，本發(fā)明提供一種解除應(yīng)力測量法測量精度的校驗裝置及方法，通過建立仿真試驗?zāi)Ｐ?、對模型施加已知?yīng)力環(huán)境的仿真試驗，從而對單個測試方法、技術(shù)或設(shè)備的測試精度進行校驗，或者進行不同方法間的測試精度比較。

一種解除應(yīng)力測量法測量精度的校驗裝置，包括試驗巖石洞室、設(shè)于試驗洞室內(nèi)的試驗臺、設(shè)于試驗臺的試驗材料、用于對試驗材料進行加載的預(yù)應(yīng)力加載裝置、與預(yù)應(yīng)力加載裝置連接的鉆機及附屬設(shè)備、埋設(shè)于試驗材料的應(yīng)力測試元件及與應(yīng)力測試元件連接的試驗儀器，所述應(yīng)力測試元件由鉆機及附屬設(shè)備對試驗材料進行鉆孔后埋設(shè)于孔內(nèi)；所述預(yù)應(yīng)力加載裝置包括設(shè)于試驗材料前端面的前置傳力板、支撐設(shè)于上部洞室墻壁和試驗臺之間的反力柱、設(shè)于試驗材料各個端面的傳力部件以及加壓及支撐部件，應(yīng)力測試元件與傳力部件受力接觸，加壓及支撐部件與傳力部件連接。

進一步的，所述試驗材料為介質(zhì)材料均勻的水泥、各向同性無裂隙巖體或顆粒細微的混凝土材料。

進一步的，試驗材料的截面大于等于400mm×400mm。

一種解除應(yīng)力測量法測量精度的校驗裝置，包括如下步驟：

第一步、建立已知應(yīng)力環(huán)境的室內(nèi)試驗加載模型，所述試驗加載模型包括試驗巖石洞室、設(shè)于試驗洞室內(nèi)的試驗臺、設(shè)于試驗臺的試驗材料、用于對試驗材料進行加載的預(yù)應(yīng)力加載裝置、與預(yù)應(yīng)力加載裝置連接的鉆機及附屬設(shè)備、埋設(shè)于試驗材料的應(yīng)力測試元件及與應(yīng)力測試元件連接的試驗儀器，所述應(yīng)力測試元件由鉆機及附屬設(shè)備對試驗材料進行鉆孔后埋設(shè)于孔內(nèi)；試驗洞室的外圍為經(jīng)過加固的洞室墻壁，所述預(yù)應(yīng)力加載裝置包括設(shè)于試驗材料前端面的前置傳力板、支撐設(shè)于上部洞室墻壁和試驗臺之間的反力柱、設(shè)于試驗材料各個端面的傳力部件以及加壓及支撐部件，應(yīng)力測試元件與傳力部件受力接觸，加壓及支撐部件與傳力部件連接；

第二步、通過加壓及支撐部件、傳力部件對試驗材料進行預(yù)應(yīng)力加載；

第三步、仿真試驗：對試驗材料的加載完成并穩(wěn)定變形后，由鉆機及附屬設(shè)備對試驗材料進行鉆孔，完成應(yīng)力測試元件的埋設(shè)，隨后在試驗過程中通過試驗儀器完成對試驗數(shù)據(jù)的采集，通過試驗儀器進行檢測或監(jiān)測應(yīng)力場變化，隨后完成其它輔助試驗和測試結(jié)果計算；

第四步、分別采用各主應(yīng)力量值和角度的相對誤差平方和的均方根進行表述量值和角度綜合誤差，具體的，

單個試驗材料的三維或者二維各主應(yīng)力測量誤差εi由(1)式表示:

k＝2或者3(1)

其中k為維度，k為2時對應(yīng)為二維應(yīng)力測試方法，k為3時對應(yīng)三維應(yīng)力測量方法，規(guī)定三個主應(yīng)力量值分別為σ1、σ2和σ3,仿真測試結(jié)果的主應(yīng)力量值分別為σ1′、σ2′和σ3′，σk(k的取值在二維應(yīng)力校驗時取值1～2，三維應(yīng)力測試時為1～3)代表試驗加載主應(yīng)力的真值，σk′為測試結(jié)果值，主應(yīng)力量值分別為σ1′、σ2′和σ3′，方位角分別為α1′、α2′和α3′，傾角分別為1′、2′和3′，二維應(yīng)力量值的大、小主應(yīng)力分別為σ1′和σ2′，角度分別為α1′和α2′，

各參數(shù)所在坐標(biāo)系中，規(guī)定三維主應(yīng)力量值分別為σ1、σ2和σ3，方位角分別為α1、α2和α3，各角度以正x軸向為0°，向y軸正向偏轉(zhuǎn)為正，取值范圍為±180°，傾角分別為1、2和3，取值范圍為±90°。二維應(yīng)力量值的大、小主應(yīng)力量值分別為σ1和σ2，角度分別為α1和α2，取值范圍為±90°，δi-k為單個主應(yīng)力測量對真值的相對誤差，δi-max為最大誤差值，

多個仿真試驗的主應(yīng)力測量誤差為：

單個仿真試驗三維應(yīng)力測量的角度誤差為：

其中，|αk-αk'|和|βk-βk'|為角度偏差，ξk和ζk為角度偏差相對值，θi-max為角度偏差的最大值；

二維應(yīng)力測量的角度誤差為：

多個試驗樣本的角度測量誤差為：

采用以上處理的測量誤差表示方法可以定量表述一個測量方法或設(shè)備的測量精度，建議量值綜合誤差和角度綜合誤差分別比較

通過本發(fā)明提供的解除應(yīng)力測量法測量精度的校驗裝置可對單個測試方法進行仿真試驗，并對設(shè)備的測試精度進行校驗，或者進行不同方法間的測試精度比較，而且本發(fā)明根據(jù)試驗應(yīng)力場真值和測試值，綜合參照相對誤差和標(biāo)準(zhǔn)差概念提出了二維和三維應(yīng)力測量精度的定量表述方法，可以達到對測試方法(設(shè)備)進行仿真試驗進行改進的目的，而且可以對測試精度進行校驗或?qū)Σ煌瑴y試方法進行測量精度對比。

附圖說明

圖1是本發(fā)明解除應(yīng)力測量法測量精度的校驗裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2是本發(fā)明的試驗坐標(biāo)系示意圖。

圖中：1—試驗洞室，2—試驗臺，3—試驗儀器，4—鉆機及附屬設(shè)備，5—前置傳力板，6—反力柱，7—洞室墻壁，8—試驗材料，9—傳力部件，10—加壓及支撐部件。

具體實施方式

下面將結(jié)合本發(fā)明中的附圖，對本發(fā)明中的技術(shù)方案進行清楚、完整地描述。

請參考圖1，本發(fā)明解除應(yīng)力測量法測量精度的校驗裝置包括試驗洞室1、設(shè)于試驗洞室1內(nèi)的試驗臺2、設(shè)于試驗臺2的試驗材料8、用于對試驗材料8進行加載的預(yù)應(yīng)力加載裝置、與預(yù)應(yīng)力加載裝置連接的鉆機及附屬設(shè)備4、埋設(shè)于試驗材料8的應(yīng)力測試元件(圖未示出)及與應(yīng)力測試元件連接的試驗儀器3。

試驗洞室1的外圍為試驗洞室墻壁7，所述預(yù)應(yīng)力加載裝置包括設(shè)于試驗材料8前端面的前置傳力板5、支撐設(shè)于上部洞室墻壁7和試驗臺2之間的反力柱6、設(shè)于試驗材料8各個端面的傳力部件9以及加壓及支撐部件10，應(yīng)力測試元件與傳力部件9受力接觸，加壓及支撐部件10與傳力部件9連接。

本發(fā)明還提供一種解除應(yīng)力測量法測量精度的校驗方法，所述方法包括如下步驟：

第一步，充分利用勘探洞室，建立已知應(yīng)力環(huán)境的室內(nèi)試驗加載模型，如圖1所示，所述試驗加載模型包括試驗巖石洞室1、設(shè)于試驗洞室1內(nèi)的試驗臺2、設(shè)于試驗臺2的試驗材料8、用于對試驗材料8進行加載的預(yù)應(yīng)力加載裝置、與預(yù)應(yīng)力加載裝置連接的鉆機及附屬設(shè)備4、埋設(shè)于試驗材料8的應(yīng)力測試元件及與應(yīng)力測試元件連接的試驗儀器3，所述應(yīng)力測試元件由鉆機及附屬設(shè)備4對試驗材料8進行鉆孔后埋設(shè)于孔內(nèi)；試驗洞室1的外圍為經(jīng)過加固的洞室墻壁7，所述預(yù)應(yīng)力加載裝置包括設(shè)于試驗材料8前端面的前置傳力板5、支撐設(shè)于上部洞室墻壁7和試驗臺2之間的反力柱6、設(shè)于試驗材料8各個端面的傳力部件9以及加壓及支撐部件10，應(yīng)力測試元件與傳力部件9受力接觸，加壓及支撐部件10與傳力部件9連接。試驗洞室1作為仿真試驗環(huán)境采用勘探巖石洞室，洞室溫度較為恒定、不需要加固，可以提供大試驗荷載，可減少試驗墻壁加固成本。

其中試驗材料8宜選用介質(zhì)材料均勻的水泥、各向同性無裂隙巖體或顆粒細微的混凝土材料等，試驗材料8的截面尺寸宜為400mm×400mm或以上。

第二步，模型加載。上述試驗?zāi)Ｐ徒M裝完成后，通過加壓及支撐部件10、傳力部件9對試驗材料8進行預(yù)應(yīng)力加載，可對試驗材料8施加已知的三維或二維預(yù)應(yīng)力環(huán)境。模型加載宜采用三向不等值加載(為了降低角度測量誤差，如x向為10mpa，y向8mpa，z向為6mpa等)，二維應(yīng)力測量時軸向(z向)加載為零；不同樣本間易采用相同加載方式。

第三步，仿真試驗。對試驗材料8的加載完成并穩(wěn)定變形后，由鉆機及附屬設(shè)備4對試驗材料8進行鉆孔，完成應(yīng)力測試元件的埋設(shè)，隨后在試驗過程中通過試驗儀器3完成對試驗數(shù)據(jù)的采集，通過試驗儀器3進行檢測或監(jiān)測應(yīng)力場變化，隨后完成其它輔助試驗和測試結(jié)果計算。

由上述加載裝置對試驗材料8進行的加載應(yīng)力場可認為是應(yīng)力場“真值”，如有必要可在實驗材料8靠近試驗部位或在試驗材料8及傳力部件9之間埋設(shè)合適的應(yīng)力應(yīng)變測量器件以確定應(yīng)力場真值。

在如圖2所示坐標(biāo)系中，規(guī)定三個主應(yīng)力量值分別為σ1、σ2和σ3，方位角分別為α1、α2和α3，各角度以正x軸向為0°，向y軸正向偏轉(zhuǎn)為正，取值范圍為±180°。傾角分別為1、2和3，取值范圍為±90°。二維應(yīng)力量值的大、小主應(yīng)力量值分別為σ1和σ2，角度分別為α1和α2，取值范圍為±90°。

假設(shè)仿真測試結(jié)果的主應(yīng)力量值分別為σ1′、σ2′和σ3′，方位角分別為α1′、α2′和α3′，傾角分別為1′、2′和3′。二維應(yīng)力量值的大、小主應(yīng)力分別為σ1′和σ2′，角度分別為α1′和α2′。坐標(biāo)系和取值規(guī)定等同“真值”。

地應(yīng)力測量結(jié)果是多維度結(jié)果，本發(fā)明采用對測試結(jié)果的量值綜合誤差和角度綜合誤差分別表述，也可相加表述的辦法。量值和角度綜合誤差分別采用各主應(yīng)力量值和角度的相對誤差平方和的均方根進行表述，各主應(yīng)力量值和角度具有相同權(quán)重。

應(yīng)力量值誤差采用各主應(yīng)力測量相對誤差的均方根表示，則單個試驗材料8(多個重復(fù)試驗的第i個)的相對誤差由(1)式表示。其中k為維度，k為2時對應(yīng)為二維應(yīng)力測試方法，k為3時對應(yīng)三維應(yīng)力測量方法。多個(n個)試驗樣本的測量誤差如(2)式所示。

三維應(yīng)力測量的角度誤差定量表示為(3)式，二維應(yīng)力測量的角度誤差表示為(4)式，同類試驗的多個(n個)試驗樣本的角度測量誤差如(5)式所示。

第i個試驗材料的主應(yīng)力測量誤差為：

k＝2或者3(1)

多個(共n個)仿真試驗的測量誤差為：

第i個仿真試驗三維應(yīng)力測量的角度誤差為：

其中，|αk-αk'|和|βk-βk'|為角度偏差，ξk和ζk為角度偏差相對值，θi-max為角度偏差的最大值，式(4)同。

二維應(yīng)力測量的角度誤差表述為：

多個(共n個)試驗樣本的角度測量誤差為：

采用以上處理的測量精度表示方法可以定量表述一個測量方法(設(shè)備)的測量精度(測量誤差)，建議量值綜合誤差和角度綜合誤差分別比較。針對當(dāng)前的實際情況，一套地應(yīng)力測試設(shè)備或技術(shù)，單個主應(yīng)力量值相對誤差最大值δi-max小于0.3，主應(yīng)力測量誤差ε或小于0.3，各主應(yīng)力方位角和傾角角度偏差最大為30度的情況下(此時，δi＝0.26，θi-max＝0.33)，該測試設(shè)備或技術(shù)為合格測試技術(shù)。主應(yīng)力測試誤差和主應(yīng)力角度偏差越小說明測試技術(shù)測量精度越高。而超出以上范圍的測試技術(shù)或設(shè)備有待于進一步改進。

應(yīng)該說明，本發(fā)明給出了多維應(yīng)力測量技術(shù)(測量設(shè)備)的測試精度測定及定量描述的辦法，對于不同測試方法間比較或改進測試儀器具有創(chuàng)新性和實用性，能夠促進該行業(yè)的健康發(fā)展。

以上所述，僅為本發(fā)明的具體實施方式，但本發(fā)明的保護范圍并不局限于此，任何屬于本技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員在本發(fā)明揭露的技術(shù)范圍內(nèi)，可輕易想到的變化或替換，都應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。