一種巖石三維應力狀態的光纖光柵測試裝置及測試方法
2023-12-10 00:44:21 1
專利名稱：一種巖石三維應力狀態的光纖光柵測試裝置及測試方法
技術領域：
本發明涉及巖石應力測試領域，尤其涉及一種巖石三維應力狀態的測試裝置及測試方法。
背景技術：
我國是世界上自然災害頻發的國家之一，煤礦事故、泥石流及山體滑坡等災害頻繁發生，造成的經濟損失難以估計。而許多嚴重惡性事故的發生是由於對巖體應力狀態及內部缺陷不了解所造成。及時識別從微觀到宏觀的力學信號在巖石中的表徵，並在危險的破壞到來之前發出預警，已經成為力學科學在新世紀中國發展中凸現出的9個關鍵力學問題之一。在外載荷作用下，巖石中缺陷的萌生、長大、擴展和匯合的過程導致了巖石的最終破壞，因此巖石的變形破壞是一個損傷演化的過程。而巖石內部應力狀態，特別是原巖應力被打破後三維應力狀態的改變會對裂紋的起裂、擴展及延伸起到至關重要的作用。因此，通過監測手段及時掌握巖石三維應力狀態信息，獲取裂紋擴展的致裂機理，是減少災害發生的最有效手段之一。目前，針對於巖石裂紋的發生、發展及破壞的巖石損傷力學檢測方法很多，如光學檢測法、CT、聲發射法、電磁輻射及紅外檢測等，但這些方法只能檢測巖石裂紋的擴展及演化，很難實現外載荷作用下巖石內部三維應力的測試。即相比於致裂機理檢測方法，對巖石內部應力狀態的檢測研究進展不大，特別是針對於大型工程巖體內部三維應力狀態的長期、有效檢測。就目前而言，對巖石內部三維應力狀態的檢測主要藉助原始地應力的檢測方法， 如水壓致裂法。所謂的水壓致裂法是指通過對巖石內部打孔並注入高壓水使巖石破裂的方法測試巖石內部應力的一種方法，從本質上講，水壓致裂法只是一種二維應力測量方法，若要決定一個三維應力場需打交匯於測點的三個互不平行的鑽孔，這幾乎是不可能的，且測量結果受巖石中的原生節理裂隙和人的經驗的因素影響極大。原始地應力的測試與外載荷作用下內部應力狀態的測試有著本質的差別前者只是測量無外界擾動下的原巖應力，不存在應力狀態改變及受載破壞的情況，後者則主要測試外界影響下如採動下的應力狀態的改變、應力分布規律等，應力信息動態變化，且伴隨外載荷作用下巖石的變形及破裂。應力解除法則是發展時間較長，理論上較為成熟的一種測量方法。在應力解除測量使用的各種儀器中，空心包體應變計是被使用最多的一種儀器。空心包體應變計的主要組成部分是一個由鋼、銅臺金或其它硬質金屬材料製成的空心圓柱，在其中心部位有一個壓力傳感元件，測量時首先在測點打一鑽孔，然後將該圓柱擠壓進鑽孔中，以使圓柱和鑽孔壁保持緊密接觸，就像焊接在孔壁上一樣。理論分析表明，位於一個無限體中的剛性包體， 當周圍巖體中的應力發生變化時，在剛性包體中會產生一個均勻分布的應力場，該應力場的大小和巖體中的應力變化之間存在一定的比例關係。設在巖體中的X方向有一個應力變
化O1 S「麼在空心包體中的χ方向會產生應力<，如下公式所示上述公式中，五，賢分別為巖體和剛性包體的彈性模量；V，Vr分別為巖體和剛性包體的泊松比。該儀器使用的傳感器仍為傳統的應變片，存在抗幹擾性、耐久性和長期穩定性等較差的缺點，很容易受外界影響而失效，難以適應現代工程監測的要求，因此，藉助地應力的測試方法對動態應力信息進行測量是很不現實的，需要不斷尋求適合巖石應力應變檢測的新的測試原理和方法。 光纖光柵是20世紀90年代以來國際上新興的一種有著廣泛應用前景的、性能優良的反射濾波無源敏感元件，通過Bragg光柵反射波長的移動來感應外界微小應變變化而實現對結構在線測量。該項技術在航空航天、複合材料、混凝土結構工程、電力工程及醫學等多個領域得到廣泛應用。國內外有關於將光纖光柵與錨杆技術相結合，形成傳感測試錨杆測試巖體內部變形的相關報導，或採用表面粘貼的方法將光纖光柵粘貼於巖石試件表面進行加載過程的應變或應力測試。但無論採用何種方法，由於光纖光柵的軸向敏感特性，都沒有實現三維應力的測試。
發明內容
本發明的目的是提供一種巖石三維應力狀態的測試裝置及測試方法，可以在巖體破壞前作出及時精確的響應，減少災害的發生。本發明採用下述技術方案一種巖石三維應力狀態的光纖光柵測試裝置，包括由光纖光柵網絡解調儀與計算機構成的數據處理模塊，光纖光柵網絡解調儀的信號輸出端與計算機的信號輸入端連接，還包括光纖光柵傳感結構，光纖光柵傳感結構由三個光纖光柵傳感器和用於安裝光纖光柵傳感器的基體，所述基體可隨巖石的形變產生形變，所述三個光纖光柵傳感器分別固定在基體表面的三維方向上；所述三個光纖光柵傳感器的信號輸出端均與光纖光柵網絡解調儀的信號輸入端連接。所述的基體為立方體模塊，三個光纖光柵傳感器分別固定在立方體模塊的三個相鄰表面的三維方向上。所述的基體為圓柱體模塊，三個光纖光柵傳感器分別固定在圓柱體模塊的圓柱面的三維方向上。所述的基體為三稜錐體模塊，三個光纖光柵傳感器分別固定在三稜錐體模塊的三個相鄰表面的三維方向上。所述的基體為混凝土模塊。利用所述的測試裝置測試巖石三維應力狀態的方法，將所述光纖光柵傳感結構植入巖石內部，利用三個光纖光柵傳感器感應巖石的三維應力的變化，再經過數據處理模塊計算即得出巖石的三維應力狀態。所述的基體為立方體模塊，三個光纖光柵傳感器分別固定在立方體模塊的三個相鄰表面的三維方向上。所述的基體為圓柱體模塊，三個光纖光柵傳感器分別固定在圓柱體模塊的圓柱面的三維方向上。所述的基體為三稜錐體模塊，三個光纖光柵傳感器分別固定在三稜錐體模塊的三個相鄰表面的三維方向上。所述的基體為混凝土模塊。本發明將三個光纖光柵傳感器固定在基體上形成三維應力測試結構，克服了光纖光柵僅對單方向應力敏感的缺點，以實現巖體內部三維應力場的測試過程，這對於採動下巖體內部應力變化規律及巖層垮落前微觀力學行為的信息獲取具有重要意義。其中光纖光柵傳感器具有極高的測試精度，還具有抗外界輻射、抗電磁幹擾等多個優點，可以測出微應變級的變形量，因此可以在巖體破壞前作出及時的響應，能夠實現巖石內部三維應力的高精度測量，由此實現大型工程巖體長期、有效的監測，更有利於災害的預防，減少災害的發生。本發明還對於人們探索巖石變形機理，實現新的礦山安全監測與預測預報技術及減少由於巖體的變形失穩而導致的自然災害等具有重要意義。
圖1為本發明中立方體光纖光柵傳感結構的示意圖； 圖2為本發明中數據處理模塊的電路原理框圖3為本發明圓柱體光纖光柵傳感結構的示意圖； 圖4為本發明中三稜錐體光纖光柵傳感結構的示意圖。
具體實施例方式如圖1、圖2所示，本發明一種巖石三維應力狀態的測試裝置包括光纖光柵網絡解調儀與計算機構成的數據處理模塊、還有光纖光柵傳感結構，其中光纖光柵傳感結構由三個光纖光柵傳感器21、22、23和用於安裝三個光纖光柵傳感器21、22、23的基體構成，本實施例中基體為立方體模塊1，三個光纖光柵傳感器21、22、23分別採用高強度的環氧樹脂膠粘貼在立方體模塊1的三個相鄰表面的三維方向上；三個光纖光柵傳感器21、22、23的信號輸出端均與光纖光柵網絡解調儀的信號輸入端連接，光纖光柵網絡解調儀的信號輸出端通過數據線與計算機的信號輸入端連接。所述光纖光柵網絡解調儀與計算機構成的數據處理模塊為現有技術，其中光纖光柵網絡解調儀包括光電轉換模塊、數據採集模塊、波長計算模塊和數據分析模塊。本實施例中所述的立方體模塊1為混凝土模塊，混凝土模塊由水泥、石英砂、水按質量比為1:1.5:1的比例混合而成，根據材料協調變形理論，混凝土模塊與巖石二者力學特性相似程度高，容易實現材料的協調變形，實現高精度測試；除此之外，立方體模塊1還可由其它材料構成，例如高強度複合材料、玻璃纖維等。如圖3所示，本發明中的基體還可為圓柱體3 ；三個光纖光柵傳感器21、22、23分別固定在圓柱體3的圓柱面的三維方向上；如圖4所示，本發明中的基體還可為三稜錐體 4;三個光纖光柵傳感器21、22、23分別固定在三稜錐體4的三個相鄰表面的三維方向上，分別對巖石的三維應力進行測量。如圖1、圖2所示，本發明對巖石進行測試時，通過打孔的方法將光纖光柵傳感結構植入巖石內部，採用混凝土封孔以固定光纖光柵傳感結構，使其和封孔混凝土與巖石成為一體。再通過外部加載的方式改變巖石三維應力狀態，三個光纖光柵傳感器21、22、23發生軸向應變的變化，再通過廣義胡克定律求出三維應力的變化過程。具體說，假設三個光纖光柵傳感器21、22、23分別為&、FyRFz,則/^軸平行於與χ軸，因此其僅對平行於χ軸方向的應力敏感，同理，Fy和&僅對平行於y軸、ζ軸的應力敏感。當光纖光柵傳感器21、 22、23同時受三維應力作用時，Fx、Fy^Fz分別感受χ軸、y軸、ζ軸三個方向的應力，產生
分別沿三個方向的應變其大小可通過分別平行於坐標的光纖光柵傳感器21、
22,23測試出。光纖光柵網絡解調儀發出光信號至光纖光柵傳感器後滿足反射條件的光被反射回來，反射光返回光纖光柵網絡解調儀並被處理成電信號，再經數據採集模塊、波長計算模塊和數據分析模塊，傳輸給計算機顯示出來，通過此過程可獲得反射波長的變化信息， 再通過數據處理得到三個光纖光柵傳感器21、22、23的應變變化，經由廣義胡克定律的換算即可得到三維應力的變化規律。對相似模型內部變形測試時，在模型鋪裝的過程中將光纖光柵結構埋入，對開採過程進行應力監測。若採用圖3或圖4所示的光纖光柵傳感結構時，工作原理與立方體光纖光柵傳感結構相同，在計算過程中，需通過力學換算求出巖石的三維應力。由此可知，本發明可以在巖體破壞前作出及時的精確響應，減少災害的發生。
權利要求
1.一種巖石三維應力狀態的光纖光柵測試裝置，包括由光纖光柵網絡解調儀與計算機構成的數據處理模塊，光纖光柵網絡解調儀的信號輸出端與計算機的信號輸入端連接，其特徵在於還包括光纖光柵傳感結構，光纖光柵傳感結構由三個光纖光柵傳感器和用於安裝光纖光柵傳感器的基體，所述基體可隨巖石的形變產生形變，所述三個光纖光柵傳感器分別固定在基體表面的三維方向上；所述三個光纖光柵傳感器的信號輸出端均與光纖光柵網絡解調儀的信號輸入端連接。
2.根據權利要求1所述的巖石三維應力狀態的光纖光柵測試裝置，其特徵在於所述的基體為立方體模塊，三個光纖光柵傳感器分別固定在立方體模塊的三個相鄰表面的三維方向上。
3.根據權利要求1所述的巖石三維應力狀態的光纖光柵測試裝置，其特徵在於所述的基體為圓柱體模塊，三個光纖光柵傳感器分別固定在圓柱體模塊的圓柱面的三維方向上。
4.根據權利要求1所述的巖石三維應力狀態的光纖光柵測試裝置，其特徵在於所述的基體為三稜錐體模塊，三個光纖光柵傳感器分別固定在三稜錐體模塊的三個相鄰表面的三維方向上。
5.根據權利要求2或3或4所述的巖石三維應力狀態的光纖光柵測試裝置，其特徵在於所述的基體為混凝土模塊。
6.利用權利要求1所述的測試裝置測試巖石三維應力狀態的方法，其特徵在於將所述光纖光柵傳感結構植入巖石內部，利用三個光纖光柵傳感器感應巖石的三維應力的變化，再經過數據處理模塊計算即得出巖石的三維應力狀態。
7.根據權利要求6所述的巖石三維應力狀態的測試裝置的測試方法，其特徵在於所述的基體為立方體模塊，三個光纖光柵傳感器分別固定在立方體模塊的三個相鄰表面的三維方向上。
8.根據權利要求6所述的巖石三維應力狀態的測試裝置的測試方法，其特徵在於所述的基體為圓柱體模塊，三個光纖光柵傳感器分別固定在圓柱體模塊的圓柱面的三維方向上。
9.根據權利要求6所述的巖石三維應力狀態的測試裝置，其特徵在於所述的基體為三稜錐體模塊，三個光纖光柵傳感器分別固定在三稜錐體模塊的三個相鄰表面的三維方向上。
10.根據權利要求7或8或9所述的巖石三維應力狀態的測試裝置的測試方法，其特徵在於所述的基體為混凝土模塊。
全文摘要
本發明公開了一種巖石三維應力狀態的測試裝置和測試方法，其中測試裝置包括由光纖光柵網絡解調儀與計算機構成的數據處理模塊、由三個光纖光柵傳感器和用於安裝光纖光柵傳感器的基體，所述基體可隨巖石的形變產生形變，所述三個光纖光柵傳感器分別固定在基體表面的三維方向上；所述三個光纖光柵傳感器的信號輸出端均與光纖光柵網絡解調儀的信號輸入端連接。本發明可以測出微應變級的變形量，因此可以在巖體破壞前作出及時的響應，能夠實現巖石內部三維應力的高精度測量，由此實現大型工程巖體長期、有效的監測，更有利於災害的預防。
文檔編號G01L1/24GK102175366SQ20111005255
公開日2011年9月7日 申請日期2011年3月5日 優先權日2011年3月5日
發明者柴敬, 許力, 魏世明 申請人:河南理工大學