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CN101520317A - 基于光纤应变传感的岩石变形破裂三维动态测试系统 - Google Patents

基于光纤应变传感的岩石变形破裂三维动态测试系统 Download PDF

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CN101520317A CN200910020313A CN200910020313A CN101520317A CN 101520317 A CN101520317 A CN 101520317A CN 200910020313 A CN200910020313 A CN 200910020313A CN 200910020313 A CN200910020313 A CN 200910020313A CN 101520317 A CN101520317 A CN 101520317A
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Abstract

本发明涉及一种基于光纤应变传感的岩石变形破裂三维动态测试系统，包括试件，试件上敷设封装有若干测试应变的光纤传感器，光纤传感器通过连接光纤与信号解调处理装置连接，解调后的数据信号可构建试件的三维测试数据，经插值后形成试件的三维动态应变场。本发明在三轴压力机的压力下，通过在真实岩石试件的内部，外表上的光纤传感器有效敷设布置，在不影响岩石结构和受力的前提下深入得到岩石内部进行探测岩石动态应变，可真实测试岩石动态破裂过程，获得试件的内部裂纹初始、扩展的空间位置，同时可连续、实时地监测载荷作用下脆性材料内部微裂纹的产生和扩展，可广泛应用于研究岩石、混凝土等材料的破裂失稳机制研究。

Description

基于光纤应变传感的岩石变形破裂三维动态测试系统
技术领域
本发明涉及一种岩石变形破裂动态测试装置，尤其是一种基于光纤应变传感的岩石变形破裂三维动态测试系统。
背景技术
岩石的变形断裂是岩石的重要力学特性，岩石是含有孔洞、裂隙和微结构面等初始缺陷的各向异性介质，在外载荷作用下，岩石初始缺陷闭合、微裂纹萌生扩展贯通决定了岩石的变形特征，在研究岩石工程力学问题中，除少数变形受力可以简化为平面问题或者轴对称问题的二维模型来进行处理外，由于岩石和岩体中非均匀性的存在，易产生不对称破坏。一旦涉及到不对称性的破坏，几乎所有的二维破坏问题都变成了三维破坏问题。
岩石破裂失稳问题一直是国内外岩石力学工作者研究的热点和难点。由于诸多岩体工程灾害的发生(如岩爆、岩质边坡失稳等)均和岩石破裂失稳过程有关，因而如何采取有效的研究手段和研究方法，系统地研究岩石破裂失稳过程中其内部裂纹的演化过程，直观地反映岩样内部裂纹初始、扩展的空间位置，对理解岩石破裂失稳机制具有重要意义。如何进行岩石压应力和剪应力同时作用下的岩石压剪复合断裂问题时，当前，较多地采用数学力学理论分析、数值模拟方法，有些试验的方法也多是材料相似材料，这些方法进行了近似和简化，对获得真实岩石的变形破裂过程，岩石的缺陷演化规律等难以达到效果，而且传统的实验采用应变片粘贴真实岩石试件上来进行测试，而应变片只能粘贴在岩石表面上，若深入岩石内部难以测量，同时应变片在岩石上的敷设效果，抗干扰效果都比光纤应变传感差，光纤应变传感，本设计中主要指光纤光栅传感器和长周期光栅传感器，文献(地下空间与工程学报，2007年12月第三卷第6期中)利用光纤传感进行相似材料的岩石试件表面应变测量，但他们采用的是将裸光纤光栅埋入相似模拟材料的平面模型中，还有一些资料中把光纤光栅传感器埋入钢筋混泥土试件中、或者粘贴在不同形状岩石试件的表面来测试单方向应变。由于岩石试件与真实岩石实验测试差别较大，他们只能获得岩石的近似数据，若要获得岩石的三维破裂动态过程，得到岩石在三轴压力下的真实实验数据，形象直观地构建出岩石的破裂过程图像，则无法完成。
发明内容
本发明的目的是为克服上述现有技术的不足，提供一种结构简单、使用方便、容易操作、可以获得岩石三维真实实验数据的基于光纤应变传感的岩石变形破裂三维动态测试系统。
为实现上述目的，本发明采用下述技术方案：
一种基于光纤应变传感的岩石变形破裂三维动态测试系统，包括现场的真实岩石经过加工后的各种形状的试件，试件上设有若干光纤传感器，可形成岩石试件的传感器神经网络，光纤传感器通过连接光纤与光信号解调处理装置连接，解调后的数据信号可构建岩石变形的三维应变测试数据，经插值后形成试件的三维动态测试应变场。
所述光纤传感器为光纤光栅传感器或长周期光栅。
所述信号处理装置为光纤光栅解调仪器或光谱分析仪。
所述试件为圆筒形，其外侧面和端面上分别设有若干微孔，试件的圆筒内壁、外侧面和端面上还设有若干长条微型槽，光纤光栅传感器分别敷设于微孔和长条微型槽内，以及均匀布置于试件的圆筒内表面上；设置于试件外侧面和端面上的光纤光栅传感器通过高强度胶密封和固定，保证光纤光栅传感器与岩石试件表面的有效耦合，光纤光栅传感器通过光纤与光转换开关连接，光转换开关与光纤解调仪器连接。微孔内的光纤光栅传感器主要用来测试内部水平(X和Y方向)方向的应变变化；试件内表面和外表面长条微型槽内的光纤传光栅感器主要用来测试竖直(Z方向)方向应变变化，端面上长条微型槽内光纤光栅传感器主要用来测试X和Y水平方向应变。
所述试件为圆筒形或方形，圆筒形试件和方形试件的外侧面和端面上均设有若干微孔，圆筒形试件的内壁、外侧面和端面上以及方形试件的外表面上设有若干长条微型槽，长周期光栅敷设在圆筒内表面上以及圆筒的内壁、外侧面和端面的微孔和长条微型槽内，长周期光栅的一端是宽带光源，另一端接光谱分析仪用于分析长周期光栅的透射谱。
本发明中的光纤光栅解调仪器、光转换开关和光谱分析仪均为现有设备，在此不再赘述。
本发明利用光纤光栅传感器微小、径细、质轻、可弯曲、抗干扰等优点，在三轴压力机的压力下，通过在真实岩石试件上的传感器有效布置，可以在不影响岩石结构和受力的前提下深入得到岩石内部、形成岩石的内部传感神经，进行探测，可真实测试岩石体在外部空间应力的作用下的三维应变，监测动态应变与破裂过程，获得试件的内部裂纹初始、扩展的空间位置，同时可连续、实时地监测载荷作用下脆性材料内部微裂纹的产生和扩展，可形成真是岩石破裂的三维动态测试数据图像，可以有限元分析岩石破裂过程进行对比，这是其他任何试验方法都不具有的特点，可广泛应用于研究岩石、混凝土等材料的破裂失稳机制研究。
附图说明
图1是本发明实施例1结构示意图；
图2是本发明实施例2结构示意图；
图3是试件不同方位三轴受力分析示意图；
图4是试件单方向Z轴向的压缩加载和卸载曲线图；
图5a-图5d是试件表面上敷设传感后，模拟真实岩石的应变测试过程
其中1.试件，2.光纤光栅传感器，3.光纤，4.光转换开关，5.光纤解调仪器，6.长周期光栅，7.光谱分析仪，8.微孔，9.长条微型槽。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
实施例1：图1中，试件1为圆筒形，其外侧面和端面上分别设有若干微孔8，试件1的圆筒内壁、外侧面和端面上还设有若干长条微型槽9，光纤光栅传感器2分别敷设于微孔8和长条微型槽9内，以及均匀布置于试件1的圆筒内表面上；设置于试件1外侧面和端面上的光纤光栅传感器2通过高强度胶密封和固定，保证光纤光栅传感器2与岩石试件1表面的有效耦合，光纤光栅传感器2通过光纤3与光转换开关4连接，光转换开关4与光纤解调仪器5连接。微孔8内的光纤光栅传感2器主要用来测试内部水平(即X和Y方向)方向的应变变化；试件1内表面和外表面长条微型槽9内的光纤光栅传感器2主要用来测试竖直(Z方向)方向应变变化，端面上长条微型槽9内光纤光栅传感器2主要用来测试X和Y水平方向应变。
实施例2：如图2所示，试件1为圆筒形，试件1的外侧面和端面上均设有若干微孔8，试件1的内壁、外侧面和端面上设有若干长条微型槽9，长周期光栅6敷设在圆筒内表面上以及圆筒的内壁、外侧面和端面的微孔8和长条微型槽9内，长周期光栅6的一端是宽带光源，另一端接光谱分析仪7用于分析长周期光栅的透射谱。微孔8内的长周期光栅6器主要用来测试内部水平(即X和Y方向)方向的应变变化；试件1内表面和外表面长条微型槽9内的长周期光栅6主要用来测试竖直(Z方向)方向应变变化，端面上长条微型槽9内长周期光栅6主要用来测试X和Y水平方向应变。
实施例3：试件1为方形，试件1的外面上设有若干微孔8和若干长条微型槽9，长周期光栅6敷设在微孔8和长条微型槽9内，长周期光栅6的一端是宽带光源，另一端接光谱分析仪7用于分析长周期光栅的透射谱。
本发明中的图3表示试件受到三轴压力机施加的压力方向，试件放置在密封的压力仓，试件上下端面受压σz，试件内部充满高压油密封后对试件内部引起向外的压力σrl，试件外表面受到外部高压油密封后，产生向内的压力σro。
图4是一个岩石试件外表侧面的长条内微型槽内敷设光纤光栅传感器，受到的上下端面的压力后的加压和卸载过程，横轴是加载的过程，纵轴是光纤光栅传感器的波长变化(对应的是压力的变化)。
实验测试与三维数据构建过程(如图5a-图5d所示)：
1.从现场取的岩石，进行切割打磨成圆筒形或立方体等各形状，并在内部、表面上刻长的条型槽用来敷设光纤传感器，进行激光钻孔用来岩石内部敷设光纤传感器；
2.对连接光栅的光纤进行保护，套上套管。用酒精、丙酮等试剂搽洗敷设传感器的地方，敷设裸光纤传感器，用高强度岩石胶敷设固定，孔内也灌入高强度胶。
3.将光纤与跳线和接头熔接好，并连接到电脑上进行观察，看光纤传感器是否存活完好。
4.实验过程中，需要记录岩石试件周围的温度数据，观察温度对其光纤应变传感器的影响。
5.对测试所得数据，按照空间结构，进行数据的影响因素补偿，补偿后的数据点，在岩石体的测试数据空间上呈离散分布，将应变数据值转化成图像尺度上的值，将每测试点的测试数据作为一个点图像，不同应变值，图像颜色不一样，这样，在岩石体的测试数据构成的三维空间上可看到三维测试点图像，若测试点很密集，各个数据点图像都连成一体，就形成岩石体测试的三维应变图像，而实际中，测试点很少，就可以采取数据插值的办法来构建图像。
6.从构建的测试图像中可以直观、形象地看到岩石三维应变变化，若某处开始破裂，则该点处的应变图像颜色会凸显出来，这种方法可以对不同的真实岩石试件的测试，比有限元数值模拟更接近实际。

Claims (5)

1.一种基于光纤应变传感的岩石变形破裂三维动态测试系统，包括试件，其特征在于：试件上敷设封装有若干光纤传感器，光纤传感器通过连接光纤与信号解调处理装置连接。
2.根据权利要求1所述的基于光纤应变传感的岩石变形破裂三维动态测试系统，其特征在于：所述光纤传感器为光纤光栅传感器或长周期光栅。
3.根据权利要求1所述的基于光纤应变传感的岩石变形破裂三维动态测试系统，其特征在于：所述信号处理装置为光纤光栅解调仪器或光谱分析仪。
4.根据权利要求1所述的基于光纤应变传感的岩石变形破裂三维动态测试系统，其特征在于：所述试件为圆筒形，其外侧面和端面上分别设有若干微孔，试件的圆筒内壁、外侧面和端面上还设有若干长条微型槽，光纤光栅传感器分别敷设于微孔和长条微型槽内，以及均匀布置于试件的圆筒内表面上；设置于试件侧面和端面上的光纤光栅传感器通过高强度胶密封和固定，光纤光栅传感器通过光纤与光转换开关连接，光转换开关与光纤解调仪器连接。
5.根据权利要求1所述的基于光纤应变传感的岩石变形破裂三维动态测试系统，其特征在于：所述试件为圆筒形或方形，圆筒形试件和方形试件的侧面和端面上均设有若干微孔，圆筒形试件的内壁、外侧面和端面上以及方形试件的外表面上设有若干长条微型槽，长周期光栅敷设在圆筒内表面上以及圆筒的内壁、外侧面和端面上的微孔和长条微型槽内，与试件连接的长周期光栅的一端是宽带光源，长周期光栅另一端接光谱分析仪。
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