專利名稱：一種巖石三維應(yīng)力狀態(tài)的光纖光柵測試裝置及測試方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及巖石應(yīng)力測試領(lǐng)域，尤其涉及一種巖石三維應(yīng)力狀態(tài)的測試裝置及測試方法。
背景技術(shù)：
我國是世界上自然災(zāi)害頻發(fā)的國家之一，煤礦事故、泥石流及山體滑坡等災(zāi)害頻繁發(fā)生，造成的經(jīng)濟(jì)損失難以估計(jì)。而許多嚴(yán)重惡性事故的發(fā)生是由于對巖體應(yīng)力狀態(tài)及內(nèi)部缺陷不了解所造成。及時識別從微觀到宏觀的力學(xué)信號在巖石中的表征，并在危險的破壞到來之前發(fā)出預(yù)警，已經(jīng)成為力學(xué)科學(xué)在新世紀(jì)中國發(fā)展中凸現(xiàn)出的9個關(guān)鍵力學(xué)問題之一。在外載荷作用下，巖石中缺陷的萌生、長大、擴(kuò)展和匯合的過程導(dǎo)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(nèi)部應(yīng)力狀態(tài)，特別是原巖應(yīng)力被打破后三維應(yīng)力狀態(tài)的改變會對裂紋的起裂、擴(kuò)展及延伸起到至關(guān)重要的作用。因此，通過監(jiān)測手段及時掌握巖石三維應(yīng)力狀態(tài)信息，獲取裂紋擴(kuò)展的致裂機(jī)理，是減少災(zāi)害發(fā)生的最有效手段之一。目前，針對于巖石裂紋的發(fā)生、發(fā)展及破壞的巖石損傷力學(xué)檢測方法很多，如光學(xué)檢測法、CT、聲發(fā)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(kuò)展及演化，很難實(shí)現(xiàn)外載荷作用下巖石內(nèi)部三維應(yīng)力的測試。即相比于致裂機(jī)理檢測方法，對巖石內(nèi)部應(yīng)力狀態(tài)的檢測研究進(jìn)展不大，特別是針對于大型工程巖體內(nèi)部三維應(yīng)力狀態(tài)的長期、有效檢測。就目前而言，對巖石內(nèi)部三維應(yīng)力狀態(tài)的檢測主要借助原始地應(yīng)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(nèi)部打孔并注入高壓水使巖石破裂的方法測試巖石內(nèi)部應(yīng)力的一種方法，從本質(zhì)上講，水壓致裂法只是一種二維應(yīng)力測量方法，若要決定一個三維應(yīng)力場需打交匯于測點(diǎn)的三個互不平行的鉆孔，這幾乎是不可能的，且測量結(jié)果受巖石中的原生節(jié)理裂隙和人的經(jīng)驗(yàn)的因素影響極大。原始地應(yīng)力的測試與外載荷作用下內(nèi)部應(yīng)力狀態(tài)的測試有著本質(zhì)的差別前者只是測量無外界擾動下的原巖應(yīng)力，不存在應(yīng)力狀態(tài)改變及受載破壞的情況，后者則主要測試外界影響下如采動下的應(yīng)力狀態(tài)的改變、應(yīng)力分布規(guī)律等，應(yīng)力信息動態(tài)變化，且伴隨外載荷作用下巖石的變形及破裂。應(yīng)力解除法則是發(fā)展時間較長，理論上較為成熟的一種測量方法。在應(yīng)力解除測量使用的各種儀器中，空心包體應(yīng)變計(jì)是被使用最多的一種儀器?？招陌w應(yīng)變計(jì)的主要組成部分是一個由鋼、銅臺金或其它硬質(zhì)金屬材料制成的空心圓柱，在其中心部位有一個壓力傳感元件，測量時首先在測點(diǎn)打一鉆孔，然后將該圓柱擠壓進(jìn)鉆孔中，以使圓柱和鉆孔壁保持緊密接觸，就像焊接在孔壁上一樣。理論分析表明，位于一個無限體中的剛性包體， 當(dāng)周圍巖體中的應(yīng)力發(fā)生變化時，在剛性包體中會產(chǎn)生一個均勻分布的應(yīng)力場，該應(yīng)力場的大小和巖體中的應(yīng)力變化之間存在一定的比例關(guān)系。設(shè)在巖體中的X方向有一個應(yīng)力變
化O1 S「么在空心包體中的χ方向會產(chǎn)生應(yīng)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(tǒng)的應(yīng)變片，存在抗干擾性、耐久性和長期穩(wěn)定性等較差的缺點(diǎn)，很容易受外界影響而失效，難以適應(yīng)現(xiàn)代工程監(jiān)測的要求，因此，借助地應(yīng)力的測試方法對動態(tài)應(yīng)力信息進(jìn)行測量是很不現(xiàn)實(shí)的，需要不斷尋求適合巖石應(yīng)力應(yīng)變檢測的新的測試原理和方法。 光纖光柵是20世紀(jì)90年代以來國際上新興的一種有著廣泛應(yīng)用前景的、性能優(yōu)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(yīng)外界微小應(yīng)變變化而實(shí)現(xiàn)對結(jié)構(gòu)在線測量。該項(xiàng)技術(shù)在航空航天、復(fù)合材料、混凝土結(jié)構(gòu)工程、電力工程及醫(yī)學(xué)等多個領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。國內(nèi)外有關(guān)于將光纖光柵與錨桿技術(shù)相結(jié)合，形成傳感測試錨桿測試巖體內(nèi)部變形的相關(guān)報(bào)道，或采用表面粘貼的方法將光纖光柵粘貼于巖石試件表面進(jìn)行加載過程的應(yīng)變或應(yīng)力測試。但無論采用何種方法，由于光纖光柵的軸向敏感特性，都沒有實(shí)現(xiàn)三維應(yīng)力的測試。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種巖石三維應(yīng)力狀態(tài)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(yīng)，減少災(zāi)害的發(fā)生。本發(fā)明采用下述技術(shù)方案一種巖石三維應(yīng)力狀態(tài)的光纖光柵測試裝置，包括由光纖光柵網(wǎng)絡(luò)解調(diào)儀與計(jì)算機(jī)構(gòu)成的數(shù)據(jù)處理模塊，光纖光柵網(wǎng)絡(luò)解調(diào)儀的信號輸出端與計(jì)算機(jī)的信號輸入端連接，還包括光纖光柵傳感結(jié)構(gòu)，光纖光柵傳感結(jié)構(gòu)由三個光纖光柵傳感器和用于安裝光纖光柵傳感器的基體，所述基體可隨巖石的形變產(chǎn)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(wǎng)絡(luò)解調(diào)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。所述的基體為三棱錐體模塊，三個光纖光柵傳感器分別固定在三棱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(yīng)力狀態(tài)的方法，將所述光纖光柵傳感結(jié)構(gòu)植入巖石內(nèi)部，利用三個光纖光柵傳感器感應(yīng)巖石的三維應(yīng)力的變化，再經(jīng)過數(shù)據(jù)處理模塊計(jì)算即得出巖石的三維應(yīng)力狀態(tài)。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。所述的基體為三棱錐體模塊，三個光纖光柵傳感器分別固定在三棱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(fā)明將三個光纖光柵傳感器固定在基體上形成三維應(yīng)力測試結(jié)構(gòu)，克服了光纖光柵僅對單方向應(yīng)力敏感的缺點(diǎn)，以實(shí)現(xiàn)巖體內(nèi)部三維應(yīng)力場的測試過程，這對于采動下巖體內(nèi)部應(yīng)力變化規(guī)律及巖層垮落前微觀力學(xué)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、抗電磁干擾等多個優(yōu)點(diǎn)，可以測出微應(yīng)變級的變形量，因此可以在巖體破壞前作出及時的響應(yīng)，能夠?qū)崿F(xiàn)巖石內(nèi)部三維應(yīng)力的高精度測量，由此實(shí)現(xiàn)大型工程巖體長期、有效的監(jiān)測，更有利于災(zāi)害的預(yù)防，減少災(zāi)害的發(fā)生。本發(fā)明還對于人們探索巖石變形機(jī)理，實(shí)現(xiàn)新的礦山安全監(jiān)測與預(yù)測預(yù)報(bào)技術(shù)及減少由于巖體的變形失穩(wěn)而導(dǎo)致的自然災(zāi)害等具有重要意義。


圖1為本發(fā)明中立方體光纖光柵傳感結(jié)構(gòu)的示意圖； 圖2為本發(fā)明中數(shù)據(jù)處理模塊的電路原理框圖3為本發(fā)明圓柱體光纖光柵傳感結(jié)構(gòu)的示意圖； 圖4為本發(fā)明中三棱錐體光纖光柵傳感結(jié)構(gòu)的示意圖。
具體實(shí)施例方式如圖1、圖2所示，本發(fā)明一種巖石三維應(yīng)力狀態(tài)的測試裝置包括光纖光柵網(wǎng)絡(luò)解調(diào)儀與計(jì)算機(jī)構(gòu)成的數(shù)據(jù)處理模塊、還有光纖光柵傳感結(jié)構(gòu)，其中光纖光柵傳感結(jié)構(gòu)由三個光纖光柵傳感器21、22、23和用于安裝三個光纖光柵傳感器21、22、23的基體構(gòu)成，本實(shí)施例中基體為立方體模塊1，三個光纖光柵傳感器21、22、23分別采用高強(qiáng)度的環(huán)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(wǎng)絡(luò)解調(diào)儀的信號輸入端連接，光纖光柵網(wǎng)絡(luò)解調(diào)儀的信號輸出端通過數(shù)據(jù)線與計(jì)算機(jī)的信號輸入端連接。所述光纖光柵網(wǎng)絡(luò)解調(diào)儀與計(jì)算機(jī)構(gòu)成的數(shù)據(jù)處理模塊為現(xiàn)有技術(shù)，其中光纖光柵網(wǎng)絡(luò)解調(diào)儀包括光電轉(zhuǎn)換模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、波長計(jì)算模塊和數(shù)據(jù)分析模塊。本實(shí)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(zhì)量比為1:1.5:1的比例混合而成，根據(jù)材料協(xié)調(diào)變形理論，混凝土模塊與巖石二者力學(xué)特性相似程度高，容易實(shí)現(xiàn)材料的協(xié)調(diào)變形，實(shí)現(xiàn)高精度測試；除此之外，立方體模塊1還可由其它材料構(gòu)成，例如高強(qiáng)度復(fù)合材料、玻璃纖維等。如圖3所示，本發(fā)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(fā)明中的基體還可為三棱錐體 4;三個光纖光柵傳感器21、22、23分別固定在三棱錐體4的三個相鄰表面的三維方向上，分別對巖石的三維應(yīng)力進(jìn)行測量。如圖1、圖2所示，本發(fā)明對巖石進(jìn)行測試時，通過打孔的方法將光纖光柵傳感結(jié)構(gòu)植入巖石內(nèi)部，采用混凝土封孔以固定光纖光柵傳感結(jié)構(gòu)，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(yīng)力狀態(tài)，三個光纖光柵傳感器21、22、23發(fā)生軸向應(yīng)變的變化，再通過廣義胡克定律求出三維應(yīng)力的變化過程。具體說，假設(shè)三個光纖光柵傳感器21、22、23分別為&、FyRFz,則/^軸平行于與χ軸，因此其僅對平行于χ軸方向的應(yīng)力敏感，同理，F(xiàn)y和&僅對平行于y軸、ζ軸的應(yīng)力敏感。當(dāng)光纖光柵傳感器21、 22、23同時受三維應(yīng)力作用時，F(xiàn)x、Fy^Fz分別感受χ軸、y軸、ζ軸三個方向的應(yīng)力，產(chǎn)生
分別沿三個方向的應(yīng)變其大小可通過分別平行于坐標(biāo)的光纖光柵傳感器21、
22,23測試出。光纖光柵網(wǎng)絡(luò)解調(diào)儀發(fā)出光信號至光纖光柵傳感器后滿足反射條件的光被反射回來，反射光返回光纖光柵網(wǎng)絡(luò)解調(diào)儀并被處理成電信號，再經(jīng)數(shù)據(jù)采集模塊、波長計(jì)算模塊和數(shù)據(jù)分析模塊，傳輸給計(jì)算機(jī)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(shù)據(jù)處理得到三個光纖光柵傳感器21、22、23的應(yīng)變變化，經(jīng)由廣義胡克定律的換算即可得到三維應(yīng)力的變化規(guī)律。對相似模型內(nèi)部變形測試時，在模型鋪裝的過程中將光纖光柵結(jié)構(gòu)埋入，對開采過程進(jìn)行應(yīng)力監(jiān)測。若采用圖3或圖4所示的光纖光柵傳感結(jié)構(gòu)時，工作原理與立方體光纖光柵傳感結(jié)構(gòu)相同，在計(jì)算過程中，需通過力學(xué)換算求出巖石的三維應(yīng)力。由此可知，本發(fā)明可以在巖體破壞前作出及時的精確響應(yīng)，減少災(zāi)害的發(fā)生。
權(quán)利要求
1.一種巖石三維應(yīng)力狀態(tài)的光纖光柵測試裝置，包括由光纖光柵網(wǎng)絡(luò)解調(diào)儀與計(jì)算機(jī)構(gòu)成的數(shù)據(jù)處理模塊，光纖光柵網(wǎng)絡(luò)解調(diào)儀的信號輸出端與計(jì)算機(jī)的信號輸入端連接，其特征在于還包括光纖光柵傳感結(jié)構(gòu)，光纖光柵傳感結(jié)構(gòu)由三個光纖光柵傳感器和用于安裝光纖光柵傳感器的基體，所述基體可隨巖石的形變產(chǎn)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(wǎng)絡(luò)解調(diào)儀的信號輸入端連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的巖石三維應(yīng)力狀態(tài)的光纖光柵測試裝置，其特征在于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(jù)權(quán)利要求1所述的巖石三維應(yīng)力狀態(tài)的光纖光柵測試裝置，其特征在于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(jù)權(quán)利要求1所述的巖石三維應(yīng)力狀態(tài)的光纖光柵測試裝置，其特征在于所述的基體為三棱錐體模塊，三個光纖光柵傳感器分別固定在三棱錐體模塊的三個相鄰表面的三維方向上。
5.根據(jù)權(quán)利要求2或3或4所述的巖石三維應(yīng)力狀態(tài)的光纖光柵測試裝置，其特征在于所述的基體為混凝土模塊。
6.利用權(quán)利要求1所述的測試裝置測試巖石三維應(yīng)力狀態(tài)的方法，其特征在于將所述光纖光柵傳感結(jié)構(gòu)植入巖石內(nèi)部，利用三個光纖光柵傳感器感應(yīng)巖石的三維應(yīng)力的變化，再經(jīng)過數(shù)據(jù)處理模塊計(jì)算即得出巖石的三維應(yīng)力狀態(tài)。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的巖石三維應(yīng)力狀態(tài)的測試裝置的測試方法，其特征在于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(jù)權(quán)利要求6所述的巖石三維應(yīng)力狀態(tài)的測試裝置的測試方法，其特征在于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(jù)權(quán)利要求6所述的巖石三維應(yīng)力狀態(tài)的測試裝置，其特征在于所述的基體為三棱錐體模塊，三個光纖光柵傳感器分別固定在三棱錐體模塊的三個相鄰表面的三維方向上。
10.根據(jù)權(quán)利要求7或8或9所述的巖石三維應(yīng)力狀態(tài)的測試裝置的測試方法，其特征在于所述的基體為混凝土模塊。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種巖石三維應(yīng)力狀態(tài)的測試裝置和測試方法，其中測試裝置包括由光纖光柵網(wǎng)絡(luò)解調(diào)儀與計(jì)算機(jī)構(gòu)成的數(shù)據(jù)處理模塊、由三個光纖光柵傳感器和用于安裝光纖光柵傳感器的基體，所述基體可隨巖石的形變產(chǎn)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(wǎng)絡(luò)解調(diào)儀的信號輸入端連接。本發(fā)明可以測出微應(yīng)變級的變形量，因此可以在巖體破壞前作出及時的響應(yīng)，能夠?qū)崿F(xiàn)巖石內(nèi)部三維應(yīng)力的高精度測量，由此實(shí)現(xiàn)大型工程巖體長期、有效的監(jiān)測，更有利于災(zāi)害的預(yù)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(yōu)先權(quán)日2011年3月5日
發(fā)明者柴敬, 許力, 魏世明 申請人:河南理工大學(xué)