一種應(yīng)用分布式光纖光柵傳感網(wǎng)測(cè)算巖樣環(huán)向應(yīng)變的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及巖石力學(xué)與工程領(lǐng)域，具體涉及一種巖樣環(huán)向應(yīng)變測(cè)算方法。
【背景技術(shù)】
[0002]目前，巖石力學(xué)與工程領(lǐng)域的研宄主要集中在巖石的基礎(chǔ)理論研宄、巖石試驗(yàn)研宄以及數(shù)值模擬計(jì)算等三個(gè)方面，其中，巖石的試驗(yàn)研宄是基礎(chǔ)理論研宄和數(shù)值模擬計(jì)算的基礎(chǔ)。巖石試驗(yàn)研宄又分室內(nèi)試驗(yàn)與現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)兩種，現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)由于受工程地質(zhì)條件所限，很多情況下很難進(jìn)行測(cè)試或測(cè)試結(jié)果偏差較大，而室內(nèi)試驗(yàn)實(shí)施較為容易、結(jié)果較為理想，且可以借用許多較為成熟的土力學(xué)理論來(lái)進(jìn)行研宄，因此巖石的室內(nèi)試驗(yàn)備受研宄者的青睞。
[0003]巖石的三軸壓縮試驗(yàn)是巖石工程領(lǐng)域的室內(nèi)試驗(yàn)之一，其實(shí)質(zhì)是對(duì)巖石在三向受力環(huán)境中的力學(xué)性質(zhì)的研宄，它可以較為準(zhǔn)確地獲得不同圍壓下巖樣的抗壓強(qiáng)度、抗剪強(qiáng)度、彈性模量、變形模量、泊松比以及粘聚力和內(nèi)摩擦角等參數(shù)，同時(shí)可以得到巖石的全應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線，分析巖石的本構(gòu)關(guān)系，為巖石工程相關(guān)的各類重大工程提供必不可少的重要參數(shù)數(shù)據(jù)。
[0004]在巖石的三軸壓縮試驗(yàn)中，較為常用的為圓柱體巖樣，其環(huán)向應(yīng)變的測(cè)算對(duì)于巖石的本構(gòu)關(guān)系研宄、彈性模量、泊松比等參數(shù)取值起著至關(guān)重要的作用。目前獲取巖樣環(huán)向應(yīng)變的方法主要是利用應(yīng)變片、應(yīng)變環(huán)、應(yīng)變計(jì)等，無(wú)法獲取巖樣整體的環(huán)向變形狀態(tài)，且測(cè)量精確度不高，受環(huán)境影響較大，結(jié)果離散性大，不能得到較為精確的環(huán)向應(yīng)變數(shù)據(jù)。
[0005]光纖光柵傳感器是性能較為優(yōu)良的一種反射濾波無(wú)源敏感元件，可以通過(guò)Bragg光柵反射波長(zhǎng)的移動(dòng)來(lái)感應(yīng)外界微小應(yīng)變變化，其信號(hào)數(shù)據(jù)穩(wěn)定，抗電磁干擾能力強(qiáng)，電絕緣性好，安全可靠，目前廣泛應(yīng)用于復(fù)合材料、混凝土結(jié)構(gòu)損傷及裂縫監(jiān)測(cè)、航天航空工程以及醫(yī)學(xué)等多個(gè)學(xué)科領(lǐng)域。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]發(fā)明目的:本發(fā)明的目的在于針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種應(yīng)用分布式光纖光柵傳感網(wǎng)測(cè)算巖樣環(huán)向應(yīng)變的方法，得到三軸壓縮試驗(yàn)中精準(zhǔn)的巖樣環(huán)向應(yīng)變數(shù)據(jù)以及獲得巖樣整體瞬時(shí)環(huán)向變形圖。
[0007]技術(shù)方案:本發(fā)明提供了一種應(yīng)用分布式光纖光柵傳感網(wǎng)測(cè)算巖樣環(huán)向應(yīng)變的方法，將兩組串聯(lián)的光纖光柵傳感器間隔的沿巖樣的周向和軸向以交錯(cuò)網(wǎng)格的形式布置在包覆于巖樣外表面的橡膠套上，形成光纖光柵傳感網(wǎng)來(lái)測(cè)算巖樣環(huán)向各點(diǎn)處的局部應(yīng)變，每組所述光纖光柵傳感器串聯(lián)一個(gè)溫度補(bǔ)償傳感器用以消除溫度變化對(duì)應(yīng)變監(jiān)測(cè)的影響，將傳感網(wǎng)與光纖光柵解調(diào)儀連接進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，光纖光柵解調(diào)儀通過(guò)各個(gè)光柵中心波長(zhǎng)信息，進(jìn)行溫度和初值補(bǔ)償后，解調(diào)為各傳感器對(duì)應(yīng)位置的局部環(huán)向應(yīng)變，再通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集與計(jì)算，最終獲得較為精確的巖樣環(huán)向應(yīng)變與各瞬時(shí)的巖樣環(huán)向變形圖。
[0008]進(jìn)一步，選取巖樣后測(cè)量其直徑和高度。
[0009]進(jìn)一步，所述橡膠套是與巖樣適配的、厚度為0.38mm?0.62mm的丁腈橡膠套，要求耐磨性強(qiáng)、韌性好、較薄，能夠緊貼在巖樣周圍，使得巖樣在三軸壓縮試驗(yàn)的環(huán)向微應(yīng)變能夠準(zhǔn)確的反應(yīng)在橡膠套上。
[0010]對(duì)所述光纖光柵傳感器的粘貼位置進(jìn)行定位標(biāo)記，沿同一周向的光纖光柵傳感器組依據(jù)標(biāo)定位置依次間隔的布置粘貼，每布置一周向下移動(dòng)一個(gè)傳感器的長(zhǎng)度繼續(xù)布置粘貝占，直至全部布置完成；采用相同的方式將沿軸向的光纖光柵傳感器組進(jìn)行布置。
[0011]進(jìn)一步，所述光纖光柵傳感網(wǎng)通過(guò)環(huán)氧樹脂膠進(jìn)行膠封密閉處理，使得橫向信號(hào)線與縱向信號(hào)線互不接觸。
[0012]為了減少試驗(yàn)中施壓以及環(huán)境因素對(duì)傳感器信號(hào)線的影響，每組所述光纖光柵傳感器的兩端引出信號(hào)線套入塑膠套管中，一端信號(hào)線連接所述溫度補(bǔ)償傳感器，另一端通過(guò)信號(hào)傳輸光纜與光纖光柵解調(diào)儀連接，將光纖光柵傳感網(wǎng)所測(cè)數(shù)據(jù)信號(hào)通過(guò)光纖光柵解調(diào)儀進(jìn)行處理，轉(zhuǎn)化為各個(gè)傳感器所對(duì)應(yīng)巖樣部位的局部環(huán)向應(yīng)變數(shù)據(jù)，并將光纖光柵解調(diào)儀與數(shù)據(jù)采集計(jì)算機(jī)相連記錄數(shù)據(jù)。
[0013]進(jìn)一步，將布置好光纖光柵傳感網(wǎng)的巖樣放入三軸壓縮試驗(yàn)儀的壓力室內(nèi)，同時(shí)將溫度補(bǔ)償傳感器粘貼在與巖樣同材質(zhì)的巖石試塊上。
[0014]進(jìn)一步，啟動(dòng)三軸壓縮試驗(yàn)儀、光纖光柵解調(diào)儀和數(shù)據(jù)采集計(jì)算機(jī)，對(duì)巖樣施加所要求的圍壓，待數(shù)據(jù)穩(wěn)定后，進(jìn)行軸向荷載預(yù)壓，使軸向加載端與巖樣頂端充分接觸閉合，而后加載軸壓進(jìn)行三軸壓縮試驗(yàn)，光纖光柵解調(diào)儀實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)換局部環(huán)向應(yīng)變數(shù)據(jù)，再由數(shù)據(jù)采集計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)采集記錄，通過(guò)光纖光柵傳感器編號(hào)依次標(biāo)定，與巖樣上的位置一一對(duì)應(yīng)，測(cè)算數(shù)據(jù)能夠較好的反應(yīng)巖樣上各處的局部環(huán)向應(yīng)變，以每?jī)蓚€(gè)周向與兩個(gè)軸向的光纖光柵傳感器組成一個(gè)傳感網(wǎng)單元，各單元形狀均為曲面四邊形，面積記為Si,對(duì)各傳感網(wǎng)單元進(jìn)行網(wǎng)格劃分及插值計(jì)算出單元內(nèi)各點(diǎn)的應(yīng)變數(shù)據(jù)ε i，積分得該單元的環(huán)向應(yīng)變總體積V1:
[0015]/ s ε jds = Vi(I)
[0016]得到各個(gè)瞬時(shí)的巖樣環(huán)向變形圖，巖樣的瞬時(shí)環(huán)向變形曲線描述的是巖樣在三軸壓縮試驗(yàn)或三軸流變?cè)囼?yàn)中，某一個(gè)瞬時(shí)的巖樣環(huán)向變形圖；
[0017]取巖樣中段的傳感網(wǎng)單元組，以巖樣1/2高度位置為中心，上下各選取一排單元組，將選取單元的環(huán)向應(yīng)變體積進(jìn)行均值計(jì)算，得到表征巖樣的環(huán)向應(yīng)變?chǔ)?h:
[0018]ZY1ZZS1= ε h(2)
[0019]巖樣中段的環(huán)向應(yīng)變能夠更好的反映巖樣的環(huán)向變形特征，對(duì)巖樣中段傳感網(wǎng)數(shù)據(jù)進(jìn)行均值求解所得應(yīng)變，即是表征巖樣某一瞬時(shí)的環(huán)向應(yīng)變數(shù)據(jù)。
[0020]有益效果:本發(fā)明將光纖光柵傳感網(wǎng)首次應(yīng)用在三軸壓縮試驗(yàn)的圓柱形巖樣環(huán)向應(yīng)變的測(cè)算中，利用橡膠套與巖樣環(huán)向表面協(xié)同變形，通過(guò)測(cè)算橡膠套的應(yīng)變特征來(lái)表征巖樣的環(huán)向應(yīng)變特征，能夠更好的保護(hù)傳感器在巖樣三軸壓縮試驗(yàn)中不被損壞，能夠二次利用；引入光纖光柵傳感器，克服了電阻應(yīng)變片、應(yīng)變環(huán)等易受電磁干擾、外界輻射干擾等不足，同時(shí)具有測(cè)試精度高、數(shù)據(jù)穩(wěn)定等優(yōu)勢(shì)；利用分布網(wǎng)格式傳感器布局可以對(duì)巖樣環(huán)向表面進(jìn)行精確的局部應(yīng)變監(jiān)測(cè)，同時(shí)得到巖樣某一瞬時(shí)的環(huán)向變形圖，有利于試驗(yàn)者了解巖樣在試驗(yàn)各個(gè)階段的變形特征；選取巖樣中段傳感網(wǎng)單元格的數(shù)據(jù)進(jìn)行均值求解應(yīng)變，可以更加客觀的反應(yīng)巖樣的環(huán)向應(yīng)變特征。
【附圖說(shuō)明】
[0021]圖1為本發(fā)明分布式光纖光柵傳感網(wǎng)布置示意圖；
[0022]圖2為本發(fā)明方法的工作原理示意圖；
[0023]圖3為本實(shí)施例的巖樣峰值強(qiáng)度時(shí)的環(huán)向變形圖；
[0024]圖4為實(shí)施例的巖樣偏應(yīng)力-環(huán)向應(yīng)變((O1-O3)?eh)曲線圖。
【具體實(shí)施方式】
[0025]下面對(duì)本發(fā)明技術(shù)方案進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明，但是本發(fā)明的保護(hù)范圍不局限于所述實(shí)施例。
[0026]實(shí)施例:本發(fā)明測(cè)算圓柱體巖樣環(huán)向應(yīng)變的方法是利用分布式光纖光柵傳感網(wǎng)均布在巖樣環(huán)向表面的橡膠套上來(lái)測(cè)定。在三軸壓縮試驗(yàn)中，測(cè)算橡膠套上表現(xiàn)的巖樣的協(xié)同微變形，同時(shí)串聯(lián)溫度補(bǔ)償傳感器來(lái)消除溫度變化對(duì)應(yīng)變數(shù)據(jù)的影響，