CN101520317B - 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

Info

Publication number
CN101520317B
CN101520317B CN2009100203132A CN200910020313A CN101520317B CN 101520317 B CN101520317 B CN 101520317B CN 2009100203132 A CN2009100203132 A CN 2009100203132A CN 200910020313 A CN200910020313 A CN 200910020313A CN 101520317 B CN101520317 B CN 101520317B
Authority
CN
China
Prior art keywords
test specimen
rock
fiber
testing
cracking
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Expired - Fee Related
Application number
CN2009100203132A
Other languages
English (en)
Other versions
CN101520317A (zh
Inventor
蒋奇
李术才
李树忱
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Shandong University
Original Assignee
Shandong University
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Shandong University filed Critical Shandong University
Priority to CN2009100203132A priority Critical patent/CN101520317B/zh
Publication of CN101520317A publication Critical patent/CN101520317A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN101520317B publication Critical patent/CN101520317B/zh
Expired - Fee Related legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Landscapes

  • Length Measuring Devices By Optical Means (AREA)
  • Investigating Strength Of Materials By Application Of Mechanical Stress (AREA)

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 (2)

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光栅传感器，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，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。
2.一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长周期光栅，所述试件为圆筒形或方形，圆筒形试件或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前述圆筒形试件或方形试件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。
CN2009100203132A 2009-04-10 2009-04-10 基于光纤应变传感的岩石变形破裂三维动态测试系统 Expired - Fee Related CN101520317B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN2009100203132A CN101520317B (zh) 2009-04-10 2009-04-10 基于光纤应变传感的岩石变形破裂三维动态测试系统

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN2009100203132A CN101520317B (zh) 2009-04-10 2009-04-10 基于光纤应变传感的岩石变形破裂三维动态测试系统

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN101520317A CN101520317A (zh) 2009-09-02
CN101520317B true CN101520317B (zh) 2011-10-26

Family

ID=41081033

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN2009100203132A Expired - Fee Related CN101520317B (zh) 2009-04-10 2009-04-10 基于光纤应变传感的岩石变形破裂三维动态测试系统

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN101520317B (zh)

Families Citing this family (34)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN102175366A (zh) * 2011-03-05 2011-09-07 河南理工大学 一种岩石三维应力状态的光纤光栅测试装置及测试方法
CN102636391A (zh) * 2012-02-15 2012-08-15 中山大学 一种全过程连续精细跟踪的软土动力特性试验系统
CN102621288B (zh) * 2012-03-31 2014-07-09 中国矿业大学(北京) 用于岩样试件实验的试件盒总成
CN102879476B (zh) * 2012-10-11 2015-11-25 中山大学 一种岩石流变损伤多尺度量测系统
CN103741728B (zh) * 2014-01-22 2015-12-09 河海大学 基于fbg传感器的现浇混凝土大直径管桩桩身应变监测方法
CN103954386B (zh) * 2014-04-15 2016-09-28 沈阳建筑大学 一种基于光纤光栅传感器的三维空间应力应变测量方法
CN103994716B (zh) * 2014-05-30 2016-06-29 东北大学 一种分布式岩石变形测量方法
CN104748694A (zh) * 2015-04-03 2015-07-01 河海大学 一种应用分布式光纤光栅传感网测算岩样环向应变的方法
CN104865124B (zh) * 2015-05-30 2017-10-27 重庆地质矿产研究院 基于岩石应力‑应变曲线和超声波纵波速度的页岩脆性指数测定方法
CN105548084A (zh) * 2015-09-23 2016-05-04 中国石油大学(北京) 岩石应力敏感性检测的光反射差装置和方法
CN105388067B (zh) * 2015-11-23 2018-05-04 中国科学院武汉岩土力学研究所 均布荷载增压装置、三维边坡破坏模型试验装置和方法
CN105572330B (zh) * 2015-12-08 2017-10-13 南京航空航天大学 水泥稳定碎石干缩、温缩系数智能型监测装置及方法
CN105675483B (zh) * 2016-01-18 2018-08-21 太原理工大学 一种高温高压下钻孔变形的测试装置及测试方法
CN105842345B (zh) * 2016-04-15 2018-09-11 重庆邮电大学 一种光纤布拉格光栅传感网络结构多裂纹定位方法
CN105841860A (zh) * 2016-04-29 2016-08-10 重庆大学 一种量子点的地应力测试装置、制备方法和使用方法
CN105954293B (zh) * 2016-05-03 2018-11-06 北京航空航天大学 一种基于光纤布拉格光栅传感器的局部裂纹实时监测方法
CN106767475B (zh) * 2016-11-18 2019-10-18 北京航空航天大学 一种基于横向布贴光纤光栅光谱图像分析的孔边裂纹诊断方法
CN106840869B (zh) * 2016-12-15 2019-08-23 北京航空航天大学 一种基于两种布贴方式下光纤光栅光谱图像分析的孔边裂纹诊断方法
CN108240942A (zh) * 2016-12-26 2018-07-03 中国科学院地质与地球物理研究所 一种岩石压裂实验系统及实验方法
CN108895974B (zh) * 2018-05-08 2020-06-09 航天东方红卫星有限公司 一种结构变形光纤监测与重构方法及系统
CN108709856B (zh) * 2018-07-19 2021-02-05 江苏省水利勘测设计研究院有限公司 一种混凝土结构裂缝监测预警系统及预警方法
CN109443231B (zh) * 2018-12-22 2021-05-28 中国地质大学（武汉） 一种基于光纤传感的无应力计
CN109631790B (zh) * 2019-01-09 2020-11-13 中国科学院新疆天文台 一种天线副反射面支撑腿变形在线测量装置及测量方法
CN110007415B (zh) * 2019-05-10 2024-05-17 中冶建筑研究总院（深圳）有限公司 一种工程桩基用光纤防护装置及使用方法
CN110487634B (zh) * 2019-09-05 2024-05-31 安徽理工大学 一种加载状态下岩芯应变、电阻率精细测试的系统与方法
CN110595905A (zh) * 2019-10-21 2019-12-20 安徽理工大学 一种便携式岩芯多参数综合测试装置及测试方法
CN110954291A (zh) * 2019-12-05 2020-04-03 中国科学院力学研究所 一种装配式高精度光纤光栅摩阻天平
CN111189405A (zh) * 2020-01-13 2020-05-22 哈尔滨工业大学 一种路用光纤光栅串三维空间应变传感器
CN111272565A (zh) * 2020-03-10 2020-06-12 大连理工大学 一种检测岩石力学参数的测试方法
CN112485176A (zh) * 2020-11-13 2021-03-12 中国科学院武汉岩土力学研究所 一种基于光纤传感的页岩自吸膨胀行为定量表征装置及方法
CN112730056B (zh) * 2020-12-21 2022-08-19 北京建筑大学 一种脆性固体材料非均匀性力学性能预测方法
CN113567245B (zh) * 2021-07-23 2023-09-19 中海石油(中国)有限公司 一种金属焊缝裂纹扩展长度的识别方法
CN115901446A (zh) * 2022-11-08 2023-04-04 安徽理工大学 岩石试件受载过程裂纹的生成扩展精细探查装置及方法
CN115753475A (zh) * 2022-11-29 2023-03-07 安徽建筑大学 一种机械破岩模型实验监测系统及使用方法

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN1382954A (zh) * 2001-04-26 2002-12-04 美蓓亚株式会社 圆筒体的变形量测定装置
CN2600810Y (zh) * 2003-02-21 2004-01-21 中国科学院武汉岩土力学研究所 真三轴应力岩石裂隙渗流试验变形测量装置

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN1382954A (zh) * 2001-04-26 2002-12-04 美蓓亚株式会社 圆筒体的变形量测定装置
CN2600810Y (zh) * 2003-02-21 2004-01-21 中国科学院武汉岩土力学研究所 真三轴应力岩石裂隙渗流试验变形测量装置

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
柴敬 等.光纤光栅测试岩石变形的试件模拟实验研究.西安科技大学学报.2008,28(3),401-404. *
魏世明 等.岩石单轴压缩光纤光栅传感检测方法研究.岩土力学.2008,29(11),3175-3176. *

Also Published As

Publication number Publication date
CN101520317A (zh) 2009-09-02

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN101520317B (zh) 基于光纤应变传感的岩石变形破裂三维动态测试系统
CN201413273Y (zh) 基于光纤应变传感的岩石变形破裂三维动态测试装置
US20210302381A1 (en) Computing Progressive Failure in Materials and Structures by Integration of Digital Image Correlation with Acoustic Emission Monitoring Data
Sun et al. Investigation of the dynamic strain responses of sandstone using multichannel fiber-optic sensor arrays
CN108709856B (zh) 一种混凝土结构裂缝监测预警系统及预警方法
CN102175366A (zh) 一种岩石三维应力状态的光纤光栅测试装置及测试方法
Li et al. Stability monitoring of surrounding rock mass on a forked tunnel using both strain gauges and FBG sensors
Zhang et al. Deformation and failure characteristics of sandstone under uniaxial compression using distributed fiber optic strain sensing
Mesquita et al. Groundwater level monitoring using a plastic optical fiber
CN105842067A (zh) 应力变化与裂缝扩展方向测试装置及方法
CN103575664A (zh) 基于新型集成式复合传感器的结构多尺度健康监测装置与方法
AU2020100871A4 (en) A Fiber Bragg Grating Test Device For Internal Three-Dimensional Stress Of Rock
Grouve et al. Delamination detection with fibre Bragg gratings based on dynamic behaviour
CN105277970B (zh) 一种基于光纤光栅传感的水压裂微地震模拟实验方法
Guo et al. Fiber Bragg grating sensor-based monitoring strategy for slope deformation in centrifugal model test
Dos Santos et al. An overview of experimental strain-based modal analysis methods
CN105738200A (zh) 土层锚固体应力传递机理可视试验装置及其试验方法
Singh et al. Applications of fibre Bragg grating sensors for monitoring geotechnical structures: A comprehensive review
CN110487634A (zh) 一种加载状态下岩芯应变、电阻率精细测试的系统与方法
Zhao et al. Design and experiments on a wide range fiber Bragg grating sensor for health monitoring of coal mines
Yao et al. Structural cracks detection based on distributed weak FBG
Wang et al. Experimental study on strain of SFRC tunnel lining segments using a comprehensive embedded optical fiber sensing system
Glisic Fiber optic sensors for subsea structural health monitoring
Inaudi et al. Dynamic monitoring systems for structures under extreme loads
Wu et al. Location identification of line supports using experimental modal analysis

Legal Events

Date Code Title Description
C06 Publication
PB01 Publication
C10 Entry into substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
C14 Grant of patent or utility model
GR01 Patent grant
C17 Cessation of patent right
CF01 Termination of patent right due to non-payment of annual fee

Granted publication date: 20111026

Termination date: 20140410