CN103983755B - 变载光纤应变岩溶塌陷过程模拟试验系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种变载光纤应变岩溶塌陷过程模拟试验系统，包括应变仪和试验装置，试验装置包括支撑机构、测量机构和光纤固定机构，其中：支撑机构包括连接在一起构成一个正方形或长方形的左、右支架和上、下支架；测量机构包括机械百分表、异形挂钩以及砝码；光纤固定机构包括左侧光纤固定装置、右侧光纤固定装置和光纤，所述左侧、右侧光纤固定装置结构相同，均包括移动座、滚轮、连接臂以及用于固定滚轮的紧固件，光纤的一端缠绕于左侧光纤固定装置中的滚轮上，另一端依次穿过异形挂钩上后缠绕于右侧光纤固定装置中的滚轮上；所述光纤的一个端头与应变仪相接。该试验系统可增加载点和变荷载，以满足模拟不同载荷下概化模型的岩溶塌陷试验。

Description

变载光纤应变岩溶塌陷过程模拟试验系统

技术领域

本发明涉及岩溶塌陷监测技术领域，具体涉及一种变载光纤应变岩溶塌陷过程模拟试验系统。

背景技术

我国岩溶分布广泛，约占国土面积的1/3,这些地区地质环境脆弱，随着人类活动的频繁，面临的岩溶地质灾害问题日益突出,特别是岩溶塌陷问题，已经成为岩溶地区面临的主要地质灾害之一。岩溶塌陷具有发生随机、形成隐蔽、时空不确定的特点，传统的监测技术方法成本高、难精确定位、监测范围有限难以满足需求,而分布式光纤传感技术可以实现对外部物理参量变化进行连续测量,同时获取其空间分布和随时间变化信息的特点,能够系统进行大范围、连续监测。近年来，分布式光纤传感技术做为国际上最具价值的监测技术手段在建筑物结构安全监测、岩土工程监测等方面有大量应用，但在地质灾害领域还处在研究阶段，在岩溶塌陷方面更是鲜有报道，仅仅在试验方面进行了探索。岩溶塌陷因其发生的隐蔽性，传统的试验研究手段难以直观地对岩溶塌陷过程进行有效研究，目前也尚未发现有能够通过改变荷载以满足模拟不同载荷条件下概化模型的岩溶塌陷过程模拟试验系统。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种变载光纤应变岩溶塌陷过程模拟试验系统。该试验系统可采用增加或减少异形挂钩的数量来增加载点和变荷载，可以满足模拟不同载荷条件下概化模型的岩溶塌陷试验。

本发明所述的变载光纤应变岩溶塌陷过程模拟试验系统，包括应变仪和试验装置，所述的试验装置包括支撑机构、测量机构和光纤固定机构，其中：

所述的支撑机构包括呈垂直方向设置的左支架和右支架，呈水平方向设置的上支架和下支架，所述的左支架、右支架、上支架和下支架相互连接在一起构成一个正方形或长方形；

所述的测量机构包括通过表架安装在上支架上的若干个机械百分表、与机械百分表数量相当的异形挂钩以及放置于异形挂钩上的砝码，所述异形挂钩的一端具有两个开口在水平方向上且开口相背离的“U”形槽，其中靠近于异形挂钩端头处的“U”形槽为第一“U”形槽，位于第一“U”形槽下方的为第二“U”形槽，在第一“U”形槽靠近异形挂钩端头一侧的内侧壁上开设有第三“U”形槽，所述机械百分表的测量头卡接于该第三“U”形槽中；所述异形挂钩的另一端具有可放置砝码的平台，所述的砝码放置于该平台上；

所述的光纤固定机构包括左侧光纤固定装置、右侧光纤固定装置和光纤，所述的左侧光纤固定装置和右侧光纤固定装置的结构相同，均包括移动座、滚轮、连接臂以及设置于连接臂上用于固定滚轮的紧固件，其中，所述滚轮的中心设置有轴承，其圆周面上开设有向滚轮中心凹进的光纤缠绕槽，在光纤缠绕槽的底部开设有导向槽，所述的紧固件为螺钉、螺栓或定位销；所述的移动座安装于左支架或右支架上，所述连接臂的一端通过可拆卸连接的方式安装在移动座上，其另一端则与滚轮上的轴承相连接；所述的光纤的一端缠绕于左侧光纤固定装置中的滚轮上，另一端依次穿过测量机构中的异形挂钩上的第二“U”形槽后缠绕于右侧光纤固定装置中的滚轮上；所述光纤其中的一个端头与所述的应变仪相连接。

上述试验系统的试验装置中，所述的左支架、右支架、上支架和下支架之间的连接方式可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，优选为可拆卸连接。在进行实际的测试时，左支架和右支架应分别与上支架和下支架相垂直。当它们采用可拆卸连接的方式时，为了使整个试验系统能够实现在不同跨度与不同载荷条件下模拟不同载荷条件下概化模型的岩溶塌陷试验，优选是在上支架上开设一与其自身平行的跨度调节槽，在下支架上开设若干个定位孔或一与其自身平行的定位槽，此时，所述左支架的一端和右支架的一端均分别通过可拆卸连接的方式安装于所述的跨度调节槽中，所述左支架的另一端和右支架的另一端均分别通过可拆卸连接的方式安装于所述的定位孔或定位槽中。

上述试验装置中，优选是将异形挂钩上的第二“U”形槽的靠近第一“U”形槽一侧的内侧壁设计成弧形，以使光纤能更好的卡于所述的第二“U”形槽中而不滑动或弹出。

为了进一步确保缠绕于滚轮上的光纤不从滚轮上弹出，所述的光纤固定机构优选还包括两个用以夹持固定光纤的夹具，所述的夹具通过螺栓固定于所述的移动座上。

为了使本试验装置能更稳固的置放于地面上，所述的试验装置还包括底座机构，所述的底座机构包括左侧固定底座和右侧固定底座，其中左侧固定底座与左支架的底端固接或可拆卸连接，右侧固定底座与右支架的底端固接或可拆卸连接。

在进行实际测试时，左侧光纤固定装置中的滚轮和右侧光纤固定装置中的滚轮需要在同一高度上，为了能方便地调节上述两个滚轮的高度，优选是在左支架开设一其自身平行的移动槽，并在右支架上也开设一与其自身平行的移动槽，从而将左侧光纤固定装置中的移动座通过可拆卸连接的方式安装于左支架上的移动槽中，将右侧光纤固定装置中的移动座通过可拆卸连接的方式安装于右支架上的移动槽中。

上述技术方案中，所述的表架通常为普通表架、万能表架或磁力表座，优选为磁力表座。

上述技术方案中，所述的可拆卸连接可以是现有技术中常用的可拆卸连接方式，具体可以是螺栓连接、螺柱连接、螺钉连接或销连接。

上述技术方案中，所述的光纤仪可以是现有技术中常用的光纤仪，具体可以是光纤应变分析仪AQ8603(为日本横河公司(Ando Electric Co.,Ltd.)生产)。

与现有技术相比，本发明所述的试验系统的特点在于：

1、本试验系统可采用增加或减少异形挂钩的数量来增加载点和变荷载，可以满足模拟不同载荷条件下概化模型的岩溶塌陷试验。

2、进一步地，通过在上支架上设置跨度调节槽，同时在下支架上设置定位孔或定位槽，可对左支架和右支架之间的跨度进行任意控制，实现对一定距离内(根据需要设置)的多跨度塌陷力学过程的概化模拟试验。

3、本试验系统成本低、安装操作方便简单、节能，可模拟多跨度变载荷岩溶塌陷过程模拟试验。

附图说明

图1为本发明所述的变载光纤应变岩溶塌陷过程模拟试验系统的一种实施方式的结构示意图；

图2为图1实施方式中异形挂钩的结构示意图；

图3为应用图1所示系统，当光纤为普通通信光纤时受单一定荷载不同跨度规模条件下岩溶塌陷过程模拟测试结果；其中表示左支架和右支架间距为1.0m时，载荷为0Kg时的模拟测试结果，表示左支架和右支架间距为1.0m时，载荷为2Kg时的模拟测试结果，表示左支架和右支架间距为1.5m时，载荷为2Kg时的模拟测试结果，表示左支架和右支架间距为2.0m时，载荷为2Kg时的模拟测试结果，表示左支架和右支架间距为2.4m时，载荷为2Kg时的模拟测试结果；

图4为应用图1所示系统，当光纤为GFRP铠装光纤时同一跨度条件下不同单一载荷条件下岩溶塌陷过程模拟测试结果；其中表示左支架和右支架间距为2m时，载荷为0.5Kg时的模拟测试结果，表示左支架和右支架间距为2m时，载荷为1Kg时的模拟测试结果，表示左支架和右支架间距为2m时，载荷为2Kg时的模拟测试结果，表示左支架和右支架间距为2m时，载荷为3Kg时的模拟测试结果，表示左支架和右支架间距为2m时，载荷为5Kg时的模拟测试结果。

图中标号为：

1机械百分表；2异形挂钩；2-1第一“U”形槽；2-2第二“U”形槽；2-3第三“U”形槽；2-4平台；2-5连杆；3砝码；4上支架；5跨度调节槽；6螺栓；7夹具；8滚轮；9移动座；10轴承；11螺钉；12左支架；13右支架；14下支架；15定位销；16定位孔；17移动槽；18连接臂；19支撑臂；20支撑垫；21磁力表座；22光纤；23应变仪。

具体实施方式

如图1所示，本发明所述的变载光纤应变岩溶塌陷过程模拟试验系统，包括应变仪23(本实施例中，具体为光纤应变分析仪AQ8603)和试验装置，所述的试验装置包括支撑机构、底座机构、测量机构和光纤固定机构，其中：

所述的支撑机构包括呈垂直方向设置的左支架12和右支架13、呈水平方向设置的上支架4和下支架14；在左支架12上开设有一道与其自身平行的移动槽17，在右支架13上也开设有一道与其自身平行的移动槽17；在上支架4上开设有一条与其自身平行的跨度调节槽5，该跨度调节槽5的长度稍小于上支架4的长度，在下支架14上开设有若干个定位孔16；所述左支架12上靠近左支架12一个端头的端头处开设有孔，用螺栓6穿过该孔及上支架4上的跨度调节槽5以螺栓连接的方式将左支架12的一端与上支架4连接固定，同样地，右支架13上靠近右支架13一个端头的端头处也开设有孔，用螺栓6穿过该孔及上支架4上的跨度调节槽5以螺栓连接的方式将右支架13的一端与上支架4连接固定；在左支架12上靠近左支架12另一个端头的端头处也开设有孔，用定位销15穿过该孔及下支架14上的定位孔16从而将左支架12的另一端与下支架14连接固定，同样地，右支架13上靠近右支架13另一个端头的端头处也开设有孔，用定位销15穿过该孔及下支架14上的定位孔16从而将右支架13的另一端与下支架14连接固定；当所述的左支架12、右支架13、上支架4和下支架14相互连接在一起后，它们之间相互垂直，并且构成一个长方形；

所述的底座机构包括左侧固定底座和右侧固定底座，所述左侧固定底座和右侧固定底座结构相同，均包括一个支撑垫20和两个支撑臂19，其中支撑垫20与左支架12或右支架13的底端固定连接，所述支撑臂19的一端与左支架12或右支架13固定连接，另一端则与支撑垫20固定连接；以左侧固定底座为结构来说明，则是支撑垫20与左支架12底端固定连接，两个支撑臂19的一端均是与左支架12固定连接，另一端则均与支撑垫20固定连接，形成三角支撑结构以使整个试验装置更为稳定的放置在地面上；该底座机构中，支撑垫20和支撑臂19与左支架12或右支架13的连接方式也可以采用可拆卸连接，如螺栓连接等，但本实施方式中优选采用固定连接；

所述的测量机构包括若干个机械百分表1、与机械百分表1数量相当的异形挂钩2以及将要用于放置在异形挂钩2上的砝码3，其中，所述异形挂钩2的结构如图2所示，其一端具有两个开口在水平方向上且开口相背离的“U”形槽，其中靠近于异形挂钩2端头处的“U”形槽为第一“U”形槽2-1，位于第一“U”形槽2-1下方的为第二“U”形槽2-2，该第二“U”形槽2-2中，靠近第一“U”形槽2-1一侧的内侧壁为弧形(以使光纤22能更好的卡于所述的第二“U”形槽2-2中而不滑动或弹出)；在第一“U”形槽2-1靠近异形挂钩2端头一侧的内侧壁上还开设有第三“U”形槽2-3，该第三“U”形槽2-3的开口方向与第一“U”形槽2-1的开口方向相同；所述异形挂钩2的另一端具有一个可放置砝码3的平台2-4；所述异形挂钩2其中一个端头上的第二“U”形槽2-2与其另一端头上的平台2-4之间由一连杆2-5连接；所述的机械百分表1通过磁力表座21安装在上支架4上，所述机械百分表1的测量头卡接于异形挂钩2的第三“U”形槽2-3中，所述的砝码3放置于异形挂钩2的平台2-4上；

所述的光纤固定机构包括左侧光纤固定装置、右侧光纤固定装置、光纤22(所述的光纤22可以是现有技术中常用的光纤22，具体如普通通信光纤或GFRP铠装光纤等)以及两个用以夹持固定光纤22的夹具7，所述的左侧光纤固定装置和右侧光纤固定装置的结构相同，均包括移动座9、滚轮8、连接臂18以及设置于连接臂18上用于实现滚轮8制动的螺钉11，其中，所述滚轮8的中心设置有轴承10，滚轮8的圆周面上开设有向滚轮8中心凹进的光纤缠绕槽(用于缠绕光纤22)，在光纤缠绕槽的底部开设有导向槽；所述的移动座9安装于左支架12或右支架13上的移动槽17中，所述连接臂18的一端通过可拆卸连接的方式安装在移动座9上，其另一端则与滚轮8上的轴承10相连接；以左侧光纤22固定装置进行具体说明，则是所述移动座9通过螺栓连接的方式安装于左支架12上的移动槽17中，所述连接臂18的一端通过螺钉连接的方式安装在移动座9上，其另一端则与滚轮8上的轴承10相固接，安装好的两个滚轮8应处于同一高度；该机构中的光纤22的一端缠绕于左侧光纤固定装置中的滚轮8上的光纤缠绕槽中，并从导向槽中导出，另一端依次穿过测量机构中与机械百分表1相卡接的所有异形挂钩2上的第二“U”形槽2-2并与所述第二“U”形槽2-2的弧形内侧壁相贴，最后进入右侧光纤固定装置中的滚轮8上的导向槽并缠绕于其上的光纤缠绕槽中；所述的夹具7设置于位于左侧光纤固定装置中的滚轮8和右侧光纤固定装置中的滚轮8之间的光纤22上，并通过螺栓6固定于所述的移动座9上。

上述实施方式中，所述左支架12、右支架13、上支架4和下支架14优选采用∠50mm×50mm×5mm的角钢制作，其中上支架4和下支架14的长度通常取2.5m，上支架4上的跨度调节槽5的长和宽可根据需要进行设置，本实施方式中，其长和宽分别2400mm和20mm；所述左支架12、右支架13的高度通常取1.2m，其上的移动槽17的宽和高分别为20mm和30mm。

具体进行安装时，通常是先按需要测定的跨度将上支架4、下支架14分别和左支架12和右支架13进行固定；然后，将左侧光纤固定装置和右侧光纤固定装置装好，再通过调节连接移动座9与左支架12或移动座9与右支架13连接的螺栓6对两个移动座9分别进行固定，与此同时保证两个滚轮8的水平对准；之后，将被测光纤22分别缠绕于两个滚轮8上，并最后由导向槽引出或导入，同时用夹具7进行固定，在整个被测光纤22将两侧的滚轮8进行固定时，记录每个滚轮8上被测光纤22的起止标码并记录，进行预加拉伸力。对光纤22进行微调，然后将机械百分表1按设计需求进行安装固定，机械百分表1的测量头卡接于异形挂钩2的第三“U”形槽2-3，将加入预应力的光纤22放置异形挂钩2的第二“U”形槽2-2并使光纤22紧贴于第二“U”形槽2-2的内侧壁(该内侧壁为与第一“U”形槽2-1相邻的内侧壁)，调节机械百分表1归零，然后根据试验设计，将各种荷载施加于异形挂钩2底部的平台2-4上，在加荷载前及加载卸载过程中，通过应变仪23对光纤22进行测量，以得到光纤22无荷载的初始值及过程中光纤22应变数据，同时根据机械百分表1的位移，可以获得光纤22受荷点垂向位移数据，通过计算分析得出光纤22轴向变形与光纤22应变分析仪测试结果进行对比，通过对不同类型光纤22不同载荷变化条件下的测量结果对比分析，获取不同类型光纤22对荷载的敏感性并通过数据统计进行标定。

图3和图4为采用图1所示的变载光纤应变岩溶塌陷过程模拟试验系统进行具体模拟试验的结果，其中图3为图1所示的变载光纤应变岩溶塌陷过程模拟试验系统(系统中的光纤22为普通通信光纤22)受单一定荷载不同跨度规模条件下岩溶塌陷过程模拟测试结果；图4为图1所示的变载光纤应变岩溶塌陷过程模拟试验系统(系统中的光纤22为GFRP铠装光纤22)在同一跨度条件下不同单一载荷条件下岩溶塌陷过程模拟测试结果。

Claims (7)

1.变载光纤应变岩溶塌陷过程模拟试验系统，包括应变仪(23)和试验装置，其特征在于：所述的试验装置包括支撑机构、测量机构和光纤固定机构，其中：

所述的支撑机构包括呈垂直方向设置的左支架(12)和右支架(13)，呈水平方向设置的上支架(4)和下支架(14)，所述的左支架(12)、右支架(13)、上支架(4)和下支架(14)相互连接在一起构成一个正方形或长方形；

所述的测量机构包括通过表架安装在上支架(4)上的若干个机械百分表(1)、与机械百分表(1)数量相当的异形挂钩(2)以及放置于异形挂钩(2)上的砝码(3)，所述异形挂钩(2)的一端具有两个开口在水平方向上且开口相背离的“U”形槽，其中靠近于异形挂钩(2)端头处的“U”形槽为第一“U”形槽(2-1)，位于第一“U”形槽(2-1)下方的为第二“U”形槽(2-2)，在第一“U”形槽2-1靠近异形挂钩(2)端头一侧的内侧壁上开设有第三“U”形槽(2-3)，所述机械百分表(1)的测量头卡接于该第三“U”形槽(2-3)中；所述异形挂钩(2)的另一端具有可放置砝码(3)的平台(2-4)，所述的砝码(3)放置于该平台(2-4)上；所述异形挂钩(2)其中一个端头上的第二“U”形槽(2-2)与其另一端头上的平台(2-4)之间由一连杆(2-5)连接；

所述的光纤固定机构包括左侧光纤固定装置、右侧光纤固定装置和光纤(22)，所述的左侧光纤固定装置和右侧光纤固定装置的结构相同，均包括移动座(9)、滚轮(8)、连接臂(18)以及设置于连接臂(18)上用于固定滚轮(8)的紧固件，其中，所述滚轮(8)的中心设置有轴承(10)，其圆周面上开设有向滚轮(8)中心凹进的光纤缠绕槽，在光纤缠绕槽的底部开设有导向槽，所述的紧固件为螺钉(11)、螺栓(6)或定位销(15)；所述的移动座(9)安装于左支架(12)或右支架(13)上，所述连接臂(18)的一端通过可拆卸连接的方式安装在移动座(9)上，其另一端则与滚轮(8)上的轴承(10)相连接；所述的光纤(22)的一端缠绕于左侧光纤固定装置中的滚轮(8)上，另一端依次穿过测量机构中的异形挂钩(2)上的第二“U”形槽(2-2)后缠绕于右侧光纤固定装置中的滚轮(8)上；所述光纤(22)其中的一个端头与所述的应变仪(23)相连接。

2.根据权利要求1所述的变载光纤应变岩溶塌陷过程模拟试验系统，其特征在于：所述的左支架(12)、右支架(13)、上支架(4)和下支架(14)之间的连接方式为可拆卸连接，在上支架(4)上开设一与其自身平行的跨度调节槽(5)，在下支架(14)上开设若干个定位孔(16)或一与其自身平行的定位槽，此时，所述左支架(12)的一端和右支架(13)的一端均分别通过可拆卸连接的方式安装于所述的跨度调节槽(5)中，所述左支架(12)的另一端和右支架(13)的另一端均分别通过可拆卸连接的方式安装于所述的定位孔(16)或定位槽中。

3.根据权利要求1所述的变载光纤应变岩溶塌陷过程模拟试验系统，其特征在于：所述的光纤固定机构还包括两个用以夹持固定光纤(22)的夹具(7)，所述的夹具(7)通过螺栓(6)固定于所述的移动座(9)上。

4.根据权利要求1～3中任一项所述的变载光纤应变岩溶塌陷过程模拟试验系统，其特征在于：所述的试验装置还包括底座机构，所述的底座机构包括左侧固定底座和右侧固定底座，其中左侧固定底座与左支架(12)的底端固接或可拆卸连接，右侧固定底座与右支架(13)的底端固接或可拆卸连接。

5.根据权利要求4所述的变载光纤应变岩溶塌陷过程模拟试验系统，其特征在于：所述左支架(12)和右支架(13)上均开设有与其自身平行的移动槽(17)，所述的移动座(9)通过可拆卸连接的方式安装于所述的移动槽(17)中。

6.根据权利要求4所述的变载光纤应变岩溶塌陷过程模拟试验系统，其特征在于：所述的表架为普通表架、万能表架或磁力表座(21)。

7.根据权利要求4所述的变载光纤应变岩溶塌陷过程模拟试验系统，其特征在于：所述的可拆卸连接为螺栓连接、螺柱连接、螺钉连接或销连接。