CN104748694A - 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 - Google Patents

Abstract

本发明公开了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，将两组串联的光纤光栅传感器间隔的沿岩样的周向和轴向以交错网格的形式布置在包覆于岩样外表面的橡胶套上，形成光纤光栅传感网来测算岩样环向各点处的局部应变，每组所述光纤光栅传感器串联一个温度补偿传感器，将传感网与光纤光栅解调仪连接进行局部环向应变数据转换，再通过对数据进行采集与计算，最终获得岩样环向应变与各瞬时的岩样环向变形图。利用分布网格式传感器布局可以对岩样环向表面进行精确的局部应变监测，同时得到岩样某一瞬时的环向变形图，有利于了解岩样在试验各个阶段的变形特征，可以更加客观的反应岩样的环向应变特征。

Description

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

技术领域

本发明涉及岩石力学与工程领域，具体涉及一种岩样环向应变测算方法。

背景技术

目前，岩石力学与工程领域的研究主要集中在岩石的基础理论研究、岩石试验研究以及数值模拟计算等三个方面，其中，岩石的试验研究是基础理论研究和数值模拟计算的基础。岩石试验研究又分室内试验与现场试验两种，现场试验由于受工程地质条件所限，很多情况下很难进行测试或测试结果偏差较大，而室内试验实施较为容易、结果较为理想，且可以借用许多较为成熟的土力学理论来进行研究，因此岩石的室内试验备受研究者的青睐。

岩石的三轴压缩试验是岩石工程领域的室内试验之一，其实质是对岩石在三向受力环境中的力学性质的研究，它可以较为准确地获得不同围压下岩样的抗压强度、抗剪强度、弹性模量、变形模量、泊松比以及粘聚力和内摩擦角等参数，同时可以得到岩石的全应力-应变关系曲线，分析岩石的本构关系，为岩石工程相关的各类重大工程提供必不可少的重要参数数据。

在岩石的三轴压缩试验中，较为常用的为圆柱体岩样，其环向应变的测算对于岩石的本构关系研究、弹性模量、泊松比等参数取值起着至关重要的作用。目前获取岩样环向应变的方法主要是利用应变片、应变环、应变计等，无法获取岩样整体的环向变形状态，且测量精确度不高，受环境影响较大，结果离散性大，不能得到较为精确的环向应变数据。

光纤光栅传感器是性能较为优良的一种反射滤波无源敏感元件，可以通过Bragg光栅反射波长的移动来感应外界微小应变变化，其信号数据稳定，抗电磁干扰能力强，电绝缘性好，安全可靠，目前广泛应用于复合材料、混凝土结构损伤及裂缝监测、航天航空工程以及医学等多个学科领域。

发明内容

发明目的：本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供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，得到三轴压缩试验中精准的岩样环向应变数据以及获得岩样整体瞬时环向变形图。

技术方案：本发明提供了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，将两组串联的光纤光栅传感器间隔的沿岩样的周向和轴向以交错网格的形式布置在包覆于岩样外表面的橡胶套上，形成光纤光栅传感网来测算岩样环向各点处的局部应变，每组所述光纤光栅传感器串联一个温度补偿传感器用以消除温度变化对应变监测的影响，将传感网与光纤光栅解调仪连接进行数据转换，光纤光栅解调仪通过各个光栅中心波长信息，进行温度和初值补偿后，解调为各传感器对应位置的局部环向应变，再通过对数据进行采集与计算，最终获得较为精确的岩样环向应变与各瞬时的岩样环向变形图。

进一步，选取岩样后测量其直径和高度。

进一步，所述橡胶套是与岩样适配的、厚度为0.38mm～0.62mm的丁腈橡胶套，要求耐磨性强、韧性好、较薄，能够紧贴在岩样周围，使得岩样在三轴压缩试验的环向微应变能够准确的反应在橡胶套上。

对所述光纤光栅传感器的粘贴位置进行定位标记，沿同一周向的光纤光栅传感器组依据标定位置依次间隔的布置粘贴，每布置一周向下移动一个传感器的长度继续布置粘贴，直至全部布置完成；采用相同的方式将沿轴向的光纤光栅传感器组进行布置。

进一步，所述光纤光栅传感网通过环氧树脂胶进行胶封密闭处理，使得横向信号线与纵向信号线互不接触。

为了减少试验中施压以及环境因素对传感器信号线的影响，每组所述光纤光栅传感器的两端引出信号线套入塑胶套管中，一端信号线连接所述温度补偿传感器，另一端通过信号传输光缆与光纤光栅解调仪连接，将光纤光栅传感网所测数据信号通过光纤光栅解调仪进行处理，转化为各个传感器所对应岩样部位的局部环向应变数据，并将光纤光栅解调仪与数据采集计算机相连记录数据。

进一步，将布置好光纤光栅传感网的岩样放入三轴压缩试验仪的压力室内，同时将温度补偿传感器粘贴在与岩样同材质的岩石试块上。

进一步，启动三轴压缩试验仪、光纤光栅解调仪和数据采集计算机，对岩样施加所要求的围压，待数据稳定后，进行轴向荷载预压，使轴向加载端与岩样顶端充分接触闭合，而后加载轴压进行三轴压缩试验，光纤光栅解调仪实时转换局部环向应变数据，再由数据采集计算机实时采集记录，通过光纤光栅传感器编号依次标定，与岩样上的位置一一对应，测算数据能够较好的反应岩样上各处的局部环向应变，以每两个周向与两个轴向的光纤光栅传感器组成一个传感网单元，各单元形状均为曲面四边形，面积记为S_i，对各传感网单元进行网格划分及插值计算出单元内各点的应变数据ε_i，积分得该单元的环向应变总体积V_i：

∫_sε_ids＝V_i                    (1)

得到各个瞬时的岩样环向变形图，岩样的瞬时环向变形曲线描述的是岩样在三轴压缩试验或三轴流变试验中，某一个瞬时的岩样环向变形图；

取岩样中段的传感网单元组，以岩样1/2高度位置为中心，上下各选取一排单元组，将选取单元的环向应变体积进行均值计算，得到表征岩样的环向应变εh：

ΣV_i/ΣS_i＝ε_h                   (2)

岩样中段的环向应变能够更好的反映岩样的环向变形特征，对岩样中段传感网数据进行均值求解所得应变，即是表征岩样某一瞬时的环向应变数据。

有益效果：本发明将光纤光栅传感网首次应用在三轴压缩试验的圆柱形岩样环向应变的测算中，利用橡胶套与岩样环向表面协同变形，通过测算橡胶套的应变特征来表征岩样的环向应变特征，能够更好的保护传感器在岩样三轴压缩试验中不被损坏，能够二次利用；引入光纤光栅传感器，克服了电阻应变片、应变环等易受电磁干扰、外界辐射干扰等不足，同时具有测试精度高、数据稳定等优势；利用分布网格式传感器布局可以对岩样环向表面进行精确的局部应变监测，同时得到岩样某一瞬时的环向变形图，有利于试验者了解岩样在试验各个阶段的变形特征；选取岩样中段传感网单元格的数据进行均值求解应变，可以更加客观的反应岩样的环向应变特征。

附图说明

图1为本发明分布式光纤光栅传感网布置示意图；

图2为本发明方法的工作原理示意图；

图3为本实施例的岩样峰值强度时的环向变形图；

图4为实施例的岩样偏应力-环向应变((σ₁-σ₃)～ε_h)曲线图。

具体实施方式

下面对本发明技术方案进行详细说明，但是本发明的保护范围不局限于所述实施例。

实施例：本发明测算圆柱体岩样环向应变的方法是利用分布式光纤光栅传感网均布在岩样环向表面的橡胶套上来测定。在三轴压缩试验中，测算橡胶套上表现的岩样的协同微变形，同时串联温度补偿传感器来消除温度变化对应变数据的影响，通过分布式光纤光栅传感网将信息传输到光纤光栅解调仪进行波长与应变的数据转化，再将数据导入计算机之中进行分析计算，最后得到精确的岩样环向应变和各瞬时的岩样环向变形图。

本实施例的具体实施步骤如下：

①如图1所示，选取某地下岩石洞库钻取的圆柱形岩样1，测量岩样1的直径D为50.02mm，高度L为100.20mm，选择厚度为0.5.mm的丁腈橡胶套2，尺寸与岩样1适配使得橡胶套2能够准确贴合岩样1的环向外壁，不留空隙。

②取下橡胶套2，用铅笔对其上传感器粘贴位置进行定位标记。将沿周向的光纤光栅传感器组4依据标定位置进行环状的横向布置粘贴，每布置一圈传感器后向下移动一个传感器的长度继续布置粘贴，直至全部布置完成；采用相同的方式将沿轴向的光纤光栅传感器组3进行纵向布置。

③传感网布置完成后，将两组(纵向和横向)串联的光纤光栅传感器组的各自两端引出的信号线6、8套入塑胶套管7、9中，其中一端信号线6串联一个温度补偿传感器5，另一端信号线8与信号传输光缆10相连接。

④对光纤光栅传感网进行胶封密闭处理，利用环氧树脂胶先对周向的串联传感器组4及各相邻传感器之间的信号线进行包裹密封，再以同样方式对轴向的串联传感器组3及信号线进行胶封处理。其中，信号线的胶封要使得周向信号线与轴向信号线相互不接触，相互独立、互不干扰。同时，对两组传感器分别与温度补偿传感器5和信号传输光缆10连接信号线的两端接口及塑料套管口进行环氧树脂胶密封。

⑤将布置好分布式光纤光栅传感网的橡胶套2套在岩样1上，整体放入三轴压缩试验仪的压力室内；同时将温度补偿传感器5拉出粘贴在与岩样1同材质的岩石试块11上，信号传输光缆10拉出连接光纤光栅解调仪12，并将解调仪12与数据采集计算机13相连，如图2所示。

⑥启动三轴压缩试验仪，打开光纤光栅解调仪12和数据采集计算机13，进行数据解调和采集；对岩样施加3MPa的围压σ₃，待数据稳定后，进行轴向荷载σ₁预压，使得轴向加载端与岩样顶端充分接触闭合，然后重新创建一个数据记录文件，进行数据重置处理，再加载轴压进行三轴压缩试验，初始轴压为1MPa，采用匀速加载方式，加载速率为0.75MPa/min，直至试样压坏，解调仪12实时转换数据，再由计算机13实时采集记录数据，结合公式(1)得到各个瞬时的岩样环向变形图，再结合公式(2)得到实时的岩样环向应变数据，直至试验完成。绘制岩样峰值强度时的环向变形图，如图3所示，同时得到该三轴压缩试验的偏应力-环向应变((σ₁-σ₃)～ε_h)曲线图，如图4所示。

以上方案实现了圆柱体岩样在三轴压缩试验中环向应变的精确测量和试验过程中瞬时环向变形图的绘制，采用了较为先进的光纤光栅传感技术，测量精度高，受外界因素影响较小，具有较为广阔的应用前景。

Claims (8)

1.一种应用分布式光纤光栅传感网测算岩样环向应变的方法，其特征在于：将两组串联的光纤光栅传感器间隔的沿岩样的周向和轴向以交错网格的形式布置在包覆于岩样外表面的橡胶套上，形成光纤光栅传感网来测算岩样环向各点处的局部应变，每组所述光纤光栅传感器串联一个温度补偿传感器，将传感网与光纤光栅解调仪连接进行局部环向应变数据转换，再通过对数据进行采集与计算，最终获得岩样环向应变与各瞬时的岩样环向变形图。

2.根据权利要求1所述的应用分布式光纤光栅传感网测算岩样环向应变的方法，其特征在于：选取岩样后测量其直径和高度。

3.根据权利要求1所述的应用分布式光纤光栅传感网测算岩样环向应变的方法，其特征在于：所述橡胶套是与岩样适配的、厚度为0.38mm～0.62mm的丁腈橡胶套。

4.根据权利要求1所述的应用分布式光纤光栅传感网测算岩样环向应变的方法，其特征在于：对所述光纤光栅传感器的粘贴位置进行定位标记，沿同一周向的光纤光栅传感器组依据标定位置依次间隔的布置粘贴，每布置一周向下移动一个传感器的长度继续布置粘贴，直至全部布置完成；采用相同的方式将沿轴向的光纤光栅传感器组进行布置。

5.根据权利要求1所述的应用分布式光纤光栅传感网测算岩样环向应变的方法，其特征在于：所述光纤光栅传感网通过环氧树脂胶进行胶封密闭处理。

6.根据权利要求1所述的应用分布式光纤光栅传感网测算岩样环向应变的方法，其特征在于：每组所述光纤光栅传感器的两端引出信号线套入塑胶套管中，一端信号线连接所述温度补偿传感器，另一端通过信号传输光缆与光纤光栅解调仪连接，并将光纤光栅解调仪与数据采集计算机相连。

7.根据权利要求6所述的应用分布式光纤光栅传感网测算岩样环向应变的方法，其特征在于：将布置好光纤光栅传感网的岩样放入三轴压缩试验仪的压力室内，同时将温度补偿传感器粘贴在与岩样同材质的岩石试块上。

8.根据权利要求7所述的应用分布式光纤光栅传感网测算岩样环向应变的方法，其特征在于：启动三轴压缩试验仪、光纤光栅解调仪和数据采集计算机，对岩样施加所要求的围压，待数据稳定后，进行轴向荷载预压，使轴向加载端与岩样顶端充分接触闭合，而后加载轴压进行三轴压缩试验，光纤光栅解调仪实时转换局部环向应变数据，再由数据采集计算机实时采集记录，通过光纤光栅传感器编号标定，以每两个周向与两个轴向的光纤光栅传感器组成一个传感网单元，各单元形状均为曲面四边形，面积记为S_i，对各传感网单元进行网格划分及插值计算出单元内各点的应变数据ε_i，积分得该单元的环向应变总体积V_i：

∫_sε_ids＝V_i，

得到各个瞬时的岩样环向变形图；

取岩样中段的传感网单元组，以岩样1/2高度位置为中心，上下各选取一排单元组，将选取单元的环向应变体积进行均值计算，得到表征岩样的环向应变ε_h：

ΣV_i/ΣS_i＝ε_h。