CN110487634B - 一种加载状态下岩芯应变、电阻率精细测试的系统与方法 - Google Patents

一种加载状态下岩芯应变、电阻率精细测试的系统与方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种加载状态下岩芯应变、电阻率精细测试的系统与方法，该系统包括轴压加载装置、岩芯标本、环向光纤、轴向光纤等，环向光纤和轴向光纤布置于岩芯标本表面；岩芯标本表面还布设有多个电极片组；岩芯标本置于轴压加载装置中，环向光纤和轴向光纤分别与应变测试模块相连接，应变测试模块与计算机相连接；多组电极片通过数条铜芯导线与电阻率测试模块相连接，电阻率测试模块通过数据传输线与计算机相连接。本发明可用于岩芯标本的应变、电阻率的精细测试，测试结果可视化程度高，抗干扰能力强，输出稳定，能够获得岩芯标本在破坏前后的应变和电阻率的变化，结果可用于计算岩芯标本的力学参数和分析岩石在荷载下的变形破坏机理。

Description

一种加载状态下岩芯应变、电阻率精细测试的系统与方法
技术领域
本发明涉及力学测试领域，具体涉及一种加载状态下岩芯应变、电阻率精细测试的系统与方法。
背景技术
近年来，随着城市建设的需要，对表层地下空间和深部资源的需求日益增大。工程施工过程中难免会遇到诸多工程地质问题，例如城市地下空间围岩稳定性以及深层环境因采动影响造成的覆岩破坏而引起的“三带”变化等。因此工程中需要研究不同岩性岩石在荷载条件下内外部应力和变形的分布情况，尤其是需要精准确定危险部位的最大应力和变形规律。应力是在应变分析试验中间接得到的参量，只要在材料弹性范围内测定了应变，就可以由广义虎克定律得出应力。所以，岩芯应变值作为物理力学参数计算的基础，准确获取钻孔岩芯应变就显得尤为重要。另外，岩芯在加载状态下，其内部电阻率的变化情况也可反映出内部结构的变形与破坏过程及其特征。
现有岩芯的应变测试一般采用粘贴金属应变片方式，即在岩芯表面固定大量金属应变片，应变片随着被测物体表面的变形一起拉伸或者压缩，形变同样导致应变片电阻率发生变化，金属应变片电阻变化率与应变成正比，通过测量电阻率的变化来对岩芯应变进行测定。这种方法的缺陷十分明显：①无法实现分布式测量，采集频率低，输出信息量较少，无法实现精细测试；②对于应力集中部位的测量不够准确；③受材料本身属性的制约，动态测量时，接线往往需要采取屏蔽措施以防止干扰；④需要在岩芯表面附着大量应变片，操作难度较大。对于岩芯电阻率的测量，主要有岩芯视电阻率测量和在岩芯表面沿轴向布置单一电极片测线等方法，这些方法得到的结果对认识岩芯在加载状态下的变形破坏有一定的帮助，但无法三维立体成像出岩芯电阻率的变化特征，同样无法达到精细测试的目的。
因此，如何克服现有岩芯应变及电阻率参数测试方法的缺陷，是本领域技术人员亟须解决的一个问题。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种加载状态下岩芯应变、电阻率精细测试的系统与方法。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一方面，本发明提供了一种加载状态下岩芯应变、电阻率精细测试的系统，该系统包括轴压加载装置、岩芯标本、分布式光纤、电极片、应变测试模块、铜芯导线、电阻率测试模块、计算机、数据传输线，其中，
岩芯标本外表面的轴向方向和环向方向均布有数条刻槽，分布式光纤包括环向光纤和轴向光纤，环向光纤和轴向光纤布置于岩芯标本表面的刻槽中；岩芯标本表面还布设有多个电极片组，每个电极片组由多个电极片组成且多个电极片构成位于岩芯标本表面的一条电阻率测线，多条电极测线沿岩芯标本的轴向排列，多条电阻率测线平行且均匀的分布于岩芯标本表面；
岩芯标本置于轴压加载装置中，环向光纤和轴向光纤分别与应变测试模块相连接，应变测试模块通过数据传输线与计算机相连接；多组电极片与数条铜芯导线相连接，数条铜芯导线与电阻率测试模块相连接，电阻率测试模块通过数据传输线与计算机相连接。
分布式光纤测试技术具有分布式、高精度、防腐蚀、抗干扰、结构简单和易于布设等特点。而基于光频域反射技术(OFDR)在应变测量上所达到的精度、范围以及空间分辨率都高于其他的分布式光纤传感技术。本发明基于OFDR对加载状态下岩芯应变进行实时动态测试，对于电阻率的测试采用在岩芯表面附着电极片，组成多个电极片组，增加数据组数的形式，构建电阻率三维测量模型，最终达到了精细测试的目的。
在上述技术方案的基础上，本发明还可做出如下改进：
优选的，所述环向光纤和轴向光纤由水泥封堵于岩芯标本表面的刻槽中，使光纤牢固固定在岩芯标本表面，确保了岩芯应变测试结果的准确性和稳定性。
优选的，多个电极片组中电极片的数量依岩芯标本的规格进行确定。
具体的，根据岩芯标本的不同，确定最佳的电极距，进而根据岩芯标本轴向长度确定最佳的电极数量，以达最佳的测试效果。
优选的，所述应变测试模块由ofdr解调仪构成，当待测光纤置于岩芯标本应变场中，光纤受应变影响，光纤内部折射率分布会有变化，相应的瑞利散射信号光的频率也会有变化，通过瑞利散射信号光的频率测量，可以对应岩芯标本应变场的变化，从而实现分布式光纤传感。该应变测试模块具有精度高、范围广以及空间分辨率高的特点。
优选的，所述电阻率测试模块由精度高、稳定性强的电法仪构成。
优选的，该系统工作的环境应温度恒定。因为分布式光纤的测试结果由应变和温度共同作用，故测试过程中应在温度恒定的操作间进行，以尽量减小温度因素对应变测试的影响，准确获得岩芯整个加载过程中的应变值大小。
另一方面，本发明还提供了一种加载状态下岩芯应变、电阻率精细测试的方法，包括以下步骤：
(1)、利用上述的测试系统，将岩芯标本置于轴压加载装置中，向岩芯标本持续施加轴压，此动态过程中连续采集轴向、环向应变数据，并在每组轴压下，依次采集不同电阻率测线的电阻率数据，捕捉岩石破裂时应变和电阻率的变化，直至岩芯标本完全破坏；
(2)、按照岩芯标本的规格建立三维建模的坐标系，得到岩芯标本应变分布空间展布和岩芯标本电阻率分布空间展布；
(3)、通过对岩芯标本的数据分析，得到岩芯变形破坏-应变-电阻率之间的关系，完成对加载状态下岩芯标本应变、电阻率的精细测试。
优选的，所述环向光纤和轴向光纤用于测试岩芯标本环向应变和轴向应变，经应变测试模块解析出一系列应变采样点上的应变值；然后，围绕岩芯标本建立三维直角坐标系，一个采样点对应一个空间坐标(x,y,z)，每个采样点对应的应变值为α，得到一系列有应变值的空间点(x,y,z,α)；然后，在MATLAB软件中根据岩芯标本三维模型以及若干采样点的应变值构建应变分布三维模型。
优选的，所述电极片在岩芯标本表面构成数条岩芯标本电阻率测线，经电阻率测试模块解析出一系列电阻率测试点上的电阻率数据；然后，在已建立的三维直角坐标系中，一个电阻率测试点对应一个空间坐标(a,b,c)，每个测试点对应的电阻率为ρ，得到一系列有电阻率值的空间点(a,b,c,ρ)；然后，在MATLAB软件中根据岩芯标本三维模型以及若干测试点的电阻率值构建电阻率分布三维模型。
优选的，根据电阻率分布三维模型能够得到岩芯标本内部的变形破坏情况，电阻率分布三维模型再结合应变分布三维模型能够得知岩芯标本在破坏变形时的应变情况，最终得到岩芯变形破坏-应变-电阻率之间的关系。
本发明一种加载状态下岩芯应变、电阻率精细测试的系统与方法，结构设计科学合理，操作简单，具有测试效率高，测试精度高，测试效果好等优点，该套方法与系统可用于岩芯标本的应变、电阻率的精细测试，测试结果可视化程度高，抗干扰能力强，输出稳定，能够获得岩芯标本在破坏前后的应变和电阻率的变化，结果可用于计算岩芯标本的力学参数和分析岩石在荷载下的变形破坏机理。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。
图1为分布式光纤在岩芯标本表面的布设方式；
图2为电极片在岩芯标本表面的布设方式；
图3为本发明一种加载状态下岩芯应变、电阻率精细测试的系统的整体结构示意图；
图4为三维建模的坐标系建立方式；
图5为本发明一种加载状态下岩芯应变、电阻率精细测试的方法的整体流程图；
其中，图中，
1-岩芯标本；2-环向光纤；3-轴向光纤；4-电极片；5-轴压加载装置；6-应变测试模块；7-电阻率测试模块；8-计算机；9-数据传输线；10-铜芯导线。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例：
如图1-3所示，本发明实施例公开了一种加载状态下岩芯应变、电阻率精细测试的系统，该系统包括轴压加载装置5、岩芯标本1、分布式光纤、电极片4、应变测试模块6、数条铜芯导线10、电阻率测试模块7、计算机8、数据传输线9，其中，
岩芯标本1优选为柱状结构，岩芯标本1外表面的轴向方向和环向方向均布有数条刻槽，分布式光纤包括环向光纤2和轴向光纤3，环向光纤2和轴向光纤3布置于岩芯标本1表面的刻槽中，用水泥封堵，用于岩芯标本1的应变精细测试。
岩芯标本1表面还布设有三个电极片组，每个电极片组由八个电极片4组成且八个电极片4构成位于岩芯标本1表面的一条电阻率测线，三条电极测线沿岩芯标本1的轴向排列，三条电阻率测线平行且均匀的分布于岩芯标本1表面，即三条电阻率测线之间互成120°夹角，用于岩芯标本1的电阻率精细测试。
岩芯标本1置于轴压加载装置5中，环向光纤2和轴向光纤3分别与应变测试模块6相连接，应变测试模块6通过数据传输线9与计算机8相连接；岩芯标本1表面的三组电极片4与数条铜芯导线10相连接，数条铜芯导线10与电阻率测试模块7相连接，电阻率测试模块7通过数据传输线9与计算机8相连接。
为了进一步优化上述实施例的技术方案，多个电极片组中电极片4的数量依岩芯标本1的规格进行确定，根据岩芯标本1的不同，确定最佳的电极距，进而根据岩芯标本1轴向长度确定最佳的电极数量，以达最佳的测试效果。
为了进一步优化上述实施例的技术方案，应变测试模块6由ofdr解调仪构成。
为了进一步优化上述实施例的技术方案，电阻率测试模块7由电法仪构成。
为了进一步优化上述实施例的技术方案，该系统工作的环境应确保温度恒定。
如图3-5所示，本发明实施例还公开了一种加载状态下岩芯应变、电阻率精细测试的方法，具体包括以下步骤：
(1)、如图3所示，将岩芯标本1置于轴压加载装置5中，由轴压加载装置5提供轴向压力向岩芯标本1持续施加轴压(即提供递增的轴向压力)，每次加压，环向光纤2和轴向光纤3进行连续采集，实时记录岩芯标本1在不同轴压加载下的应变变化；为避免相互干扰，3条电阻率测线在每次加压后依次采集岩芯标本1的电阻率，采集完成后继续加压和采集，捕捉岩石破裂时应变和电阻率的变化，直至岩芯标本1完全破坏。
(2)、按照岩芯标本1的规格建立三维建模的坐标系，得到岩芯标本应变分布空间展布和岩芯标本电阻率分布空间展布；
如图4所示，三维建模的坐标系用于构建应变三维模型、电阻率三维模型，将测试结果精细化呈现。
对于应变三维建模，围绕岩芯标本1建立三维直角坐标系，根据采样点间隔，可得到每一个采样点的坐标(x,y,z)，选取应变采样点为三维应变建模数据点，若应变值为α，则可以得到一系列有应变值的空间点(x,y,z,α)，在MATLAB软件(此软件为现有技术，故此处不再过多描述)中根据岩芯标本三维模型以及若干采样点的应变值构建应变分布三维模型，以将岩芯应变测试结果精细化表达。
对于电阻率三维建模，在已建立的三维直角坐标系中，一个电阻率测试点对应一个空间坐标(a,b,c)，选取电阻率测试点为三维电阻率建模的数据点，若电阻率为ρ，则可以得到一系列有电阻率值的空间点(a,b,c,ρ)；在MATLAB软件中根据岩芯标本三维模型以及若干测试点的电阻率值构建电阻率分布三维模型，以将岩芯应变测试结果精细化表达。
另外，由于分布式光纤的测试结果由应变和温度共同作用，故测试过程中应在温度恒定的操作间进行，以尽量减小温度因素对应变测试的影响，获得岩芯标本1整个加载过程中的应变值大小。
(3)、轴压加载装置5为岩芯标本1提供递增的轴向压力，根据电阻率分布三维模型能够得到岩芯标本1内部的变形破坏情况，电阻率分布三维模型再结合应变分布三维模型便能够得知岩芯标本1在破坏变形时的应变情况，最终得到岩芯变形破坏-应变-电阻率之间的关系，达到精细测试的目的。
采用本发明系统与方法得到的测试结果可视化程度高，抗干扰能力强，输出稳定，能够获得岩芯标本1在破坏前后的应变和电阻率的变化，结果可用于计算岩芯标本1的力学参数和分析岩石在荷载下的变形破坏机理。

Claims (6)

1.一种加载状态下岩芯应变、电阻率精细测试的系统，其特征在于，该系统包括轴压加载装置(5)、岩芯标本(1)、分布式光纤、电极片(4)、应变测试模块(6)、铜芯导线(10)、电阻率测试模块(7)、计算机(8)、数据传输线(9)，其中，
岩芯标本(1)外表面的轴向方向和环向方向均布有数条刻槽，分布式光纤包括环向光纤(2)和轴向光纤(3)，环向光纤(2)和轴向光纤(3)布置于岩芯标本(1)表面的刻槽中；岩芯标本(1)表面还布设有多个电极片组，每个电极片组由多个电极片(4)组成且多个电极片(4)构成位于岩芯标本(1)表面的一条电阻率测线，多条电极测线沿岩芯标本(1)的轴向排列，多条电阻率测线平行且均匀的分布于岩芯标本(1)表面；
岩芯标本(1)置于轴压加载装置(5)中，环向光纤(2)和轴向光纤(3)分别与应变测试模块(6)相连接，应变测试模块(6)通过数据传输线(9)与计算机(8)相连接；多组电极片(4)与数条铜芯导线(10)相连接，数条铜芯导线(10)与电阻率测试模块(7)相连接，电阻率测试模块(7)通过数据传输线(9)与计算机(8)相连接；
利用上述系统进行加载状态下岩芯应变、电阻率精细测试的方法，包括以下步骤：
(1)、将岩芯标本(1)置于轴压加载装置(5)中，向岩芯标本(1)持续施加轴压，此动态过程中连续采集轴向、环向应变数据，并在每组轴压下，依次采集不同电阻率测线的电阻率数据，捕捉岩石破裂时应变和电阻率的变化，直至岩芯标本(1)完全破坏；
(2)、按照岩芯标本(1)的规格建立三维建模的坐标系，得到岩芯标本应变分布空间展布和岩芯标本电阻率分布空间展布；
所述环向光纤(2)和轴向光纤(3)用于测试岩芯标本(1)环向应变和轴向应变，经应变测试模块(6)解析出一系列应变采样点上的应变值；然后，围绕岩芯标本(1)建立三维直角坐标系，一个采样点对应一个空间坐标(x,y,z)，每个采样点对应的应变值为α，得到一系列有应变值的空间点(x,y,z,α)；然后，在MATLAB软件中根据岩芯标本三维模型以及若干采样点的应变值构建应变分布三维模型；
所述电极片(4)在岩芯标本(1)表面构成数条岩芯标本电阻率测线，经电阻率测试模块(7)解析出一系列电阻率测试点上的电阻率数据；然后，在已建立的三维直角坐标系中，一个电阻率测试点对应一个空间坐标(a,b,c)，每个测试点对应的电阻率为ρ，得到一系列有电阻率值的空间点(a,b,c,ρ)；然后，在MATLAB软件中根据岩芯标本三维模型以及若干测试点的电阻率值构建电阻率分布三维模型；
(3)、通过对岩芯标本(1)的数据分析，得到岩芯变形破坏-应变-电阻率之间的关系，完成对加载状态下岩芯标本(1)应变、电阻率的精细测试；
根据电阻率分布三维模型能够得到岩芯标本(1)内部的变形破坏情况，电阻率分布三维模型再结合应变分布三维模型能够得知岩芯标本(1)在破坏变形时的应变情况，最终得到岩芯变形破坏-应变-电阻率之间的关系。
2.根据权利要求1所述的一种加载状态下岩芯应变、电阻率精细测试的系统，其特征在于，所述环向光纤(2)和轴向光纤(3)由水泥封堵于岩芯标本(1)表面的刻槽中。
3.根据权利要求1所述的一种加载状态下岩芯应变、电阻率精细测试的系统，其特征在于，多个电极片组中电极片(4)的数量依岩芯标本(1)的规格进行确定。
4.根据权利要求1所述的一种加载状态下岩芯应变、电阻率精细测试的系统，其特征在于，所述应变测试模块(6)由ofdr解调仪构成。
5.根据权利要求1所述的一种加载状态下岩芯应变、电阻率精细测试的系统，其特征在于，所述电阻率测试模块(7)由电法仪构成。
6.根据权利要求1所述的一种加载状态下岩芯应变、电阻率精细测试的系统，其特征在于，该系统工作的环境应温度恒定。
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