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专利名称：一种岩石三维应力状态的光纤光栅测试装置及测试方法
技术领域：
本发明涉及岩石应力测试领域，尤其涉及一种岩石三维应力状态的测试装置及测试方法。
背景技术：
我国是世界上自然灾害频发的国家之一，煤矿事故、泥石流及山体滑坡等灾害频繁发生，造成的经济损失难以估计。而许多严重恶性事故的发生是由于对岩体应力状态及内部缺陷不了解所造成。及时识别从微观到宏观的力学信号在岩石中的表征，并在危险的破坏到来之前发出预警，已经成为力学科学在新世纪中国发展中凸现出的9个关键力学问题之一。在外载荷作用下，岩石中缺陷的萌生、长大、扩展和汇合的过程导致了岩石的最终破坏，因此岩石的变形破坏是一个损伤演化的过程。而岩石内部应力状态，特别是原岩应力被打破后三维应力状态的改变会对裂纹的起裂、扩展及延伸起到至关重要的作用。因此，通过监测手段及时掌握岩石三维应力状态信息，获取裂纹扩展的致裂机理，是减少灾害发生的最有效手段之一。目前，针对于岩石裂纹的发生、发展及破坏的岩石损伤力学检测方法很多，如光学检测法、CT、声发射法、电磁辐射及红外检测等，但这些方法只能检测岩石裂纹的扩展及演化，很难实现外载荷作用下岩石内部三维应力的测试。即相比于致裂机理检测方法，对岩石内部应力状态的检测研究进展不大，特别是针对于大型工程岩体内部三维应力状态的长期、有效检测。就目前而言，对岩石内部三维应力状态的检测主要借助原始地应力的检测方法， 如水压致裂法。所谓的水压致裂法是指通过对岩石内部打孔并注入高压水使岩石破裂的方法测试岩石内部应力的一种方法，从本质上讲，水压致裂法只是一种二维应力测量方法，若要决定一个三维应力场需打交汇于测点的三个互不平行的钻孔，这几乎是不可能的，且测量结果受岩石中的原生节理裂隙和人的经验的因素影响极大。原始地应力的测试与外载荷作用下内部应力状态的测试有着本质的差别前者只是测量无外界扰动下的原岩应力，不存在应力状态改变及受载破坏的情况，后者则主要测试外界影响下如采动下的应力状态的改变、应力分布规律等，应力信息动态变化，且伴随外载荷作用下岩石的变形及破裂。应力解除法则是发展时间较长，理论上较为成熟的一种测量方法。在应力解除测量使用的各种仪器中，空心包体应变计是被使用最多的一种仪器。空心包体应变计的主要组成部分是一个由钢、铜台金或其它硬质金属材料制成的空心圆柱，在其中心部位有一个压力传感元件，测量时首先在测点打一钻孔，然后将该圆柱挤压进钻孔中，以使圆柱和钻孔壁保持紧密接触，就像焊接在孔壁上一样。理论分析表明，位于一个无限体中的刚性包体， 当周围岩体中的应力发生变化时，在刚性包体中会产生一个均勻分布的应力场，该应力场的大小和岩体中的应力变化之间存在一定的比例关系。设在岩体中的X方向有一个应力变
化O1 S「么在空心包体中的χ方向会产生应力<，如下公式所示上述公式中，五，贤分别为岩体和刚性包体的弹性模量；V，Vr分别为岩体和刚性包体的泊松比。该仪器使用的传感器仍为传统的应变片，存在抗干扰性、耐久性和长期稳定性等较差的缺点，很容易受外界影响而失效，难以适应现代工程监测的要求，因此，借助地应力的测试方法对动态应力信息进行测量是很不现实的，需要不断寻求适合岩石应力应变检测的新的测试原理和方法。 光纤光栅是20世纪90年代以来国际上新兴的一种有着广泛应用前景的、性能优良的反射滤波无源敏感元件，通过Bragg光栅反射波长的移动来感应外界微小应变变化而实现对结构在线测量。该项技术在航空航天、复合材料、混凝土结构工程、电力工程及医学等多个领域得到广泛应用。国内外有关于将光纤光栅与锚杆技术相结合，形成传感测试锚杆测试岩体内部变形的相关报道，或采用表面粘贴的方法将光纤光栅粘贴于岩石试件表面进行加载过程的应变或应力测试。但无论采用何种方法，由于光纤光栅的轴向敏感特性，都没有实现三维应力的测试。

发明内容
本发明的目的是提供一种岩石三维应力状态的测试装置及测试方法，可以在岩体破坏前作出及时精确的响应，减少灾害的发生。本发明采用下述技术方案一种岩石三维应力状态的光纤光栅测试装置，包括由光纤光栅网络解调仪与计算机构成的数据处理模块，光纤光栅网络解调仪的信号输出端与计算机的信号输入端连接，还包括光纤光栅传感结构，光纤光栅传感结构由三个光纤光栅传感器和用于安装光纤光栅传感器的基体，所述基体可随岩石的形变产生形变，所述三个光纤光栅传感器分别固定在基体表面的三维方向上；所述三个光纤光栅传感器的信号输出端均与光纤光栅网络解调仪的信号输入端连接。所述的基体为立方体模块，三个光纤光栅传感器分别固定在立方体模块的三个相邻表面的三维方向上。所述的基体为圆柱体模块，三个光纤光栅传感器分别固定在圆柱体模块的圆柱面的三维方向上。所述的基体为三棱锥体模块，三个光纤光栅传感器分别固定在三棱锥体模块的三个相邻表面的三维方向上。所述的基体为混凝土模块。利用所述的测试装置测试岩石三维应力状态的方法，将所述光纤光栅传感结构植入岩石内部，利用三个光纤光栅传感器感应岩石的三维应力的变化，再经过数据处理模块计算即得出岩石的三维应力状态。所述的基体为立方体模块，三个光纤光栅传感器分别固定在立方体模块的三个相邻表面的三维方向上。所述的基体为圆柱体模块，三个光纤光栅传感器分别固定在圆柱体模块的圆柱面的三维方向上。所述的基体为三棱锥体模块，三个光纤光栅传感器分别固定在三棱锥体模块的三个相邻表面的三维方向上。所述的基体为混凝土模块。本发明将三个光纤光栅传感器固定在基体上形成三维应力测试结构，克服了光纤光栅仅对单方向应力敏感的缺点，以实现岩体内部三维应力场的测试过程，这对于采动下岩体内部应力变化规律及岩层垮落前微观力学行为的信息获取具有重要意义。其中光纤光栅传感器具有极高的测试精度，还具有抗外界辐射、抗电磁干扰等多个优点，可以测出微应变级的变形量，因此可以在岩体破坏前作出及时的响应，能够实现岩石内部三维应力的高精度测量，由此实现大型工程岩体长期、有效的监测，更有利于灾害的预防，减少灾害的发生。本发明还对于人们探索岩石变形机理，实现新的矿山安全监测与预测预报技术及减少由于岩体的变形失稳而导致的自然灾害等具有重要意义。


图1为本发明中立方体光纤光栅传感结构的示意图； 图2为本发明中数据处理模块的电路原理框图3为本发明圆柱体光纤光栅传感结构的示意图； 图4为本发明中三棱锥体光纤光栅传感结构的示意图。
具体实施例方式如图1、图2所示，本发明一种岩石三维应力状态的测试装置包括光纤光栅网络解调仪与计算机构成的数据处理模块、还有光纤光栅传感结构，其中光纤光栅传感结构由三个光纤光栅传感器21、22、23和用于安装三个光纤光栅传感器21、22、23的基体构成，本实施例中基体为立方体模块1，三个光纤光栅传感器21、22、23分别采用高强度的环氧树脂胶粘贴在立方体模块1的三个相邻表面的三维方向上；三个光纤光栅传感器21、22、23的信号输出端均与光纤光栅网络解调仪的信号输入端连接，光纤光栅网络解调仪的信号输出端通过数据线与计算机的信号输入端连接。所述光纤光栅网络解调仪与计算机构成的数据处理模块为现有技术，其中光纤光栅网络解调仪包括光电转换模块、数据采集模块、波长计算模块和数据分析模块。本实施例中所述的立方体模块1为混凝土模块，混凝土模块由水泥、石英砂、水按质量比为1:1.5:1的比例混合而成，根据材料协调变形理论，混凝土模块与岩石二者力学特性相似程度高，容易实现材料的协调变形，实现高精度测试；除此之外，立方体模块1还可由其它材料构成，例如高强度复合材料、玻璃纤维等。如图3所示，本发明中的基体还可为圆柱体3 ；三个光纤光栅传感器21、22、23分别固定在圆柱体3的圆柱面的三维方向上；如图4所示，本发明中的基体还可为三棱锥体 4;三个光纤光栅传感器21、22、23分别固定在三棱锥体4的三个相邻表面的三维方向上，分别对岩石的三维应力进行测量。如图1、图2所示，本发明对岩石进行测试时，通过打孔的方法将光纤光栅传感结构植入岩石内部，采用混凝土封孔以固定光纤光栅传感结构，使其和封孔混凝土与岩石成为一体。再通过外部加载的方式改变岩石三维应力状态，三个光纤光栅传感器21、22、23发生轴向应变的变化，再通过广义胡克定律求出三维应力的变化过程。具体说，假设三个光纤光栅传感器21、22、23分别为&、FyRFz,则/^轴平行于与χ轴，因此其仅对平行于χ轴方向的应力敏感，同理，Fy和&仅对平行于y轴、ζ轴的应力敏感。当光纤光栅传感器21、 22、23同时受三维应力作用时，Fx、Fy^Fz分别感受χ轴、y轴、ζ轴三个方向的应力，产生
分别沿三个方向的应变其大小可通过分别平行于坐标的光纤光栅传感器21、
22,23测试出。光纤光栅网络解调仪发出光信号至光纤光栅传感器后满足反射条件的光被反射回来，反射光返回光纤光栅网络解调仪并被处理成电信号，再经数据采集模块、波长计算模块和数据分析模块，传输给计算机显示出来，通过此过程可获得反射波长的变化信息， 再通过数据处理得到三个光纤光栅传感器21、22、23的应变变化，经由广义胡克定律的换算即可得到三维应力的变化规律。对相似模型内部变形测试时，在模型铺装的过程中将光纤光栅结构埋入，对开采过程进行应力监测。若采用图3或图4所示的光纤光栅传感结构时，工作原理与立方体光纤光栅传感结构相同，在计算过程中，需通过力学换算求出岩石的三维应力。由此可知，本发明可以在岩体破坏前作出及时的精确响应，减少灾害的发生。
权利要求
1.一种岩石三维应力状态的光纤光栅测试装置，包括由光纤光栅网络解调仪与计算机构成的数据处理模块，光纤光栅网络解调仪的信号输出端与计算机的信号输入端连接，其特征在于还包括光纤光栅传感结构，光纤光栅传感结构由三个光纤光栅传感器和用于安装光纤光栅传感器的基体，所述基体可随岩石的形变产生形变，所述三个光纤光栅传感器分别固定在基体表面的三维方向上；所述三个光纤光栅传感器的信号输出端均与光纤光栅网络解调仪的信号输入端连接。
2.根据权利要求1所述的岩石三维应力状态的光纤光栅测试装置，其特征在于所述的基体为立方体模块，三个光纤光栅传感器分别固定在立方体模块的三个相邻表面的三维方向上。
3.根据权利要求1所述的岩石三维应力状态的光纤光栅测试装置，其特征在于所述的基体为圆柱体模块，三个光纤光栅传感器分别固定在圆柱体模块的圆柱面的三维方向上。
4.根据权利要求1所述的岩石三维应力状态的光纤光栅测试装置，其特征在于所述的基体为三棱锥体模块，三个光纤光栅传感器分别固定在三棱锥体模块的三个相邻表面的三维方向上。
5.根据权利要求2或3或4所述的岩石三维应力状态的光纤光栅测试装置，其特征在于所述的基体为混凝土模块。
6.利用权利要求1所述的测试装置测试岩石三维应力状态的方法，其特征在于将所述光纤光栅传感结构植入岩石内部，利用三个光纤光栅传感器感应岩石的三维应力的变化，再经过数据处理模块计算即得出岩石的三维应力状态。
7.根据权利要求6所述的岩石三维应力状态的测试装置的测试方法，其特征在于所述的基体为立方体模块，三个光纤光栅传感器分别固定在立方体模块的三个相邻表面的三维方向上。
8.根据权利要求6所述的岩石三维应力状态的测试装置的测试方法，其特征在于所述的基体为圆柱体模块，三个光纤光栅传感器分别固定在圆柱体模块的圆柱面的三维方向上。
9.根据权利要求6所述的岩石三维应力状态的测试装置，其特征在于所述的基体为三棱锥体模块，三个光纤光栅传感器分别固定在三棱锥体模块的三个相邻表面的三维方向上。
10.根据权利要求7或8或9所述的岩石三维应力状态的测试装置的测试方法，其特征在于所述的基体为混凝土模块。
全文摘要
本发明公开了一种岩石三维应力状态的测试装置和测试方法，其中测试装置包括由光纤光栅网络解调仪与计算机构成的数据处理模块、由三个光纤光栅传感器和用于安装光纤光栅传感器的基体，所述基体可随岩石的形变产生形变，所述三个光纤光栅传感器分别固定在基体表面的三维方向上；所述三个光纤光栅传感器的信号输出端均与光纤光栅网络解调仪的信号输入端连接。本发明可以测出微应变级的变形量，因此可以在岩体破坏前作出及时的响应，能够实现岩石内部三维应力的高精度测量，由此实现大型工程岩体长期、有效的监测，更有利于灾害的预防。
文档编号G01L1/24GK102175366SQ20111005255
公开日2011年9月7日 申请日期2011年3月5日 优先权日2011年3月5日
发明者柴敬, 许力, 魏世明 申请人:河南理工大学