[发明专利]一种岩石三维应力状态的光纤光栅测试装置及测试方法

说明书

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匀分布的应力场，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                                                ，那么在空心包体中的X方向会产生应力，如下公式所示：

上述公式中，，分别为岩体和刚性包体的弹性模量；，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。