金永黎，韓必武，歐元超

(1.安徽理工大學(xué) 地球與環(huán)境學(xué)院，安徽 淮南232001；2.淮南礦業(yè)集團(tuán)，安徽 淮南232001)

圖1 分布式光纖探測(cè)原理

1 引言

在一些地下工程中，巖土體被開挖或者受到外力作用時(shí)，周邊巖石是否發(fā)生變形，是否產(chǎn)生裂隙以及圍巖的穩(wěn)定性，都與巖石自身的力學(xué)性質(zhì)相關(guān)，當(dāng)巖石出現(xiàn)大的變形時(shí)，穩(wěn)定性會(huì)變差，嚴(yán)重威脅地下工程體的安全。

目前，許多學(xué)者在巖石的變形、破裂過程方面進(jìn)行了深入研究[1～4]，并取得了一系列成果。通過一些監(jiān)測(cè)手段研究巖石試樣在荷載條件下從穩(wěn)定到破裂的整個(gè)發(fā)育過程，分析得到加載條件下的巖石變形破裂規(guī)律，并且還在不斷嘗試新的方法來對(duì)巖石的累積變形破壞進(jìn)行測(cè)試[5，6]。分布式光纖傳感測(cè)試技術(shù)自20世紀(jì)90年代來，被廣泛的應(yīng)用于工程結(jié)構(gòu)的健康監(jiān)測(cè)中[7]。許多科學(xué)家利用其開展復(fù)合材料和混凝土結(jié)構(gòu)裂縫的檢測(cè)[8，9]，已在工程應(yīng)用中體現(xiàn)出其高分辨率和高精度等優(yōu)勢(shì)。

本次試驗(yàn)研究，主要利用分布式光纖測(cè)試技術(shù)高精度的特點(diǎn)，能夠測(cè)量巖石在受力情況下所產(chǎn)生的微小應(yīng)變。將光纖線環(huán)向纏繞于巖石試樣表面，并用改性丙烯酸酯膠粘劑使其固定。在單軸加載條件下獲得了測(cè)線布置長(zhǎng)度上非離散點(diǎn)的應(yīng)變信息特征。通過對(duì)所獲得的應(yīng)變數(shù)據(jù)的分析研究，探究分布式光纖技術(shù)運(yùn)用在巖石力學(xué)測(cè)試方面的可行性，以及分布式光纖技術(shù)對(duì)巖石變形破裂過程捕獲的準(zhǔn)確性。

2 分布式光纖的傳感原理

基于布里淵散射的分布式光纖傳感技術(shù)，利用布里淵散射頻移隨溫度和應(yīng)變呈線性變化的關(guān)系(圖1)，集合光時(shí)域反射技術(shù)、光時(shí)域分析技術(shù)或光頻域分析技術(shù)可實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度和應(yīng)變的全分布式測(cè)量。

布里淵頻移與光纖應(yīng)變對(duì)應(yīng)關(guān)系式如式(1)：

式(1)中VBYεY是光纖應(yīng)變?yōu)闀r(shí)的布里淵頻移，VBY 0Y為光纖應(yīng)變?yōu)?時(shí)的布里淵頻移，為應(yīng)變系數(shù)，大約為493MHz，ε為光纖應(yīng)變。應(yīng)變系數(shù)一般和探測(cè)光的波長(zhǎng)和所選擇的光纖類型有關(guān)，因此需要對(duì)其進(jìn)行事先標(biāo)定。

其實(shí)際中的操作是通過向光纖中發(fā)射一束脈沖激光，會(huì)產(chǎn)生布里淵散射光，當(dāng)光纖的物理狀態(tài)發(fā)生改變時(shí)(如當(dāng)收到外力作用時(shí)或外界溫度發(fā)生變化時(shí))，布里淵散射光的頻率也隨之發(fā)生變化(圖1)，且這個(gè)頻率的變化量只和光纖的軸向應(yīng)變及溫度線性相關(guān)。根據(jù)散射光頻率變化的大小就可以確定待測(cè)部位響應(yīng)物理量的變化。

3 單軸多級(jí)加載試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)儀器及材料

試驗(yàn)以MTS815巖石力學(xué)試驗(yàn)系統(tǒng)作為加載設(shè)備(如圖2)，數(shù)據(jù)采集設(shè)備AV6419光纖應(yīng)變分布測(cè)試儀，其具有測(cè)試精度高，能連續(xù)采集的特點(diǎn)，數(shù)據(jù)采集過程采用BOTDR單端發(fā)射的方式。

本次試驗(yàn)采用的巖石樣品為對(duì)受力變化較為敏感的砂巖試樣，樣品標(biāo)準(zhǔn)為φ50 mm×100 mm，其表面處理光滑，易于光纖線的附著，保持上下端面平整，避免施壓過程中導(dǎo)致巖石受力不均勻，影響實(shí)驗(yàn)的結(jié)果。

試驗(yàn)選擇的光纖線為直徑0.9 mm的無護(hù)套應(yīng)變感測(cè)光纖，裸纖芯直徑為0.25 mm，該光纖采用布里淵反射能力強(qiáng)的G.652(B)型光纖作為纖芯，僅在表面涂覆一層薄涂覆層，通過粘合劑可以很好地和被測(cè)物體進(jìn)行耦合，應(yīng)變傳遞性能高。

圖2 MTS815巖石力學(xué)試驗(yàn)系統(tǒng)

3.2 光纖傳感器布設(shè)

光纖傳感器的選材及布設(shè)方式直接影響著實(shí)驗(yàn)的結(jié)果，實(shí)驗(yàn)所選光纖具有對(duì)應(yīng)變敏感的特點(diǎn)，材質(zhì)柔軟，易于附著于巖石表面，且在耦合性方面也能滿足要求。

傳感器的布設(shè)采用纏繞方式，并利用改性丙烯酸酯膠粘劑將光纖傳感器附著于砂巖試樣表面(如圖3)。該粘合劑能夠在短時(shí)間內(nèi)凝結(jié)，利于光纖的快速附著，且凝結(jié)后在實(shí)驗(yàn)過程中對(duì)巖石的破裂變形不會(huì)產(chǎn)生影響。

圖3 光纖傳感器的布設(shè)

環(huán)向纏繞測(cè)線時(shí)，單圈測(cè)線之間距離1 cm，共纏繞九圈，測(cè)線總長(zhǎng)5.18 m，黏著在巖石試樣上的有效長(zhǎng)度為1.5 m。為避免測(cè)線尾端存在的光的散射現(xiàn)象對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響，需在巖石試樣的尾端水平緊密的纏繞兩圈。在數(shù)據(jù)采集結(jié)束后，僅截取巖石試樣上的有效部分進(jìn)行分析。

3.3 數(shù)據(jù)采集

試驗(yàn)采用單級(jí)逐次加壓的方式進(jìn)行，每級(jí)加壓4 MPa，在每次加壓后，維持壓力大小不變的情況下采集一組數(shù)據(jù)，直到巖石破裂數(shù)據(jù)采集結(jié)束。次試驗(yàn)數(shù)據(jù)采集歷時(shí)1 h 35 min，共采集數(shù)據(jù)14組(如表1)。

表1 加載試驗(yàn)數(shù)據(jù)采集

3.4 數(shù)據(jù)分析

光纖線纜在實(shí)驗(yàn)過程中會(huì)同時(shí)受到應(yīng)變和外在溫度的影響，所以應(yīng)考慮到溫度補(bǔ)償?shù)膯栴}。本次試驗(yàn)在巖石試樣未加壓的狀態(tài)下采集一組數(shù)據(jù)作為背景值，在分析結(jié)果時(shí)取每組數(shù)據(jù)與背景值的差值，在同一環(huán)境下溫度相同，做差過后可忽略溫度對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響。圖4為在巖石試樣在逐次加壓的情況下對(duì)應(yīng)的應(yīng)變值變化情況。

從圖中可看出整體變化趨勢(shì)明顯，在巖石破裂以前，經(jīng)過每次加壓過后附著在巖石表面的光纖應(yīng)變呈現(xiàn)規(guī)律性的遞增，當(dāng)?shù)?1－13次加壓過后應(yīng)變值達(dá)到最大，巖石出現(xiàn)裂紋，此時(shí)巖石對(duì)應(yīng)的壓力為40.5 MPa，當(dāng)再次加壓后應(yīng)變值反而減小，此時(shí)巖石對(duì)應(yīng)的壓力為33.5 MPa。此巖石壓裂試驗(yàn)表明，分布式光纖采集的應(yīng)變數(shù)據(jù)能夠很好的反映出在加壓過程中巖石試樣各位置的變形情況。

圖4 光纖應(yīng)變分布

在整個(gè)加壓過程中，根據(jù)光纖線應(yīng)變的變化趨勢(shì)可把巖石變形過程分為3個(gè)階段(圖5)。

第一個(gè)階段為穩(wěn)定階段(圖5a)，這一階段應(yīng)變曲線整體平穩(wěn)，無明顯差異，砂巖試樣表明也無變化，分析是由于巖石內(nèi)部孔隙、裂隙等結(jié)構(gòu)的原因，導(dǎo)致在外力加壓情況下巖石內(nèi)部壓實(shí)，使得在壓縮前期巖石沒有產(chǎn)生橫向的應(yīng)變，巖石沒有發(fā)生明顯變形。

第二階段為變形階段(圖5b)，這一階段巖石在11－5至11－12的加壓過程中出現(xiàn)了應(yīng)變的遞增變化，且呈現(xiàn)了一致的規(guī)律性，整體表現(xiàn)為拉應(yīng)變，說明在壓縮過程中巖石不斷向外膨脹，但巖石表面沒有出現(xiàn)裂紋。

第三階段為破壞階段(圖5c)，這一階段當(dāng)施加壓力達(dá)到40.5 MPa時(shí)巖石出現(xiàn)裂紋，此時(shí)應(yīng)變值達(dá)到最大，當(dāng)繼續(xù)加壓后壓力值變?yōu)榱?3.5 MPa，反而變小了，對(duì)應(yīng)的光纖應(yīng)變值也相對(duì)減小，但整體還是呈現(xiàn)拉應(yīng)變，分析是由于持續(xù)的加壓導(dǎo)致巖石內(nèi)部結(jié)構(gòu)遭到破壞，引起巖石強(qiáng)度的降低，使得巖石表面出現(xiàn)了裂紋。

圖5 階段性應(yīng)變

4 結(jié)論

(1)在MTS加壓系統(tǒng)下對(duì)砂巖試樣進(jìn)行加壓，采用分布式光纖的方法得到了砂巖試樣從完好到破裂過程中產(chǎn)生的應(yīng)變變化情況，宏觀上認(rèn)識(shí)到砂巖試樣開裂的演化規(guī)律與其施加壓力大小的關(guān)系。

(2)通過本次試驗(yàn)，分布式光纖技術(shù)為研究巖石破裂的演化規(guī)律提供了一種新的思路和方法，其所得到的結(jié)果對(duì)巖石的穩(wěn)定性評(píng)價(jià)有一定意義，在研究巖石的變形破壞方面也能直觀清楚表達(dá)其變化規(guī)律。

(3)巖石與光纖傳感光纜之間的應(yīng)變傳遞受粘著劑及貼合方式的影響，在接下來的研究中需要綜合考慮各方面因素，減小實(shí)驗(yàn)過程中的誤差。