柴 敬楊玉玉歐陽一博張丁丁杜文剛李淑軍

(1.西安科技大學 能源學院,陜西 西安 710054;2.西安科技大學 西部礦井開采及災害防治教育部重點實驗室,陜西 西安 710054; 3.陜西郭家河煤業(yè)有限責任公司,陜西寶雞 721505)

煤層開采引起上覆巖層產(chǎn)生移動,由此發(fā)生了一系列力學現(xiàn)象,研究開采引起的覆巖運移規(guī)律是發(fā)展開采技術的基礎[1]。然而,由于現(xiàn)場研究費用高、難度大及監(jiān)測設備受限等因素,物理模型試驗是研究覆巖變形破斷規(guī)律、頂板來壓特征的主要手段[2]。目前,物理模型試驗中位移測試多采用近景攝影、全站儀、百分表等,應力應變監(jiān)測多采用應變片、壓力傳感器等手段,由于測試精度低、操作多為點式測量等原因,這些測試手段難以連續(xù)、實時進行整場測量。

光纖傳感技術由于其可以實現(xiàn)長距離、高精度、分布式測量等諸多優(yōu)點,被廣泛應用于各種工況下的結構健康檢測。其中布里淵光時域分布式光纖傳感技術(BOTDA)優(yōu)點突出,精度高,實現(xiàn)分布式測試,可測量絕對溫度和應變[3]。光纖布拉格光柵(FBG)是應用最為廣泛的光纖傳感技術之一,現(xiàn)已被廣泛應用于電力、礦業(yè)和建筑等多個領域[4]。BOTDA/FBG聯(lián)合應用于實驗室、現(xiàn)場的研究已逐步成熟。柴敬等綜合利用光纖光柵和分布式光纖傳感技術對采動覆巖變形進行聯(lián)合監(jiān)測,形成了頂板來壓規(guī)律、覆巖垮落形態(tài)、物理相似模型溫/濕度場的檢測等一系列的研究成果[5-8]。施斌和張丹對煤層采動過程中覆巖變形與破壞的發(fā)育規(guī)律進行了監(jiān)測和分析,揭示覆巖變形與破壞的發(fā)育特征[9]。張丁丁等研究松散層沉降光纖光柵監(jiān)測的應變傳遞規(guī)律并在工程中應用[10]。吳冰,朱鴻鵠等利用光纖光柵對凍土含冰量進行監(jiān)測,得出部分規(guī)律[11]。

數(shù)字圖像相關(Digital Image Correlation,DIC)技術是一種基于非接觸式圖像的光學方法,利用數(shù)字圖像獲取結構體全場位移和應變響應,相關學者已將其應用于巖石力學試驗中[12-13]。朱鴻鵠在砂土質地基模型試驗中,基于FBG,BOTDA 和粒子圖像測速(Particle Image Velocimetry,PIV)結合技術獲得了土體的應變,其中PIV 與DIC 原理相同。2 種方法在具體數(shù)值有較大的差異,在小變形條件下,FBG 讀數(shù)的穩(wěn)定性明顯好于PIV[14-15]。對于光纖傳感技術與DIC 測量精度的研究,鮮有相關文獻報道。

筆者將BOTDA,FBG 和DIC 技術應用于物理相似模擬試驗中,用BOTDA 以及FBG 傳感器進行結構內(nèi)部應變測試,用DIC 進行表面應變實時監(jiān)測,研究不同原理測試方法在獲得數(shù)據(jù)上的關系,建立對應換算比例。分析不同光測方法對同一對象觀測的應變值差異較大的原因。

1 光測方法原理

1.1 BOTDA 應變

BOTDA 為利用光纖作為傳感元件,當被測光纖受到外力或溫度變化時,光纖中受激布里淵散射光的頻率將發(fā)生變化,通過轉換就能獲得光纖沿線的應變信息。布里淵頻移變化量與溫度和應變變化[16]為

其中,Δε為應變變化量;ΔVB為布里淵頻移量,MHz;C1為溫度靈敏度系數(shù),MHz/℃;ΔT為溫度變化量,℃;C2為應變靈敏度系數(shù),103GHz。該方法基于光的散射原理,測量布里淵散射光的頻率變化。

1.2 FBG 應變

利用光纖材料特性,在纖芯形成空間相位光柵,即FBG,應變與溫度的變化都能夠引起的反射光波長變化[17]為

其中,ΔλBi為光纖光柵中心波長的變化量,nm;λBi(i=1,2)為光柵初始中心波長,nm;KT為溫度靈敏度系數(shù),對于室溫下,一般取值0.794;Δε,ΔT為光柵應變、溫度變化量;Kε為應變靈敏度系數(shù),對于典型石英光纖,取值0.78。依據(jù)公式可以方便求出外界應變Δε的值。該方法基于光纖耦合模式理論,測量反射光的波長變化。

上述2 種方法在溫度變化較小的情況下(如5 ℃),可忽略溫度的影響。

1.3 DIC 應變測量原理

DIC 技術是使用工業(yè)相機獲取物體表面的散斑圖像,基于算法進行圖像分析以定量提取被測結構體表面的三維坐標、位移場及應變場等變形信息。DIC通過求取變形圖像前后子區(qū)中心點的位移差來獲取測量點Pi(i=1,2,3)的位移,如圖1所示。

DIC 應變計算本質上是對位移的求導,子區(qū)測量點在空間中的變化可用梯度矩陣F[18]表示:

其中,共有6 個未知數(shù),ui,vi為測量點Pi的橫向和豎向位移分量,F11,F12,F21,F22為梯度矩陣F的各元素分量。因此,至少需要3 個測量點的變形信息,采用最小二乘法計算變形張量,拉伸張量U表示為

圖1 數(shù)字圖像相關應變計算原理Fig.1 Calculation principle of digital image correlation strain

由式(4)中可以得出被測物體x和y方向的應變。

BOTDA,FBG 測試方法是以光為載體、光纖為媒介對外界信號進行感知和傳輸,本質上是一種“線應變”。DIC 應變測量通過至少3 個測量點的位移數(shù)據(jù)求出應變,本質上是“面應變”。

2 測試數(shù)據(jù)差異性

2.1 應變范圍

對于摻鍺石英光纖,BOTDA 應變靈敏度系數(shù)C2通過標定實驗得出,其值為48 GHz;FBG 應變靈敏度系數(shù)Kε=0.78。本次試驗,BOTDA 與FBG 所測應變表示為

對于直徑為2 mm 的單模緊套光纖進行分布式光纖應變監(jiān)測時,ΔVB在0～480 MHz;對于典型的聚烯乙酯封裝的FBG 傳感器,ΔλBi范圍在0～8 nm。由此可得,FBG 傳感器(1 550 nm)最大監(jiān)測應變?yōu)?.617×10-3;BOTDA 最大測試應變?yōu)?0-2。

圖2為不同地質條件下模擬煤礦上覆巖層變形破斷時,由BOTDA 和FBG 監(jiān)測出的最大應變值,橫坐標為物理模型模擬開挖工作面的推進距離,數(shù)據(jù)點來自文獻的研究成果[6,8,19-21]。引入高采比k(k=h/m)表述上覆巖層的位置,h為光纖的埋設位置,m代表煤層的采高,即從0～30 倍的高采比進行統(tǒng)計。由圖2可知,當覆巖產(chǎn)生破斷時,BOTDA/FBG 測得應變離散程度高,但是總體上,隨著高采比k的增大,測得的應變相對要小些,這符合覆巖變形的基本規(guī)律;BOTDA 測得的應變大致為0～7×10-3,平均應變3.656×10-3;FBG 監(jiān)測結果分布在0～5×10-3,平均應變2.352×10-3。試驗測試結果在量級上與理論值基本一致。

DIC 為基于連續(xù)變形假設的光測方法,其監(jiān)測應變的測試范圍為5×10-5～20,獲取應變場的大范圍數(shù)據(jù),因此,從理論上講,BOTDA,FBG 和DIC 測試結果在量級上可能存在1～2.86×103倍的差異。

圖2 模型覆巖破斷時的光纖測試數(shù)據(jù)Fig.2 Optical data of model overburden breaking

2.2 監(jiān)測應變差異性

根據(jù)1.3 節(jié),DIC 的應變測試本質是基于連續(xù)變形對位移的求導,測點位于均勻變形區(qū)域時,應變測試數(shù)據(jù)接近實際應值;測點位于裂隙及其附近非均勻變形區(qū)域時,應變測試數(shù)據(jù)有差異。圖3為DIC 測量裂隙周圍變形示意,測點1 位于裂隙上,其所在的正方形子區(qū)涵蓋了裂隙區(qū)域以及應變局部化帶內(nèi)的非均勻變形區(qū)域,DIC 無法有效計算裂隙上的位移數(shù)據(jù),測點1 的位移值必定與實際位移值相差較大[22]。測點2 布置在應變局部化帶邊界上,其所在子區(qū)涵蓋了應變局部化帶內(nèi)的非均勻變形區(qū)域和應變局部化帶外的均勻變形區(qū)域,DIC 不可能同時準確獲取非均勻變形區(qū)域和均勻變形區(qū)域的位移值,因此測點2 的位移值必然與實際位移值相差較大,這與前人的研究成果一致[23]。測點3 位于應變局部化帶之外,子區(qū)包含應變局部化帶外的均勻變形區(qū)域,測點3 的位移值與實際位移值相吻合。

圖3 DIC 測量裂隙周圍變形示意Fig.3 Diagram of deformation around fracture measured by DIC

DIC 的應變測量可以等效于在模型表面一定大小的應變片,在此稱作虛擬應變片,虛擬應變片的邊長LVSG為

其中,Lw為正六邊形半徑上除應變測點之外的測點數(shù);Lst為子區(qū)間距;Lsu為子區(qū)大小;α為測試系統(tǒng)放大倍率。為了保證DIC 的測量精度,最終確定Lw為3;Lst為5 pixel;Lsu為34 pixel;α為1.8 pixel/mm,由式(7)求得LVSG為24.44 mm。此外,本次試驗中DIC測量系統(tǒng)位移分辨率為0.01 pixel,DIC 測量系統(tǒng)的精度為0.006 mm。

對于GOM-ARAMIS 軟件,其虛擬應變片為正六邊形,虛擬應變片面積為1 552.15 mm2;BOTDA 解調儀空間分辨率設置為50 mm,對于直徑為2 mm 光纖,其與巖層的接觸面積為100 mm2,也就是說光纖在某點的應變實際為光纖與巖層接觸面積上所有應變的平均值。由此得出,當DIC 測點位于均勻變形區(qū)域時,DIC 與BOTDA 的應變測試結果比值為15.52。

3 相似物理模型試驗

3.1 模型概況

試驗以某礦為研究背景,選用河砂、粉煤灰、石膏、大白粉作為相似材料。選取幾何相似比為1 ∶150,制作相似模型,模擬開挖的煤層編號為1-2煤,煤層厚度m= 1.3 cm,關鍵層位于煤層上方h=19 cm 處。模型兩側邊界煤柱30 cm,開切眼10 cm,模擬工作面開挖步距為3 cm,從保護煤柱向右側推進,累計開挖77 次,共推進240 cm。采用光纖監(jiān)測關鍵層變形破壞,由光纖埋設位置得k=15.8。

3.2 監(jiān)測系統(tǒng)布置

模型共布置有3 種光測傳感監(jiān)測系統(tǒng),BOTDA,FBG 和DIC 技術的監(jiān)測系統(tǒng)如圖4所示,各測量系統(tǒng)均在每次開挖結束后采集數(shù)據(jù)。

埋設3 支FBG 應變傳感器,編號為 FBG01(λB1=1 535.58 nm),FBG02(λB2=1 555.73 nm),此外還有1 支溫度補償傳感器FBG03,采用豎直埋設的方法,監(jiān)測結果中數(shù)據(jù)為正表明巖層處于受拉狀態(tài),數(shù)據(jù)為負表明巖層處于受壓狀態(tài)。一根直徑2 mm的單模緊套光纖,埋設于關鍵層最中間位置,埋設光纖直徑小于2 mm 時巖層位移變化誤差小于5%,對巖層變形影響小[24]。DIC 監(jiān)測系統(tǒng)由兩個CCD 數(shù)字攝像機組成,分辨率為600 萬像素。

3.3 試驗覆巖變形破壞過程

工作面自保護煤柱推進至25 cm 時,直接頂垮落,垮落高度1.1 cm,垮落長度22 cm;推進至37 cm,工作面初次來壓,垮落高度4.5 cm,垮落長度34 cm;推進至58 cm,頂板上部10.5 cm 處出現(xiàn)離層,張開度0.8 cm,長度達到21 cm,工作面第1 次周期來壓;推進至76 cm,頂板上部9.6 cm 處出現(xiàn)新的離層,張開度為0.3 cm,長度達到25.5 cm;工作面推進至115 cm,采空區(qū)中部離層裂隙被壓閉合,上覆巖層20～39.6 cm 處新的離層裂隙進一步發(fā)育,如圖5(a)所示;推進至121 cm,覆巖變形至上表面,地表出現(xiàn)明顯下沉,裂隙帶被壓實,此時裂隙帶高度在33.5 cm;推進至178 cm 時,頂板垮落高度5.6 cm,長度172 cm;推進至220 cm,工作面上部巖層14.5 cm處產(chǎn)生離層,張開度0.5 cm,長度27 cm;推進至240 cm,垮落帶高度達到8 cm,裂隙帶高度為36.5 cm,覆巖變形如圖5(b)所示,回采結束,模型頂部下沉量為0.9 cm,巖層左側垮落角54°,右側垮落角為56°。

圖4 物理模型光測監(jiān)測系統(tǒng)布置Fig.4 Layout of optical monitoring system for physical model

圖5 物理模型試驗覆巖變形及對應DIC 應變云圖Fig.5 Deformation of overburden in physical model test and corresponding DIC strain nephogram

4 試驗結果與分析

4.1 均勻變形區(qū)域的應變對比

工作面推進至22 cm 時,由BOTDA 與DIC 獲得的關鍵層應變監(jiān)測結果如圖6所示,此時工作面覆巖區(qū)域為均勻連續(xù)變形,DIC 測試的平均應變(3.704×10-4)與BOTDA 測試的平均應變(2.22×10-5)比值為16.70,與理論計算值15.52,較為接近。

為了能夠準確評價DIC 測量的精度,利用工作面推進至220 cm 時全站儀測點的觀測值,與DIC 的測試結果進行對比如圖7所示,DIC 與全站儀所測結果整體變化趨勢一致,誤差為8.3%。說明試驗選取的DIC 子區(qū)大小、以及子區(qū)間距的參數(shù)可行,保證了DIC 測量精度對試驗觀測的需要。

4.2 FBG 監(jiān)測應變

在工作面推進過程中,FBG 傳感器測試的應變變化如圖8所示,橫坐標為模型長度。FBG01 距離模型邊界130 cm,應變變化曲線如圖8(a)所示,當工作面推進至76 cm 時,受到覆巖運移影響,巖層彎曲下沉,FBG01 應變值開始變化;推進至100 cm 時,工作面基本位于FBG01 傳感器下方,FBG01 的應變?yōu)?1.63×10-4;當推進至133 cm 時,傳感器位置的巖層形成懸臂梁結構,應變迅速達到最大2.573×10-3;此后隨著工作面推進,巖層破斷、垮落和逐漸被壓實,應變又變?yōu)樨撝挡②呌诜€(wěn)定。FBG02 距離模型邊界190 cm,應變變化曲線如圖8(b),工作面推進至157 cm 時,應變值為-1.29×10-4;當推進至175 cm時,應變迅速達到最大2.768×10-3,此后隨著工作面推進,FBG02 應變值減小至負值最后逐漸穩(wěn)定。

4.3 DIC 監(jiān)測應變

圖9為工作面推進過程中,FBG01,FBG02 所在位置的DIC 測試應變曲線。圖9(a)中,當工作面推進106 cm 之前,DIC 所測得應變基本為0,在此期間,FBG01 所在位置并未發(fā)生離層裂隙。此后應變開始階段性增大,當工作面推進至112 cm 時,應變?yōu)?.242×10-2;推進至124 cm 時,應變?yōu)?.248×10-2;推進至136 cm 時應變達到最大值6.076×10-2。上覆巖層中出現(xiàn)離層,并逐漸變小直至穩(wěn)定。

圖6 BOTDA 與DIC 應變對比Fig.6 Comparison of strain between BOTDA and DIC

圖7 全站儀和DIC 測量結果對比Fig.7 Comparison of total station and DIC results

圖8 物理模型FBG 監(jiān)測應變Fig.8 FBG monitoring strain of physical model

圖9(b)中,工作面推進至157 cm 之前,DIC 測點應變基本為0,此后隨工作面推進,應變逐步增加,推進至175 cm 時,應變增加至8.531×10-3,然后開始急劇增大,推進至184 cm 時,應變達到最大7.808×10-2,從199 cm 開始,應變開始階段性下降,最終穩(wěn)定在10-2左右。

引入離層位置偏差量ηF,ηD來衡量FBG 與DIC對離層位置判定的準確程度,計算公式為

式中,LF為FBG 應變最大值所確定的離層距離左側煤柱的距離,cm;L0為模型實測離層位置,cm;LD為DIC 應變最大值所確定的離層距離左側煤柱的距離,cm。

對于FBG01 應變最大值出現(xiàn)時,真實離層位置距離左側煤柱131 cm,此時偏差ηF01為1.52%,ηD01為3.82%。同理,對于FBG02 真實離層位置距離左側煤柱177 cm,計算得ηF02為1.13%,偏差ηD02為3.95%。

FBG01 測得最大應變2.573×10-3,DIC 測得應變?yōu)?.076×10-2,DIC 測試值與FBG 測試值比值為23.6。FBG02 測試應變,DIC 測試值與FBG 測試值比值為28.2。DIC 與FBG 獲得的“測點應變”有較大的差異,但是,FBG 和DIC 監(jiān)測的應變曲線可以較好地顯示測點附近離層裂隙的發(fā)育情況,應變最大值出現(xiàn)位置基本相同,FBG 測得結果更好。在應變曲線峰前,DIC 與FBG 測試應變均快速增長至最大,說明巖層變形的突發(fā)性。在應變曲線峰后階段,DIC 更好地反映了上覆巖層的變形,有一個逐步穩(wěn)定的發(fā)展過程,而不是出現(xiàn)負值。其原因主要是光纖和巖層之間的不完全接觸造成的;還有其他一些因素可能導致這種差異。

4.4 BOTDA 監(jiān)測“線應變”

工作面推進過程中,布置在關鍵層中的BOTDA監(jiān)測的沿線應變曲線如圖10所示。圖10(a)中,當工作面推進至70 cm 時,關鍵層巖層發(fā)生彎曲,圍巖應力重新分布,巖層內(nèi)部光纖受到拉應力的作用,產(chǎn)生正應變,出現(xiàn)微小凸峰,應變值達到1.58×10-4,出現(xiàn)1 號凸峰。當工作面推進至85 cm 時,關鍵層內(nèi)光纖受到的拉應力進一步增大,應變值達到3.01×10-4。圖10(b)中,推進至121 cm 時,工作面第5 次周期來壓,關鍵層破斷,頂板結構失穩(wěn),發(fā)生回轉,巖層破壞特征為拉破壞,在靠近左側煤柱和工作面后方形成破斷線,在破斷線附近的光纖拉應力增大,呈現(xiàn)雙凸峰(2 號,3 號)趨勢。

工作面從121～175 cm 推進過程中,2 號凸峰應變達到10-3,基本不變;3 號凸峰的應變值最大達到1.083×10-3,隨工作面推進至175 cm 時降低為8.13×10-4,其原因是關鍵層位置裂隙閉合,巖層內(nèi)部彈性能釋放。在此后推進過程中,3 號凸峰位置幾乎不變,其峰值逐漸趨于穩(wěn)定。圖10(c)中,工作面推進至190 cm 時第10 次周期來壓,曲線在雙凸峰狀的基礎上出現(xiàn)新的凸峰(4 號),位置在190 cm 處,應變值7.68×10-4。隨著工作面繼續(xù)向前推進,4 號凸峰位置逐步向右移動,峰值1.7×10-3;圖10(d)中,推進至223 cm 時,4 號凸峰應變增大至1.745×10-3;推進至240 cm 時,應變值降為1.323×10-3。

BOTDA 測試的應變曲線中2 號凸峰出現(xiàn)位置基本保持不變,峰值穩(wěn)定在9×10-4左右,表明此處巖層變形小,圍巖應力趨于穩(wěn)定。3 號凸峰峰值穩(wěn)定在7×10-4左右,位置也基本不變,說明隨著工作面推進,應力也趨于穩(wěn)定。4 號凸峰峰值隨工作面推進距離的增加先增大,之后又逐漸降低,表明了巖層內(nèi)彈性能的變化由積聚到逐漸釋放的動態(tài)變化過程。

4.5 DIC 監(jiān)測“線應變”

圖11為工作面推進過程中,沿光纖埋設位置的DIC 測線應變測試結果。圖11(a)中,工作面推進至55 cm 時,伴隨著工作面頂板的下沉而發(fā)生微小變形,推進至70 cm 時,應變增大到1.461×10-2。圖11(b)中,工作面從121～175 cm 推進過程中,曲線呈現(xiàn)雙凸峰狀,3 號凸峰位置右移及峰值增大,最大峰值為0.121;之后圖11(c),(d)中,工作面從190 cm 推進至240 cm 時,曲線在雙凸峰狀的基礎上同樣出現(xiàn)新的凸峰(4 號),最大峰值為6.8×10-2。

對比圖10和圖11,凸峰出現(xiàn)位置,以及整體趨勢,BOTDA 和DIC 應變曲線基本一致,BOTDA和DIC 的應變曲線隨著工作面推進,曲線由單凸峰到雙凸峰的“馬鞍形”,再到3 個凸峰。在整個覆巖變形破斷過程中,2 號凸峰位置變化不大,3號凸峰位置先逐漸向右移動,之后穩(wěn)定在150 cm左右,4 號凸峰也呈現(xiàn)先向右移動,再逐漸穩(wěn)定狀態(tài)。BOTDA 應變曲線和DIC 應變曲線都呈規(guī)律性地先上升后下降,最后趨于穩(wěn)定?？傊?BOTDA應變峰值位置與DIC 應變曲線中應變峰值位置相近,他們均較好的反映出來破壞現(xiàn)象,以及發(fā)生破壞的位置, 也說明了巖層內(nèi)外部變形的同步性。

圖10 物理模型BOTDA 監(jiān)測應變Fig.10 BOTDA monitoring strain of physical model

圖11 物理模型DIC 監(jiān)測應變Fig.11 DIC monitoring strain of physical model

同理,引入破斷范圍偏差來衡量BOTDA 與DIC對破斷線范圍判定的準確程度,如工作面推進175 cm 時,真實破斷范圍為183 cm,BOTDA 偏差為3.25%,DIC 所測偏差為1.62%。比較工作面過程中破斷范圍偏差,DIC 測得破斷范圍更精確。

2 號凸峰在工作面推進過程中相對穩(wěn)定,DIC 監(jiān)測的2 號凸峰從22 cm 移動到19 cm,平均應變?yōu)?.7×10-2;BOTDA 監(jiān)測的2 號凸峰從16 cm 移動到27 cm,平均應變9.09×10-4,DIC 與BOTDA 監(jiān)測的平均應變比值為74;3 號凸峰應變先增大后減小,DIC與BOTDA 監(jiān)測的平均應變比值最小為69,最大為133;4 號凸峰DIC 與BOTDA 監(jiān)測的平均應變比值最小為27,最大為41。綜上,在工作面推進過程中,DIC與BOTDA 監(jiān)測的平均應變比值在27～133,平均應變差異較大。

4.6 應變差異原因

BOTDA 與DIC 結果有差異的原因有以下幾點:從試驗角度分析,試驗物理模型為平面應力狀態(tài),模型面沒有得到有效約束控制;不完善的檢測條件影響了照片的質量,圖像處理過程造成了誤差,圖像失真無法完全消除,計算誤差會累積。從光纖傳感技術角度,巖層垮落導致光纖和巖層之間的不完全接觸,出現(xiàn)滑移、脫落現(xiàn)象;砂土脆性材料,對傳感器的接觸面積以及應變的有效傳遞產(chǎn)生影響;光纖應變測量高度依賴于BOTDA 的空間分辨率,本次試驗BOTDA 空間分辨率為50 mm;光纖以及外護套具有一定的直徑,使模型巖層變形產(chǎn)生一定誤差。從數(shù)字圖像相關技術測試角度分析,巖層的真實變形場可能異常復雜,從而導致變形后的子區(qū)形狀難以描述,無法有效估計形函數(shù)誤差;缺乏完備的散斑質量評價標準與優(yōu)化的理論模型;不同變形條件下,缺乏優(yōu)化計算參數(shù)的選擇的標準方法;子區(qū)大小、間距這些參數(shù)的選擇與設置也會影響應變檢測。所有這些因素都可能給測量帶來不確定性,不同光測方法雖然在具體數(shù)值有一定的差異,但總體趨勢一致。需要在進一步的研究中分析影響因素,并逐步消除。

BOTDA 測試方法本質上是一種“線應變”,DIC是“面應變”,研究兩種不同的光測方法的融合機制,用BOTDA 以及FBG 傳感器進行結構內(nèi)部應變測試,DIC 進行表面應變監(jiān)測,進行大試樣或者大范圍的巖石力學試驗觀測。

5 結 論

(1)BOTDA 測試方法本質上是一種“線應變”,DIC 本質上是“面應變”。BOTDA 和FBG 的測試應變量級相同;對于本次試驗中DIC 測試參數(shù)的設置,一方面滿足相似模型監(jiān)測精度要求,另一方面,在均勻連續(xù)變形區(qū)域DIC 與BOTDA 監(jiān)測的應變比值為15.52～16.70,在非均勻變形區(qū)域監(jiān)測的應變比值為27～133。

(2)相對實際離層出現(xiàn)位置而言,FBG 和DIC 測得結果有存在一定偏差,最大偏差為3.95%。對比2個測點,FBG 測試結果更準確。

(3)BOTDA 和DIC 均可以判斷關鍵層破斷范圍,在此次試驗中DIC 測試的破斷范圍偏差值更小,測試結果更好。

(4)BOTDA,FBG 和DIC 監(jiān)測應變在數(shù)值上存在差異性,且測試精度各有優(yōu)劣,但總體的應變曲線基本趨勢一致,反映了巖層內(nèi)外部變形的同步性。3 種光測傳感技術聯(lián)合可以用于監(jiān)測分析覆巖關鍵層運移規(guī)律,揭示不同開挖狀態(tài)的破壞形態(tài)。進一步的研究將建立他們之間的量化關系。