光纤传感器在相似材料模型测试中的相容性研...
- 格式：pdf
- 大小：424.34 KB
- 文档页数：7
# U #
第! $ % % #年* "卷 !!!!!!!!! 实 ! 验 ! 力 ! 学 !!!!!!!!!!!!!!!! (
抗压强度在 A: " 以石灰石膏或碳酸钙 # 石膏为胶结时 ! 其抗压强度仅为 %: %: ! A%%: ! "! !%$ !: ! 20 G A A% # $ 用纯石膏模拟混凝土坝 ! 其泊松 比 接 近 混 凝 土 ! 弹 性 模 量 为 !: ! 抗压强度 @: A ? 20 G #%A: @Q! % 20 G
# $ G 图 @! 模型光纤与岩层的相互作用
# $ ‘
I : @!3 E < I P F < N G = F I 8 PS < = E G P I H S8 W F E < W I ‘ < NG P V‘ G H <N 8 = OI PH I S M 9 G F I 8 P< b < N I S < P F L Z # 注( 右边为未破坏岩层 ! 左边为已垮落岩层 ! 中间为错动裂隙 $
1 &" / $ 0 式中$ 为回转块的长度 " 回转块稳定的条件为 E1 &EZ ! 即 1&
进一步得 !# $ # + F$ $ = 8 H DM Z !0 &$ F
# $ U
# $ A
N# # # $ + F$ = 8 H B 0& Z !0 &$ / " 式中Z % + 为回转体的容重 ! M 为模型的宽度 ! F 为岩层高度 ! N 为常数 ! N&M $ F" 当回 转块 ! 为外加载荷 ! N 必然是 & 得& # ! 此时! 光纤 受力大于 最大剪 应力 ! 由于 光纤的 强度远 下沉时 ! + F$ = 8 H 0’ % 0! 0’ % # Z !0 &$ / " N 大于模型材料 ! 光纤与模型材料粘接面破坏的同时 ! 将对模型形成切割 " 当 & # 时! + F$ = 8 H 0’ # # Z !0 &$ / " 光纤使回转块形成铰接的稳定状态 "
光纤传感器在相似材料模型测试中的相容性研究
柴 ! 敬 !常心坦
! 西安科技大学 能源科学与工程学院 " 西安 B # ! % % U #
"
摘要 ! 为了找出光纤传感器弯曲 损 耗 与 岩 层 变 形 破 坏 过 程 中 变 形 的 关 系 ! 在相似材料模型铺设 过程中将光纤传感器埋入在层合材料之间 " 研究 了相 似材 料模拟 实 验 中 ! 光纤与模型岩层的相 互作用机理 ! 光纤与模型岩层的相容性 ! 以及提高 二者 相容性 的方 法 # 并设计了一种基于光时域 用于相似材 料 模型 的应变 $ 位 移 检 测 中"实 验 研 究 表 明! 这种 反射技术的新型微弯光纤传感器 ! 传感器结构不仅能实现对岩体 变 形 的 监 测 ! 而 且 在 该 情 况 下 传 感 器 不 会 失 效! 具有较好的相容 性 " 构建了岩体光纤检测的理论基础 " 关键词 ! 光纤传感器 #相似材料模型 #弯曲损耗 #相容性 中图分类号 ! 3 ; @ $$ 3 0 $ ! $: ! #!!! 文献标识码 ! +
# 在U ! 泊松比为 %: 混凝土弹性模量为 ! % 20 G 左右 $ 玻璃光纤弹性模量理论值为 B: $Q! % 20 G ! B! %%# U # ! 泊松比为 %: 以水泥 # 石膏为胶 结或纯 石膏模拟 时 ! 相似材 料与 混凝 土 相 似 ! Q! % 20 G ! U%%: $$ 因此 ! % & 可以采用 ’ 研 究 水 坝 的 裂 隙 发 展$ 而 用 石 膏 为 胶 结 的 相 似 材 3 ; ) 光时域反射 技 术 进 行 相 关 测 试 B !
1 ’3 0P8 ’8 & ( P3 ’3 0P8’8 * ! ! ! J &P J J J 3
平均剪应力
( * $
0&
将式 ( * 代入式 ( * 得 $ @
1 J 71 J ! 7 /& > "
( * @
! ! J7 J ! 7 ( * P3 ’3 0P8’8 * # 0& ( /& > " 式中 P3 # P8 分别为光纤和模型材料的弹性模量 " ’3 # ’8 分 别 为 光 纤 和 模 型 材 料 的 截 面 积 " ! J 为任一截 面J 的应变值 " > 为两截面之间的距离 " / 为光纤直径 $ +
F F 与径向 ! 应力集中 ( 光纤传感器的 弹 性模 量 $ 泊松 比 与 混 凝 土 的 不 一 致" 光纤传感器所 高的环向 ! % % + +# , ,#
处的混凝土产生应力集中 ’* $ 光 纤传 感器的弹 性 模 量 略 小 于 混 凝 土 可 获 得 G P I 2 < P V < T等人研究指出 "
!! 相似模型围岩特征
相似材料模型实验将矿山开采 工 程 问 题 典 型 化 " 模 拟 围 岩 破 坏$ 裂隙扩展和破坏后重新稳定的过 程 ’ 观测这些裂隙的发展过程 " 可以圈定压力传播的范围 ’ 实验材料为普通河砂 $ 石膏 $ 大白粉和云母粉 " 通过不 同配 比 设 计 实 现 各 类 岩 层 的 模 拟 ’ 模 拟 岩 石
对于确定的条件 ! 式( * 中剪应力的大小取决于! 即光纤在模型材料变形过程中有两 种破 坏 # ! J7 J 7! ! 形式 +
万方数据 光纤抗拉破坏 " 1! ! J7 J 7! 大于光纤最大许用应变 !
第 # 期 !!!!!!!!!! 柴 ! 敬等 ( 光纤传感器在相似材料模型测试中的相容性研究
图 @ 为用 !: $Q%: ! $S 平面应力模型架完成的 光 纤 与模拟 材料 相互作 用实验 结 果 " 图 @ G左 侧 已 揭露至的岩层即为光纤埋设层 ! 垮落岩层 出 现 了 明 显 错 位 ! 错距达到$ 而光纤没有按裂隙呈扭结 $ SS! 而是嵌入岩层 ! 光纤使长约 $ 光 纤破坏了 岩层的 整体性 " 这 同 光 纤 与 混 变形 ! U SS 范围的岩层被 切割 ! 凝土材料的相互作用有很大差异 ! 光纤同混凝土的 变 形 完全一 致 ! 混凝 土使 光 纤 破 断 " 图 @ ‘光纤埋设 岩层破断后形成铰接结构 ! 岩梁跨距 ! 左端下沉量$ 岩梁回转角度约! ! 光纤传感器形 ! %SS! % SS! $ Y 成了对岩层变形的约束 " 揭露后发现光纤与岩层粘结完好 "
#KA& 的工作状态监测 % ’
相似材料模拟实验是实验岩石力学的主要研究方法 " 但其测试手段相对落后 " 尤其是内部的应力应 变测试 ’ 为了探索用 ’ 研 究 光 纤 智 能 相 似 材 料 层" 就必需首先考虑内 3 ; ) 技术测试模型内部 的 变 化 " 即研究传感器与结构之间的相容性问题 " 变形的匹 埋光纤传感器的设计与埋置过程中的有关力学问题 " 配问题 ’ 作者研究岩体变形监测的光纤传感技术时 " 对其相容性进行了研究 ’
第! " 卷!第 # 期 $ % % #年! $月
实!验!力!学
& ’() *+ ,’ -. / 0 . ) 1 2. * 3+ , 2. 45+* 1 4 6
7 8 9 : ! "!* 8 : # ; < = : $ % % #
文章编号 ! " # ! % % ! > # ? ? ? $ % % # % # > % # U @ > % A
图 $! 模型岩层的变形破坏 I : $!) 8 = OV < W 8 N S G F I 8 PG P VV G S G < L L I PH I S M 9 G F I 8 P< b < N I S < P F Z
$! 光纤与模型材料的相互作用
相似材料模型铺设过程中 ! 将光 纤 放 在 层 合 材 料 之 间 ! 在材料的层压过程中使之与材料结合在一 起 $ 光纤在模型材料变形过程中 ! 任一截面上的内力等于光纤内力与模型材料内力之和 ! 两截面内力差 即为模型材料与光纤间的剪切力 ! 剪切力除以该区间接触表面积即为平均剪应力 $ 光纤任一截面上的内力
料! 其弹性模量和泊松比均小于光纤 ! 即模拟矿山开采 的 模型实 验多为 低 强 度 材 料 ! 用光纤传感技术对 这类材料变形破坏检测的研究目前未见报道 $ 由光纤传感理论 ! 局部高损耗是裂隙这一监测量的唯一响应 ! 裂隙扩展使光纤沿轴向方向形成扭结
?& 形的变形 ! 有两个微弯点生成 % ! 如图 ! 中的 # 所 示 $ 光 纤 弯 曲 损 耗 ’ 裂 隙 宽 度 关 系 的 半 经 验 公 式 ( 光
纤与缝面的夹角 Q # 光纤 ! ) 如下 k@ % Y %) ! $ U $ U % S* $ $ N) H I P N) F G P % &N = 8 H ,( ’ $ , 0’ @ ,* !
图 !! 裂隙光纤传感 I : !!+ N N G P < S < P F8 W < S ‘ < V V < VW I ‘ < N L L 8 F I = G 9 = N G = OH < P H 8 N Z $’ 裂隙 " @’ 裂隙开裂前光纤埋设位置 " !!!’ 混凝土 " U’ 光纤 !!!!!!!#’ 微弯 "
@& 较小的应力集中系数 % ’ 据此 " $ $ 2 < P V < T X G P H < N + P H G N I和 7 8 H H等人利用多模光纤 ’ 3 ; ) 光时域反射
