基于分布式光纖的單軸加載下巖石破裂過程試驗研究

金永黎，韓必武，歐元超

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

圖1 分布式光纖探測原理

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，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性質相關，當巖石出現(xiàn)大的變形時，穩(wěn)定性會變差，嚴重威脅地下工程體的安全。

目前，許多學者在巖石的變形、破裂過程方面進行了深入研究[1～4]，并取得了一系列成果。通過一些監(jiān)測手段研究巖石試樣在荷載條件下從穩(wěn)定到破裂的整個發(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巖石的累積變形破壞進行測試[5，6]。分布式光纖傳感測試技術自20世紀90年代來，被廣泛的應用于工程結構的健康監(jiān)測中[7]。許多科學家利用其開展復合材料和混凝土結構裂縫的檢測[8，9]，已在工程應用中體現(xiàn)出其高分辨率和高精度等優(yōu)勢。

本次試驗研究，主要利用分布式光纖測試技術高精度的特點，能夠測量巖石在受力情況下所產(chǎn)生的微小應變。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線布置長度上非離散點的應變信息特征。通過對所獲得的應變數(shù)據(jù)的分析研究，探究分布式光纖技術運用在巖石力學測試方面的可行性，以及分布式光纖技術對巖石變形破裂過程捕獲的準確性。

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，利用布里淵散射頻移隨溫度和應變呈線性變化的關系(圖1)，集合光時域反射技術、光時域分析技術或光頻域分析技術可實現(xiàn)對溫度和應變的全分布式測量。

布里淵頻移與光纖應變對應關系式如式(1)：

式(1)中VBYεY是光纖應變?yōu)闀r的布里淵頻移，VBY 0Y為光纖應變?yōu)?時的布里淵頻移，為應變系數(shù)，大約為493MHz，ε為光纖應變。應變系數(shù)一般和探測光的波長和所選擇的光纖類型有關，因此需要對其進行事先標定。

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

3 單軸多級加載試驗

3.1 試驗儀器及材料

試驗以MTS815巖石力學試驗系統(tǒng)作為加載設備(如圖2)，數(shù)據(jù)采集設備AV6419光纖應變分布測試儀，其具有測試精度高，能連續(xù)采集的特點，數(shù)據(jù)采集過程采用BOTDR單端發(fā)射的方式。

本次試驗采用的巖石樣品為對受力變化較為敏感的砂巖試樣，樣品標準為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，避免施壓過程中導致巖石受力不均勻，影響實驗的結果。

試驗選擇的光纖線為直徑0.9 mm的無護套應變感測光纖，裸纖芯直徑為0.25 mm，該光纖采用布里淵反射能力強的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物體進行耦合，應變傳遞性能高。

圖2 MTS815巖石力學試驗系統(tǒng)

3.2 光纖傳感器布設

光纖傳感器的選材及布設方式直接影響著實驗的結果，實驗所選光纖具有對應變敏感的特點，材質柔軟，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間內凝結，利于光纖的快速附著，且凝結后在實驗過程中對巖石的破裂變形不會產(chǎn)生影響。

圖3 光纖傳感器的布設

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

3.3 數(shù)據(jù)采集

試驗采用單級逐次加壓的方式進行，每級加壓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)采集結束。次試驗數(shù)據(jù)采集歷時1 h 35 min，共采集數(shù)據(jù)14組(如表1)。

表1 加載試驗數(shù)據(jù)采集

3.4 數(shù)據(jù)分析

光纖線纜在實驗過程中會同時受到應變和外在溫度的影響，所以應考慮到溫度補償?shù)膯栴}。本次試驗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，在分析結果時取每組數(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實驗結果的影響。圖4為在巖石試樣在逐次加壓的情況下對應的應變值變化情況。

從圖中可看出整體變化趨勢明顯，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變呈現(xiàn)規(guī)律性的遞增，當?shù)?1－13次加壓過后應變值達到最大，巖石出現(xiàn)裂紋，此時巖石對應的壓力為40.5 MPa，當再次加壓后應變值反而減小，此時巖石對應的壓力為33.5 MPa。此巖石壓裂試驗表明，分布式光纖采集的應變數(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 光纖應變分布

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

第一個階段為穩(wěn)定階段(圖5a)，這一階段應變曲線整體平穩(wěn)，無明顯差異，砂巖試樣表明也無變化，分析是由于巖石內部孔隙、裂隙等結構的原因，導致在外力加壓情況下巖石內部壓實，使得在壓縮前期巖石沒有產(chǎn)生橫向的應變，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)，這一階段當施加壓力達到40.5 MPa時巖石出現(xiàn)裂紋，此時應變值達到最大，當繼續(xù)加壓后壓力值變?yōu)榱?3.5 MPa，反而變小了，對應的光纖應變值也相對減小，但整體還是呈現(xiàn)拉應變，分析是由于持續(xù)的加壓導致巖石內部結構遭到破壞，引起巖石強度的降低，使得巖石表面出現(xiàn)了裂紋。

圖5 階段性應變

4 結論

(1)在MTS加壓系統(tǒng)下對砂巖試樣進行加壓，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)生的應變變化情況，宏觀上認識到砂巖試樣開裂的演化規(guī)律與其施加壓力大小的關系。

(2)通過本次試驗，分布式光纖技術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，其所得到的結果對巖石的穩(wěn)定性評價有一定意義，在研究巖石的變形破壞方面也能直觀清楚表達其變化規(guī)律。

(3)巖石與光纖傳感光纜之間的應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，減小實驗過程中的誤差。