FBG-相似材料傳感器埋入模型內(nèi)部實(shí)驗(yàn)研究

曾 鵬，孫陽陽，由澤偉，章征林

(陸軍工程大學(xué) 爆破沖擊防災(zāi)減災(zāi)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 210007)

0 引言

相似材料[1]一般由骨料、填料和膠結(jié)材料共同組成，它的性質(zhì)可以通過調(diào)節(jié)各組分的性質(zhì)和配比來調(diào)整。一般采用若干天然材料(河砂、黏土鐵、石膏、石灰、石英砂、重晶石等)和人工材料(水泥、酒精、石蠟、松香、樹脂、甘油等)按照一定比例配置并膠結(jié)而成。

在將光纖應(yīng)用到相似模型實(shí)驗(yàn)中，相似材料彈性模量普遍較低，特別是對(duì)于深地下的模型實(shí)驗(yàn)，相似材料的彈性模量小于1 GPa(200～300 MPa)。而光纖模量一般約在72 GPa，實(shí)際應(yīng)用中,相似材料與光纖匹配性不好，難以做到協(xié)同變形[2]。因此，為實(shí)現(xiàn)應(yīng)變的精確測量，必須進(jìn)行傳感器標(biāo)定，測出應(yīng)變傳遞率。

文獻(xiàn)[3-4]的研究中，在壓力試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行相似材料應(yīng)變磚的標(biāo)定，由壓力機(jī)測得的平均變形作為應(yīng)變磚的真實(shí)變形，進(jìn)而求得真實(shí)應(yīng)變。但由于實(shí)際應(yīng)變分布不均勻，試件平均變形并不能準(zhǔn)確反映材料的真實(shí)變形情況，標(biāo)定實(shí)驗(yàn)的可靠性不高[3-4]。

吳祖堂等[5]對(duì)有涂覆層的光纖光柵進(jìn)行封裝保護(hù)，應(yīng)用于模擬硐室開挖的模型實(shí)驗(yàn)中，測得開挖過程中不同位置處的應(yīng)變-時(shí)間曲線，測量結(jié)果與開挖圍巖內(nèi)部應(yīng)變規(guī)律相吻合。魏世明等[6]將有涂覆層的光纖布喇格光柵(FBG)傳感器用于模擬巖體變形的實(shí)驗(yàn)，建立了光纖與相似材料的應(yīng)變傳遞方程，用理論分析的方法研究了巖體埋入帶保護(hù)層的光纖光柵的應(yīng)變傳遞規(guī)律，通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了將FBG與相似材料相結(jié)合制成傳感器的可行性。張強(qiáng)勇等[7]將光纖光柵傳感器應(yīng)用于大型分岔隧道工程，并進(jìn)行了三維地質(zhì)力學(xué)模型實(shí)驗(yàn)研究，有效揭示了分岔隧道圍巖位移場、應(yīng)力場的變化規(guī)律。王靜等[8]設(shè)計(jì)了一種三向FBG-相似材料傳感器，運(yùn)用數(shù)值模擬分析了其應(yīng)變傳遞特性，并將其應(yīng)用于隧道開挖的模型實(shí)驗(yàn)中。

大量的研究表明，光纖光柵測量技術(shù)具有其他測量技術(shù)所不具備的優(yōu)點(diǎn)，目前已成為地質(zhì)力學(xué)模型實(shí)驗(yàn)中應(yīng)變測量的最主要手段，但仍存在一些問題有待解決[9-10]。

對(duì)于點(diǎn)式應(yīng)變測量，國內(nèi)普遍是采用在立方體試件表面粘貼光柵的應(yīng)變磚法，但仍無法解決試件單軸壓縮過程中的邊界效應(yīng)問題，難以進(jìn)行有效的標(biāo)定。為實(shí)現(xiàn)點(diǎn)式應(yīng)變的精確測量，必須重新設(shè)計(jì)應(yīng)變磚的制作過程及模具，將光柵埋入相似材料立方體試件內(nèi)部，以消除標(biāo)定過程中邊界效應(yīng)的影響。

本文以地質(zhì)力學(xué)模型實(shí)驗(yàn)內(nèi)部應(yīng)變量測技術(shù)為主，圍繞基于光纖傳感技術(shù)的點(diǎn)式測量及分布式測量展開研究。主要工作如下：提出了一種驗(yàn)證所設(shè)計(jì)傳感器能否應(yīng)用于模型實(shí)驗(yàn)中的方法。根據(jù)圣維南定理，將傳感器埋入一邊長是其3倍大的相似材料試件中心，以此模擬有圍壓的條件及消除邊界效應(yīng)的影響，進(jìn)行單軸壓縮實(shí)驗(yàn)，將標(biāo)定結(jié)果應(yīng)用于內(nèi)部FBG測得數(shù)據(jù)的修正，對(duì)比修正結(jié)果與真實(shí)應(yīng)變，以此來檢驗(yàn)標(biāo)定結(jié)果是否正確。

1 FBG-相似材料傳感器埋入方法

由于在實(shí)際模型實(shí)驗(yàn)中，F(xiàn)BG傳感器是在有圍壓的條件下工作，且相似材料試件本身尺寸較小，其直接在壓力機(jī)上進(jìn)行加載會(huì)由于端部效應(yīng)、圍壓等因素導(dǎo)致受力情況復(fù)雜，產(chǎn)生應(yīng)變分布不均勻的結(jié)果。因此，為驗(yàn)證標(biāo)定結(jié)果在真實(shí)模型實(shí)驗(yàn)環(huán)境中是否有效，根據(jù)材料力學(xué)中的圣維南定理，設(shè)計(jì)將傳感器埋入一個(gè)邊長是其3倍(12 cm)大的相似材料試件中心，如圖1所示，以模擬實(shí)驗(yàn)中有圍壓的狀態(tài)及消除加載裝置帶來的誤差。將此裝置放在壓力試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行單軸壓縮實(shí)驗(yàn)，利用應(yīng)變傳遞率0.621的標(biāo)定結(jié)果對(duì)光柵測得的實(shí)際數(shù)據(jù)進(jìn)行修正，對(duì)比修正結(jié)果與真實(shí)應(yīng)變，以此來檢驗(yàn)標(biāo)定結(jié)果是否正確。

圖1 試件示意圖

相似材料試件制作過程如圖2所示。首先制成4 cm×4 cm×4 cm的小相似材料試件，并將光柵置于內(nèi)部，制成傳感器。設(shè)計(jì)大試件尺寸為12 cm×12 cm×12 cm，所需重晶石砂、重晶石粉、松香、酒精質(zhì)量分別為1 872 g，2 808 g，28 g，234 g。將4種材料混合均勻。稱取混合材料的一半，倒入模具中，將小試件埋入大試件內(nèi)部，保證小試件位于大試件正中心，光纖從特制模具側(cè)壁穿出，為保證小試件與大試件較好的結(jié)合在一起，在小試件的6個(gè)側(cè)面涂上酒精，讓小試件表面的松香暫時(shí)溶解，倒入另一半相似材料，在力學(xué)測試與模擬(MTS)微機(jī)控制電子壓力試驗(yàn)機(jī)上加載壓實(shí)。

圖2 制作過程

拆模烘干后進(jìn)行單軸壓縮實(shí)驗(yàn)，如圖3所示，通過模具將試件架起，進(jìn)行沿光纖軸向的加載。

圖3 單軸壓縮實(shí)驗(yàn)

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

進(jìn)行兩組實(shí)驗(yàn)，由表面點(diǎn)粘的FBG測得真實(shí)值，由內(nèi)部FBG得到測量值，并利用傳遞率0.621對(duì)測量結(jié)果進(jìn)行修正，得到修正值，三者的應(yīng)變-時(shí)間曲線如圖4所示。

圖4 應(yīng)變-時(shí)間曲線

由圖4可知，修正后的應(yīng)變-時(shí)間曲線與真實(shí)值吻合較好，表明標(biāo)定結(jié)果有效，應(yīng)變傳遞率0.621可用于修正內(nèi)部FBG測得數(shù)據(jù)。即測量值與真實(shí)值之間存在一個(gè)穩(wěn)定的應(yīng)變傳遞率，可通過標(biāo)定實(shí)驗(yàn)得到，并通過理論分析驗(yàn)證其可靠性。

試件破壞時(shí)的形態(tài)如圖5所示。由圖可知，小試件與大試件結(jié)合的邊界部分未出現(xiàn)明顯的分層現(xiàn)象，表明將所設(shè)計(jì)的傳感器埋入模型內(nèi)部后，能較好的和模型結(jié)合在一起。

圖5 試件破壞情況

3 結(jié)束語

將光纖傳感技術(shù)引入到地質(zhì)力學(xué)模型實(shí)驗(yàn)測量中，其優(yōu)越的性能可實(shí)現(xiàn)對(duì)模型實(shí)驗(yàn)關(guān)鍵點(diǎn)應(yīng)變的精確測量及應(yīng)變場分布測量，為分析深部開挖規(guī)律提供準(zhǔn)確的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

通過將傳感器埋入一個(gè)邊長是其3倍大的相似材料試件中心，模擬實(shí)驗(yàn)中有圍壓的條件，同時(shí)消除邊界效應(yīng)的影響。進(jìn)行單軸壓縮實(shí)驗(yàn)，并將應(yīng)變傳遞率0.621用于修正內(nèi)部FBG的實(shí)測值，得到應(yīng)變-時(shí)間曲線與真實(shí)值吻合較好，驗(yàn)證了標(biāo)定結(jié)果的有效性。