FBG-相似材料传感器埋入模型内部实验研究

2019-02-22孙阳阳由泽伟章征林

压电与声光 2019年1期

曾鹏，孙阳阳，由泽伟，章征林

(陆军工程大学爆破冲击防灾减灾国家重点实验室，江苏南京 210007)

0 引言

相似材料[1]一般由骨料、填料和胶结材料共同组成，它的性质可以通过调节各组分的性质和配比来调整。一般采用若干天然材料(河砂、黏土铁、石膏、石灰、石英砂、重晶石等)和人工材料(水泥、酒精、石蜡、松香、树脂、甘油等)按照一定比例配置并胶结而成。

在将光纤应用到相似模型实验中，相似材料弹性模量普遍较低，特别是对于深地下的模型实验，相似材料的弹性模量小于1 GPa(200～300 MPa)。而光纤模量一般约在72 GPa，实际应用中,相似材料与光纤匹配性不好，难以做到协同变形[2]。因此，为实现应变的精确测量，必须进行传感器标定，测出应变传递率。

文献[3-4]的研究中，在压力试验机上进行相似材料应变砖的标定，由压力机测得的平均变形作为应变砖的真实变形，进而求得真实应变。但由于实际应变分布不均匀，试件平均变形并不能准确反映材料的真实变形情况，标定实验的可靠性不高[3-4]。

吴祖堂等[5]对有涂覆层的光纤光栅进行封装保护，应用于模拟硐室开挖的模型实验中，测得开挖过程中不同位置处的应变-时间曲线，测量结果与开挖围岩内部应变规律相吻合。魏世明等[6]将有涂覆层的光纤布喇格光栅(FBG)传感器用于模拟岩体变形的实验，建立了光纤与相似材料的应变传递方程，用理论分析的方法研究了岩体埋入带保护层的光纤光栅的应变传递规律，通过实验验证了将FBG与相似材料相结合制成传感器的可行性。张强勇等[7]将光纤光栅传感器应用于大型分岔隧道工程，并进行了三维地质力学模型实验研究，有效揭示了分岔隧道围岩位移场、应力场的变化规律。王静等[8]设计了一种三向FBG-相似材料传感器，运用数值模拟分析了其应变传递特性，并将其应用于隧道开挖的模型实验中。

大量的研究表明，光纤光栅测量技术具有其他测量技术所不具备的优点，目前已成为地质力学模型实验中应变测量的最主要手段，但仍存在一些问题有待解决[9-10]。

对于点式应变测量，国内普遍是采用在立方体试件表面粘贴光栅的应变砖法，但仍无法解决试件单轴压缩过程中的边界效应问题，难以进行有效的标定。为实现点式应变的精确测量，必须重新设计应变砖的制作过程及模具，将光栅埋入相似材料立方体试件内部，以消除标定过程中边界效应的影响。

本文以地质力学模型实验内部应变量测技术为主，围绕基于光纤传感技术的点式测量及分布式测量展开研究。主要工作如下：提出了一种验证所设计传感器能否应用于模型实验中的方法。根据圣维南定理，将传感器埋入一边长是其3倍大的相似材料试件中心，以此模拟有围压的条件及消除边界效应的影响，进行单轴压缩实验，将标定结果应用于内部FBG测得数据的修正，对比修正结果与真实应变，以此来检验标定结果是否正确。

1 FBG-相似材料传感器埋入方法

由于在实际模型实验中，FBG传感器是在有围压的条件下工作，且相似材料试件本身尺寸较小，其直接在压力机上进行加载会由于端部效应、围压等因素导致受力情况复杂，产生应变分布不均匀的结果。因此，为验证标定结果在真实模型实验环境中是否有效，根据材料力学中的圣维南定理，设计将传感器埋入一个边长是其3倍(12 cm)大的相似材料试件中心，如图1所示，以模拟实验中有围压的状态及消除加载装置带来的误差。将此装置放在压力试验机上进行单轴压缩实验，利用应变传递率0.621的标定结果对光栅测得的实际数据进行修正，对比修正结果与真实应变，以此来检验标定结果是否正确。

图1 试件示意图

相似材料试件制作过程如图2所示。首先制成4 cm×4 cm×4 cm的小相似材料试件，并将光栅置于内部，制成传感器。设计大试件尺寸为12 cm×12 cm×12 cm，所需重晶石砂、重晶石粉、松香、酒精质量分别为1 872 g，2 808 g，28 g，234 g。将4种材料混合均匀。称取混合材料的一半，倒入模具中，将小试件埋入大试件内部，保证小试件位于大试件正中心，光纤从特制模具侧壁穿出，为保证小试件与大试件较好的结合在一起，在小试件的6个侧面涂上酒精，让小试件表面的松香暂时溶解，倒入另一半相似材料，在力学测试与模拟(MTS)微机控制电子压力试验机上加载压实。