岩石三维应力状态光纤光栅测试基础研究

岩石内部应力状态对裂纹的起裂、扩展及延伸起到至关重要的作用，通过先进的监测方法及时掌握三维应力状态的动态信息，是减少工程岩体由于变形失稳而导致灾害发生的有效手段之一。而目前尚无一种有效的方法可以实现三维应力状态的长期、有效监测。本项目借助光纤光栅传感技术，基于多个光栅的空间分布，研究岩石三维应力状态光纤光栅测试方法；以单根光纤应变传递理论为基础，考虑多光纤在三维应力状态下的应力应变关系，建立一组光栅的应变传递模型；通过相似模拟实验、岩样实验等室内实验手段，考虑光纤连接、温度补偿等因素，研究三维应力状态光纤光栅监测系统。本项目对于岩石内部应力场变化信息的有效获取及深入研究岩石变形破坏特征、本构关系模型，实现工程岩体的长期有效监测具有重要意义。

矿山岩体内部由于受复杂应力场作用，其变形破坏过程具有多种不确定性。通过先进的监测方法及时掌握三维应力状态信息，是减少工程岩体由于变形失稳而导致灾害发生的有效手段之一。而目前尚无一种有效的方法可以实现三维应力状态的长期、有效监测。光纤光栅以其灵敏度高、不易受外界干扰及易于布置等优点而被得到广泛应用，如土木工程、航空航天、复合材料等领域。本项目以光纤光栅传感原理及单根光纤应变传递理论为基础，进行了围岩三维应力光纤光栅测试的理论、方法及技术研究。. 在橡胶基质的立方体表面分别粘贴三根与x，y，z方向平行的光纤光栅，形成了对三维应力敏感的测试结构；以广义胡克定律为基础，推导了光纤应变与岩体应力之间的力学关系，并进行了相关力学标定实验。结果表明传感器对三维应力具有良好的力学响应特性，应力的灵敏度系数λ1，λ2分别为0.04714ε/MPa和0.02184ε/MPa；对相似模拟实验中采动影响下三维应力变化过程进行了监测，结果表明，传感器可以实现相似模型内部三维应力变化的监测，监测结果与实际变化规律相一致，可满足岩体内部三维应力监测的要求。同时设计了其他类型的光纤光栅传感器，可用于监测相似模拟实验垂直应力及岩层破断角等参量。为实现真实煤岩体的三维应力测试，进行了钻孔式应力传感监测的模块实验。将三维应力传感器制成圆柱体形状，通过钻孔植入的方式布置，以监测外载荷作用下圆孔周围三维应力变化过程。实验表明，传感器可以较为精确地测试圆孔周围的应力变化，该类型传感器可以满足煤岩体内部三维应力监测的要求。. 通过本项目的研究，形成了煤岩体内部三维应力光纤光栅传感监测的方法及技术，为研究矿山岩体变形机理及实现复杂应力场的长期、有效监测提供了新的手段。