光纤Bragg光栅在地质力学模型试验中的应变量测技术研究

How to measure the internal strain of geomechanics model has become a more and more important question, as geomechanics model test has been playing an increasingly important role in researching the principle of deformation and destruction. This project presents a new technology to measure the internal strain based on Fiber Bragg Grating. A non-coating FBG was buried in the similar material specimen for the first time in this field. Layout method on how to get the strain in the similar material was presented in the project. The principle of strain transfer of non-coating FBG in low elasticity modulus and how to increase the coupling between fiber and similar material was tested. Based on thesis analysis and numeric simulation, also with non-contact fiber displacement technology, we validate the accuracy and dependency of the thesis. Sensors based on FBG and similar material were presented after testing in geomechanics model test. This project is an important thesis and technology support to measure the internal strain in the geomechanics model.

随着地质力学模型试验在研究地下变形破坏产生的机理方面发挥越来越重要的作用，准确测量模型内部应力应变的需求越来越强烈。本项目拟运用光纤Bragg光栅传感技术解决地质力学模型内部应变量测的问题。在本研究领域中首次将去除涂覆层的裸光纤光栅埋入相似材料试件内部制成传感器，研究光纤在相似模拟材料中有效提取应力应变的布设工艺。研究去除涂覆层的裸光纤光栅在低弹性模量相似材料中的应变传递机理，以及提高光纤与相似材料耦合性的方法。在理论分析和数值模拟的基础上，运用非接触式光纤位移传感技术通过实验验证的方法，对理论分析的准确性和可靠性进行验证。研究基于相似模拟材料的光纤光栅应变传感器，结合地质力学模型试验研究该传感器在模型试验中的应用方式。该项目的研究为解决地质力学模型试验的应力应变测量问题提供重要的理论和技术支撑。

随着深地下工程模型试验在研究地下变形破坏产生的机理方面发挥越来越重要的作用，准确测量模型内部应力、应变、变形以及定量量测裂缝的需求越来越强烈。本项目着眼解决模型相似材料内部应变量测问题，基本完成了设定的研究目标，最终实现了在地质力学模型试验中量测模型内部应变场。 项目研究了在模型相似材料内部布设无涂覆层光纤 Bragg 光栅的方法，确定了在试件内部预留孔洞，光栅穿过孔洞后注胶制作光栅应变砖的方法，得到的应变砖的应变测量效果要明显优于其它布设方案，实现了根据量测需要布设光纤的工艺。研究了光纤与相似材料的耦合性，通过分析发现影响平均应变传递率的关键因素主要有相似材料弹性模量、胶体弹性模量、剪切模量、相似材料泊松比以及孔洞直径等因素对应变分布和平均应变传递率的影响，由于相似材料的力学性能无法改变，因此提高耦合性的方法主要是增加胶体的弹性模量、剪切模量等。在考虑压力机端部效应及围压影响的前提下，研究传感器准确标定的方法，通过实验方法验证了无涂覆层光栅应变分布理论分析的准确性。 设计制造了基于相似材料的光纤 Bragg 光栅和分布式光纤的应变传感器，对传感器进行了相关的标定并将其应用于地质力学模型试验中，解决了用光纤光栅和分布式光纤测量地质力学模型内部应变的问题。准确测量模型内部应变是地质力学模型试验成功的前提和关键。课题通过理论研究、有限元数值模拟、模型试验的方法解决了当前光纤光栅应用于相似材料模型应变测量中的光纤布设问题、耦合性问题、以及测量结果准确性和可靠性问题。该项目的研究为解决深地下工程模型试验的测量问题提供重要的理论和技术支撑