一种测试岩体三向应力的方法

1.本发明涉及岩石参数测试技术领域，特别涉及一种用于测试岩体三向应力的方法。


背景技术：

2.物理相似模拟试验是在室内用某些人工材料，根据相似原理做成相似模型，通过对模型上应力、应变的观测来认识与判断原型上所发生的力学现象和规律。在模拟采矿工程的相似模拟试验中，应力的测试通常是采用埋设土压力盒子或者应变片的方法来进行。在模拟试验过程中，现有埋设土压力盒子或者应变片只能测试岩土单一方向的应力变化情况；而实际工程中，围岩处于三向受力状态，因此现有的应力测试方法存在缺陷，需要对其进行改进。


技术实现要素：

3.有鉴于此，本发明的目的是提供一种测试岩体三向应力的方法，以解决在岩土工程的物理模拟试验中，在模型中使用土压力盒子或者应变片等方法，只能测试岩土单一方向的应力变化情况，实验过程中变量参数掌握不全的技术问题。
4.本发明测试岩体三向应力的方法，其包括以下步骤：
5.1)根据实际工程对象情况设计相似模型，并设计在相似模型中的应力测试点；
6.2)在物理相似模拟平台上完成相似模型的铺装，在铺装过程中将fbg三向应力测试装置埋设在设计的应力测试点处；
7.所述fbg三向应力测试装置包括由弹性材质制成的包围球、设置在包围球内由六根刚性杆连接构成的正四面体骨架、设置在每根刚性杆中部的光纤布拉格光栅和由入射光纤和出射光纤构成的信号传送光纤，所述正四面体骨架的中心和包围球的中心重合，正四面体骨架的四个角点位于包围球的表面，指向正四面体骨架的相同角点的各光纤布拉格光栅的端部通过光纤耦合，形成四个光纤耦合节点，所述信号传送光纤的一端与其中一个光纤耦合节点耦合；
8.3)相似模型铺装完成后，静置物理相似模拟平台使相似模型干燥；
9.4)将信号传送光纤的入射光纤与激光器连接，将信号传送光纤的出射光纤与光纤光栅解调仪连接；对相似模型进行开挖，在开挖过程中由光纤光栅解调仪读取应力、应变参数，实时记录应力测试点的三向应力的连续变化情况。
10.进一步，所述包围球为导热硅胶质包围球，所述刚性杆为铁质圆柱杆。
11.进一步，所述包围球的半径为10mm。
12.本发明的有益效果：
13.1、与传统使用土压力盒或者应变片测试方法相比，本发明测试岩体三向应力的方法采用fbg三向应力测试装置能得到围岩的三向应力变化情况，能更为清楚的掌握围岩应力变化情况。
14.2、本发明测试岩体三向应力的方法，其fbg三向应力测试装置采用正四面体骨架，能够承受较大的围压，结构稳定性好；包围球能与被测岩体耦合，达到传递岩体的变化参数的作用，同时保护骨架；bg三向应力测试装置能抗水、电磁等干扰，抗干扰能力强。
附图说明
15.图1为fbg三向应力测试装置设置在相似模型中的示意图；
16.图2为信号传送光纤从相似模型背面引出的实物图；
17.图3为fbg三向应力测试装置的结构示意图；
18.图4为正四面体骨架的立体结构示意图；
19.图5为正四面体式三维应变花；
20.图6为应变片轴线在三维空间中的方向余弦。
具体实施方式
21.下面结合附图和实施例对本发明作进一步描述。
22.如图所示，本实施例中测试岩体三向应力的方法，其包括以下步骤：
23.1)根据实际工程对象情况设计相似模型，并设计在相似模型中的应力测试点。
24.2)在物理相似模拟平台上完成相似模型的铺装，在铺装过程中将fbg三向应力测试装置埋设在设计的应力测试点处。
25.如说明附图1所示，本实施例中设计相似模型模拟煤层开采过程，为了获得顶板岩层围岩压力在煤层开采过程中的变化规律，在模型关键岩层上、下和煤层底板处各安置10个fbg三向应力测试装置，全程监测应变变化。模型中各fbg三向应力测试装置间隔15cm，最左边的fbg三向应力测试装置距离左边界30cm，最右边的fbg三向应力测试装置距离右边界30cm，fbg三向应力测试装置依次编号1
‑
30#。
26.相似模型的铺装中岩层按3cm的厚度进行铺装，根据层位材料配比方案，称量相似材料，加入适量的水后搅拌均匀，再倒入物理相似模拟平台，然后用夯实锤夯实，当铺设层位完全夯实后进行下一岩层的铺装，如此循环。当铺装到设计的应力测试点层位时，先按照设计应力测试点位放入fbg三向应力测试装置，然后倒入相似材料，最后夯实。
27.所述fbg三向应力测试装置包括由弹性材质制成的包围球1、设置在包围球内由六根刚性杆连接构成的正四面体骨架2、设置在每根刚性杆中部的光纤布拉格光栅3和由入射光纤和出射光纤构成的信号传送光纤4，所述正四面体骨架的中心和包围球的中心重合，正四面体骨架的四个角点位于包围球的表面，指向正四面体骨架的相同角点的各光纤布拉格光栅的端部通过光纤耦合，形成四个光纤耦合节点，所述信号传送光纤的一端与其中一个光纤耦合节点耦合。
28.本实施例中，所述包围球为导热硅胶质包围球，所述刚性杆为铁质圆柱杆，在正四面体骨架的四个角点处的各铁质圆柱杆的端部焊接成一体，光纤布拉格光栅粘贴在铁质圆柱杆中部，导热硅胶熔铸在正四面体骨架外形成包围球，包围球与被测岩体耦合，传递岩体的变化参数，同时保护骨架。
29.当然在不同实施例中，所述包围球和刚性杆的材质还可选择为其它能满足需求的材质。
30.本实施例中，所述包围球的半径为10mm。当然在不同实施例中，包围球的大小还可根据需要进行调整。
31.本实施例中fbg三向应力测试装置采用正四面体骨架可以增大装置可承受载荷的极限值，同时确保被测参数(位移、温度)传递的稳定性。光纤布拉格光栅(fbg)具有较高的结构拓展性，可改造和组成具有特定测试方向和测试能力的单元体。本实施例中fbg三向应力测试装置还具备多点组网功能，可获得一定结构场范围的整场变化信息，配合尺寸极小(毫米级)、高灵敏度、高测量精度的测试特性，实现了结构体全方位的分布式测量。
32.3)相似模型铺装完成后，静置物理相似模拟平台使相似模型干燥。
33.4)将信号传送光纤的入射光纤与激光器连接，将信号传送光纤的出射光纤与光纤光栅解调仪连接；对相似模型进行开挖，在开挖过程中由光纤光栅解调仪读取应力、应变参数，实时记录应力测试点的三向应力的连续变化情况。
34.三向应变计算原理如下：
35.三维应变状态包括三个正应变和三个剪应变共6个应变分量。正四面体式三维应变花如说明书附图5所示。
36.考虑三维空间中的一条直线oa，如图6所示。则该直线在x、y、z方向的方向余弦l、m、n分别为：
[0037][0038]
表1正四面体三维应变花各应变片的方向余弦
[0039][0040]
若已知一点的应变状态为ε
j
＝{ε
x
,ε
y
,ε
z
,ε
xy
,ε
yz
,ε
zx
}，则在该点任意一个方向上的线应变均可以根据力学理论得到，即：
[0041]
ε＝ε
x
l2+ε
y
m2+ε
z
n2+ε
xy
lm+ε
yz
mn+ε
zx
nl
ꢀꢀꢀ
(2)
[0042]
如果想要得到6个不同方向上的线应变ε
i
(i＝1,2,3,4,5,6)，则只需要知道各个方向的方向向量即可。具体表达式写成矩阵为
[0043][0044]
或简写为
[0045]
{ε
i
}＝t{ε
j
}
ꢀꢀꢀ
(4)
[0046]
其中，j＝x,y,z,xy,yz,zx,{ε
i
}＝{ε1,ε2,ε3,ε4,ε5,ε6}，而且
[0047][0048]
根据式(4)可以得到
[0049]
{ε
j
}＝t
‑1{ε
i
}
ꢀꢀꢀ
(6)
[0050]
因此，空间任意一点的三维应变状态就可以根据式(5)求得。对于正四面体式三维应变花，根据图6所建立的坐标系统，可以计算出6个不同的l、m和n。代入式(5)后，可以求得t，并最终可以得到t
‑1，即：
[0051][0052][0053]
可见，三维应变花的6个应变片布置方向不是随意的，它必然满足的条件,是t
‑1存在，即t的秩等于6。
[0054]
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。