物理模型试验光纤传感测试方法应用进展.pdf

书书书 工程地质学报 （ ） ： 物理模型试验光纤传感测试方法应用进展 柴 敬 袁 强 李 毅 王 帅 孙亚运 （ 西安科技大学能源学院 西安 ） （ 教育部西部矿井开采与灾害防治重点实验室 西安 ） 摘 要 室内模拟试验是岩土力学与工程地质领域科学研究的重要手段之一。光纤传感测试是一种高精度、 实时性、 分布式 和并行式的测试技术， 构建物理模型试验光纤传感测试方法， 推动了模拟试验技术的进步， 为现场工程可以提供更可靠的指 导。本文列举了常用模型试验光纤传感测试技术， 综述了岩土力学与工程地质在 个方面应用模型试验光纤传感测试的进 展， 并对光纤传感器的结构形式、 温度补偿、 传感器标定、 布设工艺等应用关键问题进行了总结， 探讨了光纤与模型材料变形 同步、 协调和相容的关系。表明基于光纤传感技术的多尺度、 多源信息模型试验研究将成为未来岩土力学与工程室内试验的 热点。 关键词 岩土力学与工程地质 模型试验 光纤传感测试 应用分析 进展 中图分类号： ， 文献标识码： 书书书 收稿日期： ；收到修改稿日期： 基金项目： 国家自然科学基金项目（ 、 ） ， 高等学校博士学科点专项科研基金项目（ ） 资助 第一作者简介： 柴敬（ ） ， 男， 博士， 教授， 博士生导师， 主要从事采矿工程、 实验岩石力学及光纤传感检测技术方面的研究 ： 通讯作者简介： 袁强（ ） ， 男， 博士生， 从事采矿工程及岩体变形光纤传感检测技术研究 ： （ ， ， ） （ ， ， ） （ ） ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， 引 言 模型试验通过在室内模拟现场工程结构及其受 载情况， 根据试验结果并依据相似理论进行反演分 析， 以获得现场工程结构体的变形特征、 稳定性、 受 力状态和破坏机理等， 并最终反映工程现场的实际 状态， 是解决现场工程问题的最直观方法， 也是岩 土、 地质、 水利、 矿业工程等行业科学研究的重要方 法之一（ 柴敬等， ） 。模型测试是模型试验过 程的核心步骤， 测试内容涵盖应力应变、 位移、 温度、 湿度、 速度、 加速度等参量。 传统测试技术， 如位移测试中常用的直接测量 法、 百分表、 位移计、 近景摄影测量等， 大多适用于模 型表面测量或部分暴露在外的平面应力状态。应力 应变测试多采用电测法， 通过将应变片黏贴在模型 上来进行测试。可以发现， 传统的测试方法存在点 式、 表面测量；精度低、 误差大；实时化、 自动化程 度低；测试信息单一等不足。这些缺陷阻碍了模型 试验准确度水平的提高和科学研究日益增长的高精 度的要求（ 沈泰， ；王汉鹏等， ） 。 光纤传感技术是一种以光为载体， 光纤为媒介， 感知和传输外界信号的传感技术。将光纤传感技术 用于模型试验， 利用光纤来测试模型变形， 具有以下 优势： 抗干扰能力强、 耐久性好、 传感媒介形式多样， 轻细柔韧， 便于系统安装， 能实现高精度、 分布式测 量， 更重要的是实现了模型内部应力应变的测试。 模型试验中光纤传感测试技术与传统测试技术的对 比如表 所示。早在 年， 四川大学的刘浩吾首 先采 用 光 时 域 反 射 （ ） 传感技术对重力坝模型裂缝发育进行了测 试（ 刘浩吾， ） 。西安科技大学的柴敬在 年实现了基于 的岩梁变形分布式光纤监测 （ 柴敬等， ） ； 年， 将光纤 光栅 （ ） 传感器用于模型岩层的变形测 试， 研究了相似材料中的光纤传感特性（ 柴敬等， ） ， 随后将 用于模拟岩层沉降变形（ 柴敬 等， ， ） 和关键层运移的测试研究（ 柴敬 等， ） ； 年， 将布里渊散射时域 （ ） 技术用于采 书书书 表 模型试验测试技术对比 测试技术优势不足 光纤传感技术 精度高；分布式测量； 不受环境干扰， 耐久 性好；可实现内部应 力应变测量；可重复 利用；结构适应性好 抗外力能力弱， 需要 保护传感器；动态测 量效果一般；光纤传 感器成活率需要提高 传统 测试 技术 应变片 灵敏度好、 准确度与 精度较高；尺寸小重 量轻， 可用于多点布 阵量测 对应力集中部位的测 量不够准确；只能测 量构件表面应变， 难 以测量内部应变；易 受干扰 位移计 精度较高， 可用于动 态测量；非接触式激 光位移计能实现非接 触测量 多用于表面测量， 不 能实现内部测量 百分表 点式测量精度高， 读 数方便 人工读数， 误差大， 不 能自动实时记录数据 近景摄影 全场测量；非接触测 量， 对被测物影响小 用于模型试验时测量 精度较低， 测量时间长 场覆岩变形垮落的模型试验， 研究了上覆岩层垮落 范围与光纤布里渊频移的关系以及 测试与 传统测试的精度对比（ 柴敬等， ） 。南京大学 的施斌及其团队基于光纤传感技术在地质、 岩土等 领域的多个内容（ 边坡、 大坝、 隧道、 地面沉降、 地裂 缝等） 进行物理模型试验的光纤测试研究， 处于国 内相关领域的领先水平。他们在模型试验 、 （ ） 等分布式光纤传感测试方法上开展的大量研究， 极 大地促进了光纤传感监测技术的工程应用（ 隋海波 等， ；朱鸿鹄等， ） 。而施斌教授发起建 立， 国家自然科学基金委员会资助， 由南京大学主办 的地质和岩土工程光电传感监测国际论坛系列会议 成为光纤传感测试领域的盛会， 迄今已成功举办 届（ 朱鸿鹄等， ） 。浙江大学、 山东大学等高校 以及相关科研院所 （ 李焕强等， ；王静等， ） 也在模型试验光纤传感测试方法上开展了大 量研究。 模型试验方法本身存在着多样性， 不同专业领 域的试验内容各具特色， 光纤传感技术作为一种新 兴的测试手段， 在模型试验应用中需要更多探究。 本文从物理模型试验光纤传感测试方法应用分析出 发， 介绍近年来模型测试手段应用较多的几种光纤 （ ） 柴 敬等：物理模型试验光纤传感测试方法应用进展 传感技术和模型试验光纤测试常见的研究领域， 探 讨了光纤传感测试方法在模型试验中的应用关键问 题。 常用光纤传感技术 光纤传感技术依据其调制类型可分为波长、 频 率、 强度、 相位、 偏振态调制等， 限于模型试验类型和 相应设备要求， 常用于模型试验的光纤测试技术根 据传感技术主要有基于波长调制的光纤 光栅 传感技术（ ） 、 基于强度调制的光时域反射技术 （ ） 、 基于频率调制的布里渊光时域分析技术 （ ） 和布里渊光时域反射技术（ ） ， 模 型试验常用光纤传感技术特点如表 所示。 书书书 表 模型试验用光纤传感技术 名称常用仪器技术指标应用特点 光纤 光 栅传 感 技 术 （ ） 公司 波长范围 ， 精 度 ， 频率 点式测量， 精度高， 结构小巧多样， 广 泛用于各种模型应 变及温度测试 光时 域 反 射 传 感 技 术 （ ） 公司 空间分辨率 为数 至数十 单端分布式测 量， 精 度 及 分 辨 率 较 低， 在故障点定位 上具有独特优势 布里 渊 光 时 域分 析 传 感 技术（ ） 公司 精度 ， 空间分辨率 双端分布式测 量， 精 度 及 分 辨 率 较 高， 在模型试验中 应用广泛 布里 渊 光 时 域反 射 传 感 技术（ ） 公司 精度 ， 空间分辨率 单端分布式测 量， 精 度 及 分 辨 率 偏 低， 在模型试验中 应用较为广泛 光纤测试模型试验应用领域 采矿工程 采矿工程模型试验光纤测试的主要对象是采场 模型。柴敬等（ ） 通过建立采场覆岩模型试 验， 采用光纤传感技术对覆岩岩层变形过程进行测 试， 得到了采动岩层变形特征；随后又将 分 布式光纤传感技术用于测试覆岩垮落范围， 对比验 证了光纤的测试精度（ 柴敬等， ） ；周冬冬等 （ ） ， （ ） 将 分布式光纤传 感技术用于充填法采矿时的采场围岩垮落与稳定性 关系测试研究。另外， 将光纤传感技术用于采场模 型试验还延伸至围岩体应力场演化、 覆岩活动“ 三 带” 分布、 覆岩离层及裂隙发育等宏观大变形方面 研究， 监测出了覆岩关键层的初次垮落、 周期性垮落 过程（ 柴敬等， ） ， 关键层初次破断时光纤光栅 传感器波长漂移量曲线呈尖峰状， 周期性破断时光 纤光栅传感器波长漂移量曲线呈高原状， 对关键层 所受载荷进行实时监测， 这将进一步促进矿业工程 学科的发展。 地下工程 地下工程模型试验的研究对象包括隧道、 巷道、 硐室、 地下储腔等， 其本质是在岩土体模型内部开凿 空间。利用传感光纤（ 或光纤传感器） 灵活小巧的 形态， 将光纤布置在围岩体或掌子面周围， 在模拟巷 道开挖、 围岩加载过程中测试围岩体的变形状态。 李仲奎等（ ） 在研究三维模型试验新技术时介 绍了光纤传感器用于大型地下洞群的内部测试试验 研究， 阐明了分布式光纤传感技术能实现结构内部 监测； 常天英等（ ） 将自制的光纤光栅传感器模 块植入分岔隧道三维隧道地质力学模型； 朱维申等 （ ） 将 传感器用于高地应力地下洞群的地 质力学模型测试， 对隧道开挖过程中模型岩体不同 位置的应变进行了监测， 并通过数值仿真比较了光 纤测试与应变片测试的结果， 发现光纤测试的模型 各点应变变化更接近真实状态；刘德军等（ ） 将 传感器应用于深部巷道围岩破裂模型试验中， 揭示出深部巷道围岩内部的变形规律；李术才等 （ ） 将基于 准分布式光纤传感测试系统用 于大比例尺三维模型试验系统， 形成了基于光纤传 感技术的多源信息和微量变化信息的新型模型试验 系统。 边坡工程 边坡是一种普遍的工程地质对象， 边坡稳定性 模型试验一直是岩土工程的重要课题之一。通常边 坡模型中布置的光纤传感系统采用分布式光纤或 光纤光栅串， 可以横向与竖向（ 或根据需要按 特殊方向） 布置， 可以监测到模型内不同深度、 不同 位置的应变分布状态。蔡德所等（ ） 将 分布式光纤传感技术应用到拱坝小比例尺石膏模型 试验中捕捉随机裂缝， 研究拱坝随机裂缝发育及其 扩展分布； （ ） 基于 提出了使 用两个波长不一样的传感光纤分别用于剪切裂缝和 开口裂缝混合模型监测， 推导光纤与裂缝位移增量 之间的关系；董建华等（ ） 通过在坝体和坝基埋 工程地质学报 设光纤光栅传感器， 对结构模型在超载过程中的位 移场进行了测试。李焕强等（ ， ） 将分布式 光纤传感系统用于边坡模型试验， 采用基于 分布式和基于 准分布式的组合监测系统监测 边坡坡面在降雨条件下的变形状态， 获得了边坡内 部的应变状态和坡面不同位置的变形规律及其与降 雨历时的关系； （ ） 基于 对斜 坡模型的滑动破坏进行了实时监控， 结果表明分布 式光纤传感技术可以用于岩体滑动监测； （ ） 将 传感器组成传感测试网络， 对边坡 土体内水位反复作用下的边坡稳定性及其滑裂面位 置开展研究。范书立等（ ） 将准分布式光纤光 栅应变传感器用于振动台模型试验， 用光纤传感器 开展了在地震破坏条件下的高拱坝动力破坏试验， 研究表明了光纤传感器具有一定的监测稳定性， 能 适应如振动台等动力作用下的测试工作。 桩基工程 桩基是稳固地基的重要部分， 锚杆是锚固岩土 体的主要介质， 桩基与锚杆模型试验是研究桩基和 锚杆与岩土结构锚固性能关系的常用手段。通过模 型再现桩基施工（ 锚杆拉拔） 过程， 利用光纤传感技 术可以获得随桩不同打入深度（ 不同拉拔力） 时的 应变变化规律。李世海等（ ） 将 传感器用 于抗滑桩模型试验， 得出了 传感器与电测传感 器之间的关系系数， 定量研究了抗滑桩在不同条件 下的受力状态； 提出了一种使用嵌入式 光纤新型锚杆连续应力分布测试的方法， 将分布式 传感光纤用不同方法安装在锚杆上， 再将锚杆植入 混凝土体内用于模拟基坑开挖时的基坑壁支护结构 变形测试（ ， ） ；柴敬等（ ） 将 传感器黏贴在杆体表面， 通过在围岩模型中拉拔的 方式， 对锚杆轴力分布进行了测试， 并获得了杆体与 传感器间的应变传递系数；秋仁东等（ ） 通过对 管桩水平载荷模型试验中光纤光栅传感器布 设方式和埋设工艺的研究， 提高了 传感器在模 型中的成活率。 地质灾害 地质灾害的模型试验从实验室角度研究地质工 程中岩土体的变形机理， 从细观上研究工程地质及 地质灾害防治问题。主要体现在两个方面： （ ） 地 层沉降， 它是一种普遍的地质灾害， 已成为不容忽视 的环境地质问题。受模拟尺度影响， 地层沉降模型 通常直接采用钻孔土样进行试验， 也有通过不同粒 组组成配比进行模拟研究。蒋小珍等（ ） 通过 大型岩溶塌陷物理模型试验研究了 分布式 光纤传感技术在岩溶塌陷监测中的应用， 试验发现 光纤应变变化与试验土层扰动、 掏空过程相对应， 并 通过光纤时间序列判断出了土层扰动的发展方向； （ ） ?用 分布式光纤传感技术 对隧道开挖过程造成的地层扰动与沉降现象进行模 型试验测试， 发现光纤能感应到塌陷的发生；管振 德等（ ） 将 技术应用于塌陷模拟试验装 置中， 研究了土洞规模变化对光纤传感监测的影响， 通过分布式光纤传感技术较好地显示岩溶土洞形成 演化过程中的应变变化特征。（ ） 地裂缝（ 土壤裂 缝） ， 利用模型试验可以获得裂缝成因、 活动速率、 发育因素及其相关灾害机理的细观表征。李科等 （ ） 利用 技术对土体干缩变形进行了监 测， 验证了该技术应用于土体变形监测中的可行性； 张丹等（ ） 将光栅传感串埋入饱和膨胀土试样 中， 对膨胀土失水过程中不同位置的应变进行了测 量， 获得了土体裂缝分布特征及其时空演化规律； 王宏宪等（ ） 将 技术用于研究非饱和膨 胀土在干湿循环时土体的应变状态及土体裂隙发育 规律研究， 获得了土体应变状态的分布式测试结果， 并准确定位了土体裂缝。 应用关键问题 光纤传感器结构形式 针对不同专业领域的模型试验对象和内容， 存 在不同的光纤传感器的结构形式。为了实现模型岩 体的宏观、 微观变形同时测试， 研制了一种基于 的蛇形微弯传感器， 将光纤外加装一定长度 的短段套管， 光纤贯穿其中， 它变形形成蛇形结构， 使其能与模型岩体变形形成较好的相容性（ 柴敬 等， ） 。根据采矿工程相似材料模型试验的二 维特点， 将具有一定表面积的基片式光纤 光 栅传感器用于采场模型试验， 使其测试结果与传统 传感器相比具有更好的测试灵敏度（ ， ） 。 研制了一种基于 技术的圆棒式光纤传感 器（ 朱鸿鹄等， ） ， 采用具有一定弹性和刚度的 橡胶棒， 将光纤 光栅黏贴于棒体表面的预制 槽内并用环氧树脂密封， 使该棒式传感器类似于一 根一端固定并同时受轴向拉、 压和横向弯曲的弹性 （ ） 柴 敬等：物理模型试验光纤传感测试方法应用进展 梁， 得到了较好的测试效果。随后， 该传感器被用于 大型地下硐室群的地质力学模型试验， 改进了传感 器的安装方法， 在模型制作完备之后， 通过预留直径 的竖孔， 以硅胶作为黏结材料进行注胶埋设 棒式光纤传感器， 验证了该棒式光纤传感器的量测 可靠性（ 朱维申等， ） 。 为了测试模型内部的三向应力状态， 研究设计 了黏贴于应变砖的三向 应变传感器， 在应变砖 上分别沿 个方向黏贴了 支光纤 光栅， 用 于测试水平、 竖直和斜向 方向的应变， 实现了深 部巷道围岩分区破裂模型试验光纤测试（ 王静等， ） 。而后， 又研制了一种基于相似材料的三向 光纤光栅应变传感器， 研究制作了 的相似材料 试块来替代原来的应变砖， 使得传感器与模型变形 更为协同， 提高了传感器基体与相似材料模型变成 的相容性， 提升了测试精度（ 王静等， ） 。也有 将光纤光栅黏贴在橡胶基质的立方体（ 边长 ） 上沿 、 、 个方向的表面， 形成对三维应力敏感 的光纤测试结构， 实现了对采动围岩三维应力状态 及其变化规律的测试（ 魏世明等， ） 。 温度补偿 光纤传感测试会受应变和温度的双重影响。众 多试验表明， 在外界温度变化下， 光纤传感器的测量 结果受温度影响作用明显， 需要对光纤传感测试结 果进行温度补偿。常用的温度补偿方法是利用不受 应力应变影响的光纤传感器作为温度补偿传感器， 分布式传感光纤一般选用松套光纤， 点光纤传感器 一般采用非接触型光纤光栅温度传感器， 以剔除温 度影响。也有学者将温度补偿光栅埋设于模型外的 相似材料模块中， 使对照组光纤完全处于与实验组 同等条件， 温度补偿所得结果更加精确（ 魏世明等， ） 。 另外也有， 仪器能实现在模型测试同时完成温 度补偿， 通过预留不受力的自由光纤段（ 朱鸿鹄等， ） ， 在传感光纤安装前对应变系数和温度系数 进行标定即可。 光纤传感器标定 为了获得准确的光纤传感测试结果， 通常需要 进行传感器标定。一般来说， 对于岩土模型试验， 只 需要对光纤传感器的应变系数和温度系数进行标 定， 对于实际工程中长距离的光纤传感测试还需要 对光纤的传输损耗进行标定。如对基于布里渊散射 原理的分布式传感光纤的标定问题， 利用 测量仪器研发了一套分布式传感光纤标定系统， 试 验证明该系统实现了分布式传感光纤的传感系数标 定（ 索文斌等， ） 。通过对 种单模传感光纤 在不同应力状态和布设方式下的温度系数进行标定 发现， 不同光纤外层护套材料的热膨胀率和热稳定 性是影响传感光纤温度效应及其稳定性的主要因素 （ 张勇等， ） 。 布设工艺 大量的模型试验研究表明， 光纤传感器埋入模 型后的形态特征是试验测试精度和准确度的关键， 光纤传感器的布设工艺是当前研究的重点和难点。 布设工艺分为布置形式和埋设工艺两个方面。在布 置形式上， 为了获得模型变形过程的全域状态， 通常 将分布式传感光纤或光纤光栅串沿某个面（ 或多个 面） 迂回成环形布置， 使其能感知被测结构的整场 应变状态。 一般地， 在埋设工艺方面， 可以分为植入式和预 埋式， 两者的具体对比如表 所示。一些模型试验 从学科领域（ 矿业工程、 岩土工程、 地质工程、 水利 水电工程等） 角度出发， 其更关心模型的表现（ 变 形） ， 模型变形与实际变形的吻合度， 而在模型中开 槽（ 钻孔） 会影响模型物理性质， 因而更倾向在模型 建筑过程中埋设光纤。一些模型试验则从工程实际 出发， 选择在模型制作完毕后钻孔植入传感设备。 针对分布式传感光纤的埋设， 还可以按光纤与模型 介质的接触方式分类， 将其分成全接触式和点接触 式。通过胶结物把光纤整体或部分与模型介质黏 贴， 然后完成模型搭建。无论哪种埋设方式， 都需要 满足使光纤与模型形成一个整体， 任何分离都将影 响模型测试结果的准确性。 书书书 表 模型试验光纤埋设方式对比 植入式预埋式 特点 模拟现场实际中的光纤安装 方式， 方法上具有工程一致性 与模型结合更好， 且不破 坏和影响模型结构；光纤 位置与形态有可控性 不足 （ ） 植入过程会破坏模型， 影 响模型结构和物性 （ ） 植入后光纤形态不可控， 在重新填充模型时容易造成 光纤折断， 影响成活率 （ ） 光纤与模型变形协调性差 （ ） 与现场埋设光纤的方 式不一致 （ ） 模型制作需要谨慎细 心， 防止破坏光纤 （ ） 光纤本身可能会影响 模型内的应变变化 工程地质学报 就黏贴方式而言， 有直接黏贴式和载体式。直 接黏贴式主要用于表面测量， 用于模型内外变化基 本一致或只需要测试表面形变时。这种方式工艺简 单方便， 通过黏结材料将光纤黏贴在模型上即可。 载体式安装可以测试模型的特殊变化， 将光纤布置 在合适形状、 尺寸的载体上， 再将载体放入模型中， 拓宽了光纤传感系统的测试广度， 如三向应变测试 的 试块（ 王静， ） 。 光纤与模型的耦合关系 模型变形会使光纤与模型材料之间产生滑移而 分离， 光纤与模型的变形关系影响了光纤传感技术 的实际应用。通过 模型和 模型光纤测试 研究发现， 岩体变形小于 时， 传感器 能真 实 反 映 岩 层 的 移 动 变 形， 岩 层 变 形 大 于 时， 传感器的灵敏度会大幅度降低（ 柴敬 等， ） 。光纤 岩土材料的界面力学性能是光 纤与模型耦合关系的重要方面， 佘骏宽等（ ） 利 用拉拔试验对比研究了 种预埋于砂土中的光纤的 界面力学特性与应力传递规律， 建立了用于描述光 纤 砂土界面力学性质的三段式拉拔模型。朱萍玉 等（ ） 利用 软件建立了光纤与堤坝模型 的有限元分析模型， 定量分析了光纤承受载荷与光 纤上部土体载荷的关系。另外， 光纤与模型之间的 关系还表现在光纤传感参数对模型变形的表征， 以 及光纤与模型应变的传递规律。 由此可见， 模型试验光纤传感测试方法的应用 需要保证光纤与模型之间形成整体关系， 包括： （ ） 同步性， 模型变形时应同步导致光纤变形， 这样得到 的测试结果才是真实有效的， 其主要由光纤在模型 中的安装工艺和光纤传感器的结构形态决定。（ ） 协调性， 模型变形与光纤变形的应变传递关系协调， 即