（安全技术及工程专业论文）岩体变形光纤光栅传感检测的理论与方法研究.pdf

对济宁三号煤矿风井松散层的沉降变形进行了光纤光栅埋入法检测的应用，光纤光 栅的埋入采用了钻孔注浆法。分析了使用该方法时光纤光栅传感器与松散层的应变传递 关系，得出了波长漂移量与应变的传递系数。经过8 个月在线监测，获得了大量观测数 据，经分析得出了最大沉降变形的层位，为井筒的破坏预测和及时维护提供了依据。 关键词：岩体；光纤光栅；检测方法；应变；相似模拟实验；应用 研究类型：应用研究 本文得到国家自然科学基金( 5 0 7 7 4 0 6 0 ) 的资助 s u b j e c t：s t u d yo nt h e o r y a n dm e t h o do ff i b e rb r a g gg r a t i n gs e n s i n g i nr o c kd e f o r m a t i o nt e s t 。 s p e c i a l t y ：s a f e t yt e c h n o l o g ya n de n g i n e e r i n g n a m e：w e is h i m i n g i n s t r u c t o r ：c h a ij i n g a b s t r a c t ( s i g n a t u r e ) 逍_ 逝哆 ( s i g n a t u r e ) o u rc o u n t r yi so n eo ft h ec o u n t r i e st h a tc o a lm i n ea c c i d e n t so f t e nh a p p e n m a n y d i s a s t e r sa t t r i b u t e dt ot h el a c ko fc o g n i z a n c et ot h em e c h a n i c sa c t i o no fc o a la n dr o c k s o ，i ti s m o r ei m p o r t a n tt oi n c r e a s et h et e s tl e v e la n dr e d u c et h ea c c i d e n t s f o rt h eu n i q u ec h a r a c t e r a n db r o a df o r e g r o u n do ff i b e rb r a g gg r a t i n g ( f b g ) s e n s i n g ，i ti su s e di nt e s t i n gt h ec o u r s eo f r o c kd e f o r m a t i o na n dd a m a g e n l em o n i t o rm e t h o da d a p tt or o c ki ss t u d i e d 嘶sh a sv e r y i m p o r t a n tp r a c t i c a lm e a n i n g t oi n c r e a s eo u rk n o w l e d g el e v e lo ft h em e c h a n i c sa c t i o na n dt h e d e f o r m a t i o na n dd a m a g em e c h a n i s mo fr o c k i nt h i sp a p e r , f r o mt h eu n d u l a t i o nt h e o r y , a n dt h e o r e t i c a l l yb a s e do nm a x w e l l i a n e q u a t i o na n dt h eo r t h o g o n a l i t yr e l a t i o no ft h ef b g st r a n s m i s s i o nm o d e ，t h et r a n s m i t t e d t h e o r yi sd e d u c e da n dt h es e n s i n ge q u a t i o ni sa c h i e v e d b yt h es e n s i n ge x p e r i m e n t ，t h e l i n e a r i t yr e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h eg r a t i n gw a v e l e n g t ha n dt h es t a i no rt e m p e r a t u r ei sp r o v e d ， a n dt h i si n d i c a t e si t sw e l lt e s t i n gc h a r a c t e r 1 1 1 et e s t i n gm e t h o do fr o c kd e f o r m a t i o nu s i n gf b gi sp r e s e n t ，i e e m b e d d i n ga n d s u r f a c ep a s t i n g 1 1 1 ee m b e d d i n gm e t h o di n c l u d e sa n c h o rp a c k a g e ，i m m e d i a t ee m b e d d i n ga n d b o r i n gw i t hs l u r r y 1 1 1 e s t r e s sc h a r a c t e ro ff i b e ri ne m b e d d i n gs t a t ei sa n a l y z e d t h e t r a n s f e r r i n ge q u a t i o no fs t r a i nb e t w e e nf i b e ra n dr o c ki sd e r i v e d , a n dt h e i rr e l a t i o n s h i pi s g o t t e n t h et r a n s f e r r i n gm o d e lo f f i b e rs t i c k i n go nt h es u r f a c ei se s t a b l i s h e d ，a n dt h ee q u a t i o n i sd e r i v e dc o n s i d e r i n gt h es u r f a c eg r o o v e w h e nt h em e c h a n i c sp a r a m e t e r so ff i b e ra n dm i d d l e m e d i u ma r ek n o w n ，t h es t r a i nt r a n s f e r r i n gc o e m c i e n tc a nb ec a l c u l a t e d ，a n dt h er e a ls t r a i no f r o c kc a nb eg o r e nt h e n i ti ss t u d i e do ft h ee m b e d d i n gm e t h o d 、析t 1 1f b gt e s t i n gt h eh o r i z o n t a ls t r e s sd i s t r i b u t i o n i nr o c k t h en a k e df i b e ri se m b e d d e di nt h es i m u l a t i o nm o d e l ，a n dt h ew a v e l e n g t hd r i f td u r i n g m i n i n gi sm o n i t o r e d w i t l lt h er e s u l to fs t r a i nt r a n s f e r r i n ga n a l y s i s ，t h eh o r i z o n t a ls t r e s sn e a r g r a t i n g sc a nb eg a i n e db yt h ed r i f t s ，a n dt h ed i s t r i b u t i o nc a n b ea c h i e v e db yf b g m u l t i - p o i n t t e s t t h er e s u l ti n d i c a t e st h a tt h es t r e s sc a nb et e s t e db yf b ga n dt h i sc a nb ep r o v e db y n u m e r i c a ls i m u l a t i o n t 1 1 et e s to fr o c ku n i a x i a lc o m p r e s s i o ni nm t sb yt h es u r f a c ep a s t i n go ff b gi sf i r s t l y c o n d u c t e di no u rc o u n t r yi nt h i sp a p e r t om o n i t o rt h es t r a i nc h a n g eo ft h es a m p l eu n d e r c o m p r e s s i o n , t w og r a t i n g sa l es t u c ko nt h e s u r f a c er e s p e c t i v e l ya l o n ga x i a la n dr a d i a l d i r e c t i o n t oc o m p a r et h er e s u l t , t h ee l e c t r i c a ls t r a i ng a u g e sa r ep a s t e do nt h es a m ep o s i t i o n 砀er e s u l ti n d i c a t e st h a tt h et e s t i n ge f f e c t i o no ff b gi so b v i o u s l yb e t t e rt h a nt h ee l e c t r i c a l s t r a i n g a u g e sa n dt h er a d i a l s t r a i ng a u g eo fm t s ，a n dc o i n c i d e n t 谢t i lm t s a x i a l d i s p l a c e m e n tg a u g e 1 1 1 ee x p e r i m e n ti l l u m i n a t e st h eg o o dt e s tc a p a b i l i t yo ff b g , a n d v a l i d a t e st h ee s t a b l i s h e dt r a n s f e r r i n gm o d e lo fs u r f a c ep a s t i n g t h em o n i t o r i n gt ot h es u b s i d e n c eo fu n c o n s o l i d a t e ds o i ll a y e r sa r o u n dt h es h a f ti nj i s a n c o a lm i n ew i t hf b ge m b e d d i n gi sa p p l i e d ，a n dt h eb o r i n gm e t h o di su s e d mt r a n s f e r r i n g r e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h es e n s o r sa n ds o i ll a y e r si sa n a l y z e d ，a n dt h ec o r r e s p o n d i n gc o e f f i c i e n t o fw a v e l e n g t ha n ds t r a i ni sd e r i v e d b y8m o n t h e sm o n i t o r i n g ，m a n yo b s e r v a t i o nd a t aa r e g a i n e d a n dt h el a y e r 、 ，i t ht h eb i g g e s ts u b s i d e n c ei sk n o w nf o r mt h ea n a l y s i st ot h ed a t a t h i s p r o v i d e st h en e c e s s a r yg u i d a n c ef o rd a m a g ef o r e c a s ta n dm a i n t e n a n c et i m e l yo ft h es h a f t k e yw o r d s ：r o c k f b g t e s tm e t h o ds t r a i ns i m u l a t i o ne x p e r i m e n t a p p l i c a t i o n t h e s i s ：a p p l i e dr e s e a r c h t h i sp a p e ri sf i n a n c i a l l ys u p p o s e db yt h en a t i o n a ln a t u r es c i e n c ef o u n d a t i o n ( 5 0 7 7 4 0 6 0 ) 主要符号表 主要符号表 v 一哈密顿算符； u w 、l l r , r 光纤保护层径向位移、岩体径向位移； 日扩，f ) 一磁场矢量强度； “口，p 、u 一，一光纤保护层环向位移、岩体环向位移； d ( 尹，f ) 一电感强度； 仃譬b ) 一光纤轴向应力； b ( v ，f ) 一磁感强度； o pb ) 一光纤保护层轴向应力； s g ) 一张量介电常数；g ) 一粘贴层轴向应力； p 扩，) 一感生极化强度；仃，( 功岩体轴向应力； 鳓介质导磁率； g gb ) 一光纤轴向应变； 1 ，、一模序，电场与磁场的下标；s 口g ) 一光纤保护层轴向应变： a ，、一分解系数；毛b ) 一粘贴层轴向应变； 屈、凡一传播系数；s ，( x ) 一岩体轴向应变： 占：1 方向上的电场单位矢量； f 暑b ，) 一光纤体表面的剪应力： 豇豇的共轭矢量；f p b ，) 一光纤保护层外表面剪应力； 瓯一正交系数，当传播常数为实数时，通常为l ；r h b ，) 一粘贴层外表面剪应力； 巴一第个模的功率； ，窖一光纤半径( 含包层) ； 一幅角； 名一光纤保护层外半径； 如一波长； 吃粘贴层外半径； n 谚一有效折射率； 光纤光栅传感器外半径； 人一光栅周期； 钻孔半径； 巴一光纤载荷； 七应变传递特征值； 乙一第m 段光纤的长度；2 工一光纤光栅长度； d 一光栅直径； e g 光纤弹性模量； 口热膨胀系数； e i g f r p 的弹性模量； 善一热光系数； g 。保护层剪切模量： q ，p 、q ，一光纤保护层径向应力、岩体径向应力； g 一粘贴层剪切模量； 仃p ，、仃口，光纤保护层环向应力、岩体环向应力； g 。一水泥砂浆的剪切模量。 西安科技大学 学位论文独创性说明 本人郑重声明：所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及 其取得研究成果。尽我所知，除了文中加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人或集体已经公开发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得西安科技大学 或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所 做的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了感谢。 学位论文作者签名：豸篡也叫日期：矽o g 歹，2 9 学位论文知识产权声明书 本人完全了解学校有关保护知识产权的规定，即：研究生在校攻读学位期间 论文工作的知识产权属于西安科技大学。学校有权保留并向国家有关部门或机构 送交论文的复印件和电子版。本人允许论文被查阅和借阅。学校可以将本学位论 文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复 制手段保存和汇编本学位论文。同时本人保证，毕业后结合学位论文研究课题再 撰写的文章一律注明作者单位为西安科技大学。 鬟黧篓篱= 胡矽印学位论文作者签名：雄世叫 指导教师签名：秒矿， 形衙秽月妒日 1 绪论 鲁暑宣i i i i 暑宣皇| 置置暑暑置置；i ；i i 暑宣暑暑昌置暑一 ii i i 皇萱宣i i i 葺i 一 1 1 选题背景及研究意义 1 1 1 选题背景 l 绪论 随着世界经济全球化进程的推进，我国的经济发展正保持一种持续、平稳的增长趋 势。经济发展的同时，各类基础设施的投资在国民生产总值中占越来越大比例。然而， 在重大土木工程结构和基础设施( 如桥梁、大跨空间结构、超高层建筑、大型水坝、核 电站、海洋采油平台以及输油、供水、供气等管网系统等) 的服役过程中，由于服务年 限较长，在环境荷载作用、疲劳效应、腐蚀效应和材料老化等灾变因素的影响下，结构 不可避免地产生损伤累积和抗力衰减，从而抵抗自然灾害的能力下降。当监测手段达不 到时，就有可能引起事故的发生，甚至引发灾难性的突发事故。例如，1 9 6 5 年英国北海 海上石油钻井平台“海上钻石 号失效；1 9 8 6 年中国渤海石油钻井2 号平台冬天被海冰 推倒；1 9 9 4 年韩国汉城的圣水大桥断塌；1 9 9 8 年宁波大桥在施工过程中主跨折断；1 9 9 8 年江西九江决堤；1 9 9 9 年重庆彩虹大桥突然倒塌；1 9 9 9 年日本发生核泄露；2 0 0 0 年台湾 高屏大桥突然断为两截；2 0 0 1 巴西p 3 6 海洋平台爆炸倒塌：2 0 0 1 年四川宜宾南门大桥桥 面断塌等等。这些事故不仅造成了重大的人员伤亡和经济损失，而且产生了极坏的社会 影响【l 】o 在我国的煤矿生产中，安全状况令人担忧。从2 0 0 1 2 0 0 4 年1 0 月底，我国煤矿共发 生一次死亡1 0 人以上的特大事故1 8 8 起，平均每7 4 天一起 2 1 。在这些事故中，由于岩体 的变形失稳所引起的占一定的比例。以2 0 0 6 年为例，顶板事故死亡人数达1 6 1 5 人，占煤 矿事故死亡人数的4 2 3 。此外，滑坡、泥石流等地质灾害也时常扰乱着人们的生活。 从1 9 7 2 年至今，仅重大的滑坡事故就有3 0 多起，而中小型的事故还远不止这些 3 1 。伴随 这些灾害的直接危害，城镇毁灭、交通航运中断、人们无家可归，甚至丧生，年均经济 损失数以1 0 亿元计。 对于以上的事故，由于缺乏可靠的预警及监测系统，使灾难的发生无法避免。采用 有效的监测手段，对工程岩体及大型的土工工程结构的安全状况、修复和控制损伤进行 有效的评定，减少灾害的发生，显得尤为重要! 传统的传感器，如差动电阻式、钢弦式、电阻应变计式和电感式传感器等，普遍存 在抗干扰性、耐久性和长期稳定性等较差的缺点，因此，难以适应现代工程监测的要求。 近几年来兴起的光纤光栅传感器由于具有本质安全、抗电磁干扰、防水防潮、抗腐 蚀、耐久性长及测试精度高等特点，已经成为工程监测系统中的研究热点，国内外学者 西安科技大学博士学位论文 在土木工程、水利工程和航空航天等领域已经开展了广泛的光纤传感技术理论和应用研 究，取得了一系列研究成果 4 】。 鉴于此，本论文以光纤光栅传感原理及岩体的变形理论为基础，研究岩体变形过程 光纤光栅传感检测的技术理论及方法。这对于岩体变形检测手段的提高，减少由于岩体 变形失稳所引起的地质灾害等具有重要意义。 1 1 2 研究意义 ( 1 ) 为岩体变形检测提供新的测试手段。 岩体具有复杂的变形过程，人们也曾尝试多种检测手段进行研究，如光学方法、x 射线法、声发射等。光纤光栅传感检测方法的引入为岩体的变形检测开辟新的道路。 ( 2 ) 提高岩体变形的测试精度，更有利于灾害的预防。 光纤光栅具有较高的测试精度，可以测出微应变级的变形量，因此，可以在岩体破 坏前作出及时的响应，减少灾害的发生。 ( 3 ) 为复杂条件下大型岩土工程长期、有效的监测提供可能。 岩土工程多处于复杂条件下，易处于一定的水环境中，探头需探测水( 包括湿度) 对 岩土体力学性态的影响。同时传感器也应在水环境中保持工作稳定，即满足防水、防潮 要求。此外，在自然环境中，应能防雷击和抗电磁干扰。并且，岩土工程一般服务年限 很长，其工程介质的力学性态均具有时效影响，即应考虑其流变特性，因此，测试设备 ( 传感器) 应能保持长期稳定。 对于传统的电测传感器来说，不适于复杂环境，若作特殊防护，可作短期监测，服 务年限一般为1 2 年。而对于光纤传感器来说，可用在水下、潮湿、易燃易爆、电磁干 扰、高能辐射等环境，且传感器的服务年限一般在1 0 年以上，可以实现监测的长期耐 久性。 ( 4 ) 更有利于岩体的长距离、分布式监测。 电测传感器大于2 0 0 m 时信号传输需作前置放大；远距离传输需作中继放大。且传 感器多为单点布置，不易实现分布式。而光纤传感器无需作前置放大或中继放大，易于 作大范围联网监测。并且多点成栅技术的成熟很容易实现一根光纤上多个光栅的同时写 入，因此，通过合理的布设，容易实施岩石的多点监测。 1 2 本领域国内外发展现状 1 2 1 岩体变形破坏检测的研究发展 岩石的变形与破坏机理一直是岩石力学研究的基本问题。由于岩石本身的复杂性及 人们对其复杂多变的力学特性的认识不足，所以目前的理论与实验仍是以宏观研究为主 2 1 绪论 并己提出各式各样的数学力学模型。显然，要触及岩石变形破坏的本质，则需从其微观 破坏入手才行。 岩石在外载荷作用下的破坏，实质上是岩石中缺陷的萌生、长大、扩展和汇合的过 程【5 1 。而研究岩石中微裂纹萌生、扩展、演化到宏观裂纹形成、断裂、破坏全过程是岩 石( 体) 损伤力学的主要任务 6 1 。此项研究也越来越受到广大岩土力学工作者的重视。 岩石( 体) 损伤力学研究的主要手段是通过建立岩石( 体) 损伤本构模型和损伤演化 方程，评价岩体的损伤程度，进而评估其稳定性。d o u g i l ljw 等人首先将损伤力学引入 岩石材料 7 1 。随后，d r a g o na 等人根据断裂面的概念，研究岩石的脆塑性损伤行为，建 立了相应的连续介质模型瞵j 。k r a j c i n o v i c 运用热力学等理论对岩石类脆性材料的本构方 程问题进行了较为全面的研列u j 。 在国内，谢和平较早地从事岩石损伤力学方面的研究，他基于岩石微观断裂机理和 蠕变损伤理论的研究，把岩石蠕变大变形有限元分析和损伤结合起来，形成了岩石损伤 力学的思想体系【l 。近年来，他首次在联系岩石微观损伤与宏观断裂方面发展了分形几 何，定量描述了损伤，提出了分形损伤力学理论。但分形损伤力学在工程应用方面尚有 大量的工作要做。 对于岩石损伤本构关系的研究一直是研究的热点。k e m e n yj 等人1 1 2 】研究了共线裂纹 间的相互影响，根据裂纹体的等效应变能等于无裂纹体的应变能加上裂纹产生的附加应 变能的假设，推导了单向拉伸时的有效弹模和原始弹模，给出了损伤模型。g u r s o n 1 3 1 4 】 在m c c l i n t o c k t l 5 】等学者工作的基础上发展了一套比较完整的细观本构模型，用以描述微 孔洞损伤对材料变形行为的影响到，这是细观损伤力学的一个重大进展。卢应发等人【l 6 j 在g u r s o n 从微观到宏观的系统损伤本构理论的基础上，引入微观应变向宏观应变的转化 因子，得到了岩石损伤本构关系。王金龙等人【l7 j 由大理石破坏过程裂纹的扩展作用出发， 把裂纹引起的体积应变与基体体积应变与基体体积应变之比定义为视损伤变量，给出了 其与损伤变量之间的关系。李广平等人【l8 】提出了真三轴条件下的岩石细观损伤力学模 型，建立了岩石损伤的演化方程。李皓将金属材料中微裂纹扩展域的概念引入岩石损伤 本构模型研究中。朱建明等人给出了基于三轴压缩试验的岩石弹塑性损伤演化方程的建 立方法。刘立等人【1 9 1 通过实验研究给出了一个复合岩石损伤本构方程。 然而，对岩石( 体) 变形破坏过程的直观描述还需要通过检测手段来实现。人们也 越来越认识到对岩石( 体) 变形破坏过程检测的重要性，许多学者开展了这一方面的工 作。检测的主要手段有光学检测法、声发射法和x 射线法等。 ( 1 ) 光学检测方法 光测方法是以光的干涉原理或者直接以数字图像分析技术为基础的一类实验方法。 其中光弹性方法( 即光弹贴片法) 测量得到模型的应力分布，其他光测方法均为变形测 量方法。2 0 世纪6 0 年代激光的出现和数字图像处理技术的成熟可将光测方法分为经典光 3 西簧科技大学博士学位论天 测方法( 包括光弹、云纹等) 和现代光测方法 2 0 - 2 3 1 ( 全息t 涉、云纹十涉、散斑计鼍以及数 宁散斑桐火和数字图像分析等) 。光学显微镜和扫描电镜方法属于数字图像分析的范畴。 1 9 8 6 年，许江等人1 2 4j 采用带有加载装置的光学硅微镜对砂岩完成了不刚加载阶段的 裂纹损伤分析。另外，n o l e n h o e k s e m a 等人也利川t 光学显微镜进行了岩石裂纹发育的观 测。1 9 9 0 、1 9 9 3 年，卢应发1 2 3 1 、张梅英等人1 2 6 完成了人理岩静态和循环倚裁试件的电镜 分析。1 9 9 2 年，凌建明等人【27 j 用扫描电镜进行了不同类型岩石材料的实时力载观测，建 赢了脆性岩石细观损伤模型。1 9 9 4 年，余拱信等人i 弱j 采用伞息干涉法对岩石的裂隙变形 过程进行监测。1 9 9 5 年，赵永红| 2 圳对大理岩受单轴压缩时裂纹随外载增加时的变化过程 进行了扫描电镜实时观测研究。另外，张梅英等人 o j 在1 9 9 8 年利用带有最大荷载为 2 0 0 0 n 的台钳式加妪装胃的s - 5 7 0 手5 描电镜完成了单轴压缩过程巾岩石变形破坏机理的 研究。叫年，吴。：新等人pj j 完成了煤岩损伤扩展规律的实时压缩电镜研究。2 0 0 0 年，刘 冬梅等人采用显微观测法和舣曝光全息十涉法研究了单轴胍力作用下岩石损伤特征，得 出了变质砂岩变形与损伤演化的关系1 3 2 。f 司年，巫静波、谢和平等人【33 j 采用光弹实验的 方法研究了岩石节理剪切的力学特性。2 0 0 2 年，谢锦i f 等人1 3 4 l 采用全息：次曝光法分析 了岩石侧向受压形变规律。2 0 0 5 年，刘传孝通过m t s 系统、j = 1 描电镜和光学电了显微镜 等岩石力学实验研究，抽象m 砂岩伞应力应变实验曲线的3 种典型形态，从断裂损伤 角度探讨了岩石节理裂隙微观、细观和宏观破坏的机理联系【35 1 。全息十涉法检测岩石裂 纹扩展如图1 1 所示”6 i 。 图1 1 岩f i 压剪过程的全息f 涉幽 上述研究有力地推动了岩石变形破坏检测技术的发展，为岩石破坏机理的研究起到 了积极的作用。但客观地讲，带有微型加载装置的光学显微镜和j = _ 描电镜的岩石损伤榆 测也有其不足之处，凶试件太j 、卸载、切片扰动、单观测断面、单轴加载及加载能 力的限制等冈素的影响，降低了试验结果的确定性和町靠性，另一方面，这种细观试验 的力学机制也不很明确。 全息十涉测量的位移测量灵敏度很高，为所用激光波长的一半。但此方法需要在暗 审中进行，需要复杂的隔振装置，需要用照相1 二版i 己录测量结果，冈此只能记录变形破 坏过程中的两个状态。l 扣于测量灵敏度固定，其测量范围也受到限制。这螳局限性都给 4 1 绪论 其在岩石力学实验中的应用带来一定困难。 ( 2 ) c t 检测岩石变形破坏进展 c t 技术首先在医学诊断方面得到应用，2 0 世纪7 0 年代末期逐步推广到检测各种金属 材料和非金属材料、合成材料、混凝土和冰体结构的研究。8 0 年代后期，c t 技术被用来 观察岩石的内部结构。 c t 技术是通过计算机图像重建，使指定层面上不同密度的材料信息以高分辨率的数 字图像显示出来。因为c t 检测具有可以多层面扫描、可采用国际标准圆柱形试件、无损 检测等优点而受到国内外岩土力学界的广泛关注【3 7 5 0 1 。c t 技术作为一种无损伤检测技 术，对分析加载过程中岩石的破裂动态特征具有特别的优越性。 1 9 8 9 年，黄树华介绍了日本京都大学寺田等人用自制的x 射线c t 装置开展岩石断裂 损伤力学研究的情况【5 1 1 ，他们的工作具有创新性，但在图像重建等方面尚有许多不足， 且忽略了弹性波的折射和波速的不均一性。杨更社等人在国内最早应用医用x 射线c t 机 重点对岩石的初始损伤特性进行了研究【5 2 5 1 ，给出了用c t 数表示的岩石损伤变量公式， 并对单轴压缩荷载作用下砂岩损伤扩展机理进行了c t 实时初步试验研究( 1 个煤岩试件 和1 个页岩试件) ，同时，他们研究了三轴压缩下有预制裂纹的岩石的损伤扩展特性， 其研究方法是，先在岩石力学刚性试验机上对岩石试件进行人工预致损( 致损的方法是， 将试件加荷到峰值强度的3 7 和6 l 后卸载) ，然后将试件放在c t 机上进行扫描试验， 这些工作是岩石损伤检测技术的重要进展。任建喜和葛修润【6 ，5 6 j 也较早地开展了单轴压 缩岩石细观破裂机制的研究。v e r h e l s t 等人【5 1 7 】( 1 9 9 5 年) 利用x 射线c t 机研究了岩样的 微裂缝和不均一结构。k a w a k a t ah 等人1 5 8 】( 19 9 7 年) 用x 射线c t 机研究tw e s t e r l y 花岗 岩在三轴压缩时的损伤扩展特性。r a y n a u d ，f a b r ea n dm a z e r o l l e ( 1 9 8 9 ) ，f a b r e ，m a z e r o l l e 和r a y n a u d ( 1 9 8 9 ) ，v i n e g a r d ，d ew a a l 和w e l l i n g t o n ( 1 9 9 1 ) 等人利用c t 机研究轴对称荷 载的岩石，研究显示初始非均匀性性和局部密度变化是由岩石内部破坏机理引起的。 t a n i ( 1 9 9 7 ) 用来研究岩石材料的变形和破坏。2 0 0 5 年，郑孝军等人1 5 9 1 对裂隙岩石裂纹扩 展规律进行了细观c t 试验，对含有单一裂纹的贵溪红砂岩在单轴疲劳荷载作用下的损伤 扩展机理和演化过程进行了初步的试验研究，结果表明，含有预制裂纹的红砂岩的损伤 演化和裂纹的扩展受到预制裂纹的影响，破坏裂纹从预制裂纹尖端起裂，并且最终破坏 发生于含有最大预制裂纹的层面。2 0 0 8 年，赵阳升等人【6 0 l 使用了新研究的非医学c t 机 对花岗岩进行了热破裂的细观研究，得出了热作用下，随温度升高，花岗岩的热破裂逐 渐演化与发展规律，在5 0 0 时x y 平面不同层位的扫描图如图1 2 所示。 由以上c t 在岩石检测方面的发展可知，x 射线岩石c t 研究是实验岩石力学的热点课 题，发展历史虽短，但已取得多方面的成果。但总的来说，c t 检测方法还有以下的缺点 【6 l 】： 如何获取精确的岩石c t 图像，包括改进与c t 设备配套的岩石力学实验设备，减 5 西安科技大学博士学位论文 小图像噪音； 如何获得多利，岩性、多种试验条件卜的c t 图像，并与野外岩体稳定性分析或地 震预报的背景进行吻合； c t 物理原理的进1 步研究，目的在于如何从c t 数变化获得相天部位更加精确的 密度变化信息； 岩石c t 成果的应用研究，包括三维图像重建、裂纹三维空间状态的表达方式及 随应力变化的演化方式。 前三方面属于c t 理论与技术本身j 、u j 题，第四方面涉及岩石c t 成果的应用。 ( a ) 第3 0 0 层( b ) 第5 0 0 层( c ) 第7 0 0 三-( d ) 第9 0 0 层 图1 25 0 0 。c 时花岗岩的c t 扫捕图 ( 3 ) 岩石变形破坏的声发射检测方法 所谓卢发射( a c o u t s i ce m i s s i o n ，简称a e ) ，是指材料或结构在受力变形或破坏过程 中以弹性波的形式释放其应变能的现象1 6 2j 。大多数材料的声发射信号都很微弱，人耳一 般很难辨别出来，因而需要借助丁灵敏的电子仪器加以监测。用声发射仪监测和分析声 发射信号并利用声发射信号推断材料和结构内部性质变化的技术就称之为声发射技术。 卢发射技术的发展已有几十年的历史，在困内外，均受到人们的普遍重视。困外早期主 要将该技术用于金属矿山、煤矿及隧道j ：程的安全性i 、u j 题，后来随着技术的完善，研究 应用扩入到边坡稳定，岩爆及室内材料的脆性研究，声发射技术也从原米的采矿工业扩 大到石油、地质、地震、水利、上建、国防、机械等部门。 1 9 2 3 年，霍奇森就提出利崩亚声噪卢来预报地震。然而，人们真i f 丌始研究这一现 象却是近几十年的事。1 9 3 7 年美国矿l 【1 局局长杰克逊提出研究咳现象的建议，奥伯特 ( o b e r t ) 和杜瓦尔( d u v a l l ) 在一些不深的矿山进行了研究，借助于放人器检测到了声 发射，并于1 9 4 0 年存阿米克铜矿观测到爆发性声发射，预报了岩爆的来临。从此以后， 声发射技术发展迅速。在理论方面，自1 9 5 0 年德国科学家凯塞( k a i s e r ) 发现凯塞效应【6 3 1 ( k a i s e re f f e c t i o n ) 以来，人们埘声发射现象的本质也进行了许多研究。典型的如门本的 懒户政宏等人系统地研究岩石、类岩石材料在单轴压缩，弯曲应力， 立伸应力，受f l i 压 等情况下试件的声发射特征，发表了许多的研究成果。同时他 f j x , y 4r j ) t _ j 凯塞效应测定地 j 、v 力的理论和实践也进行了有益的尝试。 6 1 绪论 i ii 暑置萱皇i i i i i | i 暑i 暑告宣宣宣暑暑宣皇_ 我国对声发射技术的研究起始于2 0 世纪7 0 年代，其特点是首先着眼于便携式声发射 仪的现场应用。李典文、杜增林等人于1 9 8 1 1 9 8 4 年分别在北京矿务局门头沟矿和开滦 矿务局的唐山矿利用波兰s a k 一3 和s y l o k 声发射监测系统对冲击地压进行研究，并多 次成功预报了冲击地压的来临。8 0 年代，随电子元件集成化和计算机技术的发展，国内 声发射仪的研制发展也很快。2 0 0 4 年，李庶林等人【叫在刚性试验机上，对单轴受压岩石 破坏全过程进行声发射试验，得到了岩石破坏全过程力学特征和声发射特征，应力、应 变与声发射的关系。 理论上国内一些学者也做了有益的研究，陈忠辉、唐春安等人1 6 习对三维应力状态下 岩石快速加卸围压对声发射的影响进行了理论探讨，他们还利用统计损伤模型对岩石声 发射凯塞效应机制进行研究，建立了声发射数和岩石微元强度统计分布之间的定量关 系，推导出了单轴应力状态下的凯塞效应表达式。吴刚、赵震洋【6 6 对不同应力状态下岩 石类材料破坏的声发射特性进行了研究，揭示了在工程卸荷作用下岩石类材料的声发射 特性。曹庆林【6 7 1 傅鹤林6 8 】唐绍辉f 6 9 】分别对采场冒顶灾害的声发射预测预报理论进行了 研究，提出用灰色理论、分形理论研究采场冒顶灾害，并用之于现场，取得了较好的效 果。 声发射技术在岩土工程中的应用无疑是行之有效的，但也存在一些问题。岩石声发 射技术是理论研究落后于工程实际的少数学科之一。在仪器方面，由于地下空间环境条 件的恶劣，经常使得仪器的性能不稳定，同时，环境噪音也易使仪器对声发射信号的判 别失真。在对岩体声发射信息的利用方面，还很不完善，没有利用声发射的全部信息。 所以说，声发射信号波形的识别技术有待进一步发展。 ( 4 ) 电磁辐射法 岩石电磁辐射的研究是从地震工作者发生震前电磁异常后开始的。所谓的电磁辐射 现象是指在外力的作用下，岩体产生变形破裂，并产生电磁辐射等一系列的能量释放现 象。通过对电磁辐射信号的监测，可以有效预测预报煤岩破裂后引起的煤岩动力灾害现 象。我国和前苏联是开展电磁辐射研究较早的国家，日本、希腊、美国、瑞典、德国等 也开展了这方面的研刭7 0 ，7 1 j 。 1 9 5 3 年，b o n a p o a n q 和h a p x m e r l r o 用实验方法记录和研究了花岗岩、片麻岩和脉石 英的压电现象，并记录到了光发射，这是最早关于岩石电磁辐射的报道。1 9 7 7 年和1 9 8 5 年，n i t s a n t 7 2 1 、徐为民【7 3 】也报道了实验室岩石压电效应的研究成果。他们的实验证明， 伴随着含石英和其他硬压电材料的破裂，会产生无线电频段的电磁辐射。 煤、泥岩和砂岩等强度较低岩石的电磁辐射特性及其应用研究是从2 0 世纪8 0 年代 末、9 0 年代初开始的。1 9 9 5 年，中国矿业大学的何学秋等人【7 4 j 研究了含瓦斯煤岩的电磁 辐射，结果表明，煤、泥岩、砂岩等强度较低强度岩石在变形破裂时均有电磁辐射产生。 在煤岩体的受载方式上，初期主要是研究单轴压缩状态下煤岩体变形破裂时的电磁 7 西安科技大学博士学位论文 辐射效应及其特征，后期扩展到了摩擦、拉伸、剪切、蠕变、应力松弛及冲击时的电磁 辐射效应及特征研究。1 9 9 8 年，王恩元等人【7 5 j 研究了煤岩变形及破裂电磁辐射信号的刚s 统计规律。2 0 0 1 年，窦林名等人【_ 7 6 】研究了由煤岩变形冲击破坏所产生的电磁辐射。2 0 0 3 年，何学秋等人【_ ，7 】研究了煤岩流变电磁动力学，取得了一定的成果。2 0 0 5 年，王恩元等 人【| 7 8 1 研究了煤矿过程中煤岩体电磁辐射特征。以上的研究结果表明，单轴拉伸、剪切时 的电磁辐射主要集中在断裂时，摩擦和应力松弛时的电磁辐射主要功能集中在变形破裂 过程较为强烈的加速蠕变阶段，冲击时电磁辐射呈现出单脉冲型。 在应用方面，主要集中于借助该方法预测煤与瓦斯突出、冲击地压以及在评估隧道 稳定性等方面。 尽管煤岩、混凝土电磁辐射的研究方面已经取得了较多的理论、技术及应用成果， 但电磁辐射的基础理论及应用研究总体上处于起步或初步应用阶段，仍有许多问题需待 解决。例如，煤岩体所产生的电磁辐射信号非常微弱，因此，极易受到外界干扰，影响 测试效果；至今还无法实现定位监测和定量预报；对电磁辐射产生的机制、传播的影响 因素等至今都没有完全搞清楚等。因此，该方法还需要进一步的发展才能得到广泛的应 用。 ( 5 ) 红外检测法 随着红外遥感技术在岩石力学中的应用，许多学者通过红外热像仪研究了岩石变形 破坏过程中的红外辐射特点。1 9 8 6 年，b r o d y 和r o w e l l t 7 9 j 最先报道了实验室条件下岩石 破裂时发生的包括可见光和近红外波段的电磁辐射现象。l u o n g 即】从1 9 8 5 年开始进行了 一系列的岩石破裂过程中的红外辐射现象的观测研究，并把内部损伤所引起的热能作为 研究的参数，从作用过程的力热耦合出发，分析了损伤过程和破坏机理。1 9 9 7 年张东 胜和安里千等人【8 1 】进一步将光弹实验和红外辐射探测联系起来，对红外辐射的定量分析 进行了初步探讨。近2 0 年来，国内外多位学者详细研究了岩石在各种载荷下的红外辐射 规律。吴立新等人【8 2 ，s 3 】还提出了遥感岩石力学的概念。这些研究极大地推动了红外热像 仪在岩石红外辐射探测技术中的应用和发展。 红外热像仪探测的是物体表面的红外辐射强度变化，对于红外辐射频谱变化则无法 探测。从理论上看，不同损伤机理所导致的红外辐射具有不同的频谱特征，会存在一个 与之相应的特征谱；而且在红外辐射强度相同的条件下，红外辐射频谱可能是不同的。 这种不同将有助于判断岩石的红外辐射变化是来自于应力的变化还是来自于环境温度 的变化或是其他原因，进而分析出岩石的损伤机理，并解释红外辐射导致的能量耗散机 理。因此如何进一步研究岩石在损伤过程中的红外辐射频谱变化是岩石红外辐射研究必 须考虑的问题。这需要研发相应的红外频谱仪，标定岩石的红外辐射特征谱以及应用傅 立叶变化、小波变换等对岩石损伤过程的红外辐射谱进行分析瞰】。 8 1 绪论 1 2 2 光纤光栅传感技术的国内外发展现状及趋势 光纤传感技术作为现代通信的产物，是随着光纤及通信技术的发展而逐步发展起来 的一门崭新技术。而光纤光栅传感技术作为光纤传感技术的一种，由于其独特的优点而 被越来越广泛地应用。 光纤光栅传感器的工作原理是直接或借助某种装置将被测量的变化转化为光纤光 栅上的应变或温度变化，从而引起光纤光栅b r a g g q 心波长的变化，通过建立并标定光 纤光栅中心波长的变化与被测量的关系，就可以由光栅中心波长的变化计算出被测量的 值。 世界上第一根光纤光栅诞生于1 9 7 8 年，由加拿大的h i l l 等人【8 5 】在实验室中制作出。 1 9 8 9 年美国的m e l t z 等人惭】发明了的光纤光栅的紫外侧写入技术。随后，1 9 9 3 年h i l l 8 7 j 与l e m a i r e t 髂】分别提出相位掩模成栅技术和低温高压载氢技术。这两项技术相结合极大 地降低了光纤光栅的制作成本与容易程度，从而在世界各地掀起了基于光纤光栅应用研 究的热潮。自从1 9 8 9 年美 i 拘m o r e y i s 9 】等人首次进行光纤光栅的应变与温度传感研究以 来，世界各国都对其十分