光频域反射技术(OFDR)使得分布式光纤传感技术在岩石室内试验具有极大的优势,相较于传统应变片能捕捉更大范围的应变信息,相较于DIC(数字图像相关法)需求的外部环境有着更低和更为简单的后处理过程。

OSI-S 优势

OSI-S是基于光频域反射技术的高精度分布式光纤传感系统,其空间分辨率最小可达1mm,应变测量精度为±1με,满足岩石室内试验应变测量精度。高精度分布式光纤传感系统在岩石室内试验的应用有助拓展测试技术,为研究更复杂的科研问题提供基础。

试验样品为直径为68.7mm的砂岩,解调设备为OSI-S,传感器采用直径为125μm的聚酰亚胺光纤,“水平+螺旋”缠绕光纤的布设方案可以实现对试样环向应变和竖向应变的测量。由于试验过程室内温度较为稳定,因此无需加设温度补偿光纤。

光纤测值和应变片测值的对比
图1. OSI-S高精度分布式光纤传感系统

应变测量光纤通过环氧树脂胶水粘贴在岩石试样表面,并在光纤附近位置布设应变片,布置方案和过程如图2所示。对布设好光纤后的样品进行单轴压缩加载,一共进行25级加载,每级压力增大2MPa,最大压力为50MPa,每次加载采集了光纤的应变测值和应变片的应变测值。

光纤测值和应变片测值的对比
图2. 应变光纤在砂岩试样上的布设示意图

如图3所示,在砂岩单轴压缩加载过程中,使用OSI-S设备采集了光纤的应变测值,与传统应变片的应变测值结果基本吻合,说明分布式光纤测量应变的准确性。

光纤测值和应变片测值的对比
图3. 光纤测值和应变片测值的对比

如图4所示,光纤测值提供砂岩表面应变场的分布情况,可以了解加载时应变集中区的发展状况。

25级加载光纤测量应变值
图4. 25级加载光纤测量应变值

如图5所示,砂岩表面形态破坏在95%~100%时光纤会产生应变,利用光纤产生的应变值大小可以有效判断裂纹区域大小,捕捉裂纹开裂的时序,测量得出的结论和实际裂纹破坏形态一致。

砂岩表面应变集中分布与最终破坏形态的对比
图5. 砂岩表面应变集中分布与最终破坏形态的对比(展开图)

根据光纤、环氧树脂层与砂岩三者的应变传递理论,对砂岩加载过程产生的微裂缝宽度进行量化分析,开裂宽度随加载水平的变化情况如图6所示。

砂岩表面微裂缝宽度发展
图6. 砂岩表面微裂缝宽度发展

基于OFDR的分布式光纤传感技术可实现对单轴压缩岩石试样全局应变场的实时准确测量,根据仪器测得的应变值和应变场的发展规律,预测岩石潜在的破坏位置和破坏时序,判断初期裂缝开裂宽度及发展规律,为岩石室内试验提供了一种新的可靠测量技术。


除了单轴压缩试验,更多的应用场景值得进一步研究。


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