[发明专利]一种光纤光栅地应力的获取方法

摘要

本发明公开了一种光纤光栅地应力的获取方法，在受力杆杆身上沿轴向微错距布置、沿横截面中心对称布置三组光纤布拉格光栅组粘贴点，把受力杆安装在钻孔中，借助套钻设备对粘贴点处侧壁围岩套钻环形槽来解除围岩应力，计算机系统得到光栅中心波长漂移量后进行处理以得到轴向应变量，并根据钻孔局部壁面应力解除法理论得到大地坐标系下围岩地应力分量。本发明的优点有：方法便于实现，所需岩芯较短，降低了测量的取岩芯工艺难度；能快速准确地提供地应力测量数据，通过计算机系统能进行自动化信息处理；采用全光测量和光纤传输，能避免复杂恶劣环境及电磁干扰的影响；测量端无需供电，且由于不存在电信号和电子器件，能保证现场的安全。

主权项

1.一种光纤光栅地应力的获取方法，其特征在于，包括如下步骤： a、在受力杆(9)的杆身沿轴向横截面中心布置3组互成120°角、轴向错距为D的三个光纤布拉格光栅组粘贴点(A、B、C)； b、在每个粘贴点中固定至少一组沿钻杆(9)径向分布、角度α为0°、45°、90°的三个沿角轴向应变的光纤布拉格光栅组(2)； c、用钻孔机在地下围岩(1)的巷道壁施工一水平钻孔(8)，孔径与受力杆(9)直径相同，用推进杆(5)将受力杆(9)安装于水平钻孔(8)中，布置在受力杆(9)上的光纤布拉格光栅组(2)的光纤接头(7)引出水平钻孔(8)的外部并与光纤(10)连接，推进杆(5)通过孔口支撑架(6)固定，光纤(10)接入光纤光栅解调仪(11)，光纤布拉格光栅组(2)产生应变后，光纤光栅解调仪(11)将解调后信号传输至计算机系统(12)，得到3组光纤布拉格光栅组(2)的中心波长漂移量数据； d、借助套钻设备对光纤布拉格光栅组(2)处侧壁围岩套钻环形槽(3)，使套钻环形槽(3)内的岩芯(4)与周围岩体分离从而解除围岩应力； e、对轴向应变光栅的中心波长漂移量数据进行如下处理以得到轴向应变量： 式中，i表示第i组粘贴点，i＝1、2、3，分别表示三个光纤布拉格光栅组粘贴点A、B、C；j表示粘贴点中第j个轴向位移光栅，j＝1、2、3，分别表示每组粘贴点的角度α为0°、45°、90°三个角轴向应变光栅；及ε_ij分别为第i组第j个轴向应变光栅的中心波长漂移量、轴向应变光栅的初始中心波长和轴向应变光栅的轴向应变量，K_ε为光纤光栅光弹效应下波长漂移轴向灵敏度系数；f、得到轴向应变量后，定义钻孔坐标系oxyz与大地坐标系OXYZ，根据钻孔局部壁面应力解除法理论得到孔壁上某一方向的轴向应变与大地坐标系下围岩地应力分量之间的关系： ε_ij＝[0，cos²θ_j，sin²θ_j，sinθ_jcosθ_j，0，0]·[T_rθz][C][F][T_σ][σ₀]_XYZ式中，θ_j为第j个轴向应变光栅与受力杆径向的夹角，[T_rθz]为孔边应变在圆柱坐标系与大地坐标系间的变换矩阵，[C]为各向同性线弹性岩体本构矩阵，[F]为钻孔围岩的远场地应力分量矩阵与孔边应力分量矩阵间的变换矩阵，[T_σ]为大地坐标系下远场围岩地应力分量矩阵与钻孔坐标系下远场围岩地应力分量矩阵间的变换矩阵，[σ₀]_XYZ为大地坐标系下围岩地应力分量矩阵； g、对轴向应变量进行计算处理，得到大地坐标系下围岩地应力为： 式中，σ_X、σ_Y、σ_Z为大地坐标系下的三维地应力，其中σ_Z为垂直地应力，σ_X、σ_Y为水平地应力。