基于套芯應(yīng)力解除法的空心包體孔壁應(yīng)變儀是工程實(shí)踐中使用最廣泛的地應(yīng)力測量儀器之一,傳統(tǒng)空心包體孔壁應(yīng)變計(jì)是基于電阻式應(yīng)變傳感器的孔壁應(yīng)變測量儀器,依然存在測量點(diǎn)少、易受到環(huán)境因素影響等不足。本文參考傳統(tǒng)空心包體孔壁應(yīng)變計(jì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)出一種新型準(zhǔn)分布式光纖光柵三維孔壁應(yīng)變計(jì),應(yīng)變計(jì)使用光柵應(yīng)變傳感器作為應(yīng)變測量元件,將26個(gè)光柵傳感器按照雙區(qū)域準(zhǔn)分布纏繞的方法安裝到應(yīng)變計(jì)表面,提高了孔壁應(yīng)變測量精度,實(shí)現(xiàn)了孔壁應(yīng)變的準(zhǔn)分布式測量。本文推導(dǎo)了與應(yīng)變計(jì)光柵布設(shè)方案匹配的地應(yīng)力反演方程,并設(shè)計(jì)出一種應(yīng)力反演優(yōu)化算法,通過多次剔除殘差絕對(duì)值異常的光柵測量數(shù)據(jù)減少測量中光柵應(yīng)變測量異常值對(duì)反演應(yīng)力結(jié)果的影響。此外,通過光柵應(yīng)變傳感器標(biāo)定試驗(yàn)確定了光柵應(yīng)變傳感器測量波長變化與光柵應(yīng)變的線性關(guān)系（1000με以內(nèi)）,并反演出光柵應(yīng)變傳感器測量波長數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為應(yīng)變值所需的彈光系數(shù)P_α=0.4369。為了分析應(yīng)變計(jì)在實(shí)際應(yīng)力測量中的可行性,研究使用Abaqus數(shù)值模擬軟件模擬了σ₁、σ₂、σ₃分別為10MPa、5MPa、3M... 

【文章來源】：中國地質(zhì)大學(xué)(北京)北京市 211工程院校 教育部直屬院校

【文章頁數(shù)】：80 頁

【學(xué)位級(jí)別】：碩士

【部分圖文】：

準(zhǔn)分布式光纖光柵三維孔壁應(yīng)變計(jì)研究技術(shù)路線圖

9第2章準(zhǔn)分布式光纖光柵三維孔壁應(yīng)變計(jì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)2.1應(yīng)變計(jì)主體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)2.1.1應(yīng)變計(jì)結(jié)構(gòu)組成參考傳統(tǒng)空心包體孔壁應(yīng)變計(jì)的主體結(jié)構(gòu)，采用AutoCAD和SolidWorks對(duì)準(zhǔn)分布式光纖光柵三維孔壁應(yīng)變計(jì)的結(jié)構(gòu)和尺寸進(jìn)行設(shè)計(jì)，圖2-1為應(yīng)變計(jì)的三維示意圖。圖2-1準(zhǔn)分布式光纖光柵三維孔壁應(yīng)變計(jì)實(shí)體示意圖應(yīng)變儀主體結(jié)構(gòu)由空心包體殼體和活塞導(dǎo)向部分兩部分組成（如圖2-2所示），安裝前，活塞導(dǎo)向部分的尾部小段插入空心包體殼體內(nèi)，空心包體殼體內(nèi)部膠室10裝填有調(diào)制好的環(huán)氧樹脂膠結(jié)劑，活塞與殼體之間通過一個(gè)貫穿銷釘孔11的鋁絲相連。1傳感光纖2定位銷3安裝桿4粘結(jié)劑擋圈5穿線孔6導(dǎo)線槽7殼體基體8環(huán)氧樹脂包體9光纖光柵應(yīng)變傳感組件10膠室11銷釘孔12活塞桿13出膠孔14導(dǎo)向器圖2-2FBG孔壁應(yīng)變計(jì)結(jié)構(gòu)示意圖

10活塞導(dǎo)向部分主體使用3D打印制成，端部是為了便于應(yīng)變計(jì)置入鉆孔而設(shè)計(jì)的錐形導(dǎo)向器14，活塞內(nèi)部中央有一條中空通道，通道與徑向均勻分布的6個(gè)出膠孔13連通，出膠孔下方為2片粘結(jié)劑擋圈4；空心包體殼體是光纖光柵傳感器的承載部分，采用三層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)（如圖2-3所示），內(nèi)層為通過3D打印制成的基體，內(nèi)部中空，是用來存儲(chǔ)環(huán)氧樹脂膠結(jié)劑的膠室10，室內(nèi)臨近尾端設(shè)置有4個(gè)徑向分布的連通內(nèi)部外部的穿線孔5，光纖的通過導(dǎo)線槽6，穿過這四個(gè)孔接入空心包體殼體內(nèi)部，并封裝起來從空心包體殼體尾部引出（部件1）接入光柵波長解調(diào)儀。第二層為套在空心包體殼體基體上的一層0.5mm厚度的PVC變形管，其上布置粘貼光纖光柵傳感陣列9，測量段變形管與基體之間留有2mm的空隙，其作用是排除硬度較高的基體對(duì)環(huán)氧樹脂的干擾。最外層封裝有的環(huán)氧樹脂包體8，用以保護(hù)光柵，同時(shí)起到應(yīng)變耦合的作用。與活塞導(dǎo)向部分相同，空心包體殼體尾部設(shè)有兩片粘結(jié)劑密封圈。膠室中充填的粘結(jié)劑為制作環(huán)氧樹脂包體使用的未凝固的液態(tài)環(huán)氧樹脂材料。圖2-3空心包體殼體三層結(jié)構(gòu)示意圖2.1.2空心包體應(yīng)變計(jì)測量原理蓄存在地下的巖石受到地應(yīng)力的作用，當(dāng)巖石從母巖脫離，巖石上所受到的應(yīng)力便會(huì)消失并產(chǎn)生變形，這就是應(yīng)力解除的過程，這個(gè)過程中巖石的變形可以在一定程度上反映出之前巖體所處地應(yīng)力的情況。套芯解除法通過套孔的方法，解除巖芯上的應(yīng)力作用，并測量巖芯孔壁上特定位置和方向上的應(yīng)變，根據(jù)這些應(yīng)變數(shù)據(jù)反演地應(yīng)力大小與方向。

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