光頻域反射技術(shù)（OFDR）使得分布式光纖傳感技術(shù)在巖石室內(nèi)試驗(yàn)具有極大的優(yōu)勢(shì)，相較于傳統(tǒng)應(yīng)變片能捕捉更大范圍的應(yīng)變信息，相較于DIC（數(shù)字圖像相關(guān)法）需求的外部環(huán)境有著更低和更為簡(jiǎn)單的后處理過(guò)程。
OSI-S 優(yōu)勢(shì)
OSI-S是基于光頻域反射技術(shù)的高精度分布式光纖傳感系統(tǒng)，其空間分辨率最小可達(dá)1mm，應(yīng)變測(cè)量精度為±1με，滿(mǎn)足巖石室內(nèi)試驗(yàn)應(yīng)變測(cè)量精度。高精度分布式光纖傳感系統(tǒng)在巖石室內(nèi)試驗(yàn)的應(yīng)用有助拓展測(cè)試技術(shù)，為研究更復(fù)雜的科研問(wèn)題提供基礎(chǔ)。
試驗(yàn)樣品為直徑為68.7mm的砂巖，解調(diào)設(shè)備為OSI-S，傳感器采用直徑為125μm的聚酰亞胺光纖，“水平+螺旋”纏繞光纖的布設(shè)方案可以實(shí)現(xiàn)對(duì)試樣環(huán)向應(yīng)變和豎向應(yīng)變的測(cè)量。由于試驗(yàn)過(guò)程室內(nèi)溫度較為穩(wěn)定，因此無(wú)需加設(shè)溫度補(bǔ)償光纖。
圖1. OSI-S高精度分布式光纖傳感系統(tǒng)
應(yīng)變測(cè)量光纖通過(guò)環(huán)氧樹(shù)脂膠水粘貼在巖石試樣表面，并在光纖附近位置布設(shè)應(yīng)變片，布置方案和過(guò)程如圖2所示。對(duì)布設(shè)好光纖后的樣品進(jìn)行單軸壓縮加載，一共進(jìn)行25級(jí)加載，每級(jí)壓力增大2MPa，最大壓力為50MPa，每次加載采集了光纖的應(yīng)變測(cè)值和應(yīng)變片的應(yīng)變測(cè)值。
圖2. 應(yīng)變光纖在砂巖試樣上的布設(shè)示意圖
如圖3所示，在砂巖單軸壓縮加載過(guò)程中，使用OSI-S設(shè)備采集了光纖的應(yīng)變測(cè)值，與傳統(tǒng)應(yīng)變片的應(yīng)變測(cè)值結(jié)果基本吻合，說(shuō)明分布式光纖測(cè)量應(yīng)變的準(zhǔn)確性。
圖3. 光纖測(cè)值和應(yīng)變片測(cè)值的對(duì)比
如圖4所示，光纖測(cè)值提供砂巖表面應(yīng)變場(chǎng)的分布情況，可以了解加載時(shí)應(yīng)變集中區(qū)的發(fā)展?fàn)顩r。
圖4. 25級(jí)加載光纖測(cè)量應(yīng)變值
如圖5所示，砂巖表面形態(tài)破壞在95%~100%時(shí)光纖會(huì)產(chǎn)生應(yīng)變，利用光纖產(chǎn)生的應(yīng)變值大小可以有效判斷裂紋區(qū)域大小，捕捉裂紋開(kāi)裂的時(shí)序，測(cè)量得出的結(jié)論和實(shí)際裂紋破壞形態(tài)一致。
圖5. 砂巖表面應(yīng)變集中分布與最終破壞形態(tài)的對(duì)比（展開(kāi)圖）
根據(jù)光纖、環(huán)氧樹(shù)脂層與砂巖三者的應(yīng)變傳遞理論，對(duì)砂巖加載過(guò)程產(chǎn)生的微裂縫寬度進(jìn)行量化分析，開(kāi)裂寬度隨加載水平的變化情況如圖6所示。
圖6. 砂巖表面微裂縫寬度發(fā)展
除了單軸壓縮試驗(yàn)，更多的應(yīng)用場(chǎng)景值得進(jìn)一步研究。
