趙 雨 于長(zhǎng)一 徐 穎

(1.天津大學(xué) 建筑工程學(xué)院, 天津 300354;2.中交天津港灣工程研究院有限公司, 天津 300222;3.中交第一航務(wù)工程局有限公司,天津 300461;4.天津市港口巖土工程技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,天津 300222)

在水壩、核電站、隧道等巖石工程中,施工期間的開挖以及運(yùn)營(yíng)期間的工程震動(dòng)等會(huì)改變圍巖或者工程結(jié)構(gòu)的局部應(yīng)力或位移場(chǎng),若設(shè)計(jì)或施工不當(dāng),可能會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重的工程事故[1-2].因此,掌握施工期和運(yùn)營(yíng)期間的實(shí)時(shí)位移場(chǎng),并根據(jù)需要對(duì)現(xiàn)場(chǎng)支護(hù)進(jìn)行及時(shí)優(yōu)化處理,是確保工程安全的重要手段.光纖光柵傳感技術(shù)因其體積小、低損耗、靈敏度高、抗電磁干擾、絕緣、防水、防潮、能夠遠(yuǎn)距離傳輸、易于實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)分布式測(cè)量等優(yōu)點(diǎn)[3-4],在各種工程中運(yùn)用越來越廣泛[4-6].光纖光柵傳感器可同時(shí)獲取高空間、高時(shí)間分辨率情況下巖體變形情況,尤其可以捕捉到爆破、地震等瞬態(tài)載荷下地下工程結(jié)構(gòu)響應(yīng),提供準(zhǔn)確的結(jié)構(gòu)應(yīng)變數(shù)據(jù),為科學(xué)研究和工程設(shè)計(jì)提供參考.

在水利水電工程中,為避免混凝土、巖體大變形對(duì)工程結(jié)構(gòu)造成不可挽回的損傷,必須對(duì)其結(jié)構(gòu)應(yīng)變進(jìn)行實(shí)時(shí)精準(zhǔn)捕捉,這就對(duì)傳感器的精度和安裝要求較高.傳統(tǒng)的傳感器精度很難達(dá)到要求且難以反映巖體內(nèi)部的變形情況[7].對(duì)于光纖傳感器而言,在工程使用中為附有保護(hù)層,光纖在受力變形過程中,外部變形傳遞給光纖保護(hù)層,光纖保護(hù)層把應(yīng)變傳遞給光纖,這樣必然會(huì)有應(yīng)變“損失”[8].光纖儀器通過解讀“損失”后的光譜數(shù)據(jù),得到光纖應(yīng)變,該應(yīng)變并不能真正反映巖體或者其他外部材料的應(yīng)變.因此為提高光纖傳感器的測(cè)量精度,必須提高傳感器的應(yīng)變傳遞精確度.關(guān)于光纖布拉格光柵(fibre bragg grating,FBG)傳感器傳遞應(yīng)變問題,主要分為表面粘貼式和埋入式(植入式)[9].其中表面粘貼式已經(jīng)取得豐富的成果,如梁磊等[10]采用有限元方法研究了粘貼層厚度對(duì)粘貼效果的影響.田石柱等[8]在組合梁表面粘貼FBG 傳感器,通過實(shí)驗(yàn)確定了粘貼層彈性模量、厚度、光纖長(zhǎng)度對(duì)應(yīng)變傳遞的影響.吳入軍等[11]針對(duì)粘貼式FBG 傳感器,考慮基體和傳感器的耦合作用,提出一種新的應(yīng)變傳遞方程,FEM 模擬和實(shí)驗(yàn)吻合的較好.目前埋入式FBG 的應(yīng)變傳遞規(guī)律[12-15]及應(yīng)用[16-17]均取得一定成果,但是采用FBG 傳感器直接測(cè)量混凝土、巖石內(nèi)部應(yīng)變的方法鮮有研究.

針對(duì)上述問題,本文提出在巖石內(nèi)部鉆孔灌注混凝土,埋置FBG 傳感器直接測(cè)量巖石應(yīng)變.采用有限元數(shù)值模擬優(yōu)化結(jié)構(gòu),確定光纖光柵傳感器保護(hù)層的材質(zhì)和構(gòu)型;分別對(duì)混凝土圓柱,以及巖石內(nèi)部灌注混凝土包裹光纖的試樣進(jìn)行單軸壓縮試驗(yàn),驗(yàn)證了本文提出光纖光柵傳感器的有效性和準(zhǔn)確性,為混凝土、巖石工程中采用光纖光柵測(cè)量結(jié)構(gòu)內(nèi)部應(yīng)變打下基礎(chǔ).

1 傳感器設(shè)計(jì)

1.1 布拉格光纖光柵傳感器理論

外力作用在FBG 傳感器上時(shí),FBG 傳感器內(nèi)部發(fā)生彎曲,導(dǎo)致FBG 傳感器局部密度改變,使得其折射率發(fā)生變化.當(dāng)光入射到光纖光柵中時(shí),一定頻率的入射光會(huì)被反射回來,其他頻率的入射光會(huì)沿光纖光柵路徑傳播出去,如圖1所示.

圖1 布拉格光纖光柵原理示意圖

由光纖耦合理論可知,當(dāng)光纖光柵中的光波滿足Brag條件[4]時(shí),有

式中:n是光纖光柵有效折射率;λB、Λ是光柵的波長(zhǎng)(nm)和光柵周期.

按照公式(1),通過解調(diào)技術(shù)[4,18]可知光纖光柵的波長(zhǎng)λB變化情況,進(jìn)而推測(cè)外部變形情況.

1.2 傳感器設(shè)計(jì)分析

在單軸壓縮試驗(yàn)中,外荷載作用在試樣上時(shí),試樣軸線方向會(huì)有:1)荷載引起的試樣端部軸向應(yīng)變;2)傳感器外部周圍混凝土軸向應(yīng)變;3)傳感器保護(hù)層軸向應(yīng)變.由于灌注的混凝土和傳感器保護(hù)層的材料性質(zhì)和巖石試樣的材料性質(zhì)不一致,導(dǎo)致傳感器測(cè)量的軸向應(yīng)變不一定等于外荷載引起的端部軸向應(yīng)變.為此,需要設(shè)計(jì)一種可靠的傳感器保護(hù)層形式以及灌漿材料,確保傳感器測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性.需要注意的是,傳感器保護(hù)層并不是為了使得試驗(yàn)樣品中的應(yīng)變傳遞到傳感器上,而是為了防止或減少橫向應(yīng)變對(duì)傳感器測(cè)量結(jié)果的不利影響,并且保護(hù)光纖不會(huì)輕易被破壞[19].在實(shí)際工程中,光纖保護(hù)層必須能夠在光纖較長(zhǎng)的使用周期中,保護(hù)脆弱的光纖不被溫度和外荷載等破壞,并且充分傳遞軸向應(yīng)變,同時(shí)減小橫向應(yīng)變對(duì)光纖光柵傳感器測(cè)量結(jié)果的影響.基于這些考慮,傳感器保護(hù)層的橫向變形彈性模量必須小于光纖本身的橫向變形模量.為此首先考慮碳纖維增強(qiáng)聚合物(CFRP)保護(hù)層,其次考慮中空的不銹鋼管.由于不銹鋼管必須要有足夠的厚度才可以抵抗橫向變形,所以需要設(shè)計(jì)不同厚度的不銹鋼管來研究壁厚對(duì)結(jié)果的影響.

1.3 有限元模型

采用有限元(FEM)方法來分析由碳纖維增強(qiáng)聚合物保護(hù)層傳感器以及兩個(gè)金屬保護(hù)層傳感器的效果,并且假設(shè)傳感器保護(hù)層與巖石試件之間的黏合材料是混凝土漿液.實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方案見表1.

表1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方案

模型中假設(shè)巖石和混凝土漿液之間是變形協(xié)調(diào)的,并且?guī)r石中的應(yīng)變等于鉆孔方向的應(yīng)變.假設(shè)碳纖維增強(qiáng)聚合物(如圖2所示)是橫向各向同性材料,橫向縱向異性材料,參數(shù)見表2.兩種不同構(gòu)型不銹鋼管保護(hù)層尺寸如圖3所示,模擬參數(shù)見表3～4.

圖2 碳纖維保護(hù)層結(jié)構(gòu)及尺寸(單位:mm)

圖3 不銹鋼保護(hù)層結(jié)構(gòu)及尺寸(單位:mm)

表2 橫向縱向異性CFRP材料屬性

由于不銹鋼管和光纖之間不能完全耦合,不銹鋼管和光纖之間采用環(huán)氧樹脂膠水固定,環(huán)氧樹脂膠水假設(shè)為各向同性材料,其屬性見表3.有限元計(jì)算網(wǎng)格模型如圖4所示.

表3 混凝土、不銹鋼法蘭、環(huán)氧膠水的材料屬性

圖4 不銹鋼保護(hù)設(shè)計(jì)1的有限元軸對(duì)稱模型尺寸及網(wǎng)格圖(單位:mm)

圖4為軸對(duì)稱有限元模型,該有限元模型采用8節(jié)點(diǎn)二階等參單元,在光纖和混凝土之間材料接觸單元,摩擦系數(shù)是0.3.在巖石試樣軸向施加應(yīng)變荷載,右側(cè)模擬均勻分布荷載圍壓且不考慮光纖對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響.模擬結(jié)果見表4～6.

表4 CFRP保護(hù)數(shù)值模擬結(jié)果

續(xù)表4 CFRP保護(hù)數(shù)值模擬結(jié)果

表5 不銹鋼保護(hù)設(shè)計(jì)1數(shù)值模擬結(jié)果

由表4～6可知,無論是否有圍壓作用,CFRP保護(hù)層和不同構(gòu)型的不銹鋼保護(hù)層位置處的軸向應(yīng)變與端部外荷載應(yīng)變一致.也就是說,無論是否有圍壓存在,試樣軸向應(yīng)變都可以完全傳遞到光纖傳感器保護(hù)層上.假定光纖的變形與保護(hù)層變形相協(xié)調(diào),可以進(jìn)一步計(jì)算出光纖波長(zhǎng)漂移,按照論文[20-21]推導(dǎo)出Bragg光纖波長(zhǎng)漂移量可計(jì)算出遠(yuǎn)場(chǎng)應(yīng)變值.計(jì)算中假設(shè)光纖材料是各向同性,光纖原始波長(zhǎng)是1 500 nm,并且光纖外包涂層是聚乙酰胺,參數(shù)見表7～8.混凝土試樣端部遠(yuǎn)場(chǎng)應(yīng)變是0和10-3時(shí),不同保護(hù)層構(gòu)成的光纖光柵傳感器的波長(zhǎng)漂移結(jié)果如圖5～6所示.

圖5 端部遠(yuǎn)場(chǎng)應(yīng)變?chǔ)拧辻y=0時(shí),混凝土試樣中傳感器的波長(zhǎng)漂移量

表6 不銹鋼保護(hù)設(shè)計(jì)2數(shù)值模擬結(jié)果

表7 各向同性光纖傳感器材料屬性

表8 聚乙酰胺保護(hù)層材料屬性

由上可知,橫向變形對(duì)光纖波長(zhǎng)漂移影響越小越好.由圖5 可知,當(dāng)試樣端部自由,只有圍壓的作用時(shí),橫向變形使得光纖波長(zhǎng)產(chǎn)生線性漂移,帶有CFRP保護(hù)層的光纖光柵傳感器,波長(zhǎng)漂移更明顯.不銹鋼管波長(zhǎng)漂移較小,因此推薦使用不銹鋼管作為光纖光柵傳感器的保護(hù)層.這是因?yàn)樵诓讳P鋼管中加入環(huán)氧樹脂后,金屬保護(hù)使光纖光柵與試樣的耦合作用更好,且減少了橫向應(yīng)變對(duì)傳感器測(cè)量結(jié)果的不利影響.

由圖6可知,當(dāng)圍壓和端部應(yīng)變同時(shí)作用時(shí),帶有不銹鋼管保護(hù)層的傳感器結(jié)構(gòu)更接近理論值,其中薄壁的不銹鋼保護(hù)層的光纖光柵傳感器結(jié)果最優(yōu),因此在實(shí)際設(shè)計(jì)時(shí),優(yōu)先采用不銹鋼管構(gòu)型1(薄壁)來制作光纖光柵傳感器.

圖6 端部遠(yuǎn)場(chǎng)應(yīng)變?chǔ)舮∞y=10-3 時(shí),混凝土試樣中傳感器的波長(zhǎng)漂移量

2 單軸壓縮試驗(yàn)

在測(cè)試巖石試樣應(yīng)變時(shí),采用混凝土漿液把光纖光柵傳感器固定在巖石試樣中.因?yàn)榛炷翝{液具有線彈性和高強(qiáng)度,低流動(dòng)性的特點(diǎn).采用混凝土灌漿材料來填充巖石鉆孔時(shí),需要保證混凝土灌漿在養(yǎng)護(hù)期間體積穩(wěn)定,避免養(yǎng)護(hù)開裂收縮影響光纖光柵傳感器測(cè)量精度.為了研究和驗(yàn)證基于FBG 傳感器測(cè)量巖石應(yīng)變的準(zhǔn)確性,分別制作巖石試樣和混凝土試樣進(jìn)行單軸壓縮實(shí)驗(yàn).混凝土試樣用來進(jìn)行參數(shù)矯正和對(duì)比.

2.1 傳感器保護(hù)層的設(shè)計(jì)和制作

傳感器保護(hù)層采用薄壁不銹鋼管且兩端帶有法蘭.光纖光柵傳感器采用環(huán)氧樹脂膠粘貼在不銹鋼管內(nèi)部,整體結(jié)構(gòu)如圖7所示.光纖光柵傳感器的性質(zhì)見表9.

圖7光纖光柵傳感器的結(jié)構(gòu)(單位:mm)

表9 FBG 傳感器材料屬性

第1個(gè)樣品是圓柱形混凝土試樣,并在圓柱中心埋置FBG 傳感器(FBG 1),第2 個(gè)樣品是圓柱形Laurentian花崗巖,并且中心埋置FBG 傳感器(FBG 2),如圖8所示.花崗巖的樣品基本制作與漿液樣品類似.花崗巖樣品中間鉆孔用來埋置傳感器,端部切槽用來引出光纖,切槽后需要拋光打磨,在水中浸泡12 h后埋置光纖.

圖8 試樣設(shè)計(jì)示意圖(單位:mm)

2.2 樣品準(zhǔn)備

混凝土樣品是圓柱形(直徑10.16 cm,長(zhǎng)徑比2∶1),中間固定傳感器保護(hù)殼,模具內(nèi)部涂抹潤(rùn)滑劑,并灌漿(設(shè)計(jì)1,圖9),設(shè)計(jì)如圖8所示.花崗巖的樣品制作基本與漿液樣品類似,采用水灰比0.28的漿液,根據(jù)文獻(xiàn)[21]的結(jié)果,沒有進(jìn)行收縮試驗(yàn).然后在常溫、恒濕的情況下進(jìn)行養(yǎng)護(hù),制作好的樣品如圖9所示.單軸壓縮實(shí)驗(yàn)如圖10所示.

圖9 混凝土試樣及花崗巖試樣(左為混凝土試樣,右為花崗巖試樣)

圖10 單軸壓縮實(shí)驗(yàn)儀器

2.3 實(shí)驗(yàn)過程及結(jié)果

實(shí)驗(yàn)采用MTS荷載試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行位移加載控制,兩種樣品都是安裝在兩端的壓頭上(直徑15.24cm).機(jī)械位移設(shè)置成每秒鐘1微米進(jìn)行加卸載.荷載測(cè)量采用MTS內(nèi)置的壓力傳感器.每次測(cè)試需要設(shè)定最大荷載和每個(gè)樣品的周期荷載次數(shù).周期荷載采用最大荷載逐漸增加的方式.并且采用兩個(gè)位移傳感器(linear variation differential transformers,LVDT)獨(dú)立記錄試樣的位移.

在實(shí)驗(yàn)中使用的光學(xué)頻譜分析儀(I-MON EUSB 512 by Ibsen Photonics)是由衍射光柵組成,光譜區(qū)間約1509～1 595 nm,平均像素的分辨率范圍是136～203 pm.采用5次多項(xiàng)式校準(zhǔn)像素波長(zhǎng).像素最小曝光時(shí)間是0.006 ms,最小還原時(shí)間是1.050 ms,相當(dāng)于最大測(cè)量頻率是947 Hz,且Nyquist頻率是473.5 Hz.

MTS數(shù)據(jù)采用頻率是2 Hz,光纖光柵解調(diào)儀采集頻率是1 Hz.解調(diào)儀的曝光時(shí)間是0.006 ms,并且記錄每個(gè)時(shí)間間隔內(nèi)的全部光譜.后處理采用高斯和質(zhì)點(diǎn)算法處理,并且采用11個(gè)連續(xù)像素中心作為最大值.混凝土試樣單軸壓縮實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖11所示,花崗巖試樣單軸壓縮實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖12所示.光纖光柵傳感器測(cè)量結(jié)果和單軸壓縮直接測(cè)量結(jié)果對(duì)比分別如圖13～14所示.

圖11 混凝土試樣單軸壓縮實(shí)驗(yàn)結(jié)果

圖12 花崗巖試樣單軸壓縮實(shí)驗(yàn)結(jié)果

圖13 光纖光柵傳感器測(cè)量的應(yīng)變與LVDT測(cè)量得到混凝土試樣應(yīng)變的差值

圖11～14中“位移應(yīng)變”表示位移傳感器測(cè)量的應(yīng)變值,“光柵應(yīng)變”表示光柵傳感器測(cè)量的應(yīng)變值;圖11和圖13中G1、G2、G3 為3 個(gè)混凝土試樣,圖12和圖14中R1、R2、R3為3個(gè)花崗巖試樣.

圖14 光纖光柵傳感器測(cè)量的應(yīng)變與LVDT測(cè)量得到巖石試樣應(yīng)變的差值

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果討論

3.1 混凝土試樣測(cè)試分析

由圖11可知,混凝土試樣單軸壓縮測(cè)試,LVDT和FBG 測(cè)得的應(yīng)變結(jié)果非常接近.為了得到兩種測(cè)試之間的差異,圖13展示了加載部分的測(cè)試結(jié)果.卸載部分沒有展示,因?yàn)樵谛遁d過程中,荷載翻轉(zhuǎn)和負(fù)載作用時(shí),試樣產(chǎn)生小的滑動(dòng),導(dǎo)致光纖光柵傳感器和位移傳感器測(cè)出的結(jié)果具有較大差異.

表10給出了混凝土試樣單軸壓縮測(cè)試的最大絕對(duì)誤差,平均絕對(duì)誤差以及平均相對(duì)誤差.假定LVDT 的平均應(yīng)變是真實(shí)的參考應(yīng)變.

表10 混凝土試樣測(cè)試誤差

從表9和圖13可以知道,光纖光柵傳感器在整個(gè)加載周期中,絕對(duì)精度可以達(dá)到±30×10-6.此外,混凝土試樣單軸壓縮測(cè)試中的傳感器的測(cè)試量受混凝土的強(qiáng)度限制.在G3測(cè)試中,混凝土試樣突然斷裂失效.當(dāng)混凝土剛度較大,在單軸壓縮實(shí)驗(yàn)中,巖石膨脹會(huì)對(duì)其內(nèi)部的混凝土產(chǎn)生圍壓,這個(gè)圍壓作用在混凝土漿液表面,增加混凝土的強(qiáng)度.在理想情況下,傳感器的測(cè)量范圍應(yīng)該是光纖光柵傳感器的本身的線性范圍,而不是受制于各個(gè)組件的應(yīng)變(漿液,金屬殼,法蘭等).

混凝土試樣在32 MPa附近失效破壞,與相同養(yǎng)護(hù)條件下相同材質(zhì)的漿液樣品有較大差距,同樣立方體樣品強(qiáng)度是78 MPa,可能是由于幾何形狀和漿液樣品中包含傳感器導(dǎo)致的.立方體混凝土試樣的長(zhǎng)細(xì)比較小,約束效應(yīng)較大,使得測(cè)得的樣品強(qiáng)度較大.荷載作用在立方體混凝土試樣上,由于泊松效應(yīng),使得樣品橫截面變大,壓頭端部會(huì)對(duì)樣品產(chǎn)生緊固效應(yīng).

3.2 巖石試樣測(cè)試分析

圖12展示了花崗巖單軸壓縮實(shí)驗(yàn)結(jié)果,其結(jié)果比混凝土試樣單軸壓縮結(jié)果要復(fù)雜一些.圖14展示了光纖光柵傳感器和位移傳感器測(cè)量結(jié)果的差異,假設(shè)位移傳感器測(cè)量的結(jié)果為真實(shí)值.按照?qǐng)D12和圖14曲線變化規(guī)律,可以把傳感器的響應(yīng)分成3個(gè)階段.

1)在R1到R3的所有測(cè)試中,從初始的線性到非線性部分,0～400×10-6.在這個(gè)階段,巖石和漿液試樣由于泊松效應(yīng),試樣膨脹,巖石對(duì)混凝土漿液有緊固效應(yīng).隨著法向應(yīng)力增加,材料界面(巖石-漿液)之間的剪切應(yīng)力也隨之增加.

2)線性到非線性階段之后,400～1 050×10-6.相對(duì)位移一直存在于巖石-漿液界面上,并且兩個(gè)傳感器的讀數(shù)差異在這部分隨著荷載增加而增加.

3)在1050×10-6之后,隨著荷載的增加,從傳感器的響應(yīng)可以知道,界面的強(qiáng)度消失,并且位移傳感器的讀數(shù)隨著荷載繼續(xù)增加.但是在混凝土試樣中的光纖光柵傳感器的示數(shù)逐漸降低.卸荷時(shí),巖石樣品回彈,試樣中產(chǎn)生拉應(yīng)力.

在第1 和第2 階段,光纖光柵傳感器的響應(yīng)不同,是由于兩種材料之間的接觸條件是逐漸變化的.在第1階段,巖石膨脹,使得兩種材料的接觸面積增大.在平緩的階段(第2階段),兩種材料之間可以采用更簡(jiǎn)單的線性模型來描述,這個(gè)階段材料單元開始破壞失效.在第3階段,由于巖石和混凝土之間接觸界面失效導(dǎo)致的,混凝土中的應(yīng)變低于巖石中的應(yīng)變.在一些巖石中極限應(yīng)變值高于于混凝土和巖石的膠結(jié)破壞應(yīng)變(1 050×10-6).如文獻(xiàn)[22-23]砂巖中的極限應(yīng)變值最大達(dá)到5‰;文獻(xiàn)[24]中的閃長(zhǎng)玢巖極限應(yīng)變值達(dá)到9‰;甚至某些工程中的花崗巖的極限應(yīng)變值可以達(dá)到6‰[25].一般工程設(shè)計(jì)都要求巖石處于彈性狀態(tài),并有一定的安全系數(shù).本文提出的方法測(cè)試范圍在巖石彈性工作范圍內(nèi),在實(shí)際工程測(cè)量中,光纖傳感器優(yōu)先于巖石破壞,可以達(dá)到提前預(yù)警的效果,為施工安全提供可靠保證.

在花崗巖單軸壓縮實(shí)驗(yàn)中,鉆出的孔壁非常光滑,混凝土漿液可以實(shí)現(xiàn)全部的應(yīng)變傳遞.對(duì)于實(shí)際工程,沖擊鉆打孔,巖石孔壁是比較粗糙的界面,更有助于傳遞應(yīng)變.另外,在混凝土漿液中,加入膨脹劑,有助于改善巖石個(gè)漿液界面之間的接觸狀況.但是使用膨脹劑要非常小心,因?yàn)樗锌赡苁沟没炷恋膹?qiáng)度降低[26-27].

4 結(jié) 論

本文針對(duì)埋入式光纖光柵傳感器測(cè)量巖石內(nèi)部應(yīng)變進(jìn)行了探索,解決了光纖光柵傳感器植入巖石內(nèi)部測(cè)量應(yīng)變時(shí)的應(yīng)變傳遞問題.埋入式光纖傳感器應(yīng)變傳遞受以下因素影響:1)不同保護(hù)層材料對(duì)傳遞效果的影響;2)不同構(gòu)型設(shè)計(jì)對(duì)傳遞效果的影響;3)混凝土漿液填充巖石鉆孔對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響.本文通過采用有限元計(jì)算優(yōu)化和實(shí)驗(yàn)測(cè)試手段解決了上述問題,并得到以下結(jié)論:

不銹鋼管制作成的保護(hù)層要比碳纖維增強(qiáng)聚合物(CFRP)作為保護(hù)層測(cè)量效果好;并且薄壁不銹鋼管保護(hù)層的光纖光柵傳感器測(cè)量效果更優(yōu).這種帶有法蘭的不銹鋼管可以很方便地固定光纖傳感器,并可以克服橫向應(yīng)變對(duì)光纖光柵傳感器測(cè)量結(jié)果的不利影響,且具有較高的精度.

單軸壓縮實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示,本文所設(shè)計(jì)的光纖光柵傳感器測(cè)試精度小于1μm,測(cè)試區(qū)間可以達(dá)到2 000 μm.在純混凝土試樣單軸壓縮測(cè)試中,發(fā)現(xiàn)光纖光柵傳感器測(cè)量結(jié)果和位移傳感器測(cè)量結(jié)果,具有高度契合性.但是在花崗巖單軸壓縮實(shí)驗(yàn)中,光纖光柵傳感器測(cè)量結(jié)果與位移傳感器測(cè)量結(jié)果有差異,但是其精度和測(cè)量范圍能夠滿足工程需要.其差異是由于采用混凝土漿液來填充巖石鉆孔,使得混凝土漿液和巖石之間的接觸在軸向荷載作用下容易發(fā)生接觸破壞,影響測(cè)量結(jié)果,因此在工程運(yùn)用中需要額外注意.

綜上所述,本文提出的光纖光柵傳感器在測(cè)量巖石和混凝土內(nèi)部應(yīng)變是有效的、準(zhǔn)確的.能夠?yàn)樗畨巍⒑穗?、隧道等工程中測(cè)量混凝土或巖石結(jié)構(gòu)內(nèi)部應(yīng)變,提供有效工具和技術(shù)手段.