[发明专利]一种基于光纤光栅的三轴试样体变测量装置及方法

说明书

本发明涉及一种基于光纤光栅的三轴试样体变测量装置及方法，其特征在于，圆形底座，设置在所述圆形底座中部的三轴试样以及均匀围设在所述三轴试样外围的若干测量棒体；各所述测量棒体包括棒体本体以及沿轴向等间隔设置在所述棒体本体表面的若干应变传感器件；所述棒体本体采用可形变材料，且能够随着所述三轴试样的变形而同步弯曲，并始终与所述三轴试样接触；每一所述应变传感器件均包括若干光纤布拉格光栅，且各所述光纤光栅通过光纤串联连接，形成准分布式的应变传感序列。本发明可以广泛应用于三轴试样体变测量领域。

技术领域

本发明涉及一种基于光纤光栅的三轴试样体变测量装置及方法，属于岩土工程领域。

背景技术

三轴装置是用来测量土体抗剪强度的一种实验装置，在土力学上常被用来考察土体工程的力学形状。在三轴排水剪切试验中，试样的体积会随着剪切过程发生变化，这种变化对于研究试样的变形特性有着重要意义。

目前三轴试验中测量部分饱和试样体变的方法大多是在双压力室内，通过压缩过程中压力室内液压油的溢出量来计算的，这种方法对压力室的刚度要求比较高，还要保证不会泄露，同时其测量精度也偏低。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的是提供一种基于光纤光栅的三轴试样体变测量装置及方法，能够准确获得试样在压缩过程中的体积变化。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：

本发明的第一个方面，是提供一种基于光纤光栅的三轴试样体变测量装置，其包括：圆形底座，设置在所述圆形底座中部的三轴试样以及均匀围设在所述三轴试样外围的若干测量棒体；各所述测量棒体包括棒体本体以及沿轴向等间隔设置在所述棒体本体表面的若干准分布式的应变传感序列；所述棒体本体采用可形变材料，且能够随着所述三轴试样的变形而同步弯曲，并始终与所述三轴试样接触；每一所述应变传感序列均包括一光纤和由所述光纤串联连接的多个光纤光栅。

进一步地，所述三轴试样为圆柱形试样。

进一步地，所述圆形底座的直径为两个所述测量棒体直径与所述三轴试样直径之和，使得所述三轴试样表面与所述测量棒体表面恰好相接触。

进一步地，围设在所述三轴试样外围的所述测量棒体数量为8个。

进一步地，所述棒体本体表面沿轴向等间隔设置的呈准分布式的应变传感序列数量为4个。

进一步地，所述棒体本体的高度和所述三轴试样高度一致。

进一步地，所述棒体本体的直径小于所述三轴试样直径的1/10。

本发明的第二个方面，是提供一种基于光纤光栅的三轴试样体变测量方法，其包括以下步骤：1)将所述基于光纤光栅的三轴试样体变测量装置放入三轴压力室内，并对三轴试样进行三轴排水剪切试验，并实时记录各测量棒体上各个光纤光栅中心波长值的变化；2)根据得到的各测量棒体上各个光纤光栅中心波长值变化曲线，计算得到测量棒体上各点的应变分布，根据弯梁的基本理论反算出每个测量棒体的变形曲线，得到各个测量棒体在x，y和z轴各方向的位移值；3)根据各测量棒体在x，y和z轴各方向的位移值，得到三轴试样压缩后的形状，并计算出三轴试样压缩后的体积；4)将三轴试样的初始体积与压缩后的体积做差，即为三轴试样在压缩过程中的体积变化。

本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：本发明将光纤光栅按一定排列方法串联到光纤上，将4条光纤沿轴向等间距粘贴到选定的棒体表面上，再将8个相同的棒体均匀分布在一个圆形底座周围，保证试样表面能够与棒体表面恰好相接触。通过测量三轴压缩试验过程中各个棒体光纤光栅的中心波长值的变化，进而得到棒体各个方向的位移值。根据8个棒体各个方向的位移值，可以得到试样压缩后的形状，进而可以计算出试样压缩过程的体积变化。该方法具有灵敏度高，可靠性好，抗电磁干扰和耐久性好等优点，对于三轴压缩试验试样的体变测量具有重要意义。

附图说明