1、岩石变形破坏的透明模型综述摘要：地下岩体作为一种隐蔽性介质，使得人们只能用模型试验法来进行变形研究，将透明材料应用在模型试验中，同时结合数字照相变形量测法进行分析，可以直观获得其变形过程，对地下岩石的变形研究具有重大意义。 关键词： 岩石变形岩土模型试验透明模型 中图分类号：F470.1 文献标识码：A 0 引言 地下岩体在施工过程中存在很多不确定性因素，由于这些风险无法用传统的经验公式法、理论计算法和数值模拟分析法进行求解，因此研究人员只有通过一些模型试验来进行类比推理。可以说，运用模型试验法来探索岩体内部的变形相对于其他方法来说比较直接有效。 1 传统的物理模型试验法 物理模型试验以实验力
2、学为基础，作为一种研究手段，发挥了非常大的作用1，这种研究方法在模拟岩石的应力变化和分布情况、岩石结构的破坏情况以及发展变化等方面都非常有效2。 相似模型试验是在实验室内按相似原理制作与原型相似的模型，借助测试仪表观测模型内力学参数及其分布规律，利用在模型上研究的结果，借以推断原型中可能发生的力学现象以及岩体压力分布的规律，以便为岩土工程设计和施工方案的选择提供依据。这种研究方法直观且实验周期短，而且能够根据需要，通过固定某些参数，改变另一些参数来研究隧道围岩应力在空间和时间上的分布规律和变化情况，这在现场条件下是难以实现的。而且根据模型实验的结果，可以推断原型可能出现的力学现象与变形状态以及
3、工程的稳定性与安全程度。 在岩土模型试验中，研究人员用来观察量测岩体内部变形的方法主要有在土体中预埋传感器或电阻应变片法、X-射线、-射线、计算机轴向断层扫描（CAT）和核磁共振成像（MRI）法、数字图像技术法及光学测量技术法等，但是这些方法都有一定的局限性，不能解决隧道模型内部变形过程可观测的问题。 2 数字照相变形量测技术 数字照相量测就是利用数码相机、数码摄像机、CCD 摄像机、CT 扫描、激光照相等图像采集手段，获得观测目标的数字图像后，再利用计算机数字图像处理与分析技术，对观测目标进行变形或特征识别分析的一种现代量测技术。 位移测量和模型内部变形情况是相似材料模型试验的主要观测内容，
4、也是进一步研究模型内部力学形态的基础。土的变形测量通常有两种方式：（1）在模型边界处设置位移探头以测定某点的位移；（2）利用光学技术对整个研究区域的变形场进行非插入式测量。传统的测量方法有物理测量和机械测量，其缺点就是观测装置或者传感器安装比较麻烦、工作量大，而且采样点有限，只能测量土体块边界上的变形，随着数码产品的高性能化和计算机图像处理技术的不断发展，现在已经能够测量并展现土体内部的变形过程，数字照相量测技术也成为地下工程相似模型试验中越来越重要的测试手段。李元海5开发出了一套数字图像变形量测无标点分析软件 PhotoInfor 程序和后处理程序 PostViewer，该项技术有助于研究岩
5、土模型全程渐进性变形破坏过程。 数字照相量测技术可以帮助研究人员进一步认识土体的内部变形情况。在对岩体模型进行数字照相变形量测时，利用数码相机和激光切片试样可以获得土体内部清晰的变形图像。无损测量试样的变形是依靠由计算机、激光、CCD 相机和帧存储器构成的光学系统获得的。或者，我们也可以利用激光成像，由土壤和激光共同作用来生成特别的散斑图，由两幅散斑图可以获得二维变形场，综合分析多个二维变形场即可获得岩土体的三维变形场。 3 透明材料模型试验法 透明岩体模型试验法克服了岩土体内部变形不可视的不足，实现了内部变形的可视化观测，这种方法不需要接触模型，因此排除了观测方法对实验结果的干扰，同时该试验
6、方法较以往的光学观测实验而言更为便捷，测量准确度也得到了很大提高6。 自然土体由两部分组成：土颗粒和孔隙流体。在用透明材料进行模拟时需要分别选定性质相近的材料将两者进行合成，选择时为了保证合成材料的透明性，务必使两种透明材料的折射率近似相等。用来模拟土颗粒的材料必须满足以下两点要求：物理性质与自然土相近、具有一定的透明度。 模拟材料主要有无定型硅石粉末、无定型硅石凝胶和熔融石英砂。用来模拟孔隙流体的材料，必须满足以下几点要求：物理性质与孔隙流体相近、化学性质稳定且透明性良好，更为重要的一点是，这种模拟孔隙流体的材料务必具有与模拟土颗粒的材料相似的折射系数，而且不能与模拟土颗粒的材料发生反应。目
7、前为止，孔隙流体的模拟材料主要有两种：（1）石蜡和白色矿物油混合而成，二者的重量比为 1:1；（2）溴化钙和水混合而成，即所谓的卤水7。 吴明喜9用折射率为 1.458、粒径为 0.1-1mm 的熔融石英砂模拟砂土颗粒，用浓度为 75.5%的溴化钙水溶液模拟孔隙流体，根据石英砂的折射率采用折射率-浓度法配制与石英砂相同折射率的溴化钙溶液，然后将石英砂溶解在溴化钙溶液中并进行真空排气得到透明土试样，对试样进行三轴压缩试验。研究结果表明，该法得到的砂土试样具有良好的透明度，当不同应力作用其上时，该合成砂土与自然砂土的应力应变特征相近，可在某种程度上模拟砂土的岩土特征。 许国安10选用液体石蜡与正十
8、三烷按质量比 0.85 混合而成的溶液模拟孔隙流体，用细度为 300 目的硅石凝胶模拟土颗粒，将硅胶粉溶解在混合溶液中并进行真空排气得到透明土试样。对试样进行三轴试验，测定了固结压力不同时透明材料的相关力学参数。 用透明材料来模拟岩体，同时结合数字照相量测系统对岩体内部的变形进行观测分析，这样可以更加方便和形象地得到外界荷载作用下岩体内部渐进变化情况，从而弥补常规岩体相似材料的不透明性缺点，可为岩土工程施工的可视化试验研究提供一定的帮助。因此，借助于透明相似材料和数字照相量测方法以及相似模型试验技术对隧道围岩变形破裂规律进行试验研究具有一定的学术价值，也会对实际工程有一定的指导意义。 4 研究
9、不足 由于透明材料的特殊性，其强度有一定上限，合成的透明材料只能模拟软岩的性质，暂时无法模拟硬岩。 合成的透明材料颗粒之间的粘结力不够，与实际情况有一定差距。 透明岩体的透明度有限，实验过程中对外界环境要求较高。 参考文献： 徐挺.相似方法及其引用M.北京：机械工业出版社，1995. 赵文，谢强，詹志锋.北盘江大桥岸坡位移特征模型试验研究J.四川大学学报，2002，34（4）：60-63. 吴明喜.人工合成透明砂土及其三轴试验研究D.大连理工大学，2006. 许国安.深部巷道围岩变形损伤机理及破裂演化规律研究D.中国矿业大学，2011. 李元海，靖洪文，曾庆有，等.岩土工程数字照相量测软件系统研发与应用J.岩石力学与工程学报，2006，25（增刊 2）：3859-3866. 隋旺华，高岳，LIU Jin-yuan.透明土实验技术现状与展望J.煤炭学报，2011，36（4）：577-582. 王秀华，宰金珉，蒋刚，陈亚东.用于透视土体内部变形的透明材料的研究J.常州工学院学报，2008，21：270-273. 佘跃心.基于透明介质和颗粒图像技术的土体变形测量研究进展J.勘察科学技术，2005， （6）：7-10. 吴明喜.人工合成透明砂土及其三轴试验研究D.大连理工大学，2006. 许国安.深部巷道围岩变形损伤机理及破裂演化规律研究D.中国矿业大学，2011.
