一种可直接观测内部变形的岩体模型物理试验方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种岩体模型物理试验方法，特别是一种可直接观测内部变形的岩体模型物理试验方法。
【背景技术】
[0002]岩土工程领域，物理相似模拟试验是当前研宄岩土工程科学与技术问题的重要手段，岩土模型表面与内部变形的细致量测是全面分析岩土变形规律与机理的重要依据。然而，由于当前物理模型相似材料不透明致使模型内部的变形无法直接观测，一般多采取钻孔摄像和CT扫描两种技术，前者可对模型内部局部区域进行直接照相观测，但操作复杂且会对模型造成损伤，另外，所获得的数据量十分有限，对于分析岩体内部的“全域”变形特征来说远远不够；而后者虽能对模型内部的全域变形进行无损观测，但仍然属于间接测量，且仪器设备价格昂贵且只能用于小尺寸模型。因而，目前岩体模型内部全面细致的变形及其复杂力学行为规律的试验研宄仍然受到很大局限。
【发明内容】
[0003]本发明的目的是要提供一种可直接观测内部变形的岩体模型物理试验方法，解决当前岩体模型内部变形无法直接观测的问题。
[0004]本发明的目的是这样实现的:包括以下步骤:
[0005](a)预制岩体模型试验装置，包括玻璃箱体及外围钢框架两种结构，其中，玻璃箱体由6块有机玻璃板组成，底面玻璃板需要钻上多个间排距为10mm、孔径为2mm的小孔，用于透明岩体相似材料固结时的液体排出，正面玻璃板则需要根据模型实验条件钻圆形或者其他形状的孔洞以方便后续的试验开挖；外围钢框架的目的是保证有机玻璃箱体不会在试验荷载作用下发生鼓肚变形，其由4块中空的切割钢板以及8根螺杆组成；
[0006](b)使用彩色喷漆罐分别对300目的透明硅粉颗粒进行喷漆处理，形成各种单一颜色的彩色硅粉颗粒，然后将各色硅粉颗粒按相同质量比进行混合，得到彩色的混合硅粉颗粒；
[0007](c)将300目硅粉、液体石蜡和正十三烷这三种工业材料按质量比1:0.836:0.702搅拌混合形成透明的岩体相似材料；
[0008](d)先拆除岩体模型试验装置的外围钢框架结构，并移除机玻璃箱体的正面玻璃板，将有机玻璃箱剩下的5块玻璃板固定住，形成一个没有顶盖的玻璃箱容器，然后，按背面玻璃板朝下的方式将玻璃箱容器整体放置于真空箱中，真空箱的内部空间要大于有机玻璃箱组成的外围空间；
[0009](e)往玻璃箱体中倒入配制出的透明岩体相似材料进行抽真空浇筑，每次倒入的量约为填满玻璃箱体厚度20mm-30mm，抽真空的时间约为20min_30min，在抽真空过程中，当模型浇筑高度达到预定人工制斑面位置时，在玻璃箱内均匀撒上一层彩色混合硅粉颗粒，或仅在一些特殊位置布置彩色散点硅粉颗粒，形成人工制斑面；接着，继续往玻璃箱内倒入透明岩体相似材料进行抽真空直至模型整体浇筑完成；
[0010](f)岩体模型浇筑完成后，盖上玻璃箱体的前面板进行模型封闭，然后将前后两块玻璃的外围钢框架用4根螺杆连接起来，将底面玻璃朝下，立正玻璃箱，再将左右两侧的外围钢框架也用剩下的4根螺杆连接起来，之后卸掉有机玻璃箱的顶板；
[0011](g)对透明岩体模型进行分级加载固结，固结压力和固结时间依试验条件而定，模拟岩石越硬，固结压力越大或固结时间越长；
[0012](h)透明岩体模型固结完成后，试验开始前，先在模型观测面即靠近背面玻璃板的一侧后方两侧各布设一台摄影灯对模型内部人工彩色散点颗粒进行白光均匀照明，并在模型观测面正后方约0.5m处布设一台或两台高分辨率数码相机，数码相机与试验现场一台计算机连接，调整数码相机参数使采集到的模型内部散点颗粒图像清晰；
[0013](i)采用计算机控制数码相机进行图像自动采集，采集频率为5秒到10秒一张，当试验完毕后，使用二维数字照相量测软件PhotoInfor或三维数字照相量测软件Ph0t0gram_3D对所有采集图像中的彩色散点颗粒进行数字散斑追踪分析，进而获得岩体模型内部各个关键点的岩体变形。
[0014]所述的步骤(C)中，由硅粉、液体石蜡和正十三烷这三种材料配制刚完成时是一种可流动的透明胶体，这种透明胶体需要经过一定时间和压力的加载固结，将其中一部分液体排出模型之后，才会具备岩体特有的物理力学性质，如脆性、破裂特征，才能模拟实际工程中的岩体，固结压力越大或固结时间越长，这种透明材料可模拟的岩石就越硬。
[0015]所述的步骤(e)中，在岩体模型内部进行彩色散点颗粒制斑有两种方法，第I种是模型内部的一个平面上均匀铺洒一层彩色硅粉颗粒，形成一个人工彩色散斑面；第2种是在模型内部的2到3个平面上采用彩色硅粉颗粒交错布置多个直径1mm、间距1mm的彩色散斑点。
[0016]所述的步骤(h)中，对模型内部彩色硅粉颗粒进行数字照相量测变形分析有两种方法，第I种是在模型观测面的正后方0.5m布设一台高分辨率数码相机对试验过程中的模型内部彩色散点进行全程图像采集，之后采用二维数字照相量测软件PhotoInfor获得试验过程中这些彩色散点的二维平面变形情况；第2种是在模型观测面的正后方0.5m平行布设两台相同型号的高分辨率数码相机对试验过程中的模型内部彩色散点进行全程图像采集，之后采用三维数字照相量测软件Ph0t0gram_3D获得试验过程中这些彩色散点的三维变形情况；采用第2种方法时，需要先在模型4周布设6个以上控制点并获得这些控制点的三维空间坐标。
[0017]有益效果，首先采用由长方有机玻璃箱体和外围钢框架组成的岩体模型试验装置、由硅粉、液体石蜡及正十三烷按质量比1:0.836:0.702配制出的透明岩体相似材料和岩体模型内部的彩色硅粉颗粒人工制斑方法制作得到透明岩体物理模型，然后使用数字照相量测技术对岩体模型内部的彩色硅粉颗粒进行变形追踪量测，解决了当前岩体模型内部全面细致的变形无法直接观测的问题，达到了本发明的目的。
[0018]优点:能监测全场变形，简单灵活，使用经济、稳定性好，易于推广；实现了对岩体模型内部变形的直接观测。可用于诸如山岭隧道、岩体巷道、地基基础、边坡等岩土工程物理模型的内部变形观测分析的物理试验研宄。
【附图说明】
[0019]图1为本发明的工作流程图。
[0020]图2为本发明模型玻璃箱的结构组成图。
[0021]图3为本发明模型玻璃箱外围钢框架的结构示意图。
[0022]图4(a)为本发明透明岩体模型内部均匀随机的人工散点颗粒制斑示意图。
[0023]图4(b)为本发明透明岩体模型内部的人工散点颗粒制斑示意图。
[0024]图5为本发明透明岩体模型内部变形的二维数字照相量测方法示意图。
[0025]图6为本发明透明岩体模型内部变形的三维数字照相量测方法示意图。
【具体实施方式】
[0026]实施例1:包括以下步骤:
[0027](a)预制岩体模型试验装置，包括玻璃箱体及外围钢框架两种结构，其中，玻璃箱体由6块有机玻璃板组成(附图2)，底面玻璃板需要钻上多个间排距为10mm、孔径为2mm的小孔，用于透明岩体相似材料固结时的液体排出，正面玻璃板则需要根据模型实验条件钻圆形或者其他形状的孔洞以方便后续的试验开挖；外围钢框架的目的是保证有机玻璃箱体不会在试验荷载作用下发生鼓肚变形，其由4块中空的切割钢板(附图3)以及8根螺杆组成；
[0028](b)使用彩色喷漆罐分别对300目的透明硅粉颗粒进行喷漆处理，形成各种单一颜色的彩色硅粉颗粒，然后将各色硅粉颗粒按相同质量比进行混合，得到彩色的混合硅粉颗粒；
[0029](c)将300目硅粉、液体石蜡和正十三烷这三种工业材料按质量比1:0.836:0.702搅拌混合形成透明的岩体相似材料；
[0030](d)先拆除岩体模型试验装置的外围钢框架结构，并移除机玻璃箱体的正面玻璃板，将有机玻璃箱剩下的5块玻璃板固定住，形成一个没有顶盖的玻璃箱容器，然后，按背面玻璃板朝下的方式将玻璃箱容器整体放置于真空箱中，真空箱的内部空间要大于有机玻璃箱组成的外围空间；
[0031](e)往玻璃箱体中倒入配制出的透明岩体相似材料进行抽真空浇筑，每次倒入的量约为填满玻璃箱体厚度20mm-30mm，抽真空的时间约为20min_30min，在抽真空过程中，当模型浇筑高度达到预定人工制斑面位置时，在玻璃箱内均匀撒上一层彩色混合硅粉颗粒，或仅在一些特殊位置布置彩色散点硅粉颗粒，附图4，形成人工制斑面；接着，继续往玻璃箱内倒入透明岩体相似材料进行抽真空直至模型整体浇筑完成；
[0032](f)岩体模型浇筑完成后，盖上玻璃箱体的前面板进行模型封闭，然后将前后两块玻璃的外围钢框架用4根螺杆连接起来，将底面玻璃朝下，立正玻璃箱，再将左右两侧的外围钢框架也用剩下的4根螺杆连接起来，之后卸掉有机玻璃箱的顶板；
[0033](g)对透明岩体模型进行分级加载固结，固结压力和固结时间依试验条件而定，模拟岩石越硬，固结压力越大或固结时间越长；
[0034](h)透明岩体模型固结完成后，试验开始前，先在模型观测面，靠近背面玻璃板的一侧后方两侧各布设一台摄影灯对模型内部人工彩色散点颗粒进行白光均匀照明，并在模型观测面正后方约0.5m处布设一台或两台高分辨率数码相机，数码相机与试验现场一台计算机连接，调整数码相机参数使采集到的模型内部散点颗粒图像清晰；
[0035](i)采用计算机控制数码相机进行图像自动采集，采集频率为5秒到10秒一张，当试验完毕后，使用二维数字照相量测软件PhotoInfor或三维数字照相量测软件Ph0t0gram_3D对所有采集图像中的彩色散点颗粒进行数字散斑追踪分析，进而获得岩体模型内部各个关键点的岩体变形。
[0036]所述的步骤(C)中，由硅粉、液体石蜡和正十三烷这三种材料配制刚完成时是一种可流动的透明胶体，这种透明胶体需要经过一定时间和压力的加载固结，将其中一部分液体排出模型之后，才会具备岩体特有的物理力学性质，如脆性、破裂特征等，才能模拟实际工程中的岩体，研宄结果表明，固结压力越大或固结时间越长，这种透明材