冻土边坡模型制作及冻土边坡模型定向爆破试验装置和试验方法

摘要

本发明公开了一种可视化冻土边坡模型制作及冻土边坡模型定向爆破试验装置和试验方法，透明冻土边坡模型制作采用含氟聚合物为配制透明冻土中的透明固体材料，所述含氟聚合物为粒径0.25㎜～2.0㎜的颗粒，为美国杜邦公司生产的TeflonAF1600，折射率1.31，密度2.1g/㎝3～2.3g/㎝3；所述试验装置包括透明模型槽、透明冻土边坡模型等模拟自然边坡的模拟装置、包括数码相机的记录观测装置和处理装置；本发明试验方法可行，配制的透明土透明度高，价格低廉，无毒无害，与天然冻土土体性质的相似性好，能广泛替代自然冻土；试验装置操作简便，易于实现，可重复性强；可用来模拟复杂的地质条件，有效地用于岩土工程中的模型试验。

说明书

技术领域

本发明涉及一种土体的定向爆破试验装置和试验方法，具体地说是一种冻土边坡模型制作及冻土边坡模型定向爆破试验装置和试验方法，特别是涉及一种可视化冻土边坡模型制作及冻土边坡模型定向爆破试验装置和试验方法。

背景技术

在岩土工程方面的模型试验中，研究土体内部变形规律和机理，如控制爆破、沉桩施工过程、基坑开挖过程等，对探索岩土工程问题本质具有重要意义。特别是地球上多年冻土、季节冻土和短时冻土区的面积约占陆地面积的50﹪，其中，多年冻土分布面积3500万㎞²，约占陆地面积的25﹪。而冻土的工程特性与常规土的工程特性相差较大，因此，开展对冻土的工程特性以及构建物在冻土区域的特性研究显得非常重要。

控制爆破是指对工程爆破过程中由于炸药在被爆破对象的爆炸而产生的飞散物、地震、空气冲击波、烟尘、噪音等公害通过一定的技术手段加以控制的一种的爆破技术，在工程施工中得到广泛应用。如：定向爆破、预裂爆破、光面爆破、岩塞爆破、微差控制爆破、拆除爆破、静态爆破、抛填爆破、弱松动爆破、燃烧剂爆破等。定向爆破是利用炸药爆炸的作用，把某一地区的土石方抛掷到指定的地区，并大致堆积成所需形状的一种爆破技术,主要用于修坝(水坝或尾矿坝)、筑路（路堤和路基）、平整土地（工业场地和农田建设）等，对于劳力缺乏，交通不便以及无施工场地的工点尤为适宜。

专利号为201110074794.2，发明名称为一种用于高含冰冻土试样的制备方法的专利公开了一种利用常规设备制备高含冰冻土试样的技术方法，该法可以根据实际需要的尺寸制作高含冰人工冻土试样，基于制配完成的冻土试样，利用土工测试仪器对冻土的工程特性进行测试。

文献1《冻土爆破漏斗及冻土爆破性的模型试验研究》（马芹永. 煤炭学报，1997，22(3): 288-293.）公开了一套不同温度下冻结黏土、砂土的爆破漏斗模型试验方案；文献2《立井冻土钻爆法施工爆破参数初探》（宗琦，杨吕俊. 工程爆破，1999，5(2): 25-29.）、文献3《立井冻土光面爆破的模型试验研究》（姜玉松. 淮南工业学院学报，2001，21(4): 31-34.）公开了一套冻结砂土掏槽爆破和光面爆破模型试验方案；文献4《多年冻土和人工冻土的爆破试验与方法研究》（马芹永.  土木工程学报，2004，37(9): 75-78.）综合介绍了冻土爆破漏斗、掏槽爆破和光面爆破试验的研究进展和成果。这些模型试验方案均是基于常规试验手段，无法有效获得爆破试验后冻土的具体破裂形态。而传统的土体变形测量方法是在土体内部埋设一系列传感器，得到某些离散点的位移，但是传感器容易受外界环境扰动的影响，测量结果往往不够准确，同时不能给出土体内部连续变形的整个位移场。现代数字图像技术也只局限于测量土体的宏观或边界变形，不能实现对土体内部变形的可视化；X-射线、γ-射线、计算机层析扫描（CAT扫描）及磁共振成像技术（MRI）虽然可以用来测量土体内部的连续变形，但昂贵的费用限制了这些技术的广泛应用。

利用人工合成透明土结合光学观测和图像处理技术可以实现土体内部变形的可视化，其费用低廉，操作简便，可以广泛应用在岩土工程方面的模型试验中，研究土体内部规律和机理，对探索岩土工程问题本质具有重要意义。其前提是获得透明度较高，且性质与天然土体相似的人工合成透明土。目前，已有采用不同材料来制配透明土，并得到了一些成果。但是，现有技术资料表明，配制透明土的固体颗粒主要选用石英类材料，其固体颗粒本身的折射率在1.44～1.46之间，选用硼硅玻璃材料，其固体颗粒本身的折射率在1.46～1.48之间，远大于水的1.33折射率和冰的1.31折射率。因此，利用现有的配制透明土的固体颗粒无法配制出饱和透明冻土试样。

含氟聚合物为美国杜邦公司生产的Teflon AF 1600，折射率1.31，密度2.1g/㎝³～2.3g/㎝³；具有耐高温、耐低温、耐化学腐蚀、无粘性、无毒、无污染、高透明度、低折射率的特性，还具有气体渗透性结构、疏水性、化学惰性等特性，与天然土体性质的相似性好。Teflon AF 1600可溶解于氟系溶剂中，可以形成薄膜或熔融压缩成型；目前，其主要用在涂层、浸渍或制成纤维，制成的液芯波导在吸收、荧光、拉曼光谱分析、气体传感器等诸多领域也有运用。由于含氟聚合物具有高透明度，折射率与冰相同，因此，可以在配制透明冻土中用作透明固体材料。

发明内容

本发明的目的是提供一种冻土边坡模型制作及冻土边坡模型定向爆破试验装置和试验方法，特别是一种可视化冻土边坡模型制作及冻土边坡模型定向爆破试验装置和试验方法。

本发明是采用如下技术方案实现其发明目的的，一种冻土边坡模型制作方法，它包括以下步骤：

⑴备料：首先根据试验要求制作模拟自然边坡模型的模具，再根据试验条件与模具尺寸大小计算确定含氟聚合物、颗粒冰及无色孔隙液体的用量；所述含氟聚合物为粒径0.25㎜～2.0㎜的颗粒，清洗杂质并烘干，其颗粒为不规则形状，为美国杜邦公司生产的Teflon AF 1600，折射率1.31，密度2.1g/㎝³～2.3g/㎝³；所述颗粒冰为将冻结好的整块冰捣碎，其粒径为0.1㎜～0.5㎜；所述无色孔隙液体为水；

本发明在步骤⑴中，所述的含氟聚合物颗粒0.25㎜≤粒径＜0.5㎜的为10﹪～50﹪，0.5㎜≤粒径＜1.0㎜的为10﹪～50﹪，1.0㎜≤粒径＜1.5㎜的为10﹪～50﹪，1.5㎜≤粒径≤2.0㎜的为10﹪～50﹪，以重量计，合计为100﹪。

⑵混配：在－6.0℃～－8.0℃低温实验室内，先将含氟聚合物颗粒和颗粒冰均匀搅拌，分2～3次装入模具内制试样，并分层击实；再将水加入模具内，充填含氟聚合物颗粒和颗粒冰之间的空隙；

⑶抽真空：利用抽真空装置抽除存留在试样内部的气泡，使试样达到充分饱和状态；

⑷冻结：将模具装入－20℃低温箱冻结48小时后拆除模具，制得模拟饱和冻砂土自然边坡的透明冻土边坡模型，其物理特性为：密度1.53 g/㎝³～2.0g/㎝³，重度15kN/m³～20kN/m³，密实度20﹪～80﹪；力学特性为：内摩擦角30°～31°，弹性模量8MPa～61MPa，泊松比0.2～0.4。

一种冻土边坡模型制作方法，它包括以下步骤：

⑴备料：首先根据试验要求制作模拟自然边坡模型的模具，再根据试验条件与模具尺寸大小计算确定含氟聚合物、颗粒冰及无色孔隙液体的用量；所述含氟聚合物为粒径≤0.074㎜的颗粒，清洗杂质并烘干，其颗粒为不规则形状，为美国杜邦公司生产的Teflon AF 1600，折射率1.31，密度2.1g/㎝³～2.3g/㎝³；所述颗粒冰为将冻结好的整块冰捣碎，其粒径≤0.074㎜；所述无色孔隙液体为水；

⑵混配：在－6.0℃～－8.0℃低温实验室内，先将含氟聚合物颗粒和颗粒冰均匀搅拌，分2～3次装入模具内制试样，并分层击实；再将水加入模具内，充填含氟聚合物颗粒和颗粒冰之间的空隙；

⑶抽真空：利用抽真空装置抽除存留在试样内部的气泡，使试样达到充分饱和状态；

⑷固结：将试样放在固结仪中进行固结，固结度OCR值0.8～3；

⑸冻结：将模具装入－20℃低温箱冻结48小时后拆除模具，制得模拟饱和冻黏土自然边坡的透明冻土边坡模型，其物理特性为：密度1.63 g/㎝³～2.1g/㎝³，重度16kN/m³～21kN/m³，固结度OCR值0.8～3；力学特性为：内摩擦角19°～22°，凝聚力为1kPa～3kPa，弹性模量5MPa～9MPa，泊松比0.2～0.3。

一种冻土边坡模型定向爆破试验装置，它包括透明模型槽，透明模型槽内设有模拟自然边坡的透明冻土边坡模型，透明冻土边坡模型上依设计设有爆破孔，爆破孔内布置有炸药及雷管；透明模型槽外的正视面、侧视面和俯视面设有可观察整个透明模型槽空间的数码相机，数码相机通过数据线与处理装置联接；定向爆破时，由数码相机观测记录透明冻土边坡模型在不同自然边坡高度、不同爆破孔直径与深度、不同炸药用量情况下定向爆破形成人工边坡的过程，并将记录数据通过数据线送入处理装置，完成冻土边坡模型的定向爆破试验。

本发明所述透明冻土边坡模型采用透明冻土材料制作，当需制得模拟饱和冻砂土自然边坡的透明冻土边坡模型时，所述透明冻土它由含氟聚合物、颗粒冰与无色孔隙液体经备料、混配、抽真空、冻结步骤配制而成，所述含氟聚合物、颗粒冰与无色孔隙液体用量通过试验条件与模型大小计算；所述无色孔隙液体为水，所述含氟聚合物为粒径0.25㎜～2.0㎜的颗粒，其颗粒为不规则形状，为美国杜邦公司生产的Teflon AF 1600，折射率1.31，密度2.1g/㎝³～2.3g/㎝³；所述颗粒冰的粒径为0.1㎜～0.5㎜；所述透明冻土的物理特性为：密度1.53 g/㎝³～2.0g/㎝³，重度15kN/m³～20kN/m³，密实度20﹪～80﹪；力学特性为：内摩擦角30°～31°，弹性模量8MPa～61MPa，泊松比0.2～0.4；所述的含氟聚合物颗粒0.25㎜≤粒径＜0.5㎜的为10﹪～50﹪，0.5㎜≤粒径＜1.0㎜的为10﹪～50﹪，1.0㎜≤粒径＜1.5㎜的为10﹪～50﹪，1.5㎜≤粒径≤2.0㎜的为10﹪～50﹪，以重量计，合计为100﹪。

本发明所述透明冻土边坡模型采用透明冻土材料制作，当需制得模拟饱和冻黏土自然边坡的透明冻土边坡模型时，所述透明冻土它由含氟聚合物、颗粒冰与无色孔隙液体经备料、混配、抽真空、固结、冻结步骤配制而成，所述含氟聚合物、颗粒冰与无色孔隙液体用量通过试验条件与模型大小计算；所述无色孔隙液体为水，所述含氟聚合物为粒径≤0.074㎜的颗粒，其颗粒为不规则形状，为美国杜邦公司生产的Teflon AF 1600，折射率1.31，密度2.1g/㎝³～2.3g/㎝³；所述颗粒冰的粒径≤0.074㎜；所述透明冻土的物理特性为：密度1.63 g/㎝³～2.1g/㎝³，重度16kN/m³～21kN/m³，固结度OCR值0.8～3；力学特性为：内摩擦角19°～22°，凝聚力为1kPa～3kPa，弹性模量5MPa～9MPa，泊松比0.2～0.3。

本发明所述透明模型槽采用透明钢化玻璃制成。

一种冻土边坡模型定向爆破试验方法，它包括以下过程：

⑴建模：根据试验要求及自然冻土边坡模型尺寸分别制作透明模型槽和模拟自然冻土边坡模型的透明冻土边坡模型，所述透明冻土边坡模型采用透明冻土材料制作，并预留爆破孔；所述透明模型槽采用透明钢化玻璃制成；

⑵安装：将透明冻土边坡模型装入透明模型槽，根据试验设计，在预留的爆破孔内装入雷管及炸药；在透明模型槽外的正视面、侧视面和俯视面设置可观察整个透明模型槽空间的数码相机，数码相机通过数据线与处理装置联接；

⑶试验：引爆雷管及炸药，由数码相机观测并记录透明冻土边坡模型定向爆破形成人工边坡的过程，并将记录数据通过数据线送入处理装置；

⑷重复过程⑴～过程⑶，可通过处理装置观测不同自然边坡高度、不同爆破孔直径与深度、不同炸药用量情况下透明冻土边坡模型的定向爆破过程，以分析冻土定向爆破机理，完成冻土边坡模型的定向爆破试验。

当需制得模拟饱和冻砂土自然边坡的透明冻土边坡模型时，本发明在过程⑴中，所述制作透明冻土边坡模型包括备料、混配、抽真空、冻结步骤：

所述备料为首先根据试验要求制作模拟自然边坡模型的模具，再根据试验条件与模具尺寸大小计算确定含氟聚合物、颗粒冰及无色孔隙液体的用量；所述含氟聚合物为粒径0.25㎜～2.0㎜的颗粒，清洗杂质并烘干，其颗粒为不规则形状，为美国杜邦公司生产的Teflon AF 1600，折射率1.31，密度2.1g/㎝³～2.3g/㎝³；所述颗粒冰为将冻结好的整块冰捣碎，其粒径为0.1㎜～0.5㎜；所述无色孔隙液体为水；

所述的含氟聚合物颗粒0.25㎜≤粒径＜0.5㎜的为10﹪～50﹪，0.5㎜≤粒径＜1.0㎜的为10﹪～50﹪，1.0㎜≤粒径＜1.5㎜的为10﹪～50﹪，1.5㎜≤粒径≤2.0㎜的为10﹪～50﹪，以重量计，合计为100﹪。

所述混配为在－6.0℃～－8.0℃低温实验室内，先将含氟聚合物颗粒和颗粒冰均匀搅拌，分2～3次装入模具内制试样，并分层击实；再将水加入模具内，充填含氟聚合物颗粒和颗粒冰之间的空隙；

所述抽真空为利用抽真空装置抽除存留在试样内部的气泡，使试样达到充分饱和状态；

所述冻结为将模具装入－20℃低温箱冻结48小时后拆除模具，制得模拟为饱和冻砂土自然边坡的透明冻土边坡模型，其物理特性为：密度1.53 g/㎝³～2.0g/㎝³，重度15kN/m³～20kN/m³，密实度20﹪～80﹪；力学特性为：内摩擦角30°～31°，弹性模量8MPa～61MPa，泊松比0.2～0.4。

当需制得模拟饱和冻黏土自然边坡的透明冻土边坡模型时，本发明在过程⑴中，所述制作透明冻土边坡模型包括备料、混配、抽真空、固结、冻结步骤：

    所述备料为首先根据试验要求制作模拟自然边坡模型的模具，再根据试验条件与模具尺寸大小计算确定含氟聚合物、颗粒冰及无色孔隙液体的用量；所述含氟聚合物为粒径≤0.074㎜的颗粒，清洗杂质并烘干，其颗粒为不规则形状，为美国杜邦公司生产的Teflon AF 1600，折射率1.31，密度2.1g/㎝³～2.3g/㎝³；所述颗粒冰为将冻结好的整块冰捣碎，其粒径≤0.074㎜；所述无色孔隙液体为水；

所述混配为在－6.0℃～－8.0℃低温实验室内，先将含氟聚合物颗粒和颗粒冰均匀搅拌，分2～3次装入模具内制试样，并分层击实；再将水加入模具内，充填含氟聚合物颗粒和颗粒冰之间的空隙；

所述抽真空为利用抽真空装置抽除存留在试样内部的气泡，使试样达到充分饱和状态；

所述固结为将试样放在固结仪中进行固结，固结度OCR值0.8～3；

所述冻结为将模具装入－20℃低温箱冻结48小时后拆除模具，制得模拟为饱和冻黏土自然边坡的透明冻土边坡模型，其物理特性为：密度1.63 g/㎝³～2.1g/㎝³，重度16kN/m³～21kN/m³，固结度OCR值0.8～3；力学特性为：内摩擦角19°～22°，凝聚力为1 kPa～3kPa，弹性模量5MPa～9MPa，泊松比0.2～0.3。

由于采用上述技术方案，本发明较好的实现了发明目的，试验方法可行，配制的透明土透明度高，价格低廉，无毒无害，与天然冻土土体性质的相似性好，能广泛替代自然冻土；试验装置操作简便，易于实现，可重复性强；可用来模拟复杂的地质条件，有效地用于岩土工程中的模型试验。

附图说明

图1是本发明试验装置的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明作进一步说明。

实施例1：

一种冻土边坡模型制作方法，它包括以下步骤：

⑴备料：首先根据试验要求制作模拟自然边坡模型的模具，再根据试验条件与模具尺寸大小计算确定含氟聚合物、颗粒冰及无色孔隙液体的用量；所述含氟聚合物为粒径0.25㎜～2.0㎜的颗粒，清洗杂质并烘干，其颗粒为不规则形状，为美国杜邦公司生产的Teflon AF 1600，折射率1.31，密度2.1g/㎝³～2.3g/㎝³；所述颗粒冰为将冻结好的整块冰捣碎，其粒径为0.1㎜～0.5㎜；所述无色孔隙液体为水；

本发明在步骤⑴中，所述的含氟聚合物颗粒0.25㎜≤粒径＜0.5㎜的为10﹪～50﹪，0.5㎜≤粒径＜1.0㎜的为10﹪～50﹪，1.0㎜≤粒径＜1.5㎜的为10﹪～50﹪，1.5㎜≤粒径≤2.0㎜的为10﹪～50﹪，以重量计，合计为100﹪。

为不影响折射率，本发明在步骤⑴中，所述的水为纯净水。

根据试验条件与模具内试样尺寸大小计算确定含氟聚合物、颗粒冰及纯净水的用量：

本实施例的试样含水量100.0﹪、干密度0.55g/cm³、试样体积（374.0㎝³）及低温实验室温度－6.0℃，换算出制备一个试样所需含氟聚合物颗粒质量（颗粒质量＝干密度×试样体积）为206.0g，总水量（含水量100.0﹪，总水量的质量与颗粒质量相等）为206.0g；由于砂土在温度为－6.0℃时，其未冻水含量约为15﹪，所以在制备试样过程中加入纯净水的质量应为30.9g，颗粒冰的质量为175.1g。

本实施例选择密度2.3g/㎝³的含氟聚合物颗粒，含氟聚合物颗粒0.25㎜≤粒径＜0.5㎜的为20﹪，0.5㎜≤粒径＜1.0㎜的为30﹪，1.0㎜≤粒径＜1.5㎜的为30﹪，1.5㎜≤粒径≤2.0㎜的为20﹪，以重量计，合计为100﹪，将其混合均匀；

⑵混配：在－6.0℃～－8.0℃低温实验室内，先将含氟聚合物颗粒和颗粒冰均匀搅拌，分2～3次装入模具内制试样，并分层击实；再将水加入模具内，充填含氟聚合物颗粒和颗粒冰之间的空隙；

本实施例在－6.0℃低温实验室内，先将步骤⑴中确定的含氟聚合物颗粒和颗粒冰均匀搅拌，分3次装入模具内制试样，并分层击实，压至设计密实度70﹪；再将纯净水加入模具内，充填含氟聚合物颗粒和颗粒冰之间的空隙；

⑶抽真空：利用抽真空装置抽除存留在试样内部的气泡，使试样达到充分饱和状态；

⑷冻结：将模具装入－20℃低温箱冻结48小时后拆除模具，制得模拟饱和冻砂土自然边坡的透明冻土边坡模型，其物理特性为：密度1.53 g/㎝³～2.0g/㎝³，重度15kN/m³～20kN/m³，密实度20﹪～80﹪；力学特性为：内摩擦角30°～31°，弹性模量8MPa～61MPa，泊松比0.2～0.4。

本实施例所制透明冻土边坡模型的物理特性为：密度1.9g/㎝³，重度19kN/m³，密实度70﹪；力学特性为：内摩擦角31°，弹性模量40MPa，泊松比0.3。

由图1可知，一种冻土边坡模型定向爆破试验装置，它包括透明模型槽1，透明模型槽1内设有模拟自然边坡4的透明冻土边坡模型2，透明冻土边坡模型2上依设计设有爆破孔3，爆破孔3内布置有炸药及雷管；透明模型槽1外的正视面、侧视面和俯视面设有可观察整个透明模型槽1空间的数码相机6，数码相机6通过数据线与处理装置7联接；定向爆破时，由数码相机6观测记录透明冻土边坡模型2在不同自然边坡4高度、不同爆破孔直径与深度、不同炸药用量情况下定向爆破形成人工边坡5的过程，并将记录数据通过数据线送入处理装置7，完成冻土边坡模型的定向爆破试验。

本发明所述透明模型槽1采用透明钢化玻璃制成。

本发明所述透明冻土边坡模型2采用透明冻土材料制作，当需制得模拟饱和冻砂土自然边坡的透明冻土边坡模型2时，所述透明冻土它由含氟聚合物、颗粒冰与无色孔隙液体经备料、混配、抽真空、冻结步骤配制而成，所述含氟聚合物、颗粒冰与无色孔隙液体用量通过试验条件与模型大小计算；所述无色孔隙液体为水，所述含氟聚合物为粒径0.25㎜～2.0㎜的颗粒，其颗粒为不规则形状，为美国杜邦公司生产的Teflon AF 1600，折射率1.31，密度2.1g/㎝³～2.3g/㎝³；所述颗粒冰的粒径为0.1㎜～0.5㎜；所述透明冻土的物理特性为：密度1.53 g/㎝³～2.0g/㎝³，重度15kN/m³～20kN/m³，密实度20﹪～80﹪；力学特性为：内摩擦角30°～31°，弹性模量8MPa～61MPa，泊松比0.2～0.4；所述的含氟聚合物颗粒0.25㎜≤粒径＜0.5㎜的为10﹪～50﹪，0.5㎜≤粒径＜1.0㎜的为10﹪～50﹪，1.0㎜≤粒径＜1.5㎜的为10﹪～50﹪，1.5㎜≤粒径≤2.0㎜的为10﹪～50﹪，以重量计，合计为100﹪。

为不影响折射率，本发明所述的水为纯净水。

本实施例选择密度2.3g/㎝³的含氟聚合物颗粒，含氟聚合物颗粒0.25㎜≤粒径＜0.5㎜的为20﹪，0.5㎜≤粒径＜1.0㎜的为30﹪，1.0㎜≤粒径＜1.5㎜的为30﹪，1.5㎜≤粒径≤2.0㎜的为20﹪，以重量计，合计为100﹪。

根据试验条件与模具内试样尺寸大小计算确定含氟聚合物、颗粒冰及纯净水的用量：

本实施例的试样含水量100.0﹪、干密度0.55g/cm³、试样体积（374.0㎝³）及低温实验室温度－6.0℃，换算出制备一个试样所需含氟聚合物颗粒质量（颗粒质量＝干密度×试样体积）为206.0g，总水量（含水量100.0﹪，总水量的质量与颗粒质量相等）为206.0g；由于砂土在温度为－6.0℃时，其未冻水含量约为15﹪，所以在制备试样过程中加入纯净水的质量应为30.9g，颗粒冰的质量为175.1g。

所述混配为在－6.0℃～－8.0℃低温实验室内，先将含氟聚合物颗粒和颗粒冰均匀搅拌，分2～3次装入模具内制试样，并分层击实；再将水加入模具内，充填含氟聚合物颗粒和颗粒冰之间的空隙；

本实施例在－6.0℃低温实验室内，先将确定的含氟聚合物颗粒和颗粒冰均匀搅拌，分3次装入模具内制试样，并分层击实，压至设计密实度70﹪；再将纯净水加入模具内，充填含氟聚合物颗粒和颗粒冰之间的空隙；

所述利用抽真空装置抽除存留在试样内部的气泡，使试样达到充分饱和状态；

所述冻结为将模具装入－20℃低温箱冻结48小时后拆除模具，制得模拟饱和冻砂土自然边坡的透明冻土边坡模型2，其物理特性为：密度1.53 g/㎝³～2.0g/㎝³，重度15kN/m³～20kN/m³，密实度20﹪～80﹪；力学特性为：内摩擦角30°～31°，弹性模量8MPa～61MPa，泊松比0.2～0.4。

本实施例所制透明冻土边坡模型2的物理特性为：密度1.9g/㎝³，重度19kN/m³，密实度70﹪；力学特性为：内摩擦角31°，弹性模量40MPa，泊松比0.3。

本发明所述数码相机6为高清高速数码相机，其分辨率为50 w～500w（本实施例为500w），帧曝光，帧数25，曝光时间10μs～10s（本实施例为10μs）。

一种冻土边坡模型定向爆破试验方法，它包括以下过程：

⑴建模：根据试验要求及自然冻土边坡模型尺寸分别制作透明模型槽1和模拟自然冻土边坡模型的透明冻土边坡模型2，所述透明冻土边坡模型2采用透明冻土材料制作，并预留爆破孔3；所述透明模型槽1采用透明钢化玻璃制成；

当需制得模拟饱和冻砂土自然边坡的透明冻土边坡模型2时，本发明在过程⑴中，所述制作透明冻土边坡模型包括备料、混配、抽真空、冻结步骤：

所述备料为首先根据试验要求制作模拟自然边坡模型的模具，再根据试验条件与模具尺寸大小计算确定含氟聚合物、颗粒冰及无色孔隙液体的用量；所述含氟聚合物为粒径0.25㎜～2.0㎜的颗粒，清洗杂质并烘干，其颗粒为不规则形状，为美国杜邦公司生产的Teflon AF 1600，折射率1.31，密度2.1g/㎝³～2.3g/㎝³；所述颗粒冰为将冻结好的整块冰捣碎，其粒径为0.1㎜～0.5㎜；所述无色孔隙液体为水；

所述的含氟聚合物颗粒0.25㎜≤粒径＜0.5㎜的为10﹪～50﹪，0.5㎜≤粒径＜1.0㎜的为10﹪～50﹪，1.0㎜≤粒径＜1.5㎜的为10﹪～50﹪，1.5㎜≤粒径≤2.0㎜的为10﹪～50﹪，以重量计，合计为100﹪。

为不影响折射率，本发明所述的水为纯净水。

根据试验条件与模具内试样尺寸大小计算确定含氟聚合物、颗粒冰及纯净水的用量：

本实施例的试样含水量100.0﹪、干密度0.55g/cm³、试样体积（374.0㎝³）及低温实验室温度－6.0℃，换算出制备一个试样所需含氟聚合物颗粒质量（颗粒质量＝干密度×试样体积）为206.0g，总水量（含水量100.0﹪，总水量的质量与颗粒质量相等）为206.0g；由于砂土在温度为－6.0℃时，其未冻水含量约为15﹪，所以在制备试样过程中加入纯净水的质量应为30.9g，颗粒冰的质量为175.1g。

本实施例选择密度2.3g/㎝³的含氟聚合物颗粒，含氟聚合物颗粒0.25㎜≤粒径＜0.5㎜的为20﹪，0.5㎜≤粒径＜1.0㎜的为30﹪，1.0㎜≤粒径＜1.5㎜的为30﹪，1.5㎜≤粒径≤2.0㎜的为20﹪，以重量计，合计为100﹪，将其混合均匀；

所述混配为在－6.0℃～－8.0℃低温实验室内，先将含氟聚合物颗粒和颗粒冰均匀搅拌，分2～3次装入模具内制试样，并分层击实；再将水加入模具内，充填含氟聚合物颗粒和颗粒冰之间的空隙；

本实施例在－6.0℃低温实验室内，先将确定的含氟聚合物颗粒和颗粒冰均匀搅拌，分3次装入模具内制试样，并分层击实，压至设计密实度70﹪；再将纯净水加入模具内，充填含氟聚合物颗粒和颗粒冰之间的空隙；

所述抽真空为利用抽真空装置抽除存留在试样内部的气泡，使试样达到充分饱和状态；

所述冻结为将模具装入－20℃低温箱冻结48小时后拆除模具，制得模拟为饱和冻砂土自然边坡的透明冻土边坡模型2，其物理特性为：密度1.53 g/㎝³～2.0g/㎝³，重度15kN/m³～20kN/m³，密实度20﹪～80﹪；力学特性为：内摩擦角30°～31°，弹性模量8MPa～61MPa，泊松比0.2～0.4。

本实施例所制透明冻土边坡模型2的物理特性为：密度1.9g/㎝³，重度19kN/m³，密实度70﹪；力学特性为：内摩擦角31°，弹性模量40MPa，泊松比0.3。

⑵安装：将透明冻土边坡模型2装入透明模型槽1，根据试验设计，在预留的爆破孔3内装入雷管及炸药，炸药药量根据试验设计要求确定；在透明模型槽1外的正视面、侧视面和俯视面设置可观察整个透明模型槽1空间的数码相机6，数码相机6通过数据线与处理装置7联接；

本发明所述数码相机6为高清高速数码相机，其分辨率为50 w～500w（本实施例为500w），帧曝光，帧数25，曝光时间10μs～10s（本实施例为10μs）。

⑶试验：引爆雷管及炸药，由数码相机6观测并记录透明冻土边坡模型2定向爆破形成人工边坡5的过程，并将记录数据通过数据线送入处理装置7；

试验中，利用PIV技术（Particle Image Velocimetry粒子图像测速法）结合图像处理软件PIVview2C对由数码相机6采集的图片资料进行处理。

⑷重复过程⑴～过程⑶，可通过处理装置7观测不同自然边坡4高度、不同爆破孔3直径与深度、不同炸药用量情况下透明冻土边坡模型2的定向爆破过程，以分析冻土定向爆破机理，完成冻土边坡模型2的定向爆破试验。

实施例2：

在冻土边坡模型2的制备中，选择密度2.1g/㎝³的含氟聚合物颗粒，含氟聚合物颗粒0.25㎜≤粒径＜0.5㎜的为20﹪，0.5㎜≤粒径＜1.0㎜的为30﹪，1.0㎜≤粒径＜1.5㎜的为30﹪，1.5㎜≤粒径≤2.0㎜的为20﹪，以重量计，合计为100﹪，将其混合均匀；混配时，控制密实度30﹪；本实施例所制透明冻土边坡模型2的物理特性为：密度1.82g/㎝³，重度18kN/m³，密实度30﹪；力学特性为：内摩擦角30°，弹性模量10MPa，泊松比0.35。

余同实施例1。

实施例3：

一种冻土边坡模型制作方法，它包括以下步骤：

⑴备料：首先根据试验要求制作模拟自然边坡模型的模具，再根据试验条件与模具尺寸大小计算确定含氟聚合物、颗粒冰及无色孔隙液体的用量；所述含氟聚合物为粒径≤0.074㎜的颗粒，清洗杂质并烘干，其颗粒为不规则形状，为美国杜邦公司生产的Teflon AF 1600，折射率1.31，密度2.1g/㎝³～2.3g/㎝³；所述颗粒冰为将冻结好的整块冰捣碎，其粒径≤0.074㎜；所述无色孔隙液体为水；

为不影响折射率，本发明所述的水为纯净水。

本实施例试验条件与模具内试样尺寸大小和计算方法与实施例1相同。

本实施例确定含氟聚合物颗粒、颗粒冰及纯净水的用量分别为206.0g、175.1g和30.9g。

本实施例选择密度2.3g/㎝³、粒径≤0.074㎜的含氟聚合物颗粒。

⑵混配：在－6.0℃～－8.0℃低温实验室内，先将含氟聚合物颗粒和颗粒冰均匀搅拌，分2～3次装入模具内制试样，并分层击实；再将水加入模具内，充填含氟聚合物颗粒和颗粒冰之间的空隙；

本实施例在－6.0℃低温实验室内，先将步骤⑴中确定的含氟聚合物颗粒和颗粒冰均匀搅拌，分3次装入模具内制试样，并分层击实，压至设计密实度70﹪；再将纯净水加入模具内，充填含氟聚合物颗粒和颗粒冰之间的空隙；

⑶抽真空：利用抽真空装置抽除存留在试样内部的气泡，使试样达到充分饱和状态；

⑷固结：将试样放在固结仪中进行固结，固结度OCR值0.8～3；

本实施例固结度OCR值1.5；

⑸冻结：将模具装入－20℃低温箱冻结48小时后拆除模具，制得模拟饱和冻黏土自然边坡的透明冻土边坡模型，其物理特性为：密度1.63 g/㎝³～2.1g/㎝³，重度16kN/m³～21kN/m³，固结度OCR值0.8～3；力学特性为：内摩擦角19°～22°，凝聚力为1kPa～3kPa，弹性模量5MPa～9MPa，泊松比0.2～0.3。

本实施例所制透明冻土边坡模型的物理特性为：密度1.93g/㎝³，重度19.1kN/m³；力学特性为：内摩擦角20°，凝聚力为3kPa，弹性模量9MPa，泊松比0.3。

由图1可知，一种冻土边坡模型定向爆破试验装置，它包括透明模型槽1，透明模型槽1内设有模拟自然边坡4的透明冻土边坡模型2，透明冻土边坡模型2上依设计设有爆破孔3，爆破孔3内布置有炸药及雷管；透明模型槽1外的正视面、侧视面和俯视面设有可观察整个透明模型槽1空间的数码相机6，数码相机6通过数据线与处理装置7联接；定向爆破时，由数码相机6观测记录透明冻土边坡模型2在不同自然边坡4高度、不同爆破孔直径与深度、不同炸药用量情况下定向爆破形成人工边坡5的过程，并将记录数据通过数据线送入处理装置7，完成冻土边坡模型的定向爆破试验。

本发明所述透明模型槽1采用透明钢化玻璃制成。

本发明所述透明冻土边坡模型2采用透明冻土材料制作，当需制得模拟饱和冻黏土自然边坡的透明冻土边坡模型2时，所述透明冻土它由含氟聚合物、颗粒冰与无色孔隙液体经备料、混配、抽真空、固结、冻结步骤配制而成，所述含氟聚合物、颗粒冰与无色孔隙液体用量通过试验条件与模型大小计算；所述无色孔隙液体为水，所述含氟聚合物为粒径≤0.074㎜的颗粒，其颗粒为不规则形状，为美国杜邦公司生产的Teflon AF 1600，折射率1.31，密度2.1g/㎝³～2.3g/㎝³；所述颗粒冰的粒径≤0.074㎜；所述透明冻土的物理特性为：密度1.63 g/㎝³～2.1g/㎝³，重度16kN/m³～21kN/m³，固结度OCR值0.8～3；力学特性为：内摩擦角19°～22°，凝聚力为1kPa～3kPa，弹性模量5MPa～9MPa，泊松比0.2～0.3。

为不影响折射率，本发明所述的水为纯净水。

本实施例试验条件与模具内试样尺寸大小和计算方法与实施例1相同。

本实施例确定含氟聚合物颗粒、颗粒冰及纯净水的用量分别为206.0g、175.1g和30.9g。

本实施例选择密度2.3g/㎝³、粒径≤0.074㎜的含氟聚合物颗粒。

所述混配为在－6.0℃～－8.0℃低温实验室内，先将含氟聚合物颗粒和颗粒冰均匀搅拌，分2～3次装入模具内制试样，并分层击实；再将水加入模具内，充填含氟聚合物颗粒和颗粒冰之间的空隙；

本实施例在－6.0℃低温实验室内，先将确定的含氟聚合物颗粒和颗粒冰均匀搅拌，分3次装入模具内制试样，并分层击实，压至设计密实度70﹪；再将纯净水加入模具内，充填含氟聚合物颗粒和颗粒冰之间的空隙；

所述抽真空为利用抽真空装置抽除存留在试样内部的气泡，使试样达到充分饱和状态；

所述固结为将试样放在固结仪中进行固结，固结度OCR值0.8～3；

本实施例固结度OCR值1.5；

所述冻结为将模具装入－20℃低温箱冻结48小时后拆除模具，制得模拟饱和冻黏土自然边坡的透明冻土边坡模型2，其物理特性为：密度1.63 g/㎝³～2.1g/㎝³，重度16kN/m³～21kN/m³，固结度OCR值0.8～3；力学特性为：内摩擦角19°～22°，凝聚力为1kPa～3kPa，弹性模量5MPa～9MPa，泊松比0.2～0.3。

本实施例所制透明冻土边坡模型2的物理特性为：密度1.93g/㎝³，重度19.1kN/m³；力学特性为：内摩擦角20°，凝聚力为3kPa，弹性模量9MPa，泊松比0.3。

一种冻土边坡模型定向爆破试验方法，它包括以下过程：

⑴建模：根据试验要求及自然冻土边坡模型尺寸分别制作透明模型槽1和模拟自然冻土边坡模型的透明冻土边坡模型2，所述透明冻土边坡模型2采用透明冻土材料制作，并预留爆破孔3；所述透明模型槽1采用透明钢化玻璃制成；

当需制得模拟饱和冻黏土自然边坡的透明冻土边坡模型2时，本发明在过程⑴中，所述制作透明冻土边坡模型包括备料、混配、抽真空、固结、冻结步骤：

所述备料为首先根据试验要求制作模拟自然边坡模型的模具，再根据试验条件与模具尺寸大小计算确定含氟聚合物、颗粒冰及无色孔隙液体的用量；所述含氟聚合物为粒径≤0.074㎜的颗粒，清洗杂质并烘干，其颗粒为不规则形状，为美国杜邦公司生产的Teflon AF 1600，折射率1.31，密度2.1g/㎝³～2.3g/㎝³；所述颗粒冰为将冻结好的整块冰捣碎，其粒径≤0.074㎜；所述无色孔隙液体为水；

为不影响折射率，本发明所述的水为纯净水。

本实施例试验条件与模具内试样尺寸大小和计算方法与实施例1相同。

本实施例确定含氟聚合物颗粒、颗粒冰及纯净水的用量分别为206.0g、175.1g和30.9g。

本实施例选择密度2.3g/㎝³、粒径≤0.074㎜的含氟聚合物颗粒。

所述混配为在－6.0℃～－8.0℃低温实验室内，先将含氟聚合物颗粒和颗粒冰均匀搅拌，分2～3次装入模具内制试样，并分层击实；再将水加入模具内，充填含氟聚合物颗粒和颗粒冰之间的空隙；

本实施例在－6.0℃低温实验室内，先将确定的含氟聚合物颗粒和颗粒冰均匀搅拌，分3次装入模具内制试样，并分层击实，压至设计密实度70﹪；再将纯净水加入模具内，充填含氟聚合物颗粒和颗粒冰之间的空隙；

所述抽真空为利用抽真空装置抽除存留在试样内部的气泡，使试样达到充分饱和状态；

所述固结为将试样放在固结仪中进行固结，固结度OCR值0.8～3；

本实施例固结度OCR值1.5；

所述冻结为将模具装入－20℃低温箱冻结48小时后拆除模具，制得模拟饱和冻黏土自然边坡的透明冻土边坡模型，其物理特性为：密度1.63 g/㎝³～2.1g/㎝³，重度16kN/m³～21kN/m³，固结度OCR值0.8～3；力学特性为：内摩擦角19°～22°，凝聚力为1kPa～3kPa，弹性模量5MPa～9MPa，泊松比0.2～0.3。

本实施例所制透明冻土边坡模型2的物理特性为：密度1.93g/㎝³，重度19.1kN/m³；力学特性为：内摩擦角20°，凝聚力为3kPa，弹性模量9MPa，泊松比0.3。

⑵安装：将透明冻土边坡模型2装入透明模型槽1，根据试验设计，在预留的爆破孔3内装入雷管及炸药，炸药药量根据试验设计要求确定；在透明模型槽1外的正视面、侧视面和俯视面设置可观察整个透明模型槽1空间的数码相机6，数码相机6通过数据线与处理装置7联接；

本发明所述数码相机6为高清高速数码相机，其分辨率为50 w～500w（本实施例为500w），帧曝光，帧数25，曝光时间10μs～10s（本实施例为10μs）。

⑶试验：引爆雷管及炸药，由数码相机6观测并记录透明冻土边坡模型2定向爆破形成人工边坡5的过程，并将记录数据通过数据线送入处理装置7；

试验中，利用PIV技术（Particle Image Velocimetry粒子图像测速法）结合图像处理软件PIVview2C对由数码相机6采集的图片资料进行处理。

⑷重复过程⑴～过程⑶，可通过处理装置7观测不同自然边坡4高度、不同爆破孔3直径与深度、不同炸药用量情况下透明冻土边坡模型2的定向爆破过程，以分析冻土定向爆破机理，完成冻土边坡模型2的定向爆破试验。

余同实施例1。

实施例4：

在冻土边坡模型2的制备中，选择密度2.1g/㎝³的含氟聚合物颗粒；固结时，固结度OCR值0.8；本实施例所制透明冻土边坡模型2的物理特性为：密度1.83g/㎝³，重度17.8 kN/m³；力学特性为：内摩擦角19°，凝聚力为1kPa，弹性模量5.2MPa，泊松比0.22。

余同实施例3。