[科普中国]-岩体工程光弹模拟

岩体工程光弹模拟是指用光学灵敏材料制成的模型置于偏振光场中，模拟岩体工程结构应力分布和应力大小的研究方法。依据的原理是各向同性的非晶体透明光弹材料，加载时能出现光学各向异性(即具有暂时双折射性质)，随着卸载而消失。本方法以光学技术和弹性力学为基础，模型与原型之间必须满足必要的相似准则。光弹性模拟常用于研究某些用数学解析方法尚不易解决的矿山岩石力学应力分布和变化规律问题，并可与有限元法、边界元法结合使用。

简介岩体工程光弹模拟是指用光学灵敏材料制成的模型置于偏振光场中，模拟岩体工程结构应力分布和应力大小的研究方法。依据的原理是各向同性的非晶体透明光弹材料，加载时能出现光学各向异性(即具有暂时双折射性质)，随着卸载而消失。本方法以光学技术和弹性力学为基础，模型与原型之间必须满足必要的相似准则。光弹性模拟常用于研究某些用数学解析方法尚不易解决的矿山岩石力学应力分布和变化规律问题，并可与有限元法、边界元法结合使用。

受力模型在正交偏振光场中产生的光程差与模型中各点主应力差值成函数关系，在受力模型中出现应力光图，彩色或黑白相间的条纹是等主应力差线。其条纹序数是连续的;与之交叉的另一组黑线是等倾线，表示该线上各点主应力方向相同1。

常用的光弹材料常用的光弹材料有：

(1)硬胶

以环氧树脂塑料为主，还有白氏塑胶、酚醛树脂、赛璐路，聚碳酸酷等；主要用于研究承受较大载荷的无重模型。

(2)软胶

以明胶、琼脂为主，还有环氧冻胶。适用于研究自重应力场的模型，材料条纹值表示模型材料为单位厚度，光程差为单位波长时的最大剪应力值。单位为MPa·cm/条纹。它表征材料的光学灵敏性2。

加载方法加载方法有：

(1)杠杆加载法；

(2)液压加载法；

(3)气压与水银加载法；

(4)离心加载法；

(5)特殊加载法3。

模型应力光图的观测分析对于立体模型常采用冻结切片法，即将受力模型置入烘箱(或离心机加载盒)，按一定冻结温度制度对模型进行应力冻结，卸载后由载荷产生的应力光图仍保留在模型内，可沿不同方向切薄片分析。

对模型应力光图的观测分析多使用漫射式光弹仪，散光光弹仪，动态光弹仪。激光全息光弹仪等，并且由肉眼观测，人上描绘、照相。发展为自动化、智能化的光弹仪，相应地发展了各种方法的应用原理及试验设备3。

发展简史中国自60年代开始将光弹模拟法用于研究矿山岩石力学工程问题，如用于研究巷道周围应力分布、巷道合理位置、采场构成要素、巷道开挖方法、支护结构、矿柱尺寸等。由于微机及岩石力学数值分析方法的发展，光弹模拟实验已逐步被取代2。

本词条内容贡献者为:

石季英 - 副教授 - 天津大学