透明土可视化技术的发展及其在岩土力学中的应用

透明土可视化技术的发展及其在岩土力学中的应用
发布时间：2022-12-09T06:30:56.279Z 来源：《城镇建设》2022年第15期第8月作者：张鑫强
[导读] 江河水道提防是我国水利工程防洪工程系统中至关重要的组成部分
张鑫强
重庆交通大学重庆 400000
摘要：江河水道提防是我国水利工程防洪工程系统中至关重要的组成部分，作为最后一道防线保护着下游人民群众的生命财产安全。

但在渗透水流反复冲刷作用下，管涌型渗透破坏频频发生，造成了极大的社会经济损失，所以对管涌发生发展的细观机理研究对于解决江河水道提防工程的安全防护具有至关重要的意义。

相较于传统的管涌机理研究，人工合成透明土材料以及粒子示踪数字图像处理技术的出现，使得可视化的渗透破坏实验得以实现。

关键词：透明土；室内试验；渗透管涌；岩土工程
1引言
传统的土力学室内试验中，由于天然土体本身的不透明的特性，对试验过程中土体形态的变化只能停留在土体的表面，无法对内部细观土体颗粒的真实情况进行最直观的观测与记录。

在透明土材料问世并成熟之前，为了达到可视化的目的学者们也进行了多种尝试。

[1-4]早在二十世纪中旬，Milligan等就尝试过利用X-射线对灌入细颗粒铅的方式来对土体内部的剪切变形进行观测。

诚然，这在当时是一次突破性的尝试，但细颗粒铅的物理属性与其埋设周边的土体颗粒有较大的差异，这种离散的、不连续的实验方法所观测到的结果的代表性难以保障；在细颗粒铅灌入过程中在土体内部的传感器本身也会对土体自然变化造成不可忽视的干扰。

上世纪70年代，随着CT、MRI技术的兴起，此类无损观测技术也被运用到岩土力学的室内模型试验当中[5]，但模型尺寸以及制作成本上的多种限制，阻碍了此技术在力学试验中的广泛应用。

时间过渡到80年代，透明土试验技术作为一种能够同时满足土体内部可视化、无损测量、实验方法便捷的新型室内试验方式走进了科研人员的视线中。

2 透明土的基本原理与配制
2.1基本原理
当光线照射在物体上时，由于光的散射以及反射现象，光线在通过物体后光强减弱的同时，其本身的运动轨迹也会发生一定的偏移；一部分的光因为反射而朝向其他方向运动，其光线强度以及运动轨迹取决于物体本身的粗糙程度、折射率和光线的入射角度；而另一部分光则发生折射进入物体内部，这则是由物体本身的折射率决定的。

[6]单个透明的均质物体在与另一种透明均质物混合后形成非均质介质，由于上述所提到的反射与折射，将会导致投射光线发生弥散进而失去原本透明的效果。

[7]因此，如果能找到一种物体性质上与天然土体足够相似的固体材料作为颗粒骨架，并同时在此颗粒骨架中注满相同折射率的透明孔隙液体，我们就得到了一个与天然土体特性相似的完全透明的人工合成透明土试样。

如此，我们便可以实现对近似天然土体无损的相关实验。

2.2透明土试样的配置
2.2.1透明土骨架颗粒
对于透明土骨架颗粒的选择需要考虑的有下列几点因素：①透明性：为了内部可视化的实现，需要选择透明的固体颗粒；②物理特性：为了让试验结果具有代表性，需选择与天然土体相近物理特性的固体；③稳定性：为了保证试验过程中透明土不发生变质、失去透明性，需要所选的固体颗粒具有相当的稳定性。

经过多年的发展，研究者发现无定形硅粉作为透明土骨架颗粒时其工程特性与粘土相似[8]；而无定形硅胶或熔融石英砂则具有与天然砂土相近的工程特性;PMMA颗粒、高吸水性树脂、水晶玻璃等也都有其适用的工程领域。

2.2.2透明土孔隙溶液
为了与所选择的骨架颗粒进行匹配，孔隙溶液也需要具备下列特征：①透明，为了保证与透明骨架颗粒混合后的透明性，孔隙溶液也需透明；②与天然水体相近的粘滞性；③稳定的化学物理性质。

国内外的研究者已经探索出多种不同的组合方式[9],如沉淀无定形二氧化硅胶作为固体骨架颗粒，NP1014 和白矿油 ISO 15 的混合液作为孔隙溶液；熔融石英砂与蔗糖溶液或Krystol 40 和 Puretol 7 的混合液；聚丙烯酸钠交联聚合物颗粒与蒸馏水等。

3透明土技术在岩土力学中的应用
3.1早期可行性探索
上世纪 80 年代，Allersma[10]使用光学匹配的碎玻璃和孔隙流体进行了应力分析和应变张量分布的研究。

初步实现了透明土可视化技术与岩土力学试验的结合。

紧接其后J. T. Park[11]利用硅石作为颗粒骨架，矿物油与斯托达德混合溶液作为孔隙溶液制作了泥浆状的透明土试样。

并对该试样做了一系列水力学试验发现其均方根纵速度与经典牛顿流体湍流管流试验相似。

Iskander[12,13]将透明土材料运用于岩土工程领域，试验研究发现，由无定型硅粉作为骨架颗粒的透明土试样在工程特性上与低塑性粘土相似，而硅胶作为骨架颗粒制成的的透明土试样则在力学性质上与砂土相近，这也进一步论证了透明土试样运用于天然土体模拟试验的可行性。

3.2透明土配置选择及特性研究
今年来透明土可视化试验加速发展，大量研究者将透明土可视化技术与岩土工程试验相结合，做了大量的研究工作。

佘跃心[14]选择了矿物质油和无定形硅粉作为原材料制作透明土试样，分析了土体的变形测量方法。

隋旺华[15]总结了透明土试验中的技术起源、各个时期研究者对不同透明土试样制备的不同认识，将透明土可视化技术引入了土体的变形、渗流的领域。

孔纲强等[16,17]经过详尽的试验后论证了5种不同溶液作为孔隙溶液配置透明土试样的可行性，并提出进行透明土可视化试验时需要考虑溶液对试验仪器的影响，这也为后来者进行透明土实验提供了一个全新的角度。

3.3透明土技术与粒子示踪、图像处理技术的融合
随着科技的进步，研究者们不再满足于宏观现象上的观测。

PLIF（平面激光诱导荧光技术）、粒子示踪技术、PIV(粒子图像测速)等示踪与图像处理技术的出现也将基于透明土可视化的室内模拟试验带到了全新的天地。

王宇等[18]融合粒子示踪、断层成像和数字处理技术，研发了一套可视化渗透破坏实验装置，直观的展现了土体渗透破坏孕育—发生—发展—破坏的全过程颗粒运移特征。

倪小东等[19]提出了一
种基于透明土技术、颗粒流模拟联合开展的细观机理研究方法，并从颗粒见接触力链的细观角度分析颗粒摩擦系数、颗粒级配和细料含量对管涌发生、发展的影响。

4结论
透明土可视化技术的发展与在岩土力学领域的应用历经半个世纪，国内外的研究者们前赴后继。

从透明土的基本原理以及配置方式到不同的骨架颗粒、孔隙溶液分别适用于何种天然土体；从最开始想要实现无损可视化内部观测的美好愿景一步步走到与不同科研领域相融合；随着粒子示踪、断层成像、图像处理技术的不断进步，透明土可视化实验的应用范围与研究精度也在不断提高。

继续在前人的研究基础上不懈探究对实现土体内部运动机理的揭示有及其重大的意义。

参考文献：
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[19]倪小东,寇恒绮,左翔宇,王媛,陆江发.基于透明土技术与颗粒流方法联合开展管涌细观机理研究[J].水利学报,2021,52(12):1482-1497.。