透明土及其在不同領域的新應用

劉 紹 莉

(同濟大學，上海 200092)

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透明土及其在不同領域的新應用

劉 紹 莉

(同濟大學，上海 200092)

結合透明土的研究現狀，介紹了透明土的發展歷程，從巖土工程性質、室內試驗、實驗設備與技術等方面，總結了其在不同領域的應用，有利于促進透明土技術的進一步發展。

透明土，巖土性質，實驗設備，透明材料

0 引言

在不同外力綜合作用條件下土體內部變形的測量是研究土體變形機理的關鍵，同時是土力學研究的重要基礎之一。傳統的室內模型試驗大都通過預埋傳感器或電阻應變片的方法來測量土體內部變形，但擾動均過大；而后研究者使用X射線、計算機軸向斷層掃描(CAT)和核磁共振成像(MRI)[1]技術來觀測土體內部局部變形，但是由于此技術成本過高而沒有得到推廣。因此學者開始尋找代替自然土的透明材料。

隋旺華等[2]對透明土各方面給出了系統的概括和評述。1990年Mannheimer發明了透明泥漿，這標志著透明土的開端；2001年Sadek，Iskander[3]對透明土的合成進行了進一步研究；2010年Liu，Iskander[4]總結研究了透明材料的合成，最終得到了透明合成材料及試驗的具體做法，固體材料主要為不同粒徑的無定型硅粉、熔融石英砂、二氧化硅膠體等二氧化硅水合物，孔隙流體主要為與固體材料相同折射率的溴化鈣溶液、工業礦物油等溶液，圖像采集使用激光進行切面，利用高速攝像機進行拍照，最后利用數字圖像技術進行變形及滲流分析。

1 透明土實驗技術的起源與發展

用碎玻璃制成的透明材料的強度與正常土體存在差異，高壓易碎，并且透明度差不易觀測，因此不被廣泛采用；此后玻璃粉被廣泛應用于二維滲流模型中，冰晶石(一種透明的氟化鹽)也被用來研究。自1990年Mannheimer發明的透明泥漿之后，其物理力學性質被Mannheimer和Iskander等人進行了研究，試驗結果表明透明泥漿性質與天然土體相吻合，可以用來研究天然土體的性質。

此后，Iskander利用無定型硅粉和相應折射率工業油合成了用于模擬粘土的透明土，同樣用二氧化硅膠體和與其具有相同折射率的孔隙流體合成了透明砂土。緊接著Iskander利用熔融石英砂為固體材料合成了透明土，因為熔融石英砂的形狀特征和化學組分與自然砂土更為相近，熔融石英砂的動力學特征也與自然砂土接近，所以現階段大部分學者都用熔融石英砂來模擬砂土。

2 材料的制備

目前，人工合成透明土包括兩類：第一類是用來模擬粘土的無定形硅粉；第二類是用來模擬砂土的無定形硅膠或熔融石英砂。

兩大類透明土的配制過程詳述如下：

1)粘性土的配制[5]。

固體材料使用無定型硅粉；孔隙流體使用工業礦物油或者鹵水，礦物油可以用兩種不同折射率的白油混合而成，按照不同的室溫條件調節礦物油的比例，使混合礦物油的折射率與無定型硅粉的折射率一致；鹵水可用固態溴化鈣和水混合而成，按照室溫調節鹵水的濃度，使鹵水的折射率與無定型硅粉的折射率一致。

2)砂土的制備。

采用熔融石英砂與相同折射率的工業白油，根據需要制定不同粒徑的熔融石英砂，再根據顆分曲線進行均勻混合，加入折射率一致的工業白油，為提高懸浮液的透明度，需要去除孔隙內的空氣，一般采用充分攪拌再用抽真空的方法，直至透明度達到要求，最后將配制好的懸浮液固結。

3 巖土工程性質

為了準確的模擬天然巖土體的變形機理，需要使所配制的透明材料的巖土力學性質與天然土體一致。國內外諸多學者對透明土模擬天然土體的能力做了多方面研究，對常規的土體的剪切特性和固結性能 Sadek，Iskander，Liu[6,7]對此做了相關試驗研究；水力學滲透特性方面Welker等[8]做了初步試驗研究；對于透明土的動力學特性Zhao等人[9]也做了相關實驗研究；Ivan L.， Guzman等[10]總結了現有的幾種透明材料的物理參數，包括材料折射率，孔隙流體的粘度，水力梯度，滲透率，摩擦角，內聚力。研究表明透明材料的巖土力學性質與天然土體一致，透明砂的應力—應變關系與天然砂的應力—應變關系較為吻合，透明粘土的應力—應變關系與粘性土非常相似。

4 實驗設備與技術

為準確方便的觀測透明土內部的變形及滲流情況，不同學者根據現有的光學技術做了多方面研究。基于透明材料的特殊性，Iskander[2]開發了一套用于測量土體內部變形的系統，此完整系統由激光源發射激光，后經線發生器將激光轉變成線狀對透明圖樣進行切分，高速攝像機捕捉其變形前后的圖像，得到一系列散斑圖，這些散斑圖通過計算機中圖像分析系統分析處理，最終得到不同切片變形前后的位移場，如果想要得到完整的土體三維變形場，則需對多個切片變形前后圖像進行分析。透明土的成功研制及變形觀測系統的開發促使室內土工模型試驗進入了一個全新的階段，為不同領域的研究開拓了新的研究基礎，加深在不同領域內土體變形及破壞機理的認識。另外Gill等[11]對現有的光學觀測方法進行了分析研究，佘躍心等[5]對相關圖像處理技術進行了總結研究。

5 透明土實驗技術的應用

透明土的誕生及相應觀測系統的開發為不同領域的研究奠定了基礎，室內三軸試驗變形測量、條形基礎的變形測量、沉樁過程中周圍土體的變形測量及離心機試驗等方面的變形測量都已開始采用透明材料。

在基礎地基變形和承載力研究方面，齊昌廣等[12]基于透明土試驗研究了淺基礎沉降引起的土體變形規律；Song等[13]分析了基于透明土利用離心機試驗探究錨桿嵌入土體過程中錨固力的變化；Ni等[14]分析研究了沉樁過程中樁周土體的變形及樁與土體的相互作用。高炳倫[15]研究了在潰砂過程中砂體的流動形態變化規律，對潰砂發生過程、階段特點以及潰砂流動形態進行了研究。李文濤[16]基于透明土開展了盾構隧道壁后同步注漿模型試驗。劉佳佳[17]基于透明土研究了盾構隧道開挖面土體變形及穩定性，系統研究了盾構施工引起土體變形的細觀機理。林志斌等[18]對基于透明巖體的深埋軟巖巷道變形破裂規律進行了研究?？拙V強等人[19]基于透明土研究了異形樁拔樁過程中土體變形規律，沉樁過程中土體三維變形規律，擴底楔形樁中性點位置測定方法分析，水平荷載下擴底楔形樁承載力特性分析，水平荷載樁室內模型試驗系統研究分析，等截面樁的沉樁模型試驗變形分析，管樁貫入特性模型試驗研究分析，極限荷載下X形樁和圓形樁破壞形式模型試驗分析對比。齊昌廣等[20]在透明土的基礎上研究觀測了不同約束形式下完全嵌入模型細長樁的完整屈曲曲線。吳躍東等[21]基于透明土進行了取土管的貫入試驗，得到了在取土管貫入過程中土體擾動變形場的分布特性。

6 結語

采用本文引述的透明材料的配制方法配制得到的透明材料可有效地模擬天然土體，利用現有的光學觀測分析系統以及圖像處理技術可精確觀測土體內部變形及孔隙流體的滲流過程。隨著新材料的不斷研發，光學攝影技術的發展，透明材料的室內試驗研究精度將會得到進一步提高，其應用領域也將會進一步擴大。

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Transparent soil and development of its application

Liu Shaoli

(TongjiUniversity,Shanghai200092,China)

Combining with transparent soil research status, the paper introduces transparent soil development history. Starting from aspects geotechnical engineering properties, indoor test, experimental equipment and technologies, it summarizes its application in different fields, which will be good for further promoting transparent soil technology.

transparent soil, geotechnical properties, experimental equipment, transparent material

1009-6825(2016)16-0062-02

2016-03-25

劉紹莉(1990- )，女，在讀碩士

TU449

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