可視化透明土技術在巖土變形測量實驗教學中的應用

周 鵬，柯文斌

（華東交通大學 土木建筑學院，江西 南昌 330013）

引言

巖土變形測量是土木工程和地質工程的重要任務之一，旨在研究地下巖土體的變形情況，為工程設計和施工提供依據。傳統的巖土變形測量只能對土體的局部或點位進行測量，無法實時獲取巖土體全域的變形信息，也難以捕捉到復雜的變形機制和行為。此外，由于巖土體的不透明性，傳統技術通常依賴于對變形標志物的測量，無法直接觀察巖土體內部的變形情況，這將導致相關科研實驗和實踐教學無法直觀展示實驗結果［1］，從而給學生帶來困擾，降低實踐教學的效果。因此，尋找一種新的教學工具進行巖土變形測量實驗具有重要意義。

針對傳統巖土變形測量方法的局限性，有學者提出了采用透明材料模擬天然土體的想法。Iskander 等［2］首次嘗試使用透明材料模擬黏土和砂土，并通過觀察透明土的變形過程來研究土體的物理力學行為。隨后，眾多學者將透明土技術應用于模型試驗中，以解決巖土工程實際問題［3-5］。可視化透明土技術作為一種新興的教學工具在巖土變形測量中越來越受到重視。可視化透明土技術將真實的巖土體模擬為透明的物質，使得學生能夠清晰地觀察巖土體的變形過程，了解巖土體的變形機制和行為。因此，在當前的巖土變形測量教學過程中，可視化透明土技術實驗的開展是非常必要的。該實驗技術可鍛煉學生的實驗動手能力，并充分發揮學生的自主能動性。具體而言，學生需要自主選擇合適的透明土制配材料、設計透明土制配材料的混合比例、使用數據采集設備，以及掌握數字圖像相關技術平臺的操作。通過自主設計實驗方案，并利用基本的實驗操作和方法完成實驗以及處理實驗采集數據，學生將能夠獨立地、科學地、合理地運用可視化透明土技術進行巖土變形測量。

本試驗旨在培養學生對可視化透明土技術的理解和應用能力，以及在巖土變形測量方面的實踐能力和創新思維。通過該實驗項目，學生可以獨立操作可視化透明土技術相關的模型試驗裝置，有助于深入理解可視化透明土技術的原理和操作流程。該舉措充分發揮了模型設備在科學研究和教學實驗中的重要作用，不僅提高了設備利用率，而且符合將模型設備應用于實驗教學中的理念。

一、可視化透明土技術實驗教學

（一）技術原理

飽和土體是由土骨架和孔隙水構成的雙相結構。為模擬飽和土體，在實驗中選用了透明的顆粒材料作為土骨架代替物，見圖1（a），并選擇折射率與顆粒材料相同的液體材料作為孔隙水代替物。兩者一致的折射率使得所制備的透明土呈現出透明狀態，如圖1（b）所示。

圖1

基于粒子圖像測速技術（Particle Image Velocimetry，PIV），可以采用非侵入式測量方法對透明土的變形進行測量［6］。通過激光器形成的激光面照射到透明土模型上，激光與透明土的相互作用使得在土體平面上產生散斑場，如圖1（c）所示；利用CCD相機連續拍攝實驗過程中散斑場圖像的變化，并采用PIV軟件對采集的散斑場圖像進行后處理，以獲得巖土工程實驗過程中土體的位移場分布情況。

（二）教學實驗儀器

1.實驗硬件主要包括以下設備：（1）CCD 相機。型號為尼康D850，分辨率為8 264×5 504像素，像素尺寸為35.9 μm×23.9 μm，采集方式為連續拍攝，最高連拍速度為7 張/秒。（2）激光器。型號為氦氖激光器，輸出功率為75 mW，波長為632.8 nm，功率穩定性＜5%，偏振方式為線偏振光，偏振比＞1 000∶1。（3）沉樁加載設備。型號為DY-1沉樁加載儀，最大加載力為1 000 kN，測量范圍為0～1 000 kN，校準精度為±1%，傳感器類型為高精度的壓力傳感器，數據記錄格式為將測量數據以數字形式顯示，并通過RS232接口或USB接口與計算機等設備連接。（4）數據系統、透明土模型槽、透明土混合儀器、透明土真空飽和儀器、透明土加壓固結儀器。

2.實驗軟件主要包括以下設備：實驗軟件主要基于開源軟件Geo_PIV進行設計開發，并根據不同實驗要求進行編程，以實現特定功能模塊。例如進行沉樁實驗，可以選用PIV View2軟件對沉樁過程中采集的圖像進行處理［7］。

（三）教學實驗流程

首先，給學生介紹可視化透明土技術的理論知識以及巖土變形測量的一般方法，讓學生了解透明土的制備流程，并根據實驗教學安排提出一些基礎問題。其次，給學生展示可視化透明土技術在巖土工程實驗中的實際例子，詳細介紹其實驗原理以及實驗儀器的組成與使用方法，做到理論知識與實驗內容的有機結合，并使學生更好地理解理論知識，將其應用于實際操作中，實現理論與實驗的有效聯系。

實驗開始前，先指導學生使用折射儀、透明土真空飽和儀和透明土加壓固結等儀器，并幫助學生了解實驗過程中如何選擇顆粒材料和液體材料、如何設置儀器參數和如何操作各項儀器。然后讓學生獨立設計實驗方案并完成透明土制配，從而提升他們的獨立思考能力、創新能力和動手能力。

透明土材料制備完成后，給學生講解CCD相機與激光器的數據采集原理。同時，讓學生自主設計CCD相機與激光器的安放位置。接著，指導學生熟練掌握Geo_PIV軟件的操作、代碼編寫和數據處理的方法。最后，指導學生獨立編寫相應的代碼來處理巖土工程實驗采集的數據，并對取得的數據進行分析和處理，并鼓勵學生自主提出觀點和問題，結合數據得出實驗結論，進而培養學生的科研能力和創新思維，并能夠進一步加深學生對實驗教學知識的理解和應用。

二、可視化透明土技術實驗教學實例

以樁基沉樁透明土模型試驗［8］為例，模型試驗裝置如圖2所示。該實驗模型槽為長方體透明有機玻璃槽，外邊平面尺寸為130 mm×130 mm，厚度為5 mm，高度為260 mm。模型樁采用不銹鋼材料制作，樁徑為6.4 mm，沉樁深度為48 mm。

圖2 可視化透明土模型試驗裝置

該實驗的透明土材料由熔融石英砂與質量比為1∶4的正十二烷與15號白油混合而成的混合油制成。常溫下石英砂和混合油兩者折射率均為1.458 5，保證了透明土材料的透明狀態。待透明土材料制配完成，將裝有透明土的模型槽放置沉樁測試區域，然后進行沉樁加載試驗。此過程可以讓學生獨立完成，使學生更加熟悉透明土材料選擇、制配和相關試驗的各個流程，鍛煉學生的動手能力。

采用PIV后處理軟件對沉樁過程中所采集的散斑場圖像進行分析，可獲得樁周土體位移矢量圖。圖3分別給出了沉樁深度L=7.5 D時的樁周土體的位移矢量圖和樁周土體徑向位移等值線圖［8］。對于大多學生來說，這些圖像數據難以理解，所以可以先給學生講解PIV后處理軟件的原理，然后讓學生根據數據初步判斷實驗過程是否符合要求、結果是否正確，為學生以后進行有關可視化透明土試驗打下基礎。通過該教學實驗，學生可以對可視化透明土實驗的原理、流程、設備操作、注意事項和后期數據處理有清晰的認知，把書中的知識和實際的實驗操作結合起來，以此全面了解并掌握可視化透明土實驗的全過程。

圖3

三、可視化透明土技術實驗教學擴展

（一）基于三維圖像處理的可視化透明土技術

可視化透明土技術應用于巖土變形測量實驗時，傳統的PIV技術只能獲取土體某個切面的二維變形場，難以獲取其他切面的二維變形場以及整個土體的三維變形結果。

為此，結合三維圖像處理方法，通過PIV技術處理得到多個切面的二維變形場，然后對這些二維變形場進行重構以獲取巖土體整體的三維變形場。這樣，學生在教學實驗測量過程中可以得到更完整的實驗數據，進一步分析出更加正確的實驗結果，并加深學生對可視化透明土技術和三維PIV圖像處理方法的理解。

（二）基于3D打印的可視化透明土技術

目前，人工合成透明砂土僅考慮模擬天然砂顆粒的強度和剛度，而忽視了天然砂顆粒的形態特征。實際上，天然砂顆粒的形態不是簡單的大塊顆粒破碎，再加上制備透明砂土顆粒的生產工藝存在缺陷，透明砂土顆粒與天然砂顆粒的形態存在明顯差異。

隨著3D打印技術的發展，砂土顆粒不再受限于特定形狀，而可以通過3D打印機制作為任意形狀。因此，結合3D打印技術對顆粒形狀和孔隙分布可控的特點，利用可視化透明土技術研究土體顆粒方面可以更加精確，提高了代替天然土體的可行性。在加入了3D打印技術的教學實驗中，學生能夠進行更加完善的實驗，從而得到更接近實際情況的實驗結果。

結語

根據高質量、高水平人才創新培養要求，在巖土變形測量實驗教學中引入了可視化透明土技術的應用。通過結合理論知識和實驗實例，為學生提供了全面且深入的學習體驗。在教學過程中，探索并采用了一系列能夠促使學生積極參與實驗設計和操作的教學方法，引導學生主動參與并發揮主觀能動性。學生通過自主設計實驗方案，不僅理解了可視化透明土技術的原理，還懂得了透明土制配流程。同時，學生熟練掌握了Geo_PIV軟件的操作、代碼編寫和數據處理的方法。通過完整的學習可視化透明土技術涉及的實驗知識體系并了解其前沿問題，培養了學生獨立思考能力、創新能力和動手能力，并激發了主觀能動性和探索性思維，對于促進知識運用能力和學習素養的全面協調發展具有重要意義。