刘 绍 莉
(同济大学，上海 200092)
透明土及其在不同领域的新应用
刘 绍 莉
(同济大学，上海 200092)
结合透明土的研究现状，介绍了透明土的发展历程，从岩土工程性质、室内试验、实验设备与技术等方面，总结了其在不同领域的应用，有利于促进透明土技术的进一步发展。
透明土，岩土性质，实验设备，透明材料
0 引言
在不同外力综合作用条件下土体内部变形的测量是研究土体变形机理的关键，同时是土力学研究的重要基础之一。传统的室内模型试验大都通过预埋传感器或电阻应变片的方法来测量土体内部变形，但扰动均过大；而后研究者使用X射线、计算机轴向断层扫描(CAT)和核磁共振成像(MRI)[1]技术来观测土体内部局部变形，但是由于此技术成本过高而没有得到推广。因此学者开始寻找代替自然土的透明材料。
隋旺华等[2]对透明土各方面给出了系统的概括和评述。1990年Mannheimer发明了透明泥浆，这标志着透明土的开端；2001年Sadek，Iskander[3]对透明土的合成进行了进一步研究；2010年Liu，Iskander[4]总结研究了透明材料的合成，最终得到了透明合成材料及试验的具体做法，固体材料主要为不同粒径的无定型硅粉、熔融石英砂、二氧化硅胶体等二氧化硅水合物，孔隙流体主要为与固体材料相同折射率的溴化钙溶液、工业矿物油等溶液，图像采集使用激光进行切面，利用高速摄像机进行拍照，最后利用数字图像技术进行变形及渗流分析。
1 透明土实验技术的起源与发展
用碎玻璃制成的透明材料的强度与正常土体存在差异，高压易碎，并且透明度差不易观测，因此不被广泛采用；此后玻璃粉被广泛应用于二维渗流模型中，冰晶石(一种透明的氟化盐)也被用来研究。自1990年Mannheimer发明的透明泥浆之后，其物理力学性质被Mannheimer和Iskander等人进行了研究，试验结果表明透明泥浆性质与天然土体相吻合，可以用来研究天然土体的性质。
此后，Iskander利用无定型硅粉和相应折射率工业油合成了用于模拟粘土的透明土，同样用二氧化硅胶体和与其具有相同折射率的孔隙流体合成了透明砂土。紧接着Iskander利用熔融石英砂为固体材料合成了透明土，因为熔融石英砂的形状特征和化学组分与自然砂土更为相近，熔融石英砂的动力学特征也与自然砂土接近，所以现阶段大部分学者都用熔融石英砂来模拟砂土。
2 材料的制备
目前，人工合成透明土包括两类：第一类是用来模拟粘土的无定形硅粉；第二类是用来模拟砂土的无定形硅胶或熔融石英砂。
两大类透明土的配制过程详述如下：
1)粘性土的配制[5]。
固体材料使用无定型硅粉；孔隙流体使用工业矿物油或者卤水，矿物油可以用两种不同折射率的白油混合而成，按照不同的室温条件调节矿物油的比例，使混合矿物油的折射率与无定型硅粉的折射率一致；卤水可用固态溴化钙和水混合而成，按照室温调节卤水的浓度，使卤水的折射率与无定型硅粉的折射率一致。
2)砂土的制备。
采用熔融石英砂与相同折射率的工业白油，根据需要制定不同粒径的熔融石英砂，再根据颗分曲线进行均匀混合，加入折射率一致的工业白油，为提高悬浮液的透明度，需要去除孔隙内的空气，一般采用充分搅拌再用抽真空的方法，直至透明度达到要求，最后将配制好的悬浮液固结。
3 岩土工程性质
为了准确的模拟天然岩土体的变形机理，需要使所配制的透明材料的岩土力学性质与天然土体一致。国内外诸多学者对透明土模拟天然土体的能力做了多方面研究，对常规的土体的剪切特性和固结性能 Sadek，Iskander，Liu[6,7]对此做了相关试验研究；水力学渗透特性方面Welker等[8]做了初步试验研究；对于透明土的动力学特性Zhao等人[9]也做了相关实验研究；Ivan L.， Guzman等[10]总结了现有的几种透明材料的物理参数，包括材料折射率，孔隙流体的粘度，水力梯度，渗透率，摩擦角，内聚力。研究表明透明材料的岩土力学性质与天然土体一致，透明砂的应力—应变关系与天然砂的应力—应变关系较为吻合，透明粘土的应力—应变关系与粘性土非常相似。
4 实验设备与技术
为准确方便的观测透明土内部的变形及渗流情况，不同学者根据现有的光学技术做了多方面研究。基于透明材料的特殊性，Iskander[2]开发了一套用于测量土体内部变形的系统，此完整系统由激光源发射激光，后经线发生器将激光转变成线状对透明图样进行切分，高速摄像机捕捉其变形前后的图像，得到一系列散斑图，这些散斑图通过计算机中图像分析系统分析处理，最终得到不同切片变形前后的位移场，如果想要得到完整的土体三维变形场，则需对多个切片变形前后图像进行分析。透明土的成功研制及变形观测系统的开发促使室内土工模型试验进入了一个全新的阶段，为不同领域的研究开拓了新的研究基础，加深在不同领域内土体变形及破坏机理的认识。另外Gill等[11]对现有的光学观测方法进行了分析研究，佘跃心等[5]对相关图像处理技术进行了总结研究。
5 透明土实验技术的应用
透明土的诞生及相应观测系统的开发为不同领域的研究奠定了基础，室内三轴试验变形测量、条形基础的变形测量、沉桩过程中周围土体的变形测量及离心机试验等方面的变形测量都已开始采用透明材料。
在基础地基变形和承载力研究方面，齐昌广等[12]基于透明土试验研究了浅基础沉降引起的土体变形规律；Song等[13]分析了基于透明土利用离心机试验探究锚杆嵌入土体过程中锚固力的变化；Ni等[14]分析研究了沉桩过程中桩周土体的变形及桩与土体的相互作用。高炳伦[15]研究了在溃砂过程中砂体的流动形态变化规律，对溃砂发生过程、阶段特点以及溃砂流动形态进行了研究。李文涛[16]基于透明土开展了盾构隧道壁后同步注浆模型试验。刘佳佳[17]基于透明土研究了盾构隧道开挖面土体变形及稳定性，系统研究了盾构施工引起土体变形的细观机理。林志斌等[18]对基于透明岩体的深埋软岩巷道变形破裂规律进行了研究。孔纲强等人[19]基于透明土研究了异形桩拔桩过程中土体变形规律，沉桩过程中土体三维变形规律，扩底楔形桩中性点位置测定方法分析，水平荷载下扩底楔形桩承载力特性分析，水平荷载桩室内模型试验系统研究分析，等截面桩的沉桩模型试验变形分析，管桩贯入特性模型试验研究分析，极限荷载下X形桩和圆形桩破坏形式模型试验分析对比。齐昌广等[20]在透明土的基础上研究观测了不同约束形式下完全嵌入模型细长桩的完整屈曲曲线。吴跃东等[21]基于透明土进行了取土管的贯入试验，得到了在取土管贯入过程中土体扰动变形场的分布特性。
6 结语
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拟天然土体，利用现有的光学观测分析系统以及图像处理技术可精确观测土体内部变形及孔隙流体的渗流过程。随着新材料的不断研发，光学摄影技术的发展，透明材料的室内试验研究精度将会得到进一步提高，其应用领域也将会进一步扩大。
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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
刘绍莉(1990- )，女，在读硕士
TU449
A
