三维透明土实验技术平台开发及在实践教学中的应用

孔纲强，沈 扬，杨 庆，崔春义，杨 钢

（1.河海大学 岩土力学与堤坝工程教育部重点实验室，江苏 南京 210024；2.大连理工大学 海岸和近海工程国家重点实验室，辽宁 大连 116024；3.大连海事大学 交通运输工程学院，辽宁 大连 116026）

地下结构工程设计、地下结构与岩土体相互作用机理研究过程中，土体内部应力场、位移场、渗透场以及温度场等工程特性是关键科学问题之一[1]。然而，由于土体材料内部不可见，造成相关科研实验和实践教学环节中无法直观展示实验结果，从而给学生造成困扰、降低了实践教学效果[2]。

随着计算机软硬件条件的快速发展，数字图像处理技术[3-4]逐渐在岩土工程、地下结构工程等传统工程学科中获得大量应用。为了提高科研和实践教学的可视性，国内外相关学者开展了系统的探索和研究。基于多媒体技术和可视化编程方法，开展了土力学等实验仿真实践教学，优化了传统实验课程教学模式[5-6]；基于电子计算机断层扫描（computed tomography，CT）技术，开展了岩土体损伤特性、细观结构观测，探讨了土体结构性并辅助岩石力学课程教学[7-8]；基于磁共振成像（magnetic resonance imaging，MRI）技术，建立了MRI 技术实验室，开展了多孔介质内多相多组分渗流实验，并取得了良好的效果[9]；基于透明土实验技术，开展了土体内部位移场和渗流场的二维可视化观测[10-11]，并运用于土体固结和直剪实验可视化演示，取得了良好的教学效果[2]。

透明土实验技术平台是河海大学岩土力学与堤坝工程教育部重点实验室的重要实验平台之一。本文应用人工合成新型透明土材料和数字图像处理技术，结合二维透明土实验技术平台开发的成功经验，自主研发了三维透明土实验技术平台，既满足了重点实验室科研与社会服务功能需求，又适用于本科生实践教学与人才培养；激发了学生对岩土工程、地下结构工程等专业课程学习的兴趣，提升了教学效果。

1 可视化实验技术机理及优缺点分析

1.1 半模实验

为了观测地下结构物与土体相互作用过程中，地下结构物与土体界面（或其内部截面）的变形规律，相关学者提出采用半模实验方法，即将模型槽的一侧制作成透明可见，把地下结构剖取一半并紧贴透明侧面，然后采用粒子图像测速（PIV）等图像采集技术进行图像采集和数据后处理，技术原理和典型半模实验布置图如图1 所示。

图1 半模物理模型实验示意图

半模实验方法在物理模型实验技术领域起到了至关重要的作用，有效地将PIV、数字图像相关（DIC）等数字图像处理技术引入到物理模型实验技术中，拓展了物理模型实验的内涵，推动了技术的发展。然而，半模实验仅适用于对称结构模型或者二维问题，无法对相对复杂的物理模型进行1/2 简化，而且界面效益明显会对实验结果精度造成一定的影响。

1.2 CT 和MRI

岩石工程可视化技术中，CT 是利用X 射线穿透岩土体截面，通过探测器收集并测定X 射线穿透该截面后的衰减量，再通过数据后处理获得该截面CT 图像；MRI 是依据所释放的能量在岩土体内部不同结构环境中不同的衰减，通过外加梯度磁场检测所发射出的电磁波，即可得知组分原子核的位置和种类，再通过数据后处理绘制岩土体内部的结构图像。MRI 设备及典型岩土体结构成像图如图2 所示[12]。CT 和MRI 技术可以在无损条件下对岩土体内部结构进行实时动态扫描观测，可以应用于裂缝识别、结构性特性构件观测等方面。然而，该类技术设备昂贵，可操作和应用的空间相对较小，目前主要应用于岩土体材料试样研究，尚很少推广到物理模型实验应用领域，一定程度上限制了该类技术的推广应用。

图2 MRI 设备及典型岩土样成像图[12]

1.3 二维透明土实验技术

饱和土体为土颗粒和孔隙水两相结构；采用透明颗粒材料和与之折射率一致的孔隙液体相混合，由于两者折射率一致而使整体呈透明状，从而形成“透明土”材料。相关学者对比分析了人工合成透明土材料与天然土体材料之间的物理力学特性，验证了利用透明土材料模拟天然土体的可行性和可靠性[10]。基于人工合成透明土材料和数字图像处理技术，构建透明土实验技术平台，可以实现土体内部非嵌入式可视化观测，技术原理如图3 所示。近年来，该技术在国内外获得快速发展，并推广应用到土木工程、水利工程、采矿工程等领域的科研实验和实践教学中。笔者开展了沉桩过程土体周围位移场非嵌入式可视化观测，实验装置如图4 所示[13]。然而，目前的研究与应用主要集中在二维模型上，尚未涉及三维可视化测试与观测。因此，搭建三维透明土实验技术，拓展该技术的应用范围和内涵，显得尤为重要。

图3 透明土实验技术原理图

图4 透明土实验技术装置图[13]

2 三维透明土实验技术平台设计

2.1 非常温下透明土材料制配

目前国内外相对最常用的透明土材料固体颗粒为模拟天然砂土的熔融石英砂、模拟天然黏土的无定形硅胶材料；孔隙液体为以正12 烷与白油混合液为代表的有机溶液、以溴化钙溶液为代表的无机溶液[14]。

1）新型透明黏土材料制配。

笔者等提出一种以Carbopol®Ultrez10 聚合物、NaOH 粉末和纯净水为原材料，碳纳米材料掺入作为示踪粒子的新型透明黏土材料制配方法，并验证了该材料模拟天然海相软黏土的可行性[15]。该新型透明黏土材料的透明度指标可达25～40 cm，比常规熔融石英砂制配成的透明土材料的透明度指标提高约2～3 倍。

2）非常温下透明黏土材料的制配。

笔者等提出一种以含氟聚合物材料和冰颗粒为原料，0 ℃低温以下透明土材料的制配方法。含氟聚合物为粒径≤0.074 mm 的不规则形状颗粒，为美国杜邦公司生产的Teflon AF 1600，折射率1.31；制备过程为含氟聚合物颗粒、颗粒冰与无色孔隙液体备料、混配、抽真空、固结以及冻结等；该材料的物理特性和力学特性可满足对饱和冻土的模拟，透明度高、价格低廉、无毒无害，与天然冻土体性质的相似性好。

2.2 图像采集模块设计

传统位移、应力以及温度等的测量依赖于离散的振弦式或电阻式传感器，即使目前相对比较先进的光纤光栅传感器技术也都需要在地下结构或者岩土体内预埋传感器。这些手段都或多或少地影响岩土体的连续性，改变了其真实的物理场（包括位移场、应力场或温度场等）。本文采用激光制斑方法，将透明土材料中自带的杂质或微小气泡作为示踪点；采用数码成像技术，由三台普通数码相机或高速工业相机完成图像采集工作。

2.3 数据后处理与分析模块设计

针对数码相机获得的图像信息，首先对原始照片进行图像灰度修正，消除干扰影像、强化重要部位图像表现特征，然后进行图像锐化和分割，强化图像颜色的鲜明性和清晰度；数据分析过程中先确定坐标系、定义方位元素，再推求共线方程。本文三维透明土实验技术数据后处理与分析方法基于开源软件Geo-PIV或PIView2 等软件平台展开。

3 三维透明土实验技术平台实现

实验技术平台包括相关硬件设备安装和软件代码编写与数据后处理两大部分。

3.1 实验平台硬件

实验平台硬件主要包括如下设备：

（1）数码相机及可移动装置。数码相机最高分辨率为2 456×2 058 像素，像素尺寸为3.45 μm×3.45 μm，有效感光面积8.5 mm×7.1 mm，帧存为3 帧/128 MB，采集方式为连续/外触发/软触发，可编程控制增益/帧率/曝光时间。数码相机架设在可移动装置上，可以绕模型槽360 度无死角转动、拍摄。

（2）半导体激光器及滑槽。激光器输出功率（出光功率）为3 000 mW，波长532 nm，功率稳定性＜5%，出光张角10～25°，片光厚度＜1 mm，偏振方式为线偏振，偏振比＞100∶1，调制速率为30 kHz TTL/10 kHz。激光器架设在滑槽上，可以沿着相应的滑槽轨道进行移动，对模型槽内的透明土体进行不同角度照射。

（3）折射率测定折射仪。型号为BM-2WAJ，折射率测量范围为1.300 0～1.700 0，折射率测量精度为±0.000 2，折射率最小分度值为0.000 5，糖量浓度（%）最小分度值为0.25，糖量浓度测量范围为0～95%。

（4）数字图像采集卡及计算机系统。

（5）透明模型槽、模型桩等地下结构以及透明土试样。

3.2 实验平台软件

实验平台软件部分基于开源软件Geo_PIV 软件，根据不同实验测试图像结果进行编程实现。针对特定功能模块，进行软件代码编写，同时也可以作为本科生实践课程教学和实习操作的一部分。

3.3 案例分析

（1）科学问题：海相软黏土中后注浆微型钢管桩施工过程可视化及浆液扩散机理。

（2）人工合成透明土材料：基于 Carbopol®Ultrez10 聚合物、纯净水以及NaOH 溶液材料的透明黏土材料[15]。

（3）图像采集系统硬件：数码相机联合线性激光器。

（4）图像与数据后处理系统：Geo_PIV 软件。

（5）实验结果与分析：基于三维透明土实验技术平台，可以获得静压微型钢管桩沉桩挤土效应小于4.5D，海相淤泥质土中注浆浆液扩散形式以水平向二次劈裂注浆为主[16]。微型钢管桩沉桩过程中土体位移云图如图5 所示，后注浆过程中浆液扩散三维路径如图6 所示。

图5 沉桩深度为5D 的位移云图[16]

图6 注浆过程及注浆体形状[16]

4 实验平台在岩土工程实践教学中的应用

4.1 面向本科生开放实验室平台，开展实验与实践课程教学

高校育人“以人为本、以本为本”，面向本科生实验教学和实践教学，在土力学、基础工程等课程实验教学环节增加三维透明土实验技术演示；增设地下结构与土体相互作用三维透明土实验课程；在本科毕业设计（论文）或毕业实习环节，增设基于三维透明土实验技术平台的实践操作课程，培养学生的动手操作能力，培养学生综合素质、提高就业竞争力。

4.2 依托科研平台，提升实践教学水平

依托河海大学岩土力学与堤坝工程教育部重点实验室和江苏省优势学科平台建设项目，建立三维透明土实验技术平台；由科研平台提供实验室场地，配套硬件设备和软件程序。完成相关科研任务的同时，通过大学生创新创业训练计划项目和本科生毕业论文等途径，开展实践教学、实习操作和人才培养等工作。

4.3 搭建校企协同育人平台，提升实验教学水平

围绕“产学合作、协同育人”号召，探索产学研用相结合的新模式；结合新的实验教学方法，深入进行教学内容和课程体系改革，充分发挥校企合作优势，提高实践教育质量。搭建行业龙头企业参与的协同育人平台。在充分调研的基础上，充分调动学生主观学习能动性，完成由学生自主设计的大学生创新创业训练计划项目等科研活动；结合实训实习情况、课程学习情况等确定相关实践教学与实验教学。最终完成企业参与的协同育人平台的建设，实现校企协同育人的核心宗旨。

5 结语

本文简要对比分析了目前常用可视化实验技术原理及其优缺点，重点介绍了基于人工合成透明土材料和数字图像处理技术，非嵌入式可视化观测岩土工程中土体内部位移场、渗流场及温度场等特性的可视化实验技术方法。自主研发并搭建了三维透明土实验技术平台，拓展了透明土实验技术内涵，推动了该技术在岩土工程等领域的推广应用。从平台设计和实现、案例应用分析以及在岩土工程实践教学中的应用等多角度，阐述了三维透明土实验技术平台的优越性。与其他可视化实验技术相比，本实验平台具有成本低、操作方便、实用价值高以及可推广性强等特点，与已有二维透明土实验技术相比，本实验平台可以拓展应用于复杂地下结构等相关工程问题中。同时，该实验平台可以在岩土工程、地下结构工程等相关课程的实验或实践教学中进行推广应用，具有广泛的应用前景，也有效推进了高等教育新工科建设。

当然，该实验平台也面临一些技术瓶颈，有待进一步解决：（1）由于受透明土材料性能的影响，在保证透明度前提下，模型实验尺寸仍相对较小，从而影响包括三维透明土实验结果在内的模型实验结果的精度，因此下一步需改进透明土材料制配方法，提高透明度；（2）基于三维透明土实验技术平台的实践教学应用除了搭建相关实验设备平台，仍需要进一步加强师资力量培训。