透明土物理模拟试验技术现状与趋势

杜建明， 房 倩， 刘 翔， 海 路

(北京交通大学隧道及地下工程教育部工程研究中心， 北京 100044)

物理模拟试验技术以相似原理为理论基础，通过正确有效的物理模型更加深入地认识原型，是岩土工程诸多领域进行科学研究与技术问题解决的重要手段之一[1]。而岩土工程的建设过程又势必会遇到工程本身及与其所处地层环境之间的相互关系等众多复杂问题，如土体与结构之间相互作用机理[2]以及土体变形控制方法[3]等科学技术问题，这些问题的研究解决都与土体内部变形规律密不可分。然而，传统的普通相似材料由于其内部不可见而无法对土体内部变形规律进行全面细致的“直接观测”。透明土相似材料的出现使得对模型内部变形进行“直接观测”成为可能。透明土相似材料是具有天然土体工程性质的人工合成透明模拟材料的统称，由骨料和具有相同或相近折射率的孔隙液体配制而成。因为骨料和孔隙液体具有相同或相近的折射率，光线在经过时就不会发生明显的折射或散射，故这种“土体”就是透明的[4]。

Allersma[5]利用碎玻璃制备的透明材料研究剪切条件下材料应力应变分布情况，但该透明材料具有高压易碎的缺陷。Mannheimer[6]利用无定形硅粉和溴化钙溶液配制的透明浆液标志着透明土的孕育而生。Iskander等[7]、Saderk等[8]利用无定形二氧化硅和矿物油混合溶液合成了低塑性黏土(俗称“透明黏土”)，利用硅胶合成能够模拟静动力学的砂土(俗称“透明砂土”)。Liu[9]、Sadek等[10]和Liu等[11]利用激光制斑切面配合(digital image correlation, DIC)算法实现了透明土模型内部变形数据的量测与分析。Ezzein等[12]利用熔融石英砂和孔隙液体合成了透明度较高的透明砂土。Wllace等[13]利用锂皂石和水合成了能够模拟海洋黏土的透明土。孔纲强等[14]利用Carbopol©Ultrez10(简称“U10”)、NaOH粉末和纯净水合成了强度、压缩固结特性与天然淤泥(尤其是海相淤泥)或泥炭土性质相似的透明黏土。利用透明土材料、现代光学测试仪器以及图像捕捉与处理技术可以实现基础工程[15-23]、隧道工程[24-30]、基坑工程[31-32]、边坡工程[33]以及其他方面[34-39]的相关科学技术问题的可视化研究，对于深入研究各种工程地质条件下的土体内部变形演化规律及破坏机制的时空效应，提高对土力学和岩土工程问题的本质认识均具有重要意义。

隋旺华等[40]对透明土实验技术起源、材料制备、岩土工程性质、实验设备以及技术等进行了回顾和评述。Iskander等[41]对透明土相似材料在1g模型试验和离心模型试验中的应用发展历史进行了回顾，并提出透明土相似材料未来的应用领域(如多孔介质流动模拟、细观尺度研究)以及辅助试验技术(如彩色图像分析技术、颗粒接触力量测技术)。Abideen等[42]利用粒子图像测速(particle image velocimetry, PIV)技术对透明土相似材料的特点、透明土的合成方法与物理性质、透明度的影响因素、位移量测的方法以及工程应用领域进行了综述。然而，上述综述都没有对透明土物理模型透明度的确定原则进行阐述，也没有涉及透明土物理模型双轴加载或真三轴加载试验技术。

随着透明土物理模拟试验技术的快速发展，应用领域日趋广泛，而模型透明度随着模型尺寸的增大而逐渐降低，如何在保证模型尺寸的前提下合理确定模型透明度成为一个亟须解决的技术问题。同时，依靠模型自重或单轴加载试验技术已无法满足日益复杂的科研问题研究的需要，亟须建立双轴加载或真三轴加载试验技术，从而准确模拟土体的真实受力状态。

现主要针对当前中外透明土物理模拟试验技术及其应用发展进行了较为全面细致的总结、分类和阐述，对当前透明土物理模拟试验技术基本原理、主要内容、工程应用、存在问题及发展趋势进行了对比分析，可为未来透明土物理模拟试验技术应用及拓展提供参考。

1 试验技术基本原理

透明土物理模拟试验技术是以由透明土相似材料制备的物理模型为实验基础，通过现代光学仪器(激光器)或人工在模型内部制作散斑切面或标志点，利用图像采集设备(照相机或摄像机)对实验的全过程散斑切面或标志点图像进行捕捉，经过对实验过程中变形前后的图像进行对比分析，进而反映模型内部特定位置的土体变形规律。此外，在实验过程中，利用电动平移台和控制箱配合可以实现激光器的精确平移，从而获取不同部位不同时刻的激光散斑切面，对获取的模型内部不同部位的散斑切面进行组合分析，就可以得到完整的三维变形场。透明土物理模拟试验技术如图1所示。

图1 透明土物理模拟试验技术Fig.1 Physical simulation test technique for transparent soils

2 试验技术主要内容

透明土物理模拟试验技术包括透明土相似材料选择及模型制备、物理力学特性、模型内部散斑切面制作、散斑面图像获取、实验设备、图像处理与结果分析等主要内容。

2.1 相似材料选择及模型制备

透明土物理模拟试验技术的前提条件是相似材料的选择是否正确合理，材料的相关性质是否能够准确有效地反映模拟对象的主要物理力学特性。透明土相似材料主要包括骨料和孔隙液体两大部分，骨料对材料性能起“总体控制”作用，孔隙液体用来匹配骨料折射率及提供黏聚力。透明土相似材料及配比如表1所示，骨料的物理力学参数详见参考文献[41]。

透明砂土物理模型制备流程比较简单，将骨料和孔隙液体(折射率匹配)充分混合后真空排气即可；透明黏土需要对骨料和孔隙液体混合物进行固结排液来获取黏聚力[25]；其他种类的土体模型制作流程可参考表1中对应的参考文献。

表1 透明土相似材料Table 1 Similar materials for transparent soils

经过多次实验探索，发现利用激光制斑的透明砂土相似材料可以二次复用。模型配制流程如下：①将收集的孔隙液体重新倒入模型箱；②用小勺取一勺潮湿的熔融石英砂置于孔隙液体液面以下不断振捣，让其均匀落入模型箱底；③重复第二步直至模型浇筑完成。初次配制模型以及材料复用配制模型如图2所示。材料复用配制模型的透明度有一定程度减低，但仍可以满足实验需要。此外，材料复用配制的模型透明度主要与材料复用次数、原始材料透明度、模型体积、人员操作水平等密切相关。

图2 透明砂土模型Fig.2 Transparent sands model

2.2 物理力学特性

透明土试样与天然土体力学特性的相似程度直接决定了透明土的工程应用领域，故研究透明土试样的物理力学特性对透明土的工程应用具有指导作用。

孔纲强等[52-53]对透明砂土的剪切变形与强度特性、动变形与动强度特性、单轴压缩变形特性等进行了相关试验研究，图3为相对密度Dr=30%、围压σ3200 kPa、粒径0.5～1.0 mm的玻璃砂，标准级配玻璃砂和福建标准砂的应力-应变[εa-(σ1-σ3)]曲线，最大主应力差(σ1-σ3)与围压关系(σ3)如图4所示，透明砂土和标准砂土的抗剪强度指标如表2所示。Liu等[54]利用透明砂土替代天然砂土分别对其固结性、孔隙度和渗透率等水力学特性进行了详细研究，表明其与某些天然土体具有相似的水力学特性，可以用来模拟自然土体中的流体流动问题。

图3 应力-应变曲线对比Fig.3 Comparative of stress-strain curves

图4 最大主应力差与围压关系Fig.4 Relationship between maximum principal stress difference and confining pressure

表2 透明砂土抗剪强度指标Table 2 Indices of shear strength for transparent sands

Iskander等[55]采用质量比1∶1的孔隙液体与无定形硅石粉配制透明黏土，并进行三轴压缩试验、渗透试验,结果如图5所示，其中σ3c为固结围压。宫全美等[56]验证了无定形硅粉类透明土模拟黏性土的可行性(图6)。部分透明黏土物理力学性质如表3[14]、表4[56]所示。

图5 透明黏土与天然黏土平均抗剪强度对比Fig.5 Comparison between the average strength of transparent clay and natural clay

图6 剪应力-剪切位移关系曲线Fig.6 Relationship between shear strength and displacement

表3 透明黏土物理力学参数(天然淤泥或泥炭土)Table 3 Physical and mechanical parameters for transparent clay (natural silt or peat soil)

表4 透明黏土物理力学参数 (上海重塑性黏土)Table 4 Physical and mechanical parameters for transparent clay (plastic clay in Shanghai)

2.3 模型内部散斑切面制作

散斑切面是获取模型内部变形数据的有效途径，根据模型内部是否设置人工测点分为“无标点法”和“有标点法”两种[57]。“无标点法”又分为激光散斑和人工制斑。

被激光照射的物体表面会呈现颗粒状结构，这种颗粒结构被取名为“激光散斑”[58]。透明土物理模拟试验技术中利用激光光源发出的平面状光束将透明土模型切片，从而在模型内部形成激光散斑面。人工制斑指通过人为在模型内部布置一层与制作透明土相似材料所用的染色同质材料作为散斑切面。“有标点法”指在模型内部观测位置设置人工测点。散斑切面如图7所示。

图7 散斑切片Fig.7 Speckle slice

2.4 散斑面图像获取

清晰散斑面图像获取是图像处理与分析的基础，图像采集的质量高低是后续软件能否成功分析的前提，故在图像采集过程中应特别注意如下几点：①必须手动对焦，从而保证焦点在图像采集过程中始终定位于散斑面或标志点所在平面；②手动设置相关选项，避免图像采集过程中设备自动改变相关参数；③图像采集间隔尽可能小(0.5 s/张)，从而收集足够数量的图像，便于后期分析的筛选；④图像存储建议为JPEG和RAW双重格式，JPEG格式图像内存较小，便于查看与筛选图像，RAW格式图像内存较大，保存信息较多，软件分析多采用RAW或由RAW转换的BMP格式；⑤保证周围环境稳定，避免因周围光线变化而影响图像采集效果；⑥图像采集设备与模型箱在整个实验过程中要保持相对位置不变，避免因轻微振动而引起焦点定位改变，从而导致前后图像取景不同。

焦点定位成功与否是采集清晰图像的关键，对焦是否成功可利用计算机查看图像中散斑面或标志点是否清晰来确定(图8)。焦点定位前可利用“点对焦”模式来捕捉散斑面或标志点，然后改为“面对焦”模式来获取清晰图像。

图8 数码相机对焦图Fig.8 Picture of focus by digital camera

2.5 试验设备

透明土物理模拟实验设备主要包括光学平台系统、真空排气设备、激光器以及图像采集设备等，设备实物及技术参数详见参考文献[59]。光学平台系统主要包括光学平台、磁性底座、电动平移台与控制箱。光学平台是用于保证整个实验过程中小型设备位置与距离保持相对不变的操作平台；磁性底座用于固定数码相机的位置与高度；电动平移台和控制箱用于控制激光器在实验过程中的位置和移动速度。真空排气设备包括真空箱与真空泵，主要用于排除模型内部空气，提高透明度与密实度。激光器主要用于发射平面状光束，用于对透明土模型进行切片，从而在模型内部形成激光散斑面[60]。图像采集设备主要指相机或摄像机，用于对实验过程中的散斑面或标志点所在平面进行持续不间断的图像采集。

2.6 图像处理与结果分析

图像处理与结果分析是透明土物理模拟试验技术的核心，是获取模型内部变形数据的有效手段。目前，可以实现数字图像互相关(digital image cross-correlation, DIC)算法的软件详见参考文献[31]，透明土物理模拟试验技术主要利用PIV技术和数字照相变形量测技术(digital photogrammetry for deformation measurement, DPDM)对实验图像进行结果分析，有关PIV技术在透明土物理模拟试验技术中的应用详见参考文献[42]。

PhotoInfor软件系统[61]作为DPDM技术的典型代表之一，在岩土工程、结构工程、水利工程、机械工程、林业工程以及医学工程等多学科实验力学研究领域中，发展迅速而且应用日渐广泛。PhotoInfor软件系统基于数字散斑相关原理(digital speckle correlation method, DSCM)，无需其他任何应用软件平台(如MATLAB)支撑，由图像分析软件PhotoInfor和结果后处理软件PostViewer组成，能够实现对非均质变形、局部化变形、大变形等专业图像进行精细化分析。同时，还允许自主导入外部测点网格，从而实现复杂边界的物理实验模型结果分析。此外，PhotoInfor软件系统已成功应用于透明岩体物理模拟试验结果分析中，并取得了良好的效果[62]。

2.7 透明度的影响因素及其确定原则

透明土物理模型最大的特点是具有一定的透明度，利用该特点可以实现模型内部变形可视化以及数据量测非接触化。影响模型透明度的因素可分为主要因素和次要因素，主要因素应重点控制，次要因素需适当避免。主要因素有相似材料(纯度、折射率、种类和尺寸、试样饱和度等)和模型箱(透明度、折射率、模型尺寸等)的性质；次要因素有实验室环境(光线、湿度、空气成分等)。

相似材料的纯度(骨料尺寸及杂质含量)与折射率匹配精度(孔隙液体之间及其与骨料之间折射率的匹配)直接影响模型透明度的高低。如粒径为0.5～1.0 mm的熔融石英砂配合矿物油溶液(十五号柏油和正十二烷)配制的透明砂土模型透明度较高，而较大或较小粒径的熔融石英砂由于在生产过程中产生较多破裂面而影响模型透明度(图9)；溴化钙溶于水会产生浑浊现象；透明土试样不饱和性在一定程度上也会降低模型透明度。模型箱首选折射率与骨料相同或相近的透明有机玻璃材料制作；模型箱尺寸越大，透明度越低，故应适当控制模型箱尺寸。实验室中光线和空气成分在一定程度上会影响激光制斑的效果及图形采集的精度，故应保证实验过程中的光线稳定，减少空气中灰尘及水分的含量。

图9 不同粒径熔融石英配制的透明砂土Fig.9 Transparent sands made by fused quartz with different grain sizes

天然土体具有明显的各向异性和非均质性特点，高度透明的土体因为均质性和各向同性而导致其与天然土体物理力学性质偏差较大，故建议将模型透明度以获取清晰散斑面图像为最佳作为模型透明度确定的原则。此外，在不影响清晰散斑面图像获取的前提下，模型内部适量空气在一定程度上可以有效增加透明土模型的各向异性和非均质性，建议在真空排气过程中适当保留。

3 工程应用

利用透明土物理模拟试验技术对各种工程问题进行可视化研究，可以深入理解工程所处地质条件下土体内部变形规律及破坏机制，有助于工程设计和施工方法的深入优化，对于相关基础科学研究和工程技术问题的解决均具有重要意义。

3.1 基础工程

利用透明土物理模拟试验技术，周航等[15]开展了X形桩的沉桩挤土试验，基于试验结果提出了一种简单的修正扩孔理论；曹兆虎等[16]进行了扩底楔形桩、楔形桩和等直径圆形桩拔桩试验，对拔桩过程中的桩周土体位移场变化规律及影响范围进行了研究；张婉璐等[17]对不同长宽比与不同桩数的细长桩在屈服过程中的土体位移场变化规律进行了模型试验；Qi等[18]对不同约束条件下完全嵌入模型的细长桩在屈服过程中周围土体的变形规律进行了研究；陈建峰等[19]对钢筋长度和加筋深度(层数)下条形基础荷载下地基内部位移场演化及滑移破坏过程进行了研究。对于透明砂土，基础形式多集中在桩基方面，较少涉及条形、箱型等基础形式；对于透明黏土，由于黏聚力的存在，使得桩型基础在沉入或拔出过程中所处阻力较大，可能会破坏模型完整性。就基础工程而言，研究透明土物理模拟试验技术在不同基础形式下的应用是未来发展方向之一。

3.2 隧道工程

利用透明土物理模拟试验技术，Ahmed等[24]对盾构施工引起的地表沉降、掌子面支护力及周围土体变形规律进行了研究；周俊宏等[25]对隧道上浮过程中抗浮力随上浮量的变化规律以及隧道周围土体位移场的变化规律进行了研究；张家奇等[26]开展了全可视化突泥室内模拟试验，对模型内部位移场演化规律进行了研究；Xiang等[27]对土体强度和埋深对隧道变形破坏机制进行了研究。对于透明砂土，由于土体位于液面之下，开挖后容易坍塌，无法对隧道先开挖后支护的施工流程进行准确模拟[63]；对于透明黏土，则需要研发与透明黏土折射率相同或相近的开挖设备或支护结构的相似材料，从而最大程度地降低激光反射。就隧道工程而言，如何准确模拟隧道开挖方式与支护技术是当前透明土物理模拟试验技术亟须解决的难题之一。

3.3 边坡工程

利用透明土物理模拟试验技术，Sui等[31]对水位下降过程中边坡内部破坏过程进行了模型试验研究；Wang等[32]对土-石边坡界面滑动机制进行了可视化研究分析。对于透明砂土，由于孔隙液体的存在，使得土体只能位于液面之下；对于透明黏土，由于黏聚力的存在，使得依靠土体自重难以发生滑动破坏。就边坡工程而言，如何保证土体在液面之上发生滑动破坏是当前透明土物理模拟试验技术亟须解决的难题之一。

3.4 基坑工程

利用透明土物理模拟试验技术，Wang等[33]对基坑降水中截水墙和抽油井的耦合效应进行了研究。对于透明砂土，由于孔隙液体的存在，开挖后容易坍塌，使得模型内部开挖基坑比较困难；对于透明黏土，由于固结排液，使得模型内部不存在孔隙液体。就基坑工程而言，如何保证在模型下部存在液体的前提下对模型上部进行基坑开挖是当前透明土物理模拟试验技术亟须解决的难题之一。

3.5 其他方面

透明土物理模拟试验技术还被应用到土中热力传递、根系植物学、化学注浆等方面。

3.5.1 土中热力传递

Siemens等[34]将透明土的特点应用到热传输实验中，透明土的透明度随温度升降而发生变化，透明度变化又表现在图像上，利用图像采集设备来捕捉实验过程中的图像，通过对不同图像进行分析就可以反映相应时刻的温度。在透明土物理模拟试验过程中，需要控制模型内部与周围环境之间的热量交换，从而提高模型试验结果的准确性。

3.5.2 根系植物学

Downie等[35]对植物根系在透明土中的生长过程以及根茎附近细菌的传递机制进行了可视化研究；孔纲强等[36]对不同植物根茎在透明黏土中的生长过程分布形态进行了非嵌入式的可视化观测试验。目前，透明土物理模拟试验技术还难以对天然土体中的大量微生物和众多矿物质进行准确模拟。

3.5.3 化学注浆

Gao等[37]利用黏度较低的脲醛树脂(urea formaldehyde resin, UFR)作为灌浆材料，对化学注浆的扩散机理进行了研究分析，重点分析了灌浆半径与灌浆时间之间的对应关系。对于透明砂土，由于孔隙液体的存在，使得化学浆液难以硬化，只能研究化学浆液的流动扩散机理；对于透明黏土，由于固结排液成型，使得化学浆液难以在模型内部流动。

4 存在问题及发展方向

4.1 模拟土体种类

目前，透明土模拟土体种类偏少，主要包括砂土、黏土、软土、淤泥或泥炭土等。未来，应继续丰富透明土模拟土体的种类，如黄土、冻土、红黏土以及膨胀土等特殊土体模拟，这些特殊土体模拟可以为配置特殊地层模型奠定基础。

4.2 模型透明度

透明土物理模型的透明度随着模型尺寸的增大而逐渐降低，极大地限制了透明土物理模拟试验技术的应用和发展。通过利用透明土透明度的确定原则，在确保散斑切面清晰度的前提下，可以适当增大模型尺寸以减小边界效应带来的负面影响，还可以拓展透明土物理模拟试验技术的应用领域。

4.3 物理力学性质

透明度较高的物理模型具有显著的各向同性和均质性，与天然土体存在一定差异。未来，在保证模型透明度的前提下，可以适量保留模型内部空气以提高模型各向异性和非均质性的特征。同时，建议对既有透明土试样的物理力学性质进行定性化分类和定量化测试相结合研究，建立一套与天然土体物理力学性质相对应的完整指标体系，进而更加明确既有透明土的物理力学性质以及工程应用范围。

4.4 散斑切面制作

利用电动平移台和控制箱获取的不同部位或不同时刻的散斑切面，进而反映模型内部三维变形场的方法仍然存在诸多问题，如激光器的精确回位、同一时刻不同部位的切面制备和图像获取。未来，应加强模型内部多个散斑切面制作方法的研究，如利用人工制斑和激光制斑相结合来实现模型内部纵横两向的散斑切面制备。此外，模型内部测点的精确定位也是未来亟须解决的技术难题之一。

4.5 实验设备

单轴加载方式下的物理模型受力比较简单，与工程实际受力状态不符，实验结果难以直接指导工程实际问题的解决。利用人工制斑和数字照相量测技术有望实现双轴或真三轴加载，是未来透明土物理模拟试验技术加载方式的重要发展方向之一。

4.6 特殊地层制备

目前，透明土物理模拟试验技术主要应用于均质地层，较少涉及特殊地层环境的模拟。通过不同粒径的骨料可以配置强度不同的同类土体，以此来模拟强度不同的复合地层。而利用透明黏土和透明砂土相结合的方式有望实现真正的复合地层模拟。模型内部空洞模拟依然需要借助气囊或硬质空心球体来预制。如何实现真正意义的空洞地层模拟还需进一步探索研究。

5 结论

透明土物理模拟试验技术具有独特的优点以及广阔的应用前景，并已逐渐发展成为岩土工程物理模拟试验技术的重要分支之一。在分析透明土物理模拟试验技术基本原理、主要内容、工程应用、存在问题以及发展趋势的基础上，得出如下结论。

(1)利用激光制斑的透明砂土材料能够二次复用，极大降低了实验成本。总结清晰散斑面图像获取的方法，即手动对焦、手动设置选项、降低图像采集时间间隔、双重图像格式保存、保证周围环境稳定以及焦点成功定位等。

(2)提出了透明土物理模型透明度的确定原则，即以获取清晰散斑面图像为最佳。在保证模型透明度的前提下可以适当增大模型尺寸以减小边界效应带来的负面影响，同时还可以适量保留模型内部空气以增加模型各向异性和非均质性的特征。

(3)利用人工制斑和数字照相量测技术有望实现模型双轴或真三轴加载，进而使得模型受力更加符合工程实际，是未来透明土物理模拟试验技术加载方式的重要发展方向之一。

(4)随着透明土物理模拟试验技术的快速发展，建议对既有透明土试样的物理力学性质进行定性分类与定量测试，建立一套与天然土体物理力学性质相对应的完整指标体系，进而更加明确既有透明土的应用范围。