可视化透明土技术在岩土变形测量实验教学中的应用

周 鹏，柯文斌

（华东交通大学 土木建筑学院，江西 南昌 330013）

引言

岩土变形测量是土木工程和地质工程的重要任务之一，旨在研究地下岩土体的变形情况，为工程设计和施工提供依据。传统的岩土变形测量只能对土体的局部或点位进行测量，无法实时获取岩土体全域的变形信息，也难以捕捉到复杂的变形机制和行为。此外，由于岩土体的不透明性，传统技术通常依赖于对变形标志物的测量，无法直接观察岩土体内部的变形情况，这将导致相关科研实验和实践教学无法直观展示实验结果［1］，从而给学生带来困扰，降低实践教学的效果。因此，寻找一种新的教学工具进行岩土变形测量实验具有重要意义。

针对传统岩土变形测量方法的局限性，有学者提出了采用透明材料模拟天然土体的想法。Iskander 等［2］首次尝试使用透明材料模拟黏土和砂土，并通过观察透明土的变形过程来研究土体的物理力学行为。随后，众多学者将透明土技术应用于模型试验中，以解决岩土工程实际问题［3-5］。可视化透明土技术作为一种新兴的教学工具在岩土变形测量中越来越受到重视。可视化透明土技术将真实的岩土体模拟为透明的物质，使得学生能够清晰地观察岩土体的变形过程，了解岩土体的变形机制和行为。因此，在当前的岩土变形测量教学过程中，可视化透明土技术实验的开展是非常必要的。该实验技术可锻炼学生的实验动手能力，并充分发挥学生的自主能动性。具体而言，学生需要自主选择合适的透明土制配材料、设计透明土制配材料的混合比例、使用数据采集设备，以及掌握数字图像相关技术平台的操作。通过自主设计实验方案，并利用基本的实验操作和方法完成实验以及处理实验采集数据，学生将能够独立地、科学地、合理地运用可视化透明土技术进行岩土变形测量。

本试验旨在培养学生对可视化透明土技术的理解和应用能力，以及在岩土变形测量方面的实践能力和创新思维。通过该实验项目，学生可以独立操作可视化透明土技术相关的模型试验装置，有助于深入理解可视化透明土技术的原理和操作流程。该举措充分发挥了模型设备在科学研究和教学实验中的重要作用，不仅提高了设备利用率，而且符合将模型设备应用于实验教学中的理念。

一、可视化透明土技术实验教学

（一）技术原理

饱和土体是由土骨架和孔隙水构成的双相结构。为模拟饱和土体，在实验中选用了透明的颗粒材料作为土骨架代替物，见图1（a），并选择折射率与颗粒材料相同的液体材料作为孔隙水代替物。两者一致的折射率使得所制备的透明土呈现出透明状态，如图1（b）所示。

图1

基于粒子图像测速技术（Particle Image Velocimetry，PIV），可以采用非侵入式测量方法对透明土的变形进行测量［6］。通过激光器形成的激光面照射到透明土模型上，激光与透明土的相互作用使得在土体平面上产生散斑场，如图1（c）所示；利用CCD相机连续拍摄实验过程中散斑场图像的变化，并采用PIV软件对采集的散斑场图像进行后处理，以获得岩土工程实验过程中土体的位移场分布情况。

（二）教学实验仪器

1.实验硬件主要包括以下设备：（1）CCD 相机。型号为尼康D850，分辨率为8 264×5 504像素，像素尺寸为35.9 μm×23.9 μm，采集方式为连续拍摄，最高连拍速度为7 张/秒。（2）激光器。型号为氦氖激光器，输出功率为75 mW，波长为632.8 nm，功率稳定性＜5%，偏振方式为线偏振光，偏振比＞1 000∶1。（3）沉桩加载设备。型号为DY-1沉桩加载仪，最大加载力为1 000 kN，测量范围为0～1 000 kN，校准精度为±1%，传感器类型为高精度的压力传感器，数据记录格式为将测量数据以数字形式显示，并通过RS232接口或USB接口与计算机等设备连接。（4）数据系统、透明土模型槽、透明土混合仪器、透明土真空饱和仪器、透明土加压固结仪器。

2.实验软件主要包括以下设备：实验软件主要基于开源软件Geo_PIV进行设计开发，并根据不同实验要求进行编程，以实现特定功能模块。例如进行沉桩实验，可以选用PIV View2软件对沉桩过程中采集的图像进行处理［7］。

（三）教学实验流程

首先，给学生介绍可视化透明土技术的理论知识以及岩土变形测量的一般方法，让学生了解透明土的制备流程，并根据实验教学安排提出一些基础问题。其次，给学生展示可视化透明土技术在岩土工程实验中的实际例子，详细介绍其实验原理以及实验仪器的组成与使用方法，做到理论知识与实验内容的有机结合，并使学生更好地理解理论知识，将其应用于实际操作中，实现理论与实验的有效联系。

实验开始前，先指导学生使用折射仪、透明土真空饱和仪和透明土加压固结等仪器，并帮助学生了解实验过程中如何选择颗粒材料和液体材料、如何设置仪器参数和如何操作各项仪器。然后让学生独立设计实验方案并完成透明土制配，从而提升他们的独立思考能力、创新能力和动手能力。

透明土材料制备完成后，给学生讲解CCD相机与激光器的数据采集原理。同时，让学生自主设计CCD相机与激光器的安放位置。接着，指导学生熟练掌握Geo_PIV软件的操作、代码编写和数据处理的方法。最后，指导学生独立编写相应的代码来处理岩土工程实验采集的数据，并对取得的数据进行分析和处理，并鼓励学生自主提出观点和问题，结合数据得出实验结论，进而培养学生的科研能力和创新思维，并能够进一步加深学生对实验教学知识的理解和应用。

二、可视化透明土技术实验教学实例

以桩基沉桩透明土模型试验［8］为例，模型试验装置如图2所示。该实验模型槽为长方体透明有机玻璃槽，外边平面尺寸为130 mm×130 mm，厚度为5 mm，高度为260 mm。模型桩采用不锈钢材料制作，桩径为6.4 mm，沉桩深度为48 mm。

图2 可视化透明土模型试验装置

该实验的透明土材料由熔融石英砂与质量比为1∶4的正十二烷与15号白油混合而成的混合油制成。常温下石英砂和混合油两者折射率均为1.458 5，保证了透明土材料的透明状态。待透明土材料制配完成，将装有透明土的模型槽放置沉桩测试区域，然后进行沉桩加载试验。此过程可以让学生独立完成，使学生更加熟悉透明土材料选择、制配和相关试验的各个流程，锻炼学生的动手能力。

采用PIV后处理软件对沉桩过程中所采集的散斑场图像进行分析，可获得桩周土体位移矢量图。图3分别给出了沉桩深度L=7.5 D时的桩周土体的位移矢量图和桩周土体径向位移等值线图［8］。对于大多学生来说，这些图像数据难以理解，所以可以先给学生讲解PIV后处理软件的原理，然后让学生根据数据初步判断实验过程是否符合要求、结果是否正确，为学生以后进行有关可视化透明土试验打下基础。通过该教学实验，学生可以对可视化透明土实验的原理、流程、设备操作、注意事项和后期数据处理有清晰的认知，把书中的知识和实际的实验操作结合起来，以此全面了解并掌握可视化透明土实验的全过程。

图3

三、可视化透明土技术实验教学扩展

（一）基于三维图像处理的可视化透明土技术

可视化透明土技术应用于岩土变形测量实验时，传统的PIV技术只能获取土体某个切面的二维变形场，难以获取其他切面的二维变形场以及整个土体的三维变形结果。

为此，结合三维图像处理方法，通过PIV技术处理得到多个切面的二维变形场，然后对这些二维变形场进行重构以获取岩土体整体的三维变形场。这样，学生在教学实验测量过程中可以得到更完整的实验数据，进一步分析出更加正确的实验结果，并加深学生对可视化透明土技术和三维PIV图像处理方法的理解。

（二）基于3D打印的可视化透明土技术

目前，人工合成透明砂土仅考虑模拟天然砂颗粒的强度和刚度，而忽视了天然砂颗粒的形态特征。实际上，天然砂颗粒的形态不是简单的大块颗粒破碎，再加上制备透明砂土颗粒的生产工艺存在缺陷，透明砂土颗粒与天然砂颗粒的形态存在明显差异。

随着3D打印技术的发展，砂土颗粒不再受限于特定形状，而可以通过3D打印机制作为任意形状。因此，结合3D打印技术对颗粒形状和孔隙分布可控的特点，利用可视化透明土技术研究土体颗粒方面可以更加精确，提高了代替天然土体的可行性。在加入了3D打印技术的教学实验中，学生能够进行更加完善的实验，从而得到更接近实际情况的实验结果。

结语

根据高质量、高水平人才创新培养要求，在岩土变形测量实验教学中引入了可视化透明土技术的应用。通过结合理论知识和实验实例，为学生提供了全面且深入的学习体验。在教学过程中，探索并采用了一系列能够促使学生积极参与实验设计和操作的教学方法，引导学生主动参与并发挥主观能动性。学生通过自主设计实验方案，不仅理解了可视化透明土技术的原理，还懂得了透明土制配流程。同时，学生熟练掌握了Geo_PIV软件的操作、代码编写和数据处理的方法。通过完整的学习可视化透明土技术涉及的实验知识体系并了解其前沿问题，培养了学生独立思考能力、创新能力和动手能力，并激发了主观能动性和探索性思维，对于促进知识运用能力和学习素养的全面协调发展具有重要意义。