透明土及其在不同領(lǐng)域的新應(yīng)用

劉 紹 莉

(同濟大學(xué)，上海 200092)

?

透明土及其在不同領(lǐng)域的新應(yīng)用

劉 紹 莉

(同濟大學(xué)，上海 200092)

結(jié)合透明土的研究現(xiàn)狀，介紹了透明土的發(fā)展歷程，從巖土工程性質(zhì)、室內(nèi)試驗、實驗設(shè)備與技術(shù)等方面，總結(jié)了其在不同領(lǐng)域的應(yīng)用，有利于促進(jìn)透明土技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展。

透明土，巖土性質(zhì)，實驗設(shè)備，透明材料

0 引言

在不同外力綜合作用條件下土體內(nèi)部變形的測量是研究土體變形機理的關(guān)鍵，同時是土力學(xué)研究的重要基礎(chǔ)之一。傳統(tǒng)的室內(nèi)模型試驗大都通過預(yù)埋傳感器或電阻應(yīng)變片的方法來測量土體內(nèi)部變形，但擾動均過大；而后研究者使用X射線、計算機軸向斷層掃描(CAT)和核磁共振成像(MRI)[1]技術(shù)來觀測土體內(nèi)部局部變形，但是由于此技術(shù)成本過高而沒有得到推廣。因此學(xué)者開始尋找代替自然土的透明材料。

隋旺華等[2]對透明土各方面給出了系統(tǒng)的概括和評述。1990年Mannheimer發(fā)明了透明泥漿，這標(biāo)志著透明土的開端；2001年Sadek，Iskander[3]對透明土的合成進(jìn)行了進(jìn)一步研究；2010年Liu，Iskander[4]總結(jié)研究了透明材料的合成，最終得到了透明合成材料及試驗的具體做法，固體材料主要為不同粒徑的無定型硅粉、熔融石英砂、二氧化硅膠體等二氧化硅水合物，孔隙流體主要為與固體材料相同折射率的溴化鈣溶液、工業(yè)礦物油等溶液，圖像采集使用激光進(jìn)行切面，利用高速攝像機進(jìn)行拍照，最后利用數(shù)字圖像技術(shù)進(jìn)行變形及滲流分析。

1 透明土實驗技術(shù)的起源與發(fā)展

用碎玻璃制成的透明材料的強度與正常土體存在差異，高壓易碎，并且透明度差不易觀測，因此不被廣泛采用；此后玻璃粉被廣泛應(yīng)用于二維滲流模型中，冰晶石(一種透明的氟化鹽)也被用來研究。自1990年Mannheimer發(fā)明的透明泥漿之后，其物理力學(xué)性質(zhì)被Mannheimer和Iskander等人進(jìn)行了研究，試驗結(jié)果表明透明泥漿性質(zhì)與天然土體相吻合，可以用來研究天然土體的性質(zhì)。

此后，Iskander利用無定型硅粉和相應(yīng)折射率工業(yè)油合成了用于模擬粘土的透明土，同樣用二氧化硅膠體和與其具有相同折射率的孔隙流體合成了透明砂土。緊接著Iskander利用熔融石英砂為固體材料合成了透明土，因為熔融石英砂的形狀特征和化學(xué)組分與自然砂土更為相近，熔融石英砂的動力學(xué)特征也與自然砂土接近，所以現(xiàn)階段大部分學(xué)者都用熔融石英砂來模擬砂土。

2 材料的制備

目前，人工合成透明土包括兩類：第一類是用來模擬粘土的無定形硅粉；第二類是用來模擬砂土的無定形硅膠或熔融石英砂。

兩大類透明土的配制過程詳述如下：

1)粘性土的配制[5]。

固體材料使用無定型硅粉；孔隙流體使用工業(yè)礦物油或者鹵水，礦物油可以用兩種不同折射率的白油混合而成，按照不同的室溫條件調(diào)節(jié)礦物油的比例，使混合礦物油的折射率與無定型硅粉的折射率一致；鹵水可用固態(tài)溴化鈣和水混合而成，按照室溫調(diào)節(jié)鹵水的濃度，使鹵水的折射率與無定型硅粉的折射率一致。

2)砂土的制備。

采用熔融石英砂與相同折射率的工業(yè)白油，根據(jù)需要制定不同粒徑的熔融石英砂，再根據(jù)顆分曲線進(jìn)行均勻混合，加入折射率一致的工業(yè)白油，為提高懸浮液的透明度，需要去除孔隙內(nèi)的空氣，一般采用充分?jǐn)嚢柙儆贸檎婵盏姆椒?，直至透明度達(dá)到要求，最后將配制好的懸浮液固結(jié)。

3 巖土工程性質(zhì)

為了準(zhǔn)確的模擬天然巖土體的變形機理，需要使所配制的透明材料的巖土力學(xué)性質(zhì)與天然土體一致。國內(nèi)外諸多學(xué)者對透明土模擬天然土體的能力做了多方面研究，對常規(guī)的土體的剪切特性和固結(jié)性能 Sadek，Iskander，Liu[6,7]對此做了相關(guān)試驗研究；水力學(xué)滲透特性方面Welker等[8]做了初步試驗研究；對于透明土的動力學(xué)特性Zhao等人[9]也做了相關(guān)實驗研究；Ivan L.， Guzman等[10]總結(jié)了現(xiàn)有的幾種透明材料的物理參數(shù)，包括材料折射率，孔隙流體的粘度，水力梯度，滲透率，摩擦角，內(nèi)聚力。研究表明透明材料的巖土力學(xué)性質(zhì)與天然土體一致，透明砂的應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系與天然砂的應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系較為吻合，透明粘土的應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系與粘性土非常相似。

4 實驗設(shè)備與技術(shù)

為準(zhǔn)確方便的觀測透明土內(nèi)部的變形及滲流情況，不同學(xué)者根據(jù)現(xiàn)有的光學(xué)技術(shù)做了多方面研究?；谕该鞑牧系奶厥庑?，Iskander[2]開發(fā)了一套用于測量土體內(nèi)部變形的系統(tǒng)，此完整系統(tǒng)由激光源發(fā)射激光，后經(jīng)線發(fā)生器將激光轉(zhuǎn)變成線狀對透明圖樣進(jìn)行切分，高速攝像機捕捉其變形前后的圖像，得到一系列散斑圖，這些散斑圖通過計算機中圖像分析系統(tǒng)分析處理，最終得到不同切片變形前后的位移場，如果想要得到完整的土體三維變形場，則需對多個切片變形前后圖像進(jìn)行分析。透明土的成功研制及變形觀測系統(tǒng)的開發(fā)促使室內(nèi)土工模型試驗進(jìn)入了一個全新的階段，為不同領(lǐng)域的研究開拓了新的研究基礎(chǔ)，加深在不同領(lǐng)域內(nèi)土體變形及破壞機理的認(rèn)識。另外Gill等[11]對現(xiàn)有的光學(xué)觀測方法進(jìn)行了分析研究，佘躍心等[5]對相關(guān)圖像處理技術(shù)進(jìn)行了總結(jié)研究。

5 透明土實驗技術(shù)的應(yīng)用

透明土的誕生及相應(yīng)觀測系統(tǒng)的開發(fā)為不同領(lǐng)域的研究奠定了基礎(chǔ)，室內(nèi)三軸試驗變形測量、條形基礎(chǔ)的變形測量、沉樁過程中周圍土體的變形測量及離心機試驗等方面的變形測量都已開始采用透明材料。

在基礎(chǔ)地基變形和承載力研究方面，齊昌廣等[12]基于透明土試驗研究了淺基礎(chǔ)沉降引起的土體變形規(guī)律；Song等[13]分析了基于透明土利用離心機試驗探究錨桿嵌入土體過程中錨固力的變化；Ni等[14]分析研究了沉樁過程中樁周土體的變形及樁與土體的相互作用。高炳倫[15]研究了在潰砂過程中砂體的流動形態(tài)變化規(guī)律，對潰砂發(fā)生過程、階段特點以及潰砂流動形態(tài)進(jìn)行了研究。李文濤[16]基于透明土開展了盾構(gòu)隧道壁后同步注漿模型試驗。劉佳佳[17]基于透明土研究了盾構(gòu)隧道開挖面土體變形及穩(wěn)定性，系統(tǒng)研究了盾構(gòu)施工引起土體變形的細(xì)觀機理。林志斌等[18]對基于透明巖體的深埋軟巖巷道變形破裂規(guī)律進(jìn)行了研究?？拙V強等人[19]基于透明土研究了異形樁拔樁過程中土體變形規(guī)律，沉樁過程中土體三維變形規(guī)律，擴底楔形樁中性點位置測定方法分析，水平荷載下擴底楔形樁承載力特性分析，水平荷載樁室內(nèi)模型試驗系統(tǒng)研究分析，等截面樁的沉樁模型試驗變形分析，管樁貫入特性模型試驗研究分析，極限荷載下X形樁和圓形樁破壞形式模型試驗分析對比。齊昌廣等[20]在透明土的基礎(chǔ)上研究觀測了不同約束形式下完全嵌入模型細(xì)長樁的完整屈曲曲線。吳躍東等[21]基于透明土進(jìn)行了取土管的貫入試驗，得到了在取土管貫入過程中土體擾動變形場的分布特性。

6 結(jié)語

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擬天然土體，利用現(xiàn)有的光學(xué)觀測分析系統(tǒng)以及圖像處理技術(shù)可精確觀測土體內(nèi)部變形及孔隙流體的滲流過程。隨著新材料的不斷研發(fā)，光學(xué)攝影技術(shù)的發(fā)展，透明材料的室內(nèi)試驗研究精度將會得到進(jìn)一步提高，其應(yīng)用領(lǐng)域也將會進(jìn)一步擴大。

[1] Posadas D,Hazan I,Panepucci H,et al.Magnetic resonance imaging as a non-invasive technique for investigating 3-D preferential flow occurring within stratified soil samples[J].Computers and Electronics in Agriculture，1996,14(4):255-267.

[2] 隋旺華,高 岳,Liu Jinyuan.透明土試驗技術(shù)現(xiàn)狀與展望[J].煤炭學(xué)報,2011,36(4):577-582.

[3] Sadek S.,Iskander M., J.Liu.Geotechnical properties of transparent silica[J].Canadian Geotechnical Journal,2001,39(1):111-124.

[4] Liu J,Iskander M.Modeling capacity of transparent soil[J].Canadian Geotechnical Journal,2010,47(4):451-460.

[5] 佘躍心.基于透明介質(zhì)和顆粒圖像技術(shù)的土體變形測量研究進(jìn)展[J].勘察科學(xué)技術(shù),2005(6):7-10.

[6] Iskander M.,Sadek S.,LIU J..Transparent silica gel to model sand[J].int.Journal of physical model in Geotechnics,2002,128(3):262-273.

[7] Liu J..Visualization of 3-D deformations using transparent “soil” models [D].New York:Polytechnic University,2003.

[8] Welker A,Bowders J,Gilbert R.Applied research using a transparent material with hydraulic properties similar to soil[J].Geotechnical Testing Journal,1999,22(3):266-270.

[9] Zhao H,Ge L.Dynamic properties of transparent soil.Dynamic response and soil properties,GSP 160.ASCE Press,New York,2007.

[10] Ivan L.Guzman, Magued Iskander, Eduardo Suescun-florez, et al.A transparent aqueous-saturated sand surrogate for use in physical modeling[J].Acta Geotechnica,2014(9):187-206.

[11] Gill D,Lehane B.An optical technique for investigating soil displacement patterns[J].ASTM Geotechnical Test Journal，2001,24(3):324-329.

[12] 齊昌廣,范高飛,崔允亮,等.利用人工合成透明土的巖土物理模擬試驗[J].巖土力學(xué)，2015,36(11):3157-3163.

[13] Song Z,Hu Y,Oloughilin C,et al.Loss in anchor embedment during plate anchor keying in clay[J].Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering,2009,135(10):1475-1485.

[14] Ni Q,Hird C,Guymer I.Physical modelling of pile penetration in clay using transparent soil and particle image velocimetry[J].Geotechnique，2010,60(2):121-132.

[15] 高炳倫.基于透明土的采掘潰砂流動形態(tài)試驗研究[D].徐州:中國礦業(yè)大學(xué),2015.

[16] 李文濤.基于人工合成透明土盾構(gòu)隧道壁后同步注漿模型試驗研究[D].北京:北京交通大學(xué)，2015.

[17] 劉佳佳.基于透明土的盾構(gòu)隧道開挖面穩(wěn)定性分析[D].武漢:武漢理工大學(xué),2012.

[18] 林志斌,李元海,高文藝,等.基于透明巖體的深埋軟巖巷道變形破裂規(guī)律研究[J].采礦與安全工程學(xué)報,2015,32(4):585-591.

[19] 孔綱強,曹兆虎,周 航,等.水平荷載下擴底楔形樁承載力特性透明土模型試驗[J].土木工程學(xué)報,2015,48(5):83-89.

[20] 齊昌廣,陳永輝,王新泉,等.細(xì)長樁屈曲的透明土物理模型試驗研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報,2015(4):838-848.

[21] 吳躍東,羅如平,劉 堅,等.基于透明土的取土管貫入擾動變形試驗研究[Z].

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

劉紹莉(1990- )，女，在讀碩士

TU449

A