透明土物理模擬試驗(yàn)技術(shù)現(xiàn)狀與趨勢(shì)

杜建明， 房 倩， 劉 翔， 海 路

(北京交通大學(xué)隧道及地下工程教育部工程研究中心， 北京 100044)

物理模擬試驗(yàn)技術(shù)以相似原理為理論基礎(chǔ)，通過正確有效的物理模型更加深入地認(rèn)識(shí)原型，是巖土工程諸多領(lǐng)域進(jìn)行科學(xué)研究與技術(shù)問題解決的重要手段之一[1]。而巖土工程的建設(shè)過程又勢(shì)必會(huì)遇到工程本身及與其所處地層環(huán)境之間的相互關(guān)系等眾多復(fù)雜問題，如土體與結(jié)構(gòu)之間相互作用機(jī)理[2]以及土體變形控制方法[3]等科學(xué)技術(shù)問題，這些問題的研究解決都與土體內(nèi)部變形規(guī)律密不可分。然而，傳統(tǒng)的普通相似材料由于其內(nèi)部不可見而無法對(duì)土體內(nèi)部變形規(guī)律進(jìn)行全面細(xì)致的“直接觀測(cè)”。透明土相似材料的出現(xiàn)使得對(duì)模型內(nèi)部變形進(jìn)行“直接觀測(cè)”成為可能。透明土相似材料是具有天然土體工程性質(zhì)的人工合成透明模擬材料的統(tǒng)稱，由骨料和具有相同或相近折射率的孔隙液體配制而成。因?yàn)楣橇虾涂紫兑后w具有相同或相近的折射率，光線在經(jīng)過時(shí)就不會(huì)發(fā)生明顯的折射或散射，故這種“土體”就是透明的[4]。

Allersma[5]利用碎玻璃制備的透明材料研究剪切條件下材料應(yīng)力應(yīng)變分布情況，但該透明材料具有高壓易碎的缺陷。Mannheimer[6]利用無定形硅粉和溴化鈣溶液配制的透明漿液標(biāo)志著透明土的孕育而生。Iskander等[7]、Saderk等[8]利用無定形二氧化硅和礦物油混合溶液合成了低塑性黏土(俗稱“透明黏土”)，利用硅膠合成能夠模擬靜動(dòng)力學(xué)的砂土(俗稱“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)算法實(shí)現(xiàn)了透明土模型內(nèi)部變形數(shù)據(jù)的量測(cè)與分析。Ezzein等[12]利用熔融石英砂和孔隙液體合成了透明度較高的透明砂土。Wllace等[13]利用鋰皂石和水合成了能夠模擬海洋黏土的透明土?？拙V強(qiáng)等[14]利用Carbopol?Ultrez10(簡(jiǎn)稱“U10”)、NaOH粉末和純凈水合成了強(qiáng)度、壓縮固結(jié)特性與天然淤泥(尤其是海相淤泥)或泥炭土性質(zhì)相似的透明黏土。利用透明土材料、現(xiàn)代光學(xué)測(cè)試儀器以及圖像捕捉與處理技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)基礎(chǔ)工程[15-23]、隧道工程[24-30]、基坑工程[31-32]、邊坡工程[33]以及其他方面[34-39]的相關(guān)科學(xué)技術(shù)問題的可視化研究，對(duì)于深入研究各種工程地質(zhì)條件下的土體內(nèi)部變形演化規(guī)律及破壞機(jī)制的時(shí)空效應(yīng)，提高對(duì)土力學(xué)和巖土工程問題的本質(zhì)認(rèn)識(shí)均具有重要意義。

隋旺華等[40]對(duì)透明土實(shí)驗(yàn)技術(shù)起源、材料制備、巖土工程性質(zhì)、實(shí)驗(yàn)設(shè)備以及技術(shù)等進(jìn)行了回顧和評(píng)述。Iskander等[41]對(duì)透明土相似材料在1g模型試驗(yàn)和離心模型試驗(yàn)中的應(yīng)用發(fā)展歷史進(jìn)行了回顧，并提出透明土相似材料未來的應(yīng)用領(lǐng)域(如多孔介質(zhì)流動(dòng)模擬、細(xì)觀尺度研究)以及輔助試驗(yàn)技術(shù)(如彩色圖像分析技術(shù)、顆粒接觸力量測(cè)技術(shù))。Abideen等[42]利用粒子圖像測(cè)速(particle image velocimetry, PIV)技術(shù)對(duì)透明土相似材料的特點(diǎn)、透明土的合成方法與物理性質(zhì)、透明度的影響因素、位移量測(cè)的方法以及工程應(yīng)用領(lǐng)域進(jìn)行了綜述。然而，上述綜述都沒有對(duì)透明土物理模型透明度的確定原則進(jìn)行闡述，也沒有涉及透明土物理模型雙軸加載或真三軸加載試驗(yàn)技術(shù)。

隨著透明土物理模擬試驗(yàn)技術(shù)的快速發(fā)展，應(yīng)用領(lǐng)域日趨廣泛，而模型透明度隨著模型尺寸的增大而逐漸降低，如何在保證模型尺寸的前提下合理確定模型透明度成為一個(gè)亟須解決的技術(shù)問題。同時(shí)，依靠模型自重或單軸加載試驗(yàn)技術(shù)已無法滿足日益復(fù)雜的科研問題研究的需要，亟須建立雙軸加載或真三軸加載試驗(yàn)技術(shù)，從而準(zhǔn)確模擬土體的真實(shí)受力狀態(tài)。

現(xiàn)主要針對(duì)當(dāng)前中外透明土物理模擬試驗(yàn)技術(shù)及其應(yīng)用發(fā)展進(jìn)行了較為全面細(xì)致的總結(jié)、分類和闡述，對(duì)當(dāng)前透明土物理模擬試驗(yàn)技術(shù)基本原理、主要內(nèi)容、工程應(yīng)用、存在問題及發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行了對(duì)比分析，可為未來透明土物理模擬試驗(yàn)技術(shù)應(yīng)用及拓展提供參考。

1 試驗(yàn)技術(shù)基本原理

透明土物理模擬試驗(yàn)技術(shù)是以由透明土相似材料制備的物理模型為實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)，通過現(xiàn)代光學(xué)儀器(激光器)或人工在模型內(nèi)部制作散斑切面或標(biāo)志點(diǎn)，利用圖像采集設(shè)備(照相機(jī)或攝像機(jī))對(duì)實(shí)驗(yàn)的全過程散斑切面或標(biāo)志點(diǎn)圖像進(jìn)行捕捉，經(jīng)過對(duì)實(shí)驗(yàn)過程中變形前后的圖像進(jìn)行對(duì)比分析，進(jìn)而反映模型內(nèi)部特定位置的土體變形規(guī)律。此外，在實(shí)驗(yàn)過程中，利用電動(dòng)平移臺(tái)和控制箱配合可以實(shí)現(xiàn)激光器的精確平移，從而獲取不同部位不同時(shí)刻的激光散斑切面，對(duì)獲取的模型內(nèi)部不同部位的散斑切面進(jìn)行組合分析，就可以得到完整的三維變形場(chǎng)。透明土物理模擬試驗(yàn)技術(shù)如圖1所示。

圖1 透明土物理模擬試驗(yàn)技術(shù)Fig.1 Physical simulation test technique for transparent soils

2 試驗(yàn)技術(shù)主要內(nèi)容

透明土物理模擬試驗(yàn)技術(shù)包括透明土相似材料選擇及模型制備、物理力學(xué)特性、模型內(nèi)部散斑切面制作、散斑面圖像獲取、實(shí)驗(yàn)設(shè)備、圖像處理與結(jié)果分析等主要內(nèi)容。

2.1 相似材料選擇及模型制備

透明土物理模擬試驗(yàn)技術(shù)的前提條件是相似材料的選擇是否正確合理，材料的相關(guān)性質(zhì)是否能夠準(zhǔn)確有效地反映模擬對(duì)象的主要物理力學(xué)特性。透明土相似材料主要包括骨料和孔隙液體兩大部分，骨料對(duì)材料性能起“總體控制”作用，孔隙液體用來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，骨料的物理力學(xué)參數(shù)詳見參考文獻(xiàn)[41]。

透明砂土物理模型制備流程比較簡(jiǎn)單，將骨料和孔隙液體(折射率匹配)充分混合后真空排氣即可；透明黏土需要對(duì)骨料和孔隙液體混合物進(jìn)行固結(jié)排液來獲取黏聚力[25]；其他種類的土體模型制作流程可參考表1中對(duì)應(yīng)的參考文獻(xiàn)。

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

經(jīng)過多次實(shí)驗(yàn)探索，發(fā)現(xiàn)利用激光制斑的透明砂土相似材料可以二次復(fù)用。模型配制流程如下：①將收集的孔隙液體重新倒入模型箱；②用小勺取一勺潮濕的熔融石英砂置于孔隙液體液面以下不斷振搗，讓其均勻落入模型箱底；③重復(fù)第二步直至模型澆筑完成。初次配制模型以及材料復(fù)用配制模型如圖2所示。材料復(fù)用配制模型的透明度有一定程度減低，但仍可以滿足實(shí)驗(yàn)需要。此外，材料復(fù)用配制的模型透明度主要與材料復(fù)用次數(shù)、原始材料透明度、模型體積、人員操作水平等密切相關(guān)。

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

2.2 物理力學(xué)特性

透明土試樣與天然土體力學(xué)特性的相似程度直接決定了透明土的工程應(yīng)用領(lǐng)域，故研究透明土試樣的物理力學(xué)特性對(duì)透明土的工程應(yīng)用具有指導(dǎo)作用。

孔綱強(qiáng)等[52-53]對(duì)透明砂土的剪切變形與強(qiáng)度特性、動(dòng)變形與動(dòng)強(qiáng)度特性、單軸壓縮變形特性等進(jìn)行了相關(guān)試驗(yàn)研究，圖3為相對(duì)密度Dr=30%、圍壓σ3200 kPa、粒徑0.5～1.0 mm的玻璃砂，標(biāo)準(zhǔn)級(jí)配玻璃砂和福建標(biāo)準(zhǔn)砂的應(yīng)力-應(yīng)變[εa-(σ1-σ3)]曲線，最大主應(yīng)力差(σ1-σ3)與圍壓關(guān)系(σ3)如圖4所示，透明砂土和標(biāo)準(zhǔn)砂土的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)如表2所示。Liu等[54]利用透明砂土替代天然砂土分別對(duì)其固結(jié)性、孔隙度和滲透率等水力學(xué)特性進(jìn)行了詳細(xì)研究，表明其與某些天然土體具有相似的水力學(xué)特性，可以用來模擬自然土體中的流體流動(dòng)問題。

圖3 應(yīng)力-應(yīng)變曲線對(duì)比Fig.3 Comparative of stress-strain curves

圖4 最大主應(yīng)力差與圍壓關(guān)系Fig.4 Relationship between maximum principal stress difference and confining pressure

表2 透明砂土抗剪強(qiáng)度指標(biāo)Table 2 Indices of shear strength for transparent sands

Iskander等[55]采用質(zhì)量比1∶1的孔隙液體與無定形硅石粉配制透明黏土，并進(jìn)行三軸壓縮試驗(yàn)、滲透試驗(yàn),結(jié)果如圖5所示，其中σ3c為固結(jié)圍壓。宮全美等[56]驗(yàn)證了無定形硅粉類透明土模擬黏性土的可行性(圖6)。部分透明黏土物理力學(xué)性質(zhì)如表3[14]、表4[56]所示。

圖5 透明黏土與天然黏土平均抗剪強(qiáng)度對(duì)比Fig.5 Comparison between the average strength of transparent clay and natural clay

圖6 剪應(yīng)力-剪切位移關(guān)系曲線Fig.6 Relationship between shear strength and displacement

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

表4 透明黏土物理力學(xué)參數(shù) (上海重塑性黏土)Table 4 Physical and mechanical parameters for transparent clay (plastic clay in Shanghai)

2.3 模型內(nèi)部散斑切面制作

散斑切面是獲取模型內(nèi)部變形數(shù)據(jù)的有效途徑，根據(jù)模型內(nèi)部是否設(shè)置人工測(cè)點(diǎn)分為“無標(biāo)點(diǎn)法”和“有標(biāo)點(diǎn)法”兩種[57]?！盁o標(biāo)點(diǎn)法”又分為激光散斑和人工制斑。

被激光照射的物體表面會(huì)呈現(xiàn)顆粒狀結(jié)構(gòu)，這種顆粒結(jié)構(gòu)被取名為“激光散斑”[58]。透明土物理模擬試驗(yàn)技術(shù)中利用激光光源發(fā)出的平面狀光束將透明土模型切片，從而在模型內(nèi)部形成激光散斑面。人工制斑指通過人為在模型內(nèi)部布置一層與制作透明土相似材料所用的染色同質(zhì)材料作為散斑切面?！坝袠?biāo)點(diǎn)法”指在模型內(nèi)部觀測(cè)位置設(shè)置人工測(cè)點(diǎn)。散斑切面如圖7所示。

圖7 散斑切片F(xiàn)ig.7 Speckle slice

2.4 散斑面圖像獲取

清晰散斑面圖像獲取是圖像處理與分析的基礎(chǔ)，圖像采集的質(zhì)量高低是后續(xù)軟件能否成功分析的前提，故在圖像采集過程中應(yīng)特別注意如下幾點(diǎn)：①必須手動(dòng)對(duì)焦，從而保證焦點(diǎn)在圖像采集過程中始終定位于散斑面或標(biāo)志點(diǎn)所在平面；②手動(dòng)設(shè)置相關(guān)選項(xiàng)，避免圖像采集過程中設(shè)備自動(dòng)改變相關(guān)參數(shù)；③圖像采集間隔盡可能小(0.5 s/張)，從而收集足夠數(shù)量的圖像，便于后期分析的篩選；④圖像存儲(chǔ)建議為JPEG和RAW雙重格式，JPEG格式圖像內(nèi)存較小，便于查看與篩選圖像，RAW格式圖像內(nèi)存較大，保存信息較多，軟件分析多采用RAW或由RAW轉(zhuǎn)換的BMP格式；⑤保證周圍環(huán)境穩(wěn)定，避免因周圍光線變化而影響圖像采集效果；⑥圖像采集設(shè)備與模型箱在整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程中要保持相對(duì)位置不變，避免因輕微振動(dòng)而引起焦點(diǎn)定位改變，從而導(dǎo)致前后圖像取景不同。

焦點(diǎn)定位成功與否是采集清晰圖像的關(guān)鍵，對(duì)焦是否成功可利用計(jì)算機(jī)查看圖像中散斑面或標(biāo)志點(diǎn)是否清晰來確定(圖8)。焦點(diǎn)定位前可利用“點(diǎn)對(duì)焦”模式來捕捉散斑面或標(biāo)志點(diǎn)，然后改為“面對(duì)焦”模式來獲取清晰圖像。

圖8 數(shù)碼相機(jī)對(duì)焦圖Fig.8 Picture of focus by digital camera

2.5 試驗(yàn)設(shè)備

透明土物理模擬實(shí)驗(yàn)設(shè)備主要包括光學(xué)平臺(tái)系統(tǒng)、真空排氣設(shè)備、激光器以及圖像采集設(shè)備等，設(shè)備實(shí)物及技術(shù)參數(shù)詳見參考文獻(xiàn)[59]。光學(xué)平臺(tái)系統(tǒng)主要包括光學(xué)平臺(tái)、磁性底座、電動(dòng)平移臺(tái)與控制箱。光學(xué)平臺(tái)是用于保證整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程中小型設(shè)備位置與距離保持相對(duì)不變的操作平臺(tái)；磁性底座用于固定數(shù)碼相機(jī)的位置與高度；電動(dòng)平移臺(tái)和控制箱用于控制激光器在實(shí)驗(yàn)過程中的位置和移動(dòng)速度。真空排氣設(shè)備包括真空箱與真空泵，主要用于排除模型內(nèi)部空氣，提高透明度與密實(shí)度。激光器主要用于發(fā)射平面狀光束，用于對(duì)透明土模型進(jìn)行切片，從而在模型內(nèi)部形成激光散斑面[60]。圖像采集設(shè)備主要指相機(jī)或攝像機(jī)，用于對(duì)實(shí)驗(yàn)過程中的散斑面或標(biāo)志點(diǎn)所在平面進(jìn)行持續(xù)不間斷的圖像采集。

2.6 圖像處理與結(jié)果分析

圖像處理與結(jié)果分析是透明土物理模擬試驗(yàn)技術(shù)的核心，是獲取模型內(nèi)部變形數(shù)據(jù)的有效手段。目前，可以實(shí)現(xiàn)數(shù)字圖像互相關(guān)(digital image cross-correlation, DIC)算法的軟件詳見參考文獻(xiàn)[31]，透明土物理模擬試驗(yàn)技術(shù)主要利用PIV技術(shù)和數(shù)字照相變形量測(cè)技術(shù)(digital photogrammetry for deformation measurement, DPDM)對(duì)實(shí)驗(yàn)圖像進(jìn)行結(jié)果分析，有關(guān)PIV技術(shù)在透明土物理模擬試驗(yàn)技術(shù)中的應(yīng)用詳見參考文獻(xiàn)[42]。

PhotoInfor軟件系統(tǒng)[61]作為DPDM技術(shù)的典型代表之一，在巖土工程、結(jié)構(gòu)工程、水利工程、機(jī)械工程、林業(yè)工程以及醫(yī)學(xué)工程等多學(xué)科實(shí)驗(yàn)力學(xué)研究領(lǐng)域中，發(fā)展迅速而且應(yīng)用日漸廣泛。PhotoInfor軟件系統(tǒng)基于數(shù)字散斑相關(guān)原理(digital speckle correlation method, DSCM)，無需其他任何應(yīng)用軟件平臺(tái)(如MATLAB)支撐，由圖像分析軟件PhotoInfor和結(jié)果后處理軟件PostViewer組成，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)非均質(zhì)變形、局部化變形、大變形等專業(yè)圖像進(jìn)行精細(xì)化分析。同時(shí)，還允許自主導(dǎo)入外部測(cè)點(diǎn)網(wǎng)格，從而實(shí)現(xiàn)復(fù)雜邊界的物理實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ徒Y(jié)果分析。此外，PhotoInfor軟件系統(tǒng)已成功應(yīng)用于透明巖體物理模擬試驗(yàn)結(jié)果分析中，并取得了良好的效果[62]。

2.7 透明度的影響因素及其確定原則

透明土物理模型最大的特點(diǎn)是具有一定的透明度，利用該特點(diǎn)可以實(shí)現(xiàn)模型內(nèi)部變形可視化以及數(shù)據(jù)量測(cè)非接觸化。影響模型透明度的因素可分為主要因素和次要因素，主要因素應(yīng)重點(diǎn)控制，次要因素需適當(dāng)避免。主要因素有相似材料(純度、折射率、種類和尺寸、試樣飽和度等)和模型箱(透明度、折射率、模型尺寸等)的性質(zhì)；次要因素有實(shí)驗(yàn)室環(huán)境(光線、濕度、空氣成分等)。

相似材料的純度(骨料尺寸及雜質(zhì)含量)與折射率匹配精度(孔隙液體之間及其與骨料之間折射率的匹配)直接影響模型透明度的高低。如粒徑為0.5～1.0 mm的熔融石英砂配合礦物油溶液(十五號(hào)柏油和正十二烷)配制的透明砂土模型透明度較高，而較大或較小粒徑的熔融石英砂由于在生產(chǎn)過程中產(chǎn)生較多破裂面而影響模型透明度(圖9)；溴化鈣溶于水會(huì)產(chǎn)生渾濁現(xiàn)象；透明土試樣不飽和性在一定程度上也會(huì)降低模型透明度。模型箱首選折射率與骨料相同或相近的透明有機(jī)玻璃材料制作；模型箱尺寸越大，透明度越低，故應(yīng)適當(dāng)控制模型箱尺寸。實(shí)驗(yàn)室中光線和空氣成分在一定程度上會(huì)影響激光制斑的效果及圖形采集的精度，故應(yīng)保證實(shí)驗(yàn)過程中的光線穩(wěn)定，減少空氣中灰塵及水分的含量。

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

天然土體具有明顯的各向異性和非均質(zhì)性特點(diǎn)，高度透明的土體因?yàn)榫|(zhì)性和各向同性而導(dǎo)致其與天然土體物理力學(xué)性質(zhì)偏差較大，故建議將模型透明度以獲取清晰散斑面圖像為最佳作為模型透明度確定的原則。此外，在不影響清晰散斑面圖像獲取的前提下，模型內(nèi)部適量空氣在一定程度上可以有效增加透明土模型的各向異性和非均質(zhì)性，建議在真空排氣過程中適當(dāng)保留。

3 工程應(yīng)用

利用透明土物理模擬試驗(yàn)技術(shù)對(duì)各種工程問題進(jìn)行可視化研究，可以深入理解工程所處地質(zhì)條件下土體內(nèi)部變形規(guī)律及破壞機(jī)制，有助于工程設(shè)計(jì)和施工方法的深入優(yōu)化，對(duì)于相關(guān)基礎(chǔ)科學(xué)研究和工程技術(shù)問題的解決均具有重要意義。

3.1 基礎(chǔ)工程

利用透明土物理模擬試驗(yàn)技術(shù)，周航等[15]開展了X形樁的沉樁擠土試驗(yàn)，基于試驗(yàn)結(jié)果提出了一種簡(jiǎn)單的修正擴(kuò)孔理論；曹兆虎等[16]進(jìn)行了擴(kuò)底楔形樁、楔形樁和等直徑圓形樁拔樁試驗(yàn)，對(duì)拔樁過程中的樁周土體位移場(chǎng)變化規(guī)律及影響范圍進(jìn)行了研究；張婉璐等[17]對(duì)不同長(zhǎng)寬比與不同樁數(shù)的細(xì)長(zhǎng)樁在屈服過程中的土體位移場(chǎng)變化規(guī)律進(jìn)行了模型試驗(yàn)；Qi等[18]對(duì)不同約束條件下完全嵌入模型的細(xì)長(zhǎng)樁在屈服過程中周圍土體的變形規(guī)律進(jìn)行了研究；陳建峰等[19]對(duì)鋼筋長(zhǎng)度和加筋深度(層數(shù))下條形基礎(chǔ)荷載下地基內(nèi)部位移場(chǎng)演化及滑移破壞過程進(jìn)行了研究。對(duì)于透明砂土，基礎(chǔ)形式多集中在樁基方面，較少涉及條形、箱型等基礎(chǔ)形式；對(duì)于透明黏土，由于黏聚力的存在，使得樁型基礎(chǔ)在沉入或拔出過程中所處阻力較大，可能會(huì)破壞模型完整性。就基礎(chǔ)工程而言，研究透明土物理模擬試驗(yàn)技術(shù)在不同基礎(chǔ)形式下的應(yīng)用是未來發(fā)展方向之一。

3.2 隧道工程

利用透明土物理模擬試驗(yàn)技術(shù)，Ahmed等[24]對(duì)盾構(gòu)施工引起的地表沉降、掌子面支護(hù)力及周圍土體變形規(guī)律進(jìn)行了研究；周俊宏等[25]對(duì)隧道上浮過程中抗浮力隨上浮量的變化規(guī)律以及隧道周圍土體位移場(chǎng)的變化規(guī)律進(jìn)行了研究；張家奇等[26]開展了全可視化突泥室內(nèi)模擬試驗(yàn)，對(duì)模型內(nèi)部位移場(chǎng)演化規(guī)律進(jìn)行了研究；Xiang等[27]對(duì)土體強(qiáng)度和埋深對(duì)隧道變形破壞機(jī)制進(jìn)行了研究。對(duì)于透明砂土，由于土體位于液面之下，開挖后容易坍塌，無法對(duì)隧道先開挖后支護(hù)的施工流程進(jìn)行準(zhǔn)確模擬[63]；對(duì)于透明黏土，則需要研發(fā)與透明黏土折射率相同或相近的開挖設(shè)備或支護(hù)結(jié)構(gòu)的相似材料，從而最大程度地降低激光反射。就隧道工程而言，如何準(zhǔn)確模擬隧道開挖方式與支護(hù)技術(shù)是當(dāng)前透明土物理模擬試驗(yàn)技術(shù)亟須解決的難題之一。

3.3 邊坡工程

利用透明土物理模擬試驗(yàn)技術(shù)，Sui等[31]對(duì)水位下降過程中邊坡內(nèi)部破壞過程進(jìn)行了模型試驗(yàn)研究；Wang等[32]對(duì)土-石邊坡界面滑動(dòng)機(jī)制進(jìn)行了可視化研究分析。對(duì)于透明砂土，由于孔隙液體的存在，使得土體只能位于液面之下；對(duì)于透明黏土，由于黏聚力的存在，使得依靠土體自重難以發(fā)生滑動(dòng)破壞。就邊坡工程而言，如何保證土體在液面之上發(fā)生滑動(dòng)破壞是當(dāng)前透明土物理模擬試驗(yàn)技術(shù)亟須解決的難題之一。

3.4 基坑工程

利用透明土物理模擬試驗(yàn)技術(shù)，Wang等[33]對(duì)基坑降水中截水墻和抽油井的耦合效應(yīng)進(jìn)行了研究。對(duì)于透明砂土，由于孔隙液體的存在，開挖后容易坍塌，使得模型內(nèi)部開挖基坑比較困難；對(duì)于透明黏土，由于固結(jié)排液，使得模型內(nèi)部不存在孔隙液體。就基坑工程而言，如何保證在模型下部存在液體的前提下對(duì)模型上部進(jìn)行基坑開挖是當(dāng)前透明土物理模擬試驗(yàn)技術(shù)亟須解決的難題之一。

3.5 其他方面

透明土物理模擬試驗(yàn)技術(shù)還被應(yīng)用到土中熱力傳遞、根系植物學(xué)、化學(xué)注漿等方面。

3.5.1 土中熱力傳遞

Siemens等[34]將透明土的特點(diǎn)應(yīng)用到熱傳輸實(shí)驗(yàn)中，透明土的透明度隨溫度升降而發(fā)生變化，透明度變化又表現(xiàn)在圖像上，利用圖像采集設(shè)備來捕捉實(shí)驗(yàn)過程中的圖像，通過對(duì)不同圖像進(jìn)行分析就可以反映相應(yīng)時(shí)刻的溫度。在透明土物理模擬試驗(yàn)過程中，需要控制模型內(nèi)部與周圍環(huán)境之間的熱量交換，從而提高模型試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性。

3.5.2 根系植物學(xué)

Downie等[35]對(duì)植物根系在透明土中的生長(zhǎng)過程以及根莖附近細(xì)菌的傳遞機(jī)制進(jìn)行了可視化研究；孔綱強(qiáng)等[36]對(duì)不同植物根莖在透明黏土中的生長(zhǎng)過程分布形態(tài)進(jìn)行了非嵌入式的可視化觀測(cè)試驗(yàn)。目前，透明土物理模擬試驗(yàn)技術(shù)還難以對(duì)天然土體中的大量微生物和眾多礦物質(zhì)進(jìn)行準(zhǔn)確模擬。

3.5.3 化學(xué)注漿

Gao等[37]利用黏度較低的脲醛樹脂(urea formaldehyde resin, UFR)作為灌漿材料，對(duì)化學(xué)注漿的擴(kuò)散機(jī)理進(jìn)行了研究分析，重點(diǎn)分析了灌漿半徑與灌漿時(shí)間之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系。對(duì)于透明砂土，由于孔隙液體的存在，使得化學(xué)漿液難以硬化，只能研究化學(xué)漿液的流動(dòng)擴(kuò)散機(jī)理；對(duì)于透明黏土，由于固結(jié)排液成型，使得化學(xué)漿液難以在模型內(nèi)部流動(dòng)。

4 存在問題及發(fā)展方向

4.1 模擬土體種類

目前，透明土模擬土體種類偏少，主要包括砂土、黏土、軟土、淤泥或泥炭土等。未來，應(yīng)繼續(xù)豐富透明土模擬土體的種類，如黃土、凍土、紅黏土以及膨脹土等特殊土體模擬，這些特殊土體模擬可以為配置特殊地層模型奠定基礎(chǔ)。

4.2 模型透明度

透明土物理模型的透明度隨著模型尺寸的增大而逐漸降低，極大地限制了透明土物理模擬試驗(yàn)技術(shù)的應(yīng)用和發(fā)展。通過利用透明土透明度的確定原則，在確保散斑切面清晰度的前提下，可以適當(dāng)增大模型尺寸以減小邊界效應(yīng)帶來的負(fù)面影響，還可以拓展透明土物理模擬試驗(yàn)技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域。

4.3 物理力學(xué)性質(zhì)

透明度較高的物理模型具有顯著的各向同性和均質(zhì)性，與天然土體存在一定差異。未來，在保證模型透明度的前提下，可以適量保留模型內(nèi)部空氣以提高模型各向異性和非均質(zhì)性的特征。同時(shí)，建議對(duì)既有透明土試樣的物理力學(xué)性質(zhì)進(jìn)行定性化分類和定量化測(cè)試相結(jié)合研究，建立一套與天然土體物理力學(xué)性質(zhì)相對(duì)應(yīng)的完整指標(biāo)體系，進(jìn)而更加明確既有透明土的物理力學(xué)性質(zhì)以及工程應(yīng)用范圍。

4.4 散斑切面制作

利用電動(dòng)平移臺(tái)和控制箱獲取的不同部位或不同時(shí)刻的散斑切面，進(jìn)而反映模型內(nèi)部三維變形場(chǎng)的方法仍然存在諸多問題，如激光器的精確回位、同一時(shí)刻不同部位的切面制備和圖像獲取。未來，應(yīng)加強(qiáng)模型內(nèi)部多個(gè)散斑切面制作方法的研究，如利用人工制斑和激光制斑相結(jié)合來實(shí)現(xiàn)模型內(nèi)部縱橫兩向的散斑切面制備。此外，模型內(nèi)部測(cè)點(diǎn)的精確定位也是未來亟須解決的技術(shù)難題之一。

4.5 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

單軸加載方式下的物理模型受力比較簡(jiǎn)單，與工程實(shí)際受力狀態(tài)不符，實(shí)驗(yàn)結(jié)果難以直接指導(dǎo)工程實(shí)際問題的解決。利用人工制斑和數(shù)字照相量測(cè)技術(shù)有望實(shí)現(xiàn)雙軸或真三軸加載，是未來透明土物理模擬試驗(yàn)技術(shù)加載方式的重要發(fā)展方向之一。

4.6 特殊地層制備

目前，透明土物理模擬試驗(yàn)技術(shù)主要應(yīng)用于均質(zhì)地層，較少涉及特殊地層環(huán)境的模擬。通過不同粒徑的骨料可以配置強(qiáng)度不同的同類土體，以此來模擬強(qiáng)度不同的復(fù)合地層。而利用透明黏土和透明砂土相結(jié)合的方式有望實(shí)現(xiàn)真正的復(fù)合地層模擬。模型內(nèi)部空洞模擬依然需要借助氣囊或硬質(zhì)空心球體來預(yù)制。如何實(shí)現(xiàn)真正意義的空洞地層模擬還需進(jìn)一步探索研究。

5 結(jié)論

透明土物理模擬試驗(yàn)技術(shù)具有獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)以及廣闊的應(yīng)用前景，并已逐漸發(fā)展成為巖土工程物理模擬試驗(yàn)技術(shù)的重要分支之一。在分析透明土物理模擬試驗(yàn)技術(shù)基本原理、主要內(nèi)容、工程應(yīng)用、存在問題以及發(fā)展趨勢(shì)的基礎(chǔ)上，得出如下結(jié)論。

(1)利用激光制斑的透明砂土材料能夠二次復(fù)用，極大降低了實(shí)驗(yàn)成本。總結(jié)清晰散斑面圖像獲取的方法，即手動(dòng)對(duì)焦、手動(dòng)設(shè)置選項(xiàng)、降低圖像采集時(shí)間間隔、雙重圖像格式保存、保證周圍環(huán)境穩(wěn)定以及焦點(diǎn)成功定位等。

(2)提出了透明土物理模型透明度的確定原則，即以獲取清晰散斑面圖像為最佳。在保證模型透明度的前提下可以適當(dāng)增大模型尺寸以減小邊界效應(yīng)帶來的負(fù)面影響，同時(shí)還可以適量保留模型內(nèi)部空氣以增加模型各向異性和非均質(zhì)性的特征。

(3)利用人工制斑和數(shù)字照相量測(cè)技術(shù)有望實(shí)現(xiàn)模型雙軸或真三軸加載，進(jìn)而使得模型受力更加符合工程實(shí)際，是未來透明土物理模擬試驗(yàn)技術(shù)加載方式的重要發(fā)展方向之一。

(4)隨著透明土物理模擬試驗(yàn)技術(shù)的快速發(fā)展，建議對(duì)既有透明土試樣的物理力學(xué)性質(zhì)進(jìn)行定性分類與定量測(cè)試，建立一套與天然土體物理力學(xué)性質(zhì)相對(duì)應(yīng)的完整指標(biāo)體系，進(jìn)而更加明確既有透明土的應(yīng)用范圍。