透明土實驗技術(shù)的研究進展

透明土實驗技術(shù)的研究進展

土壤變形的測量是土壤力學研究的重要基礎之一。傳統(tǒng)的室內(nèi)模型試驗測量只能獲得土體宏觀的變形和邊界區(qū)域的變形。為了實現(xiàn)對土體內(nèi)部變形、滲流等的可視化觀測,研究者開發(fā)了透明土實驗技術(shù)。透明土實驗技術(shù)包括透明土的制備與巖土工程性質(zhì)測試、實驗設備與技術(shù)、圖像捕捉與處理方法。當然,利用人工合成透明土做研究的前提是其具有與天然土體相似的巖土工程性質(zhì)。Iskander,Sadek,Liu等經(jīng)過多年的研究,成功地合成出人工透明土體,并經(jīng)實驗表明其具有與天然土體相似的巖土工程性質(zhì)。人工合成透明土由兩部分組成,即透明土顆粒和具有相應折射率的孔隙流體。因為這兩部分具有相同或相近的折射率,光線不經(jīng)過折射就可以穿過,所以這種“土”是透明的。利用透明土并采用現(xiàn)代光學觀測技術(shù)和圖像捕捉與處理技術(shù)可以實現(xiàn)土的三維變形、強度和滲流等問題的可視化研究,對于深入研究各種工程地質(zhì)條件下的土體內(nèi)部變形規(guī)律和機理,提高對土力學和巖土工程問題的本質(zhì)認識具有重要意義。本文綜述了透明土實驗技術(shù)的起源、透明土材料的制備與巖土工程性質(zhì)、實驗設備與技術(shù)、圖像捕捉與處理方法以及透明土實驗技術(shù)的應用,指出了透明土實驗技術(shù)急需解決的問題和進一步發(fā)展的方向,以期引起同行對透明土實驗技術(shù)的關注,共同推動其更好地發(fā)展。1非接觸量測的測量在巖土模型中,土體內(nèi)部變形和滲流通常是利用在土體中預埋傳感器或電阻應變片的方法來進行測量。預埋的傳感器或電阻應變片與周圍土體的性質(zhì)不同,對土體力學行為影響很大,因此測量結(jié)果受到影響。為此,研究者利用射線照相等非接觸技術(shù)研究土體內(nèi)部變形,如X-射線,γ-射線,計算機軸向斷層掃描(CAT)和核磁共振成像(MRI),但其實驗設備的高昂費用限制了這些技術(shù)的推廣與應用。隨后發(fā)展起來的數(shù)字圖像技術(shù)為土體位移場的測量提供了新的方法。通過在模型邊界處置入位移標記物,利用數(shù)碼照相機拍照,對照片中的位移標記物進行坐標分析,得出位移,這種方法精度較低,有限的測點數(shù)量不能測量模型的局部微小變形,標點的布置費時費力。高速高分辨率數(shù)碼相機的出現(xiàn)為模型實驗變形場的非接觸量測提供了一條簡便經(jīng)濟的途徑,不再需要對模型進行標記,而直接利用圖像分析技術(shù)對照片進行相關分析。但是這些方法也只局限于測量土體的表面變形,仍然難以獲得土體內(nèi)部的變化過程和數(shù)據(jù)。隨著光學測量技術(shù)的發(fā)展,云紋等測量方法被引入到巖土模型觀測中。這些方法提高了測量的準確度,但依然只能觀測模型表面變形,不能觀測土體內(nèi)部變形及滲流變化等。很多學者為了更好地利用現(xiàn)有光學技術(shù)進行觀測,萌生了用透明材料來模擬土體的想法。1982年Allersma開始使用碎玻璃制成的透明材料來研究單剪條件下材料的應力應變分布。但是這些材料不能精確模擬土體強度和變形、透明度較差;在高壓情況下易碎,也是該材料的致命缺陷。1990年Mannheimer發(fā)明了透明泥漿用于模擬非牛頓體流動。Mannheimer和Iskander等研究了透明泥漿固結(jié)試樣的物理力學性質(zhì),結(jié)果表明其性質(zhì)與天然土體近似,這為人工合成透明土研究打開了大門。此后,Iskander等利用工業(yè)生產(chǎn)的無定形硅粉和具有相應折射率的孔隙流體合成了透明土,其巖土工程性質(zhì)與黏土相似。進一步研究表明,不同粒徑的無定形硅粉和幾種二氧化硅水合物材料都可以用來合成透明土。其中一個重要的發(fā)現(xiàn)是,硅膠和無定形硅粉具有相同的折射率,都是1.447,并且利用硅膠合成的透明土其巖土工程性質(zhì)與砂土相似。這一發(fā)現(xiàn)使得透明土的應用得以擴展,不僅可以單獨使用硅粉或硅膠,而且還可以同時使用兩種材料。在一個模型中采用不同的級配,能夠合成黏性土和非黏性土,配制出成層結(jié)構(gòu)的土體模型,以模擬實際的土體級配或天然結(jié)構(gòu)。透明土實驗技術(shù)的出現(xiàn),實現(xiàn)了土體內(nèi)部變形、滲流的可視化觀測。這種觀測方法不需要接觸模型,因此排除了觀測方法對實驗結(jié)果的干擾,同時該實驗方法較以往的光學觀測實驗而言更為便捷,測量準確度也得到了很大提高。2透明土材料及其工程性質(zhì)2.1孔隙流體的制備目前,人工合成透明土包括兩類:第1類是用無定形硅粉合成的透明土,其巖土工程性質(zhì)與黏土相似;第2類是用無定形硅膠或熔融石英合成的透明土,其巖土工程性質(zhì)與砂土相似?，F(xiàn)將兩類透明土制備過程分述如下。第1類中無定形硅粉是商業(yè)產(chǎn)品,其單體粒徑為0.02μm,這些單體可以組合成較大的、不同粒徑的多孔介質(zhì)。Iskander與Liu選用了美國PPG公司生產(chǎn)的4種不同粒徑無定形硅粉,其粒徑分別為1.4、10、25、175μm。物理性質(zhì)測試結(jié)果表明這4種無定形硅粉的密度為0.056~0.230g/cm3(干燥狀態(tài)),這些值與多數(shù)天然黏土的密度值相比較小,其原因是組合而成的多孔介質(zhì)內(nèi)部孔隙度較大。4種無定形硅粉的比重為2.0~2.1。第2類中無定形硅膠是硅粉的膠體形式,性惰,多孔。在商業(yè)產(chǎn)品中粒徑在0.5~1.5mm的角粒狀硅膠稱之為細硅膠;粒徑在2~5mm的圓球形硅膠稱之為粗硅膠。比重均為2.2。熔融石英是石英在熔煉爐中經(jīng)過高溫熔煉,再經(jīng)破碎或超細粉磨后得到的產(chǎn)品。比重為2.2,折射率為1.4585。光通過具有不同折射率的介質(zhì)時會產(chǎn)生反射或折射現(xiàn)象。透明土顆粒與顆粒間的空氣具有不同的折射率,所以光在顆粒與空氣的界面處會產(chǎn)生折射或者反射,影響透明土的透明性質(zhì)。因此在制備透明土時必須選用與透明土顆粒具有相同或相近折射率的孔隙流體。同時,必須注意選取的孔隙流體與被模擬的孔隙流體(一般為水)有相同或相近的物理性質(zhì)、還要具有穩(wěn)定的化學性質(zhì)?？紫读黧w的制備有兩種方法:①液體混合制備法。Iskander、Liu等選用?？松梨诠镜漠a(chǎn)品Norpar12正構(gòu)烷烴類溶劑和礦物油(Drakeol35)按質(zhì)量比1∶1混合,制成孔隙流體。在24℃時其折射率為1.447,黏度為5.0mPa·s,密度為0.8g/cm3。②溶質(zhì)-溶液制備法。Iskander等用固體溴化鈣溶于水后形成一定濃度的溶液制成了孔隙流體,其在25℃時折射率為1.448,黏度為3.6mPa·s;密度為1.572g/cm3。圖1為試驗得到的不同濃度的溴化鈣水溶液與折射率關系(常溫常壓),與已知研究成果略有不同,其原因可能與采用的溴化鈣純度不同有關。因此,在采用溴化鈣水溶液作為孔隙流體時需對折射率進行測定。利用線性擬合的方法得到圖1中溴化鈣濃度(x)與折射率(y)關系:y=0.247x+1.320,R2=0.994。實驗表明采用上述兩種方法制備的孔隙流體是不互溶的,所以可以用來模擬多種流體在介質(zhì)中的滲流問題,如模擬石油污染水體的過程。透明土的制備過程:首先將無定形硅粉、硅膠或熔融石英在孔隙流體中分散,濃度為9%~20%;其次采用真空泵對懸浮液進行抽真空,直到懸浮液透明為止;接下來,如果有必要則將懸浮液轉(zhuǎn)裝入一維固結(jié)儀中按照要求的超固結(jié)比進行固結(jié),獲得實驗所用的透明土材料。圖2是制備的透明土試樣,采用了熔融石英(粒徑為0.1~1.0mm),折射率為1.4585?？紫读黧w采用濃度為56%的溴化鈣溶液,折射率為1.4580。試樣在有機玻璃容器中的厚度為5cm,可以清晰地看到下部的網(wǎng)格。2.2無定形硅粉透明土的模糊性學者做了大量的實驗工作,研究人工合成透明土的工程性質(zhì)并與天然土體相對比。結(jié)果表明,第1類采用無定形硅粉合成的透明土,在常規(guī)三軸試驗中的應力應變曲線與典型黏土的相似。正常固結(jié)試樣呈應變硬化特征,而超固結(jié)試樣呈應變軟化特征。滲透系數(shù)為2.3×10-7~2.5×10-5cm/s。壓縮指數(shù)為2.35,再壓縮指數(shù)為0.23。內(nèi)摩擦角為21°~36°。該類透明土的變形機制與天然黏土一致,應變較天然土體大15%,其原因是在較大應力作用下硅粉顆粒以更緊密的方式堆積,這也為利用該類透明土模擬天然土的變形性質(zhì)提供了保障。Liu對比了三軸實驗固結(jié)不排水情況下天然黏土與無定形硅粉合成的透明土的抗剪強度(圖3)。σ1與σ3分別為三軸實驗中的最大、最小主應力,σ3c為固結(jié)圍壓。由圖3可知,經(jīng)過固結(jié)的無定形硅粉合成的透明土其抗剪強度較天然黏土要大,而彈性模量稍小。第2類采用無定形硅膠合成的透明土,無論是細硅膠還是粗硅膠,其應力應變關系與天然砂的應力應變關系較為吻合。由細硅膠制成密實樣呈現(xiàn)典型的應變軟化和剪脹特征,特別是低圍壓時更為明顯。對于粗硅膠系列,達到峰值強度時的應變要較細硅膠系列小,這與天然砂的性質(zhì)更加吻合。三軸實驗得出的細硅膠的內(nèi)摩擦角為30°~36°,粗硅膠的內(nèi)摩擦角為31°~34°,楊氏模量為24~84MPa,這是由顆粒的大小與樣品的密度決定的。Sadek等對比了該類透明土與已知文獻中天然砂土(渥太華標準砂,鈣質(zhì)砂土)的壓縮性,如圖4所示。由圖4可知,無定形硅膠合成的透明土的壓縮性較天然砂土要大,因此在利用該類透明土完成模擬實驗后要考慮高壓縮性對結(jié)果的影響。由熔融石英制成的透明土,在相同的相對密度和圍壓下,其應力應變變化趨勢與天然砂土也基本一致。熔融石英較無定形硅膠而言其內(nèi)部并無大量孔隙,性態(tài)更穩(wěn)定。因此該類產(chǎn)品將可能成為未來合成透明土的主要材料。當然,還需要更多的基礎研究,如極限承載力實驗、考慮物質(zhì)的表面電荷影響等。3光學觀測系統(tǒng)與數(shù)字圖像處理技術(shù)3.1變形檢測系統(tǒng)被激光照射的物體,其表面呈現(xiàn)顆粒狀結(jié)構(gòu),這種顆粒結(jié)構(gòu)被取名為“激光散斑”。物體在位移、振動和變形前后的散斑圖樣不同,因此可以利用激光散斑技術(shù)實現(xiàn)土體變形的觀測。激光散斑觀測法的優(yōu)點是可以調(diào)節(jié)散斑大小以適應檢測器的分辨率而不降低精度。Iskander,Liu等開發(fā)了一套與透明土相適應的變形測量系統(tǒng),該系統(tǒng)利用激光散斑技術(shù)實現(xiàn)透明土實驗的觀測,如圖5所示。激光光源發(fā)出的單束激光通過透鏡組形成垂直的平面狀光束,可以將土樣豎直切片。加載過程中利用高速高分辨率的CCD數(shù)字相機獲得變形前后的激光散斑圖像,將獲得的每一幀圖像傳輸?shù)诫娮佑嬎銠C中進行圖像處理,就可以得到同一切片上加載前后的變形場。通過底部精確位移平臺對透明土模型沿著與激光切片垂直的方向進行移動,可以得到多個切片圖像。對多個切片的變形場進行分析就可以得到完整的透明土三維變形場。3.2圖像互相關算法對于實驗過程獲得的激光散斑的數(shù)字圖像進行圖像處理是透明土實驗的關鍵技術(shù)之一。HuangandTsai按照數(shù)學計算方法將數(shù)字圖像處理分為三類:傅里葉方法(FourierMethod),差分方法(DifferentialMethod),匹配方法(MatchingMethod)。其中,傅里葉方法對圖像背景較為敏感,差分方法經(jīng)常受到噪聲干擾,因此在巖土實驗中的圖像處理方法主要采用匹配方法。數(shù)字圖像互相關(DigitalImageCross-correlation,DIC)算法是常用的匹配方法之一。數(shù)字圖像互相關算法可對兩幅連續(xù)圖像進行對比分析,從而獲得兩幅圖像中相同部分的位移。目前,該技術(shù)已經(jīng)成功地應用于多種測量研究領域以用來獲取圖像中的位移信息。例如,在流體力學和空氣動力學中的粒子圖像測速技術(shù)(ParticleImageVelocimetry,PIV);圖像互相關技術(shù)(ImageCross-Correlation);區(qū)域匹配技術(shù)(BlockorRegionMatchingMethod);表面變形分析(SurfaceDisplacementAnalysis)和亞區(qū)域計算機掃描(SubregionScanningComputervision)等。實際上,透明土的實驗思路正是來源于粒子圖像測速技術(shù)(PIV)。將前后兩幀攝取的灰度圖像劃分網(wǎng)格,每一個網(wǎng)格是一個塊(Interrogation)。每一個塊有一個峰值強度。根據(jù)前后圖像的峰值強度相關關系確定每一個塊的平均位移。由于該方法對于圖像的平均灰度強度較為敏感,所以采用平均歸零化的互相關(ZeromeanedNormalizedCross-correlation,ZNCC)算法。目前有很多學者對DIC算法進行了改進,如ScaranoandRiethmuller研究了自適應互相關(AdaptiveCrossCorrelation,ACC)方法,該方法采用循環(huán)迭代的方法以增加DIC算法的準確性,主要通過變換塊的大小和位置來獲得最佳的結(jié)果。Sadek和Liu將此算法引入了透明土實驗的圖像處理環(huán)節(jié),并對比了各種算法的優(yōu)劣,結(jié)果表明ACC算法誤差更小,可以取得較好的效果。4透明土壤實驗技術(shù)的研究和應用4.1透明土實驗研究學者為了研究透明土的模擬能力做了很多實驗研究。其中,Iskander,Sadek與Liu[2,3,4,13,14,15,16,17]做了大量的卓有成效的基礎工作。Welker等對透明材料的水力學特性做了初步研究。Gill等進行了相應光學觀測方法的研究。佘躍心對透明土和相關圖像處理技術(shù)進行了介紹。吳明喜選用熔融石英和具有相近折射率的溴化鈣溶液合成了透明土試樣,并進行了三軸實驗,研究透明土巖土工程性質(zhì)。Zhao對透明土的動力性質(zhì)做了實驗研究。隨著透明土實驗技術(shù)的產(chǎn)生和發(fā)展,其應用范圍逐漸擴展。在淺基礎地基變形和承載力研究方面,Sadek與Liu利用了模型實驗與前述的光學觀測方法對天然土體與透明土在相同模型條件下的實驗結(jié)果進行了對比分析。在深基礎及結(jié)構(gòu)和土體相互作用方面,Song等將透明土應用于離心模型實驗中,對錨板在嵌入黏土過程中的錨固力損失進行了分析。Ni等利用透明土實驗技術(shù)對成樁過程中樁與樁周土的相互作用做了研究。在滲流場和污染物運移方面,Liu對透明土的二維滲流場進行了較為全面的實驗研究。Lo等利用透明的強吸水聚合物模擬土體研究了表面活性劑對多種流體的沖洗性能。在三維觀測方面,Toiya等采用貫入實驗研究了透明土的三維變形。Iskander,Liu對如何利用散斑照相技術(shù)觀測透明土的三維變形進行了探討。近年來,國內(nèi)的透明土實驗技術(shù)也已經(jīng)起步。王秀華,陳亞東等對透明土在樁土相互作用與地基承載力破壞模式進行了研究。徐文杰等利用數(shù)字圖像技術(shù)對非均質(zhì)巖土材料細觀結(jié)構(gòu)的數(shù)值模擬中快速建模技術(shù)做了探究,為進一步對透明土模擬結(jié)果進行數(shù)值分析提供了思路。從總體上而言,我國透明土實驗技術(shù)和美國、加拿大等國家相比,還相對落后。4.2透明土實驗技術(shù)研究方向透明土實驗技術(shù)的發(fā)展表明利用透明土模擬天然土體,采用現(xiàn)代光學觀測系統(tǒng)與圖像處理技術(shù)對模型