透明土实验技术的研究进展

透明土实验技术的研究进展

土壤变形的测量是土壤力学研究的重要基础之一。传统的室内模型试验测量只能获得土体宏观的变形和边界区域的变形。为了实现对土体内部变形、渗流等的可视化观测,研究者开发了透明土实验技术。透明土实验技术包括透明土的制备与岩土工程性质测试、实验设备与技术、图像捕捉与处理方法。当然,利用人工合成透明土做研究的前提是其具有与天然土体相似的岩土工程性质。Iskander,Sadek,Liu等经过多年的研究,成功地合成出人工透明土体,并经实验表明其具有与天然土体相似的岩土工程性质。人工合成透明土由两部分组成,即透明土颗粒和具有相应折射率的孔隙流体。因为这两部分具有相同或相近的折射率,光线不经过折射就可以穿过,所以这种“土”是透明的。利用透明土并采用现代光学观测技术和图像捕捉与处理技术可以实现土的三维变形、强度和渗流等问题的可视化研究,对于深入研究各种工程地质条件下的土体内部变形规律和机理,提高对土力学和岩土工程问题的本质认识具有重要意义。本文综述了透明土实验技术的起源、透明土材料的制备与岩土工程性质、实验设备与技术、图像捕捉与处理方法以及透明土实验技术的应用,指出了透明土实验技术急需解决的问题和进一步发展的方向,以期引起同行对透明土实验技术的关注,共同推动其更好地发展。1非接触量测的测量在岩土模型中,土体内部变形和渗流通常是利用在土体中预埋传感器或电阻应变片的方法来进行测量。预埋的传感器或电阻应变片与周围土体的性质不同,对土体力学行为影响很大,因此测量结果受到影响。为此,研究者利用射线照相等非接触技术研究土体内部变形,如X-射线,γ-射线,计算机轴向断层扫描(CAT)和核磁共振成像(MRI),但其实验设备的高昂费用限制了这些技术的推广与应用。随后发展起来的数字图像技术为土体位移场的测量提供了新的方法。通过在模型边界处置入位移标记物,利用数码照相机拍照,对照片中的位移标记物进行坐标分析,得出位移,这种方法精度较低,有限的测点数量不能测量模型的局部微小变形,标点的布置费时费力。高速高分辨率数码相机的出现为模型实验变形场的非接触量测提供了一条简便经济的途径,不再需要对模型进行标记,而直接利用图像分析技术对照片进行相关分析。但是这些方法也只局限于测量土体的表面变形,仍然难以获得土体内部的变化过程和数据。随着光学测量技术的发展,云纹等测量方法被引入到岩土模型观测中。这些方法提高了测量的准确度,但依然只能观测模型表面变形,不能观测土体内部变形及渗流变化等。很多学者为了更好地利用现有光学技术进行观测,萌生了用透明材料来模拟土体的想法。1982年Allersma开始使用碎玻璃制成的透明材料来研究单剪条件下材料的应力应变分布。但是这些材料不能精确模拟土体强度和变形、透明度较差;在高压情况下易碎,也是该材料的致命缺陷。1990年Mannheimer发明了透明泥浆用于模拟非牛顿体流动。Mannheimer和Iskander等研究了透明泥浆固结试样的物理力学性质,结果表明其性质与天然土体近似,这为人工合成透明土研究打开了大门。此后,Iskander等利用工业生产的无定形硅粉和具有相应折射率的孔隙流体合成了透明土,其岩土工程性质与黏土相似。进一步研究表明,不同粒径的无定形硅粉和几种二氧化硅水合物材料都可以用来合成透明土。其中一个重要的发现是,硅胶和无定形硅粉具有相同的折射率,都是1.447,并且利用硅胶合成的透明土其岩土工程性质与砂土相似。这一发现使得透明土的应用得以扩展,不仅可以单独使用硅粉或硅胶,而且还可以同时使用两种材料。在一个模型中采用不同的级配,能够合成黏性土和非黏性土,配制出成层结构的土体模型,以模拟实际的土体级配或天然结构。透明土实验技术的出现,实现了土体内部变形、渗流的可视化观测。这种观测方法不需要接触模型,因此排除了观测方法对实验结果的干扰,同时该实验方法较以往的光学观测实验而言更为便捷,测量准确度也得到了很大提高。2透明土材料及其工程性质2.1孔隙流体的制备目前,人工合成透明土包括两类:第1类是用无定形硅粉合成的透明土,其岩土工程性质与黏土相似;第2类是用无定形硅胶或熔融石英合成的透明土,其岩土工程性质与砂土相似。现将两类透明土制备过程分述如下。第1类中无定形硅粉是商业产品,其单体粒径为0.02μm,这些单体可以组合成较大的、不同粒径的多孔介质。Iskander与Liu选用了美国PPG公司生产的4种不同粒径无定形硅粉,其粒径分别为1.4、10、25、175μm。物理性质测试结果表明这4种无定形硅粉的密度为0.056~0.230g/cm3(干燥状态),这些值与多数天然黏土的密度值相比较小,其原因是组合而成的多孔介质内部孔隙度较大。4种无定形硅粉的比重为2.0~2.1。第2类中无定形硅胶是硅粉的胶体形式,性惰,多孔。在商业产品中粒径在0.5~1.5mm的角粒状硅胶称之为细硅胶;粒径在2~5mm的圆球形硅胶称之为粗硅胶。比重均为2.2。熔融石英是石英在熔炼炉中经过高温熔炼,再经破碎或超细粉磨后得到的产品。比重为2.2,折射率为1.4585。光通过具有不同折射率的介质时会产生反射或折射现象。透明土颗粒与颗粒间的空气具有不同的折射率,所以光在颗粒与空气的界面处会产生折射或者反射,影响透明土的透明性质。因此在制备透明土时必须选用与透明土颗粒具有相同或相近折射率的孔隙流体。同时,必须注意选取的孔隙流体与被模拟的孔隙流体(一般为水)有相同或相近的物理性质、还要具有稳定的化学性质。孔隙流体的制备有两种方法:①液体混合制备法。Iskander、Liu等选用埃克森美孚公司的产品Norpar12正构烷烃类溶剂和矿物油(Drakeol35)按质量比1∶1混合,制成孔隙流体。在24℃时其折射率为1.447,黏度为5.0mPa·s,密度为0.8g/cm3。②溶质-溶液制备法。Iskander等用固体溴化钙溶于水后形成一定浓度的溶液制成了孔隙流体,其在25℃时折射率为1.448,黏度为3.6mPa·s;密度为1.572g/cm3。图1为试验得到的不同浓度的溴化钙水溶液与折射率关系(常温常压),与已知研究成果略有不同,其原因可能与采用的溴化钙纯度不同有关。因此,在采用溴化钙水溶液作为孔隙流体时需对折射率进行测定。利用线性拟合的方法得到图1中溴化钙浓度(x)与折射率(y)关系:y=0.247x+1.320,R2=0.994。实验表明采用上述两种方法制备的孔隙流体是不互溶的,所以可以用来模拟多种流体在介质中的渗流问题,如模拟石油污染水体的过程。透明土的制备过程:首先将无定形硅粉、硅胶或熔融石英在孔隙流体中分散,浓度为9%~20%;其次采用真空泵对悬浮液进行抽真空,直到悬浮液透明为止;接下来,如果有必要则将悬浮液转装入一维固结仪中按照要求的超固结比进行固结,获得实验所用的透明土材料。图2是制备的透明土试样,采用了熔融石英(粒径为0.1~1.0mm),折射率为1.4585。孔隙流体采用浓度为56%的溴化钙溶液,折射率为1.4580。试样在有机玻璃容器中的厚度为5cm,可以清晰地看到下部的网格。2.2无定形硅粉透明土的模糊性学者做了大量的实验工作,研究人工合成透明土的工程性质并与天然土体相对比。结果表明,第1类采用无定形硅粉合成的透明土,在常规三轴试验中的应力应变曲线与典型黏土的相似。正常固结试样呈应变硬化特征,而超固结试样呈应变软化特征。渗透系数为2.3×10-7~2.5×10-5cm/s。压缩指数为2.35,再压缩指数为0.23。内摩擦角为21°~36°。该类透明土的变形机制与天然黏土一致,应变较天然土体大15%,其原因是在较大应力作用下硅粉颗粒以更紧密的方式堆积,这也为利用该类透明土模拟天然土的变形性质提供了保障。Liu对比了三轴实验固结不排水情况下天然黏土与无定形硅粉合成的透明土的抗剪强度(图3)。σ1与σ3分别为三轴实验中的最大、最小主应力,σ3c为固结围压。由图3可知,经过固结的无定形硅粉合成的透明土其抗剪强度较天然黏土要大,而弹性模量稍小。第2类采用无定形硅胶合成的透明土,无论是细硅胶还是粗硅胶,其应力应变关系与天然砂的应力应变关系较为吻合。由细硅胶制成密实样呈现典型的应变软化和剪胀特征,特别是低围压时更为明显。对于粗硅胶系列,达到峰值强度时的应变要较细硅胶系列小,这与天然砂的性质更加吻合。三轴实验得出的细硅胶的内摩擦角为30°~36°,粗硅胶的内摩擦角为31°~34°,杨氏模量为24~84MPa,这是由颗粒的大小与样品的密度决定的。Sadek等对比了该类透明土与已知文献中天然砂土(渥太华标准砂,钙质砂土)的压缩性,如图4所示。由图4可知,无定形硅胶合成的透明土的压缩性较天然砂土要大,因此在利用该类透明土完成模拟实验后要考虑高压缩性对结果的影响。由熔融石英制成的透明土,在相同的相对密度和围压下,其应力应变变化趋势与天然砂土也基本一致。熔融石英较无定形硅胶而言其内部并无大量孔隙,性态更稳定。因此该类产品将可能成为未来合成透明土的主要材料。当然,还需要更多的基础研究,如极限承载力实验、考虑物质的表面电荷影响等。3光学观测系统与数字图像处理技术3.1变形检测系统被激光照射的物体,其表面呈现颗粒状结构,这种颗粒结构被取名为“激光散斑”。物体在位移、振动和变形前后的散斑图样不同,因此可以利用激光散斑技术实现土体变形的观测。激光散斑观测法的优点是可以调节散斑大小以适应检测器的分辨率而不降低精度。Iskander,Liu等开发了一套与透明土相适应的变形测量系统,该系统利用激光散斑技术实现透明土实验的观测,如图5所示。激光光源发出的单束激光通过透镜组形成垂直的平面状光束,可以将土样竖直切片。加载过程中利用高速高分辨率的CCD数字相机获得变形前后的激光散斑图像,将获得的每一帧图像传输到电子计算机中进行图像处理,就可以得到同一切片上加载前后的变形场。通过底部精确位移平台对透明土模型沿着与激光切片垂直的方向进行移动,可以得到多个切片图像。对多个切片的变形场进行分析就可以得到完整的透明土三维变形场。3.2图像互相关算法对于实验过程获得的激光散斑的数字图像进行图像处理是透明土实验的关键技术之一。HuangandTsai按照数学计算方法将数字图像处理分为三类:傅里叶方法(FourierMethod),差分方法(DifferentialMethod),匹配方法(MatchingMethod)。其中,傅里叶方法对图像背景较为敏感,差分方法经常受到噪声干扰,因此在岩土实验中的图像处理方法主要采用匹配方法。数字图像互相关(DigitalImageCross-correlation,DIC)算法是常用的匹配方法之一。数字图像互相关算法可对两幅连续图像进行对比分析,从而获得两幅图像中相同部分的位移。目前,该技术已经成功地应用于多种测量研究领域以用来获取图像中的位移信息。例如,在流体力学和空气动力学中的粒子图像测速技术(ParticleImageVelocimetry,PIV);图像互相关技术(ImageCross-Correlation);区域匹配技术(BlockorRegionMatchingMethod);表面变形分析(SurfaceDisplacementAnalysis)和亚区域计算机扫描(SubregionScanningComputervision)等。实际上,透明土的实验思路正是来源于粒子图像测速技术(PIV)。将前后两帧摄取的灰度图像划分网格,每一个网格是一个块(Interrogation)。每一个块有一个峰值强度。根据前后图像的峰值强度相关关系确定每一个块的平均位移。由于该方法对于图像的平均灰度强度较为敏感,所以采用平均归零化的互相关(ZeromeanedNormalizedCross-correlation,ZNCC)算法。目前有很多学者对DIC算法进行了改进,如ScaranoandRiethmuller研究了自适应互相关(AdaptiveCrossCorrelation,ACC)方法,该方法采用循环迭代的方法以增加DIC算法的准确性,主要通过变换块的大小和位置来获得最佳的结果。Sadek和Liu将此算法引入了透明土实验的图像处理环节,并对比了各种算法的优劣,结果表明ACC算法误差更小,可以取得较好的效果。4透明土壤实验技术的研究和应用4.1透明土实验研究学者为了研究透明土的模拟能力做了很多实验研究。其中,Iskander,Sadek与Liu[2,3,4,13,14,15,16,17]做了大量的卓有成效的基础工作。Welker等对透明材料的水力学特性做了初步研究。Gill等进行了相应光学观测方法的研究。佘跃心对透明土和相关图像处理技术进行了介绍。吴明喜选用熔融石英和具有相近折射率的溴化钙溶液合成了透明土试样,并进行了三轴实验,研究透明土岩土工程性质。Zhao对透明土的动力性质做了实验研究。随着透明土实验技术的产生和发展,其应用范围逐渐扩展。在浅基础地基变形和承载力研究方面,Sadek与Liu利用了模型实验与前述的光学观测方法对天然土体与透明土在相同模型条件下的实验结果进行了对比分析。在深基础及结构和土体相互作用方面,Song等将透明土应用于离心模型实验中,对锚板在嵌入黏土过程中的锚固力损失进行了分析。Ni等利用透明土实验技术对成桩过程中桩与桩周土的相互作用做了研究。在渗流场和污染物运移方面,Liu对透明土的二维渗流场进行了较为全面的实验研究。Lo等利用透明的强吸水聚合物模拟土体研究了表面活性剂对多种流体的冲洗性能。在三维观测方面,Toiya等采用贯入实验研究了透明土的三维变形。Iskander,Liu对如何利用散斑照相技术观测透明土的三维变形进行了探讨。近年来,国内的透明土实验技术也已经起步。王秀华,陈亚东等对透明土在桩土相互作用与地基承载力破坏模式进行了研究。徐文杰等利用数字图像技术对非均质岩土材料细观结构的数值模拟中快速建模技术做了探究,为进一步对透明土模拟结果进行数值分析提供了思路。从总体上而言,我国透明土实验技术和美国、加拿大等国家相比,还相对落后。4.2透明土实验技术研究方向透明土实验技术的发展表明利用透明土模拟天然土体,采用现代光学观测系统与图像处理技术对模型