透明土配置及試驗(yàn)技術(shù)周肖貝(浙江大學(xué),建筑工程學(xué)院,土木0805,,)一、課題目和意義在巖土工程試驗(yàn)中,怎樣測定土體內(nèi)部變形問題一直是一項(xiàng)關(guān)鍵內(nèi)容。傳統(tǒng)測量方法通常利用在土體內(nèi)部預(yù)埋應(yīng)變片或傳感器來進(jìn)行測量。但在實(shí)際工程技術(shù)日益發(fā)展,工程實(shí)際對試驗(yàn)室試驗(yàn)結(jié)果要求也逐步提升當(dāng)今,傳統(tǒng)測量方法已經(jīng)無法滿足研究者需要。對于土體內(nèi)部連續(xù)變形和三維變形等問題,固有測量方法難以得出適宜處理路徑。為此,研究者們提出利用透明土來模擬自然土壤,從而另辟蹊徑,對土壤內(nèi)部應(yīng)變和徑流等問題進(jìn)行直觀觀察。透明土試樣通常利用無定型硅或熔融石英砂混合對應(yīng)孔隙流體制備而成。因?yàn)檫@些材料本身展現(xiàn)出透明狀態(tài),且選擇透明土材料與對應(yīng)孔隙流體有相同或相近折射率,光線不經(jīng)折射就可穿過土體。這么一來,從土體外部就能夠?qū)崿F(xiàn)對內(nèi)部觀察,經(jīng)過透明土試驗(yàn)中常見激光散斑技術(shù)和數(shù)字圖像處理技術(shù),就能夠觀察到土體內(nèi)部連續(xù)變形、滲流等問題。透明土這種性質(zhì),能夠應(yīng)用到包含實(shí)際工程很多領(lǐng)域,但多需建立試驗(yàn)室規(guī)模模型。如對淺基礎(chǔ)地基變形和承載能力探究[30],就可采集具體土體數(shù)據(jù),建立對應(yīng)透明土模型進(jìn)行試驗(yàn)。一樣,在深基礎(chǔ)和結(jié)構(gòu)-土體相互作用等工程應(yīng)用問題,也能夠經(jīng)過構(gòu)建透明土模型來處理[31]。二、中國外現(xiàn)實(shí)狀況和技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域2.1中國外現(xiàn)實(shí)狀況自上個(gè)世紀(jì)八十年代初開始,研究者在透明土領(lǐng)域做了很多試驗(yàn)研究。其中,Iskander,Sadek和Liu[6-13]等人對于透明土研究做出了重大貢獻(xiàn),她們針對透明土材料和簡單土力學(xué)特征做了大量試驗(yàn),將模擬試驗(yàn)材料限定在一個(gè)較小范圍內(nèi),初步確定了熔融石英砂和無定形硅作為透明土體模擬材料,并將溴化鈣溶液和兩種白礦油混合物確立為透明土孔隙流體材料。期間,Welker等人試驗(yàn)了透明土水力特征[31],對此做了初步研究和總結(jié)。而Gill等人則對透明土光學(xué)觀察技術(shù)進(jìn)行研究,探究了相關(guān)光學(xué)觀察方法[32]。相對于國外透明土技術(shù)蓬勃發(fā)展而言,中國試驗(yàn)技術(shù)尚處于起步階段。多年來,佘躍心對透明土和對應(yīng)圖像技術(shù)在變形測量方面研究作了相關(guān)匯報(bào)[33],吳明喜利用熔融石英砂和對應(yīng)有相近折射率溴化鈣溶液成功制備了透明土試樣,并利用試樣進(jìn)行基礎(chǔ)土力學(xué)試驗(yàn)和三軸試驗(yàn),研究了透明土工程性質(zhì)[3]。孫吉主和肖文輝等人則利用透明土進(jìn)行盾構(gòu)隧道模型試驗(yàn)設(shè)計(jì)和研究[1],將透明土應(yīng)用到工程實(shí)際中。2.2技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域透明土試驗(yàn)技術(shù)在實(shí)際工程領(lǐng)域中應(yīng)用關(guān)鍵經(jīng)過采集對應(yīng)工程問題相關(guān)數(shù)據(jù),利用透明土模擬天然土體,用光學(xué)觀察系統(tǒng)和數(shù)字圖像處理技術(shù)對土體作出觀察,再依據(jù)所得試驗(yàn)結(jié)果來分析處理工程問題。經(jīng)過這么手段,透明土技術(shù)實(shí)際應(yīng)用關(guān)鍵有以下幾類:針對地基基礎(chǔ)等問題,研究透明土變形和承載力等力學(xué)性質(zhì)[30];針對樁基礎(chǔ)等問題,利用透明土研究土體和結(jié)構(gòu)相互作用[31];針對土體內(nèi)水和污染物等運(yùn)載等問題,用透明土研究土體內(nèi)部滲流[30]。三、估計(jì)結(jié)果本課題需配置透明土試樣并對其進(jìn)行簡單土力學(xué)試驗(yàn),方便從試驗(yàn)數(shù)據(jù)中得出結(jié)論,尋求最優(yōu)配置百分比,驗(yàn)證透明土工程性質(zhì),并將其與天然土試樣進(jìn)行對比,得出部分基礎(chǔ)結(jié)論,方便于以后者研究。估計(jì)課題結(jié)果關(guān)鍵有以下三條:利用溴化鈣溶液和一定級(jí)配熔融石英砂制備得到透明土試樣;對選定天然土和透明土試樣分別展開土力學(xué)基礎(chǔ)試驗(yàn)研究,測定土體顆粒級(jí)配、比重、干密度、孔隙比、相對密實(shí)度等。將二者試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對比,分析透明土與天然土性質(zhì)同異,方便于未來研究者深入工程試驗(yàn)。四、試驗(yàn)內(nèi)容4.1透明土配置透明土試樣配置關(guān)鍵有以下多個(gè)步驟:選擇熔融石英砂、配置相同折射率溴化鈣溶液、將石英砂浸入溶液中直至飽和（即最透明）。接下來將簡明描述以上步驟。4.1.1依據(jù)顆粒級(jí)配配置石英砂為了方便試驗(yàn)以后進(jìn)行天然土和透明土性質(zhì)對比,我們選擇與天然土樣顆粒級(jí)配相近石英砂。具體做法是先用篩分法測定天然土樣顆粒級(jí)配,繪制級(jí)配曲線。然后將各級(jí)石英砂顆粒按級(jí)配曲線混合。這里,為了確保石英砂顆粒級(jí)配盡可能與天然砂保持一致,需先對購置石英砂顆粒進(jìn)行清洗和晾曬。這么做同時(shí)也能提升試驗(yàn)顆粒透明度,并預(yù)防試驗(yàn)中出現(xiàn)其她干擾原因。4.1.2依據(jù)折射率確定溴化鈣濃度光在兩種材料間折射是由兩種材料折射率差異引發(fā)。本研究中熔融石英砂需與折射率相同或相近溴化鈣溶液混合,以避免折射。若二者折射率差異查過許可范圍,或孔隙間包含空氣和雜質(zhì),那么光線在穿透時(shí)就會(huì)發(fā)生一定程度折射,造成透明土介質(zhì)透明度降低,影響試驗(yàn)效果。因?yàn)檫x定石英砂折射率是確定,為了配置透明試樣,就需要使溴化鈣溶液折射率與石英砂保持一致。為此,我們需要配置出折射率在所需數(shù)值溴化鈣溶液來。因?yàn)殇寤}含有很強(qiáng)吸濕性,在吸收空氣中水分子后會(huì)形成CaBr2·2H2O,從而影響溴化鈣溶液折射率選定,為此,本文選擇采取折射率-濃度法來確定溴化鈣濃度。首先,需配置濃度逐次增加部分列溴化鈣溶液,測定其折射率。依據(jù)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行線性擬合,就能夠得到溴化鈣溶液濃度和折射率線性關(guān)系。據(jù)此列出經(jīng)驗(yàn)公式,將石英砂折射率代入公式,可得到溴化鈣溶液折射率理論值。因?yàn)檫@個(gè)數(shù)值是由擬合直線得到,實(shí)際值會(huì)與其有一定誤差。同時(shí)因?yàn)橥饨缭蚋蓴_,溴化鈣吸水性影響,配置出溴化鈣需要在一定濃度范圍內(nèi)進(jìn)行試驗(yàn)。經(jīng)過不停調(diào)整溶液濃度,觀察加入石英砂后溶液透明度,最終確定溶液所需濃度。4.1.3試樣制備依據(jù)上面兩關(guān)鍵點(diǎn),得出適宜石英砂和溴化鈣溶液試樣數(shù)據(jù)。按試驗(yàn)數(shù)據(jù)配置出標(biāo)準(zhǔn)溶液,將石英砂散落到溶液中,用玻璃棒攪拌后避光靜置一小時(shí),如有需要?jiǎng)t還須進(jìn)行真空排氣,最終得到透明土試樣。4.2試樣試驗(yàn)經(jīng)過上述試驗(yàn)取得透明土試樣后,需對試樣進(jìn)行試驗(yàn)分析。估計(jì)將測定試樣顆粒級(jí)配、比重、干密度、孔隙比、相對密實(shí)度等參數(shù)。也可開展三軸試驗(yàn),測量透明土應(yīng)力應(yīng)變特征,研究相對密度、圍壓等對試驗(yàn)結(jié)果影響,經(jīng)過與天然土樣對比得出二者異同,方便于未來工程分析。下面簡明介紹試驗(yàn)方法:（1）顆粒級(jí)配:標(biāo)準(zhǔn)砂試驗(yàn)采取篩析法進(jìn)行顆粒分析試驗(yàn)（為方便計(jì),選擇透明砂顆粒級(jí)配與標(biāo)準(zhǔn)砂一致）;（2）比重:將土在105~110℃下烘干達(dá)成恒值,采取比重瓶法進(jìn)行2次平行測定,兩次差值小于0.02,取其算術(shù)平均值;（3）干密度:先測得試樣含水率w,再用環(huán)刀法得出試樣質(zhì)量m和體積V,則干密度為ρ（4）孔隙比:依據(jù)干密度ρd、顆粒比重GS,經(jīng)過換算可得孔隙比e=（5）相對密實(shí)度:同孔隙比,能夠依據(jù)干密度和顆粒比重得到相對密實(shí)度D4.3試驗(yàn)數(shù)據(jù)對比試驗(yàn)結(jié)果所得數(shù)據(jù)與天然砂土數(shù)據(jù)相對比,能夠得出二者基礎(chǔ)土力學(xué)屬性差異。同時(shí),因?yàn)檫^程當(dāng)中還可能包含到三軸試驗(yàn),就能夠研究二者在相對密度、圍壓等條件改變下對試驗(yàn)結(jié)果影響。經(jīng)過分析在相同密實(shí)度,不一樣圍壓下或者相同圍壓,不一樣密實(shí)度條件下兩種試樣應(yīng)力應(yīng)變曲線改變,從而確定透明土應(yīng)力應(yīng)變對于圍壓和相對密實(shí)度要求,方便在模擬工程試驗(yàn)中確定這兩個(gè)參數(shù)范圍。五、研究關(guān)鍵和難點(diǎn)此次試驗(yàn)意在成功配置出透明土,進(jìn)行試驗(yàn)后比較其與天然土體同異。因?yàn)檫x擇都是相對基礎(chǔ)土力學(xué)試驗(yàn),所以試驗(yàn)難點(diǎn)關(guān)鍵在于透明土配置。即使有了相對完備理論依據(jù)為背景,但還有以下幾點(diǎn)需在試驗(yàn)中尤其注意:首先,溴化鈣含有很強(qiáng)吸濕性,極易吸收空氣中水分,這就輕易造成溶液配置時(shí)出現(xiàn)偏差,影響溴化鈣溶液折射率,從而造成透明土試樣透明效果不好。為了處理這一問題,我們通常采取以下方法:（1）用棕色玻璃瓶保留溴化鈣,并將其貯存在干燥陰涼地方,密封避光保留;（2）假如試驗(yàn)中使用了不止一瓶溴化鈣,則需重新測量每瓶溴化鈣折射率-濃度關(guān)系;（3）制備孔隙流體時(shí),溴化鈣溶液濃度應(yīng)高于所需濃度。其次,因?yàn)閺S家供貨石英砂含有灰塵雜質(zhì),應(yīng)該充足清洗后晾曬。這么做即能夠避免灰塵雜質(zhì)對折射率測定影響,又能確保最終試樣透明澄清,是試驗(yàn)前不可缺乏一步前置準(zhǔn)備。最終,應(yīng)該注意試驗(yàn)過程中很多步驟都需要玻璃棒攪拌。如制備溴化鈣溶液時(shí),用玻璃棒輕輕攪拌,使溴化鈣充足溶于水中。而在溶液中加入熔融石英砂后,也應(yīng)該用玻璃棒充足攪拌排氣,并在溶液透明澄清后靜置一小時(shí),使氣泡完全排出才可開始試驗(yàn)。六、工作計(jì)劃安排第一階段（.03.02~.04.05）:查閱資料,尋求參考文件,了解本課題相關(guān)技術(shù)和前沿方向。整體認(rèn)識(shí)課題,撰寫文件綜述和開題匯報(bào),進(jìn)行開題匯報(bào)答辯。第二階段（.04.05~.04.15）:購置試驗(yàn)材料,做好試驗(yàn)前期準(zhǔn)備,開始論文非試驗(yàn)部分撰寫。第三階段（.04.15~.05.15）:進(jìn)行試驗(yàn),整合試驗(yàn)數(shù)據(jù),回顧試驗(yàn)結(jié)果,查漏補(bǔ)缺,對有疑問數(shù)據(jù)進(jìn)行重新試驗(yàn),并在論文中對此階段結(jié)果作對應(yīng)統(tǒng)計(jì)。第四階段（.05.15~.05.30）:撰寫論文,將前幾階段所寫內(nèi)容修改潤色,終止試驗(yàn)經(jīng)驗(yàn),補(bǔ)充心得結(jié)果,并準(zhǔn)備答辯。參考文件[1]孫吉主,肖文輝.基于透明土盾構(gòu)隧道模型試驗(yàn)設(shè)計(jì)研究[A].武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào),(5).[2]趙紅華,葛玉寧,李鵬飛.粒子測速技術(shù)和透明土在土與結(jié)構(gòu)動(dòng)力相互作用研究中應(yīng)用[A].西北地震學(xué)報(bào),(8).[3]吳明喜.人工合成透明砂土及其三軸試驗(yàn)研究[D].大連理工大學(xué),.[4]隋旺華,高岳,LiuJinyuan.透明土試驗(yàn)技術(shù)現(xiàn)實(shí)狀況與展望[A].煤炭學(xué)報(bào),(4).[5]王秀華,宰金鞏,蔣剛.用于透視土體內(nèi)部變形透明材料研究[J].常州工學(xué)院學(xué)報(bào),(S1).[6]SamerSadek,MaguedG.Iskander,JinyuanLiu.Accuracyofdigitalimagecorrelationformeasuringdeformationsintransparentmedia[J].JournalofComputinginCivilEngineering,(4)[7]JinyuanLiu,M.ASCE.Visualizing3-Dinternalsoildeformationusinglaserspeckleandtransparentsoiltechniques[R].GeoHunanInternationalConference,.[8]MaguedG.Iskander,JiunnrenLai,CharlesJ.Oswald,andRichardJ.Mannheimer.Developmentofatransparentmaterialtomodelthegeotechnicalpropertiesofsoils[J].GeotechnicalTestingJournal,1994(4):425-433.[9]JinyuanLiu,M.ASCE,MingliangLiu,HongmeiGao.Influenceofpilegeometryoninternalsanddisplacementaroundalaterallyloadedpileusingtransparentsoil[R].GeotechnicalSpecialPublication,(205).[10]MaguedIskander,SamerSadek,JinyuanLiu.Soilstructureinteractionintransparentsyntheticsoilsusingdigitalimagecorrelation[R].TRBSessiononRecentAdvancesinModelingTechniquesinGeomechanics,.[11]Hung-Chieh(Jay)Lo,KazunoriTabe,MaguedIskander,SungHoYoon.Modelingofmulti-phaseflowandsurfactantflushingusingtransparentaquabeads[J].GeoCongress,.[12]Hung-Chieh(Jay)Lo,MaguedIskander,KazunoriTabe.Modelingof2Dflowusingtransparentaquabeads[J].GeoCongress,.[13]MaguedIskander,JinyuanLiu.Spatialdeformationmeasurementusingtransparentsoil[J].GeotechnicalTestingJournal,33(4).[14]Q.Ni,C.C.Hird,I.Guymer.Physicalmodellingofpilepenetrationinclayusingtransparentsoilandparticleimagevelocimetry[J].Geotechnique,,60(2):121-132.[15]MahmoudAhmed,MaguedIskander.Analysisoftunneling-inducedgroundmovementsusingtransparentsoilmodels[J].AmericanSocietyofCivilEngineers,.[16]MahmoudAhmed,MaguedIskander.TransparentsoilmodeltestsandFEanalysesontunnelinginducedgroundsettlement[R].Geo-Frontiers,.[17]MaguedG.Iskander,JinyuanLiu,SamerSadek.Transparentamorphoussilicatomodelclay[J].AmericanSocietyofCivilEngineers,.[18]SamerSadek,MaguedG.Iskander,JinyuanLiu.Geotechnicalpropertiesoftransparentsilica[R].Can.Geotech,.[19]ZhaohuCao,JinyuanLiu,HanlongLiu.Transparentfusedsilicatomodelnaturalsand[R].Pan-AmCGSGeotechnicalConference,.[20]HonghuaZhao,LouisGe.DynamicPropertiesoftransparentsoil[J].Geo-Denver,.[21]JinyuanLiu,MaguedG.Iskander.Modellingcapacityoftransparentsoil[J].Can.Geotech,.[22]S.B.Peters,G.Siemens,W.A.Take.Characterizationoftransparentsoilforunsaturatedapplications[J].GeotechnicalTestingJournal,34(5).[23]JinyuanLiu,MaguedG.Iskander,SamerSadek.Consolidationandpermeabilityoftransparentamorphoussilica[J].GeotechnicalTestingJournal,26(4).[24]C.T.S.Beckett,C.E.Augarde.Anovelimage-capturingtechniquefortheexperimentalstudyofsoildeformationsduringcompaction[J].GeotechnicalTestingJournal,34(6).[25]HonghuaZhao,LouisGe,RonaldoLuna.Lowviscosityporefluidtomanufacturetransparentsoil[J].GeotechnicalTestingJournal,33(6).[26]MahmoudAhmed,MaguedIskander.Evaluationoftunnelfacestabilitybytransparentsoilmodels[J].TunnellingandUndergroundSpaceTechnology(27):101-110.[27]FawzyM.Ezzein,RichardJ.Bathurst.Atransparentsandforgeotechnicallaboratorymodeling[J].GeotechnicalTestingJournal,34(6).[28]AndreaL.Welker,JohnJ.Bowders,RobertB.Gilbert.Appliedresearchusingatransparentmaterialwithhydraulicpropertiessimilartosoil[R].AmericanSocietyforTestingandMaterials,1999.[29]IskanderM,LiuJ,SadekS.Transparentsilicageltomodelsand[J].Int.J.ofPhysicalModelinGeomechanics,,2(4):13-26.[30]LiuJ.