"巖土工程師的X光眼"——透明土技術(shù)正掀起一場地下工程可視化革命！這種用透明材料模擬天然土體的黑科技，不僅能讓我們直觀看到土體內(nèi)部的應(yīng)力應(yīng)變，更能破解傳統(tǒng)試驗(yàn)中"盲人摸象"的困境。
透明土技術(shù)最早由Iskander等人在20世紀(jì)90年代提出，其核心思想是通過制造具有透明特性的土壤模型，結(jié)合光學(xué)成像技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對土壤內(nèi)部變形和應(yīng)力狀態(tài)的非接觸式測量。這種技術(shù)利用特定的透明顆粒（如熔融石英）和與之匹配折射率的孔隙流體，使得土壤在光學(xué)成像時表現(xiàn)出類似自然土壤的力學(xué)行為，同時具備透明性，便于觀察和測量。
透明土的制造過程可以比作一場“材料煉金術(shù)”。它以熔融石英砂作為骨架，粒徑可以根據(jù)需要調(diào)整在0.1-2mm之間，同時搭配正十二烷或混合油作為孔隙液體。通過精密調(diào)控，使得固體顆粒與液體的折射率高度匹配（通?？刂圃凇?.002的誤差范圍內(nèi)），這樣在激光照射下，固體顆粒和液體對光的散射和吸收降到最低，從而實(shí)現(xiàn)透明效果。這類似于將砂糖溶解在折射率相近的糖水中，使得光線能夠順利通過，從而使得原本不透明的土體內(nèi)部變得清晰可見。
當(dāng)激光誘導(dǎo)熒光（LIF）技術(shù)被應(yīng)用于透明土?xí)r，就能觀察到令人驚嘆的現(xiàn)象：預(yù)先混入的熒光微粒在激光的激發(fā)下發(fā)出類似星云的光輝。結(jié)合高速相機(jī)的顯微鏡頭，即使是0.1微米的顆粒位移也能被精確捕捉。數(shù)字圖像相關(guān)（DIC）技術(shù)能夠?qū)⑼馏w的微小變形轉(zhuǎn)化為彩色的應(yīng)變云圖，直觀展示土體內(nèi)部的應(yīng)變分布。而CT掃描技術(shù)則可以重構(gòu)三維應(yīng)力場的“凍齡切片”，為研究人員提供了前所未有的洞察土體內(nèi)部結(jié)構(gòu)和行為的能力。
《透明土壤可助科學(xué)家觀察植物根系》作者：Lionel X. Dupuy 來源：《PLoS綜合》
透明土在工程應(yīng)用中被廣泛用于模擬各種巖土工程場景，如橋梁基礎(chǔ)、道路路基、邊坡穩(wěn)定性、隧道施工等。通過透明土模型試驗(yàn)，工程師可以更直觀地理解土體內(nèi)部的力學(xué)行為，從而優(yōu)化設(shè)計方案。此外，透明土技術(shù)結(jié)合光學(xué)測試和圖像處理技術(shù)，能夠?qū)r土體內(nèi)部的位移場、速率場和污染物滲流場進(jìn)行研究。這使得大型復(fù)雜的物理模擬試驗(yàn)?zāi)軌蛘鎸?shí)再現(xiàn)巖土體內(nèi)部的運(yùn)移規(guī)律，顯著提升了巖土工程研究的可視化和精細(xì)化水平。
透明土需要闖過哪些“力學(xué)關(guān)卡”？
透明土作為一種模擬天然土體的材料，能夠復(fù)現(xiàn)真實(shí)土體的力學(xué)特性，并需要通過一系列標(biāo)準(zhǔn)化測試來驗(yàn)證其性能，例如：
1. 三軸試驗(yàn)
通過動三軸或靜三軸試驗(yàn)，研究透明土在不同應(yīng)力路徑下的強(qiáng)度和變形特性，包括固結(jié)排水（CD）、固結(jié)不排水（CU）和不固結(jié)不排水（UU）試驗(yàn)。試驗(yàn)可測定透明土的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)（如內(nèi)摩擦角和黏聚力），并獲取應(yīng)力-應(yīng)變曲線，以分析其變形規(guī)律。此外，還可通過攝影測量技術(shù)監(jiān)測剪切帶的形成和發(fā)展過程，分析其演化規(guī)律。
2. 單剪試驗(yàn)
用于研究透明土的剪切特性，尤其是剪切帶的形成和發(fā)展。試驗(yàn)可獲得剪切應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線，反映透明土在剪切過程中的變形特性。同時，通過分析剪切帶內(nèi)外區(qū)域的變形差異，能夠進(jìn)一步理解透明土的局部化變形行為。
3. 空心圓柱扭剪試驗(yàn)（HCA）
用于研究透明土在復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)下的剪切變形和強(qiáng)度特性。試驗(yàn)可分析透明土在不同剪切方向下的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系，以及中主應(yīng)力比對其強(qiáng)度和體積應(yīng)變特性的影響。此外，還可通過離散元模擬研究剪切帶的傾角和顆粒接觸數(shù)的變化。
4. 共振柱試驗(yàn)
用于研究透明土的動力特性，如動剪切模量、阻尼比和動強(qiáng)度。試驗(yàn)可測定動剪切模量-應(yīng)變、阻尼比-應(yīng)變以及孔壓等關(guān)系曲線，并通過與天然砂土的對比分析，驗(yàn)證透明土的動力特性與天然土體的相似性。
5. 動態(tài)三軸試驗(yàn)
模擬地震波作用下的土體液化，研究透明土在循環(huán)荷載下的動力學(xué)行為。試驗(yàn)可分析透明土在動荷載作用下的強(qiáng)度變化和變形特性，為地震工程研究提供數(shù)據(jù)支持。
6. 固結(jié)試驗(yàn)
模擬透明土的固結(jié)過程，研究其壓縮特性和滲透性能。試驗(yàn)可獲取透明土在不同壓力下的壓縮曲線，分析其壓縮模量和固結(jié)系數(shù)。此外，還可通過滲透試驗(yàn)測定透明土的滲透系數(shù)，以評估其水力特性。
在巖土工程領(lǐng)域，透明土研究正逐漸成為熱門方向，國內(nèi)科研團(tuán)隊(duì)也取得了諸多重要進(jìn)展，為該領(lǐng)域的發(fā)展帶來了全新突破。例如，劉漢龍?jiān)菏款I(lǐng)導(dǎo)的科研團(tuán)隊(duì)已發(fā)表了一系列高水平的科研成果。
創(chuàng)新材料研發(fā)：國內(nèi)科研團(tuán)隊(duì)積極探索新型透明土材料，成果顯著。例如，劉漢龍?jiān)菏繄F(tuán)隊(duì)用玻璃砂、正十二烷和15號白油混合液制備玻璃砂透明土，該材料透明度高且與天然土體相似度良好，為相關(guān)研究提供了新的選擇。周航老師課題組選取球形硅微粉搭配 15# 白油與正十二烷溶液，制得新型透明黏土，其強(qiáng)度特性和壓縮系數(shù)與粉質(zhì)黏土相似，能滿足模型試驗(yàn)需求。此外，團(tuán)隊(duì)還參與研發(fā)了以 Carbopol Ultrez10 聚合物等為原料的新型透明黏土材料，并對其物理力學(xué)特性展開系統(tǒng)研究 。
仿生牙根樁承載性能研究：宗梓煦老師課題組基于仿生學(xué)原理提出仿生牙根樁，通過數(shù)值模擬和透明土模型試驗(yàn)研究其承載特性與樁 - 土作用。數(shù)值模擬顯示該樁可大幅提高樁底承載力，但易致土體應(yīng)力集中；模型試驗(yàn)表明，其豎向承載能力約為普通錐形樁的 2 倍，樁身拖曳效應(yīng)和樁底豎向土體位移更顯著，在樁中心內(nèi)凹適度時，土體橫向位移較小。
試驗(yàn)系統(tǒng)搭建：科研團(tuán)隊(duì)構(gòu)建了多種用于不同研究目的的透明土試驗(yàn)系統(tǒng)。例如，劉漢龍?jiān)菏繄F(tuán)隊(duì)設(shè)計的沉樁模型試驗(yàn)系統(tǒng)，包含激光器、CCD 相機(jī)等，可獲得沉樁過程中土體變形的二維和三維位移場，有助于深入了解土體變形機(jī)理 。文磊老師課題組開發(fā)的后注漿微型鋼管樁可視化模型試驗(yàn)裝置，能觀測微型鋼管樁靜壓沉樁過程中樁周土體位移場和樁側(cè)注漿施工過程中漿液擴(kuò)散規(guī)律 。王忠濤老師課題組建立的傾斜拉拔荷載下錨樁可視化離心模型試驗(yàn)系統(tǒng)，專注于研究錨樁在傾斜拉拔荷載下的承載性能 。
測量技術(shù)應(yīng)用與改進(jìn)：數(shù)字圖像相關(guān)（DIC）技術(shù)和粒子圖像測速（PIV）技術(shù)在透明土試驗(yàn)中得到廣泛應(yīng)用與改進(jìn)。周東老師課題組結(jié)合透明土材料、PIV技術(shù)和光學(xué)測量系統(tǒng)，研究被動樁樁周土體位移場，分析樁的遮攔效應(yīng)及不同位移形狀和樁徑對遮攔效應(yīng)的影響 。王壯老師課題組利用PIV和激光散斑技術(shù)，開展土巖邊坡滑移機(jī)理模型試驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)內(nèi)部滑移變形可視化。馬強(qiáng)老師課題組引入PIV技術(shù)，設(shè)計透明土可視化模型試驗(yàn)，對砂土中單根斜樁進(jìn)行研究，監(jiān)測出斜樁樁周及樁端土體顆粒的運(yùn)動軌跡，為斜樁承載機(jī)理研究提供可視化依據(jù) 。
隧道工程方面：透明土對隧道研究意義重大。馮義老師等以上海某盾構(gòu)區(qū)間為依托，結(jié)合自研模型與透明土技術(shù)，研究砂土地層隧道頂部災(zāi)變，發(fā)現(xiàn)突水涌砂后砂土破壞及災(zāi)變前期土顆粒位移規(guī)律。倪小東老師等提出基于透明土技術(shù)評估壁后注漿效果的方法，推導(dǎo)相似比尺、設(shè)計裝置并研制漿液開展試驗(yàn)，得出隧道埋深與漿液壓力、地表沉降的關(guān)系。還有學(xué)者通過模型試驗(yàn)和數(shù)值模擬，發(fā)現(xiàn) Peck 公式在預(yù)測低強(qiáng)度圍巖地表沉降時存在局限，為隧道工程提供參考。
樁基工程方面：透明土推動樁基研究成果顯著。陳思良老師等用透明土與 PIV 技術(shù)，研究根式基礎(chǔ)在不同荷載下的特性及根鍵影響；馬強(qiáng)老師等借助透明土可視化模型試驗(yàn)和 PFC 數(shù)值模擬，探究斜樁承載機(jī)理與變形特征。曹兆虎老師、孔綱強(qiáng)老師、周航老師等學(xué)者分別針對管樁、擴(kuò)底楔形樁、XCC 樁開展透明土試驗(yàn)，研究樁周土體位移、不同樁型承載特性及沉樁擠土效應(yīng)等，為樁基設(shè)計提供依據(jù)。
其他工程領(lǐng)域：在邊坡工程和土石混合體水力侵蝕研究中，透明土也發(fā)揮重要作用。劉漢龍?jiān)菏?、王壯老師等學(xué)者通過模型試驗(yàn)，研究土巖邊坡滑移機(jī)理及影響因素，為邊坡防護(hù)提供理論支持。劉漢龍?jiān)菏繄F(tuán)隊(duì)研究了土石混合體抗侵蝕能力及侵蝕形態(tài)變化受含石量等因素的影響。
劉漢龍?jiān)菏繄F(tuán)隊(duì)研發(fā)出透明土 把巖土工程“搬”進(jìn)實(shí)驗(yàn)室做“CT”
視頻來源：重慶日報傳媒
透明土試驗(yàn)設(shè)備: 為透明土研究提供支撐
傳統(tǒng)三軸系統(tǒng)在巖土力學(xué)領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，其測試原理成熟，實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)豐富。但隨著透明土研究不斷深入，對設(shè)備功能的綜合性和精確性有了更高要求。
為此，我們探索將傳統(tǒng)三軸系統(tǒng)與其他透明土設(shè)備有機(jī)結(jié)合的創(chuàng)新途徑。例如通過定制或改造，把傳統(tǒng)三軸系統(tǒng)強(qiáng)大的應(yīng)力加載、數(shù)據(jù)測量功能，與透明土試驗(yàn)所需的可視化觀測設(shè)備（如高精度激光成像系統(tǒng)、先進(jìn)的粒子圖像測速（PIV）設(shè)備等）相結(jié)合，打造集多種功能于一體的專用試驗(yàn)設(shè)備。
歡迎探討！
靜三軸試驗(yàn)儀是研究透明土力學(xué)性能的基礎(chǔ)設(shè)備，能夠精準(zhǔn)測量透明土在不同圍壓下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線，揭示其抗剪強(qiáng)度和變形模量等關(guān)鍵指標(biāo)。
該設(shè)備可模擬地震、波浪等多向耦合荷載，研究透明土在復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)下的剪切變形和強(qiáng)度特性。
用于測量透明土在小應(yīng)變條件下的動剪切模量，研究其動力特性。
該設(shè)備能夠模擬地震波作用下的土體液化，研究透明土在循環(huán)荷載下的動力學(xué)行為。
用于模擬透明土的固結(jié)過程，研究其壓縮特性和滲透性能。
