透明土材料及其配制方法

透明土材料及其配制方法

刘蓓

（重庆交通大学河海学院，重庆 400074）

摘要：岩土体变形一般通过埋入传感器的方式来间接测量而无法直接获取。由于岩土体力学性质的各向异性以及测量仪器自身的限制，通过埋入式传感器的方式得到的测量数据具有明显非连续性特征，并且所得参数也与岩土体真实特性存在一定区别。基于以上，透明土的研究开展十分有必要，其具有可直接观测岩土体变形的优势。本文从透明土的发展历史到透明土试验做了相关综述。

关键词：透明土材料；配制方法；透明土力学试验

1.引言

在岩土工程中，岩土体内部变形的测量是一项重要的工作内容。传统的测量方法通常在岩土体的内部进行预埋应变片或传感器，从而获取岩土体变形量。但只能获得宏观变形及边界的区域变形，同时原状土扰动将导致测量的数据有一定误差。随着岩土工程技术逐渐发展，对岩土体变形测试结果的准确度要求越来越高。显然，传统的测量方法已经无法满足当前实际工程的需要。特别地，对于土体内部连续变形和三维变形等难点，现有的传统方式如埋入式测量已无法满足。为此，研究者们提出利用透明土材料来模拟天然岩土体，并且结合激光散斑技术和数字图像处理技术，从而实现对岩土体内部变形、渗流等问题直接可视化观测。此外，将透明土技术应用于各岩土领域的一个重要前提条件是其与天然岩土体之间具有相似的力学特性。

2.透明土技术

2.1 透明土历史发展

上世纪八十年代初，部分研究者在透明土领域做出了许多突破。1982年Allersma使用碎玻璃模拟岩土体并以此研究了单剪条件下透明材料的应力应变力学特性。其中，Iskander，Sadek，Liu[1-2]等人，针对透明土材料及其土力学特性做了大量研究并贡献了相关成果，通常将熔融石英砂和无定形硅粉确定为透明土颗粒骨料，孔隙流体材料同样有两种，即溴化钙熔液和不同的矿物油混合体。Gill[3]等人则总结了相关的透明岩土体光学观测方法，对透明土的光学性进行了相关研究。Ni等将透明土技术应用于成桩过程模型中，研究了桩与桩周土的相互影响。

相比于国外透明土技术，其发展逐渐趋于成熟，但国内的相关研究尚处于起步阶段。近年来，余跃心[4]以图像处理技术为手段，探究了透明土内部的变形测量。吴明喜[5]，以熔融石英砂为土颗粒骨料，相同或相近折射率的溴化钙溶液为孔隙流体，成功研制了透明土试样，进行了相关的土工试验并探究了其工程性质。孙吉主和肖文辉[6]将透明土应用到工程实际中，进行了盾构隧道模型的试验。

2.2 透明土分类

2.2.1透明粘土

由不定型硅粉组成，是一种非晶体硅胶颗粒，通常由液态或者气态硅胶颗粒经冷却后得到。其广泛用于工业生产中，且不同颗粒形状和级配均比较容易生产，成本也较低。根据研究，由于内部的孔隙和比表面积较大，同时能有效吸收液体排除空气，因此非常适合用于模拟粘土。

2.2.2透明砂土

由硅胶颗粒组成，也称凝胶颗粒。透明硅胶颗粒同不定型硅粉一样属于硅胶，并且这两种材料具有相同的折射率。硅胶颗粒通常也具有内部孔隙结构，研究认为，以透明硅胶颗粒为原材料合成的透明土，具有和天然砂土相似的特性。不仅如此，其物理性质如颗粒粒径、硬度等同样与天然砂土存在相似性，因此这种材料是制作透明砂土的不错选择。

2.3 透明土组成材料

透明土通常由透明颗粒骨料与相应折射率的孔隙流体组成。配制透明粘土的颗粒骨料通常选择无定形硅，其以脱水硅酸凝胶的形式存在。配制透明砂土的颗粒骨料则选择熔融石英砂，是天然石英砂在2000℃左右融化后冷却形成的非晶态二氧化硅；其杂质少，具有天然透明的特性。

除了以上透明颗粒材料的选择，合成透明土的关键之一在于孔隙流体与颗粒骨料的折射率相同或相近。国内主要是利用溴化钙溶液作为孔隙流体，制备透明土时除了要求两种成分的折射率匹配，同时满足以下条件：安全性，对人体无毒害；稳定性，物理化学性质不会发生明显的变化；透明性，透明土的孔隙流体应是透明的。

2.4 透明土的配制

将矿物油混合液作为孔隙流体，并调试液体比例，用阿贝折射仪测定其折射率，保证孔隙流体与无定形硅粉的折射率相匹配。透明粘土的配制，将无定形硅粉缓慢倒入矿物油混合液中不断搅拌并抽真空，以充分消除试样中的气泡使之处于饱和状态。透明砂土的配制基本步骤同上，将熔融石英砂缓慢倒入适量孔隙流体中，期间用玻璃棒不停搅拌，以排除气泡。

透明土试样的透明度由两个因素决定：透明颗粒与孔隙流体之间折射率匹配的程度；入射光的方向和颗粒的大小、形态和级配等几何因素。

2.5 透明土力学试验

为深入了解熔融石英砂配制的透明土力学特性，不少学者采用三轴仪对其进行了固结不排水和固结排水剪切试验。对以上两种试验的各参数结果进行了对比，并且分析了譬如应力应变、孔隙压力及有效应力比等参数的变化规律。此外，通过试验得到的参数结果，计算得到熔融石英砂的E-μ模型，为数值模拟研究的开展提供了一定基础。同时，部分学者测试了透明石英砂土的工程特性，并与同级配的标准砂进行了对比分析，结果表明：透明砂土的多个试验参数与天然砂的特性相似，比如渗透压力及压缩特性，单轴剪应力与位移曲线形态，三轴应力应变曲线形态。为了研究不同级配的透明玻璃砂土的变形特性，一些学者对其也进行了固结不排水和固结排水剪切试验，并且获得了多个力学特性，如剪应力–应变曲线、孔压应变曲线形态等。

3.结论

1）透明土技术发展日益成熟，国内外学者将其应用到了相关模型实验中，如研究埋隧道变形及桩基土体位移等；

2）透明土由透明颗粒和具有相同或相近折射率的孔隙流体组成，是一种新型的土工试验模型材料，主要分为透明粘土与透明砂土两大类；

3）透明砂土具有与天然砂相似的力学特性，是良好的岩土体模拟材料。

参考文献：

[1] Iskander M, Liu J, Sadek S. Transparent amorphous silica to model Clay [J]. Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering, 2002, 128(3):262-273．

[2] Liu J. Visualization of 3D deformations using transparent soil models [D]. New York: Polytechnic University,2003．

[3] Gill D, Lehane B. An optical technique for investingating soil displacement patterns[J]. Geotechnical Testing Journal, 2001, 24(3):324-329.

[4] 余跃心.基于透明介质和颗粒图像技术的土体变形测量研究进展[J].勘察科学技术,2005(6):7-10.

[5] 吴明喜.人工合成透明砂土及其三轴试验研究[D]. 大连: 大连理工大学, 2006.

[6] 孙吉主,肖文辉.基于透明土的盾构隧道模型试验设计研究[J].武汉理工大学学报,2011,33(5):108-112.