周 鵬，柯文斌

（華東交通大學(xué) 土木建筑學(xué)院，江西 南昌 330013）

引言

巖土變形測量是土木工程和地質(zhì)工程的重要任務(wù)之一，旨在研究地下巖土體的變形情況，為工程設(shè)計(jì)和施工提供依據(jù)。傳統(tǒng)的巖土變形測量只能對土體的局部或點(diǎn)位進(jìn)行測量，無法實(shí)時(shí)獲取巖土體全域的變形信息，也難以捕捉到復(fù)雜的變形機(jī)制和行為。此外，由于巖土體的不透明性，傳統(tǒng)技術(shù)通常依賴于對變形標(biāo)志物的測量，無法直接觀察巖土體內(nèi)部的變形情況，這將導(dǎo)致相關(guān)科研實(shí)驗(yàn)和實(shí)踐教學(xué)無法直觀展示實(shí)驗(yàn)結(jié)果［1］，從而給學(xué)生帶來困擾，降低實(shí)踐教學(xué)的效果。因此，尋找一種新的教學(xué)工具進(jìn)行巖土變形測量實(shí)驗(yàn)具有重要意義。

針對傳統(tǒng)巖土變形測量方法的局限性，有學(xué)者提出了采用透明材料模擬天然土體的想法。Iskander 等［2］首次嘗試使用透明材料模擬黏土和砂土，并通過觀察透明土的變形過程來研究土體的物理力學(xué)行為。隨后，眾多學(xué)者將透明土技術(shù)應(yīng)用于模型試驗(yàn)中，以解決巖土工程實(shí)際問題［3-5］?？梢暬该魍良夹g(shù)作為一種新興的教學(xué)工具在巖土變形測量中越來越受到重視?？梢暬该魍良夹g(shù)將真實(shí)的巖土體模擬為透明的物質(zhì)，使得學(xué)生能夠清晰地觀察巖土體的變形過程，了解巖土體的變形機(jī)制和行為。因此，在當(dāng)前的巖土變形測量教學(xué)過程中，可視化透明土技術(shù)實(shí)驗(yàn)的開展是非常必要的。該實(shí)驗(yàn)技術(shù)可鍛煉學(xué)生的實(shí)驗(yàn)動(dòng)手能力，并充分發(fā)揮學(xué)生的自主能動(dòng)性。具體而言，學(xué)生需要自主選擇合適的透明土制配材料、設(shè)計(jì)透明土制配材料的混合比例、使用數(shù)據(jù)采集設(shè)備，以及掌握數(shù)字圖像相關(guān)技術(shù)平臺的操作。通過自主設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案，并利用基本的實(shí)驗(yàn)操作和方法完成實(shí)驗(yàn)以及處理實(shí)驗(yàn)采集數(shù)據(jù)，學(xué)生將能夠獨(dú)立地、科學(xué)地、合理地運(yùn)用可視化透明土技術(shù)進(jìn)行巖土變形測量。

本試驗(yàn)旨在培養(yǎng)學(xué)生對可視化透明土技術(shù)的理解和應(yīng)用能力，以及在巖土變形測量方面的實(shí)踐能力和創(chuàng)新思維。通過該實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，學(xué)生可以獨(dú)立操作可視化透明土技術(shù)相關(guān)的模型試驗(yàn)裝置，有助于深入理解可視化透明土技術(shù)的原理和操作流程。該舉措充分發(fā)揮了模型設(shè)備在科學(xué)研究和教學(xué)實(shí)驗(yàn)中的重要作用，不僅提高了設(shè)備利用率，而且符合將模型設(shè)備應(yīng)用于實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的理念。

一、可視化透明土技術(shù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)

（一）技術(shù)原理

飽和土體是由土骨架和孔隙水構(gòu)成的雙相結(jié)構(gòu)。為模擬飽和土體，在實(shí)驗(yàn)中選用了透明的顆粒材料作為土骨架代替物，見圖1（a），并選擇折射率與顆粒材料相同的液體材料作為孔隙水代替物。兩者一致的折射率使得所制備的透明土呈現(xiàn)出透明狀態(tài)，如圖1（b）所示。

圖1

基于粒子圖像測速技術(shù)（Particle Image Velocimetry，PIV），可以采用非侵入式測量方法對透明土的變形進(jìn)行測量［6］。通過激光器形成的激光面照射到透明土模型上，激光與透明土的相互作用使得在土體平面上產(chǎn)生散斑場，如圖1（c）所示；利用CCD相機(jī)連續(xù)拍攝實(shí)驗(yàn)過程中散斑場圖像的變化，并采用PIV軟件對采集的散斑場圖像進(jìn)行后處理，以獲得巖土工程實(shí)驗(yàn)過程中土體的位移場分布情況。

（二）教學(xué)實(shí)驗(yàn)儀器

1.實(shí)驗(yàn)硬件主要包括以下設(shè)備：（1）CCD 相機(jī)。型號為尼康D850，分辨率為8 264×5 504像素，像素尺寸為35.9 μm×23.9 μm，采集方式為連續(xù)拍攝，最高連拍速度為7 張/秒。（2）激光器。型號為氦氖激光器，輸出功率為75 mW，波長為632.8 nm，功率穩(wěn)定性＜5%，偏振方式為線偏振光，偏振比＞1 000∶1。（3）沉樁加載設(shè)備。型號為DY-1沉樁加載儀，最大加載力為1 000 kN，測量范圍為0～1 000 kN，校準(zhǔn)精度為±1%，傳感器類型為高精度的壓力傳感器，數(shù)據(jù)記錄格式為將測量數(shù)據(jù)以數(shù)字形式顯示，并通過RS232接口或USB接口與計(jì)算機(jī)等設(shè)備連接。（4）數(shù)據(jù)系統(tǒng)、透明土模型槽、透明土混合儀器、透明土真空飽和儀器、透明土加壓固結(jié)儀器。

2.實(shí)驗(yàn)軟件主要包括以下設(shè)備：實(shí)驗(yàn)軟件主要基于開源軟件Geo_PIV進(jìn)行設(shè)計(jì)開發(fā)，并根據(jù)不同實(shí)驗(yàn)要求進(jìn)行編程，以實(shí)現(xiàn)特定功能模塊。例如進(jìn)行沉樁實(shí)驗(yàn)，可以選用PIV View2軟件對沉樁過程中采集的圖像進(jìn)行處理［7］。

（三）教學(xué)實(shí)驗(yàn)流程

首先，給學(xué)生介紹可視化透明土技術(shù)的理論知識以及巖土變形測量的一般方法，讓學(xué)生了解透明土的制備流程，并根據(jù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)安排提出一些基礎(chǔ)問題。其次，給學(xué)生展示可視化透明土技術(shù)在巖土工程實(shí)驗(yàn)中的實(shí)際例子，詳細(xì)介紹其實(shí)驗(yàn)原理以及實(shí)驗(yàn)儀器的組成與使用方法，做到理論知識與實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的有機(jī)結(jié)合，并使學(xué)生更好地理解理論知識，將其應(yīng)用于實(shí)際操作中，實(shí)現(xiàn)理論與實(shí)驗(yàn)的有效聯(lián)系。

實(shí)驗(yàn)開始前，先指導(dǎo)學(xué)生使用折射儀、透明土真空飽和儀和透明土加壓固結(jié)等儀器，并幫助學(xué)生了解實(shí)驗(yàn)過程中如何選擇顆粒材料和液體材料、如何設(shè)置儀器參數(shù)和如何操作各項(xiàng)儀器。然后讓學(xué)生獨(dú)立設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案并完成透明土制配，從而提升他們的獨(dú)立思考能力、創(chuàng)新能力和動(dòng)手能力。

透明土材料制備完成后，給學(xué)生講解CCD相機(jī)與激光器的數(shù)據(jù)采集原理。同時(shí)，讓學(xué)生自主設(shè)計(jì)CCD相機(jī)與激光器的安放位置。接著，指導(dǎo)學(xué)生熟練掌握Geo_PIV軟件的操作、代碼編寫和數(shù)據(jù)處理的方法。最后，指導(dǎo)學(xué)生獨(dú)立編寫相應(yīng)的代碼來處理巖土工程實(shí)驗(yàn)采集的數(shù)據(jù)，并對取得的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和處理，并鼓勵(lì)學(xué)生自主提出觀點(diǎn)和問題，結(jié)合數(shù)據(jù)得出實(shí)驗(yàn)結(jié)論，進(jìn)而培養(yǎng)學(xué)生的科研能力和創(chuàng)新思維，并能夠進(jìn)一步加深學(xué)生對實(shí)驗(yàn)教學(xué)知識的理解和應(yīng)用。

二、可視化透明土技術(shù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)實(shí)例

以樁基沉樁透明土模型試驗(yàn)［8］為例，模型試驗(yàn)裝置如圖2所示。該實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ筒蹫殚L方體透明有機(jī)玻璃槽，外邊平面尺寸為130 mm×130 mm，厚度為5 mm，高度為260 mm。模型樁采用不銹鋼材料制作，樁徑為6.4 mm，沉樁深度為48 mm。

圖2 可視化透明土模型試驗(yàn)裝置

該實(shí)驗(yàn)的透明土材料由熔融石英砂與質(zhì)量比為1∶4的正十二烷與15號白油混合而成的混合油制成。常溫下石英砂和混合油兩者折射率均為1.458 5，保證了透明土材料的透明狀態(tài)。待透明土材料制配完成，將裝有透明土的模型槽放置沉樁測試區(qū)域，然后進(jìn)行沉樁加載試驗(yàn)。此過程可以讓學(xué)生獨(dú)立完成，使學(xué)生更加熟悉透明土材料選擇、制配和相關(guān)試驗(yàn)的各個(gè)流程，鍛煉學(xué)生的動(dòng)手能力。

采用PIV后處理軟件對沉樁過程中所采集的散斑場圖像進(jìn)行分析，可獲得樁周土體位移矢量圖。圖3分別給出了沉樁深度L=7.5 D時(shí)的樁周土體的位移矢量圖和樁周土體徑向位移等值線圖［8］。對于大多學(xué)生來說，這些圖像數(shù)據(jù)難以理解，所以可以先給學(xué)生講解PIV后處理軟件的原理，然后讓學(xué)生根據(jù)數(shù)據(jù)初步判斷實(shí)驗(yàn)過程是否符合要求、結(jié)果是否正確，為學(xué)生以后進(jìn)行有關(guān)可視化透明土試驗(yàn)打下基礎(chǔ)。通過該教學(xué)實(shí)驗(yàn)，學(xué)生可以對可視化透明土實(shí)驗(yàn)的原理、流程、設(shè)備操作、注意事項(xiàng)和后期數(shù)據(jù)處理有清晰的認(rèn)知，把書中的知識和實(shí)際的實(shí)驗(yàn)操作結(jié)合起來，以此全面了解并掌握可視化透明土實(shí)驗(yàn)的全過程。

圖3

三、可視化透明土技術(shù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)擴(kuò)展

（一）基于三維圖像處理的可視化透明土技術(shù)

可視化透明土技術(shù)應(yīng)用于巖土變形測量實(shí)驗(yàn)時(shí)，傳統(tǒng)的PIV技術(shù)只能獲取土體某個(gè)切面的二維變形場，難以獲取其他切面的二維變形場以及整個(gè)土體的三維變形結(jié)果。

為此，結(jié)合三維圖像處理方法，通過PIV技術(shù)處理得到多個(gè)切面的二維變形場，然后對這些二維變形場進(jìn)行重構(gòu)以獲取巖土體整體的三維變形場。這樣，學(xué)生在教學(xué)實(shí)驗(yàn)測量過程中可以得到更完整的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，進(jìn)一步分析出更加正確的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，并加深學(xué)生對可視化透明土技術(shù)和三維PIV圖像處理方法的理解。

（二）基于3D打印的可視化透明土技術(shù)

目前，人工合成透明砂土僅考慮模擬天然砂顆粒的強(qiáng)度和剛度，而忽視了天然砂顆粒的形態(tài)特征。實(shí)際上，天然砂顆粒的形態(tài)不是簡單的大塊顆粒破碎，再加上制備透明砂土顆粒的生產(chǎn)工藝存在缺陷，透明砂土顆粒與天然砂顆粒的形態(tài)存在明顯差異。

隨著3D打印技術(shù)的發(fā)展，砂土顆粒不再受限于特定形狀，而可以通過3D打印機(jī)制作為任意形狀。因此，結(jié)合3D打印技術(shù)對顆粒形狀和孔隙分布可控的特點(diǎn)，利用可視化透明土技術(shù)研究土體顆粒方面可以更加精確，提高了代替天然土體的可行性。在加入了3D打印技術(shù)的教學(xué)實(shí)驗(yàn)中，學(xué)生能夠進(jìn)行更加完善的實(shí)驗(yàn)，從而得到更接近實(shí)際情況的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

結(jié)語

根據(jù)高質(zhì)量、高水平人才創(chuàng)新培養(yǎng)要求，在巖土變形測量實(shí)驗(yàn)教學(xué)中引入了可視化透明土技術(shù)的應(yīng)用。通過結(jié)合理論知識和實(shí)驗(yàn)實(shí)例，為學(xué)生提供了全面且深入的學(xué)習(xí)體驗(yàn)。在教學(xué)過程中，探索并采用了一系列能夠促使學(xué)生積極參與實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)和操作的教學(xué)方法，引導(dǎo)學(xué)生主動(dòng)參與并發(fā)揮主觀能動(dòng)性。學(xué)生通過自主設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案，不僅理解了可視化透明土技術(shù)的原理，還懂得了透明土制配流程。同時(shí)，學(xué)生熟練掌握了Geo_PIV軟件的操作、代碼編寫和數(shù)據(jù)處理的方法。通過完整的學(xué)習(xí)可視化透明土技術(shù)涉及的實(shí)驗(yàn)知識體系并了解其前沿問題，培養(yǎng)了學(xué)生獨(dú)立思考能力、創(chuàng)新能力和動(dòng)手能力，并激發(fā)了主觀能動(dòng)性和探索性思維，對于促進(jìn)知識運(yùn)用能力和學(xué)習(xí)素養(yǎng)的全面協(xié)調(diào)發(fā)展具有重要意義。