三維透明土實驗技術平臺開發及在實踐教學中的應用

孔綱強，沈 揚，楊 慶，崔春義，楊 鋼

（1.河海大學 巖土力學與堤壩工程教育部重點實驗室，江蘇 南京 210024；2.大連理工大學 海岸和近海工程國家重點實驗室，遼寧 大連 116024；3.大連海事大學 交通運輸工程學院，遼寧 大連 116026）

地下結構工程設計、地下結構與巖土體相互作用機理研究過程中，土體內部應力場、位移場、滲透場以及溫度場等工程特性是關鍵科學問題之一[1]。然而，由于土體材料內部不可見，造成相關科研實驗和實踐教學環節中無法直觀展示實驗結果，從而給學生造成困擾、降低了實踐教學效果[2]。

隨著計算機軟硬件條件的快速發展，數字圖像處理技術[3-4]逐漸在巖土工程、地下結構工程等傳統工程學科中獲得大量應用。為了提高科研和實踐教學的可視性，國內外相關學者開展了系統的探索和研究。基于多媒體技術和可視化編程方法，開展了土力學等實驗仿真實踐教學，優化了傳統實驗課程教學模式[5-6]；基于電子計算機斷層掃描（computed tomography，CT）技術，開展了巖土體損傷特性、細觀結構觀測，探討了土體結構性并輔助巖石力學課程教學[7-8]；基于磁共振成像（magnetic resonance imaging，MRI）技術，建立了MRI 技術實驗室，開展了多孔介質內多相多組分滲流實驗，并取得了良好的效果[9]；基于透明土實驗技術，開展了土體內部位移場和滲流場的二維可視化觀測[10-11]，并運用于土體固結和直剪實驗可視化演示，取得了良好的教學效果[2]。

透明土實驗技術平臺是河海大學巖土力學與堤壩工程教育部重點實驗室的重要實驗平臺之一。本文應用人工合成新型透明土材料和數字圖像處理技術，結合二維透明土實驗技術平臺開發的成功經驗，自主研發了三維透明土實驗技術平臺，既滿足了重點實驗室科研與社會服務功能需求，又適用于本科生實踐教學與人才培養；激發了學生對巖土工程、地下結構工程等專業課程學習的興趣，提升了教學效果。

1 可視化實驗技術機理及優缺點分析

1.1 半模實驗

為了觀測地下結構物與土體相互作用過程中，地下結構物與土體界面（或其內部截面）的變形規律，相關學者提出采用半模實驗方法，即將模型槽的一側制作成透明可見，把地下結構剖取一半并緊貼透明側面，然后采用粒子圖像測速（PIV）等圖像采集技術進行圖像采集和數據后處理，技術原理和典型半模實驗布置圖如圖1 所示。

圖1 半模物理模型實驗示意圖

半模實驗方法在物理模型實驗技術領域起到了至關重要的作用，有效地將PIV、數字圖像相關（DIC）等數字圖像處理技術引入到物理模型實驗技術中，拓展了物理模型實驗的內涵，推動了技術的發展。然而，半模實驗僅適用于對稱結構模型或者二維問題，無法對相對復雜的物理模型進行1/2 簡化，而且界面效益明顯會對實驗結果精度造成一定的影響。

1.2 CT 和MRI

巖石工程可視化技術中，CT 是利用X 射線穿透巖土體截面，通過探測器收集并測定X 射線穿透該截面后的衰減量，再通過數據后處理獲得該截面CT 圖像；MRI 是依據所釋放的能量在巖土體內部不同結構環境中不同的衰減，通過外加梯度磁場檢測所發射出的電磁波，即可得知組分原子核的位置和種類，再通過數據后處理繪制巖土體內部的結構圖像。MRI 設備及典型巖土體結構成像圖如圖2 所示[12]。CT 和MRI 技術可以在無損條件下對巖土體內部結構進行實時動態掃描觀測，可以應用于裂縫識別、結構性特性構件觀測等方面。然而，該類技術設備昂貴，可操作和應用的空間相對較小，目前主要應用于巖土體材料試樣研究，尚很少推廣到物理模型實驗應用領域，一定程度上限制了該類技術的推廣應用。

圖2 MRI 設備及典型巖土樣成像圖[12]

1.3 二維透明土實驗技術

飽和土體為土顆粒和孔隙水兩相結構；采用透明顆粒材料和與之折射率一致的孔隙液體相混合，由于兩者折射率一致而使整體呈透明狀，從而形成“透明土”材料。相關學者對比分析了人工合成透明土材料與天然土體材料之間的物理力學特性，驗證了利用透明土材料模擬天然土體的可行性和可靠性[10]。基于人工合成透明土材料和數字圖像處理技術，構建透明土實驗技術平臺，可以實現土體內部非嵌入式可視化觀測，技術原理如圖3 所示。近年來，該技術在國內外獲得快速發展，并推廣應用到土木工程、水利工程、采礦工程等領域的科研實驗和實踐教學中。筆者開展了沉樁過程土體周圍位移場非嵌入式可視化觀測，實驗裝置如圖4 所示[13]。然而，目前的研究與應用主要集中在二維模型上，尚未涉及三維可視化測試與觀測。因此，搭建三維透明土實驗技術，拓展該技術的應用范圍和內涵，顯得尤為重要。

圖3 透明土實驗技術原理圖

圖4 透明土實驗技術裝置圖[13]

2 三維透明土實驗技術平臺設計

2.1 非常溫下透明土材料制配

目前國內外相對最常用的透明土材料固體顆粒為模擬天然砂土的熔融石英砂、模擬天然黏土的無定形硅膠材料；孔隙液體為以正12 烷與白油混合液為代表的有機溶液、以溴化鈣溶液為代表的無機溶液[14]。

1）新型透明黏土材料制配。

筆者等提出一種以Carbopol?Ultrez10 聚合物、NaOH 粉末和純凈水為原材料，碳納米材料摻入作為示蹤粒子的新型透明黏土材料制配方法，并驗證了該材料模擬天然海相軟黏土的可行性[15]。該新型透明黏土材料的透明度指標可達25～40 cm，比常規熔融石英砂制配成的透明土材料的透明度指標提高約2～3 倍。

2）非常溫下透明黏土材料的制配。

筆者等提出一種以含氟聚合物材料和冰顆粒為原料，0 ℃低溫以下透明土材料的制配方法。含氟聚合物為粒徑≤0.074 mm 的不規則形狀顆粒，為美國杜邦公司生產的Teflon AF 1600，折射率1.31；制備過程為含氟聚合物顆粒、顆粒冰與無色孔隙液體備料、混配、抽真空、固結以及凍結等；該材料的物理特性和力學特性可滿足對飽和凍土的模擬，透明度高、價格低廉、無毒無害，與天然凍土體性質的相似性好。

2.2 圖像采集模塊設計

傳統位移、應力以及溫度等的測量依賴于離散的振弦式或電阻式傳感器，即使目前相對比較先進的光纖光柵傳感器技術也都需要在地下結構或者巖土體內預埋傳感器。這些手段都或多或少地影響巖土體的連續性，改變了其真實的物理場（包括位移場、應力場或溫度場等）。本文采用激光制斑方法，將透明土材料中自帶的雜質或微小氣泡作為示蹤點；采用數碼成像技術，由三臺普通數碼相機或高速工業相機完成圖像采集工作。

2.3 數據后處理與分析模塊設計

針對數碼相機獲得的圖像信息，首先對原始照片進行圖像灰度修正，消除干擾影像、強化重要部位圖像表現特征，然后進行圖像銳化和分割，強化圖像顏色的鮮明性和清晰度；數據分析過程中先確定坐標系、定義方位元素，再推求共線方程。本文三維透明土實驗技術數據后處理與分析方法基于開源軟件Geo-PIV或PIView2 等軟件平臺展開。

3 三維透明土實驗技術平臺實現

實驗技術平臺包括相關硬件設備安裝和軟件代碼編寫與數據后處理兩大部分。

3.1 實驗平臺硬件

實驗平臺硬件主要包括如下設備：

（1）數碼相機及可移動裝置。數碼相機最高分辨率為2 456×2 058 像素，像素尺寸為3.45 μm×3.45 μm，有效感光面積8.5 mm×7.1 mm，幀存為3 幀/128 MB，采集方式為連續/外觸發/軟觸發，可編程控制增益/幀率/曝光時間。數碼相機架設在可移動裝置上，可以繞模型槽360 度無死角轉動、拍攝。

（2）半導體激光器及滑槽。激光器輸出功率（出光功率）為3 000 mW，波長532 nm，功率穩定性＜5%，出光張角10～25°，片光厚度＜1 mm，偏振方式為線偏振，偏振比＞100∶1，調制速率為30 kHz TTL/10 kHz。激光器架設在滑槽上，可以沿著相應的滑槽軌道進行移動，對模型槽內的透明土體進行不同角度照射。

（3）折射率測定折射儀。型號為BM-2WAJ，折射率測量范圍為1.300 0～1.700 0，折射率測量精度為±0.000 2，折射率最小分度值為0.000 5，糖量濃度（%）最小分度值為0.25，糖量濃度測量范圍為0～95%。

（4）數字圖像采集卡及計算機系統。

（5）透明模型槽、模型樁等地下結構以及透明土試樣。

3.2 實驗平臺軟件

實驗平臺軟件部分基于開源軟件Geo_PIV 軟件，根據不同實驗測試圖像結果進行編程實現。針對特定功能模塊，進行軟件代碼編寫，同時也可以作為本科生實踐課程教學和實習操作的一部分。

3.3 案例分析

（1）科學問題：海相軟黏土中后注漿微型鋼管樁施工過程可視化及漿液擴散機理。

（2）人工合成透明土材料：基于 Carbopol?Ultrez10 聚合物、純凈水以及NaOH 溶液材料的透明黏土材料[15]。

（3）圖像采集系統硬件：數碼相機聯合線性激光器。

（4）圖像與數據后處理系統：Geo_PIV 軟件。

（5）實驗結果與分析：基于三維透明土實驗技術平臺，可以獲得靜壓微型鋼管樁沉樁擠土效應小于4.5D，海相淤泥質土中注漿漿液擴散形式以水平向二次劈裂注漿為主[16]。微型鋼管樁沉樁過程中土體位移云圖如圖5 所示，后注漿過程中漿液擴散三維路徑如圖6 所示。

圖5 沉樁深度為5D 的位移云圖[16]

圖6 注漿過程及注漿體形狀[16]

4 實驗平臺在巖土工程實踐教學中的應用

4.1 面向本科生開放實驗室平臺，開展實驗與實踐課程教學

高校育人“以人為本、以本為本”，面向本科生實驗教學和實踐教學，在土力學、基礎工程等課程實驗教學環節增加三維透明土實驗技術演示；增設地下結構與土體相互作用三維透明土實驗課程；在本科畢業設計（論文）或畢業實習環節，增設基于三維透明土實驗技術平臺的實踐操作課程，培養學生的動手操作能力，培養學生綜合素質、提高就業競爭力。

4.2 依托科研平臺，提升實踐教學水平

依托河海大學巖土力學與堤壩工程教育部重點實驗室和江蘇省優勢學科平臺建設項目，建立三維透明土實驗技術平臺；由科研平臺提供實驗室場地，配套硬件設備和軟件程序。完成相關科研任務的同時，通過大學生創新創業訓練計劃項目和本科生畢業論文等途徑，開展實踐教學、實習操作和人才培養等工作。

4.3 搭建校企協同育人平臺，提升實驗教學水平

圍繞“產學合作、協同育人”號召，探索產學研用相結合的新模式；結合新的實驗教學方法，深入進行教學內容和課程體系改革，充分發揮校企合作優勢，提高實踐教育質量。搭建行業龍頭企業參與的協同育人平臺。在充分調研的基礎上，充分調動學生主觀學習能動性，完成由學生自主設計的大學生創新創業訓練計劃項目等科研活動；結合實訓實習情況、課程學習情況等確定相關實踐教學與實驗教學。最終完成企業參與的協同育人平臺的建設，實現校企協同育人的核心宗旨。

5 結語

本文簡要對比分析了目前常用可視化實驗技術原理及其優缺點，重點介紹了基于人工合成透明土材料和數字圖像處理技術，非嵌入式可視化觀測巖土工程中土體內部位移場、滲流場及溫度場等特性的可視化實驗技術方法。自主研發并搭建了三維透明土實驗技術平臺，拓展了透明土實驗技術內涵，推動了該技術在巖土工程等領域的推廣應用。從平臺設計和實現、案例應用分析以及在巖土工程實踐教學中的應用等多角度，闡述了三維透明土實驗技術平臺的優越性。與其他可視化實驗技術相比，本實驗平臺具有成本低、操作方便、實用價值高以及可推廣性強等特點，與已有二維透明土實驗技術相比，本實驗平臺可以拓展應用于復雜地下結構等相關工程問題中。同時，該實驗平臺可以在巖土工程、地下結構工程等相關課程的實驗或實踐教學中進行推廣應用，具有廣泛的應用前景，也有效推進了高等教育新工科建設。

當然，該實驗平臺也面臨一些技術瓶頸，有待進一步解決：（1）由于受透明土材料性能的影響，在保證透明度前提下，模型實驗尺寸仍相對較小，從而影響包括三維透明土實驗結果在內的模型實驗結果的精度，因此下一步需改進透明土材料制配方法，提高透明度；（2）基于三維透明土實驗技術平臺的實踐教學應用除了搭建相關實驗設備平臺，仍需要進一步加強師資力量培訓。