孔綱強，沈 揚，楊 慶，崔春義，楊 鋼

（1.河海大學(xué) 巖土力學(xué)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(xué) 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(xué) 交通運輸工程學(xué)院，遼寧 大連 116026）

地下結(jié)構(gòu)工程設(shè)計、地下結(jié)構(gòu)與巖土體相互作用機理研究過程中，土體內(nèi)部應(yīng)力場、位移場、滲透場以及溫度場等工程特性是關(guān)鍵科學(xué)問題之一[1]。然而，由于土體材料內(nèi)部不可見，造成相關(guān)科研實驗和實踐教學(xué)環(huán)節(jié)中無法直觀展示實驗結(jié)果，從而給學(xué)生造成困擾、降低了實踐教學(xué)效果[2]。

隨著計算機軟硬件條件的快速發(fā)展，數(shù)字圖像處理技術(shù)[3-4]逐漸在巖土工程、地下結(jié)構(gòu)工程等傳統(tǒng)工程學(xué)科中獲得大量應(yīng)用。為了提高科研和實踐教學(xué)的可視性，國內(nèi)外相關(guān)學(xué)者開展了系統(tǒng)的探索和研究?；诙嗝襟w技術(shù)和可視化編程方法，開展了土力學(xué)等實驗仿真實踐教學(xué)，優(yōu)化了傳統(tǒng)實驗課程教學(xué)模式[5-6]；基于電子計算機斷層掃描（computed tomography，CT）技術(shù)，開展了巖土體損傷特性、細(xì)觀結(jié)構(gòu)觀測，探討了土體結(jié)構(gòu)性并輔助巖石力學(xué)課程教學(xué)[7-8]；基于磁共振成像（magnetic resonance imaging，MRI）技術(shù)，建立了MRI 技術(shù)實驗室，開展了多孔介質(zhì)內(nèi)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(shù)，開展了土體內(nèi)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(jié)和直剪實驗可視化演示，取得了良好的教學(xué)效果[2]。

透明土實驗技術(shù)平臺是河海大學(xué)巖土力學(xué)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(yīng)用人工合成新型透明土材料和數(shù)字圖像處理技術(shù)，結(jié)合二維透明土實驗技術(shù)平臺開發(fā)的成功經(jīng)驗，自主研發(fā)了三維透明土實驗技術(shù)平臺，既滿足了重點實驗室科研與社會服務(wù)功能需求，又適用于本科生實踐教學(xué)與人才培養(yǎng)；激發(fā)了學(xué)生對巖土工程、地下結(jié)構(gòu)工程等專業(yè)課程學(xué)習(xí)的興趣，提升了教學(xué)效果。

1 可視化實驗技術(shù)機理及優(yōu)缺點分析

1.1 半模實驗

為了觀測地下結(jié)構(gòu)物與土體相互作用過程中，地下結(jié)構(gòu)物與土體界面（或其內(nèi)部截面）的變形規(guī)律，相關(guān)學(xué)者提出采用半模實驗方法，即將模型槽的一側(cè)制作成透明可見，把地下結(jié)構(gòu)剖取一半并緊貼透明側(cè)面，然后采用粒子圖像測速（PIV）等圖像采集技術(shù)進行圖像采集和數(shù)據(jù)后處理，技術(shù)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(shù)領(lǐng)域起到了至關(guān)重要的作用，有效地將PIV、數(shù)字圖像相關(guān)（DIC）等數(shù)字圖像處理技術(shù)引入到物理模型實驗技術(shù)中，拓展了物理模型實驗的內(nèi)涵，推動了技術(shù)的發(fā)展。然而，半模實驗僅適用于對稱結(jié)構(gòu)模型或者二維問題，無法對相對復(fù)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(jié)果精度造成一定的影響。

1.2 CT 和MRI

巖石工程可視化技術(shù)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(shù)據(jù)后處理獲得該截面CT 圖像；MRI 是依據(jù)所釋放的能量在巖土體內(nèi)部不同結(jié)構(gòu)環(huán)境中不同的衰減，通過外加梯度磁場檢測所發(fā)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(shù)據(jù)后處理繪制巖土體內(nèi)部的結(jié)構(gòu)圖像。MRI 設(shè)備及典型巖土體結(jié)構(gòu)成像圖如圖2 所示[12]。CT 和MRI 技術(shù)可以在無損條件下對巖土體內(nèi)部結(jié)構(gòu)進行實時動態(tài)掃描觀測，可以應(yīng)用于裂縫識別、結(jié)構(gòu)性特性構(gòu)件觀測等方面。然而，該類技術(shù)設(shè)備昂貴，可操作和應(yīng)用的空間相對較小，目前主要應(yīng)用于巖土體材料試樣研究，尚很少推廣到物理模型實驗應(yīng)用領(lǐng)域，一定程度上限制了該類技術(shù)的推廣應(yīng)用。

圖2 MRI 設(shè)備及典型巖土樣成像圖[12]

1.3 二維透明土實驗技術(shù)

飽和土體為土顆粒和孔隙水兩相結(jié)構(gòu)；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(guān)學(xué)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(xué)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(shù)字圖像處理技術(shù)，構(gòu)建透明土實驗技術(shù)平臺，可以實現(xiàn)土體內(nèi)部非嵌入式可視化觀測，技術(shù)原理如圖3 所示。近年來，該技術(shù)在國內(nèi)外獲得快速發(fā)展，并推廣應(yīng)用到土木工程、水利工程、采礦工程等領(lǐng)域的科研實驗和實踐教學(xué)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(yīng)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(shù)，拓展該技術(shù)的應(yīng)用范圍和內(nèi)涵，顯得尤為重要。

圖3 透明土實驗技術(shù)原理圖

圖4 透明土實驗技術(shù)裝置圖[13]

2 三維透明土實驗技術(shù)平臺設(shè)計

2.1 非常溫下透明土材料制配

目前國內(nèi)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(biāo)可達25～40 cm，比常規(guī)熔融石英砂制配成的透明土材料的透明度指標(biāo)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(guī)則形狀顆粒，為美國杜邦公司生產(chǎn)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(jié)以及凍結(jié)等；該材料的物理特性和力學(xué)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(zhì)的相似性好。

2.2 圖像采集模塊設(shè)計

傳統(tǒng)位移、應(yīng)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(shù)也都需要在地下結(jié)構(gòu)或者巖土體內(nèi)預(yù)埋傳感器。這些手段都或多或少地影響巖土體的連續(xù)性，改變了其真實的物理場（包括位移場、應(yīng)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(zhì)或微小氣泡作為示蹤點；采用數(shù)碼成像技術(shù)，由三臺普通數(shù)碼相機或高速工業(yè)相機完成圖像采集工作。

2.3 數(shù)據(jù)后處理與分析模塊設(shè)計

針對數(shù)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(xiàn)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(shù)據(jù)分析過程中先確定坐標(biāo)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(shù)數(shù)據(jù)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(shù)平臺實現(xiàn)

實驗技術(shù)平臺包括相關(guān)硬件設(shè)備安裝和軟件代碼編寫與數(shù)據(jù)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(shè)備：

（1）數(shù)碼相機及可移動裝置。數(shù)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(xù)/外觸發(fā)/軟觸發(fā)，可編程控制增益/幀率/曝光時間。數(shù)碼相機架設(shè)在可移動裝置上，可以繞模型槽360 度無死角轉(zhuǎn)動、拍攝。

（2）半導(dǎo)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(wěn)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(diào)制速率為30 kHz TTL/10 kHz。激光器架設(shè)在滑槽上，可以沿著相應(yīng)的滑槽軌道進行移動，對模型槽內(nèi)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(shù)字圖像采集卡及計算機系統(tǒng)。

（5）透明模型槽、模型樁等地下結(jié)構(gòu)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(jù)不同實驗測試圖像結(jié)果進行編程實現(xiàn)。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(xué)和實習(xí)操作的一部分。

3.3 案例分析

（1）科學(xué)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(tǒng)硬件：數(shù)碼相機聯(lián)合線性激光器。

（4）圖像與數(shù)據(jù)后處理系統(tǒng)：Geo_PIV 軟件。

（5）實驗結(jié)果與分析：基于三維透明土實驗技術(shù)平臺，可以獲得靜壓微型鋼管樁沉樁擠土效應(yīng)小于4.5D，海相淤泥質(zhì)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(xué)中的應(yīng)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(xué)

高校育人“以人為本、以本為本”，面向本科生實驗教學(xué)和實踐教學(xué)，在土力學(xué)、基礎(chǔ)工程等課程實驗教學(xué)環(huán)節(jié)增加三維透明土實驗技術(shù)演示；增設(shè)地下結(jié)構(gòu)與土體相互作用三維透明土實驗課程；在本科畢業(yè)設(shè)計（論文）或畢業(yè)實習(xí)環(huán)節(jié)，增設(shè)基于三維透明土實驗技術(shù)平臺的實踐操作課程，培養(yǎng)學(xué)生的動手操作能力，培養(yǎng)學(xué)生綜合素質(zhì)、提高就業(yè)競爭力。

4.2 依托科研平臺，提升實踐教學(xué)水平

依托河海大學(xué)巖土力學(xué)與堤壩工程教育部重點實驗室和江蘇省優(yōu)勢學(xué)科平臺建設(shè)項目，建立三維透明土實驗技術(shù)平臺；由科研平臺提供實驗室場地，配套硬件設(shè)備和軟件程序。完成相關(guān)科研任務(wù)的同時，通過大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計劃項目和本科生畢業(yè)論文等途徑，開展實踐教學(xué)、實習(xí)操作和人才培養(yǎng)等工作。

4.3 搭建校企協(xié)同育人平臺，提升實驗教學(xué)水平

圍繞“產(chǎn)學(xué)合作、協(xié)同育人”號召，探索產(chǎn)學(xué)研用相結(jié)合的新模式；結(jié)合新的實驗教學(xué)方法，深入進行教學(xué)內(nèi)容和課程體系改革，充分發(fā)揮校企合作優(yōu)勢，提高實踐教育質(zhì)量。搭建行業(yè)龍頭企業(yè)參與的協(xié)同育人平臺。在充分調(diào)研的基礎(chǔ)上，充分調(diào)動學(xué)生主觀學(xué)習(xí)能動性，完成由學(xué)生自主設(shè)計的大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計劃項目等科研活動；結(jié)合實訓(xùn)實習(xí)情況、課程學(xué)習(xí)情況等確定相關(guān)實踐教學(xué)與實驗教學(xué)。最終完成企業(yè)參與的協(xié)同育人平臺的建設(shè)，實現(xiàn)校企協(xié)同育人的核心宗旨。

5 結(jié)語

本文簡要對比分析了目前常用可視化實驗技術(shù)原理及其優(yōu)缺點，重點介紹了基于人工合成透明土材料和數(shù)字圖像處理技術(shù)，非嵌入式可視化觀測巖土工程中土體內(nèi)部位移場、滲流場及溫度場等特性的可視化實驗技術(shù)方法。自主研發(fā)并搭建了三維透明土實驗技術(shù)平臺，拓展了透明土實驗技術(shù)內(nèi)涵，推動了該技術(shù)在巖土工程等領(lǐng)域的推廣應(yīng)用。從平臺設(shè)計和實現(xiàn)、案例應(yīng)用分析以及在巖土工程實踐教學(xué)中的應(yīng)用等多角度，闡述了三維透明土實驗技術(shù)平臺的優(yōu)越性。與其他可視化實驗技術(shù)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(shù)相比，本實驗平臺可以拓展應(yīng)用于復(fù)雜地下結(jié)構(gòu)等相關(guān)工程問題中。同時，該實驗平臺可以在巖土工程、地下結(jié)構(gòu)工程等相關(guān)課程的實驗或?qū)嵺`教學(xué)中進行推廣應(yīng)用，具有廣泛的應(yīng)用前景，也有效推進了高等教育新工科建設(shè)。

當(dāng)然，該實驗平臺也面臨一些技術(shù)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(jié)果在內(nèi)的模型實驗結(jié)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(shù)平臺的實踐教學(xué)應(yīng)用除了搭建相關(guān)實驗設(shè)備平臺，仍需要進一步加強師資力量培訓(xùn)。