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透明土配置及实验技术
周肖贝
(浙江大学，建筑工程学院，土木0805，,380103904)

一、课题目的和意义
在岩土工程实验中，如何测定土体内部变形问题一直是一项重要内容。传统测量方法通常利用在土体内部预埋应变片或传感器来进行测量。但在实际工程技术日益发展，工程实际对实验室实验结果的要求也逐步提高的当今，传统测量方法已经无法满足研究者的需要。对于土体内部连续变形和三维变形等问题，固有的测量方法难以得出合适的解决途径。为此，研究者们提出利用透明土来模拟自然土壤，从而另辟蹊径，对土壤内部应变和径流等问题进行直观观测。
透明土试样通常利用无定型硅或熔融石英砂混合相应的孔隙流体制备而成。由于这些材料本身呈现出透明状态，且选择的透明土材料与对应的孔隙流体有相同或相近的折射率，光线不经折射就可穿过土体。这样一来，从土体外部就可以实现对内部的观测，通过透明土实验中常用的激光散斑技术和数字图像处理技术，就可以观测到土体内部的连续变形、渗流等问题。
透明土的这种性质，可以应用到涉及实际工程的许多领域，但多需建立实验室规模的模型。如对浅基础地基变形和承载能力的探究[30]，就可采集具体土体数据，建立相应的透明土模型进行试验。同样的，在深基础和结构-土体相互作用等的工程应用问题，也可以通过构建透明土模型来解决[31]。

二、国内外现状和技术应用领域
2.1国内外现状
自上个世纪八十年代初开始，研究者在透明土领域做了许多实验研究。其中，Iskander，Sadek和Liu[6-13]等人对于透明土研究做出了重大贡献，他们针对透明土的材料和简单土力学特性做了大量实验，将模拟实验材料限定在一个较小的范围内，初步确定了熔融石英砂和无定形硅作为透明土体模拟材料，并将溴化钙溶液和两种白矿油的混合物确立为透明土的孔隙流体材料。期间，Welker等人试验了透明土的水力特性[31]，对此做了初步的研究和总结。而Gill等人则对透明土的光学观测技术进行研究，探究了相关的光学观测方法[32]。
相对于国外透明土技术的蓬勃发展而言，国内实验技术尚处于起步阶段。近年来，佘跃心对透明土和相应图像技术在变形测量方面的研究作了相关报告[33]，吴明喜利用熔融石英砂和相应有相近折射率的溴化钙溶液成功制备了透明土试样，并利用试样进行基本的土力学试验和三轴试验，研究了透明土的工程性质[3]。孙吉主和肖文辉等人则利用透明土进行盾构隧道模型的试验设计和研究[1]，将透明土应用到工程实际中。
2.2技术应用领域
透明土实验技术在实际工程领域中的应用主要通过采集相应工程问题的相关数据，利用透明土模拟天然土体，用光学观测系统和数字图像处理技术对土体作出观测，再根据所得实验结果来分析处理工程问题。通过这样的手段，透明土技术的实际应用主要有以下几类：
（1） 针对地基基础等问题，研究透明土的变形和承载力等力学性质[30]；
（2） 针对桩基础等问题，利用透明土研究土体和结构的相互作用[31]；
（3） 针对土体内水和污染物等的运载等问题，用透明土研究土体内部的渗流[30]。

三、预计成果
本课题需配置透明土试样并对其进行简单的土力学试验，以便从实验数据中得出结论，寻求最优配置比例，验证透明土的工程性质，并将其与天然土试样进行对比，得出一些基本结论，以便于后来者的研究。预计课题成果主要有以下三条：
（1） 利用溴化钙溶液和一定级配的熔融石英砂制备得到透明土试样；
（2） 对选定的天然土和透明土试样分别展开土力学基本实验研究，测定土体的颗粒级配、比重、干密度、孔隙比、相对密实度等。
（3） 将两者的实验数据进行对比，分析透明土与天然土性质的同异，以便于未来研究者进一步的工程试验。

四、实验内容
4.1透明土配置
透明土试样的配置主要有以下几个步骤：选取熔融石英砂、配置相同折射率的溴化钙溶液、将石英砂浸入溶液中直至饱和（即最透明）。接下来将简要描述以上步骤。
4.1.1 根据颗粒级配配置石英砂
为了方便实验之后进行天然土和透明土的性质对比，我们选择与天然土样颗粒级配相近的石英砂。具体做法是先用筛分法测定天然土样的颗粒级配，绘制级配曲线。然后将各级石英砂颗粒按级配曲线混合。
这里，为了确保石英砂的颗粒级配尽量与天然砂保持一致，需先对购置的石英砂颗粒进行清洗和晾晒。这样做同时也能提高试验颗粒的透明度，并防止实验中出现其他干扰因素。
4.1.2 根据折射率确定溴化钙浓度
光在两种材料间的折射是由两种材料折射率的差异引起的。本研究中熔融石英砂需与折射率相同或相近的溴化钙溶液混合，以避免折射。若两者折射率差异查过容许范围，或孔隙间包含空气和杂质，那么光线在穿透时就会发生一定程度的折射，导致透明土介质透明度降低，影响实验效果。
由于选定的石英砂折射率是确定的，为了配置透明试样，就需要使溴化钙溶液的折射率与石英砂保持一致。为此，我们需要配置出折射率在所需数值的溴化钙溶液来。
由于溴化钙具有很强的吸湿性，在吸收空气中水分子后会形成CaBr2·2H2O，从而影响溴化钙溶液折射率的选定，为此，本文选择采用折射率-浓度法来确定溴化钙浓度。
首先，需配置浓度逐次增加的一些列溴化钙溶液，测定其折射率。根据实验结果进行线性拟合，就可以得到溴化钙溶液浓度和折射率的线性关系。据此列出经验公式，将石英砂的折射率代入公式，可得到溴化钙溶液折射率的理论值。由于这个数值是由拟合直线得到的，实际值会与其有一定误差。同时由于外界因素的干扰，溴化钙吸水性的影响，配置出的溴化钙需要在一定浓度范围内进行试验。通过不断调整溶液浓度，观察加入石英砂后溶液的透明度，最终确定溶液所需浓度。
4.1.3 试样制备
根据上面两要点，得出合适的石英砂和溴化钙溶液试样数据。按实验数据配置出标准溶液，将石英砂散落到溶液中，用玻璃棒搅拌后避光静置一小时，如有需要则还须进行真空排气，最后得到透明土试样。
4.2试样实验
通过上述实验取得透明土试样后，需对试样进行试验分析。预计将测定试样的颗粒级配、比重、干密度、孔隙比、相对密实度等参数。也可开展三轴实验，测量透明土的应力应变特性，研究相对密度、围压等对实验结果的影响，通过与天然土样的对比得出两者的异同，以便于未来工程分析。下面简要介绍实验方法：
（1） 颗粒级配：标准砂试验采用筛析法进行颗粒分析试验（为方便计，选取的透明砂颗粒级配与标准砂一致）；
（2） 比重：将土在105~110℃下烘干达到恒值，采用比重瓶法进行2次平行测定，两次差值不大于0.02，取其算术平均值；
（3） 干密度：先测得试样含水率w，再用环刀法得出试样质量m和体积V，则干密度为

（4） 孔隙比：根据干密度ρd、颗粒比重GS，通过换算可得孔隙比

（5） 相对密实度：同孔隙比，可以根据干密度和颗粒比重得到相对密实度

4.3 实验数据对比
实验结果所得数据与天然砂土的数据相对比，可以得出两者基本土力学属性的差异。同时，由于过程当中还可能涉及到三轴试验，就可以研究两者在相对密度、围压等条件的改变下对实验结果的影响。通过分析在相同密实度，不同围压下或者相同围压，不同密实度条件下两种试样的应力应变曲线变化，从而确定透明土应力应变对于围压和相对密实度的要求，以便在模拟工程实验中确定这两个参数的范围。
五、研究重点和难点
本次实验旨在成功配置出透明土，进行试验后比较其与天然土体的同异。由于选择的都是相对基础的土力学实验，因此实验的难点主要在于透明土的配置。虽然有了相对完备的理论依据为背景，但还有以下几点需在实验中特别注意：
首先，溴化钙具有很强的吸湿性，极易吸收空气中的水分，这就容易导致溶液配置时出现偏差，影响溴化钙溶液的折射率，从而导致透明土试样透明效果不好。为了解决这一问题，我们通常采用以下方法：（1）用棕色玻璃瓶保存溴化钙，并将其贮存在干燥阴凉的地方，密封避光保存；（2）如果实验中使用了不止一瓶溴化钙，则需重新测量每瓶溴化钙的折射率-浓度关系；（3）制备孔隙流体时，溴化钙溶液浓度应高于所需浓度。
其次，由于厂家供货的石英砂含有灰尘杂质，应当充分清洗后晾晒。这样做即能够避免灰尘杂质对折射率测定的影响，又能保证最终试样透明澄清，是实验前不可缺少的一步前置准备。
最后，应当注意实验过程中许多环节都需要玻璃棒的搅拌。如制备溴化钙溶液时，用玻璃棒轻轻搅拌，使溴化钙充分溶于水中。而在溶液中加入熔融石英砂后，也应当用玻璃棒充分搅拌排气，并在溶液透明澄清后静置一小时，使气泡完全排出才可开始实验。

六、工作计划安排
第一阶段（2012.03.02~2012.04.05）：查阅资料，寻找参考文献，了解本课题相关技术和前沿方向。整体认识课题，撰写文献综述和开题报告，进行开题报告答辩。
第二阶段（2012.04.05~2012.04.15）：购买实验材料，做好实验前期准备，开始论文非实验部分的撰写。
第三阶段（2012.04.15~2012.05.15）：进行实验，整合实验数据，回顾实验成果，查漏补缺，对有疑问的数据进行重新实验，并在论文中对此阶段成果作相应的记录。
第四阶段（2012.05.15~2012.05.30）：撰写论文，将前几阶段所写内容修改润色，终结实验经验，补充心得成果，并准备答辩。

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