2023透明土試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)

透明土試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)

目次1總則 總則1.0.1為統(tǒng)一透明土試驗(yàn)方法與要求，做到安全適用、技術(shù)先進(jìn)、經(jīng)濟(jì)合理、確保質(zhì)量、環(huán)境保護(hù)，制定本標(biāo)準(zhǔn)。1.0.2本標(biāo)準(zhǔn)適用于采用透明土開展的各類模型試驗(yàn)。1.0.3透明土試驗(yàn)的材料制配、系統(tǒng)設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)分析和操作步驟除應(yīng)符合本標(biāo)準(zhǔn)外，尚應(yīng)符合國家現(xiàn)行有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的相關(guān)規(guī)定。2術(shù)語和符號下列術(shù)語和定義適用于本文件。2.1術(shù)語2.1.1透明土transparentsoil利用透明固體顆粒材料和具備相同折射率的孔隙液體充分混合，形成的飽和試樣可以模擬天然飽和土體，稱為透明土。2.1.2硅膠silicagel又稱硅酸凝膠，是一種具備高活性吸附的非晶態(tài)二氧化硅產(chǎn)品。2.1.3熔融石英砂fusedsilica天然石英在高溫冷卻后形成的非結(jié)晶二氧化硅產(chǎn)品。2.1.4透明度transparency能夠透過光線的程度。2.1.5折射率（又稱折光率）refractiveindex光在真空中的傳播速度與光在介質(zhì)中的傳播速度之比。2.1.6粘度viscosity流體或半流體流動(dòng)程度的難易。2.1.7密度density每一空間單位（如面積、長度、體積）的量（如質(zhì)量、電量、能量）的分布。2.1.8有機(jī)液體organicliquid由低碳數(shù)的鹵代烴、醇、醚、羧酸、酯構(gòu)成的化合物，本標(biāo)準(zhǔn)中涉及有機(jī)液體有乙醇、異丙醇、二甲基硅油、煤油、正十二烷、白油、石蠟、丙三醇、變壓器油、聚乙二醇等。2.1.9正十二烷dodecane一種有機(jī)物，化學(xué)式為C??H??，式量為170.38。2.1.10白油（又稱礦物油）mineraloil由石油所得精煉液態(tài)烴的混合物，原油經(jīng)常壓和減壓分餾、溶劑抽提和脫蠟，加氫精制而得的有機(jī)物。2.1.11無機(jī)液體inorganicliquid通常指無機(jī)鹽或無機(jī)酸、堿的水溶液，本標(biāo)準(zhǔn)中涉及無機(jī)液體主要為溴化鈣溶液。2.1.12溴化鈣calciumbromide無機(jī)鹽的一種，分子式為CaBr2，無色斜方針狀結(jié)晶或晶塊，無臭，味咸而苦。2.1.13水系微孔濾紙（又稱微孔濾膜）microporousmembrane由精制硝化棉，加入適量醋酸纖維素、丙酮、正丁醇、乙醇等制成，親水，無毒衛(wèi)生，是一種多孔性的薄膜過濾材料，孔徑分布比較均勻的微孔，微孔率高達(dá)80‰的絕對孔徑。主要用于水系溶液的過濾，故也稱水系膜。2.1.14真空抽濾vacuumfiltration利用抽氣造成的負(fù)壓加速濾水的方法。2.1.15活性炭activatedcarbon由木質(zhì)、煤質(zhì)和石油焦等含碳的原料經(jīng)熱解、活化加工制備而成，具有發(fā)達(dá)的孔隙結(jié)構(gòu)、較大的比表面積和豐富的表面化學(xué)基團(tuán)，特異性吸附能力較強(qiáng)的炭材料的統(tǒng)稱。2.1.16砂雨法sandrainmethod利用沙漏控制落距及出砂速度獲得可靠均勻性砂土地基的方法。2.1.17示蹤粒子tracerparticle用以描述、記錄土體運(yùn)動(dòng)軌跡的粒子。2.1.18無定形二氧化硅amorphoussilica沒有晶體結(jié)構(gòu)的二氧化硅物質(zhì)，如石英玻璃、熔融石英、微細(xì)無定型物（包括硅溶膠、硅膠、沉淀SiO2、氣相SiO2）。2.1.19鋰皂石laponite一種含鎂、鋰、硅的黏土礦物，屬蒙脫石、蛭石族中的蛭石亞族，晶體結(jié)構(gòu)為三八面體型。2.1.20卡波姆carbopol丙烯酸鍵合烯丙基蔗糖或季戊四醇烯丙醚的高分子聚合物。2.1.21粒子圖像測速（PIV）particleimagevelocimetry粒子圖像測速，是一種用多次攝像以記錄流場中粒子的位置，并分析攝得的兩次或多次圖像，獲得每一小區(qū)域中粒子圖像的平均位移，從而測出粒子運(yùn)動(dòng)速度的方法。2.1.22散斑場specklefield被激光照明的粗糙物面在透鏡的像面上形成的散斑照相。2.2符號vi——透明土清晰度相對值；ui——為各根桿在透明土中灰度值；f(x,y)——圖像中經(jīng)二階處理后各點(diǎn)像素灰度值；mi,ni——所在圖像區(qū)域所形成的二階矩陣的行數(shù)與列數(shù)；A0——為圖像處理去除測試桿后透明材料的平均灰度值；ns——制配的透明土體折射率（-）；no1——第一種有機(jī)液體折射率（-）；no2——第二種有機(jī)液體折射率（-）；mo1——第一種有機(jī)液體質(zhì)量（kg）;mo2——第二種有機(jī)液體質(zhì)量（kg）；m卡波姆——卡波姆材料質(zhì)量（W/m2）；m水——純水質(zhì)量（W/m2）；m氫氧化鈉——?dú)溲趸c質(zhì)量（W/m2）。

3基本規(guī)定3.0.1透明土試驗(yàn)材料，包括光學(xué)上透明可見的人工制配土體的固體顆粒及孔隙液體。3.0.2透明土試驗(yàn)材料存放及試驗(yàn)操作過程應(yīng)滿足防火、防爆等安全要求。試驗(yàn)材料涉及化學(xué)材料時(shí)應(yīng)保證通風(fēng)實(shí)驗(yàn)環(huán)境，以保證實(shí)驗(yàn)人員安全。3.0.3透明土試驗(yàn)的模型尺寸，除了應(yīng)考慮試驗(yàn)?zāi)康摹⑾嗨票鹊纫蛩刂?，還應(yīng)考慮透明土材料的透明度。3.0.4透明土制配完成后應(yīng)測量其基本物理力學(xué)特性，宜按照《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》GB/T50123或相關(guān)行業(yè)規(guī)范中的相關(guān)規(guī)定執(zhí)行。評估所制配透明土模擬天然土體的相似性或進(jìn)行模型試驗(yàn)的相似比。3.0.5透明土材料制配及試驗(yàn)應(yīng)考慮光線、溫度變化對土體光學(xué)透明度的影響，同時(shí)應(yīng)盡量減少人為操作對試驗(yàn)結(jié)果的影響。3.0.6完成透明土的制配過程后，應(yīng)進(jìn)行透明度的量化工作?？刹捎脤⒒叶葓D像轉(zhuǎn)化成由代表明暗程度的數(shù)字組成的矩陣，定義清晰度評價(jià)函數(shù)來衡量。3.0.7應(yīng)根據(jù)透明土可視化模型試驗(yàn)中散斑場的質(zhì)量、圖片的清晰度，調(diào)整系統(tǒng)中各裝置的位置，并在試驗(yàn)中固定其相對位置。3.0.8透明土試驗(yàn)應(yīng)遵守實(shí)驗(yàn)室安全管理規(guī)定，在試驗(yàn)結(jié)束后廢棄土體固、液應(yīng)分開回收處置，防止污染環(huán)境。4透明砂土4.1固體顆粒4.1.1透明砂土固體顆粒一般選用二氧化硅化合物。4.1.2所選透明土固體顆粒應(yīng)與天然土顆粒比重接近，且具備良好透明度。4.1.3透明土固體顆粒折射率宜用最小偏向角法或自準(zhǔn)直法測量。4.2孔隙液體4.2.1用來模擬孔隙液體的無機(jī)溶液，應(yīng)具有良好的透明度。4.2.2無機(jī)液體折射率的測量方法應(yīng)符合《化學(xué)試劑折光率測定通用方法》GB/T614中的規(guī)定。4.2.3無機(jī)液體宜與模擬孔隙液體具有相近的粘度和密度，不與透明土固體顆粒發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。液體粘度的測量方法應(yīng)符合《液體粘度的測定》GB/T22235中的規(guī)定。4.2.4以溴化鈣溶液為孔隙液體時(shí)，需考慮其吸濕性對效果影響，通常采用以下方法：1用棕色玻璃瓶保存溴化鈣，并將其貯存在干燥陰涼的地方，密封避光保存。2如果實(shí)驗(yàn)中使用了不止一瓶溴化鈣，則需重新測量每瓶溴化鈣的折射率-濃度關(guān)系。3制備孔隙流體時(shí)，溴化鈣溶液濃度應(yīng)高于所需濃度。4.2.5無機(jī)液體應(yīng)根據(jù)溫度調(diào)整濃度獲取合理的折射率。4.2.6用來模擬孔隙液體的有機(jī)溶液，應(yīng)與透明土固體顆粒具備一致的折射率。4.2.7有機(jī)液體折射率的測量方法應(yīng)符合《化學(xué)試劑折光率測定通用方法》GB/T614中的規(guī)定，可參考4.2.2中推薦方法。4.2.8有機(jī)液體宜具備模擬孔隙液體相近的粘度和密度，不與透明土固體顆粒發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。液體粘度的測量方法應(yīng)符合《液體粘度的測定》GB/T22235中的規(guī)定，可參考4.2.3中推薦方法。4.2.9孔隙液體為多種液體混合而成的有機(jī)液體時(shí)應(yīng)滿足：液體不互溶、無化學(xué)反應(yīng)、兩種液體折射率分別大于和小于固體顆粒折射率。可采用混合有機(jī)溶液折射率計(jì)算公式：（4.1）式中：ns——制配的透明土體折射率（-）；no1——第一種有機(jī)液體折射率（-）；no2——第二種有機(jī)液體折射率（-）；mo1——第一種有機(jī)液體質(zhì)量（kg）；mo2——第二種有機(jī)液體質(zhì)量（kg）。4.2.10烷烴類易燃液體存放應(yīng)滿足防火要求。4.2.11混合有機(jī)液體應(yīng)根據(jù)溫度調(diào)整質(zhì)量比獲取合理折射率。4.3透明砂土制配4.3.1若孔隙液體為有機(jī)混合油，按照質(zhì)量比調(diào)制與固體顆粒折射率一致的混合液體。4.3.2若孔隙液體為溴化鈣溶液，透明砂土孔隙液體的制配應(yīng)按下列步驟進(jìn)行：1稱量一定量的溴化鈣及純水。2攪拌、溶解、冷卻至室溫后測定溫度及折射率。3調(diào)整溴化鈣及純水的質(zhì)量比，重復(fù)溶解直至折射率與固體顆粒一致。4利用水系微孔濾紙和真空抽濾裝置進(jìn)行過濾，直至溶液清澈透明。若過濾后溴化鈣溶液仍顯淡黃色，可采用活性炭吸附。在過濾期間，需不斷調(diào)整溴化鈣和水的質(zhì)量比，以保證折射率的一致。4.3.3純水淘洗固體顆粒3~4遍，浸泡在純水中24時(shí)以上，以去除固體顆粒表面的灰塵和附著的氯離子等雜質(zhì)。淘洗2~3遍、烘干、冷卻、密封。4.3.4按照試驗(yàn)需求模擬土體密度計(jì)算所需固體顆粒質(zhì)量，將固體顆粒緩慢倒入孔隙液體中，攪拌保持充分混合后宜靜置抽真空。4.4示蹤粒子4.4.1若制配透明砂土激光散斑效果不佳，則可在制配土體中添加土體質(zhì)量0.01%~1%的示蹤粒子。4.4.2示蹤粒子顏色應(yīng)與激光顏色不同，在激光面清晰可見。4.4.3示蹤粒子不與透明砂土顆粒及孔隙液體發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，示蹤粒子大小宜根據(jù)試驗(yàn)所需土體材料性質(zhì)及圖片效果而定。4.4.4在以溫度場為觀測目的的透明土試驗(yàn)中不需要采用示蹤粒子，在以滲流為觀測目的的透明土試驗(yàn)中需要采用彩色熒光物質(zhì)。5透明黏土5.1固體顆粒5.1.1透明黏土固體顆粒一般為氣相或無定型二氧化硅、鋰皂石、卡波姆等材料。5.1.2細(xì)顆粒粉末存放應(yīng)滿足防火、防爆要求。5.1.3宜按照試驗(yàn)中所模擬天然土體性質(zhì)制配土體顆粒。5.2孔隙液體5.2.1二氧化硅材料對應(yīng)孔隙液體要求同4.2.3-4.2.5透明砂土的孔隙液體。5.2.2鋰皂石及卡波姆材料對應(yīng)的孔隙液體一般為純水。5.3透明黏土制配5.3.1在制配操作之前，為防止細(xì)顆粒物質(zhì)對身體健康造成影響，需提前準(zhǔn)備防霧面罩、橡膠手套和護(hù)目鏡。5.3.2二氧化硅透明黏土制配流程同4.3中要求，并在制配過程后進(jìn)行抽真空操作去除微小氣泡。5.3.3以卡波姆等材料制配透明黏土應(yīng)以氫氧化鈉或氯化鈉溶液為中和劑。5.3.4以卡波姆等材料制配透明黏土流程如下：1按照以下公式設(shè)計(jì)計(jì)算材料配比，稱取卡波姆粉末，氫氧化鈉粉末，及純凈水。（5.1）式中：m卡波姆——卡波姆材料質(zhì)量（W/m2）；m水——純水質(zhì)量（W/m2）；m氫氧化鈉——?dú)溲趸c質(zhì)量（W/m2）。2加熱純凈水至50～60℃；然后，稱量并加入卡波姆粉末，并在常溫下密封靜置8～10hrs；攪拌30～40min，密封靜置8～10h。3稱量氫氧化鈉粉末，攪拌、溶解后制配成溶液并倒入卡波姆混合液中，快速均勻攪拌10～15min至均勻粘稠狀。4將示蹤粒子加入土體中，攪拌均勻后利用真空泵抽真空方法去除氣泡，完成制配。5可根據(jù)所需土體力學(xué)特性進(jìn)行固結(jié)。5.4示蹤粒子5.4.1若制配土體內(nèi)無天然雜質(zhì)及氣泡，宜在制配土體中添加土體質(zhì)量0.01%~1%的示蹤粒子。5.4.2示蹤粒子顏色、化學(xué)性質(zhì)及粒徑方面規(guī)定同4.5中要求。6透明土試驗(yàn)6.1一般規(guī)定6.1.1透明土試驗(yàn)場地宜恒溫、整潔、通風(fēng)、安靜、光亮可調(diào)，溫度宜控制為20℃~25℃左右，且試驗(yàn)時(shí)的溫度應(yīng)與制配時(shí)一致。濕度宜不大于60%。6.1.2每組透明土試驗(yàn)應(yīng)在試驗(yàn)計(jì)劃時(shí)間內(nèi)盡快完成。6.1.3開展透明土相似模型試驗(yàn)，試驗(yàn)參量應(yīng)滿足模型試驗(yàn)相似率。6.2儀器設(shè)備6.2.1透明土試驗(yàn)所需儀器設(shè)備包括計(jì)算機(jī)、試驗(yàn)平臺(tái)、一字線激光發(fā)生器、數(shù)碼相機(jī)及圖像采集卡。透明土試驗(yàn)系統(tǒng)如圖6.1.1所示。圖6.1.1透明土試驗(yàn)系統(tǒng)6.2.2試驗(yàn)平臺(tái)應(yīng)堅(jiān)固、穩(wěn)定、水平平整，試驗(yàn)平臺(tái)材料不易銹蝕。6.2.3數(shù)碼相機(jī)、圖像采集卡性能指標(biāo)宜滿足以下要求：1相機(jī)像素分辨率不宜小于2048×1536。2相機(jī)幀率不宜小于15fps。3圖像采集卡可接相機(jī)，可自動(dòng)采集圖像。6.2.4一字線激光發(fā)生器性能指標(biāo)宜滿足以下要求：1功率不宜小于300mW，且能形成一個(gè)扇形激光面。2波長不宜小于532nm。3光束質(zhì)量宜小于1.2。6.2.5試驗(yàn)中設(shè)計(jì)電源系統(tǒng)應(yīng)符合GB7251.1的規(guī)定。6.3試驗(yàn)操作6.3.1透明土試驗(yàn)宜按以下技術(shù)步驟開展：1按照模型試驗(yàn)要求在模型槽中制配透明土，將模型槽固定于光學(xué)平臺(tái)上，靜置至試樣變形穩(wěn)定。2調(diào)整光學(xué)平臺(tái)水平，固定支架，安裝一字線激光發(fā)生器、數(shù)碼相機(jī)及其他相應(yīng)儀器設(shè)備，連接形成試驗(yàn)系統(tǒng)。3打開激光發(fā)生器，調(diào)節(jié)功率，檢驗(yàn)激光在透明土中形成的散斑場切面的清晰度。4打開數(shù)碼相機(jī)，鏡頭所在平面應(yīng)平行于散斑場切面；調(diào)整拍攝范圍和焦距，獲得能夠記錄和獲得清晰的視場，完成相機(jī)標(biāo)定；設(shè)置數(shù)碼相機(jī)拍攝模式與時(shí)間間隔。5試驗(yàn)開始前，設(shè)置標(biāo)定點(diǎn)，以確定散斑場切面和相機(jī)的坐標(biāo)位置。6開展試驗(yàn)，連續(xù)拍攝獲得試驗(yàn)圖片像素?cái)?shù)據(jù)。6.3.2試驗(yàn)開始前，需做好安全準(zhǔn)備，穿好工作服，佩戴橡膠手套，避免與孔隙液體直接接觸；佩戴護(hù)目鏡，避免激光刺激眼睛。6.3.3試驗(yàn)結(jié)束后，應(yīng)及時(shí)洗手、洗臉、洗澡，更換工作服；分開回收處置廢棄固體顆粒和孔隙液體。6.4數(shù)據(jù)分析6.4.1可采用基于數(shù)字散斑相關(guān)算法的圖像處理軟件分析透明土試驗(yàn)中連續(xù)拍攝的圖像。6.4.2圖像處理軟件分析步驟一般如下：1圖像前處理：對圖像文件重命名為統(tǒng)一格式的字符串。可刪除差異微小且不影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析的圖像。使用相關(guān)圖像處理工具程序裁剪不需要分析的圖像區(qū)域。將待分析圖像序列保存在同一文件夾中。2創(chuàng)建控制點(diǎn)：如在試驗(yàn)中布置有控制點(diǎn)，需對所有的圖像分別建立相同的控制點(diǎn)。3設(shè)置圖像分析參數(shù)：輸入圖像分析計(jì)算所需參數(shù)。4進(jìn)行圖像分析處理：運(yùn)行圖像分析，由軟件對分析區(qū)域進(jìn)行自動(dòng)變形計(jì)算。5圖像分析結(jié)果查看：打開分析結(jié)果文件，查看位移矢量圖、云圖。6.4.3為提高分析效率，可預(yù)先在圖像上選取較少的測點(diǎn)，進(jìn)行粗略運(yùn)算分析，預(yù)覽圖像分析效果后再精細(xì)化分析處理。6.4.4圖像處理結(jié)果精度受試驗(yàn)過程中圖像拍攝質(zhì)量、拍攝時(shí)間間隔影響很大，應(yīng)嚴(yán)格控制試驗(yàn)過程中影響圖像質(zhì)量的各個(gè)因素。7回收與處理7.1一般規(guī)定7.1.1廢棄試驗(yàn)化學(xué)材料應(yīng)遵守安全管理規(guī)定，防止污染環(huán)境。7.1.2試驗(yàn)完成后，廢棄土體固、液應(yīng)分開回收處置。7.2固體回收7.2.1若固體顆粒在試驗(yàn)中表面未嚴(yán)重被其它顏色侵蝕、折射率變化在±10%范圍內(nèi)，可多次循環(huán)利用。7.2.2回收利用流程（流程方案、措施）1淘洗固體顆粒3~4遍，浸泡24小時(shí)以上，以去除固體顆粒表面雜質(zhì)。去油（可用洗潔精）和附著物。2用純凈水淘洗2~3遍、烘干、冷卻、密封。7.3液體處理7.3.1孔隙液體廢液需用專用膠桶封裝，貼上“有機(jī)/無機(jī)”標(biāo)識，廢液嚴(yán)禁直接倒入下水道。7.3.2孔隙溶液宜重復(fù)利用。附錄A

（資料性附錄）

土體參數(shù)表透明土試驗(yàn)名稱土體類型土樣批數(shù)土工試驗(yàn)類型試驗(yàn)單位試驗(yàn)負(fù)責(zé)人序號試驗(yàn)尺寸測試時(shí)間試驗(yàn)結(jié)果010203附錄B

（資料性附錄）

試驗(yàn)環(huán)境記錄表透明土試驗(yàn)名稱土體類型試驗(yàn)總時(shí)間土工試驗(yàn)類型試驗(yàn)單位試驗(yàn)負(fù)責(zé)人時(shí)刻類型9:00環(huán)境溫度粉塵含量光線明火9:159:30附錄C

（資料性附錄）

試驗(yàn)進(jìn)程記錄表透明土試驗(yàn)名稱土體類型試驗(yàn)總時(shí)間土工試驗(yàn)類型試驗(yàn)單位試驗(yàn)負(fù)責(zé)人時(shí)刻照片編號9:009:159:30附錄D

（資料性附錄）

試驗(yàn)固廢液表透明土試驗(yàn)名稱土體類型土樣批數(shù)土工試驗(yàn)類型試驗(yàn)單位試驗(yàn)負(fù)責(zé)人序號液體、液體類型/名稱質(zhì)量處置方式010203

透明土試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)條文說明

目次TOC\o"1-1"\h\z\u1總則 243基本規(guī)定 254透明砂土 274.1固體顆粒 274.2孔隙液體 274.3透明砂土制配 344.4示蹤粒子 345透明黏土 355.1固體顆粒 355.3透明黏土制配 355.4示蹤粒子 356透明土試驗(yàn) 366.1一般規(guī)定 366.2儀器設(shè)備 366.3試驗(yàn)操作 376.4數(shù)據(jù)分析 377回收與處理 387.1一般規(guī)定 387.3液體處理 381總則1.0.1近三十年來，國內(nèi)外相關(guān)科研單位、高校等逐步開展透明土試驗(yàn)，并基于該技術(shù)開展各類科學(xué)研究；但是，世界范圍內(nèi)尚缺少透明土試驗(yàn)的統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)；因此，亟需編制一部針對透明土試驗(yàn)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，統(tǒng)一透明土試驗(yàn)的技術(shù)方法與要求。1.0.2本標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了以人工合成透明土材料及數(shù)字圖像處理技術(shù)為載體的透明土試驗(yàn)的材料制配、系統(tǒng)設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)分析和操作步驟等要求，為透明土試驗(yàn)提供技術(shù)指導(dǎo)及質(zhì)量控制標(biāo)準(zhǔn)。1.0.3本標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用過程中應(yīng)結(jié)合國家標(biāo)準(zhǔn)《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》GBT50123、《液體粘度的測定》GB/T222352008、《化學(xué)試劑折光率測定通用方法》GB/T614、《半導(dǎo)體激光器總規(guī)范》GB/T31358的相關(guān)規(guī)定。3基本規(guī)定3.0.1光照射到物體上時(shí)，會(huì)產(chǎn)生部分或者全部的反射和折射，正是因?yàn)楣獾姆瓷浜驼凵洌艜?huì)使得物體看起來變得透明或者不透明。人工合成透明土的基本原理是利用透明固體顆粒材料和具有相應(yīng)折射率的孔隙液體充分混合，并排除空氣，光線就可以穿過，土體即為透明的。3.0.2透明土試驗(yàn)材料若涉及可燃、微毒的化學(xué)試劑，透明土制配過程中若涉及細(xì)顆粒粉末物質(zhì)，需保證實(shí)驗(yàn)室及試驗(yàn)過程中的環(huán)境安全。常用透明土材料歸類整理及妥善保存是實(shí)驗(yàn)室安全運(yùn)行保證，同時(shí)應(yīng)在試驗(yàn)前、過程中、后及時(shí)記錄試驗(yàn)環(huán)境狀態(tài)。3.0.3不同試驗(yàn)材料配置的透明土的透明度不同，設(shè)計(jì)透明土試驗(yàn)的模型箱尺寸應(yīng)考慮透明度的影響。3.0.4采用透明土進(jìn)行相似模型試驗(yàn)宜滿足模型相似比要求，非模型試驗(yàn)時(shí)需考慮其土性與天然土體的相似性。宜按照《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》GB/T50123進(jìn)行試驗(yàn)，測定透明砂土的顆粒級配、比重、密度、孔隙流體與固體顆粒的質(zhì)量比、以及剪切強(qiáng)度等物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)。3.0.6透明土試驗(yàn)圖像的數(shù)據(jù)進(jìn)行測量和處理，由于儀器或人為的原因，圖像最清晰（或最不清晰）的位置不容易確定。因此有必要提出圖像清晰度的量化測量方法。一般認(rèn)為，清晰度是影像邊緣的銳利程度。從影像清晰度的因素來看，主要有像素、亮度（在黑白圖像中等同于灰度）、對比度等。透明土量化推薦方法為：通過在透明土中不同距離設(shè)置測試桿、獲取圖片分析測試桿的清晰度來反映透明材料的透明程度。將灰度圖像轉(zhuǎn)化成由代表明暗程度的數(shù)字組成的矩陣，透明土清晰程度可用清晰度評價(jià)函數(shù)來衡量。主要操作要點(diǎn)：1試驗(yàn)配制厚度為3cm、6cm和12cm的透明土試樣，并進(jìn)行了效果圖拍攝。試驗(yàn)所用模型槽材質(zhì)為有機(jī)玻璃，規(guī)格為25cm×3cm×15cm，25cm×6cm×15cm，25cm×9cm×15cm（長×寬×高）。為保證拍攝條件一致，同時(shí)控制色散，拍攝均在夜晚進(jìn)行，光照條件為室內(nèi)日光。2試驗(yàn)固定相機(jī)高度與距離模型槽的距離，排除人為拍攝抖動(dòng)造成誤差。3槽內(nèi)測試桿斜對角線布置，等間距為24mm。試驗(yàn)用2mm×10mm×150mm（長×寬×高）黑色亞克力有機(jī)玻璃做標(biāo)定桿標(biāo)記，相鄰標(biāo)定桿間距。右起第一根緊貼槽壁。試驗(yàn)所用相機(jī)固定條件同上。4測試桿斜對角線布置，獲取圖片經(jīng)黑白二階處理后逐個(gè)分析各桿的灰度值及透明材料的平均灰度值，再引入評價(jià)函數(shù)對不同位置透明土的清晰度進(jìn)行分析。其評價(jià)函數(shù)要能反應(yīng)透明土清晰度變化，以第一根測試桿為對照分析后續(xù)測試桿的清晰度，可得透明土中各點(diǎn)清晰度的相對值vi，然后根據(jù)相應(yīng)的點(diǎn)可作出透明土透明度沿厚度的變化曲線。各點(diǎn)清晰度的相對值：（3.1）（3.2）式中：A0——為圖像處理去除測試桿后透明材料的平均灰度值；vi——透明土清晰度相對值；ui——為各根桿在透明土中灰度值；其中，f(x,y)為圖像中經(jīng)二階處理后各點(diǎn)像素灰度值；mi,ni為桿所在圖像區(qū)域所形成的二階矩陣的行數(shù)與列數(shù)。4透明砂土4.1固體顆粒4.1.1無定型二氧化硅凝膠和粉末都具有很強(qiáng)的吸附能力，常見的如親水無定型凝膠；一些經(jīng)過化學(xué)處理后可具有很強(qiáng)的吸油能力，如疏水無定型硅石凝膠。無定型硅石的原子排列形式很廣泛，微粒有透明和不透明兩種，其中透明的微粒具有模擬自然土體的特征。無定型硅石有兩種形式：凝膠和粉末，它們都有相同的折射率。無定型硅石凝膠是硅石的膠狀形式，具有較好的透明度，其固體聚合物中有許多的細(xì)小孔道，具有強(qiáng)大的吸附能力。無定型硅石凝膠，最普遍的尺寸在0.5~5mm之間，最普遍的形態(tài)呈圓珠形和有角微粒狀，其中粒狀的硅石凝膠微粒適合模擬透明的砂土。高純?nèi)廴谑⑸拔锢砑盎瘜W(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，具有極低的導(dǎo)熱率和極好的熱穩(wěn)定性，顆粒均勻、純度高、雜質(zhì)極少、無色透明、光學(xué)性質(zhì)好，其折射率為1.4585，相比硅石凝膠其內(nèi)部沒有微細(xì)孔道，更適合模擬天然砂土。4.1.4常見固體折射率參考表4.1.4-1。表4.1.4-1常見透明砂土固體折射率硅膠熔融石英砂1.44751.45854.2孔隙液體4.2.2當(dāng)固體顆粒浸入到液體物質(zhì)中，透明的效果由三個(gè)因素決定：一是折射率匹配的程度；二是入射光的方向、顆粒的大小、形狀和級配（相當(dāng)于聚集形態(tài)因素）等幾何因素；三是混合物間空氣含量。當(dāng)固體折射率和液體的折射率相同時(shí)，固液界面由于折射率差而產(chǎn)生的散射將減少，透射光強(qiáng)增加，從而顯出透明的特性。盡管只是滿足折射率的匹配并不能形成理想的透明效果，但折射率匹配技術(shù)能有效的降低介質(zhì)間的折射、反射和散射，是提高成像清晰度的有力手段。宜在穩(wěn)定溫度下使用阿貝斯折射儀，主要包括以下要點(diǎn)：1阿貝折射儀測量折射率，折射率測量精度0.0002，溫度測量范圍在0~70℃。2試驗(yàn)時(shí)利用循環(huán)泵將折射儀與恒溫水浴箱相連，利用循環(huán)水控制試驗(yàn)溫度，水浴箱控溫精度0.1℃。光照條件為室內(nèi)日光燈，試驗(yàn)過程中控制室內(nèi)溫度在20~25℃。3配置好的液體編號記錄后密封置于水浴箱中加熱至所需溫度。待水浴溫度穩(wěn)定后，依次取出待測液體，用滴管取少量液體至折射儀測試?yán)忡R表面，等待約10秒，以待液體溫度和折射儀棱鏡溫度一致，減少因暴露于空氣中產(chǎn)生的溫度差而對折射率的影響，測量液體的折射率及色散值并記錄。4試驗(yàn)前利用儀器附帶標(biāo)準(zhǔn)溶液和試塊進(jìn)行折射率校核，每次測量后須利用超純水或者酒精清洗折射儀棱鏡表面，并用擦鏡紙擦凈。圖4.2.2-1阿貝斯折射儀4.2.3測定油類液體的運(yùn)動(dòng)粘度時(shí)，應(yīng)根據(jù)試樣的性質(zhì)和試驗(yàn)的溫度選擇適當(dāng)?shù)恼扯扔?jì)。要求試樣在粘度計(jì)毛細(xì)管中的流動(dòng)時(shí)間應(yīng)不少于200s，以保證油類在毛細(xì)管中的流動(dòng)處于層流狀態(tài)，符合泊塞爾方程的適用條件。油類液體通過毛細(xì)管時(shí)間過短，會(huì)使試驗(yàn)結(jié)果誤差偏大；通過時(shí)間過長，則不易保持溫度恒定，也使試驗(yàn)結(jié)果出現(xiàn)偏差。一般情況，油類液體在毛細(xì)管中流動(dòng)時(shí)間控制在200～500s比較適中，這樣可保證在毛細(xì)管內(nèi)的流動(dòng)為層流狀態(tài)。宜采用ISO3105“玻璃毛細(xì)管運(yùn)動(dòng)粘度計(jì)規(guī)格和操作標(biāo)準(zhǔn)制造說明”標(biāo)準(zhǔn)制造的1840芬氏管（改良奧氏管，圖4.2.3-1）進(jìn)行測量，主要測量要點(diǎn)：1芬氏管的內(nèi)徑分別為0.3、0.54、0.78、1.01、1.27、1.92mm，測定試樣的運(yùn)動(dòng)粘度時(shí)，應(yīng)根據(jù)試驗(yàn)溫度選用適當(dāng)?shù)恼扯扔?jì)，保證試樣流動(dòng)時(shí)間不少于200s，試驗(yàn)時(shí)，利用循環(huán)泵將水槽與恒溫水浴箱相連，利用循環(huán)水控制試驗(yàn)溫度，水浴箱控溫精度0.1℃。圖4.2.3-11840芬氏管2光照條件為室內(nèi)日光燈，試驗(yàn)過程中控制室內(nèi)溫度在20~25℃。由于作為介質(zhì)的水加熱后會(huì)有白垢產(chǎn)生，在有機(jī)玻璃恒溫浴壁上附著或飄蕩于介質(zhì)中，給溫度的調(diào)節(jié)觀察，讀數(shù)以及速降油面的觀察帶來不便，因此需要專門的清洗液來清洗，建議采用丙酮為清洗劑。3試驗(yàn)時(shí)，首先將試驗(yàn)油樣注入毛細(xì)管。由于毛細(xì)管較細(xì)而且要保證注入的油中不含氣泡，入口接橡皮管，倒置芬氏管，利用負(fù)壓吸引法注入油樣，操作時(shí)注意保證芬氏管垂直。然后用架子夾住橡皮管，固定芬氏管。預(yù)熱15-20min后，取下夾子，讓油樣流下，當(dāng)油樣上液面最低處流過芬氏管a標(biāo)線的瞬間，開始計(jì)時(shí)；當(dāng)油液完全流出A球，液面最低處流過標(biāo)線b，停止計(jì)時(shí)。最后取下芬氏管，倒出油樣。為保證精度，用10倍及以上放大鏡觀察標(biāo)線。4用秒表記錄流動(dòng)時(shí)間，應(yīng)反復(fù)測定4次然后取平均值；在15~100℃測定粘度時(shí)，測量時(shí)間的最大值與最小值的差值不應(yīng)超過算術(shù)平均值的±0.5%；然后取不少于2次的流動(dòng)時(shí)間的算術(shù)平均值為試樣的平均流動(dòng)時(shí)間，溫度一定時(shí)，試驗(yàn)液體的運(yùn)動(dòng)粘度為粘度計(jì)常數(shù)與平均流動(dòng)時(shí)間的乘積。4.2.4溴化鈣具有很強(qiáng)的吸濕性，極易吸收空氣中的水分，這就容易導(dǎo)致溶液配置時(shí)出現(xiàn)偏差，影響溴化鈣溶液的折射率，從而導(dǎo)致透明土試樣透明效果欠佳。4.2.5溴化鈣溶液折射率與溫度關(guān)系參考表4.2.6-1。表4.2.5-1不同濃度下溴化鈣溶液折射率與溫度關(guān)系溶液類型濃度溶液溫度（℃）20253035404550溴化鈣0(水)1.3331.3331.3331.3331.3331.3331.33351.33951.33981.33861.3391.3381.33741.337151.35921.35961.35871.35861.35761.35721.3557251.37821.37821.37721.37661.37621.37541.375351.39761.39881.39781.39791.3961.39551.3948451.42941.42631.42561.42491.4241.42391.4238551.45021.45021.44871.44751.44711.44731.4456651.48281.48241.47821.47851.47811.4781.47644.2.7常見有機(jī)液體折射率與溫度關(guān)系參考表4.3.2-1。表4.2.7-1常見有機(jī)液體折射率溶液類型溫度（℃）202530354045乙醇1.363311.36151.36081.35751.35651.3548正庚烷1.378771.37651.37471.37261.37111.3685異丙醇1.389451.38661.38521.38221.381.379二甲基硅油1.405641.40311.40171.40041.39811.396正十二烷烴1.423311.42111.41961.4181.4151.4141煤油1.449081.44451.44211.44061.43781.4361液體石蠟1.46001.45781.45491.45461.45281.4506丙三醇1.465281.46261.46091.45961.45751.455315#白油1.466751.46251.4611.45891.45721.455210#變壓器油1.47081.46751.46581.46381.46191.4575高溫導(dǎo)熱油1.474481.47141.47041.46991.46911.4661聚乙二醇2001.483681.47931.4781.47641.47451.47244.2.11常見有機(jī)混合液體折射率與溫度關(guān)系參考表4.3.6-1~4.3.6-5。表4.2.11-1常見有機(jī)混合液折射率與溫度關(guān)系-以石蠟為基礎(chǔ)混合油溶液類型質(zhì)量比溶液溫度（℃）202530354045石蠟：正庚烷0:11.46651.46341.46281.46651.45791.45641:41.44791.44951.44851.44791.44321.43891:21.43881.4451.43941.43881.43421.42811:1.251.43231.43741.43261.43231.42581.42250.75:11.4271.431.4281.4271.42071.4172:11.41411.41251.41521.41411.40751.40284:11.40371.40191.40311.40371.39621.3917石蠟：正十二烷烴0:11.46641.46351.46261.46011.45791.45641:41.45681.45251.45211.44911.44821.44711:21.44971.44751.44661.44181.44211.44061:1.251.44641.44461.44221.4381.4381.43610.75:11.44261.44151.43931.43541.43471.43152:11.43631.43451.4321.4291.42781.42254:11.43121.42911.42691.42441.42281.4205石蠟：煤油0:11.46641.46361.46231.46011.45831.45651:41.46241.46021.45811.45561.45441.45291:21.46021.45751.45571.45321.45211.45031:1.251.45851.45551.45351.45111.45021.44860.75:11.45721.45421.45211.451.44911.44742:11.45441.45131.44891.44711.44591.44454:11.45231.44851.44651.44421.4441.4421表4.2.11-2常見有機(jī)混合液折射率與溫度關(guān)系-以15#白油為基礎(chǔ)混合油溶液類型質(zhì)量比溶液溫度（℃）20253035404515#白油：正庚烷0:11.47041.46861.46551.46281.46121.45941:41.45231.44991.44911.44711.44351.44351:21.44261.43921.4381.43531.43131.43121:1.251.43251.43081.43051.42741.42471.42350.75:11.42771.42651.42511.42211.41681.41762:11.41551.41341.41211.40821.4051.40554:11.40491.40311.4021.3981.39511.394515#白油：正十二烷烴0:11.47041.46851.46551.46271.46111.45951:41.45851.45181.45461.45251.44941.44911:21.45241.44811.44891.44651.44261.44131:1.251.44861.44471.44441.44161.4381.43560.75:11.44541.44211.44051.43711.43481.43312:11.43751.43511.43251.43021.42831.42664:11.4321.42941.4271.4251.42311.420915#白油：煤油0:11.46491.46311.46041.45891.45711.45521:41.46151.45961.4561.45551.4541.45161:21.45911.45751.45391.45311.45151.44991:1.251.45761.4561.4521.45161.45011.44810.75:11.45611.45491.45131.45051.44891.44722:11.4541.45251.44841.44811.44631.44344:11.4521.45061.44581.44591.44411.4416表4.2.11-3常見有機(jī)混合液折射率與溫度關(guān)系-以10#變壓器油為基礎(chǔ)混合油溶液類型質(zhì)量比溶液溫度（℃）20253035404510#變壓器油：煤油0:11.46641.46351.46261.46011.45791.45641:41.45681.45251.45211.44911.44821.44711:21.44971.44751.44661.44181.44211.44061:1.251.44641.44461.44221.4381.4381.43610.75:11.44261.44151.43931.43541.43471.43152:11.43631.43451.4321.4291.42781.42254:11.43121.42911.42691.42441.42281.420510#變壓器油：正庚烷0:11.48311.48051.4781.47761.47561.47411:41.46331.47341.45751.45781.45431.45371:21.44951.45821.45041.44641.43891.4371:1.251.43911.4451.43861.43391.4311.42850.75:11.4341.43551.43251.42891.42511.42242:11.41851.42751.4151.41231.40941.40754:11.40691.40761.40251.39981.39741.395110#變壓器油：正十二烷烴0:11.48331.47921.47951.47741.47571.47411:41.47011.4651.46641.46451.46221.45661:21.46121.45761.45811.45561.45351.44811:1.251.45481.45131.45191.4481.44731.44290.75:11.4511.4471.4481.44431.44251.43762:11.44161.43821.43771.43461.43221.42964:11.43391.43121.42981.42711.42511.4228表4.2.11-4常見有機(jī)混合液折射率與溫度關(guān)系-以10#高溫導(dǎo)熱油為基礎(chǔ)混合油溶液類型質(zhì)量比溶液溫度（℃）202530354045高溫導(dǎo)熱油：煤油0:11.47021.46851.46551.46271.46141.45951:41.46561.46451.45961.45911.45661.45531:21.46261.46191.45781.45571.45391.45271:1.251.45931.45941.45451.45341.45181.45030.75:11.45841.45781.4531.45211.45051.44862:11.45551.45441.44951.44811.44721.44574:11.4531.45151.44651.44521.44491.4426高溫導(dǎo)熱油：正庚烷0:11.4651.46311.46021.45851.45691.45531:41.44921.44871.44691.44221.44261.43791:21.4381.43781.4371.43231.43351.4281:1.251.43221.43141.43081.42621.42271.42150.75:11.42731.42691.42631.42221.41851.41582:11.4151.41451.41451.40921.40591.40364:11.40551.40521.40211.39841.39561.3925高溫導(dǎo)熱油：正十二烷烴0:11.4651.46291.46031.45851.4571.45531:41.45581.45441.45111.44891.44631.44671:21.44931.44861.44461.4431.4381.44051:1.251.4451.44451.44091.43861.43541.43570.75:11.44211.4411.43651.43591.43161.43242:11.43611.43411.43151.42971.42711.42624:11.4311.42941.42631.42451.42231.4209表4.2.11-5常見有機(jī)混合液折射率與溫度關(guān)系-以丙三醇為基礎(chǔ)混合油溶液類型質(zhì)量比溶液溫度（℃）202530354045丙三醇：乙醇0:11.47461.47121.47051.47071.46971.46641:41.44561.45051.44741.44611.44191.43931:21.42451.43161.43151.42461.42181.42251:1.251.41371.41921.421.41351.41191.41190.75:11.40711.41021.41091.40631.40331.4032:11.39351.39031.39311.38861.38651.38614:11.38061.381.37921.37521.37411.3722丙三醇：正庚烷0:11.47451.47111.47051.47061.46951.46651:41.45041.45351.44991.44891.44631.45091:21.43671.43731.43421.42231.4321.42941:1.251.42561.42881.42551.41941.42161.4190.75:11.4191.421.41831.41381.41371.41152:11.40461.40521.40191.39951.39611.39464:11.39361.39291.38991.38841.38441.3834丙三醇：正十二烷烴0:11.47451.47121.47051.47061.46951.46641:41.47161.46981.46991.46741.46651.46271:21.46971.46811.46761.4651.46391.46051:1.251.46751.46631.46451.46321.46231.45880.75:11.4671.4661.46381.46191.46071.45722:11.46531.46351.46121.45951.45761.45464:11.46351.46171.45981.45751.45571.45314.3透明砂土制配4.3.4在溶液中加入固體顆粒后，也可用玻璃棒充分?jǐn)嚢枧艢?，并在溶液透明澄清后靜置一小時(shí)，使氣泡完全排出，然后分壓到試驗(yàn)預(yù)定密度，才可開始實(shí)驗(yàn)。4.4示蹤粒子4.4.1在以溫度場為觀測目的的透明土試驗(yàn)中不需要采用示蹤粒子，在以滲流為觀測目的的透明土試驗(yàn)中需要采用彩色熒光物質(zhì)。4.4.4透明土的固體顆粒折射率隨溫度變化小，可認(rèn)為不隨溫度變化；孔隙液體折射率受溫度作用變化大，隨溫度變化孔隙液體折射率與固體顆粒匹配度變差，透明土透明度變低。通過建立透明度與溫度關(guān)系即可反映溫度場變化。5透明黏土5.1固體顆粒5.1.1石英砂的細(xì)顆粒產(chǎn)品如氣相或無定型二氧化硅一般為常用的透明黏土的固體顆粒材料，此外鋰皂石、卡波姆等材料產(chǎn)品也可以作為透明黏土的固體顆粒材料。5.3透明黏土制配5.3.2土體制配后需去除氣泡；施加壓力達(dá)到設(shè)計(jì)密度，將模型槽固定于光學(xué)平臺(tái)上；靜置一段時(shí)間，待試樣變形穩(wěn)定；靜置過程中，利用透明薄膜包裹模型槽，避免外界因素影響。若制配完成的透明土仍殘留少量氣泡，可利用真空泵