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透明土试验标准Hol第一种有机液体折射率(-);外2——第二种有机液体折射率(-);m i第一种o有机液体质量(kg);m2第二种有机液体质量(kg);O卡波姆--卡波姆材料质量(W/n);m水-----纯水质量(W/m);氢氧化钠质量(W/n)加氢氧化钠------------基本规定3透明土试验材料,包括光学上透明可见的人工制配土体的固体颗粒及孔隙液体透明土试验材料存放及试验操作过程应满足防火、防爆等安全要求试验材料涉及化学材料时应保证通风实验环境,以保证实验人员安全透明土试验的模型尺寸,除了应考虑试验目的、相似比等因素之外,还应考虑透明土材料的透明度透明土制配完成后应测量其基本物理力学特性,宜按照《土工试验方法标准》GB/T50123或相关行业规范中的相关规定执行评估所制配透明土模拟天然土体的相似性或进行模型试验的相似比透明土材料制配及试验应考虑光线、温度变化对土体光学透明度的影响,同时应尽量减少人为操作对试验结果的影响完成透明土的制配过程后,应进行透明度的量化工作可采用将灰度图像转化成由代表明暗程度的数字组成的矩阵,定义清晰度评价函数来衡量应根据透明土可视化模型试验中散斑场的质量、图片的清晰度,调整系统中各装置的位置,并在试验中固定其相对位置透明土试验应遵守实验室安全管理规定,在试验结束后废弃土体固、液应分开回收处置,防止污染环境体颗粒
4.1透明砂土
44.
1.1透明砂土固体颗粒一般选用二氧化硅化合物
4.
1.2所选透明土固体颗粒应与天然土颗粒比重接近,且具备良好透明度
4.
1.3透明土固体颗粒折射率宜用最小偏向角法或自准直法测量孔隙液体
4.
24.
2.1用来模拟孔隙液体的无机溶液,应具有良好的透明度
4.
2.2无机液体折射率的测量方法应符合《化学试剂折光率测定通用方法》GB/T614中的规定
4.
2.3无机液体宜与模拟孔隙液体具有相近的粘度和密度,不与透明土固体颗粒发生化学反应液体粘度的测量方法应符合《液体粘度的测定》GB/T22235中的规定
4.
2.4以澳化钙溶液为孔隙液体时,需考虑其吸湿性对效果影响,通常采用以下方法1用棕色玻璃瓶保存澳化钙,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澳化钙,则需重新测量每瓶滨化钙的折射率-浓度关系3制备孔隙流体时,漠化钙溶液浓度应高于所需浓度
4.
2.5无机液体应根据温度调整浓度获取合理的折射率
4.
2.6用来模拟孔隙液体的有机溶液,应与透明土固体颗粒具备一致的折射率
4.
2.7有机液体折射率的测量方法应符合《化学试剂折光率测定通用方法》GB/T614中的规定,可参考中推荐方法
4.
2.8有机液体宜具备模拟孔隙液体相近的粘度和密度,不与透明土固体颗粒发生化学反应液体粘度的测量方法应符合《液体粘度的测定》GB/T22235中的规定,可参考中推荐方法
4.
2.9孔隙液体为多种液体混合而成的有机液体时应满足液体不互溶、无化学反应、两种液体折射率分别大于和小于固体颗粒折射率可采用混合有机溶液折射率计算公式2(
4.1)机mol+2式中人——制配的透明土体折射率(-);7101——第一种有机液体折射率(-);——第二种有机液体折射率(-);moi第一种有机液体质量(kg);m2第二种有机液体质量(kg)
01.
1.10烷烧类易燃液体存放应满足防火要求
1.
1.11混合有机液体应根据温度调整质量比获取合理折射率透明砂土制配
4.
34.
3.1若孔隙液体为有机混合油,按照质量比调制与固体颗粒折射率一致的混合液体
4.
3.2若孔隙液体为溟化钙溶液,透明砂土孔隙液体的制配应按下列步骤进行1称量一定量的澳化钙及纯水2搅拌、溶解、冷却至室温后测定温度及折射率3调整漠化钙及纯水的质量比,重复溶解直至折射率与固体颗粒一致4利用水系微孔滤纸和真空抽滤装置进行过滤,直至溶液清澈透明若过滤后漠化钙溶液仍显淡黄色,可采用活性炭吸附在过滤期间,需不断调整漠化钙和水的质量比,以保证折射率的一致
4.
3.3纯水淘洗固体颗粒3〜4遍,浸泡在纯水中24时以上,以去除固体颗粒表面的灰尘和附着的氯离子等杂质淘洗2〜3遍、烘干、冷却、密封
4.
3.4按照试验需求模拟土体密度计算所需固体颗粒质量,将固体颗粒缓慢倒入孔隙液体中,搅拌保持充分混合后宜静置抽真空示踪粒子
4.
44.
4.1若制配透明砂土激光散斑效果不佳,则可在制配土体中添加土体质量
0.01%〜1%的示踪粒子
4.
4.2示踪粒子颜色应与激光颜色不同,在激光面清晰可见
4.
4.3示踪粒子不与透明砂土颗粒及孔隙液体发生化学反应,示踪粒子大小宜根据试验所需土体材料性质及图片效果而定
4.
4.4在以温度场为观测目的的透明土试验中不需要采用示踪粒子,在以渗流为观测目的的透明土试验中需要采用彩色荧光物质透明黏土5固体颗粒
5.
15.
1.1透明黏土固体颗粒一般为气相或无定型二氧化硅、锂皂石、卡波姆等材料
5.
1.2细颗粒粉末存放应满足防火、防爆要求
5.
1.3宜按照试验中所模拟天然土体性质制配土体颗粒孔隙液体
5.
25.
2.1二氧化硅材料对应孔隙液体要求同透明砂土的孔隙液体
5.
2.2锂皂石及卡波姆材料对应的孔隙液体一般为纯水透明黏土制配
5.
35.
3.1在制配操作之前,为防止细颗粒物质对身体健康造成影响,需提前准备防雾面罩、橡胶手套和护目镜
5.
3.2二氧化硅透明黏土制配流程同
4.3中要求,并在制配过程后进行抽真空操作去除微小气泡
5.
3.3以卡波姆等材料制配透明黏土应以氢氧化钠或氯化钠溶液为中和剂
5.
3.4以卡波姆等材料制配透明黏土流程如下1按照以下公式设计计算材料配比,称取卡波姆粉末,氢氧化钠粉末,及纯净水m/、浓度=------------四----------xlOO%(
5.1)m水叫波姆++加氢氧化钠式中m---------------卡波姆材料质量(W/n);mm水---------纯水质量(W/n);氢氧化钠质量(W/n)机氢氧化钠------------------2加热纯净水至50〜60℃;然后,称量并加入卡波姆粉末,并在常温下密封静置8〜1Ohrs;搅拌30〜40min,密封静置8〜10h3称量氢氧化钠粉末,搅拌、溶解后制配成溶液并倒入卡波姆混合液中,快速均匀搅拌10〜15min至均匀粘稠状4将示踪粒子加入土体中,搅拌均匀后利用真空泵抽真空方法去除气泡,完成制配5可根据所需土体力学特性进行固结示踪粒子
5.
45.
4.1若制配土体内无天然杂质及气泡,宜在制配土体中添加土体质量
0.01%〜1%的示踪粒子
5.
4.2示踪粒子颜色、化学性质及粒径方面规定同
4.5中要求6透明土试验一般规定
6.
16.
1.1透明土试验场地宜恒温、整洁、通风、安静、光亮可调,温度宜控制为20C〜25℃左右,且试验时的温度应与制配时一致湿度宜不大于60%
6.
1.2每组透明土试验应在试验计划时间内尽快完成
6.
1.3开展透明土相似模型试验,试验参量应满足模型试验相似率仪器设备
6.
26.
2.1透明土试验所需仪器设备包括计算机、试验平台、一字线激光发生器、数码相机及图像采集卡透明土试验系统如图所示图透明土试验系统
6.L1试验平台应坚固、稳定、水平平整,试验平台材料不易锈蚀
6.
2.3数码相机、图像采集卡性能指标宜满足以下要求1相机像素分辨率不宜小于2048X15362相机帧率不宜小于15fpso3图像采集卡可接相机,可自动采集图像
6.
2.4一字线激光发生器性能指标宜满足以下要求1功率不宜小于300mW,且能形成一个扇形激光面2波长不宜小于532nm3光束质量宜小于
1.
26.
2.5试验中设计电源系统应符合GB
7251.1的规定试验操作
6.
36.
3.1透明土试验宜按以下技术步骤开展1按照模型试验要求在模型槽中制配透明土,将模型槽固定于光学平台上,静置至试样变形稳定2调整光学平台水平,固定支架,安装一字线激光发生器、数码相机及其他相应仪器设备,连接形成试验系统3打开激光发生器,调节功率,检验激光在透明土中形成的散斑场切面的清晰度4打开数码相机,镜头所在平面应平行于散斑场切面;调整拍摄范围和焦距,获得能够记录和获得清晰的视场,完成相机标定;设置数码相机拍摄模式与时间间隔5试验开始前,设置标定点,以确定散斑场切面和相机的坐标位置6开展试验,连续拍摄获得试验图片像素数据
6.
3.2试验开始前,需做好安全准备,穿好工作服,佩戴橡胶手套,避免与孔隙液体直接接触;佩戴护目镜,避免激光刺激眼睛
6.
3.3试验结束后,应及时洗手、洗脸、洗澡,更换工作服;分开回收处置废弃固体颗粒和孔隙液体数据分析
6.
46.
4.1可采用基于数字散斑相关算法的图像处理软件分析透明土试验中连续拍摄的图像
6.
4.2图像处理软件分析步骤一般如下1图像前处理对图像文件重命名为统一格式的字符串可删除差异微小且不影响实验结果分析的图像使用相关图像处理工具程序裁剪不需要分析的图像区域将待分析图像序列保存在同一文件夹中2创建控制点如在试验中布置有控制点,需对所有的图像分别建立相同的控制点3设置图像分析参数输入图像分析计算所需参数4进行图像分析处理运行图像分析,由软件对分析区域进行自动变形计算5图像分析结果查看打开分析结果文件,查看位移矢量图、云图
6.
4.3为提高分析效率,可预先在图像上选取较少的测点,进行粗略运算分析,预览图像分析效果后再精细化分析处理
6.
4.4图像处理结果精度受试验过程中图像拍摄质量、拍摄时间间隔影响很大,应严格控制试验过程中影响图像质量的各个因素总则11术语和符号22术语
2.12符号
2.24基本规定36透明砂土47固体颗粒
4.17孔隙液体
4.27透明砂土制配
4.38示踪粒子
4.49透明黏土510固体颗粒
5.110孔隙液体
5.210透明黏土制配
5.310示踪粒子
5.411透明土试验612一般规定
6.112仪器设备
6.212试验操作
6.313数据分析
6.413回收与处理715一般规定
7.115固体回收
7.215液体处理
7.315附录(资料性附录)土体参数表A16回收与处理7一般规定
7.
17.
1.1废弃试验化学材料应遵守安全管理规定,防止污染环境
7.
1.2试验完成后,废弃土体固、液应分开回收处置
7.
27.
2.1若固体颗粒在试验中表面未严重被其它颜色侵蚀、折射率变化在±10%范围内,可多次循环利用
7.
2.2回收利用流程(流程方案、措施)1淘洗固体颗粒3〜4遍,浸泡24小时以上,以去除固体颗粒表面杂质去油(可用洗洁精)和附着物2用纯净水淘洗2〜3遍、烘干、冷却、密封液体处理
7.
37.
3.1孔隙液体废液需用专用胶桶封装,贴上“有机/无机”标识,废液严禁直接倒入下水道
7.
3.2孔隙溶液宜重复利用附录A(资料性附录)土体参数表透明土试验名称土体类型土样批数土工试验类型试验单位试验负责人序号试验尺寸测试时间试验结果010203附录B(资料性附录)试验环境记录表透明土试验名称土体类型试验总时间土工试验类型试验单位试验负责人时亥类型IJ环境温度粉尘含量光线明火9:009:159:30附录c(资料性附录)试验进程记录表透明土试验名称土体类型试验总时间土工试验类型试验单位试验负责人时亥照片编号IJ9:009:159:30附录D(资料性附录)试验固废液表透明土试验名称土体类型土样批数土工试验类型试验单位试验负责人序号液体、液体类型/名称质量处置方式010203透明土试验标准条文说明总则122基本规定323透明砂土425」固体颗粒425孔隙液体
4.225透明砂土制配
4.332示踪粒子
4.432透明黏土533固体颗粒
5.233透明黏土制配
5.333示踪粒子
5.4336透明土试验34一般规定
6.134仪器设备
6.234试验操作
6.335数据分析
6.435回收与处理736一般规定
7.136液体处理
7.336近三十年来,国内外相关科研单位、高校等逐步开展透明土试验,并基于该技术开展各类科学研究;但是,世界范围内尚缺少透明土试验的统一标准;因此,亟需编制一部针对透明土试验的技术标准,统一透明土试验的技术方法与要求本标准规定了以人工合成透明土材料及数字图像处理技术为载体的透明土试验的材料制配、系统设计、数据分析和操作步骤等要求,为透明土试验提供技术指导及质量控制标准本标准应用过程中应结合国家标准《土工试验方法标准》GBT
50123、《液体粘度的测定》GB/T
222352008.《化学试剂折光率测定通用方法》GB/T
614.《半导体激光器总规范》GB/T31358的相关规定基本规定3光照射到物体上时,会产生部分或者全部的反射和折射,正是因为光的反射和折射,才会使得物体看起来变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体颗粒材料和具有相应折射率的孔隙液体充分混合,并排除空气,光线就可以穿过,土体即为透明的透明土试验材料若涉及可燃、微毒的化学试剂,透明土制配过程中若涉及细颗粒粉末物质,需保证实验室及试验过程中的环境安全常用透明土材料归类整理及妥善保存是实验室安全运行保证,同时应在试验前、过程中、后及时记录试验环境状态不同试验材料配置的透明土的透明度不同,设计透明土试验的模型箱尺寸应考虑透明度的影响采用透明土进行相似模型试验宜满足模型相似比要求,非模型试验时需考虑其土性与天然土体的相似性宜按照《土工试验方法标准》GB/T5O123进行试验,测定透明砂土的颗粒级配、比重、密度、孔隙流体与固体颗粒的质量比、以及剪切强度等物理力学性质指标透明土试验图像的数据进行测量和处理,由于仪器或人为的原因,图像最清晰(或最不清晰)的位置不容易确定因此有必要提出图像清晰度的量化测量方法一般认为,清晰度是影像边缘的锐利程度从影像清晰度的因素来看,主要有像素、亮度(在黑白图像中等同于灰度)、对比度等透明土量化推荐方法为通过在透明土中不同距离设置测试杆、获取图片分析测试杆的清晰度来反映透明材料的透明程度将灰度图像转化成由代表明暗程度的数字组成的矩阵,透明土清晰程度可用清晰度评价函数来衡量主要操作要点1试验配制厚度为3cm、6cm和12cm的透明土试样,并进行了效果图拍摄试验所用模型槽材质为有机玻璃,规格为25cmX3cmX15cm,25cmX6cm X15cm,25cmX9cmX15cm(长X宽X高)为保证拍摄条件一致,同时控制色散,拍摄均在夜晚进行,光照条件为室内日光2试验固定相机高度与距离模型槽的距离,排除人为拍摄抖动造成误差3槽内测试杆斜对角线布置,等间距为24mm试验用2mmXIOmmX150mm(长X宽X高)黑色亚克力有机玻璃做标定杆标记,相邻标定杆间距右起第一根紧贴槽壁试验所用相机固定条件同上4测试杆斜对角线布置,获取图片经黑白二阶处理后逐个分析各杆的灰度值及透明材料的平均灰度值,再引入评价函数对不同位置透明土的清晰度进行分析其评价函数要能反应透明土清晰度变化,以第一根测试杆为对照分析后续测试杆的清晰度,可得透明土中各点清晰度的相对值外然后根据相应的点可作出透明土透明度沿厚度的变化曲线各点清晰度的相对值匕=1一(%(
3.1)%=1miX〃i(
2.
12.
1.1透明土transparent soil利用透明固体颗粒材料和具备相同折射率的孔隙液体充分混合,形成的饱和试样可以模拟天然饱和土体,称为透明土
2.
1.2硅胶silica gel又称硅酸凝胶,是一种具备高活性吸附的非晶态二氧化硅产品
2.
1.3熔融石英砂fused silica天然石英在高温冷却后形成的非结晶二氧化硅产品
2.
1.4透明度transparency能够透过光线的程度
2.
1.5折射率(又称折光率)refractive index光在真空中的传播速度与光在介质中的传播速度之比
2.
1.6粘度viscosity流体或半流体流动程度的难易
2.
1.7密度density每一空间单位(如面积、长度、体积)的量(如质量、电量、能量)的分布
2.
1.8有机液体organic liquid由低碳数的卤代烧、醇、酸、竣酸、酯构成的化合物,本标准中涉及有机液体有乙醇、异丙醇、二甲基硅油、煤油、正十二烷、白油、石蜡、丙三醇、变压器油、聚乙二醇等
2.
1.9正十二烷dodecane一种有机物,化学式为12H26,式量为
170.
382.
1.10白油(又称矿物油)mineral oil由石油所得精炼液态燃的混合物,原油经常压和减压分缁、溶剂抽提和脱蜡,加氢精制而得的有机物
2.
1.11无机液体inorganic liquid通常指无机盐或无机酸、碱的水溶液,本标准中涉及无机液体主要为漠化钙溶液
2.
1.12溟化钙calcium bromide无机盐的一种,分子式为CaBn,无色斜方针状结晶或晶块,无臭,味咸而苦
2.
1.13水系微孔滤纸(又称微孔滤膜)microporous membrane由精制硝化棉,加入适量醋酸纤维素、丙酮、正丁醇、乙醇等制成,亲水,无毒卫生,是一种多孔性的薄膜过滤材料,孔径分布比较均匀的微孔,微孔率高达80%的绝对孔径主要用于水系溶液的过滤,故也称水系膜
2.
1.14真空抽滤vacuum filtration利用抽气造成的负压加速滤水的方法
2.
1.15活性炭activated carbon由木质、煤质和石油焦等含碳的原料经热解、活化加工制备而成,具有发达的孔隙结构、较大的比表面积和丰富的表面化学基团,特异性吸附能力较强的炭材料的统称
2.
1.16砂雨法sand rainmethod利用沙漏控制落距及出砂速度获得可靠均匀性砂土地基的方法
2.
1.17示踪粒子tracer particle用以描述、记录土体运动轨迹的粒子
2.
1.18无定形二氧化硅amorphous silica没有晶体结构的二氧化硅物质,如石英玻璃、熔融石英、微细无定型物(包括硅溶胶、硅胶、沉淀SiO
2、气相SiO2)
2.
1.19锂皂石laponite一种含镁、锂、硅的黏土矿物,属蒙脱石、蛭石族中的蛭石亚族,晶体结构为三八面体型
2.
1.20卡波姆carbopol丙烯酸键合烯丙基蔗糖或季戊四醇烯丙醛的高分子聚合物
2.
1.21粒子图像测速(PIV)particle imagevelocimetry粒子图像测速,是一种用多次摄像以记录流场中粒子的位置,并分析摄得的两次或多次图像,获得每一小区域中粒子图像的平均位移,从而测出粒子运动速度的方法
2.
1.22散斑场speckle field被激光照明的粗糙物面在透镜的像面上形成的散斑照相符号
2.2Vi——透明土清晰度相对值;的——为各根杆在透明土中灰度值;f(x,y)——图像中经二阶处理后各点像素灰度值;mi,m——所在图像区域所形成的二阶矩阵的行数与列数;Ao——为图像处理去除测试杆后透明材料的平均灰度值;人——制配的透明土体折射率(-);。