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透明土技术最早由Iskander等人在20世纪90年代提出，其核心思想是通过制造具有透明特性的土壤模型，结合光学成像技术，实现对土壤内部变形和应力状态的非接触式测量。这种技术利用特定的透明颗粒（如熔融石英）和与之匹配折射率的孔隙流体，使得土壤在光学成像时表现出类似自然土壤的力学行为，同时具备透明性，便于观察和测量。

透明土的制造过程可以比作一场“材料炼金术”。它以熔融石英砂作为骨架，粒径可以根据需要调整在0.1-2mm之间，同时搭配正十二烷或混合油作为孔隙液体。通过精密调控，使得固体颗粒与液体的折射率高度匹配（通常控制在±0.002的误差范围内），这样在激光照射下，固体颗粒和液体对光的散射和吸收降到最低，从而实现透明效果。这类似于将砂糖溶解在折射率相近的糖水中，使得光线能够顺利通过，从而使得原本不透明的土体内部变得清晰可见。

当激光诱导荧光（LIF）技术被应用于透明土时，就能观察到令人惊叹的现象：预先混入的荧光微粒在激光的激发下发出类似星云的光辉。结合高速相机的显微镜头，即使是0.1微米的颗粒位移也能被精确捕捉。数字图像相关（DIC）技术能够将土体的微小变形转化为彩色的应变云图，直观展示土体内部的应变分布。而CT扫描技术则可以重构三维应力场的“冻龄切片”，为研究人员提供了前所未有的洞察土体内部结构和行为的能力。

《透明土壤可助科学家观察植物根系》作者：Lionel X. Dupuy 来源：《PLoS综合》

透明土在工程应用中被广泛用于模拟各种岩土工程场景，如桥梁基础、道路路基、边坡稳定性、隧道施工等。通过透明土模型试验，工程师可以更直观地理解土体内部的力学行为，从而优化设计方案。此外，透明土技术结合光学测试和图像处理技术，能够对岩土体内部的位移场、速率场和污染物渗流场进行研究。这使得大型复杂的物理模拟试验能够真实再现岩土体内部的运移规律，显著提升了岩土工程研究的可视化和精细化水平。

透明土作为一种模拟天然土体的材料，能够复现真实土体的力学特性，并需要通过一系列标准化测试来验证其性能，例如：

1. 1. 三轴试验
   通过动三轴或静三轴试验，研究透明土在不同应力路径下的强度和变形特性，包括固结排水（CD）、固结不排水（CU）和不固结不排水（UU）试验。试验可测定透明土的抗剪强度指标（如内摩擦角和黏聚力），并获取应力-应变曲线，以分析其变形规律。此外，还可通过摄影测量技术监测剪切带的形成和发展过程，分析其演化规律。
   

2. 2. 单剪试验
   用于研究透明土的剪切特性，尤其是剪切带的形成和发展。试验可获得剪切应力-应变关系曲线，反映透明土在剪切过程中的变形特性。同时，通过分析剪切带内外区域的变形差异，能够进一步理解透明土的局部化变形行为。

3. 3. 空心圆柱扭剪试验（HCA）
   用于研究透明土在复杂应力状态下的剪切变形和强度特性。试验可分析透明土在不同剪切方向下的应力-应变关系，以及中主应力比对其强度和体积应变特性的影响。此外，还可通过离散元模拟研究剪切带的倾角和颗粒接触数的变化。
   

4. 4. 共振柱试验
   用于研究透明土的动力特性，如动剪切模量、阻尼比和动强度。试验可测定动剪切模量-应变、阻尼比-应变以及孔压等关系曲线，并通过与天然砂土的对比分析，验证透明土的动力特性与天然土体的相似性。
   

5. 5. 动态三轴试验
   模拟地震波作用下的土体液化，研究透明土在循环荷载下的动力学行为。试验可分析透明土在动荷载作用下的强度变化和变形特性，为地震工程研究提供数据支持。
   

6. 6. 固结试验
   模拟透明土的固结过程，研究其压缩特性和渗透性能。试验可获取透明土在不同压力下的压缩曲线，分析其压缩模量和固结系数。此外，还可通过渗透试验测定透明土的渗透系数，以评估其水力特性。
   

在岩土工程领域，透明土研究正逐渐成为热门方向，国内科研团队也取得了诸多重要进展，为该领域的发展带来了全新突破。例如，刘汉龙院士领导的科研团队已发表了一系列高水平的科研成果。

创新材料研发：国内科研团队积极探索新型透明土材料，成果显著。例如，刘汉龙院士团队用玻璃砂、正十二烷和15号白油混合液制备玻璃砂透明土，该材料透明度高且与天然土体相似度良好，为相关研究提供了新的选择。周航老师课题组选取球形硅微粉搭配 15# 白油与正十二烷溶液，制得新型透明黏土，其强度特性和压缩系数与粉质黏土相似，能满足模型试验需求。此外，团队还参与研发了以 Carbopol Ultrez10 聚合物等为原料的新型透明黏土材料，并对其物理力学特性展开系统研究 。

仿生牙根桩承载性能研究：宗梓煦老师课题组基于仿生学原理提出仿生牙根桩，通过数值模拟和透明土模型试验研究其承载特性与桩 - 土作用。数值模拟显示该桩可大幅提高桩底承载力，但易致土体应力集中；模型试验表明，其竖向承载能力约为普通锥形桩的 2 倍，桩身拖曳效应和桩底竖向土体位移更显著，在桩中心内凹适度时，土体横向位移较小。

试验系统搭建：科研团队构建了多种用于不同研究目的的透明土试验系统。例如，刘汉龙院士团队设计的沉桩模型试验系统，包含激光器、CCD 相机等，可获得沉桩过程中土体变形的二维和三维位移场，有助于深入了解土体变形机理 。文磊老师课题组开发的后注浆微型钢管桩可视化模型试验装置，能观测微型钢管桩静压沉桩过程中桩周土体位移场和桩侧注浆施工过程中浆液扩散规律 。王忠涛老师课题组建立的倾斜拉拔荷载下锚桩可视化离心模型试验系统，专注于研究锚桩在倾斜拉拔荷载下的承载性能 。

测量技术应用与改进：数字图像相关（DIC）技术和粒子图像测速（PIV）技术在透明土试验中得到广泛应用与改进。周东老师课题组结合透明土材料、PIV技术和光学测量系统，研究被动桩桩周土体位移场，分析桩的遮拦效应及不同位移形状和桩径对遮拦效应的影响 。王壮老师课题组利用PIV和激光散斑技术，开展土岩边坡滑移机理模型试验，实现内部滑移变形可视化。马强老师课题组引入PIV技术，设计透明土可视化模型试验，对砂土中单根斜桩进行研究，监测出斜桩桩周及桩端土体颗粒的运动轨迹，为斜桩承载机理研究提供可视化依据 。

隧道工程方面：透明土对隧道研究意义重大。冯义老师等以上海某盾构区间为依托，结合自研模型与透明土技术，研究砂土地层隧道顶部灾变，发现突水涌砂后砂土破坏及灾变前期土颗粒位移规律。倪小东老师等提出基于透明土技术评估壁后注浆效果的方法，推导相似比尺、设计装置并研制浆液开展试验，得出隧道埋深与浆液压力、地表沉降的关系。还有学者通过模型试验和数值模拟，发现 Peck 公式在预测低强度围岩地表沉降时存在局限，为隧道工程提供参考。

桩基工程方面：透明土推动桩基研究成果显著。陈思良老师等用透明土与 PIV 技术，研究根式基础在不同荷载下的特性及根键影响；马强老师等借助透明土可视化模型试验和 PFC 数值模拟，探究斜桩承载机理与变形特征。曹兆虎老师、孔纲强老师、周航老师等学者分别针对管桩、扩底楔形桩、XCC 桩开展透明土试验，研究桩周土体位移、不同桩型承载特性及沉桩挤土效应等，为桩基设计提供依据。

其他工程领域：在边坡工程和土石混合体水力侵蚀研究中，透明土也发挥重要作用。刘汉龙院士、王壮老师等学者通过模型试验，研究土岩边坡滑移机理及影响因素，为边坡防护提供理论支持。刘汉龙院士团队研究了土石混合体抗侵蚀能力及侵蚀形态变化受含石量等因素的影响。

刘汉龙院士团队研发出透明土 把岩土工程“搬”进实验室做“CT”

视频来源：重庆日报传媒  

传统三轴系统在岩土力学领域应用广泛，其测试原理成熟，实践经验丰富。但随着透明土研究不断深入，对设备功能的综合性和精确性有了更高要求。

为此，HJC黄金城·(中国区)集团集团-官网探索将传统三轴系统与其他透明土设备有机结合的创新途径。例如通过定制或改造，把传统三轴系统强大的应力加载、数据测量功能，与透明土试验所需的可视化观测设备（如高精度激光成像系统、先进的粒子图像测速（PIV）设备等）相结合，打造集多种功能于一体的专用试验设备。

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