综述：透视岩土：透明土技术用于岩土模型试验非侵入式全场变形测量的研究进展

《Geotechnics》：Seeing Through the Soil: A Review of Transparent Soil Technology for Non-Intrusive Full-Field Deformation Measurement in Geotechnical Modeling

　　

透明土技术（Transparent Soil Technology, TST）通过匹配透明颗粒与孔隙流体的折射率，为岩土模型试验提供了非侵入式可视化途径。本综述系统梳理了TST从材料制备到测试方法再到工程应用的最新进展。首先总结了透明砂与透明黏土制备、孔隙流体匹配、脱气处理及与自然土力学相似性的关键技术要点。随后探讨了光学测量与图像分析方法的发展，涵盖激光切片、粒子图像测速（Particle Image Velocimetry, PIV）、数字图像相关（Digital Image Correlation, DIC）、散斑成像及三维重建等技术，阐明了TST从定性观测向定量全场变形测量的演进路径。文献计量关键词演化分析进一步表明，该领域研究已从早期的材料可行性探索转向面向工程的应用与智能可视化。当前在桩-土相互作用、隧道掘进、边坡失稳、渗流及侵蚀等场景中的应用，验证了TST在揭示位移场演化、应变局部化、渗流路径发育、颗粒迁移及剪切带扩展方面的价值。现存挑战主要包括力学相似性有限、光学稳定性不足、大尺度适用性受限及数据处理效率待提升。未来研究应聚焦于标准化材料体系构建、高分辨率三维可视化、多物理场耦合及与人工智能的深度融合。

1. 1.
   引言
   天然土体的光学不透明性长期制约着岩土工程内部机理研究，传统模型试验依赖埋入式传感器获取离散点数据，难以捕捉连续变形特征与空间演化过程。土体不透明性源于矿物颗粒、孔隙流体与滞留空气界面处的反复折射、反射及多重散射，当固液两相折射率存在差异时，入射光在土骨架内快速衰减，导致无法直接观测内部过程。透明土技术通过调控颗粒材料的光学特性，采用折射率匹配的透明颗粒与孔隙流体组合，降低颗粒-流体界面的光学对比度与光散射效应，构建兼具光学通透性与岩土代表性的可控物理相似材料。随着地下空间开发、隧道开挖、桩-土相互作用等复杂工程问题涌现，对揭示位移场渐进发展、剪切带局部化、渗流通道演化及土-结相互作用区动态的需求日益迫切，TST为此提供了有效解决方案。相较于X射线计算机断层扫描（X-ray Computed Tomography, X-ray CT）与磁共振成像（Magnetic Resonance Imaging, MRI）等非侵入式技术，TST在常规模型试验中更具操作便捷性与成本优势，二者形成互补而非替代关系。现有研究多分散于材料制备、光学测试或单一工程应用层面，缺乏从材料选型、测试精度、图像处理到工程适用性的系统性关联分析，尤其对TST从可视化工具向定量研究方法演进的路径总结不足。本综述整合材料研发、测试方法、文献计量趋势与工程应用四个维度，旨在厘清技术发展脉络、识别现存局限并提出未来研究方向。
2. 2.
   透明土的制备
   TST的核心原理是通过精确匹配透明固体颗粒与孔隙流体的折射率，最小化颗粒界面的光散射效应，将不透明土体转化为可透视介质，同时模拟天然土体的力学行为、渗流过程及应变局部化机制。其技术发展依赖于透明颗粒与孔隙流体的兼容性、透明土与自然土的力学及水力相似性、光学成像系统设计及数据处理算法开发四大关键环节。光学质量受折射率匹配精度、孔隙流体黏度、温度稳定性及光散射控制效果共同影响，而透明颗粒（如熔融石英、硼硅酸盐玻璃、聚合物微珠）与匹配流体在自然土的密度、刚度及表面化学性质差异，使得光学透明度与力学相似性的平衡成为核心挑战。
   2.1 TST的光学基础、相似性要求与适用性
   颗粒多孔介质的光透射性能受固相骨架与孔隙流体折射率对比度控制。透明土系统中，当固液折射率差足够小时，颗粒边界的光学不连续性被削弱，允许激光片光源穿透模型并获取内部截面图像。但折射率匹配仅实现光学相似性，透明材料与自然土在密度、刚度、表面粗糙度、摩擦角、孔隙流体黏度及渗透性等指标上仍存在差异，需在透明度、强度、变形特性、渗透性及长期稳定性间寻求平衡。TST适用于以位移场演化、应变局部化、剪切带扩展、渗流路径发育、颗粒迁移及土-结相互作用为主导的模型问题，而在颗粒破碎、胶结劣化、非饱和吸力、矿物溶解或强非均质性原生结构控制的研究场景中，需谨慎评估其适用性。
   2.2 固体骨料的优化
   透明土骨料研发经历了从简单替代材料到定制化工程介质的转变。早期碎玻璃基透明介质虽具备一定光学通透性，但在密度、刚度及水力行为上与天然土相似性有限；无定形二氧化硅体系改善了类黏土力学行为模拟能力，熔融石英与玻璃砂体系则更适用于透明砂模型制备，但随之带来制备工艺复杂、孔隙流体黏度敏感性高及温控要求严格等问题。从1982年Allersma采用碎玻璃颗粒与匹配流体构建透明介质研究平面应变条件下光弹性颗粒集合体应力张量分布，到1994年Iskander团队证实无定形二氧化硅悬浮液可制备出宏观性质接近天然土体的透明材料，固体骨料逐步向高透光率与高岩土相似性方向发展。2006年Wu等提出以熔融石英砂替代天然砂颗粒、溴化钙溶液作为孔隙流体的制备方案，建立了基于浓度-折射率线性关系的孔隙流体折射率测定方法，显著提升了透明砂的物理性能模拟可靠性。
   2.3 孔隙流体的折射率匹配
   高质量透明土的制备关键在于孔隙流体选型与折射率的精确匹配。理想孔隙流体应具备无色透明、化学稳定、低挥发性及运动黏度接近水的特性。当前主流孔隙流体分为混合油系（如正十二烷与白矿物油复配）与盐溶液系（如溴化钙水溶液）两类。研究表明，当溴化钙溶液质量浓度约为75.524%时，其折射率与熔融石英砂（1.45843）高度匹配，可实现最优透明度。2013年Kong等开发的玻璃砂-混合油体系透明土，经三轴试验验证其力学特性与福建标准砂接近；2017年同类研究发现，混合油与溴化钙溶液制备的透明土渗透系数最接近天然砂，而蔗糖溶液体系的渗透特性偏差较大。此外，流体折射率对环境温度高度敏感，温度升高通常导致折射率下降，因此透明土制备与试验全过程需严格控温。
   2.4 物理脱气与力学相似性挑战
   孔隙内滞留气泡是光散射与透明度降低的主要诱因，制备完成的透明土需经真空泵长时间脱气处理以去除残留空气。当前透明土制备的最大挑战仍在于超高光学透明度与自然土在密度、刚度及表面化学特性上的相似性平衡，这一矛盾尚未得到根本性解决。
3. 3.
   透明土技术测试方法的发展
   透明土模型试验的一般工作流程包括材料选型与折射率匹配、试样制备与光学稳定化、模型试验搭建、光学照明与图像采集、图像处理与变形量测、土体内部行为工程解释六个 sequential 环节，各环节的协同性能决定TST的整体可靠性。
   3.1 TST研究的出版趋势
   基于Web of Science核心合集的文献计量分析显示，1995-2008年为TST研究的探索阶段，年均发文量较低，聚焦材料制备可行性验证；2009-2015年随PIV、DIC等可视化技术应用，发文量显著增长；2016年后进入快速发展期，2025年发文量接近40篇，反映出该领域研究热度的持续攀升。
   3.2 基于图像的测量方法演进
   透明土变形测试方法经历了从定性观测到定量测量的范式转变。早期研究依赖基础光学观测与颗粒追踪技术，1999年Guler等对比MATCH与BMAD两种数字图像分析算法，证实块匹配算法的位移场模拟精度更优；2001年Sadek等系统评估目标跟踪、截面层析、光弹性法等五种光学技术，指出DIC最具应用潜力，并通过激光切片与互相关分析实现了透明土内部变形的量化；同年Gill等发现示踪粒子数量增加可提升位移测量精度，但过量添加会破坏透明土均匀性；2003年Liu等开发的激光切片-自适应互相关（Adaptive Cross-Correlation, ACC）系统，实现了透明土二维变形场的非侵入式量测；Sadek等同期将DIC与透明合成土结合，通过预设数字位移场验证了方法可靠性，并将条形基础荷载下的变形场与有限元结果进行对比。2005年She等系统梳理了合成透明土的制备方法与图像变形测量算法，明确了TST在揭示土体内部变形模式与破坏机理中的价值。
   3.3 三维可视化与工程导向应用
   2007年Toiya等采用共聚焦显微镜成像技术，实现了透明土中颗粒重排的三维动态观测，位移场结果与承载力理论预测定性吻合；2010年Ni等结合激光切片与PIV技术，可视化了桩基安装过程中黏性土的位移分布，与浅应变路径法理论预测基本一致；同年Iskander等利用散斑摄影技术观测分层地基（砂层覆黏土）的三维变形，验证了方法在非侵入式空间变形测量中的适用性。2014年Sun等采用透明砂与DIC技术研究盾构掘进面前方土体内部变形，发现变形特征随覆跨比变化显著；Cao等集成激光、CCD相机与PIV技术，实现了桩基沉桩过程中三维位移场的重构，证实水平挤压位移影响范围约为8倍桩径。2015年Omidvar等提出嵌入平面技术，克服高速摄影中激光照明的局限性，结合改进DIC方法成功量化了颗粒介质的动水渗流过程；Kong等采用DIC技术研究了倾斜拉拔荷载下透明砂的内部变形，验证了光学系统与透明砂在桩-土相互作用研究中的适用性。近年来，TST在渗透侵蚀、岩土边坡滑动机制、三维空间变形可视化等领域不断拓展，Tong等提出的3D-DIC与光学切片融合方法，标志着高精度三维可视化技术的突破。工程应用主要集中于桩-土相互作用、隧道与地下工程建设、边坡失稳、渗流与侵蚀、注浆及土-结相互作用六大类，其可靠性取决于模型对原型主导机制的复现能力，而非透明土与天然土的完全等效性。
   3.4 关键词演化与研究热点
   CiteSpace关键词时区可视化分析揭示了TST研究的清晰演进路径：1997-2006年为材料奠基期，核心关键词包括“透明土”“砂”“二氧化硅”“多孔介质”等，聚焦材料制备与基本性质评价；2007-2014年为定量测量转型期，“数字图像相关”“模型试验”“粒子图像测速”等关键词凸显，标志研究从定性可视化向量化测量跨越；2015-2020年为工程机理深化期，“贯入”“可视化”“三维重建”“破坏机理”等关键词涌现，反映TST在桩基承载、渗流侵蚀、渐进破坏等具体工程问题中的应用拓展；2021-2025年为智能融合期，“模拟”“盾构隧道”“岩土特性”等关键词凸显，体现透明土试验与数值模拟的协同增强，以及地下工程复杂大变形问题的研究延伸。整体而言，关键词演化呈现从材料制备→定量测量→机理分析→试验-模拟一体化的递进特征。
4. 4.
   透明土技术的未来发展方向
   TST正从常规可视化试验向标准化、定量化、智能化研究框架转型，未来发展需聚焦三大主题：标准化高相似性材料体系、复杂多物理场条件下的可扩展试验方法、AI驱动的图像分析与智能岩土解释。
   4.1 标准化与力学相似的透明土材料体系
   建立涵盖光学、力学、水力与物理性质的标准透明土数据库是核心任务。针对透明砂，需系统表征粒径分布、颗粒形状、相对密度、摩擦角、渗透系数及动力特性；针对透明黏土与土石混合体，需深入研究固结特性、抗剪强度、压缩性、抗侵蚀性及长期稳定性。同时需构建透明度与相似性的标准化评价体系：透明度应通过透光率、图像对比度、折射率偏差、散射强度及温度敏感性等指标量化；力学相似性需通过强度、刚度、渗透性、剪胀性及变形模式的对比验证。未来复合透明颗粒、聚合物改性透明材料、环境稳定型孔隙流体及低黏度匹配液的研发，将进一步拓展TST在复杂工程条件下的适用性。
   4.2 尺度效应、试验方法与多物理场模型试验
   未来透明土试验应向连续、自动、高精度三维监测方向发展，推动TST与渗流系统、降雨模拟装置、注浆系统、振动台及离心机模型试验的深度融合。振动台耦合试验有助于揭示地震诱发变形与失稳机理；渗流与降雨系统结合可深化对边坡破坏、内部侵蚀及土-结界面渗流的理解；离心模型试验则能改善实验室模型与原型工程的应力相似性。需重点提升透明土材料与测试系统在复杂荷载与边界条件下的耐久性、环境稳定性、可扩展性与重复性。
   4.3 AI驱动的图像分析与智能岩土解释
   传统PIV与DIC方法面临计算复杂、后处理耗时的瓶颈，AI技术为解决这一问题提供了新途径。深度学习算法可通过透明土试验图像数据集训练，实现位移场、渗流路径、颗粒迁移、剪切带及破坏面的自动识别，卷积神经网络可直接从图像序列预测位移或应变场，语义分割算法可实现渗流通道与局部变形带的自动提取。AI分析应与传统光学测量方法深度融合：传统方法为机器学习模型提供可靠训练数据与物理约束，AI算法提升数据处理效率与特征识别自动化水平，推动透明土试验从后处理可视化向前实时智能监测系统转型。此外，TST可为岩土工程数字孪生模型提供稀缺的全场试验数据，支撑智能建造、地质灾害预警、施工过程控制及基础设施全生命周期监测。
5. 5.
   讨论
   TST虽已形成集成透明地材、光学成像、图像变形测量与工程解释的试验框架，但材料透明度、试验尺度、测量维度与数据处理效率的提升，并不等同于岩土模拟可靠性的同步增强，需关注三大核心权衡关系。
   5.1 材料标准化与相似性权衡
   光学相似性无法自动确保岩土相似性，透明颗粒与孔隙流体在自然土的密度、刚度、表面特性及动力响应等方面仍存在固有差异。不存在普适性透明土材料，适用于桩基贯入的材料未必适合固结、渗流侵蚀或地震荷载模拟。材料标准化应聚焦于表征指标与报告规范的统一，至少需公开折射率、透光率、粒径分布、密度、强度、刚度、渗透系数、孔隙流体黏度、温控条件及制备历史，并根据目标问题主导机制论证材料选型合理性。当原型行为由颗粒破碎、非饱和吸力、胶结劣化或强非均质性控制且未被透明相似材料复现时，需审慎解读TST结果。
   5.2 尺度效应、三维测量与多物理场解释
   三维测量对光照稳定性、相机标定精度、多图像平面空间配准及纹理一致性要求极高，单切片误差会在重建过程中累积，扫描序列中的变形还会引入时间不一致性。大尺度模型试验中，微小折射率偏差、残留气泡、杂质、温度梯度及容器壁畸变会显著降低图像对比度与测量精度；离心试验中高加速度、狭小安装空间、振动干扰及标定稳定性构成实践约束；光学相似性、应力相似性与水力相似性难以同时满足。多物理场试验中，孔隙流体的黏度、密度、表面张力及温度敏感性可能改变观测过程，热梯度引起的折射率变化还会导致光学畸变与实际变形难以区分。TST主要提供运动学与可视化证据，内部应力场与本构参数无法仅通过图像唯一确定，需结合力觉测量、孔压监测、理论分析与数值模拟进行综合解释。
   5.3 AI辅助分析：潜力与边界
   AI在特征提取、图像分割、位移估计及渗流通道识别方面具备加速潜力，但尚无法作为实时破坏预测的标配工具。透明土试验系统的高度异质性导致训练模型泛化能力不足，且应变局部化起始、剪切带发育等关键过程的客观标注困难，缺乏大规模标准化数据集。图像识别与破坏预测本质不同，视觉合理的AI输出可能不满足位移协调、质量守恒、本构行为及渗流定律等物理约束。当前AI更应定位为图像增强、分割、特征提取与快速筛选的辅助工具，未来需依托标准化基准数据集、跨实验室验证、不确定性量化及物理-数据混合框架实现突破。TST的可靠性依赖于材料表征、光学标定、测量验证、问题特异性相似性评估与物理约束解释构成的完整证据链。
6. 6.
   结论
   TST的本质贡献在于构建了可控的光学通达颗粒介质，使不可见内部土体过程得以直接可视化与定量测量，通过折射率匹配地材与光学分析技术，实现了位移场演化、应变局部化、渗流路径发育、颗粒迁移及剪切带扩展的精准量测，搭建了物理模型观测与土体行为及土-结相互作用解析、数值模拟之间的实验桥梁。材料体系已从早期碎玻璃、玻璃微珠发展为无定形二氧化硅、熔融石英、玻璃砂及透明土石混合体，光学透明度与类砂、类黏土及土石混合体行为模拟能力显著提升，但光学透明度与岩土相似性的协同优化仍是核心挑战。测试方法方面，激光切片、PIV、DIC、散斑成像与三维重建的融合，推动TST从定性可视化向定量全场变形测量跨越，文献计量分析印证了研究焦点从材料可行性向工程机理、高分辨率可视化与智能数据解释的转移。工程应用中，TST在桩-土相互作用、隧道掘进、边坡失稳、渗流侵蚀等领域的价值已获验证，但其本质是受控物理相似材料而非天然土的精确复刻。未来通过完善材料表征、测量标准化与物理约束数据分析，TST将在岩土模型试验与基础设施工程研究中发挥更重要的作用。