Page 38 - 2023年第54卷第9期

仁练等 ［９］ 使用被动热成像技术（Ｉｎｆｒａｒｅｄｔｈｅｒｍｏｇｒａｐｈｙ，ＩＲＴ）探测了土石堤坝的渗漏过程，初步探索了 ＩＲＴ
在土石坝渗漏识别方面的应用。ＴｈｏｍａｓＣｅｌａｎｏ等 ［１０］ 通过红外热成像技术对地震后的教堂进行了动态监
测，并以此为基础对其进行了非破坏性结构评估和有限元建模。金林等 ［１１］ 成功将红外热成像技术应用于
探测抗滑桩的土拱效应，证明了从能量角度研究抗滑桩等防治结构的作用机制成为可能。目前，从能量视
角分析结构破坏的过程仍处于起步阶段，红外热成像技术在地质力学模型试验应用中具备广阔的研究空间。
针对地质力学模型试验中现有的量测手段不具备实时、具象化识别模型破坏的能力，且易对模型
结构状态造成影响等问题。本文采用红外热成像技术对胶凝砂砾石坝（ Ｃｅｍｅｎｔｅｄｓａｎｄａｎｄｇｒａｖｅｌｄａｍ，
ＣＳＧ坝）地质力学模型试验中的破坏过程进行实时监测，通过分析破坏试验过程中地基结构面的温度
变化及规律，从而确定模型的破坏模式及破坏机理。该研究结果证明了红外热成像技术在地质力学模
型试验中应用的可行性，为其提供了一种无损、具象化的新监测方法。

２ 热成像监测基本原理

２．１ 传热学理论 红外辐射的大小主要取决于温度、材料成份及物体的表面条件 ［１２ － １４］ 。实际运用中
被检测出的辐射大都属于灰体辐射，其辐射热流密度满足斯蒂芬－ 波尔兹曼定律：
Ｅ ＝ εσ Ｔ ４ （１）
式中：Ｅ为辐射 能；ε为 物 体 的 辐 射 率，０＜ ε ＜１； σ为 斯 蒂 芬 － 玻 耳 兹 曼 常 数， σ为 ５．６７３ × １０ － １２
－ ４
－ ２
Ｗ·ｃｍ ·Ｋ ；Ｔ为物体表面的热力学温度，Ｋ。
由式（１）可知，当材料成份、外界温度不发生变化时，辐射能与材料温度变化有关，材料温度变
化由三部分组成 ［１５］ ：
Δ Ｔ ＝ Δ Ｔ＋ Δ Ｔ＋ Δ Ｔ ３ （２）
２
１
式中：Δ Ｔ为温度变化值；Δ Ｔ为应力改变引起的温度变化值，基于热弹性理论，对于平面应力状态，
１
＋ ＋ 大于 ０，则 Δ Ｔ大于 ０，反之亦然；Δ Ｔ为裂隙、
弹性阶段温度改变值与 Δσ １ Δσ ２ 成正比，若 Δσ １ Δσ ２
１ ２
节理、断裂的产生及发展造成的温度变化，该过程需吸收能量，故通常为负值；Δ Ｔ为原材料及既有
３
裂隙、节理、断裂面发生挤压、摩擦等的塑性阶段产生的温度升高值，为正值。
２．２ 材料热成像试验 为验证模型材料的破坏过程的热成像可行性，采用地质力学模型试验中地基结
构面的砌筑块材料进行抗压试验。试验所用热像仪为美国福禄克 Ｔｉ３２红外热像仪，具体参数见表 １。
采用 ＳｍａｒｔＶｉｅｗ软件对红外热像图进行分析，调色板设置为高对比度，试验时模型的初始温度（开展试
验时的模型温度）为 １５．８℃；经调试分析得出，热像图的温度条区间设置为 １５．４～１７．４℃成像效果最
佳。试验每级载荷为 ５０Ｎ，在每次逐级加载后，在相同位置对试块进行红外热成像监测拍照，直至试
块加载破坏，试验结果见图 １。试块温度实测数据见图 ２。

表 １ 热成像仪参数表
参数 参数值 参数 参数值
分辨率?像素 １２０ × ９０ 温度测量范围?℃ － ２０～６００
空间分辨率?（ｍＲａｄ） ２．５ 红外波长? μ ｍ ７．５～１４
视场 ４６°Ｈ × ３４°Ｖ 工作温度?℃ － １０～５０

图 １ 地基试块加载热成像试验
４
— １ ０ ８ —