紅外熱成像技術(shù)在地質(zhì)力學(xué)模型試驗(yàn)中的應(yīng)用研究

丁澤霖，王祥宇，徐良杰，王 婧

(華北水利水電大學(xué) 水利學(xué)院，河南 鄭州 450046)

1 研究背景

地質(zhì)力學(xué)模型試驗(yàn)法是根據(jù)相似原理對大壩與地基問題進(jìn)行縮尺研究的一種方法[1]，其對復(fù)雜地基上的水工模型試驗(yàn)有良好適用性。針對工程穩(wěn)定性及工程加固措施等問題，眾多學(xué)者展開了研究；例如，吳關(guān)葉等[2]利用地質(zhì)力學(xué)模型試驗(yàn)法對白鶴灘水電站左岸邊坡進(jìn)行了變形特性、失穩(wěn)破壞過程及破壞機(jī)制的研究，對其左岸強(qiáng)卸荷區(qū)三維復(fù)雜塊體系統(tǒng)邊坡的穩(wěn)定性分析和加固處理提出了有效建議。丁澤霖等[3]對武都重力壩模型開展了地質(zhì)力學(xué)模型試驗(yàn)研究，得到其破壞模式為：壩基下游側(cè)形成由深到淺的裂隙破壞區(qū)，且有向下游滑動失穩(wěn)的趨勢。目前使用于模型試驗(yàn)的量測手段主要為機(jī)械量測、應(yīng)變量測和光纖、光柵量測等，其大多以監(jiān)測模型位移、應(yīng)變等數(shù)值為基礎(chǔ)，根據(jù)數(shù)據(jù)變化趨勢、拐點(diǎn)等特征判斷模型的安全性。但是，這些傳統(tǒng)的量測手段都有些不可避免的缺點(diǎn)，例如，位移計量測布置易對結(jié)構(gòu)狀態(tài)造成影響[4]；應(yīng)變量測因其敏感性極高，振動及人為等因素影響會使數(shù)據(jù)產(chǎn)生波動甚至突變，導(dǎo)致在分析的過程中出現(xiàn)誤判[5]；分布式光纖溫度傳感監(jiān)測方法需要對光纖進(jìn)行預(yù)埋，但因其精度有待提高、價格較昂貴等缺點(diǎn)也制約其在模型試驗(yàn)中的廣泛應(yīng)用[6-7]。綜上所述，在模型試驗(yàn)中探索出無損監(jiān)測、高反饋度的量測設(shè)備，對模型破壞過程的具象化監(jiān)測是十分必要的。

近年來，紅外熱成像技術(shù)在國內(nèi)外的損傷探測試驗(yàn)中得到了迅速發(fā)展。例如，馮力強(qiáng)等[8]通過紅外熱成像法對建筑外墻飾面層的內(nèi)部缺陷進(jìn)行了監(jiān)測，實(shí)現(xiàn)了紅外熱成像技術(shù)在土木工程領(lǐng)域的應(yīng)用。周仁練等[9]使用被動熱成像技術(shù)(Infrared thermography，IRT)探測了土石堤壩的滲漏過程，初步探索了IRT在土石壩滲漏識別方面的應(yīng)用。Thomas Celano等[10]通過紅外熱成像技術(shù)對地震后的教堂進(jìn)行了動態(tài)監(jiān)測，并以此為基礎(chǔ)對其進(jìn)行了非破壞性結(jié)構(gòu)評估和有限元建模。金林等[11]成功將紅外熱成像技術(shù)應(yīng)用于探測抗滑樁的土拱效應(yīng)，證明了從能量角度研究抗滑樁等防治結(jié)構(gòu)的作用機(jī)制成為可能。目前，從能量視角分析結(jié)構(gòu)破壞的過程仍處于起步階段，紅外熱成像技術(shù)在地質(zhì)力學(xué)模型試驗(yàn)應(yīng)用中具備廣闊的研究空間。

針對地質(zhì)力學(xué)模型試驗(yàn)中現(xiàn)有的量測手段不具備實(shí)時、具象化識別模型破壞的能力，且易對模型結(jié)構(gòu)狀態(tài)造成影響等問題。本文采用紅外熱成像技術(shù)對膠凝砂礫石壩(Cemented sand and gravel dam，CSG壩)地質(zhì)力學(xué)模型試驗(yàn)中的破壞過程進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測，通過分析破壞試驗(yàn)過程中地基結(jié)構(gòu)面的溫度變化及規(guī)律，從而確定模型的破壞模式及破壞機(jī)理。該研究結(jié)果證明了紅外熱成像技術(shù)在地質(zhì)力學(xué)模型試驗(yàn)中應(yīng)用的可行性，為其提供了一種無損、具象化的新監(jiān)測方法。

2 熱成像監(jiān)測基本原理

2.1 傳熱學(xué)理論紅外輻射的大小主要取決于溫度、材料成份及物體的表面條件[12-14]。實(shí)際運(yùn)用中被檢測出的輻射大都屬于灰體輻射，其輻射熱流密度滿足斯蒂芬-波爾茲曼定律：

E=εσT4

(1)

式中：E為輻射能；ε為物體的輻射率，0<ε<1；σ為斯蒂芬-玻耳茲曼常數(shù)，σ為5.673×10-12W·cm-2·K-4；T為物體表面的熱力學(xué)溫度，K。

由式(1)可知，當(dāng)材料成份、外界溫度不發(fā)生變化時，輻射能與材料溫度變化有關(guān)，材料溫度變化由三部分組成[15]：

ΔT=ΔT1+ΔT2+ΔT3

(2)

式中：ΔT為溫度變化值；ΔT1為應(yīng)力改變引起的溫度變化值，基于熱彈性理論，對于平面應(yīng)力狀態(tài)，彈性階段溫度改變值與Δσ1+Δσ2成正比，若Δσ1+Δσ2大于0，則ΔT1大于0，反之亦然；ΔT2為裂隙、節(jié)理、斷裂的產(chǎn)生及發(fā)展造成的溫度變化，該過程需吸收能量，故通常為負(fù)值；ΔT3為原材料及既有裂隙、節(jié)理、斷裂面發(fā)生擠壓、摩擦等的塑性階段產(chǎn)生的溫度升高值，為正值。

2.2 材料熱成像試驗(yàn)為驗(yàn)證模型材料的破壞過程的熱成像可行性，采用地質(zhì)力學(xué)模型試驗(yàn)中地基結(jié)構(gòu)面的砌筑塊材料進(jìn)行抗壓試驗(yàn)。試驗(yàn)所用熱像儀為美國福祿克Ti32紅外熱像儀，具體參數(shù)見表1。采用SmartView軟件對紅外熱像圖進(jìn)行分析，調(diào)色板設(shè)置為高對比度，試驗(yàn)時模型的初始溫度(開展試驗(yàn)時的模型溫度)為15.8 ℃；經(jīng)調(diào)試分析得出，熱像圖的溫度條區(qū)間設(shè)置為15.4～17.4 ℃成像效果最佳。試驗(yàn)每級載荷為50 N，在每次逐級加載后，在相同位置對試塊進(jìn)行紅外熱成像監(jiān)測拍照，直至試塊加載破壞，試驗(yàn)結(jié)果見圖1。試塊溫度實(shí)測數(shù)據(jù)見圖2。

圖1 地基試塊加載熱成像試驗(yàn)

圖2 試塊抗壓試驗(yàn)溫度荷載曲線

表1 熱成像儀參數(shù)表

綜合圖1、圖2可得，熱像圖能很好地反映監(jiān)測物表面的熱分布情況。在試塊抗壓試驗(yàn)中，由荷載作用產(chǎn)生的裂縫之間抗滑力較大，抗滑區(qū)域材料發(fā)生不均勻變形并造成應(yīng)力重新分布，產(chǎn)生局部應(yīng)力集中以致進(jìn)一步變形破壞，整個過程會伴隨著能量的積累與釋放；試塊裂隙處聚集了較多熱量，圖像呈現(xiàn)的破壞區(qū)域與完整區(qū)域的熱對比度較強(qiáng)。

由試塊熱成像試驗(yàn)可知：試驗(yàn)初始，材料溫度分布均勻，差異性不大；試塊整體呈現(xiàn)冷色調(diào)，材料無明顯裂隙產(chǎn)生，對應(yīng)的ΔT2及ΔT3變化作用甚微。模型材料受力后，材料應(yīng)力增加，ΔT1增幅明顯。隨著加壓荷載的持續(xù)增大，貫通位置產(chǎn)生裂隙，應(yīng)力及壓剪性摩擦產(chǎn)生的ΔT1和ΔT3作用遠(yuǎn)大于裂紋產(chǎn)生及擴(kuò)展的ΔT2，溫度升高。在此階段，紅外熱像圖中裂隙處的顏色對比明顯，說明試塊受力破壞可以及時地反映在熱像圖中，為后續(xù)地質(zhì)力學(xué)模型試驗(yàn)的量測提供了基礎(chǔ)和依據(jù)?；谠囼?yàn)結(jié)果，本文提出一種簡單易行的破壞判別指標(biāo)ΔT，將判別指標(biāo)的閾值ΔT設(shè)置為1.2～1.8 ℃。

3 三維地質(zhì)力學(xué)模型試驗(yàn)

3.1 工程概況及地基地質(zhì)條件本次試驗(yàn)選取守口堡大壩，作為模型試驗(yàn)的壩體部分[16]。守口堡大壩為CSG壩，最大壩高61.6 m，上下游壩坡坡比均為1∶0.6。試驗(yàn)選取地基位于四川省龍門山武都重力壩18壩段[17]，地基是發(fā)育完全的雙斜滑動面地基，地基內(nèi)部存在兩條緩傾斷層fl14、fl15，兩條陡傾斷層10f2、F31，以及5條層間錯動帶JC6-B、JC7-B、JC60-B、JC2-C、JC21-C的地基剖面圖見圖4。

3.2 相似條件及相似關(guān)系兩個相似的物理體系之間不僅考慮材料線彈性期間的應(yīng)力、變形等情況相似，也要保證材料塑性階段的應(yīng)力、應(yīng)變曲線完全相似。此外，還要求模型的強(qiáng)度特性也應(yīng)與原型相似[18-19]。

結(jié)合模型的模擬范圍，并考慮到水工結(jié)構(gòu)模型實(shí)驗(yàn)室的場地及模型觀測精確度的問題，選定模型的幾何比尺為1∶100，即CL=100。根據(jù)相似理論計算，得到其余相似關(guān)系如表2所示。

表2 模型試驗(yàn)主要物理量相似比

3.3 模型設(shè)計及材料研制地質(zhì)力學(xué)模型材料變形特性的比例尺必須和模型的幾何比尺相等或接近，而模型受幾何比尺和實(shí)踐條件的限制，地質(zhì)力學(xué)模型材料需要選擇高容重、低強(qiáng)度、低變形模量的材料[20]。因此，本次壩體模型材料選用模型砂(河砂)為粗骨料、重晶石粉作為細(xì)骨料，精鐵粉作為增重劑來保證模型和原型實(shí)現(xiàn)容重相似?？紤]到膠凝砂礫石材料的強(qiáng)度低[21-22]，選用石膏作為主要膠結(jié)材料滿足低強(qiáng)度的要求，水泥作為次要膠結(jié)材料。壩體原型與模型材料力學(xué)參數(shù)見表3。

表3 原型結(jié)構(gòu)及對應(yīng)模型材料物理力學(xué)參數(shù)

壩基材料采用重晶石粉、水泥、石蠟等材料[23-24]，制備成10 cm×10 cm×7 cm的塊體，按照巖體發(fā)展的傾角和走向進(jìn)行砌筑；斷層、錯動帶等結(jié)構(gòu)面通過加入模型軟料和薄膜材料等模擬其相應(yīng)的力學(xué)參數(shù)；對厚度大的軟弱結(jié)構(gòu)面，采用鋪填壓實(shí)法制模；對厚度較小的軟弱結(jié)構(gòu)面，采用敷填法制模。模型材料典型參數(shù)曲線如圖3所示。巖體、結(jié)構(gòu)面材料的力學(xué)參數(shù)如表3所示。

圖3 模型材料參數(shù)曲線圖

3.4 量測與加載布置試驗(yàn)考慮的工況皆為滿庫時的“自重+水壓力+淤沙壓力”，水壓力和淤沙壓力用油壓千斤頂加載來模擬，實(shí)現(xiàn)在上游壩面施加呈線性變化的單位面力，并且采用荷載分布板消除應(yīng)力集中現(xiàn)象[25]。壩體自重通過與原型材料容重相等來實(shí)現(xiàn)。加載系統(tǒng)如圖4所示。試驗(yàn)加載采用超載法，以0.2P0(水壓力荷載)的步長加載，并按加載步長加載至壩基與壩體出現(xiàn)失穩(wěn)的狀態(tài)或有傾覆趨勢產(chǎn)生。

圖4 模型試驗(yàn)加載布置圖及現(xiàn)場圖

壩體下游面及結(jié)構(gòu)面f114、f115裸露處共布設(shè)4組測點(diǎn)，每個測點(diǎn)雙向量測模型的位移變化情況(順河向、豎直向)；在壩體與壩基接觸面上方布置10組應(yīng)變監(jiān)測點(diǎn)，監(jiān)測點(diǎn)采用三花應(yīng)變片，監(jiān)測壩基、壩體的應(yīng)力、應(yīng)變表現(xiàn)；10f2、f114、f115控制壩基穩(wěn)定的主要斷層結(jié)構(gòu)面上布置有內(nèi)部應(yīng)變計，重點(diǎn)監(jiān)控其沿結(jié)構(gòu)面傾向的應(yīng)變特征。量測點(diǎn)布置圖如圖4所示。

3.5 模型破壞過程及變位分析CSG壩體水平位移在超載法安全系數(shù)Kp=0～1.0時變化趨勢較小；當(dāng)Kp=1.8時，位移出現(xiàn)拐點(diǎn)且幅度逐漸增大；當(dāng)Kp=6.2時，位移值增幅達(dá)到最大。

豎向位移在Kp=0～1.0時，位移值較小，基本沒有位移值產(chǎn)生；當(dāng)Kp=2.0時，位移增幅明顯變大，曲線中有突變點(diǎn)產(chǎn)生，但都不影響豎向位移的增長趨勢。當(dāng)Kp=4.6時，三條曲線的增幅略有減小，呈現(xiàn)出數(shù)據(jù)突變的現(xiàn)象；持續(xù)加載至Kp=6.2時模型發(fā)生破壞，位移曲線圖詳見圖5。

注：規(guī)定順河向水平位移為正，豎直向上位移為正圖5 壩體位移曲線

由圖6可以得出斷層10f2中的應(yīng)變變化曲線，當(dāng)Kp=1.6時，10f2斷層變位迅速增加；當(dāng)Kp增加至2.4時，變位迅速減小，此時地基中的結(jié)構(gòu)面開始有初裂產(chǎn)生；當(dāng)Kp=3.4～4.6時，曲線逐漸相對平緩，模型進(jìn)入到自適應(yīng)階段；當(dāng)Kp=4.4時，應(yīng)變數(shù)據(jù)開始產(chǎn)生波動，結(jié)構(gòu)面裂縫有逐漸貫通的跡象；當(dāng)Kp=6.2時，模型應(yīng)變開始發(fā)生突變，結(jié)構(gòu)面產(chǎn)生的裂縫已經(jīng)互相貫通，模型破壞。

圖6 結(jié)構(gòu)面10f2應(yīng)變曲線

從圖7可以看出，f114、f115斷層測點(diǎn)在Kp=0～1.0之間變化趨勢較小，地基處于正常工作狀態(tài)；當(dāng)Kp=1.4時斷層的應(yīng)變值突然增加后迅速減小，表現(xiàn)出較大的浮動趨勢；當(dāng)Kp=3.4～4.4時，模型的應(yīng)變曲線相對較為平緩，隨后便開始成倍增長。直至Kp=6.6時，斷層發(fā)生突變后應(yīng)變值迅速減小。

圖7 結(jié)構(gòu)面f114、f115應(yīng)變曲線

從試驗(yàn)過程來看，前期超載過程中，在f114和10f2所形成的滑動面破壞較為嚴(yán)重，在破壞過程中期，斷層處有較大的應(yīng)變變化；后期形成塑性破壞區(qū)之后，應(yīng)變值的變化較破壞中期時平緩。結(jié)合應(yīng)變、位移結(jié)果以及試驗(yàn)現(xiàn)象分析：CSG壩為類梯形結(jié)構(gòu)，上游荷載方向整體指向壩基，使壩基整體處于受壓狀態(tài)，拉應(yīng)力只存在于壩踵處。對于復(fù)雜地基上的CSG壩，地基在超載過程中存在擠壓破壞，結(jié)構(gòu)面10f2及F31形成向下的滑移通道、結(jié)構(gòu)面f115和f114形成向上的滑移通道；導(dǎo)致壩踵處沿下移通道下沉，壩趾沿結(jié)構(gòu)面f115和f114的上移通道向上抬起。最終破壞形態(tài)見圖8。

圖8 模型破壞最終形態(tài)

4 試驗(yàn)結(jié)果與熱成像探測對比分析

4.1 超載過程中結(jié)構(gòu)面的溫度變化為研究CSG壩在復(fù)雜地基條件下，模型受到超載水壓力時材料溫度場的變化情況；在每次按步長加載結(jié)束后，對其進(jìn)行一次紅外熱成像監(jiān)測拍照，直至模型破壞。同時，結(jié)合監(jiān)測儀器數(shù)據(jù)綜合分析得到該地質(zhì)力學(xué)模型的溫度場分布規(guī)律。本次試驗(yàn)中模型的初始溫度為7.3 ℃，以2.2節(jié)的破壞判定閾值(ΔT為1.2～1.8 ℃)為基礎(chǔ)，并保證溫度收集的完整性；故將溫度條區(qū)間設(shè)置為7.2～9.2 ℃。分析熱像圖時將紅外圖像投影到可見光圖像上，這樣不僅可保留紅外熱圖像能對溫度場進(jìn)行直觀描述的優(yōu)點(diǎn)，而且使圖像融入更多的細(xì)節(jié)信息，增加真實(shí)空間感，更有利于排除由加載儀器線路引起的視覺偏差，試驗(yàn)圖如圖9所示。

圖9 Kp=0圖像

在試驗(yàn)初期，即0≤Kp≤1.0時(見圖10(a)(b))，模型處于正常工作狀態(tài)，模型整體溫度分布均勻，結(jié)構(gòu)面10f2以及f114和f115溫度無明顯變化，最大溫度差在0.1 ℃以內(nèi)，各結(jié)構(gòu)面的溫度變化不大。對比壩體位移圖以及各結(jié)構(gòu)面相對變位圖，說明模型之中沒有位移產(chǎn)生，地基結(jié)構(gòu)面的ΔT2及ΔT3變化不大，其對熱成像結(jié)果無明顯影響。

注：當(dāng)6.0

當(dāng)1.0

當(dāng)2.6

當(dāng)4.4

當(dāng)6.0

4.2 結(jié)構(gòu)面破壞過程中的溫度變化規(guī)律為得到結(jié)構(gòu)面破壞的更多量化信息，提取試驗(yàn)過程中結(jié)構(gòu)面溫度數(shù)據(jù)繪制成圖(見圖11)，綜合提取的溫度結(jié)果及紅外圖像記錄，結(jié)構(gòu)面的破壞過程大致分為以下三個階段：

圖11 各結(jié)構(gòu)面溫度變化

正常工作階段：0≤Kp<1.0時，模型結(jié)構(gòu)面的表面溫度幾乎沒有上升趨勢，內(nèi)部位移計的變化也不明顯；此時模型雖受荷載影響，但整體還在正常工作，并未產(chǎn)生明顯破壞。

塑性階段：1.0≤Kp<6.6時，各結(jié)構(gòu)面溫度均開始升高，內(nèi)部位移計顯示出結(jié)構(gòu)面應(yīng)變出現(xiàn)多次拐點(diǎn)；說明模型的結(jié)構(gòu)面在持續(xù)超載的影響下，已經(jīng)開始產(chǎn)生持續(xù)性的破壞。

完全破壞階段：Kp≥6.6時，模型產(chǎn)生滑移破壞，各結(jié)構(gòu)面的溫度不再有明顯變化，內(nèi)部位移計也不再出現(xiàn)明顯拐點(diǎn)；此時，結(jié)構(gòu)面已經(jīng)產(chǎn)生貫穿性裂縫破壞。

由圖12中可見，Kp<1.2時，模型表面的溫度變化不明顯；Kp=1.2時，結(jié)構(gòu)面f115溫度折線出現(xiàn)拐點(diǎn)，表面溫度開始上升；此時結(jié)構(gòu)面開始發(fā)生錯動，產(chǎn)生摩擦。Kp=1.6時，結(jié)構(gòu)面10f2、f114溫度折線出現(xiàn)拐點(diǎn)后溫度開始上升，此時該結(jié)構(gòu)面也開始產(chǎn)生位移。Kp=6.2時，結(jié)構(gòu)面10f2的溫度再次出現(xiàn)拐點(diǎn)，后續(xù)結(jié)構(gòu)面的表面溫度不再繼續(xù)增加，結(jié)構(gòu)面已經(jīng)破壞。Kp=6.6時，結(jié)構(gòu)面f114的溫度折線再次出現(xiàn)拐點(diǎn)；Kp=6.8時，結(jié)構(gòu)面f115的溫度折線再次出現(xiàn)拐點(diǎn)，且表面溫度不再增加；此時三個結(jié)構(gòu)面已完全貫通，形成較大的滑移通道。

圖12 結(jié)構(gòu)面溫度應(yīng)變關(guān)系

4.3 結(jié)構(gòu)面溫度與應(yīng)變關(guān)系分析為更好地反映隨超載倍數(shù)的上升，結(jié)構(gòu)面溫度變化與破壞進(jìn)程的關(guān)系。將試驗(yàn)所得的結(jié)構(gòu)面溫度數(shù)據(jù)、內(nèi)部位移計得到的相對位移數(shù)據(jù)輸入三維坐標(biāo)生成曲面圖(見圖12)。

從圖中可以看出：隨著超載倍數(shù)增大，軟弱結(jié)構(gòu)面之間相互摩擦導(dǎo)致溫度逐漸升高，這與試驗(yàn)結(jié)果基本一致，表明溫度場分布在一定程度上反映了模型中結(jié)構(gòu)面之間發(fā)生相對變位的大小。各結(jié)構(gòu)面在相同應(yīng)變條件下，受超載倍數(shù)的影響較小，基本不隨超載倍數(shù)的變化而發(fā)生改變；結(jié)構(gòu)面受應(yīng)變的影響較大，在同一超載倍數(shù)下，溫度隨應(yīng)變的增長顯著增加。f114結(jié)構(gòu)面由于離地基表面較遠(yuǎn)，受超載水壓力影響相對較小，溫度變化相對于其他結(jié)構(gòu)面較?。籪114結(jié)構(gòu)面受其他結(jié)構(gòu)面影響，溫度產(chǎn)生的突變較大。f115斷層與10f2斷層與應(yīng)變呈現(xiàn)正相關(guān)增長。試驗(yàn)可以近似模擬出模型內(nèi)部應(yīng)變與溫度的變化規(guī)律，填補(bǔ)了地質(zhì)力學(xué)模型試驗(yàn)中由能量角度監(jiān)測破壞的空白。

5 有限元驗(yàn)證與熱成像探測效果評估

5.1 非線性有限元計算為多方面驗(yàn)證紅外熱成像技術(shù)在地質(zhì)力學(xué)模型試驗(yàn)中的可行性，采用三維非線性有限元方法對模型進(jìn)行補(bǔ)充計算[26-27]。本次有限元分析選用Ansys Workbench 18.0對模型試驗(yàn)結(jié)構(gòu)進(jìn)行驗(yàn)證，并根據(jù)守口堡CSG壩各項尺寸參數(shù)，對雙斜面地基適當(dāng)簡化后進(jìn)行有限元建模[28-29]，突出結(jié)構(gòu)面f114、f115和10f2對整體的穩(wěn)定影響。計算模型見圖13，計算結(jié)果見圖14。

圖13 有限元網(wǎng)格剖分示意圖

圖14 各階段塑性區(qū)分布

當(dāng)Kp=2.0時，10f2塑性區(qū)延長至f114處，結(jié)構(gòu)面F31也有塑性應(yīng)變；Kp=4.0時，10f2處的塑性區(qū)已經(jīng)貫通，f115末端的塑性應(yīng)變增大，f114下部的塑性區(qū)域有所增加；Kp=6.4時，10f2、f114、f115結(jié)構(gòu)面塑性完全貫通；當(dāng)Kp=6.6時，計算結(jié)果不收斂[30-31]，說明模型已經(jīng)發(fā)生失穩(wěn)。

5.2 數(shù)值模擬與熱成像結(jié)果對比分析通過對比有限元結(jié)果、試驗(yàn)過程中結(jié)構(gòu)面溫度變化結(jié)果可知：

0≤Kp≤1.0時模型整體處于正常工作狀態(tài)，熱像圖顯示此階段結(jié)構(gòu)面溫度雖有變化但不明顯；有限元計算結(jié)果顯示，此加載倍數(shù)時壩體也在正常工作階段。

1.0

4.0

圖15 Kp=6.4熱成像與有限元計算結(jié)果對比

6.4

通過對比可知，紅外熱成像得出的結(jié)果與有限元計算的結(jié)果并無較大的偏差；由于有限元計算時對模型進(jìn)行了適當(dāng)簡化以及模型試驗(yàn)受現(xiàn)場溫度的影響，紅外熱成像監(jiān)測表現(xiàn)出一定的滯后性。但通過試驗(yàn)對比分析，紅外熱成像儀在地質(zhì)力學(xué)模型試驗(yàn)中有較好的適用性，其可以從溫度視角下判斷模型破壞的全過程，擁有具象化與無損監(jiān)測的優(yōu)點(diǎn)，故紅外熱成像技術(shù)可以成為監(jiān)測地質(zhì)力學(xué)模型試驗(yàn)破壞的有力手段之一。

6 結(jié)論

本研究采用紅外熱成像量測法，分析CSG壩地質(zhì)力學(xué)模型試驗(yàn)在超載過程中的模型破壞過程。同時，采用模型傳統(tǒng)量測方法及有限元法，對紅外熱成像量測結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證，證明了紅外熱成像技術(shù)在地質(zhì)力學(xué)模型試驗(yàn)中的可行性，試驗(yàn)過程中得到如下結(jié)論及展望。

(1)在CSG壩地質(zhì)力學(xué)模型試驗(yàn)中，斷層10f2和f115形成滑動三角區(qū)向下游滑動情況明顯，斷層10f2、f114和f115三個結(jié)構(gòu)面連接處裂縫破壞嚴(yán)重，且擠壓破壞情況明顯。同時，斷層f114和f115在壩踵露出處剪切破壞情況十分嚴(yán)重，CSG壩壩踵下沉、壩趾上抬的旋轉(zhuǎn)破壞趨勢十分明顯。

(2)在紅外熱成像量測中，試驗(yàn)初期即0≤Kp≤1.0時，壩體處于正常工作狀態(tài)，結(jié)構(gòu)面10f2、f114、f115的表面溫度幾乎無任何變化。當(dāng)荷載持續(xù)增加時，結(jié)構(gòu)面之間產(chǎn)生的摩擦溫度才會有較為明顯的變化，當(dāng)1.0

(3)綜合應(yīng)變量測結(jié)果、有限元計算結(jié)果、熱成像結(jié)果可知，各量測設(shè)備對結(jié)構(gòu)面破壞進(jìn)度分析的結(jié)論基本一致，證明了紅外熱成像技術(shù)在地質(zhì)力學(xué)模型試驗(yàn)研究中的應(yīng)用是可行的。同時，紅外熱成像技術(shù)可以從溫度視角下判斷模型破壞的全過程，擁有具象化與無損監(jiān)測的優(yōu)點(diǎn)，故其可以成為監(jiān)測地質(zhì)力學(xué)模型試驗(yàn)破壞的有力手段之一。

(4)本文使用的熱成像技術(shù)是一種表面監(jiān)測技術(shù)，不具備內(nèi)部監(jiān)測手段，若要探測復(fù)雜地基中層間錯動帶的內(nèi)部破壞情況則需借助其他監(jiān)測手段。后續(xù)研究通過引入更為先進(jìn)的非接觸監(jiān)測設(shè)備以及開展透明模型材料條件下的地質(zhì)力學(xué)模型試驗(yàn)，對試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷膬?nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行監(jiān)測。