我院唐朝生教授课题组利用热红外成像技术揭示土体龟裂新机制

发布者:陆昀乔发布时间:2022-01-04浏览次数:10


干燥条件下,蒸发诱导的土体开裂(龟裂)虽然是常见的自然现象,但其所带来的负面影响一直受到多学科领域的广泛关注。例如,地表土工结构物(土石坝,路基边坡等)长期暴露于干/湿交替的气候条件下,形成的干缩裂隙破坏了结构物的完整性,降低了其力学承载力。同时,由干缩裂隙网络构成的优势渗流通道使得在降雨条件下雨水容易渗入土体,弱化土骨架结构强度,加速土体内部侵蚀,从而诱发潜在的结构物失稳,甚至倾覆。不止于地表土工结构,在深地质环境工程中,如核废物处置库,较长的装配周期而暴露于干燥的环境或处置库运营过程中高温诱发的蒸汽相迁移,都能导致所用回填土发育大量干缩裂隙,威胁多相工程屏障系统的长期安全功能。与土体干缩开裂相关的问题还有很多,强调了对其理论机制进行深入研究的必要性。

近年来,学界对土体干缩开裂的研究主要包括室内试验,原位观测,数值模拟等,得到的普遍观点是在蒸发过程中土体内部形成张拉应力场,当局部由不均匀收缩引起的应力集中并超过土体抗拉强度时裂隙便会产生。随着研究领域的发展,数值模型以及借助多应力/应变传感器的土体干缩开裂实验,验证了上述观点。然而,蒸发条件下土体内部应力演化是一个非常复杂的动态过程,耦合了流相移动,固相收缩等一系列土体在失水条件下的反应活动。鉴此,目前学界对土体干缩开裂的综合理解仍然不足。对于土体干缩开裂过程,可以明确的是其最大的诱因是土水蒸发,并且孔隙水在相变过程中需要向周围吸收热能,从而导致土体温度发生变化。理论上,土体在不同蒸发强度条件下,对应不同的土温,这一点也能通过能量平衡模型进行量化。获取土温数据的方式很多,其中红外热成像技术(基于捕获温度高于绝对零度的物质所发出的长波热辐射,并将其转化为物质温度)目前相对成熟,能实现较高的温度采集精度。此外,该技术的关键优势在基于二维像素矩阵实现物体表面温度信息的区域采集。热像上的每个像素都相当于一个热电偶,这为开展大尺度试验研究土体温度对蒸发的响应机制提供了便利。根据已知或理论标定的温度与蒸发的关系,意味着可通过红外热成像技术开展二维大尺度土体蒸发特性的研究,并且该技术可以实现数据信息的连续动态采集。依据土体蒸发的二维动态信息,可以分析大尺度土体可能具有的空间非均质性以及局部由蒸发引起的流/固相变化特征,并推导出土体内部可能的应力演化和潜在的应力集中位置。二维空间中土体蒸发、流场和固相变化信息以及局部应力状态动态信息可以为蒸发诱导的干缩裂隙网络起始与演化过程分析提供新视角。

围绕上述研究逻辑主线,我院唐朝生教授课题组基于红外热成像技术,同时结合图像粒子测速,裂隙图像定量等手段,开展了一系列干缩开裂试验。这也是红外热成像技术在土体干缩开裂机制研究中的首次应用。研究工作得出了如下主要成果:

 1. 明确了基于红外热成像技术研究土体蒸发及开裂机制的可行性,强调了该技术在应用过程中非接触,无损,实时二维数据域采集,易架设和适应多搭载平台等独特优势,为未来研究多尺度气候变化下土体性质响应提供了参考手段;

 2. 基于土温与蒸发强度的理论标定,可视化了大尺度土体在干燥条件下的蒸发非均质性,并明确了该非均质性依赖于土体自身物理性质,从而造成蒸发引起的土表不均匀温度场在时间维度上具有稳定的分布特性;

 3. 借助数字图像处理等技术,解释了土体液/固相在蒸发驱使下的潜在定向运动以及其与土表温度场非均质性的内在联系。鉴此,引出的蒸发条件下土体水力性质分析揭示了全裂隙网络和单裂隙演化的力学机制,并将二维尺度下主/次裂隙扩展路径与土表温度场分布特性相关联。最后,提出应用红外热成像技术获取的蒸发条件下不均匀,但长期分布稳定的土表温度场对干缩开裂的预测准则。

土体干缩开裂机制 (Schematic for dynamic mechanisms of a primary crack and a secondary crack, in association with evaporation-related temperature distribution)

上述研究成果近期以 “Investigating soil desiccation cracking using an infrared thermal imaging technique” 为题,发表于国际水文学领域顶级期刊Water Resources ResearchDOI: 10.1029/2021WR030916)。论文也在同行评议过程中获得了相关领域专家的一致好评,三位外审专家充分肯定了研究成果的创新性,对论文评议一致给出了minor revision的建议。论文第一作者为我院硕士研究生曾浩(现西班牙Universitat Politècnica de Catalunya大学在读博士),唐朝生教授为通讯作者。论文研究工作得到了国家重点研发计划项目和国家自然科学基金的资助。

论文全文下载链接:https://agupubs.onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1029/2021WR030916