土遗址加固保护无损检测中的温度场特性研究

In the protection of many ancient earthen sites along the Silk Road and in the Yellow River basin area, a non-destructive testing method is urgently needed to evaluate the reinforcing effects of earthen sites. And the evaluation method must be based on the quantified parameters with definite meanings in physics scientifically and reasonably. This research will apply laboratory test, model test, field test and numerical analysis to study following key issues: 1) The mechanisms of physical field and temperature field, and the internal connections between them before and after the reinforcement. 2) The method of replacing physical field parameters by temperature field parameters to quantify the evaluation indicator of reinforcement in protecting ancient earthen sites. 3) Simplifying the three-dimensional heat conduction model of earthen sites, in the complex atmospheric environment. And on the basis of the studies above, develop a quantitative and non-destructive way of evaluating reinforcement effect of ancient earthen sites, using infrared imaging technique. This research combines soil mechanics, heat transfer theory, and non-destructive testing organically, which has broadened the range of rock and soil engineering, and will play a significant role in studying the weathering mechanism and in developing the reinforcement and protection of the ancient earth sites in western China.

在我国丝绸之路、黄河流域的古代土建筑遗址加固保护工程中，急需一种非接触、无损伤的检测方法来评价加固效果。而这项工作必须建立在有明确物理意义的量化参数的基础上，才能够科学地、规范地进行。本项目拟运用室内试验、模型试验、现场试验以及相关的数值计算分析等方法，系统研究利用温度场(红外热像法)进行无损检测中需要解决的关键科学问题：1）土遗址加固前后土体物理场与温度场参数之间的机理与内在联系；2）用温度场参数代替物理场参数的表达形式；3）在现场复杂环境条件下,土遗址土体三维热传导计算模型的简化方法。并在此基础上形成用红外热像检测土遗址的，定量化、非接触、无损伤的评价方法。本研究项目将土力学、传热学原理与现代无损检测技术有机地结合，拓宽了岩土工程学的研究范围，对我国西部地区的土遗址风化机理研究以及加固保护方法的发展具有十分重要的科学意义。

我国是世界上文明起源最早的国家之一，在古丝绸之路、黄河流域遗留下大量古代土建筑遗址。这些土遗址历史久远，有的已被列为世界文化遗产，有很高的考古学和历史价值。但是，千百年来，严重的风蚀和集中强降雨冲刷破坏，大批的土遗址风化、大面积坍塌，正遭受毁灭性的破坏。研究土遗址的病害及成因，针对性的进行抢救保护是一项刻不容缓、十分艰巨的任务。由于文物保护加固工程的最大特点是要保持原状，无损检测技术是目前土遗址保护加固之中急需解决的一个重要课题。本项目运用了室内试验、模型试验、现场试验以及相关的数值计算分析等方法，系统研究了利用温度场(红外热像法)进行无损检测中需要解决的关键科学问题：（1）土遗址加固前后土体物理场与温度场参数之间的机理与内在联系；（2）用温度场参数代替物理场参数的表达形式；（3）在现场复杂环境条件下,土遗址土体三维热传导计算模型的简化方法。取得的主要成果如下：（1）研制了可测定土遗址土体热传导率的装置，进行了PS 材料加固土样的热传导率测定试验及室内模型试验。结果表明，经PS 材料加固后的土遗址土体具有热传导率减小的趋势，并且PS 材料浓度越大，加固土体的热传导率越小。这表明经PS材料加固后，土遗址土体的热传导系数发生了变化，找到了利用温度场进行土遗址加固评价的热力学参数与科学依据。（2）为了实现利用红外热像仪测定土遗址热传导系数的目的，设计了相应的试验装置，并利用新疆交河故城遗址现场取得扰动土制成不同物理条件下的模型进行导热系数测定试验。分析土样表面温度随时间的变化规律， 并根据非稳态导热理论反算出土样的热传导系数。为了验证红外热像这种非接触无损测定土体导热系数方法的可靠性，在同样的土样上利用热特性分析仪直接测量了土样的导热系数，解决了利用红外热像技术测定土体导热系数的理论问题。（3）为了建立土遗址无损检测中温度场与应力场的关系，利用新疆交河故城遗址现场的扰动土制成土样，并经过不同浓度的PS 加固，测定其力学强度和热传导率。经PS 加固后的土样，其力学强度增大且热传导率降低。在相同PS用量条件下，土样力学强度随PS 浓度增加而增大；热传导率随PS 浓度增加而减小。通过对实验数据回归分析，热传导率与强度具有良好的线性负相关关系。