本文是一篇土木工程论文，本文以工程结构脱空监测为研究对象，利用多孔介质的脱空区域与密实区域热力学参数的差异，基于传热学原理，提出了工程结构脱空监测的温度示踪法，并设计了一套移动分布式脱空监测系统。
1绪论
1.1研究背景与意义
1.1.1研究背景
许多工程事故都与结构的健康状态有关，且工程结构的灾害问题往往具有隐蔽性、突发性、时间和空间上的随机性。因此，快速、准确和持续的对结构的健康状态进行监测，及时发现并解决相应的安全隐患，对于预防工程结构灾害事故和延长结构使用寿命具有重要意义。
结构健康监测(SHM)是评价各种工程结构安全性、适用性和耐久性的重要方法[1，2]。结构健康监测方法的类型很多，包括传统预埋式监测方法[3-5]、利用各类波（声波、电磁波、冲击波等）的传播特性开展的无损检测方法[6-10]、基于图像识别的结构损伤检测方法[11-15]、基于动力学理论的结构健康监测方法[16-20]、示踪法[21-22]等。
实际工程建设过程中，在不同材料的交接界面，由于结构自身原因或材料特性差异、自然环境、施工工艺等因素的影响，容易形成脱空区域，例如钢管混凝土结构中混凝土与钢管管壁、隧道工程中二次衬砌与防水板、水泥混凝土路面中混凝土面层与基层、混凝土面板堆石坝中混凝土面板与垫层之间极易形成脱空区域，削弱结构的受力性能，或使结构开裂渗水，危及工程安全。近年来，随着国家基础设施建设的发展，由于深基坑施工开挖、地下管道渗漏、自来水爆管等，全国各地因道路因脱空导致路面突然塌陷造成的意外伤亡事故偶有发生。例如：株树桥混凝土面板堆石坝蓄水后面板大面积脱空，渗流量逐年增大，放空蓄水后经钻芯检测，面板与垫层之间最大脱空深度达1.3m。2023年7月31日，河北保定一处公路出现路面塌陷、路基掏空，周围出现巨大裂缝，导致道路中断，如果坍塌时刚好有车辆行经，容易发生侧翻等安全事故。因此，对工程结构的脱空状态进行实时监测，及时采取补救措施尤为重要。
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1.2脱空检测与监测方法研究和应用现状
检测是指检验测试某种物体指定的技术性能指标，而监测是指在较长时间范围内对同一事件发展状况进行不间断的实时监视，并且记录、分析、研究其变化规律。虽然现有工程结构脱空监测及监测方法多种多样，但随着科技的发展，新方法也逐渐呈现。1.2.1脱空检测方法由于工程行业的差异及脱空类型的多样性，脱空检测原理和方法丰富多样。目前应用最广的主要包括机械波法、红外热成像法、钻芯法、弯沉法，下面首先对现有脱空检测原理与方法进行系统性总结。
（1）机械波法
①地质雷达
地质雷达（Ground Penetrating Radar，简称GPR）是通过发射天线发射超高频电磁波。其检测原理如图1.1所示，当发射讯号在介质中遇到待测目标时，发射讯号被反射，而后对发射讯号和反射讯号进行分析。根据有无反射讯号可判断有无待测目标；根据对电磁波在介质中的波速及反射讯号滞后时间进行数据分析，可以估算出待测目标的基本位置等信息。地质雷达是目前隧道超前地质预报以及衬砌质量的主要物探检测方法，同时也被运用于土木其他领域的检测当中。
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汪兴旺和李建华将地质雷达探测技术运用到隧道衬砌质量检测当中；肖鑫和张起森等[23]在广东梅观高速高速公路项目对水泥混凝土路面脱空进行检测；张宇辉与张献民[24]利用地质雷达对机场跑道面下部地基脱空测试；皮军华，杨威等[25]采用地质雷达检测水布垭面板堆石坝运行初期水上部分面板脱空情况，均取得理想的检测效果。
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3 工程结构脱空监测温度示踪法的数值仿真 ..................... 2
3.1 分析软件简介 ............................. 27
3.2 数值计算模型 ........................... 28
4 脱空监测温度示踪法的模型试验 ...................... 39
4.1 脱空深度标定试验 ............................... 39
4.1.1 试验模型 ............................................ 39
4.1.2 温度测量系统 .................................... 40
5 脱空监测温度示踪法的效能分析及对比 .............................. 54
5.1 脱空监测温度示踪法的成本分析 .......................... 54
5.2 脱空监测温度示踪法的效率分析 .......................... 55
5脱空监测温度示踪法的效能分析及对比
5.1脱空监测温度示踪法的成本分析
采用本文提出的温度示踪法开展脱空监测，其成本构成包括：测量仪器成本、传感加热元件成本、监测管线及其安装埋设成本、数据采集及处理分析成本。
测量仪器为光纤光栅解调仪，其售价与通道数、波长测量范围、分辨率、测量精度、采样频率、是否进口有关，价格区间为5~30万元人民币。本文第4章试验所采用的4通道解调仪，每个通道最多串联30支温度传感器，合计120个测点，技术指标能满足大部分工程需求，在进行价格分析时，将该解调仪的售价（约合人民币15万元）作为测量仪器成本，并按该解调仪的满载测点数进行传感加热单元的总成本核算。
传感加热单元由光纤光栅温度传感器和陶瓷加热管集成，本次试验所用型号的温度传感器和陶瓷加热管售价分别为200元和60元，加上集成加工费用，按300元/支核算。
监测管采用PE-RT管，单价2元/米，其成本可忽略不计。脱空监测的温度示踪法不需要预先埋设传感加热单元，只需要将监测管预先铺设在待测部位即可，待施工完毕，再将传感加热监测线路穿入监测管中。因此，不需要担心传感加热单元在施工过程中会受到损坏，监测管的铺设也不会影响施工进度，监测管的安装埋设费用也可忽略不计。
土木工程论文参考
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6结论与展望
6.1结论
热源向外界传递热量的规律与其所处的环境密切相关，基于这一现象，通过监测热源的温度变化规律，可以识别热源周围环境的变化。脱空是工程结构中常见的病害，脱空监测/检测是结构健康监测的重要内容，本文以工程结构脱空监测为研究对象，利用多孔介质的脱空区域与密实区域热力学参数的差异，基于传热学原理，提出了工程结构脱空监测的温度示踪法，并设计了一套移动分布式脱空监测系统。针对该系统的监测方案开展了热源降温规律与脱空监测的数值仿真研究和脱空监测的系列模型试验，得到如下结论：
（1）热源的降温速度与脱空深度具有较强的相关性，在双对数坐标轴上，不同脱空状态下，无量纲量Γ的时程曲线具有较高辨识度，可将其线性段的斜率定义为脱空判别指标；
（2）脱空量程和测量灵敏度与监测管的直径和覆盖层厚度有关，数值模拟结果表明：监测管的覆盖层厚度和热力学参数对脱空测量灵敏度影响不大；监测管热力学参数对脱空量程影响不大；脱空量程会随着监测管覆盖层厚度的增大而发生平移；脱空量程会随着监测管外径的增大而增大，但测量灵敏度相应降低；
（3）脱空深度标定试验测得的热源降温规律与数值模拟的趋势基本一致，热源在多孔介质中的降温规律可分为快速降温阶段、过渡阶段和缓慢降温阶段，过渡阶段的时间区间可取[100 s-1000 s]。在过渡阶段，无量纲量Γ的对数与时间对数近似呈线性关系，其拟合直线的斜率与脱空深度具有较好相关性，可作为脱空深度判别指标η；
（4）当含水率一定时，η的绝对值随脱空深度的增大呈减小趋势，二者呈非线性关系。当脱空深度较小时，η对脱空深度较敏感，因此，本文方法利于探测早期脱空状态，及时发现安全隐患。当脱空深度较大，致使监测管全部暴露出来后，η将不随脱空深度的增大而发生明显变化，这与数值模拟结果一致，说明该方法对脱空量程有一定限制，这主要取决于监测管的直径；
参考文献（略）