[发明专利]一种利用红外热成像技术测量土体表层含水率或吸力分布的方法

说明书

本发明公开了一种利用红外热成像技术测量土体表层含水率或吸力分布的方法，属于岩土工程与环境工程交叉领域。测量土体表层吸力包括：首先获得土体蒸发过程中表层含水率与界面温差之间的关系标定公式，利用红外热成像仪采集原位土体表层温度场，反演土体表层含水率场；标定试验土体的土水特征曲线，确定土体吸力与含水率之间的关系，进一步获得任意时刻土体表层特定位置的吸力，反演土体表层吸力场。本发明能快速、精确且实时地获取土体干燥条件下表面温度场的变化特征，进而反演量化土体的含水率与吸力分布，评价土体的干湿状态与强度特性，指导后续岩土或环境工程工作的开展，具有不损坏原位土体、数据采集便捷、数据点丰富、精确度高等优点。

技术领域

本发明属于岩土工程和环境工程交叉领域，更具体的说，涉及一种利用红外热成像技术测量土体表层含水率或吸力分布的方法。

背景技术

极端干旱条件下，大气-土体界面上的蒸汽压梯度较高，导致土体水分的蒸发强度较大。水分的蒸发会直接改变土体表层水分场的空间分布，而土体的工程性质对含水率变化非常敏感，从而诱发龟裂、盐碱化、土质退化、地面沉降等岩土工程和环境工程地质问题。近年来，受全球气候变化影响，大范围的水文变化加剧了世界上许多地区的旱情。极端干旱气候的频发使得含水率诱因的区域性岩土/地质工程问题或灾害更加显著，如地基土收缩变形引起的差异沉降导致地面基础设施大面积受损，土体开裂引起力学性质弱化及渗透性增加导致工程结构稳定性降低。因此，如何精确评价表层土体的含水率分布近年来引起了学界的极大关注。

传统的土体表层水分场参数评价方法，如蒸渗仪、土柱试验、FBG光纤监测等都是通过在表层土体中埋设测量仪器，利用仪器监测土体质量减少或温度变化，进而反演水分场参数(含水率、吸力)变化。但是这些方法的数据采集大多为点线式，获取的数据也较为离散，且在经济成本和时间成本上耗费较大。同时，水分测量设备的埋设会破坏局部土体结构，扰动水分迁移路径，在一定程度上会影响研究最终结果的准确性。

综上，无损地获取土体的水分场参数，如土体表层含水率及吸力分布，并应用于不同实际工程条件，目前尚未有有效的解决方案。

发明内容

1.要解决的问题

本发明的目的在于，克服现有原位土体表层水分场参数分布如含水率或吸力分布测量中，通过设备埋设破坏局部土体结构扰动水分迁移路径、在一定程度上会影响研究最终结果的准确性的缺陷，提供一种利用红外热成像技术测量土体表层水分场参数如含水率或吸力分布的方法，通过红外热成像仪记录原位土体蒸发过程中的表面温度场变化，反演土体表层实时含水率及吸力分布，实现了非接触式测量，避免了接触式测量时由于扰动原位土体而造成的影响。

2.技术方案

为了解决上述问题，本发明所采用的技术方案如下：

一种利用红外热成像技术测量土体表层含水率分布的方法，包括：利用红外热成像仪采集原位土体表层温度场，通过公式(1)获得任意时刻土体表层特定位置的含水率：

其中，ω_t为任意时刻土体表层特定位置的含水率，ω₀为土体表层特定位置的初始含水率，ΔT为界面温差，即土体表层温度与环境温度的差值，单位为℃，α和β为常参数，t为土体表层特定位置的干燥时间，单位为h。

优选地，所述公式(1)的α和β值通过以下方法确定：以测区原位小尺度土样标定试验测定不同干燥时间下的土体平均含水率与平均界面温差，将二者联立后拟合，得到土体表层含水率与界面温差的关系曲线，得到α与β值。

优选地，通过以下方法获得特定时刻土样平均含水率ω_t：

将土样放置于高精度电子天平正中，实时记录土样水分蒸发过程中的质量变化，通过下式计算平均含水率：