[发明专利]一种基于Maxwell-Wagner界面极化理论确定土体含水量的方法

说明书

本发明公开了一种基于Maxwell‑Wagner界面极化理论确定土体含水量的方法，为以下步骤：确定天然土体各组分物质的体积分数；确定天然土体各组分物质的相对介电常数；确定天然土体各组分物质的形状因子；分别确定天然土体全部为砂粒、粉粒或黏粒时，土体表观介电常数与土体含水量的关系；确定天然土体中砂粒、粉粒和黏粒的相对含量；得到天然土体表观介电常数与含水量的关系，获得天然土体含水量。本发明所涉及的物理模型接近土体实际情况，各参数物理意义明确、获取简便，可为天然土体物理力学性质的相关研究提供理论支撑。

技术领域

本发明涉及一种土体含水量测定方法，具体涉及一种基于Maxwell-Wagner界面极化理论的土体含水量计算法。

背景技术

土体中水分含量对农业生产、工程活动等的顺利进行有着重要的影响。在农业方面，土壤水分含量及盐离子浓度直接影响到作物的根系吸水状况及地表盐渍化程度，决定着农业生产的效益。在工程建设方面，土体含水量影响着工程设施的稳定性和使用寿命。在占我国国土面积70％以上的多年冻土区和季节性冻土区域，土体中水分和热量的相互作用引起土体的冻胀融沉，引发土体上部工程设施的变形及稳定性问题，严重制约着基础设施的建设和地方经济的发展。水分是农田水盐运移、冻土冻胀融沉的物质基础，水分含量直接影响到土体的力学性质、水分迁移和变形特征。

准确测定土体水分含量是确定土体物理力学性质的前提，目前常用的土体含水量测定方法大致可分为五类：第一类：破坏性测量方法，如烘干法，该类方法对于矿物质土壤测量结果准确，但破坏了土体的原状结构，且不能测定冻土中未冻水含量；第二类：接触式测量方法，如中子法，该类方法操作简便，可对土体含水量变化进行连续监测，但土体理化性质会影响测量结果的准确性；第三类：非接触式测量方法，如红外遥感法、γ射线法等，该类方法一般需使用昂贵的设备，且部分仪器在使用过程中对试验人员有健康损伤；第四类：通过吸力、湿度或热力学平衡间接测量方法，如张力计法、绝热量热法等，该类方法通常需要标定仪器，对试验环境及操作有较高要求；第五类：介电常数测量方法，如TDR法，该类方法依据测量仪器测得的电介质物理量反演土体含水量，并且可以连续、无损地监测土体含水量变化，仪器设备更加便宜和便携。因此，使用介电常数法测量土体含水量已在实际的工程活动中获得广泛的应用。

介电常数法使用TDR仪、FDR仪等获得待测土体的表观介电常数后，只需建立含水量与表观介电常数的关系模型，就可以快速、连续地获取待测土体的含水量状况。介电常数法关系模型可分为三类：第一类：经验模型，该类方法利用大量的试验数据，通过拟合确定含水量与表观介电常数的关系，如Topp模型、Alharthi模型等；第二类：半经验-半物理模型，该类方法在经验模型的基础上，考虑土体的理化性质，建立含水量与表观介电常数的关系模型，有Dobson模型、Malicki模型等；第三类：理论模型，该类方法考虑土体中各组分物质的相对含量及相对介电常数，以及不同粒子在电磁场中的界面散射情况，建立含水量与表观介电常数的关系模型。国内外学者提出的大量经验、半经验-半物理模型普遍具有特定的适用范围，往往需要对模型中的参数进行标定，而物理模型相较于经验、半经验-半物理模型，模型中的参数物理意义明确，模型适用性更广。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于Maxwell-Wagner界面极化理论的土体含水量计算法，同时给出了未冻结土体和冻结土体的含水量计算理论公式，相较于其他测定方法，本发明所述方法计算简单，物理模型接近土体实际情况，且各参数物理意义明确，易于获得。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：

一种基于Maxwell-Wagner界面极化理论的土体含水量确定方法，包括以下步骤：

S1.确定天然土体各组分物质的体积分数；

所述步骤S1包括以下子步骤：