CN107917927A - 监控岩土介质水分运移状态的方法及实验装置 - Google Patents
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Abstract
本公开涉及地质技术领域，提供一种监控岩土介质水分运移状态的方法及装置。该方法包括：依次获取含水岩土介质在自初始时刻开始的多个时刻的红外辐射热像图，根据多个时刻的红外辐射热像图相对于初始时刻的红外辐射热像图的像素灰度值的差值确定多个时刻的熵值；比较任意两个时刻的红外辐射热像图的熵值；当两个熵值相等时，判断岩土介质中的水分处于稳态平衡状态；当两个熵值不相等时，判断岩土介质中的水分处于动态运移状态。本方法可以实时监控岩土介质中的水分运移状态，并可以据此对土木工程灾变或文物病害进行评估及预判。
Description
技术领域
本公开涉及地质技术领域，具体而言，涉及一种监控岩土介质水分运移状态的方法及实验装置。
背景技术
土木工程灾变在许多情况下都与水岩土相互作用有着密切联系。例如煤矿深部软岩大变形、隧道渗漏、堤坝渗漏、泥石流、过度抽取地下水导致的地面塌陷、砂土液化等等，更有甚者，某些岩土遇水后会出现膨胀、软化或者崩解等现象，使得岩土的物理力学性质较原始条件发生了较大变化。此外，在干旱半干旱地区的石质文物和土遗址保护领域，水分及其状态的变化是造成石窟、壁画、遗址病害的直接原因，严重影响了文物的外观及寿命。
很多实践和理论研究表明，由于水的原因导致的强度损伤破坏往往比其余因素导致的强度损伤破坏更加地大，水是导致各种土木工程灾害产生的最为活跃的因素之一。自然界中通过水分的吸附与运移实现了岩石与自然环境间能量转化和物质交换，同时，也正是由于水分的吸附与运移带动着岩石中矿物成分、无机化学物质(如盐)的转化与运移，使其成为岩石损伤、劣化、裂隙发育乃至岩性变化的重要作用因素，进而诱发土木工程灾变或者文物病害。可见，岩土介质中水分运移是关键。
目前关于水分运移理论研究，大多集中在非饱和土、特别是特殊土方面，而水分在岩石介质中的运移规律尚待进一步深入研究。特别是在文物保护领域，水分运移具有非常强的时间依赖性。实践中对含水岩石参数的获取通常采用实验前后对比测试，或者在实验中的某个时点中止实验进行测试，导致无法获取实时数据，特别是无法判断水分的动态运移状态。
为解决上述问题，有必要研究一种监控岩土介质水分运移状态的方法及实验装置，以便采用无损、实时的方法进行水分运移状态评估、监测与判断。
需要说明的是，在上述背景技术部分公开的信息仅用于加强对本公开的背景的理解，因此可以包括不构成对本领域普通技术人员已知的现有技术的信息。
发明内容
本公开的目的在于提供一种监控岩土介质水分运移状态的方法及实验装置，进而至少在一定程度上克服由于相关技术的限制和缺陷而导致的一个或者多个问题。
根据本公开的一个方面，提供了一种监控岩土介质水分运移状态的方法，包括：依次获取含水岩土介质在自初始时刻开始的多个时刻的红外辐射热像图，根据多个时刻的所述红外辐射热像图相对于初始时刻的红外辐射热像图的像素灰度值的差值确定多个时刻的熵值；比较任意两个时刻的所述红外辐射热像图的熵值；当两个所述熵值相等时，判断所述岩土介质中的水分处于稳态平衡状态；当两个所述熵值不相等时，判断所述岩土介质中的水分处于动态运移状态。
在本公开的一种示例性实施例中，所述根据多个时刻的所述红外辐射热像图相对于初始时刻的红外辐射热像图的像素灰度值的差值确定多个时刻的熵值包括：所述初始时刻设为t0，所述初始时刻之后的多个时刻设为t1、t2、t3…tn，设图像序列中任意两时刻t1和t2监测的红外辐射热像图相对于初始时刻t0的红外辐射热像图的像素灰度值的差值所对应的熵值为I(t1-t0)、I(t2-t0)，则有：
式中：I(t1-t0)和I(t2-t0)为熵值，N为N个温度区间，Pn(t1-t0)和Pn(t2-t0)为在t1和t2时刻，第n个温度区间的发生概率。
在本公开的一种示例性实施例中，所述比较任意两个时刻的所述红外辐射热像图的熵值包括：
当
在本公开的一种示例性实施例中，自初始时刻开始依次比较任意相邻两个时刻的所述红外辐射热像图的熵值，当两个所述熵值相差明显不同时，所述相邻两个时刻的后一个时刻即为相对于前一时刻的水分启动运移时刻。
在本公开的一种示例性实施例中，所述自初始时刻开始依次比较任意相邻两个时刻的所述红外辐射热像图的熵值，当两个所述熵值相差明显不同时，所述相邻两个时刻的后一个时刻即为相对于前一时刻的水分启动运移时刻包括：设定自初始时刻开始的多个时刻依次为t1、t2、t3…ti、ti+1…，对应的熵值依次为I(t1-t0)、I(t2-t0)、I(t3-t0)…I(ti-t0)、I(ti+1-t0)…，任意相邻两个时刻的所述红外辐射热像图的熵值之比依次为 依次比较下述熵值之比 当其中某一熵值之比较前一个明显不同时，则所述时刻ti+1为相对于ti的水分启动运移时刻。
在本公开的一种示例性实施例中，所述依次获取含水岩土介质在自初始时刻开始的多个时刻的红外辐射热像图包括：使用红外热像仪实时监测含水岩土介质的吸水过程，并实时获取岩土介质表面的红外辐射温度场。
根据本公开的一个方面，提供一种监控岩土介质水分运移状态的实验装置，使用岩土试样进行实验，包括供水机构、红外热像仪以及监控处理器，其中：所述供水机构的供水口连接至所述岩土试样，所述供水机构自初始时刻开始提供预设压强的水流至所述岩土试样；所述红外热像仪自初始时刻开始依次获取岩土试样在多个时刻的红外辐射热像图；所述监控处理器连接至所述红外热像仪并获取所述红外辐射热像图，所述监控处理器配置为经由执行所述可执行指令来执行上述任一项所述的监控岩土介质水分运移状态的方法，以实时监控水分运移状态。
在本公开的一种示例性实施例中，所述监控岩土介质水分运移状态的实验装置还包括电子秤，所述电子秤设置于所述供水机构的水箱之下，用于实时获取所述供水机构的供水重量并传送至所述监控处理器。
在本公开的一种示例性实施例中，所述监控岩土介质水分运移状态的实验装置还包括温湿度测量器，所述温湿度测量器用于测量所述岩土试样所处环境的温度与湿度并传送至所述监控处理器。
在本公开的一种示例性实施例中，所述岩土试样包括的砂岩、泥岩、砾岩、粘性土层、页岩中的一种或多种。
由上述技术方案可知，本公开提供的一种监控岩土介质水分运移状态的方法及实验装置，其优点和积极效果在于：
本公开提供的一种监控岩土介质水分运移状态的方法，通过获取并比较含水岩土介质自初始时刻开始后的任意两个时刻的红外辐射热像图的熵值，从而判断岩土介质中的水分处于平衡态或者运移态。一方面可以实时监控岩土介质中的水分运移状态；另一方面还可以通过状态的改变确定岩土介质中水分启动运移时刻；再一方面可以据此对土木工程灾变或文物病害进行评估及预判。
应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本公开。
附图说明
此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本公开的实施例，并与说明书一起用于解释本公开的原理。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本公开的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1示意性示出本公开示例性实施例中监控岩土介质水分运移状态的方法流程图；
图2示意性示出本公开示例性实施例中岩土介质在水分运移过程中的吸水量随时间的变化曲线；
图3示意性示出本公开示例性实施例中岩土介质在水分运移过程中的多个时刻的红外辐射热像图；
图4示意性示出本公开示例性实施例中岩土介质在水分运移过程中的多个时刻的温差图；
图5示意性示出本公开示例性实施例中岩土介质在水分运移过程中的多个时刻的温差概率统计图；
图6示意性示出本公开示例性实施例中监控岩土介质水分运移状态的实验装置图。
具体实施方式
现在将参考附图更全面地描述示例实施方式。然而，示例实施方式能够以多种形式实施，且不应被理解为限于在此阐述的范例；相反，提供这些实施方式使得本公开将更加全面和完整，并将示例实施方式的构思全面地传达给本领域的技术人员。所描述的特征、结构或特性可以以任何合适的方式结合在一个或更多实施方式中。在下面的描述中，提供许多具体细节从而给出对本公开的实施方式的充分理解。然而，本领域技术人员将意识到，可以实践本公开的技术方案而省略所述特定细节中的一个或更多，或者可以采用其它的方法、组元、装置、步骤等。在其它情况下，不详细示出或描述公知技术方案以避免喧宾夺主而使得本公开的各方面变得模糊。
此外，附图仅为本公开的示意性图解，并非一定是按比例绘制。图中相同的附图标记表示相同或类似的部分，因而将省略对它们的重复描述。附图中所示的一些方框图是功能实体，不一定必须与物理或逻辑上独立的实体相对应。可以采用软件形式来实现这些功能实体，或在一个或多个硬件模块或集成电路中实现这些功能实体，或在不同网络和/或处理器装置和/或微控制器装置中实现这些功能实体。
本示例实施方式中首先提供了一种监控岩土介质水分运移状态的方法，如图1所示，该方法可以包括：
S110，依次获取含水岩土介质在自初始时刻开始的多个时刻的红外辐射热像图，根据多个时刻的红外辐射热像图相对于初始时刻的红外辐射热像图的像素灰度值的差值确定多个时刻的熵值；
S120，比较任意两个时刻的红外辐射热像图的熵值；
S130，当两个熵值相等时，判断岩土介质中的水分处于稳态平衡状态；
S140，当两个熵值不相等时，判断岩土介质中的水分处于动态运移状态。
本方法一方面可以实时监控岩土介质中的水分运移状态；另一方面还可以通过状态的改变确定岩土介质中水分启动运移时刻；再一方面可以据此对土木工程灾变或文物病害进行评估及预判。
在步骤S110中，如图2、图3所示，可以实时监控岩土介质的吸水过程，图2示出岩土介质在水分运移过程中的吸水量随时间的变化曲线，图3示出岩土介质在水分运移过程中的多个时刻的红外辐射热像图。图2中的横轴为时间，单位为s(秒)，纵轴为吸水质量，单位为g(克)，自时间点0s开始，检测岩土介质的吸水量从0g开始变化，在0-40000s的过程中，岩土介质的吸水量从0g变化到80g；对应图2中的A、B、C、D四个点，图3示出在300s、900s、5180s和11650s这几个时刻的岩土介质在水分运移过程中的红外辐射热像图。其中，所述红外辐射热像图可以使用红外热像仪实时监测含水岩土介质的吸水过程，并获取岩土介质表面的红外辐射温度场。
结合图2、图3可以看出，自0s开始的多个时刻，红外辐射热像图发生了较明显的变化，为了更详细的监控岩土介质的吸水过程，可以记录初始时刻，并选取自初始时刻开始后的任意多个时刻进行记录与计算。例如，设初始时刻t0＝40s，初始时刻t0之后的多个时刻设为t1、t2、t3…tn，其中t2＝42s，t4＝44s，t6＝46s，t8＝48s，t12＝52s，t16＝56s……则为了减少各部位辐射率差异以及环境辐射差异对结果的影响，对获得的红外图像序列进行差值处理，即用图像序列中任意两时刻例如可以为t2和t4监测的红外辐射热像图与初始时刻t0的红外辐射热像图的像素灰度值两两相减，获得温差图与温差概率统计图，如图4与图5所示，两幅图中的图(a)均为t2-t0＝2s，表示时刻t2相对于时刻t0的温差图与温差概率统计图，两幅图中的图(b)均为t4-t0＝4s，表示时刻t4相对于时刻t0的温差图与温差概率统计图。
进一步的，设t2和t4时刻检测的红外辐射热像图与初始时刻的红外辐射热像图相减后的熵值为I(t2-t0)、I(t4-t0)，则有：
式中：N为N个温度区间，Pn(t2-t0)和Pn(t4-t0)为在t2和t4时刻，第n个温度区间的发生概率。在本示例实施例中，还可以选取其他时刻例如可以为t8，t12，则可以计算t8，t12相对于初始时刻t0的熵值为I(t8-t0)、I(t12-t0)。
在其他的实施例中，初始时刻还可以为t0＝100s，自初始时刻开始后的任意多个时刻可以为t10＝110s，t30＝130s，t80＝180s……则计算相应时刻相对于初始时刻的熵值为I(t10-t0)、I(t30-t0)，I(t80-t0)……其中初始时刻及后续的任意多个时刻可以根据需要设置，本公开在此不做特殊限定。
在步骤S120中，比较任意两个时刻的红外辐射热像图的熵值，即可以比较I(t2-t0)与I(t4-t0)，从而判断二者是否相等。
在步骤S130中，当两个熵值相等时，可以判断岩土介质中的水分处于稳态平衡状态；在步骤S140中，当两个熵值不相等时，可以判断岩土介质中的水分处于动态运移状态。例如：
当
即根据熵理论可知，如果I(t2-t0)等于I(t4-t0)，表明体系在t2至t4时刻状态没有发生改变；如果I(t2-t0)不等于I(t4-t0)，表明体系在t2至t4时刻正由一种状态向另一种状态转变，即可以判断含水岩土介质在t2至t4时刻，即42s至44s之间水分处于动态运移状态中。
此外，在本示例实施例中，还可以进一步确定水分启动运移时刻。方法可以为：自初始时刻开始依次比较任意相邻两个时刻的红外辐射热像图的熵值，当两个熵值相差明显不同时，所述相邻两个时刻的后一个时刻即为相对于前一时刻的水分启动运移时刻。
详细而言，可以设定自初始时刻t0开始的多个时刻依次为t1、t2、t3…ti、ti+1…，对应的熵值依次为I(t1-t0)、I(t2-t0)、I(t3-t0)…I(ti-t0)、I(ti+1-t0)…，任意相邻两个时刻的所述红外辐射热像图的熵值之比依次为 依次比较下述熵值之比 当其中某一熵值之比较前一个明显不同时，则所述时刻ti+1为相对于ti的水分启动运移时刻。
同样，接续上述实施例，设置初始时刻t0＝40s，选取初始时刻t0之后的多个时刻t4＝44s，t8＝48s，t12＝52s，t16＝56s，则利用前述公式求得岩土介质在不同时间间隔的熵值，并对熵值进行比较，表1为计算结果。
表1 不同时间间隔的熵值分布
从表1中可以看出，时间间隔4s、8s和时间间隔8s、12s的两个熵值之比值即1.001798与1.004647大小基本一致，相差较小，据理论公式，可以认为岩土介质中的水分状态在第40s时直到第52s时状态并无明显变化，此时段吸水量没有明显增加；时间间隔8s、12s和时间间隔12s、16s的两个熵值之比值即1.004647与1.021051，发现熵值之比发生了很大的变化，据理论公式，可以认为在第56s时岩土介质有了明显的水分运移状态变化，因此可以推断认为岩土介质相对于第40s时的状态，自第56s时开始进入水分启动运移状态。
本公开还提供了一种监控岩土介质水分运移状态的实验装置，使用岩土试样61进行实验，如图6所示，该装置可以包括供水机构62、红外热像仪63以及监控处理器641，其中供水机构62可以包括水箱及连接至供水口的通道，供水口可以连接至岩土试样61，供水机构可以自初始时刻开始提供预设压强的水流至岩土试样61；红外热像仪63可以自初始时刻开始依次获取岩土试样61在多个时刻的红外辐射热像图；监控处理器641可以连接至红外热像仪63并获取红外辐射热像图，所述监控处理器641配置为经由执行所述可执行指令来执行上述任一项所述的监控岩土介质水分运移状态的方法，以实时监控水分运移状态。本监控岩土介质水分运移状态的实验装置可以实时、无损对现场的岩土介质的水分运移状态进行监控，并判断岩土介质中的水分运移状态等。
在本示例实施例中，为了准确模拟不同岩土介质的水分运移状态，岩土试样可以包括的砂岩、泥岩、砾岩、粘性土层、页岩中的一种或多种。
此外，还可以模拟在地下某一深度环境下的水流压强或者在其他复杂地质构造环境下的水流压强，且不同压强的水流可以通过调节供水机构62相对于岩土试样的高度进行调节，也可以通过变压机构进行调节，本公开在此不做特殊限定。
进一步的，为了获取实验中岩土试样61的水分吸收的情况，以便更加准确地监控水分运移的过程，还可以在供水机构的水箱之下设置一个电子秤65，用于实时获取供水机构62的供水重量，并将数据传送至监控处理器642，其中监控处理器642可以与监控处理器641通信连接。
在一些实施例中，考虑到岩土试样61在不同的温度、湿度环境下的水分运移情况可能会有不同，且为了更准确的对实验过程进行分析，该实验装置还可以包括温湿度测量器，或者温度测量器、湿度测量器二者之一，用于测量岩土试样所处环境的温度以及/或者湿度并传送至所述监控处理器641。
在一些实施例中，还可以对岩土试样61所处的环境温度和/或湿度进行调控，该实验装置还可以包括温度调节装置和/或湿度调节装置，以调节岩土试验61所处空间的温度和/或湿度。此外，为了便于调控温度、湿度，温度调节装置和/或湿度调节装置还可以与监控处理器641通信连接。
此外，尽管在附图中以特定顺序描述了本公开中方法的各个步骤，但是，这并非要求或者暗示必须按照该特定顺序来执行这些步骤，或是必须执行全部所示的步骤才能实现期望的结果。附加的或备选的，可以省略某些步骤，将多个步骤合并为一个步骤执行，以及/或者将一个步骤分解为多个步骤执行等。
本领域技术人员在考虑说明书及实践这里公开的发明后，将容易想到本公开的其它实施方案。本申请旨在涵盖本公开的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本公开的一般性原理并包括本公开未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本公开的真正范围和精神由所附的权利要求指出。
应当理解的是，本公开并不局限于上面已经描述并在附图中示出的精确结构，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本公开的范围仅由所附的权利要求来限。
Claims (10)
1.一种监控岩土介质水分运移状态的方法，其特征在于，包括：
依次获取含水岩土介质在自初始时刻开始的多个时刻的红外辐射热像图，根据多个时刻的所述红外辐射热像图相对于初始时刻的红外辐射热像图的像素灰度值的差值确定多个时刻的熵值；
比较任意两个时刻的所述红外辐射热像图的熵值；
当两个所述熵值相等时，判断所述岩土介质中的水分处于稳态平衡状态；
当两个所述熵值不相等时，判断所述岩土介质中的水分处于动态运移状态。
2.根据权利要求1所述的监控岩土介质水分运移状态的方法，其特征在于，所述根据多个时刻的所述红外辐射热像图相对于初始时刻的红外辐射热像图的像素灰度值的差值确定多个时刻的熵值包括：
所述初始时刻设为t0，所述初始时刻之后的多个时刻设为t1、t2、t3…tn，设图像序列中任意两时刻t1和t2监测的红外辐射热像图相对于初始时刻t0的红外辐射热像图的像素灰度值的差值所对应的熵值为I(t1-t0)、I(t2-t0)，则有：
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式中：I(t1-t0)和I(t2-t0)为熵值，N为N个温度区间，Pn(t1-t0)和Pn(t2-t0)为在t1和t2时刻，第n个温度区间的发生概率。
3.根据权利要求2所述的监控岩土介质水分运移状态的方法，其特征在于，所述比较任意两个时刻的所述红外辐射热像图的熵值包括：
当
4.根据权利要求3所述的监控岩土介质水分运移状态的方法，其特征在于，自初始时刻开始依次比较任意相邻两个时刻的所述红外辐射热像图的熵值，当两个所述熵值相差明显不同时，所述相邻两个时刻的后一个时刻即为相对于前一时刻的水分启动运移时刻。
5.根据权利要求4所述的监控岩土介质水分运移状态的方法，其特征在于，所述自初始时刻开始依次比较任意相邻两个时刻的所述红外辐射热像图的熵值，当两个所述熵值相差明显不同时，所述相邻两个时刻的后一个时刻即为相对于前一时刻的水分启动运移时刻包括：
设定自初始时刻开始的多个时刻依次为t1、t2、t3…ti、ti+1…，对应的熵值依次为I(t1-t0)、I(t2-t0)、I(t3-t0)…I(ti-t0)、I(ti+1-t0)…，任意相邻两个时刻的所述红外辐射热像图的熵值之比依次为 依次比较下述熵值之比当其中某一熵值之比较前一个明显不同时，则所述时刻ti+1为相对于ti的水分启动运移时刻。
6.根据权利要求1～5任一项所述的监控岩土介质水分运移状态的方法，其特征在于，所述依次获取含水岩土介质在自初始时刻开始的多个时刻的红外辐射热像图包括：
使用红外热像仪实时监测含水岩土介质的吸水过程，并实时获取岩土介质表面的红外辐射温度场。
7.一种监控岩土介质水分运移状态的实验装置，使用岩土试样进行实验，其特征在于，包括供水机构、红外热像仪以及监控处理器，其中：
所述供水机构的供水口连接至所述岩土试样，所述供水机构自初始时刻开始提供预设压强的水流至所述岩土试样；
所述红外热像仪自初始时刻开始依次获取岩土试样在多个时刻的红外辐射热像图；
所述监控处理器连接至所述红外热像仪并获取所述红外辐射热像图，所述监控处理器配置为经由执行所述可执行指令来执行权利要求1～6任一项所述的方法，以实时监控水分运移状态。
8.根据权利要求7所述的监控岩土介质水分运移状态的实验装置，其特征在于，所述监控岩土介质水分运移状态的实验装置还包括电子秤，所述电子秤设置于所述供水机构的水箱之下，用于实时获取所述供水机构的供水重量并传送至所述监控处理器。
9.根据权利要求8所述的监控岩土介质水分运移状态的实验装置，其特征在于，所述监控岩土介质水分运移状态的实验装置还包括温湿度测量器，所述温湿度测量器用于测量所述岩土试样所处环境的温度与湿度并传送至所述监控处理器。
10.根据权利要求9所述的监控岩土介质水分运移状态的实验装置，其特征在于，所述岩土试样包括的砂岩、泥岩、砾岩、粘性土层、页岩中的一种或多种。
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