CN108593703A - 含水岩土非饱和-饱和状态转变的识别方法及其验证系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供含水岩土非饱和‑饱和状态转变的识别方法及其验证系统，该识别方法包括以下步骤：监测处于完全浸润状态下的含水岩土的红外辐射温度，获取不同时刻ti的热像图；计算并比较任意相邻时刻热像图之间的归一化信息NMI(ti,ti+1)；当NMI(ti,ti+1)≠0时，表明ti与ti+1时刻的含水岩土中的液态水赋存状态有一定相似程度和关联度；当NMI(ti,ti+1)＝0时，表明ti与ti+1时刻的含水岩土介质中的液态水吸附状态发生质的改变：由非饱和向完全饱和状态状态转变。本发明可应用到岩土工程现场进行无损、实时监测，可实时识别含水岩土介质非饱和‑饱和状态的转变，也即，可实时识别含水岩土介质中自由水出现的时刻。

Description

含水岩土非饱和-饱和状态转变的识别方法及其验证系统
技术领域
本发明涉及互信息理论应用、岩土状态识别等技术领域，特别涉及一种基于互信息的含水岩土非饱和-饱和状态转变的识别方法。
背景技术
水是导致各种岩土工程灾变、病害最为活跃的因素之一，同时，水也是石质文物和土遗址保护领域造成石窟、壁画、遗址病害的直接原因。这些灾害的发生与岩石遇水发生的崩解、软化等水-岩相互作用有着密切的联系。大量研究表明，水对岩土的力学效应的影响与岩石中的含水状态密切相关，诸如，岩石的抗压强度、弹性模量等力学性质随着含水量的增加会不断降低，尤其在饱水状态下，部分岩土的抗压强度仅为自然状态时的20％，除此之外，岩土的弹性模量、变形模量、粘聚力等都会发生大幅度的下降。可见岩土介质在饱水状态下力学性质的急剧变化，将给工程项目带来巨大隐患。
实际上，由于液态水使岩土体的饱和度增加，引发孔隙水压力增加和有效应力减小，这样含水多孔介质应力场随着含水量实时改变，进而引发岩土体损伤、劣化、裂隙发育乃至岩性变化，诱发土木工程灾变或者文物病害。可见，识别岩土由非饱和向饱和状态转变有着十分重要的现实意义，检索发现目前尚无关于岩土非饱和-饱和状态的转变的识别研究，通常对岩土中水分多采用测量含水量的方法进行度量，如采用烘箱烘干法、酒精燃烧法、砂土炒干法等方法测量岩土的含水量，这类方法需要现场采样，既破坏岩土原有环境，也破坏测量现场，对石质文物和土遗址等场合不适用。另外，还有采用时域反射法、频域反射仪法、中子测量法等接触式测量方法来测量岩土介质的含水量，这些方法只能测量土壤表层的含水率，且设备较昂贵。
可见，目前采用取样测量法、接触式测量法等来测量岩土介质的含水量的方法存在以下缺点：(1)，对检测现场造成损坏和破坏，不能无损检测；(2)，只能静态分析，不能实时监测；(3)，不能识别岩土中水分由非饱和向饱和状态的转变。
因此，亟需研发一种无损、实时检测并能实时判断岩土介质中水分由非饱和向饱和状态转变的方法。
发明内容
一方面，本发明的目的在于提供一种基于互信息的含水岩土非饱和-饱和状态转变的识别方法，以解决现有技术存在的无法进行无损、实时检测以及实时判断岩土介质中水分由非饱和向饱和状态转变的问题。
另一方面，本发明的目的在于提供一种用于所述识别方法的室内吸水实验分析验证系统，以验证所述识别方法。
为了解决上述问题，本发明提供如下技术方案：
一种基于互信息的含水岩土非饱和-饱和状态转变的识别方法，其包括以下步骤：
监测处于完全浸润状态下的含水岩土的红外辐射温度，获取不同时刻ti(i＝1,2,3,…)的热像图；
计算并比较任意相邻时刻热像图之间的归一化信息NMI(ti,ti+1)；
当NMI(ti,ti+1)≠0时，表明ti与ti+1时刻的含水岩土中的液态水赋存状态有一定相似程度和关联度；
当NMI(ti,ti+1)＝0时，表明ti与ti+1时刻的含水岩土介质中的液态水吸附状态发生质的改变：由非饱和向完全饱和状态状态转变，即，ti+1时刻含水岩土介质中开始出现自由水。
进一步地，上述归一化信息NMI(ti,ti+1)的计算步骤包括：
计算ti时刻红外辐射温度的概率分布Pn(ti)，获得ti时刻的热像图的信息熵H(ti)：
计算ti+1时刻红外辐射温度的概率分布Pm(ti+1)，获得ti+1时刻的热像图的信息熵ti+1时刻的信息熵H(ti+1)：
计算ti,ti+1相邻时刻热像图的联合信息熵H(ti,ti+1)：
计算ti,ti+1相邻时刻热像图的互信息为MI(ti,ti+1)：
MI(ti,ti+1)＝H(ti)+H(ti+1)-H(ti,ti+1)，i＝1,2,…,l；
计算归一化互信息NMI(ti,ti+1)：
其中，t1,t2,…,tl为数据采集时刻；N为ti时刻热像图中分布N个辐射温度值，Pn(ti)为ti时刻的热像图中，第n个辐射温度出现的概率；M为ti+1时刻热像图中分布M个辐射温度值，Pm(ti+1)为ti+1时刻的热像图中，第m个辐射温度出现的概率；K＝N·M，K为ti,ti+1相邻时刻两幅热像图中，共有K个红外辐射温度组合，Pk(ti,ti+1)为ti,ti+1相邻时刻两幅热像图中，第k个红外辐射温度组合发生的概率。
为了实现本发明的另一目的，本发明提供的验证系统如下:
一种用于所述识别方法的室内吸水实验分析验证系统，其包括：水箱，用于存储实验用水；电子秤，置于所述水箱下方，用于实时称重所述水箱的重量；岩土试样，为夯土；底座，置于所述岩土试样下方，与所述水箱通过管道连接，用于通过毛细原理浸润所述岩土试样；红外热像仪，对准所述岩土试样，用于获取所述岩土试样的热像图；数据处理装置，与所述电子秤、红外热像仪连接，基于所述红外热像仪获取的热像图，执行所述的识别方法。
进一步地，所述岩土试样、电子秤、水箱位于一柜体中，所述柜体上并在所述岩土试样的前方设有透明窗。
分析可知，本发明可应用到岩土工程现场进行无损、实时监测，可实时识别含水岩土介质非饱和-饱和状态的转变，也即，可实时识别含水岩土介质中自由水出现的时刻。
附图说明
图1为本发明的方法实施例的流程框图；
图2为本发明的验证系统实施例的原理结构示意图；
图3为吸水特征曲线及特征位置示意图；
图4不同时刻的红外热像图；
图5为归一化互信息计算结果一览表；
图6为相邻时刻热像图的NMI值。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步详细说明。
为了解决前述现有技术中存在的问题，本发明提供一种识别岩土非饱和-饱和转变的方法，此外还提供一种验证该识别方法准确性的验证系统。具体而言，首先利用互信息理论分析含水岩土的红外热像图，得到完整的识别步骤及其识别公式。
然后借由验证系统进行夯土的室内吸水实验研究，采用红外热像仪监测整个吸水过程，接着利用上述公式分析相邻红外热像图，对含水岩土由非饱和向饱和状态的转变进行识别，最后，将室内实验和上述判据进行对比验证。
由互信息(Mutual Information,MI)理论可知，利用互信息可描述两幅灰度级别相似的图像之间的相似程度。该理论具有良好的配准精度和较高的可靠性。基于此，如图1，本发明利用上述性质对处于完全浸润状态的岩土介质监测其红外辐射温度，获取不同时刻ti(i＝1,2,3,…)的红外热像图。并比较任意相邻时刻热像图之间的归一化信息NMI(ti,ti+1)：当NMI(ti,ti+1)≠0时，表明ti与ti+1时刻的岩土介质中的液态水赋存状态有一定相似程度和关联度；当NMI(ti,ti+1)＝0时，表明ti与ti+1时刻的岩土介质中的液态水吸附状态发生了质的改变：由结合水，经过吸附水，已经到自由水状态。由此判定岩石由非饱和向完全饱和状态状态。
简而言之，本发明提出如下识别公式：
NMI(ti,ti+1)＝0 (i＝1,2,3,…) (1)
利用式(1)可判定在ti→ti+1历时中，处于完全浸润状态下的岩土介质正由非饱和向完全饱和状态转变。
更详细而言，实施本发明识别方法的过程中，需要利用红外热像仪获取含水岩土不同时刻的红外热像图序列，计算ti、ti+1时刻红外辐射温度的概率分布Pn(ti)、Pm(ti+1)，获得ti时刻的热像图的信息熵H(ti)、ti+1时刻的信息熵H(ti+1)，以及ti,ti+1相邻时刻热像图的联合信息熵H(ti,ti+1)，代入公式(3)可得ti,ti+1相邻时刻热像图的互信息为MI(ti,ti+1)，最后计算其归一化互信息NMI(ti,ti+1)：
其中，MI(ti,ti+1)＝H(ti)+H(ti+1)-H(ti,ti+1) (3)
其中，t1,t2,…,tl为数据采集时刻；N为ti时刻热像图中分布N个辐射温度值，Pn(ti)为ti时刻的热像图中，第n个辐射温度出现的概率；M为ti+1时刻热像图中分布M个辐射温度值，Pm(ti+1)为ti+1时刻的热像图中，第m个辐射温度出现的概率；K＝N·M，K为ti,ti+1相邻时刻两幅热像图中，共有K个红外辐射温度组合，Pk(ti,ti+1)为ti,ti+1相邻时刻两幅热像图中，第k个红外辐射温度组合发生的概率。
在得到NMI(ti,ti+1)结果之后，即可判断含水岩土是否处于非饱和-饱和状态转变时刻，为了验证该判断的正确性和有效性，本发明还提供一种验证系统，如图2所示，其采用红外热像仪监测夯土从干燥到吸水饱和的全过程。
该验证系统具体包括：柜体1、电子秤2、水箱3、管道4、底座5、岩土试样6、透明窗7、红外热像仪8、数据处理装置9。其中，电子秤2、水箱3、管道4、底座5、岩土试样6等位于柜体1中，并且在柜体1的侧壁上设有透明窗7，该透明窗7位于岩土试样6和红外热像仪8之间。水箱3用于存储实验用水。电子秤2置于水箱3下方，用于实时称重水箱3的重量。岩土试样6为夯土。底座5置于岩土试样6下方，与水箱3通过管道4连接，用于通过毛细原理浸润岩土试样6。红外热像仪8对准岩土试样6，用于获取岩土试样6的热像图。数据处理装置9与电子秤2、红外热像仪8连接，基于红外热像仪8获取的热像图，执行本发明提供的识别方法。
利用图2所示的验证系统，通过红外热像仪8观测夯土(岩土试样6)吸水过程中的红外辐射特征，获得吸水量和夯土表面的红外辐射温度场，如图3、图4所示。
根据公式(1)的适用条件，以夯土被完全浸润之后的热像图为研究对象，分析夯土中水分由结合水、吸附水进而到达自由水状态的转变，即由非饱和向完全饱和转变。由图3可知，在夯土内水分湿润锋到达h点后，夯土处于完全浸润状态，记此时的吸水时间为起始时刻t1，以夯土吸水增量2g为时间梯度，选取不同时刻的热像图，按式(2)-式(6)计算相邻时刻热像图之间的归一化互信息，判断不同时刻夯土中水分的赋存状态，并求出夯土发生非饱和-饱和的转变时刻。具体操作过程如下：
在夯土被完全浸润的hE阶段，以岩土吸水增量2g为时间梯度，提取t1,t2,…,t10共计10个时刻点的红外热像图(如图4所示)。
利用式(2)-式(6)计算夯土相邻时刻热像图之间的归一化互信息，并进行统计分析，图5示出了计算结果，图6为归一化互信息的统计曲线。
从图5和图6可以看到，夯土被完全浸润之后继续吸水的过程中，在t1,t2,t6,t7,t8,t9,t10时刻，相邻热像图之间的归一化互信息值均不等0，表明相邻热像图之间存在着一定的相似度，则水分在夯土内的赋存状态没有发生质的变化。而在t5时刻附近，出现了两两相邻热像图之间的归一化互信息为0的情况，根据互信息理论，说明相邻热像图完全不相关，即t5时刻前后，体积含水量增加2g，引发了红外辐射强度大幅度的变化，意味着夯土内水分赋存状态发生了大的转变，同时，对比可见光拍摄图像，可验证此结论。据此可推断，此时岩土由非饱和向完全饱和发生转变。
由技术常识可知，本发明可以通过其它的不脱离其精神实质或必要特征的实施方案来实现。因此，上述公开的实施方案，就各方面而言，都只是举例说明，并不是仅有的。所有在本发明范围内或在等同于本发明的范围内的改变均被本发明包含。

Claims (4)

1.一种基于互信息的含水岩土非饱和-饱和状态转变的识别方法，其特征在于，包括以下步骤：
监测处于完全浸润状态下的含水岩土的红外辐射温度，获取不同时刻ti(i＝1,2,3,…)的热像图；
计算并比较任意相邻时刻热像图之间的归一化信息NMI(ti,ti+1)；
当NMI(ti,ti+1)≠0时，表明ti与ti+1时刻的含水岩土中的液态水赋存状态有一定相似程度和关联度；
当NMI(ti,ti+1)＝0时，表明ti与ti+1时刻的含水岩土介质中的液态水吸附状态发生质的改变：由非饱和向完全饱和状态状态转变，即，ti+1时刻含水岩土介质中开始出现自由水。
2.根据权利要求1所述的识别方法，其特征在于，归一化信息NMI(ti,ti+1)的计算步骤包括：
计算ti时刻红外辐射温度的概率分布Pn(ti)，获得ti时刻的热像图的信息熵H(ti)：
计算ti+1时刻红外辐射温度的概率分布Pm(ti+1)，获得ti+1时刻的热像图的信息熵ti+1时刻的信息熵H(ti+1)：
计算ti,ti+1相邻时刻热像图的联合信息熵H(ti,ti+1)：
计算ti,ti+1相邻时刻热像图的互信息为MI(ti,ti+1)：
MI(ti,ti+1)＝H(ti)+H(ti+1)-H(ti,ti+1)，i＝1,2,…,l；
计算归一化互信息NMI(ti,ti+1)：
其中，t1,t2,…,tl为数据采集时刻；N为ti时刻热像图中分布N个辐射温度值；Pn(ti)为ti时刻的热像图中，第n个辐射温度出现的概率；M为ti+1时刻热像图中分布M个辐射温度值；Pm(ti+1)为ti+1时刻的热像图中，第m个辐射温度出现的概率；K＝N·M，K为ti,ti+1相邻时刻两幅热像图中，共有K个红外辐射温度组合，Pk(ti,ti+1)为ti,ti+1相邻时刻两幅热像图中，第k个红外辐射温度组合发生的概率。
3.一种用于权利要求1或2所述识别方法的室内吸水实验分析验证系统，其特征在于，包括：
水箱，用于存储实验用水；
电子秤，置于所述水箱下方，用于实时称重所述水箱的重量；
岩土试样，为夯土；
底座，置于所述岩土试样下方，与所述水箱通过管道连接，用于通过毛细原理浸润所述岩土试样；
红外热像仪，对准所述岩土试样，用于获取所述岩土试样的热像图；
数据处理装置，与所述电子秤、红外热像仪连接，基于所述红外热像仪获取的热像图，执行权利要求1或2所述的识别方法。
4.根据权利要求3所述的验证系统，其特征在于，所述岩土试样、电子秤、水箱位于一柜体中，所述柜体上并在所述岩土试样的前方设有透明窗。
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