soil moisture,point heat source,fiber Bragg grating,cooling law,numerical simulation ,"/> 土体含水率监测的移动点热源法研究

岩土力学 ›› 2022, Vol. 43 ›› Issue (7): 2025-2034.doi: 10.16285/j.rsm.2021.1732

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土体含水率监测的移动点热源法研究

张婵青1, 2, 3，何凤飞3，姜顺航3，曾子真3，熊峰1, 2, 3，陈江1, 2, 3   

  1. 1. 四川大学 深地科学与工程教育部重点实验室，四川 成都 610065；2. 四川大学 灾变力学与工程防灾四川省重点实验室，四川 成都 610065； 3. 四川大学 建筑与环境学院，四川 成都 610065
  • 收稿日期:2021-10-14 修回日期:2022-03-28 出版日期:2022-07-26 发布日期:2022-08-05
  • 通讯作者: 陈江，男，1982年生，博士，副教授，长期从事工程结构的安全监测与装配式混凝土结构。E-mail: chxifei@126.com E-mail:zcq_337@163.com
  • 作者简介:张婵青，女，1999年生，硕士研究生，主要从事土木工程防灾减灾方面的研究工作。
  • 基金资助:
    国家自然科学青年基金（No. 51509174）；中央高校基本科研业务费专项资金资助

A mobile point heat source method for soil moisture monitoring

ZHANG Chan-qing1, 2, 3, HE Feng-fei3, JIANG Shun-hang3, ZENG Zi-zhen3, XIONG Feng1, 2, 3, CHEN Jiang1, 2, 3   

  1. 1. MOE Key Laboratory of Deep Earth Science and Engineering, Sichuan University, Chengdu, Sichuan 610065, China; 2. Failure Mechanics and Engineering Disaster Prevention Key Laboratory of Sichuan Province, Sichuan University, Chengdu, Sichuan 610065, China; 3. College of Architecture & Environment, Sichuan University, Chengdu, Sichuan 610065, China
  • Received:2021-10-14 Revised:2022-03-28 Online:2022-07-26 Published:2022-08-05
  • Supported by:
    This work was supported by the National Natural Science Foundation of China (51509174) and the Fundamental Research Funds for the Central Universities.

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565

摘要：

土体含水率监测的线热源法对加热功率要求较高，当热源强度不稳定时，监测结果容易受到影响。为了解决线热源法的不足，提出了土体含水率监测的移动点热源（point heat source，PHS）法。该方法利用土体热物性与含水率之间的相关性，通过监测土体中PHS的降温规律间接识别含水率。通过数值模拟研究了点热源在含水率均匀分布的土体中的传热规律，根据热源降温曲线的特征，定义了含水率判别指标η，进而建立了含水率与判别指标的拟合关系，并对监测灵敏度的影响因素进行了参数分析。在含水率非均匀分布的土体中开展了点热源降温规律的数值模拟，根据测点降温时程曲线计算含水率判别指标，并利用含水率与判别指标的拟合公式反演含水率分布。结果表明，点热源法反演得到的含水率分布与实际值吻合较好，验证了该方法的理论可行性。通过模型试验进一步验证了该方法的可行性。

关键词: 土体含水率, 点热源, 光纤光栅, 降温规律, 数值模拟

Abstract: The line heat source method of soil moisture monitoring requires higher heating power. When the intensity of the heat source is unstable, the monitoring results are easily affected. To solve the shortcomings of the line heat source method, a mobile point heat source (PHS) method for soil moisture monitoring is developed in this study. This method uses the correlation between the thermal physical properties of soil and the moisture content to indirectly identify the moisture content by monitoring the cooling law of the PHS in the soil. Firstly, the heat transfer law of the PHS in the soil with evenly distributed moisture content was examined through numerical simulation. According to the characteristics of the cooling curves of the heat source, the moisture content discrimination index η was defined, and then the fitting relationship between the moisture content and the discrimination index was established. In addition, parameter analysis was carried out on the factors affecting the monitoring sensitivity. Then, numerical simulation of the PHS cooling law was carried out in the soil with unevenly distributed moisture content, and the moisture content discrimination index was calculated according to the time history curve at the cooling stage of the measuring point. After that, the moisture content distribution was inverted by the fitting formula of the moisture content and the discrimination index. The results show that the moisture content distribution inverted by the PHS method is in good agreement with the actual value, which verifies the theoretical feasibility of the method. Finally, the feasibility of the method is further verified by model tests.

Key words: soil moisture')">

soil moisture, point heat source, fiber Bragg grating, cooling law, numerical simulation

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