基质吸力的准确测量是了解非饱和土力学机理的先决条件,基质吸力与含水率的相关关系是解释非饱和土力学现象及特征的关键函数,称为土水特征曲线（SWCC）。土体基质吸力一般采用实验法直接确定,目前有多种实验室测量土体基质吸力的技术手段,然而,实验室测量会受到样品可及性及样品扰动的限制,并且实验室分析操作复杂,实验周期长。张力计法能相对准确地测量土体原位基质吸力,但量程有限。因此,土体的基质吸力测量技术还有改进空间。本研究创新性采用热探针法测量土体原位基质吸力,针对课题组已有的原位热物性参数测试仪进行设计,通过对探针外加多孔套管的方式,达到测量土体原位热物性参数的同时得到土体基质吸力的目的。通过实验确定多孔套管材质、孔隙等基本性质,对比不同耦合剂的导热性能、胶结强度等参数,确定套管与探针的耦合方式。通过GEO-Experts土水特征曲线测定系统对长春某地粉质黏土及实验室配置的砂土进行SWCC实验,得到土体含水率-基质吸力的离散数据。选用Gardner模型、Van Genuchten模型与Fredlund and Xing模型三种经典SWCC模型对实验值模拟。考虑到单一算法在运算速率、泛化性能等方面的局限性,采用启发式算法对单一算法进行优化,建立基于粒子群优化极限学习机（PSO-ELM）算法、支持向量机（SVM）算法、极限学习机（ELM）算法的SWCC预测模型。对比经典模型与机器学习模型的计算效率、模拟精度,选择模拟性能最好的模型作为SWCC预测模型。配置梯度含水率砂土及粉质黏土土样进行基质吸力平衡实验,结合SWCC预测模型得到土体基质吸力-套管热导率离散值。通过线热源理论并结合砂土吸力平衡实验的实验结果分布建立土体基质吸力-套管热导率的函数模型。采用粉质黏土实验值对基于砂土实验值得到的函数模型进行验证,用以证明函数模型是否能准确描述土体基质吸力与套管热导率的函数关系,并证明函数关系是否受限于土体类型。采用基于内嵌最优函数仪器进行长春地区场地实验,将原位基质吸力测量仪与张力计埋置于同一位置,对比二者对土体基质吸力的测量结果,分析测量方法的可靠性。最后采用基于随机误差的误差传播与合成理论对设计仪器的系统误差进行分析。实验结果表明,原位基质吸力测量仪能够描述土体因饱和或失水导致的基质吸力变化情况。经误差分析,仪器的理论系统误差为9.85%,能准确有效测量土体的原位基质吸力。同时,基于热探针法的非饱和土原位基质吸力测量技术在得到土体基质吸力的同时还能得到土体的温度、热导率及热扩散系数,能有效避免大气温度的影响,能够解决张力计量程不够的限制,操作简单,易于携带,测量结果稳定准确,能够为研究人员提供一种准确有效的土体原位基质吸力测量手段。