基于套管式探頭tdr法的土體質(zhì)量含水率修正測(cè)試方法
【專利摘要】一種基于套管式探頭TDR法的土體質(zhì)量含水率修正測(cè)試方法，包括以下步驟：A、標(biāo)定：通過前期四個(gè)不同土體試樣的標(biāo)定試驗(yàn)，獲得了TDR水分傳感器測(cè)出的各個(gè)土體試樣體積含水率θi、烘干法測(cè)定的各個(gè)土體試樣的真實(shí)質(zhì)量含水率wi，進(jìn)而通過函數(shù)對(duì)上述測(cè)試值的擬合，得出未知參數(shù)a的值，從而明確了此函數(shù)關(guān)系式。B、測(cè)試：測(cè)試出待測(cè)土體的干密度為ρd和TDR水分傳感器至待測(cè)土體邊界最小距離L/2；利用套管式探頭TDR水分傳感器測(cè)出待測(cè)土體體積含水率測(cè)試值θ，即得待測(cè)土體質(zhì)量含水率w，該法消除了套管式探頭TDR法中傳感器有效測(cè)試范圍內(nèi)其他介質(zhì)對(duì)待測(cè)土體介電特性的影響，提高了測(cè)試土體含水率的準(zhǔn)確性，從而為巖土工程的設(shè)計(jì)與施工提供更加可靠、準(zhǔn)確的試驗(yàn)數(shù)據(jù)。
【專利說明】
基于套管式探頭TDR法的±體質(zhì)量含水率修正測(cè)試方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001 ]本發(fā)明設(shè)及一種用套管式探頭TDR法測(cè)試±體含水率的方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 巖±工程中±體含水率的準(zhǔn)確測(cè)試對(duì)工程的性質(zhì)評(píng)價(jià)、穩(wěn)定性分析W及壓實(shí)質(zhì)量 控制具有重要作用。烘干法作為目前規(guī)范中測(cè)定±體質(zhì)量含水率的標(biāo)準(zhǔn)方法，其測(cè)試結(jié)果 準(zhǔn)確，但現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用時(shí)存在取樣困難、對(duì)結(jié)構(gòu)有損傷且無法長(zhǎng)期自動(dòng)監(jiān)測(cè)等問題。
[0003] 由于±體表觀介電常數(shù)是±中水(介電常數(shù)Kwater = 81)、空氣化3"=1)和±顆粒 化sdi1 = 3~5)的介電常數(shù)綜合值，±體介電常數(shù)主要由±體體積含水率確定。通過測(cè)試插 入±體中的探頭上電磁波的傳播速度，即可測(cè)出待測(cè)±體的表觀介電常數(shù)，然后利用建立 的±體表觀介電常數(shù)私和±體體積含水率Θ之間的關(guān)系模型化a-θ方程)確定±體體積含水 率，并可換算得到±體體質(zhì)量含水率，運(yùn)種方法稱為電磁波時(shí)域反射法（Time Domain Reflectomet巧，TDR)。與烘干法相比，由于不需要取樣，對(duì)±體結(jié)構(gòu)無損傷，因此TDR法顯著 提高了上體含水率測(cè)試效率，且能實(shí)現(xiàn)上體含水率的長(zhǎng)期自動(dòng)化動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)。
[0004] TDR法使用的水分傳感器一般采用針式探頭，在測(cè)試±體含水率時(shí)，仍為點(diǎn)測(cè)方 式，在進(jìn)行±體空間含水率分布測(cè)量時(shí)需在不同位置±層埋設(shè)傳感器，導(dǎo)致傳感器利用效 率低下、工作量較大且對(duì)含水率測(cè)定結(jié)果產(chǎn)生影響。改進(jìn)的方法是套管式探頭TDR法，即通 過預(yù)先埋設(shè)或打入±體的專用套管，探頭再插入套管中，測(cè)試時(shí)探頭可在套管內(nèi)上下移動(dòng)， 從而實(shí)現(xiàn)一個(gè)探頭在不同空間位置±體含水率的連續(xù)測(cè)試；同時(shí)套管的引入可W避免探頭 與±體直接接觸，保護(hù)探頭不受損壞，可實(shí)現(xiàn)TDR水分傳感器的長(zhǎng)期重復(fù)使用。然而，由于套 管式探頭TDR法的體積含水率測(cè)試結(jié)果是傳感器周圍有效測(cè)量范圍內(nèi)待測(cè)介質(zhì)綜合介電特 性的反映，在實(shí)際使用套管式探頭TDR水分傳感器時(shí)，若傳感器有效測(cè)量范圍內(nèi)有除待測(cè)介 質(zhì)W外的其他介質(zhì)干擾，也即待測(cè)±體的邊界變化會(huì)導(dǎo)致傳感器周圍介質(zhì)介電特性產(chǎn)生變 化，進(jìn)而會(huì)對(duì)待測(cè)±體的TDR含水率測(cè)試結(jié)果產(chǎn)生顯著影響，降低了測(cè)試結(jié)果準(zhǔn)確性和可靠 性。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明的目的是，提供一種基于套管式探頭TDR法的±體質(zhì)量含水率修正測(cè)試方 法，該方法消除了套管式探頭TDR水分傳感器有效測(cè)試范圍內(nèi)其他介質(zhì)對(duì)待測(cè)±體介電特 性產(chǎn)生的影響，能提高TDR測(cè)試±體含水率的準(zhǔn)確性，從而為巖±工程的設(shè)計(jì)與施工提供更 加可靠、準(zhǔn)確的試驗(yàn)數(shù)據(jù)。
[0006] 本發(fā)明實(shí)現(xiàn)其發(fā)明目的所采用的技術(shù)方案是:一種基于套管式探頭TDR法的±體 質(zhì)量含水率修正測(cè)試方法，包括W下步驟：
[0007] -種基于套管式探頭TDR法的±體質(zhì)量含水率修正測(cè)試方法，包括W下步驟：
[000引 A、標(biāo)定
[0009] A1、準(zhǔn)備四個(gè)高度與TDR水分傳感器探頭測(cè)量段長(zhǎng)度相同的長(zhǎng)方體試驗(yàn)箱或圓筒 試驗(yàn)箱，其中，長(zhǎng)方體試驗(yàn)箱的底面為正方形；四個(gè)試驗(yàn)箱的邊長(zhǎng)或直徑不同，其中第i個(gè)試 驗(yàn)箱的邊長(zhǎng)或直徑為k，i為試驗(yàn)箱的序號(hào)，i = 1、2、3、4;
[0010] A2、在試驗(yàn)箱平面中屯、豎向放置用于TDR水分傳感器探頭測(cè)試的專用套管，套管底 端封閉、頂端開口，套管高度高于試驗(yàn)箱高度50mm;
[0011] A3、在各試驗(yàn)箱內(nèi)制備干密度均為0<1〇的±體試樣，然后將TDR水分傳感器探頭置于 套管中，并使探頭高度等于試驗(yàn)箱高度的一半;開啟TDR水分傳感器，測(cè)試出各個(gè)試驗(yàn)箱± 體試樣中部剖面處的體積含水率9i;
[0012] A4、在各個(gè)試驗(yàn)箱緊靠探頭位置處取50肖±體，按照烘干法測(cè)試得到該取樣±體的 真實(shí)質(zhì)量含水率Wi;求出各個(gè)試驗(yàn)箱±體試樣的比例系數(shù)k,
，其中，Pw為水的 密度；
[0013] A5、W試驗(yàn)箱邊長(zhǎng)或直徑也即套管式TDR水分傳感器至待測(cè)±體邊界最小距離的2 倍為橫坐標(biāo)L，W待測(cè)±體的比例系數(shù)
％縱坐標(biāo)，構(gòu)成直角坐標(biāo)系;在此坐標(biāo)系中 將四個(gè)試驗(yàn)箱邊長(zhǎng)或直徑以及對(duì)應(yīng)的比例系數(shù)
自四個(gè)點(diǎn)繪出，再采用函數(shù)
對(duì)坐標(biāo)系中的四個(gè)點(diǎn)進(jìn)行擬合，得出參數(shù)a的值；
[0014] B、測(cè)試
[0015] 先測(cè)試出待測(cè)±體的干密度為Pd，測(cè)出TDR水分傳感器至待測(cè)±體邊界最小距離 L/2 ;利用套管式探頭TDR水分傳感器測(cè)出待測(cè)±體體積含水率Θ，代入函數(shù)
[0016] 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是：
[0017]
【申請(qǐng)人】研究發(fā)現(xiàn)，±體邊界172與±體質(zhì)量含水率*、±體干密度Pd和套管式探頭 TDR水分傳感器測(cè)出的±體試樣體積含水率Θ，存在函數(shù)關(guān)系：
Φ：發(fā)明進(jìn)而通 過前期不同±體試樣的標(biāo)定試驗(yàn)，獲得上述函數(shù)關(guān)系中的未知參數(shù)a,得出待測(cè)±體的質(zhì)量 含水率W與套管式探頭TDR法測(cè)出的±體體積含水率測(cè)試值Θ、±體試樣邊界L/2的明確關(guān)系 式，
[0018] 因此，本發(fā)明通過測(cè)出待測(cè)±體的邊界后，再利用上述關(guān)系式，即可消除套管式探 頭TDR法中水分傳感器有效測(cè)試范圍內(nèi)其他介質(zhì)對(duì)待測(cè)±體介電特性產(chǎn)生的影響，提高了 上體含水率測(cè)試的準(zhǔn)確性，從而為巖上工程的設(shè)計(jì)與施工提供更加可靠、準(zhǔn)確的試驗(yàn)數(shù)據(jù)。
[0019] 試驗(yàn)結(jié)果表明，本發(fā)明對(duì)試驗(yàn)±體測(cè)出的質(zhì)量含水率與烘干法得到的質(zhì)量含水率 的絕對(duì)誤差為0.07%，而現(xiàn)有的套管式探頭TDR水分傳感器測(cè)試得到的換算質(zhì)量含水率與 烘干法得到的質(zhì)量含水率絕對(duì)誤差為0.81 %。與套管式探頭TDR水分傳感器測(cè)試相比，本發(fā) 明的測(cè)試絕對(duì)誤差低于其測(cè)試絕對(duì)誤差的1/10。
[0020]下面結(jié)合附圖和【具體實(shí)施方式】對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步說明。
【附圖說明】
[002。 圖1試驗(yàn)箱邊長(zhǎng)或直徑k與比例系數(shù)ki的關(guān)系曲線。
【具體實(shí)施方式】
[0022] 實(shí)施例
[0023] 本發(fā)明的一種【具體實(shí)施方式】為：一種基于套管式探頭TDR法的±體質(zhì)量含水率修 正測(cè)試方法，包括W下步驟：
[0024] -種基于套管式探頭TDR法的±體質(zhì)量含水率修正測(cè)試方法，包括W下步驟：
[00巧]A、標(biāo)定
[0026] A1、準(zhǔn)備四個(gè)高度與TDR水分傳感器探頭測(cè)量段長(zhǎng)度相同的長(zhǎng)方體試驗(yàn)箱或圓筒 試驗(yàn)箱，其中，長(zhǎng)方體試驗(yàn)箱的底面為正方形；四個(gè)試驗(yàn)箱的邊長(zhǎng)或直徑不同，其中第i個(gè)試 驗(yàn)箱的邊長(zhǎng)或直徑為k，i為試驗(yàn)箱的序號(hào)，i = 1、2、3、4;
[0027] A2、在試驗(yàn)箱平面中屯、豎向放置用于TDR水分傳感器探頭測(cè)試的專用套管，套管底 端封閉、頂端開口，套管高度高于試驗(yàn)箱高度50mm;
[00%] A3、在各試驗(yàn)箱內(nèi)制備干密度均為0<1〇的±體試樣，然后將TDR水分傳感器探頭置于 套管中，并使探頭高度等于試驗(yàn)箱高度的一半;開啟TDR水分傳感器，測(cè)試出各個(gè)試驗(yàn)箱± 體試樣中部剖面處的體積含水率9i;
[0029] A4、在各個(gè)試驗(yàn)箱緊靠探頭位置處取50肖±體，按照烘干法測(cè)試得到該取樣±體的 真實(shí)質(zhì)量含水率wi;求出各個(gè)試驗(yàn)箱±體試樣的比例系數(shù)ki
，其中，Pw為水的 密度；
[0030] A5、w試驗(yàn)箱邊長(zhǎng)或直徑也即套管式TDR水分傳感器至待測(cè)±體邊界最小距離的2 倍為橫坐標(biāo)L，W待測(cè)±體的比例系數(shù)
為縱坐標(biāo)，構(gòu)成直角坐標(biāo)系；在此坐標(biāo)系 中將四個(gè)試驗(yàn)箱邊長(zhǎng)或直徑k及對(duì)應(yīng)的比例系數(shù)
的四個(gè)點(diǎn)繪出，再采用函數(shù)
巧坐標(biāo)系中的四個(gè)點(diǎn)進(jìn)行擬合，得出參數(shù)a的值；
[003。B、測(cè)試
[0032] 先測(cè)試出待測(cè)±體的干密度為Pd，測(cè)出TDR水分傳感器至待測(cè)±體邊界最小距離 L/2 ;利用套管式探頭TDR水分傳感器測(cè)出待測(cè)±體體積含水率Θ，代入函數(shù)
，即可得到待測(cè)上體質(zhì)量含水率W，
，
[0033] 試驗(yàn)驗(yàn)證
[0034] 采用TRIME-PICO-IPH系列TDR智能水分傳感器進(jìn)行標(biāo)定試驗(yàn)，傳感器由TRIME-HD 手持式讀數(shù)表、TRIME-T3圓柱型套管式探頭W及高頻電纜傳輸線組成，其中TRIME-皿手持 式讀數(shù)表可W直接顯示上體體積含水率測(cè)試值，TRIME-T3圓柱型套管式探頭直徑37mm，探 頭測(cè)量段長(zhǎng)度220mm，探頭測(cè)試套管由專用TECANAT(聚碳酸醋）材質(zhì)制成，外徑44mm，內(nèi)徑 42mm，長(zhǎng)度270mm。根據(jù)《鐵路工程±工試驗(yàn)規(guī)程》(TB10102-2010)篩分試驗(yàn)得到標(biāo)準(zhǔn)砂的最 大粒徑未超過1.0mm，小于0.5mm的顆粒含量為99.94%，小于0.25mm的顆粒含量為99.82%， 小于0.075mm的顆粒含量為0.80 %，不均勻系數(shù)為2.00，曲率系數(shù)為1.04;由相對(duì)密度試驗(yàn) 測(cè)得標(biāo)準(zhǔn)砂最大干密度Pdmax= 1.663g/cm3，最小干密度Pdmin= 1.337g/cm3。
[0035] 按W上實(shí)施例方法，選擇底面為正方形的長(zhǎng)方體試驗(yàn)箱，編號(hào)為1、2、3、4號(hào)，其平 面邊長(zhǎng)以。=1、2、3、4)依次為200111111、300111111、400111111、500111111，高度均為220111111，在試驗(yàn)箱平面 中屯、處豎向放置用于TDR水分傳感器探頭測(cè)試的專用套管，制備干密度為Pd〇=1.45g/cm3標(biāo) 準(zhǔn)砂試樣并進(jìn)行分層填筑。填筑完成后將TDR水分傳感器探頭伸入套管，測(cè)試試驗(yàn)箱中部± 的體積含水率9i;TDR測(cè)量結(jié)束后，分別在各個(gè)試驗(yàn)箱中部取±，通過烘干法測(cè)試得到真實(shí) 質(zhì)量含水率wi。測(cè)量結(jié)束后，WL為橫坐標(biāo)，
對(duì)以 與ki的在坐標(biāo)系中的四個(gè)點(diǎn)曲線進(jìn)行曲線擬合，如圖1所示，可W得出參數(shù)a = 26。
[0036] 測(cè)試待測(cè)±體的干密度為Pd=1.51g/cm3,測(cè)出套管式探頭TDR水分傳感器至待測(cè) ±體邊界最小距離為1V2 = 50mm，利用套管式探頭TDR水分傳感器測(cè)出待測(cè)±體體積含水率 測(cè)試值θ = 5.56%，代入函數(shù)
I即可得到待測(cè)±體質(zhì)量含水率w = 4.42%。為 驗(yàn)證函數(shù)的準(zhǔn)確性，在試驗(yàn)箱中部剖面處取樣，通過烘干法測(cè)試得到±體試樣的真實(shí)質(zhì)量 含水率為w〇 = 4.49%，由于TDR測(cè)試的體積含水率換算為質(zhì)量含水率天
因此認(rèn)為，當(dāng)套管式探頭TDR水分傳感器至待測(cè)±體邊界最小距離為L(zhǎng)/2 = 50mm，即L = 100mm時(shí)，TDR測(cè)試結(jié)果受到顯著影響，TDR換算質(zhì)量含水率w(/與烘干法得到的真實(shí)質(zhì)量含 水率W0絕對(duì)誤差的絕對(duì)值為|w(/ -w〇| =0.81%，而本發(fā)明通過函數(shù)
尋出的待 測(cè)±體質(zhì)量含水率為w = 4.42%，與烘干法質(zhì)量含水率絕對(duì)誤差的絕對(duì)值僅為|w-wo| = 0.07%。
[0037] 由此可見，采用本發(fā)明的函避
'考慮了套管式探頭TDR水分傳感器有 效測(cè)試范圍內(nèi)待測(cè)±體受到其他介質(zhì)影響而導(dǎo)致的測(cè)試結(jié)果誤差較大的問題，提高了±體 含水率測(cè)試結(jié)果的準(zhǔn)確性。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種基于套管式探頭TDR法的土體質(zhì)量含水率修正測(cè)試方法，包括以下步驟： A、 標(biāo)定 A1、準(zhǔn)備四個(gè)高度與TDR水分傳感器探頭測(cè)量段長(zhǎng)度相同的長(zhǎng)方體試驗(yàn)箱或圓筒試驗(yàn) 箱，其中，長(zhǎng)方體試驗(yàn)箱的底面為正方形；四個(gè)試驗(yàn)箱的邊長(zhǎng)或直徑不同，其中第i個(gè)試驗(yàn)箱 的邊長(zhǎng)或直徑為U，i為試驗(yàn)箱的序號(hào)，i = 1、2、3、4; A2、在試驗(yàn)箱平面中心豎向放置用于TDR水分傳感器探頭測(cè)試的專用套管，套管底端封 閉、頂端開口，套管高度高于試驗(yàn)箱高度50mm; A3、在各試驗(yàn)箱內(nèi)制備干密度均為Pd〇的土體試樣，然后將TDR水分傳感器探頭置于套管 中，并使探頭高度等于試驗(yàn)箱高度的一半;開啟TDR水分傳感器，測(cè)試出各個(gè)試驗(yàn)箱土體試 樣中部剖面處的體積含水率9i; A4、在各個(gè)試驗(yàn)箱緊靠探頭位置處取50g 土體，按照烘干法測(cè)試得到該取樣土體的真實(shí) 質(zhì)量含水率wi;求出各個(gè)試驗(yàn)箱土體試樣的比例系數(shù)ki，其中，Pw為水的密度； A5、以試驗(yàn)箱邊長(zhǎng)或直徑也即套管式TDR水分傳感器至待測(cè)土體邊界最小距離的2倍為 橫坐標(biāo)L，以待測(cè)土體的比例系數(shù)-為縱坐標(biāo)，構(gòu)成直角坐標(biāo)系；在此坐標(biāo)系中將 四個(gè)試驗(yàn)箱邊長(zhǎng)或直徑1^及對(duì)應(yīng)的比例系數(shù)的四個(gè)點(diǎn)繪出，再采用函數(shù)對(duì)坐標(biāo)系中的四個(gè)點(diǎn)進(jìn)行擬合，得出參數(shù)a的值； B、 測(cè)試 先測(cè)試出待測(cè)土體的干密度為Pd，測(cè)出TDR水分傳感器至待測(cè)土體邊界最小距離L/2;利 用套管式探頭TDR水分傳感器測(cè)出待測(cè)土體體積含水率Θ，代入函f-，即可 得到待測(cè)土體質(zhì)量含水率w，-
【文檔編號(hào)】G01N27/22GK106066350SQ201610344270
【公開日】2016年11月2日
【申請(qǐng)日】2016年5月21日 公開號(hào)201610344270.3, CN 106066350 A, CN 106066350A, CN 201610344270, CN-A-106066350, CN106066350 A, CN106066350A, CN201610344270, CN201610344270.3
【發(fā)明人】羅強(qiáng), 張瑞國(guó), 劉鋼, 連繼峰, 蔣良濰, 謝濤, 于曰明, 謝宏偉, 朱江江, 張文生
【申請(qǐng)人】西南交通大學(xué)