CN102087263A

CN102087263A - 用tdr水分计测试黄土湿陷变形规律的方法

Info

Publication number: CN102087263A
Application number: CN2011100085896A
Authority: CN
Inventors: 张广平; 黄雪峰; 程明; 奚增红; 胡燕妮
Original assignee: GANSU PROV ELECTRIC POWER DESIGN INST
Current assignee: Co Ltd Of Chinese Energy Construction Group Gansu Prov Electric Power Design Inst
Priority date: 2011-01-17
Filing date: 2011-01-17
Publication date: 2011-06-08
Anticipated expiration: 2031-01-17
Also published as: CN102087263B

Abstract

本发明涉及一种用TDR水分计测试黄土湿陷变形规律的方法。步骤如下：A．在黄土研究场地中，预先开挖浸水试坑，浸水试坑深度低于原始地面500mm，浸水试坑直径略大于湿陷性黄土土层厚度；B.在浸水试坑中以及浸水试坑外共挖设数个探井，其中：至少两个探井设在浸水试坑中，用于研究水分垂直入渗规律；其余探井设在浸水试坑边缘以及浸水试坑边缘以外的地方，用于研究水分水平入渗规律；C.在每个探井中的井壁上自上而下按2500～4000mm的距离开挖横向探槽，D.在每一探槽尽头埋设一个TDR水分计的探头，并将探头通过同轴电缆线与放置在地表的TDR水分计的电缆探测仪相连，E．将电缆探测仪与电脑连接，对水分计采集的水分数据进行分析。本发明简单易行结果可靠实用性强。

Description

用TDR水分计测试黄土湿陷变形规律的方法

技术领域

本发明涉及一种测试黄土湿陷变形的方法，特别是一种用TDR水分计测试黄土湿陷变形规律的方法。

背景技术

黄土多分布在干旱、半干旱地区，是我国中西部地区的主要区域性土质。研究掌握黄土的变形特性对在该地区正建造和已建造的建筑物安全性以及稳定性具有重要意义，黄土的湿陷直接关系到工程造价与工程安全，在实际工程建设中，因对湿陷问题研究了解欠缺而导致工程事故时有发生。

TDR水分计是应用介电常数法来进行土壤体积含水量原位测试的仪器，用TDR水分计测量土壤体积含水量的方法称为TDR法，TDR法又称为时域反射法(Time Domain Reflectometry)，该法是利用金属探针测定土壤介电常数并换算成土壤体积含水量。TDR理论模型早在1939年就已建立，最初用于电信业查找电缆断点。用于土壤含水量的监测，由加拿大科学家Topp等人于1980年首次提出，并于1985年用于农田水分测定。与传统土壤水分测定法比较，具有不破坏样本、简单易用、测量快速、准确、能连续定点测定等优点，可测量土体任何深度度包括表层土，没有辐射危害，并且可以实现数据自动采集。

TDR水分计主要包含两部分，一是用于信号监测的电缆探测仪，二是用于引导信号在介质中传输的探头。电缆探测仪的主要部件是电子函数发生器和示波器，前者可以输出具有非常快的起升时间(120ps)的方形高频电磁波信号；后者用于对方形波进行时间监测。探头一般具有3个平行的导波棒，导波棒固定在防水的硬质绝缘材料把手上，通过同轴电缆线与电缆探测仪相连。

目前国内外研究黄土湿陷变形规律主要采用室内和现场试验相结合的办法，室内试验往往不能正确模拟现场实际情况，而且很大程度上破坏了土体原有的结构；现场试验虽然可弥补室内试验的遗憾，但是现场浸水试验也只能从定性的角度分析黄土湿陷变形规律。利用TDR水分计来研究黄土湿陷变形规律没有相关报道。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于提供一种用TDR水分计测试黄土湿陷变形规律的方法，从定性和定量两方面研究黄土湿陷变形规律。

本发明解决上述技术问题采取的技术方案如下：一种用TDR水分计测试黄土湿陷变形规律的方法，包括如下步骤：

1．在黄土研究场地中，预先开挖浸水试坑，浸水试坑深度低于原始地面500mm，浸水试坑直径略大于湿陷性黄土土层厚度；

2.在浸水试坑中以及浸水试坑外共挖设数个探井，这数个探井位于浸水试坑的同一直径及其该直径延长线的同一条直线上；其中，至少两个探井设在浸水试坑中，这两个探井距离浸水试坑中心点的间距为7500～8000mm，用于研究水分垂直入渗规律；其余探井设在浸水试坑边缘以及浸水试坑边缘以外的地方，这些探井之间的距离为3000 ～5000mm，用于研究水分水平入渗规律；浸水试坑中探井最深，涵盖整个湿陷性土层；

3.在每个探井中的井壁上自上而下按2500～4000mm的距离开挖横向探槽，浸水试坑中开挖的横向探槽之间的距离比浸水试坑外开挖的横向探槽之间的距离要短，同一探井的横向探槽位于同一垂直线上，所有探井的横向探槽位于同一垂直面上，所有横向探槽的长度相同在1500～1800mm，横向探槽直径350mm；

4. 在每一探槽尽头埋设一个TDR水分计探头，并将探头通过同轴电缆线与放置在地表的TDR水分计的电缆探测仪相连，采集水分数据；探头安放时其轴线与探井垂线的夹角为45°；

5．将电缆探测仪与电脑连接，把电缆探测仪采集到的水分数据传输给电脑；对水分计采集的水分数据进行分析，分析体积含水量与浸水时间的变化曲线，得知发生湿陷土层的深度，以及湿陷变形量与湿陷变形随时间的规律；如果体积含水量随浸水时间的变化曲线存在陡降阶段，表明体积含水量迅速减小，土体在这一点则发生了湿陷；如果不存在体积含水量迅速减小的阶段，则土体没有发生湿陷变形，黄土始终保持饱和状态；而体积含水量急速减小，意味着土体结构遭到破坏，发生了不可逆转的湿陷变形。

探头安放时其轴线与探井垂线呈45°角，可以减少土壤不良特性造成的影响；

探井设置的数量以及水分计埋设的数量直接决定湿陷变形规律的准确程度，探井设置的数量多以及水分计埋设的数量多，湿陷变形规律的准确程度高。

本发明应用预浸水法处理湿陷性黄土地基，用预先埋设的TDR水分计采集水分计数据，通过分析体积含水量与浸水时间的变化曲线，测试非饱和黄土预浸水后的场地湿陷变形规律；既可以知道发生湿陷土层的深度，又可以了解湿陷变形量以及湿陷变形随时间的规律；从定性和定量的角度研究出黄土湿陷变形规律。

本发明是研究黄土湿陷变形规律的一种全新尝试。本发明应用前提在于TDR水分计量测数据的可靠性，无论是国产还是进口水分计，水分计的可靠性是取得精确的黄土湿陷变形规律数据的前提条件。

本发明能有效地研究非饱和黄土湿陷变形规律，水分计能与计算机相连，既可以快速连续定点测量，又可以自动完成成批监测点的测量。

本发明简单易行、结果可靠、实用性强，可在黄土地区大面积推广及应用。

附图说明

图1是浸水试坑与探井设置关系的平面示意图，

图2是探井中水分计埋设距离的剖面图，

图3是探井与横向探槽的关系示意图，

图4是数据采集仪与电脑的连接关系示意图，

图5是探头安放位置示意图，

图6a是1＃探井2.5m处浸水时间与体积含水量的变化关系曲线图，

图6b是1＃探井5.0m处浸水时间与体积含水量的变化关系曲线图，

图6c是1＃探井7.5m处浸水时间与体积含水量的变化关系曲线图，

图6d是1＃探井10.0m处浸水时间与体积含水量的变化关系曲线图，

图6e是1＃探井12.5m处浸水时间与体积含水量的变化关系曲线图，

图6f是1＃探井15.0m处浸水时间与体积含水量的变化关系曲线图，

图6g是1＃探井17.5m处浸水时间与体积含水量的变化关系曲线图，

图6h是1＃探井20.0m处浸水时间与体积含水量的变化关系曲线图，

图6i是1＃探井22.5m处浸水时间与体积含水量的变化关系曲线图，

图6j是1＃探井25.0m处浸水时间与体积含水量的变化关系曲线图，

图6k是1＃探井27.5m处浸水时间与体积含水量的变化关系曲线图，

图6l是1＃探井30.0m处浸水时间与体积含水量的变化关系曲线图，

图6m是1＃探井32.5m处浸水时间与体积含水量的变化关系曲线图，

图7a是4＃探井6.5m处浸水时间与体积含水量的变化关系曲线图,

图7b是4＃探井6.5m处浸水时间与体积含水量的变化关系曲线图,

图7c是4＃探井14.5m处浸水时间与体积含水量的变化关系曲线图,

图7d是4＃探井18.5m处浸水时间与体积含水量的变化关系曲线图,

图7e是4＃探井22.5m处浸水时间与体积含水量的变化关系曲线图,

图7f是4＃探井26.5m处浸水时间与体积含水量的变化关系曲线图。

图中：1—浸水试坑，2—探井，3—横向探槽，4—电缆探测仪，5—同轴电缆线，6—探头，7—电脑，θ—探头轴线与探井垂线的夹角，H1—1＃探井横向探槽的间距，也是1＃探井探头的间距，H2—2＃探井横向探槽的间距，也是2＃探井探头的间距，H3—3＃、4＃、5＃与6＃探井第一横向探槽与原始地面的间距，H4—3＃、4＃、5＃与6＃探井其它横向探槽的间距，L1—1＃探井至浸水试坑中心点的间距，L2—2＃探井至浸水试坑中心点的间距，L3—2＃探井至3＃探井的间距，L4—3＃探井至4＃探井的间距，L5—4＃探井至5＃探井的间距，L6—5＃探井至6＃探井的间距，L—横向探槽的长度，。

图6a至图7f中：粗线条是浸水期，细线条是停水期。

具体实施方式

该实施方式是本发明的一个实验例。如图1、图2与图3所示： 1．在黄土研究场地中，预先开挖浸水试坑1，浸水试坑深度低于原始地面500mm，浸水试坑直径为40米，黄土研究场地湿陷性黄土土层厚度为36.5米，浸水试坑1直径大于黄土研究场地湿陷性黄土土层厚度；

2.在浸水试坑中以及浸水试坑外共挖设六个探井2，这六个探井位于浸水试坑的同一直径及其该直径延长线的同一条直线上；其中：有两个探井即1＃、2＃探井设在浸水试坑中，1＃探井至浸水试坑中心点的间距与2＃探井至浸水试坑中心点的间距L2相同，均为7500mm，用于研究水分垂直入渗规律；这两个探井深度是32.5m；其余四个探井一个即3＃探井设在浸水试坑边缘，2＃探井至3＃探井的间距L3是12500mm，另外三个分别即4＃、5＃与6＃探井分别设在距离浸水试坑边缘5000mm、8000mm与11000mm处，研究水分水平入渗规律， 3＃探井至4＃探井的间距L4是5000mm，4＃探井至5＃探井的间距L5是3000mm，5＃探井至6＃探井的间距L6是3000mm；3＃与4＃探井深度是30.5m, 5＃与6＃探井深度是26.5m；本次试验37米以下是卵石层，未见地下水；所有探井的横向探槽L位于同一垂直面上，所有横向探槽的长度L相同为1500mm，所有横向探槽直径相同为350mm；浸水试坑中探井最深，涵盖整个湿陷性土层；

3.在1＃与2＃探井每个探井中的井壁上开挖横向探槽3，1＃探井横向探槽的间距H1与2＃探井横向探槽的间距H2相同，都是2500mm； 3＃、4＃、5＃与6＃探井第一横向探槽与原始地面的间距H3相同，都是2500mm，3＃、4＃、5＃与6＃探井其它横向探槽的间距H4相同，都是4000mm；即浸水试坑中开挖的横向探槽之间的距离比浸水试坑外开挖的横向探槽之间的距离要短，同一探井的横向探槽位于同一垂直线上，1＃至6＃所有探井的横向探槽位于同一垂直面上，1＃至6＃所有探井的横向探槽的长度L相同，都是1500mm，横向探槽直径都是350mm；

参见图4与图5：4. 在每一横向探槽3尽头埋设一个TDR水分计的探头6，并将探头6通过同轴电缆线5与放置在地表的TDR水分计的电缆探测仪4相连，采集水分数据；探头安放时其轴线与探井垂线的夹角θ为45°；

5. 将电缆探测仪4与电脑7连接，把电缆探测仪4采集到的水分数据传输给电脑7；对水分计采集的水分数据进行分析，分析体积含水量与浸水时间的变化曲线，得知发生湿陷土层的深度，以及湿陷变形量与湿陷变形随时间的规律；如果体积含水量随浸水时间的变化曲线存在陡降阶段，表明体积含水量迅速减小，土体在这一点则发生了湿陷；如果不存在体积含水量迅速减小的阶段，则土体没有发生湿陷变形，黄土始终保持饱和状态；而体积含水量急速减小，意味着土体结构遭到破坏，发生了不可逆转的湿陷变形。

1^#探井总共埋设十三个水分计探头，图6a至图6m所示是1^#探井不同深度位置TDR水分计测得的浸水时间与体积含水量的变化关系曲线图。图6a至图6m中，横坐标t代表浸水时间，单位是昼夜，纵坐标θ_w代表体积含水量，单位是 % (m³/ m³)。图6a是1^#探井2.5m处浸水时间与体积含水量变化曲线，从图6a中可以看出浸水第7天，体积含水量骤增，到第18天体积含水量渐增到峰值43.1%，说明水分从第7天到达2.5m土层，并在第17天达到饱和状态(饱和度在85%以上)。随后体积含水量快速下降，并在浸水第30天时达到一个平稳状态，维持在32%左右。体积含水量快速下降意味着该点土体的湿陷，孔隙变小，颗粒之间的水分被挤出。直到浸水第103天，土体含水率再次发生急剧下降，该点处土体再次出现湿陷。由于黄土的湿陷性的充分发挥是需要多次完成，二次湿陷使该处土层得到进一步的压密，故其含水率虽下降，但仍处于饱和状态。

湿陷发生的时间滞后于水分入渗时间，发生第一次湿陷变形相对于水到达2.5m处有11天的储备期，而发生第二次湿陷之前有一个高达75天的相对稳定阶段，出现这种现象的主要原因是第一次湿陷使土体压密，结构稳定，使得再次湿陷较第一次湿陷不易发生。

图6b至图6m分别是1^#探井5m至32.5m处浸水时间与体积含水量变化曲线。总体来看22.5m以上土体的体积含水量均有降低的拐点，而22.5m以下土体的含水率曲线均是不断递增的；体积含水量变化曲线中存在下降的拐点，标志着该点土体的湿陷。即22.5m以上土体在浸水和停水观察中发生湿陷变形，而其下土体在此期间均未发生湿陷变形。从以上分析来看，浅层的体积含水量曲线出现了两个下降阶段，即土体湿陷了两次；而随着土体深度的增加第一个下降段发生不太明显，这也标志着湿陷由两次逐渐转化为一次。

图7a至图7f是4^#探井TDR水分计测得的浸水时间与体积含水量的变化关系曲线图。这六个曲线图与1^#探井水分计探头埋设深度几近相同点位变化趋势相似，18.5m处体积含水量存在减小趋势，而18.5m以下土体体积含水量不再减小一直保持增大趋势，也就是18.5m以下土体在本次试验条件下已不再湿陷。限于篇幅以及含水率变化趋势相似的原因。

其余探井体积含水量变化曲线图不再罗列。

体积含水量下降阶段的出现与土体湿陷密切相关，土体湿陷造成黄土中结构破坏，原有空隙被压密，体积含水量减小。因此湿陷性黄土预浸水地基处理在不打渗水孔的条件下，不能全部消除湿陷性黄土层的湿陷变形。通过本次试验得出结论：可将20m～25m作为大厚度湿陷性黄土地区进行地基处理时的参考处理深度。

本实施例通过在浸水试坑不同位置和深度埋设水分计的运移规律的监测，研究黄土在地面浸水后的入渗规律与湿陷变形的相互关系，结果表明：

(1)在深度20～25m以上土体含水率增加迅速且很快达到饱和状态，以下土体含水率增加缓慢则难以达到饱和状态。

(2)湿陷具有一定的滞后性，从水分增加到基本饱和状态到湿陷变形的发生需要相当长的时间；在深度20～25m以下水则是缓慢入渗，虽然土体含水率在缓慢增加，但达不到湿陷起始含水率，不会发生湿陷。

(3)预浸水法处理湿陷性黄土地基在不打渗水孔的条件下不能全部消除黄土湿陷性，20～25m可作为在大厚度湿陷性黄土地区进行地基处理时的参考处理下限深度。

(4)TDR不仅可以用来测体积含水量，而且可以用来定性判断黄土的湿陷规律。

Claims

1.一种用TDR水分计测试黄土湿陷变形规律的方法，其特征在于包括如下步骤：

A．在黄土研究场地中，预先开挖浸水试坑，浸水试坑深度低于原始地面500mm，浸水试坑直径略大于湿陷性黄土土层厚度；

B.在浸水试坑中以及浸水试坑外共挖设数个探井，这数个探井位于浸水试坑的同一直径及该其直径延长线的同一条直线上；其中：至少两个探井设在浸水试坑中，这两个探井距离浸水试坑中心点的间距为7500～8000mm，用于研究水分垂直入渗规律；其余探井设在浸水试坑边缘以及浸水试坑边缘以外的地方，这些探井之间的距离为3000 ～5000mm，用于研究水分水平入渗规律；浸水试坑中探井最深，涵盖整个湿陷性土层；

C.在每个探井中的井壁上自上而下按2500～4000mm的距离开挖横向探槽，同一探井的横向探槽位于同一垂直线上，所有探井的横向探槽位于同一垂直面上，所有横向探槽的长度相同在1500～1800mm，横向探槽直径350mm；

D. 在每一探槽尽头埋设一个TDR水分计的探头，并将探头通过同轴电缆线与放置在地表的TDR水分计的电缆探测仪相连，采集水分数据；探头安放时其轴线与探井垂线的夹角θ为45°；

E．将电缆探测仪与电脑连接，把电缆探测仪采集到的水分数据传输给电脑；对水分计采集的水分数据进行分析，分析体积含水量与浸水时间的变化曲线，得知发生湿陷土层的深度，以及湿陷变形量与湿陷变形随时间的规律；如果体积含水量随浸水时间的变化曲线存在陡降阶段，表明体积含水量迅速减小，土体在这一点则发生了湿陷；如果不存在体积含水量迅速减小的阶段，则土体没有发生湿陷变形，黄土始终保持饱和状态；而体积含水量急速减小，意味着土体结构遭到破坏，发生了不可逆转的湿陷变形。

2.如权利要求1所述的一种用TDR水分计测试黄土湿陷变形规律的方法，其特征在于：浸水试坑中的探井开挖的横向探槽之间的距离比浸水试坑外的探井开挖的横向探槽之间的距离要短。

3.如权利要求1所述的一种用TDR水分计测试黄土湿陷变形规律的方法，其特征在于：两个探井设在浸水试坑中；所有横向探槽的长度是1500 mm，所有横向探槽的直径是350 mm。