CN104897734B - 土工结构物中土体含水率实时测量系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种土工结构物中土体含水率实时测量系统及方法，该系统包括至少一个探头，每个所述探头包括基座和四根硬质探针，以便于所述探针插入土样中，且每根所述探针分别与一信号线的一端连接；四根所述探针相互平行且均匀地固定于所述基座中，以及，四根所述探针的顶部延伸出所述基座；计算机，用于数据计算、分析及显示；电压测试仪，信号输入口与所述探头连接，以测试不同所述探针之间的电压信号；信号输出口与所述计算机连接，用于将测试结果传输至所述计算机；交流电流源，与所述探头连接，用于向所述探头提供测量电流。本发明的探针可直接插入土样中，实时实地测量含水量，大大提高土样含水量的测试精度。

Description

土工结构物中土体含水率实时测量系统及方法

技术领域

本发明涉及土壤含水率测试技术领域，特别涉及一种土工结构物中土体含水率实时测量系统及方法。

背景技术

土样中含水量分布规律的测试对研究试样水分的迁移与入渗规律至关重要，对研究土的水-力学耦合性能也有着极为重要的价值。近年来，随着高速铁路建设、铁路重载化等交通基础设施的发展，遇到许多关于水害的问题。例如，在中国郑州-西安高速铁路的修建中，出现黄土路堤降雨后发生湿陷，造成线路下沉；在中国哈尔滨-大庆高速铁路建设中，出现了路基的冻胀融沉病害；此外，重载铁路路基的翻浆冒泥病害制约着重载化的发展。因此，测试土中水分迁移规律对掌握土工结构变形机理有着极为重要的价值。

传统的土中含水率测试方法主要是通过采用烘干法测试土样含水率。然而，这种方法测试范围有限，无法测试路基中土样的含水率分布变化，存在无法实时动态观测的弊病。相对于烘干法这种破坏性测试含水量的方法，研究者提出TDR等间接测试方法。此类间接测试方法主要是利用土样的介电常数、磁导率与土样含水率之间的关系，间接获得土样的含水率。存在着普遍依靠专门测试仪器，无法实现与位移、应力传感器的数据联合采集。

发明内容

本发明的目的在于提供一种土工结构物中土体含水率实时测量系统，以精确、无扰动且可电化地实现土中含水率分布的测定。

此外，本发明还提供一种基于上述土工结构物中土体含水率实时测量系统的测量方法。

为了解决上述问题，本发明提供的土工结构物中土体含水率实时测量系统技术方案如下：

一种土工结构物中土体含水率实时测量系统，其包括：至少一个探头，每个所述探头包括基座和四根硬质探针，以便于所述探针插入土样中，且每根所述探针分别与一信号线的一端连接；四根所述探针相互平行且均匀地固定于所述基座中，以及，四根所述探针的顶部延伸出所述基座；计算机，用于数据计算、分析及显示；电压测试仪，信号输入口与所述探头连接，以测试不同所述探针之间的电压信号；信号输出口与所述计算机连接，用于将测试结果传输至所述计算机；交流电流源，与所述探头连接，用于向所述探头提供测量电流。

优选地，在上述土工结构物中土体含水率实时测量系统中，所述探针截面呈圆形，相邻两根所述探针之间的距离为1.5cm。

优选地，在上述土工结构物中土体含水率实时测量系统中，所述探针的顶部侧面包裹有绝缘体，以减少所述探针顶部电场分布不均匀对测试的干扰。

优选地，在上述土工结构物中土体含水率实时测量系统中，所述探针为镀铱钽的钛棒，所述信号线通过设于所述探针上的凹形槽与所述探针卡接。

优选地，在上述土工结构物中土体含水率实时测量系统中，所述基座呈管状，所述探针通过在所述基座中浇筑树脂而固定在所述基座中。

优选地，在上述土工结构物中土体含水率实时测量系统中，所述基座为pvc管。

优选地，在上述土工结构物中土体含水率实时测量系统中，还包括：控制仪，所述控制仪连接于所述交流电流源和所述探头，同时所述电压测试仪与所述控制仪连接，以使所述交流电流源能够连接至所述探头的两个所述探针之间，同时使所述电压测试仪能够连接至所述探头的另外两个所述探针之间。

优选地，在上述土工结构物中土体含水率实时测量系统中，与所述探针连接的所述信号线来自于一单支多股纯铜丝漆包线，所述单支多股纯铜丝漆包线中添加有丝棉，外侧为硅胶皮。

优选地，在上述土工结构物中土体含水率实时测量系统中，所述交流电流源为交流恒流源。

此外，本发明还提供一种土工结构物中土体含水率实时测量方法，其技术方案如下：

一种土工结构物中土体含水率实时测量方法，其采用上述任一土工结构物中土体含水率实时测量系统，并采用如下步骤：将探头分别插入不同含水量且相同压实度的土样中，将每个探头上的探针分别编号为a针、b针、c针和d针；操作控制仪使得相邻的两个探针a针和d针与交流电流源连接，并提供交流电流；操作控制仪并通过电压测试仪测得b针与c针之间的电压，由此计算机计算出第一测试电阻；然后操作控制仪，通过交流电流源在a针与b针上施加交流电流,并通过电压测试仪测得c针与d针之间的电压，由此计算机计算出第二测试电阻；基于第一测试电阻和第二测试电阻，利用VDP理论，计算机计算出对应土层的电阻率；根据预先标定的土层电导率与含水率的对应关系确定各土样的含水率，从而获得土样含水量分布变化曲线，确定对应各点位的含水率。

分析可知，本发明利用范德堡理论(VDP理论)，可以实现对土样含水量的实时、动态测量，由于采用了较为稳固的探头形制和有一定硬度的探针，可直接插入土样中，实时实地测量含水量，大大提高土样含水量的测试精度。

附图说明

图1为本发明的系统实施例的原理框图；

图2为本发明的系统实施例的探头的结构示意图；

图3为本发明的系统实施例的探头的截面结构示意图。

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。

如图1、图2所示，本发明实施例包括至少一个探头10、用于水分迁移测试且主要起到电路切换作用的控制仪11，电压测试仪12、计算机13、交流电流源14。为了直观描述探头10的应用，图1还示出了土样100。应用时探头10的探针1插入土样100中。探头10的数量可以增减，也即，电压测试仪12、计算机13等可以实时处理多个探头10所检测到的土样100的数据。

再如图2、图3所示，每个探头10包括基座2和四根硬质探针1，分别为探针a、探针b、探针c、探针d。具有一定刚度、硬质的探针1可以方便插入土样100中。探针a、探针b、探针c、探针d的末端分别与一信号线的一端连接，四根信号线为一四芯屏蔽电缆4中的四根铜丝。就排列位置而言，探针a、探针b、探针c、探针d相互平行且均匀地固定于基座2中，并且，探针a、探针b、探针c、探针d的顶部延伸出基座2，以能够插入土样100。例如，探针a、探针b、探针c、探针d伸出土样100的长度为2cm，那么测试土样100的厚度为2cm。当然，也可以根据测试要求改探针1的伸出的顶部长度，以调整、适应测试土样厚度。

计算机13用于土样100检测数据的计算、分析及显示。电压测试仪12优选为动态电压测试仪，其信号输入口通过控制仪11与探头10连接，以测试不同探针1之间的电压信号；而其信号输出口与计算机13连接，用于将测试结果传输至计算机13。动态电压测试仪用于测试两个探针之间产生的交变电动势，动态电压测试仪具有测试精度高，高效计算机互访，多通道扫描测试等优点。控制仪11连接于交流电流源14、测试仪12和探头10之间，以使交流电流源14能够连接至探头10的两个探针1之间，同时使电压测试仪13能够连接至探头10的另外两个探针1之间。交流电流源14优选为交流恒流源，与探头10连接，用于向探头10的各探针1之间提供测量电流。电流的频率与大小可以调节，但在实验中电流大小可以保持恒定，采用交流电流避免探针1出现极化现象。

如图3所示，探针1截面呈圆形，截面直径基本为3mm，相邻两根探针1之间的距离为1.5cm。探针1均采用镀铱钽的钛棒，有效防止了测试过程中的极化现象。进一步地，探针1的顶部侧面包裹有封装树脂3，以减少探针1顶部电场分布不均匀对测试的干扰。更进一步地，电缆4中的铜丝通过设于探针1上的凹形槽与探针1卡接，借此，二者之间的连接十分稳定。

如图2，基座2呈管状，探针1通过在基座2中浇筑树脂而固定在基座2中。基座2为pvc管。由于探针1无法与铜丝焊接，为保证铜丝与探针1之间的无间隙、牢固连接，铜丝通过凹形槽(未示出)与探针1卡接，辅以树脂30封装工艺加固。探针1通过热溶树脂30浇筑固定在pvc管的基座2内，价格低廉，制作方便简单，固定牢固。

连接探针1和控制仪11的电缆4为单支多股纯铜丝漆包线，为增加电缆强度，电缆4中添加丝棉，外侧为硅胶皮防护，总厚度0.3mm，保证电缆4的高强度、超导电性和高柔软性，细度也降低导线对实验受力特性的影响。

本实施例基于范德堡理论(van der Pauw method)测试土样100的电导率，在土样100上插入探针a、探针b、探针c、探针d，根据VDP理论，两探针之间施加恒流交变电流，则在其余两个电极上产生交变的电压。具体操作的详细步骤如下：

将探针a、探针b、探针c、探针d分别插入不同含水量且相同压实度的土样中，操作控制仪11使得相邻的两个探针a、d与交流电流源14连接，并提供恒定交流电流I_ad，操作控制仪11，并通过电压测试仪12测得探针b、c之间的电压U_bc，由此可以计算出测试电阻

然后，操作控制仪11，通过交流电流源14在探针a、b上施加恒定交流电流I_ab,并通过电压测试仪12测得探针c、d之间的电压U_cd，由此可以计算出测试电阻将上述采集的R_ad,bc和R_ab,cd值通过计算机13进行采集，计算机13根据公式：

exp(-πR_ab,cdd/ρ)+exp(-πR_ad,bcd/ρ)＝1。

在计算机13内编写二分法编制程序计算出对应土层的电阻率ρ。

最后，根据预先标定的土层电导率与含水率的对应关系确定各含水率土样的含水率，从而获得土样含水量分布变化曲线，确定对应各点位的含水率。

本发明利用范德堡原理实现对土样含水量的实时、动态测量，由于采用较为稳固的探头和有一定硬度的探针，可直接插入土样中，实时实地测量含水量，大大提高了土样含水量的测试精度，具有实时、动态、无损伤等优点，弥补了现有含水量测定方法中存在的破坏试样、测定时间长及影响土样力学性质等问题，探头体积较小，可以高密度分布在土壤中。探针顶部用绝缘树脂封装，可以减少磁场端部效应，探针顶部电场分布对溶质运动扰动和影响范围较小，使测量更加精确。可通过远程感应装置可以将控制仪与测试探头无线连接，实现远程控制。此外本发明还可以实现自动切换，并且具有实时、稳定性好、无损、测试范围精细和操作方便等优点。

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 (9)

1.一种土工结构物中土体含水率实时测量系统，其特征在于，包括 ：

至少一个探头，每个所述探头包括基座和四根硬质探针，以便于所述探针插入土样中，且每根所述探针分别与一信号线的一端连接；四根所述探针相互平行且均匀地固定于所述基座中，以及，四根所述探针的顶部延伸出所述基座 ，所述探针的顶部侧面包裹有绝缘体，以减少所述探针顶部电场分布不均匀对测试的干扰；

计算机，用于数据计算、分析及显示 ；

电压测试仪，信号输入口与所述探头连接，以测试不同所述探针之间的电压信号 ；信号输出口与所述计算机连接，用于将测试结果传输至所述计算机 ；

交流电流源，与所述探头连接，用于向所述探头提供测量电流。

2.根据权利要求 1 所述的土工结构物中土体含水率实时测量系统，其特征在于，所述探针截面呈圆形，相邻两根所述探针之间的距离为 1.5cm。

3.根据权利要求 1 所述的土工结构物中土体含水率实时测量系统，其特征在于，所述探针为镀铱钽的钛棒，所述信号线通过设于所述探针上的凹形槽与所述探针卡接。

4.根据权利要求 1 所述的土工结构物中土体含水率实时测量系统，其特征在于，所述基座呈管状，所述探针通过在所述基座中浇筑树脂而固定在所述基座中。

5.根据权利要求 4 所述的土工结构物中土体含水率实时测量系统，其特征在于，所述基座为 pvc 管。

6.根据权利要求 1 所述的土工结构物中土体含水率实时测量系统，其特征在于，还包括 ：控制仪，所述控制仪连接于所述交流电流源和所述探头，同时所述电压测试仪与所述控制仪连接，以使所述交流电流源能够连接至所述探头的两个所述探针之间，同时使所述电 压测试仪能够连接至所述探头的另外两个所述探针之间。

7.根据权利要求 1 所述的土工结构物中土体含水率实时测量系统，其特征在于，与所述探针连接的所述信号线来自于一单支多股纯铜丝漆包线，所述单支多股纯铜丝漆包线中添加有丝棉，外侧为硅胶皮。

8.根据权利要求 7 所述的土工结构物中土体含水率实时测量系统，其特征在于，所述交流电流源为交流恒流源。

9.一种土工结构物中土体含水率实时测量方法，其特征在于，采用权利要求 1-8 任一所述的土工结构物中土体含水率实时测量系统，并采用如下步骤 ：

将探头分别插入不同含水量且相同压实度的土样中，将每个探头上的探针分别编号为a 针、b 针、c 针和 d 针 ；

操作控制仪使得相邻的两个探针 a 针和 d 针与交流电流源连接，并提供交流电流 ；操作控制仪并通过电压测试仪测得 b 针与 c 针之间的电压，由此计算机计算出第一测试电阻 ；

然后操作控制仪，通过交流电流源在 a 针与 b 针上施加交流电流 , 并通过电压测试仪测得 c 针与 d 针之间的电压，由此计算机计算出第二测试电阻 ；

基于第一测试电阻和第二测试电阻，利用 VDP 理论，计算机计算出对应土层的电阻率；

根据预先标定的土层电导率与含水率的对应关系确定各土样的含水率，从而获得土样含水量分布变化曲线，确定对应各点位的含水率。