CN106908346B - 一种土体含水率的快速原位测试试验装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种土体含水率的快速原位测试试验装置，包括土体含水率速测仪，土体含水率速测仪包括称量装置，称量装置的上方放置盛料套管，盛料套管内放置土体，盛料套管设置在真空干燥腔内，真空干燥腔连通真空泵，并通过真空泵抽出空气和水蒸气，真空干燥腔连接微波发射装置，微波发射装置向真空干燥腔内发射微波干燥土体，真空干燥腔内设有远红外测温装置，远红外测温装置监控土体的干燥温度。本发明还公开了一种土体含水率的快速原位测试试验方法。本发明利用真空降压和微波加热使得干燥过程的温度在45℃以下，保证土体内热敏性物质如结合水、有机质的稳定，在有效缩短干燥测量时间的基础上实现了含水率测试的精确性。

Description

一种土体含水率的快速原位测试试验装置和方法

技术领域

本发明涉及土木工程和地质工程勘察技术领域，尤其涉及一种土体含水率的快速原位测试试验装置和方法。

背景技术

土体含水率反映了土的干湿状态，是土的基本物理性质指标之一，一般定义为土壤中自由水的质量与剩余固体物质质量的比值。地质工程领域中土体含水率的准确测试对工程的性质评价、水循环条件研究、边坡稳定性分析以及路基的压实质量控制等方面都有非常重要的意义。

经过多年的快速发展，其基于不同方法原理所得到的精度和适用条件差异很大。常用的含水率测试的方法主要分为直接式和间接式，其中间接式诸如：电阻法、张力计法和干湿度计法等，此类装置原理型号众多，但因不是直接的测量方式而误差较大。直接式土体含水率测试方法主要可以分为五种：1、除水称重法，例如烘干法、酒精燃烧法、微波法、碳化钙减量法、炒干法；2、介电常数法，例如时域反射技术(TDR)、频域反射技术(FDR)；3、放射性物质法，例如：中子法、γ射线法；4、非接触测量法，例如红外遥感法、探地雷达法等。在上述诸多方法之中，常用的方法为烘干法、电阻法、TDR。其中电阻法因精度差已被淘汰；TDR法操作简便，可连续测量，最适用于现场，但其电路复杂，设备较昂贵，而且介电常数与含水率之间的关系需要依照具体情况进行标定才能得到更高的精度；烘干法的核心思想是除水称重，作为目前规范中测定土体质量含水率的标准方法，其测试结果准确，但也存在效率较低、较大土样内部不易烘干、异位实验误差等问题，不能满足现场测试快速便捷的要求。现有的微波干燥技术虽也被应用于土体的含水率测试，但其加热方式迅速，破坏了土体内的有机质和结合水，使其值一般较烘干法偏高。

在测量精度上，除水称重具有其它方法不可比拟的优势，因此以它作为设计思路，在考虑土壤本身物理化学性质的基础上，研究和设计一套适合于工程地质勘查领域的结构简单、设计合理、技术成熟、高精度、快速的土壤含水量原位测试方法及相关设备既为工程必需，也是一项关键技术。

发明内容

有鉴于此，本发明的实施例提供了一种结构简单、设计合理、高精度的土体含水率的快速原位测试试验装置和方法。

本发明的实施例提供一种土体含水率的快速原位测试试验装置，包括土体含水率速测仪，所述土体含水率速测仪包括称量装置，所述称量装置的上方放置盛料套管，所述盛料套管内放置土体，所述盛料套管设置在真空干燥腔内，所述真空干燥腔连通真空泵，并通过真空泵抽出空气和水蒸气降压，所述真空干燥腔连接微波发射装置，所述微波发射装置向真空干燥腔内发射微波干燥土体，所述真空干燥腔内设有远红外测温装置，所述远红外测温装置监控土体的干燥温度。

进一步，所述真空泵通过抽气管连通真空干燥腔，所述抽气管的一端连通真空泵的上方，所述抽气管的另一端连通真空干燥腔的上方，所述真空泵上设有出气口，所述真空泵通过抽气管抽出真空干燥腔内的空气和水蒸气，再通过出气口将真空泵内的空气和水蒸气抽出。

进一步，所述出气口上设有漏能抑制器，所述漏能抑制器防止微波泄漏。

进一步，所述土体含水率的快速原位测试试验装置还包括计算机和直流电源，所述直流电源内设有逆变器，所述逆变器将直流电转变为交流电供给土体含水率速测仪和计算机，所述土体含水率速测仪连接计算机，所述计算机储存和处理土体含水率速测仪的测定结果。

进一步，所述称重装置的精度为0.001g，称量装置包括底座和称重盘，所述称重盘设在真空干燥腔内，所述称重盘上放置盛料套筒，所述盛料套筒的材料为非金属材料，所述底座上设有显示屏和按钮，所述底座的底部设有调平螺母，所述底座内设有储存模块，所述储存模块记录称量装置的称重数据。

进一步，所述微波发射装置包括磁控管和波导，所述波导的一侧连接真空干燥腔，所述波导的另一侧连接磁控管，所述磁控管产生的射频能量沿波导向真空干燥腔内发射微波。

进一步，所述真空干燥腔包括腔体和密封盖，所述盛料套筒放置在腔体内，所述腔体和密封盖通过螺丝固定；所述土体含水率速测仪设置在一箱体内，所述箱体将真空干燥腔、盛料套筒、真空泵和微波发射装置密封，所述真空干燥腔固定焊接在箱体的底部，使土体在密封的环境内进行真空降压和微波干燥，所述箱体的上端通过外盖开合装置连接箱外盖，所述箱体通过箱外盖密封；所述土体含水率速测仪通过插头实现电源接入。

一种土体含水率的快速原位测试试验方法，包括以下步骤：

(1)将土体含水率速测仪连接电源和计算机；

(2)对土体含水率速测仪的称量装置进行校准和调零；

(3)采集土体，并装入土体含水率速测仪的盛料套筒中，将盛料套筒放入真空干燥腔内，并将真空干燥腔密封，通过称量装置称量土体初质量m₁，并将数据传输给计算机；

(4)将真空干燥腔内的空气和水蒸气抽出降压，待真空干燥腔体内的压强降低至一预设值时，通过微波发射装置向真空干燥腔发射微波干燥土体，干燥土体过程中通过称量装置观察土体的质量变化，待称量装置称量的土体质量稳定时，记录土体终质量m₂，并将数据传输给计算机；

(5)计算机通过步骤(3)的土体初质量m₁和步骤(4)的土体终质量m₂计算土体含水率；

(6)取出土体，重复步骤(3)至步骤(5)，计算土体含水率的平均值。

进一步，所述步骤(4)中，土体内水的沸点随真空干燥腔内压强的变化而变化，水的沸点T随压强P的变化公式为：

T＝100+0.0367*(P-1.013*105)-0.000023*(P-1.013*105)²；

干燥土体过程中通过远红外测温装置监控干燥温度，干燥温度控制在25～45℃，使干燥后土体中结合水与有机质稳定存在。

进一步，所述步骤(5)中，土体含水率的计算公式为：

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1、本发明利用真空泵降低压强达到降低自由水沸点的目的，结合微波加热技术使得干燥过程的温度在45℃以下，保证土体内热敏性物质如结合水、有机质的稳定，在有效缩短干燥测量时间的基础上实现了含水率测试的精确性；

2、本发明的测量方法结构简单、设计合理、可靠性好、维护量小，大大提升了土体含水率测试的精确性；

3、本发明的测量方法相比传统土体微波含水率测试方法，不需要反复拿出来称重，在判断其质量无变化后再确定、计算，整个操作过程包括测量结果数据的计算、储存过程更加方便，降低了对操作人员的要求；

4、本发明的设计实现了土体含水率的原位测试，避免了取样、运输过程中造成的异位实验误差、低效率的问题，采用远红外测温装置，使其既可感温又不至于引起微波放电，保证了对土体温度的实时监控。

附图说明

图1是本发明一种土体含水率的快速原位测试试验装置的组成示意图。

图2是图1中土体含水率速测仪的结构示意图。

图3是本发明一种土体含水率的快速原位测试试验方法的流程图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地描述。

请参考图1，本发明的实施例提供了一种土体含水率的快速原位测试试验装置，包括土体含水率速测仪1、计算机2和直流电源3，直流电源3内设有逆变器(图中未示出)，逆变器将直流电转变为交流电供给土体含水率速测仪1和计算机2，土体含水率速测仪1连接计算机2，计算机2储存和处理土体含水率速测仪1的测定结果，在一实施例中，土体含水率速测仪1通过插头10实现电源接入。

请参考图2，土体含水率速测仪1包括称量装置12，称量装置12的上方放置盛料套管14，在一实施例中，称重装置的精度为0.001g，称量装置12包括底座121和称重盘122，称重盘122设在真空干燥腔13内，称重盘122上放置盛料套管14，盛料套筒14的材料为非金属材料，底座121上设有显示屏123和按钮124，底座121的底部设有调平螺母125，底座121内设有储存模块126，储存模块126记录称量装置12的称重数据，通过调节调平螺母125使土体含水率速测仪1呈水平状态，通过按钮124校零。

盛料套管14内放置土体，盛料套管14设置在真空干燥腔13内，在一实施例中，真空干燥腔13包括腔体131和密封盖132，盛料套筒14放置在腔体131内，腔体131和密封盖132通过螺丝133固定。

真空干燥腔13连通真空泵15，并通过真空泵15抽出空气和水蒸气降压，在一实施例中，真空泵15通过抽气管151连通真空干燥腔13，抽气管151的一端连通真空泵15的上方，抽气管151的另一端连通真空干燥腔13的上方，真空泵15上设有出气口152，真空泵15通过抽气管151抽出真空干燥腔13内的空气和水蒸气，再通过出气口152将真空泵15内的空气和水蒸气抽出。出气口152上设有漏能抑制器153，漏能抑制器153防止微波泄漏。

真空干燥腔13连接微波发射装置16，微波发射装置16向真空干燥腔13内发射微波而干燥土体，在一实施例中，微波发射装置16包括磁控管161和波导162，波导162的一侧连接真空干燥腔13，波导162的另一侧连接磁控管161，磁控管161产生的射频能量沿波导162向真空干燥腔13内发射微波。

真空干燥腔13内设有远红外测温装置17，远红外测温装置17监控土体的干燥温度。

在一实施例中，土体含水率速测仪1设置在一箱体11内，箱体11将真空干燥腔13、盛料套筒14、真空泵15和微波发射装置16密封，真空干燥腔13固定焊接在箱体11的底部，使土体在密封的环境内进行真空降压和微波干燥，箱体11的上端通过外盖开合装置111连接箱外盖112，箱体11通过箱外盖112密封。

请参考图3，一种土体含水率的快速原位测试试验方法，包括以下步骤：

(1)将土体含水率速测仪连接电源和计算机；将土体含水率速测仪1通过逆变器连接好电源3，通过数据线连接计算机2；

(2)对土体含水率速测仪1的称量装置12进行校准和调零；

(3)采集土体，并装入土体含水率速测仪1的盛料套筒14中，将盛料套筒14放入真空干燥腔13内，并将真空干燥腔13密封，通过称量装置12称量土体初质量m₁，并将数据传输给计算机2；

(4)将真空干燥腔13内的空气和水蒸气抽出降压，土体内水的沸点随真空干燥腔13内压强的变化而变化，水的沸点T随压强P的变化公式为：

T＝100+0.0367*(P-1.013*105)-0.000023*(P-1.013*105)²；

通过降低真空干燥腔13的压强，使土体内水的沸点降低，进而使干燥土体的温度降低，既节约能源，同时微波低温干燥土体，能使干燥后的土体中结合水与有机质稳定存在。

待真空干燥腔体13内的压强降低至一预设值时，通过微波发射装置16向真空干燥腔13发射微波干燥土体，干燥土体过程中通过远红外测温装置17监控干燥温度，干燥温度控制在25～45℃，并通过称量装置12观察土体的质量变化，待称量装置12称量的土体质量稳定时，记录土体终质量m₂，并将数据传输给计算机2。

(5)计算机通过步骤(3)的土体初质量m₁和步骤(4)的土体终质量m₂计算土体含水率，计算公式为：

(6)取出土体，重复步骤(3)至步骤(5)，计算土体含水率的平均值。

本发明利用真空泵降低压强达到降低自由水沸点的目的，结合微波加热技术使得干燥过程的温度在45℃以下，保证土体内热敏性物质如结合水、有机质的稳定，在有效缩短干燥测量时间的基础上实现了含水率测试的精确性；本发明的测量方法结构简单、设计合理、可靠性好、维护量小，大大提升了土体含水率测试的精确性；本发明的测量方法相比传统土体微波含水率测试方法，不需要反复拿出来称重，在判断其质量无变化后再确定、计算，整个操作过程包括测量结果数据的计算、储存过程更加方便，降低了对操作人员的要求；本发明的设计实现了土体含水率的原位测试，避免了取样、运输过程中造成的异位实验误差、低效率的问题，采用远红外测温装置，使其既可感温又不至于引起微波放电，保证了对土体温度的实时监控。

在本文中，所涉及的前、后、上、下等方位词是以附图中零部件位于图中以及零部件相互之间的位置来定义的，只是为了表达技术方案的清楚及方便。应当理解，所述方位词的使用不应限制本申请请求保护的范围。

在不冲突的情况下，本文中上述实施例及实施例中的特征可以相互结合。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种土体含水率的快速原位测试试验方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)将土体含水率速测仪连接电源和计算机,所述土体含水率速测仪包括称量装置，所述称量装置的上方放置盛料套管，所述盛料套管设置在真空干燥腔内，所述真空干燥腔连接微波发射装置；

(2)对土体含水率速测仪的称量装置进行校准和调零；

(3)采集土体，并装入土体含水率速测仪的盛料套筒中，将盛料套筒放入真空干燥腔内，并将真空干燥腔密封，通过称量装置称量土体初质量m₁，并将数据传输给计算机；

(4)将真空干燥腔内的空气和水蒸气抽出而降低所述真空干燥腔的压强，使土体内水的沸点降低，待真空干燥腔体内的压强降低至一预设值时，通过微波发射装置向真空干燥腔发射微波而蒸发自由水干燥土体，并使干燥后的土体中结合水与有机质稳定存在而保留结合水，干燥土体过程中通过称量装置观察土体的质量变化，待称量装置称量的土体质量稳定时，记录土体终质量m₂，并将数据传输给计算机；

(5)计算机通过步骤(3)的土体初质量m₁和步骤(4)的土体终质量m₂计算土体含水率；

(6)取出土体，重复步骤(3)至步骤(5)，计算土体含水率的平均值。

2.根据权利要求1所述的土体含水率的快速原位测试试验方法，其特征在于，所述步骤(4)中，土体内水的沸点随真空干燥腔内压强的变化而变化，水的沸点T随压强P的变化公式为：

T＝100+0.0367*(P-1.013*105)-0.000023*(P-1.013*105)²；

干燥土体过程中通过远红外测温装置监控干燥温度，干燥温度控制在25～45℃，使干燥后土体中结合水与有机质稳定存在。

3.根据权利要求1所述的土体含水率的快速原位测试试验方法，其特征在于，所述步骤(5)中，土体含水率的计算公式为：