CN109813866B - 非饱和冻土基质势的测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种非饱和冻土基质势的测量系统与测量方法，系统包括检测头、温控装置、光学测量模块和数据处理模块；检测头包括外套、温度传感器、液态水过滤板和透光镜片，外套的两端均为开口，液态水过滤板连接于外套的外端以防止液态水进入外套内，透光镜片连接于外套内、沿外套长度方向布置，一对温度传感器分别连接于外套的外端外、关于透光镜片对称布置；温控装置与透光镜片相连用于调控透光镜片的温度；光学测量模块包括红外线发射器、红外线接收器，两者对正设置于外套的内壁、分置于透光镜片的两侧；数据处理模块与光学测量模块电性连接用于监测信号脉冲的变化。现场测量，消除模拟误差；利用光学元件排除低温环境的影响。

Description

非饱和冻土基质势的测量方法

技术领域

本发明属于岩土工程技术领域，特别是涉及一种非饱和冻土基质势的测量系统与测量方法。

背景技术

目前测量非饱和土基质势大小常用方法都是在室内的实验方法，国内开展土壤基质势测量的装置一般采用基于连通器原理的水银负压计、基于热容原理的干式负压计和使用土壤基质势传感器测量吸力等。然而，这类方法虽然有一定的适用范围，但仍然有以下局限性。

1、室内试验与现场试验仍有差别，不能很好地模拟真实土体的真实物理化学性质，在土体的取样和运输过程中，会对土体的原生质造成破坏，尤其是在基质势对外界干扰极其敏感的情况下；

2、低温作业环境下，热力学电子元件会受到影响测量数据不一定准确；

3、目前测量的方法比较复杂，而且测量基质势的精度要求极高，传统的测量方法未能满足试验要求。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的不足之处，提供一种简单、快捷且能够直接在现场进行测量的非饱和冻土基质势的测量系统与测量方法。

本发明提供的这种非饱和冻土基质势的测量系统，它包括检测头、温控装置、光学测量模块和数据处理模块；检测头包括外套、温度传感器、液态水过滤板和透光镜片，外套的两端均为开口，液态水过滤板连接于外套的外端以防止液态水进入外套内，透光镜片连接于外套内、沿外套长度方向布置，一对温度传感器分别连接于外套的外端外、关于透光镜片对称布置；温控装置与透光镜片相连用于调控透光镜片的温度；光学测量模块包括红外线发射器、红外线接收器，红外线发射器和红外线接收器对正设置于外套的内壁、分置于透光镜片的两侧；数据处理模块与光学测量模块电性连接用于监测信号脉冲的变化。

在一个具体实施方式中，使所述外套为圆柱形套体，其外端端部对称布置有一对装配孔。

作为优选，使所述温度传感器为安装于装配孔内带负温的温度计。

在一个具体实施方式中，使所述液态水过滤板包括外板和内衬，外板为固接于外套外端的圆板，内衬为粘接于外板内侧的防水透气膜。

作为优选，所述外套的内端设有封板，所述透光镜片为PC镜片，透光镜片沿外套的轴向中心布置、位于液态水过滤板与封板之间。

作为优选，所述温控装置采用电子温控器，其温度检测元件为铂电阻温度传感器，铂电阻温度传感器设置于所述封板的内侧与透光镜片接触以调控透光镜片的温度。

在一个具体实施方式中，使所述数据处理模块包括数据采集仪和电脑。

本发明还了提供了一种非饱和冻土基质势的测量方法，该方法利用上述的测量系统为工具，包括以下步骤：

步骤一、将检测头的温度传感器端插入冻土地基中，静止8—12分钟，直至温度传感器的温度数值达到稳定时,读取一对温度传感器测得的温度，分记为T₁,T₂,取环境温度为

步骤二、启动温控装置，调节透光镜片的温度至与环境温度相等；

步骤三、静止5-10分钟，至红外线接收器的信号达到稳定，记录红外线接收器所连电脑上的信号强度值；

步骤四、启动温控装置，控制透光镜片的温度降低，直至此时红外线接收器所连的电脑收到的信号强度值为步骤三的信号强度值的93％-96％，此时认为透光镜片上出现水珠或冰晶，记录该时刻的温度T₀；

步骤五、分别求出饱和蒸汽压P和透光镜片上出现水珠或冰晶时的实时蒸汽压P₀，

步骤六、通过饱和蒸汽压和实时蒸汽压求出该土层处的基质势

其中u_a为总的空气压力，u_w为总的水压，v_w为液态水的偏摩尔体积，R为气体常数，T为绝对温度。

本发明在使用时先将检测头的温度传感器端插入冻土地基中，静止8-12 分钟，直至温度传感器的温度数值达到稳定时，读取一对温度传感器测得的温度，然后通过温控装置，调节透光镜片的温度至与环境温度相等；保持一段时间，并记录此时红外线接收器接收到的信号；再通过温控装置，控制透光镜片的温度降低，直至此时红外线接收器所连的电脑收到的信号强度值为步骤三的信号强度值的93％-96％之间，可判定此时透光镜片上出现水珠或冰晶，记录该时刻的温度；根据记录的两个温度分别求解对应的饱和蒸汽压和透光镜片上出现水珠或冰晶时的实时蒸汽压；即可通过饱和蒸汽压和实时蒸汽压求出该土层处的基质势。整个测量过程简单便捷，且各步骤能够直接在现场进行测量，无需采样模拟测量环境，消除传统测量方法中由于采样、运输引起的误差，以及模拟测量环境带来的误差；并且利用光学元件代替热力学元件作为测量元件，排除了低温环境对测量元件的影响。

附图说明

图1为本发明一个优选实施例的使用状态示意图。

图2为图1中检测头轴向剖视放大示意图。

图3为检测头径向的剖视放大示意图。

图4为饱和蒸汽压与温度的关系示意图。

图示序号：

1—检测头，11—外套，12—温度传感器，13—透光镜片，14—液态水过滤板、141—外板、142—内衬，15—封板；

21—红外线发射器，22—红外线接收器；

3—数据处理模块；

4—温控装置。

具体实施方式

如图1所示，本实施例提供的这种非饱和冻土基质势的测量系统，它包括检测头1、光学测量模块、数据处理模块3和温控装置4。

如图2、图3所示，检测头1包括外套11、温度传感器12、透光镜片13 和液态水过滤板14；其中外套11为两端开口的圆柱形套体，其外端端部设有一对关于其轴向中心面对称布置的装配孔，用于安装温度传感器12；温度传感器12选用为带负温的温度计，温度传感器有两个、分别装配于相应的装配孔内用于测量环境温度，从而提供目标值以便于调节透光镜片13的温度；透光镜片13为固接于外套内壁的PC镜片，透光镜片沿外套的轴向中心布置，为了防止外部的液态水进入外套内影响透光镜片，在外套11对应温度传感器的端部设有液态水过滤板14，为了便于对透光镜片进行温度调控在外套的内端设有封板15；液态水过滤板14包括外板141和内衬142，外板为固接于外套外端的圆板，内衬为粘接于外板内侧的防水透气膜，液态水过滤板13以其外板固接于外套的端部以封闭该端将环境中的液态水隔离与外套外；封板15为圆板，其圆心位置处设有通孔以便于温控装置4接线。

如图2、图3所示，光学测量模块包括红外线发射器21、红外线接收器 22，红外线发射器和红外线接收器均沿外套轴向成排布置、分置于透光镜片的两侧；红外线发射器射出的红外线经透光镜片后由红外线接收器接收并传递至数据处理模块3。

数据处理模块3包括数据采集仪与电脑；通过数据处理模块采集到的前后信号强度来控制温控装置4工作。

温控装置4采用电子温控器，电气温控器选用铂电阻温度传感器作为测温电阻，铂电阻温度传感器将温度信号变换为电信号，采用PLC电路来控制继电器使以升高、降低温度，将铂电阻温度传感器设置于封板的内侧与透光镜片接触以监测透光镜片的温度。通过温控装置调节透光镜片的温度，从而使外套内气态水能够在透光镜片13上凝结成冰晶或水珠，以使红外线接收器接收到的信号出现变化。

本实施例利用光学元件替代对温度敏感的热力学元件，应用物理光学的方法完成高精度的未冻水含量测量。根据饱和蒸汽压的公式可计算出相对湿度 (RH)，进而通过开尔文方程可求出基质势：

相对湿度(RH)定义为蒸汽压(P₀)与该点对应的饱和蒸汽压(P)的比值，即

开尔文方程

根据相对湿度的定义，求出该温度下的蒸汽压与该温度下的饱和蒸汽压，即可根据饱和蒸汽压与温度的关系如图4可求出。

其中饱和蒸汽压公式：

其中该温度下的饱和蒸汽压P是根据公式(3)可求；该温度下的蒸汽压P₀可根据露点温度和公式(3)求解。露点温度是指当保持蒸汽压值不变而温度下降，当温度下降到某一临界值(出现水珠或冰晶)时刻，其相对湿度为100％，这个临界值的温度称为露点温度(T₀)。

基于上述原理，本实施例在具体测量时，可按照如下步骤详细进行：

(1)、调试测量系统各部，确保各部能正常运行；确保上下温度传感器能够正常使用，确保红外线发生器与红外线接收器能够正常使用，确保温控装置、数据处理仪器能够正常使用，因此需要在地面上进行一次简单的实验来验证其是否能正常使用；

(2)、将检测头的温度传感器端插入冻土地基中，静止10分钟，读取一对温度传感器测得的温度，分记为T₁,T₂,取环境温度为

(3)、启动温控装置，调节透光镜片的温度至与环境温度相等；

(4)保持监测头在冻土地基中静止5-10分钟，使红外线接收器的信号达到稳定时，记录此时红外线接收器所连电脑上的信号强度值；

(5)再启动温控装置，控制透光镜片的温度降低，直至红外线接收器所连电脑上的信号强度值变化至(4)中信号强度值的95％左右，此时可判定为透光镜片上出现水珠或冰晶，记录该时刻的温度T₀；

(6)、分别求出饱和蒸汽压P和透光镜片上出现水珠或冰晶时的实时蒸汽压P₀，

(7)、通过饱和蒸汽压和实时蒸汽压求出该土层处的基质势

其中u_a为总的空气压力，u_w为总的水压，v_w为液态水的偏摩尔体积，R为气体常数，T为绝对温度。

可见运用本实施例进行测量时整个测量过程简单便捷，且各步骤能够直接在现场进行测量，无需采样模拟测量环境，消除传统测量方法中由于采样、运输引起的误差，以及模拟测量环境带来的误差；并且利用光学元件代替热力学元件作为测量元件，排除了低温环境对测量元件的影响。

Claims (1)

1.一种非饱和冻土基质势的测量方法，其特征在于：本方法采用的测量系统包括检测头、温控装置、光学测量模块和数据处理模块；检测头包括外套、温度传感器、液态水过滤板和透光镜片，外套的两端均为开口，液态水过滤板连接于外套的外端以防止液态水进入外套内，透光镜片连接于外套内、沿外套长度方向布置，一对温度传感器分别连接于外套的外端外、关于透光镜片对称布置；温控装置与透光镜片相连用于调控透光镜片的温度；光学测量模块包括红外线发射器、红外线接收器，红外线发射器和红外线接收器对正设置于外套的内壁、分置于透光镜片的两侧；数据处理模块与光学测量模块电性连接用于监测信号脉冲的变化；

所述外套为圆柱形套体，其外端端部对称布置有一对装配孔；

所述温度传感器为安装于装配孔内带负温的温度计；

所述液态水过滤板包括外板和内衬，外板为固接于外套外端的圆板，内衬为粘接于外板内侧的防水透气膜；

所述外套的内端设有封板，所述透光镜片为PC镜片，透光镜片沿外套的轴向中心布置、位于液态水过滤板与封板之间；

所述温控装置采用电子温控器，其温度检测元件为铂电阻温度传感器，铂电阻温度传感器设置于所述封板的内侧与透光镜片接触以调控透光镜片的温度；

所述数据处理模块包括数据采集仪和电脑；

具体的测量步骤如下：

步骤一、将检测头的温度传感器端插入冻土地基中，静止8—12分钟，直至温度传感器的温度数值达到稳定时,读取一对温度传感器测得的温度，分记为

,

,取环境温度为

；

步骤二、启动温控装置，调节透光镜片的温度至与环境温度相等；

步骤三、静止5-10分钟，至红外线接收器的信号达到稳定，记录红外线接收器所连电脑上的信号强度值；

步骤四、启动温控装置，控制透光镜片的温度降低，直至此时红外线接收器所连的电脑收到的信号强度值为步骤三的信号强度值的93%-96%，此时认为透光镜片上出现水珠或冰晶，记录该时刻的温度为

；

步骤五、分别求出饱和蒸汽压和透光镜片上出现水珠或冰晶时的实时蒸汽压

，

，

；

步骤六、通过饱和蒸汽压和实时蒸汽压求出该土层处的基质势

；其中

为总的空气压力，

为总的水压，

为液态水的偏摩尔体积，R为气体常数，T为绝对温度。

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