CN110987829B - 一种基于光纤传感的探头固定式黏土界限含水率测定方法 - Google Patents
一种基于光纤传感的探头固定式黏土界限含水率测定方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN110987829B CN110987829B CN201911336862.0A CN201911336862A CN110987829B CN 110987829 B CN110987829 B CN 110987829B CN 201911336862 A CN201911336862 A CN 201911336862A CN 110987829 B CN110987829 B CN 110987829B
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- optical fiber
- water content
- sample
- soil
- probe
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Active
Links
- 239000000523 sample Substances 0.000 title claims abstract description 138
- 239000013307 optical fiber Substances 0.000 title claims abstract description 117
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 title claims abstract description 87
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 45
- 239000004927 clay Substances 0.000 title claims abstract description 27
- 239000002689 soil Substances 0.000 claims abstract description 86
- 238000012360 testing method Methods 0.000 claims abstract description 39
- 239000004033 plastic Substances 0.000 claims abstract description 25
- 239000007788 liquid Substances 0.000 claims abstract description 20
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 claims abstract description 15
- 230000035515 penetration Effects 0.000 claims abstract description 11
- 230000008569 process Effects 0.000 claims abstract description 7
- 239000000835 fiber Substances 0.000 claims description 66
- 238000005259 measurement Methods 0.000 claims description 18
- 239000003822 epoxy resin Substances 0.000 claims description 8
- 229920000647 polyepoxide Polymers 0.000 claims description 8
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 claims description 7
- 238000010008 shearing Methods 0.000 claims description 7
- 238000002955 isolation Methods 0.000 claims description 5
- 238000002156 mixing Methods 0.000 claims description 5
- 238000009795 derivation Methods 0.000 claims description 4
- 238000002347 injection Methods 0.000 claims description 4
- 239000007924 injection Substances 0.000 claims description 4
- 238000012886 linear function Methods 0.000 claims description 4
- 229940099259 vaseline Drugs 0.000 claims description 4
- 230000009977 dual effect Effects 0.000 claims description 3
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 abstract description 17
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 4
- 239000000243 solution Substances 0.000 description 4
- 230000009286 beneficial effect Effects 0.000 description 3
- 238000012544 monitoring process Methods 0.000 description 3
- 238000004891 communication Methods 0.000 description 2
- 230000007547 defect Effects 0.000 description 2
- 238000011049 filling Methods 0.000 description 2
- 239000000463 material Substances 0.000 description 2
- 239000002245 particle Substances 0.000 description 2
- 230000001737 promoting effect Effects 0.000 description 2
- 241000565648 Campanula medium Species 0.000 description 1
- 101001059930 Drosophila melanogaster Transcription factor kayak, isoforms A/B/F Proteins 0.000 description 1
- 101001059931 Drosophila melanogaster Transcription factor kayak, isoforms D/sro Proteins 0.000 description 1
- 238000009825 accumulation Methods 0.000 description 1
- 230000009471 action Effects 0.000 description 1
- 238000007605 air drying Methods 0.000 description 1
- 239000010426 asphalt Substances 0.000 description 1
- 238000009529 body temperature measurement Methods 0.000 description 1
- 230000008859 change Effects 0.000 description 1
- 230000000052 comparative effect Effects 0.000 description 1
- 238000010219 correlation analysis Methods 0.000 description 1
- 239000012530 fluid Substances 0.000 description 1
- 238000013507 mapping Methods 0.000 description 1
- 238000005272 metallurgy Methods 0.000 description 1
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 description 1
- 238000000253 optical time-domain reflectometry Methods 0.000 description 1
- 230000000149 penetrating effect Effects 0.000 description 1
- 238000012545 processing Methods 0.000 description 1
- 230000004044 response Effects 0.000 description 1
- 238000005070 sampling Methods 0.000 description 1
- 230000035945 sensitivity Effects 0.000 description 1
- 238000007873 sieving Methods 0.000 description 1
- 238000010561 standard procedure Methods 0.000 description 1
- 230000001550 time effect Effects 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
- G01N21/17—Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated
- G01N21/25—Colour; Spectral properties, i.e. comparison of effect of material on the light at two or more different wavelengths or wavelength bands
- G01N21/255—Details, e.g. use of specially adapted sources, lighting or optical systems
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
- G01L1/00—Measuring force or stress, in general
- G01L1/24—Measuring force or stress, in general by measuring variations of optical properties of material when it is stressed, e.g. by photoelastic stress analysis using infrared, visible light, ultraviolet
- G01L1/242—Measuring force or stress, in general by measuring variations of optical properties of material when it is stressed, e.g. by photoelastic stress analysis using infrared, visible light, ultraviolet the material being an optical fibre
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N3/00—Investigating strength properties of solid materials by application of mechanical stress
- G01N3/02—Details
- G01N3/06—Special adaptations of indicating or recording means
- G01N3/068—Special adaptations of indicating or recording means with optical indicating or recording means
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N3/00—Investigating strength properties of solid materials by application of mechanical stress
- G01N3/24—Investigating strength properties of solid materials by application of mechanical stress by applying steady shearing forces
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N2203/00—Investigating strength properties of solid materials by application of mechanical stress
- G01N2203/02—Details not specific for a particular testing method
- G01N2203/06—Indicating or recording means; Sensing means
- G01N2203/067—Parameter measured for estimating the property
- G01N2203/0676—Force, weight, load, energy, speed or acceleration
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Biochemistry (AREA)
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Analytical Chemistry (AREA)
- Health & Medical Sciences (AREA)
- General Health & Medical Sciences (AREA)
- Immunology (AREA)
- Pathology (AREA)
- Spectroscopy & Molecular Physics (AREA)
- Investigating Or Analysing Materials By Optical Means (AREA)
- Length Measuring Devices By Optical Means (AREA)
- Investigating Strength Of Materials By Application Of Mechanical Stress (AREA)
Abstract
本发明涉及一种基于光纤传感的探头固定式联合测定黏土界限含水率的方法与装置，量测装置包括光纤应变传感模块、光纤温度补偿模块和光纤光栅数据解调模块。传动装置包括步进电机、载物台。步进电机推动试样以一定的速度上移并被圆锥探头贯入，光纤应变传感模块和光纤温度补偿模块实时记录贯入过程中传感模块自身的应变和环境温度信息，可视化地显示于光纤光栅数据解调模块上并籍此得到土样的界限含水率。本发明的固定式探头可测量多种界限含水率，包括液限、塑限、缩限等，还可提高测试效率并解决常规测量技术操作难度高、人为因素扰动大等问题。基于光纤传感技术的超高动态性和实时性，本发明可校验试样土样内部差异，提高测试结果准确性。
Description
技术领域
本发明涉及土壤工程性质测试技术以及光纤传感技术领域，具体涉及一种基于光纤传感的探头固定式联合测定黏土界限含水率的方法与装置。
背景技术
随着含水率的变化，土壤呈现出不同的物理相态阶段，从湿到干，依次有粘滞、塑性、酥性、刚性等结持度，从干到湿则其呈现的次序反之。在每两种结持度阶段的转折处，均分别有一个显明的分界点含水率，即结持限。其中液、塑限的应用最为广泛。液限是土壤呈液态流动的最低含水率。它是粘滞结持度与塑性结持度的分界点含水率。又称上塑限。此点的土-水吸力约为320千帕。在土质学、土力学和土工工程中，根据液限的高低，把土壤分为高塑性(LL＞50％)、中等塑性(LL为35％—50％)和低塑性(LL＜35％)等。还可根据其质地和有机质含量进一步细分，如按照卡萨柯兰德塑性图的分类。塑限是塑性结持度和酥性结持度的分界点含水率。在塑限时，土壤水分的数量恰恰足以形成土粒周围的水膜，水膜粘结性大，在外力作用下带水膜的片状粘粒可相互滑动而定向排列起来，塑造成一定的形状，而当外力撤除后仍可保持。
测定液限的方法较多，国际上以卡萨柯兰德杯碟法作为标准方法，国内长期使用的是圆锥仪法，圆锥仪法操作简单，所测数据比较稳定，标准易于统一。塑限的测定方法简易而常用的是搓条法。该方法最大的缺点是人为因素影响大，测值比较分散，所的成果的再现性和可比性较差。除此之外，自20世纪70年代后期，国家原水利电力部、冶金部和交通部公路系统进行了大量的比较试验。经过多年的经验积累和对比试验，对卡萨柯兰德杯碟法和搓条法进行了相关分析，确定了圆锥仪测定液限和塑限等效贯入深度，建立了液塑限联合测定方法。联合测定法的理论依据是圆锥入土深度与相应的含水率在双对数坐标上具有直线对应关系。然而，这种方法在实际操作过程中也有一些问题。比如，三皿法试样均匀性不好保证，低液限粉土的时间效应对测定结果的影响等等。
近年来分布式光纤传感(DFOS)技术发展迅速，并在探测混凝土、沥青等材料的开裂，以及一些基础土工试验中，得到了一些成功的应用。借助准分布式光纤布拉格光栅(FBG)、全分布式布里渊光时域反射(BOTDR)和布里渊光时域分析(BOTDA)等监测技术，可以自动获取沿光纤长度方向上应变、温度等监测信息的分布情况。其中，FBG技术因其体积小、测量精度高、动态响应灵敏性好等特点吸引了相关技术行业广泛的关注，其应变、温度测量精度能达到1με和0.1℃，数据采集频率高达MHz水平，在时效性和精度上有很大的优势，故该项技术的在土体测试和工程监测中的应用十分广泛，目前该技术尚未在黏土液塑限测定中被很好地利用。基于FBG技术，可以快速并精确地测量黏土的液塑限指标，解决现有测量技术操作难度高、人为因素扰动大以及测试结果不准确等问题。同时，本发明的动态性和实时性有助于校验试样内部的差异性，消除不规范制样引起的测量误差。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明的目的是提供一种基于光纤传感的探头固定式联合测定黏土界限含水率的方法与装置。利用本发明能快速并精确地测量黏土的液塑限指标，解决现有测量技术操作难度高、人为因素扰动大以及测试结果不准确等问题。同时，本发明的动态性和实时性有助于校验试样内部的差异性，消除不规范制样引起的测量误差。
本发明采用了如下技术方案：一种基于光纤传感的探头固定式联合测定黏土界限含水率的装置，包括机箱外壳，机箱外壳底座上固定连接步进电机，步进电机通过传动轴与上面的载物台连接，试样盒自由放置于载物台上，试样盒悬空设置圆锥探头，圆锥探头通过垂向传力结构与光纤温度补偿模块连接，光纤温度补偿模块与光纤应变传感模块固定连接，光纤应变传感模块固定于机箱外壳顶部，光纤应变传感模块通过光纤连接至光纤光栅数据解调模块。
所述的光纤温度补偿模块内部设有第一光纤光栅，第一光纤光栅封装于应变隔离环中。
所述的光纤应变传感模块内部设有第二光纤光栅，第二光纤光栅通过环氧树脂紧密封装于光纤应变传感模块中。
所述的机箱外壳、光纤应变传感模块以及光纤温度补偿模块内部都设有排纤槽，光纤被环氧树脂固定封装在排纤槽中。
所述的步进电机通过传动轴推动载物台以一定的速度向上移动，步进电机的行程小于等于圆锥探头到试样盒底面的距离。
基于所述装置的测量黏土液塑限的方法，包括以下步骤：
第一步，制备土样：本试验采用天然试样或风干试样，采用风干试样时，将试样过0.5mm筛，用纯水将土样调制为均匀膏状，填入试样盒中，制样过程规范，试样无空隙，并保证土样表面平整；
第二步，将试样盒放在载物台上，在圆锥探头锥尖处抹一层凡士林；
第三步，打开步进电机，以一定速度推动载物台上的试样向上移动并被圆锥探头贯入，待探头椎体部分完全贯入后，记录光纤光栅数据解调模块显示屏上的测试数据Δλ1、Δλ2、R1和R2，并取部分土样测定含水率；
第四步，将全部试样加水调匀，重复以上步骤分别测定第二点、第三点试样的含水率以及对应的光纤测试数据Δλ1、Δλ2、R1和R2；
第五步，用标准样进行多组测试，对仪器进行标定。确定出土样含水率与光纤应变差值测量结果的对应关系，根据标定结果制定出适用于该测定装置的应变差值|Δλ2-Δλ1|与含水率的双对数坐标标准表。
第六步，确定土体处于某种界限含水率下的抗剪强度对应的应变差值。根据设置的界面剪应力与土样测试结果(即2个以上的|Δλ2-Δλ1|测量值)，用作图法确定出(Δλ2-Δλ1)LL和(Δλ2-Δλ1)PL或者其它界限含水率对应的光纤应变差值。然后在|Δλ2-Δλ1|和含水率双对数坐标标准曲线(第五步标定结果)中，找到对应的含水率，即为土样对应的液限和塑限或者其它界限含水率。具体地，预设好待测界限含水率对应的土体界面剪应力值，将前四部的测定的结果绘制在界面剪应力-光纤应变差值|Δλ2-Δλ1|图表中，并对测值做线性拟合，然后求出土体界面剪应力值对应的光纤应变差值|Δλ2-Δλ1|。根据第五步标定出来的适用于该测定装置的应变差值|Δλ2-Δλ1|与含水率的双对数坐标标准表，找到对应于光纤应变差值|Δλ2-Δλ1|的含水率，即为所求的界限含水率。
第三步中，光纤光栅数据解调模块按照设置的频率实时采集并显示第一光纤光栅和第二光纤光栅的中心波长变化量，采集完毕后通过内置的程序分别计算得出第一光纤光栅和第二光纤光栅的平均中心波长变化量Δλ1和Δλ2，以及中心波长变化量极差R1和R2。
步骤三所述光纤应变数据(Δλ2-Δλ1)与贯入力呈线性关系，通过标定试验获得；贯入力和圆锥探头-土体界面剪切力呈正比例关系，推导过程如下：
式中，τ为圆锥探头-土体界面剪应力；F为贯入力；α为圆锥顶角；h为圆锥探头椎体部分高度；C为圆锥系数。
根据重塑土抗剪强度与含水率关系，所述圆锥探头-土体界面剪切力对数与土体含水率的对数呈一次函数关系，表达式如下：
lgτ＝C2-mlgw
式中，τ为土体抗剪强度，土体抗剪强度数值上等于圆锥探头-土体界面剪应力；w为土体含水率；C、m为系数。
有益效果：
本发明通过FBG技术监测圆锥探头贯入土样过程中的应力应变值，得到土体对应的抗剪强度指标，然后依据土体强度与含水率的对应关系得出液限与塑限。本发明能快速并精确地测量黏土的液塑限指标，解决现有测量技术操作难度高、人为因素扰动大以及测试结果不准确等问题。同时，本发明的动态性和实时性有助于校验试样内部的差异性，消除不规范制样引起的测量误差。
附图说明
图1是本发明为的一个较佳实施例的一种基于光纤传感的探头固定式联合测定黏土界限含水率的方法中的装置示意图。
其中包括：1.机箱外壳，2.步进电机，3.载物台，4.试样盒，5.圆锥探头，6.光纤温度补偿模块，7.光纤应变传感模块，8.光纤，9.光纤光栅数据解调模块，10.传动轴，11.垂向传力结构。
图2是本发明一个实施例的圆锥探头、光纤应变传感模块和光纤温度补偿模块的结构示意图。
其中包括：8.光纤，61.第一光纤光栅，62.应变隔离环，71.第二光纤光栅。
图3是本发明的一套装置土体极限剪应力τ与光纤测试系统读数(Δλ2-Δλ1)的室内标定试验的结果。
图4是采用本发明一实施例的使用方法测(Δλ2-Δλ1)LL和(Δλ2-Δλ1)PL的结果图。
图5是参照国内通用的圆锥仪法对本发明的一套装置测量数据|Δλ2-Δλ1|和含水率坐标进行标定后获得的标准曲线
图6是采用本发明的技术方案和装置的某一实施例对南京地区长江沿岸典型的下蜀黄土液塑限的测定结果。
具体实施方式
下面结合附图和优选实施例对本发明进行更为具体的描述。在以下描述中，所述部件的尺寸和材料只是为了举例说明技术方案，并不限制本发明的保护范围。
在本发明的技术方案以及实施例的描述中，如出现“内部”、“上”、“下”、等指示方位或者位置关系的术语，皆为基于附图以及本实施例所示的方位或者位置关系，此类描述并不代表或暗示本发明装置或者部件必须的特定方位或必须以特定方位的构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，不能理解为相对重要性的指示。
在本发明的技术方案以及实施例的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，如出现术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，还可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以视具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
显而易见地，下述描述中的附图是本发明的一些技术方案和具体实施方式，本领域普通技术人员，在不付出创造性劳动的情况下参照这些附图和实施方案所获得的其它附图以及实施例，都属于本发明的保护范围。
一种基于光纤传感的探头固定式联合测定黏土界限含水率的方法与装置，包括机箱外壳、传动装置和量测装置。所述的量测装置包括光纤应变传感模块、光纤温度补偿模块和光纤光栅数据解调模块以及圆锥探头。圆锥探头固定连接在光纤温度补偿模块上，光纤温度补偿模块固定连接在焊接于机箱顶部的光纤应变传感模块上，光纤应变传感模块通过光纤连接至光纤光栅数据解调模块。传动装置包括步进电机、载物台和试样盒。步进电机固定连接在机箱底座上，通过推动轴与载物台连接，试样盒自由放置于载物台上。
进一步地，光纤温度补偿模块内部含有第一光纤光栅，第一光纤光栅封装于应变隔离环中。
进一步地，光纤应变传感模块内部含有第二光纤光栅，第二光纤光栅通过环氧树脂紧密封装于光纤应变传感模块中。
进一步地，第一光纤光栅和第二光纤光栅串联后通过光纤连接至光纤光栅数据解调模块。
进一步地，机箱外壳、光纤应变传感模块以及光纤温度补偿模块内部都设有排纤槽，光纤被环氧树脂固定封装在排纤槽中。
进一步地，光纤光栅数据解调模块按照设置的频率实时采集并显示第一光纤光栅和第二光纤光栅的中心波长变化量，采集完毕后通过其内置的程序分别计算得出第一光纤光栅和第二光纤光栅的平均中心波长变化量Δλ1和Δλ2，以及中心波长变化量极差R1和R2。
进一步地，步进电机通过传动轴推动载物台以一定的速度向上移动，步进电机的行程不容许圆锥探头超越试样盒底面。
一种使用上述基于光纤传感技术探头固定式联合测定黏土界限含水率的方法与装置，包括以下步骤：
第一步，制备土样。本试验宜采用天然试样，若采用风干试样时，需将试样过0.5mm筛，用纯水将土样调制为均匀膏状，填入试样盒中。制样过程要规范，试样不应有空隙，并保证土样表面平整。
第二步，将试样盒放在载物台上，在圆锥探头锥尖处抹一层凡士林。
第三步，打开步进电机，使其以一定速度推动载物台上的试样向上移动并被圆锥探头贯入。待探头椎体部分完全贯入后，记录光纤光栅数据解调模块显示屏上的测试数据Δλ1、Δλ2、R1和R2，并取部分土样测定含水率。
第四步，将全部试样加水调匀，重复以上步骤分别测定第二点、第三点试样的含水率以及对应的光纤测试数据Δλ1、Δλ2、R1和R2。
第五步，用标准样进行多组测试，对仪器进行标定。确定出光纤应变差值与土样含水率的对应关系，根据标定结果制定出适用于该测定装置的应变差值|Δλ2-Δλ1|与含水率的双对数坐标标准表。
第六步，确定土体处于某种界限含水率下的抗剪强度对应的应变差值。根据设置的界面剪应力与土样测试结果(即2个以上的|Δλ2-Δλ1|测量值)，用作图法确定出(Δλ2-Δλ1)LL和(Δλ2-Δλ1)PL或者其它界限含水率对应的光纤应变差值。然后在|Δλ2-Δλ1|和含水率双对数坐标标准曲线(第五步标定结果)中，找到对应的含水率，即为土样对应的液限和塑限或者其它界限含水率。具体地，预设好待测界限含水率对应的土体界面剪应力值，将前四部的测定的结果绘制在界面剪应力-光纤应变差值|Δλ2-Δλ1|图表中，并对测值做线性拟合，然后求出土体界面剪应力值对应的光纤应变差值|Δλ2-Δλ1|。根据第五步标定出来的适用于该测定装置的应变差值|Δλ2-Δλ1|与含水率的双对数坐标标准表，找到对应于光纤应变差值|Δλ2-Δλ1|的含水率，即为所求的界限含水率。
进一步地，所述光纤应变数据(Δλ2-Δλ1)与贯入力呈线性关系，可通过标定试验获得。贯入力和圆锥探头-土体界面剪切力呈正比例关系，其推导过程如下：
式中，τ为圆锥探头-土体界面剪应力；F为贯入力；α为圆锥顶角；h为圆锥探头椎体部分高度；C为圆锥系数。
进一步地，根据重塑土抗剪强度与含水率关系，所述圆锥探头-土体界面剪切力对数与土体含水率的对数呈一次函数关系，其表达式如下：
lgτ＝C2-mlgw
式中，τ为土体抗剪强度，土体抗剪强度数值上等于圆锥探头-土体界面剪应力(因为前面的为剪切力的公式，后面这个为强度的公式，所以虽然数值一样，但是给的定义上有区分)；w为土体含水率；C、m为系数。
实施例
如图1所示，一种基于光纤传感的探头固定式联合测定黏土界限含水率的方法与装置，包括机箱外壳1、传动装置和量测装置。所述的量测装置包括光纤应变传感模块7、光纤温度补偿模块6和光纤光栅数据解调模块9以及圆锥探头5。圆锥探头5通过垂向传力结构11固定连接在光纤温度补偿模块6上，光纤温度补偿模块6固定连接在焊接于机箱1顶部的光纤应变传感模块上7，光纤应变传感模块7通过光纤8连接至光纤光栅数据解调模块9。机箱外壳1、光纤应变传感模块7以及光纤温度补偿模块6内部都设有排纤槽，光纤8被环氧树脂固定封装在排纤槽中。传动装置包括步进电机2、载物台3和试样盒4。步进电机2固定连接在机箱1底座上，通过推动轴10与载物台3连接，试样盒4自由放置于载物台3上。
如图2所示，一种基于光纤传感的探头固定式联合测定黏土界限含水率的方法与装置的圆锥探头5、光纤应变传感模块7和光纤温度补偿模块6部分结构，光纤温度补偿模块6内部含有第一光纤光栅61，第一光纤光栅61封装于应变隔离环62中。光纤应变传感模块7内部含有第二光纤光栅71，第二光纤光栅71通过环氧树脂紧密封装于光纤应变传感模块7中。第一光纤光栅61和第二光纤光栅71串联后通过光纤8连接至光纤光栅数据解调模块9。
光纤光栅数据解调模块按照设置频率为1000Hz，实时采集并显示第一光纤光栅和第二光纤光栅的中心波长变化量(0～120nm)，采集完毕后通过其内置的程序分别计算得出第一光纤光栅和第二光纤光栅的平均中心波长变化量Δλ1和Δλ2，以及中心波长变化量极差R1和R2，若R1大于15nm，说明试样制备不够均匀，需要重新制样并测试。
试样盒厚度为4cm，圆锥探头椎体部分总长1.8cm，步进电机通过传动轴推动载物台以1cm/min的速度向上移动，步进电机的行程范围为8cm，其推动载物台到达最高处时，探头锥尖举例试样盒底部0.5cm，圆锥探头未超越试样盒底面。
在使用基所述基于光纤传感技术探头固定式联合测定黏土界限含水率的方法与装置进行测量之前，需对装置进行标定，图3是本实施例中土体极限剪应力τ与光纤测试系统读数(Δλ2-Δλ1)的室内标定试验的结果。图5是参照国内通用的圆锥仪法对本发明的一套装置测量数据|Δλ2-Δλ1|和含水率坐标进行标定后获得的标准曲线。
使用上述基于光纤传感技术探头固定式联合测定黏土界限含水率的方法与装置的实施例，包含以下步骤：
第一步，制备土样。本试验采用南京地区长江中下游典型的下蜀黄土风干试样，并将试样过0.5mm筛。之后用纯水将土样调制为均匀膏状，填入试样盒中并保证土样表面平整。
第二步，将制备好的试样盒放在载物台上，在圆锥探头锥尖处抹一层凡士林。
第三步，打开步进电机，使其推动载物台上的试样向上移动并被圆锥探头贯入。记录光纤光栅数据解调模块显示屏上的测试数据Δλ1、Δλ2、R1和R2，并取部分土样测定含水率。
第四步，将全部试样加水调匀，重复以上步骤分别测定第二点、第三点试样的含水率以及对应的光纤测试数据Δλ1、Δλ2、R1和R2。
第五步，用标准样进行多组测试，对仪器进行标定。确定出土样含水率与光纤应变差值测量结果的对应关系，根据标定结果制定出适用于该测定装置的应变差值|Δλ2-Δλ1|与含水率的双对数坐标标准表，本实施例采用的装置标定所得的标准曲线如图5所示。
第六步，确定土体处于某种界限含水率下的抗剪强度对应的应变差值。根据设置的界面剪应力(本实施例中τ1的值采用3kPa，τ2的值采用143kPa)与土样测试结果(即2个以上的|Δλ2-Δλ1|测量值)，作图法确定出(Δλ2-Δλ1)LL和(Δλ2-Δλ1)PL。具体地，预设待测液限和塑限的土体界面剪应力值τ1的值为3kPa，τ2的值为143kPa，将前四部的测定的结果绘制在界面剪应力-光纤应变差值|Δλ2-Δλ1|图表中，并对测值做线性拟合，然后求出土体界面剪应力值对应的光纤应变差值|Δλ2-Δλ1|。根据第五步标定出来的适用于该测定装置的应变差值|Δλ2-Δλ1|与含水率的双对数坐标标准表，找到对应于光纤应变差值|Δλ2-Δλ1|的含水率，即为所求的液限和塑限。图4和图6展示了本实施例数据处理的具体过程。图4为界面剪应力与光纤应变差值的对应关系(呈线性)，根据图4的对应关系，在确定了预设的界面剪应力后，可以得出其对应的界限含水率状态下的光纤应变差值。图6为参照第五步的标定结果，找到对应于光纤应变差值的含水率，即为本实施例拟测的液限和塑限。
需要说明的是，除上述实施例外，本发明专利还可以有其它实施方式。由所附的权利要求书所限定的本发明并不仅仅局限于上面说明书中所述的一些特定细节，凡采用等同替换或等效变换形成的技术方案，均落在本发明专利要求的保护范围内。
Claims (9)
1.一种基于光纤传感的探头固定式联合测定黏土界限含水率的装置，其特征在于，包括机箱外壳，机箱外壳底座上固定连接步进电机，步进电机通过传动轴与上面的载物台连接，试样盒自由放置于载物台上，试样盒悬空设置圆锥探头，圆锥探头通过垂向传力结构与光纤温度补偿模块连接，光纤温度补偿模块与光纤应变传感模块固定连接，光纤应变传感模块固定于机箱外壳顶部，光纤应变传感模块通过光纤连接至光纤光栅数据解调模块；
所述的光纤温度补偿模块内部设有第一光纤光栅，所述的光纤应变传感模块内部设有第二光纤光栅；光纤光栅数据解调模块按照设置的频率实时采集并显示第一光纤光栅和第二光纤光栅的中心波长变化量，采集完毕后通过内置的程序分别计算得出第一光纤光栅和第二光纤光栅的平均中心波长变化量Δλ1和Δλ2，以及中心波长变化量极差R1和R2；
光纤应变差值(Δλ2-Δλ1)与贯入力呈线性关系，通过标定试验获得；贯入力和圆锥探头-土体界面剪切力呈正比例关系，推导过程如下：
式中，τ为圆锥探头-土体界面剪应力；F为贯入力；α为圆锥顶角；h为圆锥探头椎体部分高度；C为圆锥系数；
根据重塑土抗剪强度与含水率关系，所述圆锥探头-土体界面剪切力对数与土体含水率的对数呈一次函数关系，表达式如下：
lgτ＝C2-mlgw
式中，τ为土体抗剪强度，土体抗剪强度数值上等于圆锥探头-土体界面剪应力；w为土体含水率；C2、m为系数。
2.如权利要求1所述的基于光纤传感的探头固定式联合测定黏土界限含水率的装置，其特征在于，所述的第一光纤光栅封装于应变隔离环中。
3.如权利要求1所述的基于光纤传感的探头固定式联合测定黏土界限含水率的装置，其特征在于，所述的第二光纤光栅通过环氧树脂紧密封装于光纤应变传感模块中。
4.如权利要求1-3任一所述的基于光纤传感的探头固定式联合测定黏土界限含水率的装置，其特征在于，所述的机箱外壳、光纤应变传感模块以及光纤温度补偿模块内部都设有排纤槽，光纤被环氧树脂固定封装在排纤槽中。
5.如权利要求1所述的基于光纤传感的探头固定式联合测定黏土界限含水率的装置，其特征在于，所述的步进电机通过传动轴推动载物台以一定的速度向上移动，步进电机的行程小于等于圆锥探头到试样盒底面的距离。
6.基于权利要求1-5任一装置的测量黏土液塑限的方法，其特征在于，包括以下步骤：
第一步，制备土样：本试验采用天然试样或风干试样，采用风干试样时，将试样过0.5mm筛，用纯水将土样调制为均匀膏状，填入试样盒中，制样过程规范，试样无空隙，并保证土样表面平整；
第二步，将试样盒放在载物台上，在圆锥探头锥尖处抹一层凡士林；
第三步，打开步进电机，以一定速度推动载物台上的试样向上移动并被圆锥探头贯入，待探头椎体部分完全贯入后，记录光纤光栅数据解调模块显示屏上的测试数据Δλ1、Δλ2、R1和R2，并取部分土样测定含水率；其中，Δλ1、Δλ2分别是第一和第二光纤光栅的平均中心波长漂移量，R1和R2分别为的第一和第二光纤光栅的中心波长漂移量极差；
第四步，将全部试样加水调匀，重复以上步骤分别测定第二点、第三点试样的含水率以及对应的光纤测试数据Δλ1、Δλ2、R1和R2；
第五步，用标准样进行多组测试，对仪器进行标定；确定出土样含水率与光纤应变差值测量结果的对应关系，根据标定结果制定出适用于该装置的应变差值|Δλ2-Δλ1|与含水率的双对数坐标标准表；
第六步，确定土体处于某种界限含水率下的抗剪强度对应的应变差值；根据设置的界面剪应力与土样测试结果，用作图法确定出界限含水率对应的光纤应变差值|Δλ2-Δλ1|；然后在|Δλ2-Δλ1|和含水率双对数坐标标准曲线中找到对应的含水率，即为土样对应界限含水率。
7.如权利要求6所述的测量黏土液塑限的方法，其特征在于，第三步中，光纤光栅数据解调模块按照设置的频率实时采集并显示第一光纤光栅和第二光纤光栅的中心波长变化量，采集完毕后通过内置的程序分别计算得出第一光纤光栅和第二光纤光栅的平均中心波长变化量Δλ1和Δλ2，以及中心波长变化量极差R1和R2。
8.如权利要求6所述的测量黏土液塑限的方法，其特征在于，由步骤三所述Δλ2和Δλ1得出光纤应变差值(Δλ2-Δλ1)，(Δλ2-Δλ1)与贯入力呈线性关系，通过标定试验获得；贯入力和圆锥探头-土体界面剪切力呈正比例关系，推导过程如下：
式中，τ为圆锥探头-土体界面剪应力；F为贯入力；α为圆锥顶角；h为圆锥探头椎体部分高度；C为圆锥系数。
9.如权利要求8所述的测量黏土液塑限的方法，其特征在于，根据重塑土抗剪强度与含水率关系，所述圆锥探头-土体界面剪切力对数与土体含水率的对数呈一次函数关系，表达式如下：
lgτ＝C2-mlgw
式中，τ为土体抗剪强度，土体抗剪强度数值上等于圆锥探头-土体界面剪应力；w为土体含水率；C2、m为系数。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201911336862.0A CN110987829B (zh) | 2019-12-23 | 2019-12-23 | 一种基于光纤传感的探头固定式黏土界限含水率测定方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201911336862.0A CN110987829B (zh) | 2019-12-23 | 2019-12-23 | 一种基于光纤传感的探头固定式黏土界限含水率测定方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN110987829A CN110987829A (zh) | 2020-04-10 |
| CN110987829B true CN110987829B (zh) | 2022-01-18 |
Family
ID=70074651
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN201911336862.0A Active CN110987829B (zh) | 2019-12-23 | 2019-12-23 | 一种基于光纤传感的探头固定式黏土界限含水率测定方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN110987829B (zh) |
Families Citing this family (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN111751514B (zh) * | 2020-07-08 | 2024-07-02 | 大连理工大学 | 一种基于光纤传感及非接触电阻率技术的海洋土触变特性测试系统及方法 |
| CN113189303B (zh) * | 2021-04-27 | 2023-04-25 | 青岛市勘察测绘研究院 | 智能液限仪及液限测量方法 |
| CN113567303A (zh) * | 2021-07-20 | 2021-10-29 | 深圳市市政工程总公司 | 疏浚淤泥的液限、塑限及塑性指数测定方法 |
| CN117451798B (zh) * | 2023-12-22 | 2024-04-12 | 云南农业大学 | 基于介电法的红黏土界限含水率评价方法 |
Citations (17)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN87208042U (zh) * | 1987-05-18 | 1988-09-14 | 交通部第一航务工程勘察设计院 | 光栅检测数显圆锥仪 |
| US5316950A (en) * | 1993-01-21 | 1994-05-31 | The United States Of America As Represented By The Secretary Of The Navy | Method for quantitative calibration of in situ optical chemical measurements in soils using soil class and characteristics |
| JPH10185784A (ja) * | 1996-12-26 | 1998-07-14 | Fujita Corp | 平面ひずみ圧縮試験装置および方法 |
| CN1595103A (zh) * | 2004-06-30 | 2005-03-16 | 南京大学 | 超微型贯入仪 |
| CN102359910A (zh) * | 2011-07-27 | 2012-02-22 | 绍兴文理学院 | 一种土体应力应变曲线临塑点和初始弹性模量的测定方法 |
| CN205844078U (zh) * | 2016-09-28 | 2016-12-28 | 山西省交通科学研究院 | 一种制备液塑限土样的试验装置 |
| CN107132172A (zh) * | 2017-04-20 | 2017-09-05 | 苏州南智传感科技有限公司 | 基于ihat‑fbg的岩土体渗流速率与含水率监测系统及方法 |
| CN107271272A (zh) * | 2016-10-21 | 2017-10-20 | 中国矿业大学 | 一种硬土强度和结构测试的探针试验装置和方法 |
| CN107727483A (zh) * | 2017-10-20 | 2018-02-23 | 南京大学（苏州）高新技术研究院 | 一种基于光纤光栅用于地基原位测试的贯入剪切装置及方法 |
| WO2018074928A1 (en) * | 2016-10-20 | 2018-04-26 | Fugro Technology B.V. | Probe for determining soil properties |
| CN108279211A (zh) * | 2018-03-25 | 2018-07-13 | 南京大学 | 一种测量土体含水率的准分布式系统、传感装置和方法 |
| CN108490157A (zh) * | 2018-03-23 | 2018-09-04 | 杭州力勘科技有限公司 | 土样液塑限测量方法及测量土样液塑限的设备 |
| CN108801357A (zh) * | 2018-07-13 | 2018-11-13 | 南京大学 | 一种基于光纤光栅的便携式多功能土体贯入综合测试方法及装置 |
| CN109163995A (zh) * | 2018-09-28 | 2019-01-08 | 中国科学院武汉岩土力学研究所 | 岩石软化程度检测装置 |
| CN109342260A (zh) * | 2018-12-19 | 2019-02-15 | 浙江大学 | 一种土壤水分检测系统及其检测方法 |
| CN208937437U (zh) * | 2018-10-11 | 2019-06-04 | 南京土壤仪器厂有限公司 | 一种数显式土壤液塑限测定仪 |
| CN109839317A (zh) * | 2019-03-13 | 2019-06-04 | 大连理工大学 | 一种微型室内静力触探测试系统及方法 |
Family Cites Families (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20170138828A1 (en) * | 2015-11-17 | 2017-05-18 | Jonathan Scott Ellington | Method of soil liquefaction testing and remediation |
-
2019
- 2019-12-23 CN CN201911336862.0A patent/CN110987829B/zh active Active
Patent Citations (17)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN87208042U (zh) * | 1987-05-18 | 1988-09-14 | 交通部第一航务工程勘察设计院 | 光栅检测数显圆锥仪 |
| US5316950A (en) * | 1993-01-21 | 1994-05-31 | The United States Of America As Represented By The Secretary Of The Navy | Method for quantitative calibration of in situ optical chemical measurements in soils using soil class and characteristics |
| JPH10185784A (ja) * | 1996-12-26 | 1998-07-14 | Fujita Corp | 平面ひずみ圧縮試験装置および方法 |
| CN1595103A (zh) * | 2004-06-30 | 2005-03-16 | 南京大学 | 超微型贯入仪 |
| CN102359910A (zh) * | 2011-07-27 | 2012-02-22 | 绍兴文理学院 | 一种土体应力应变曲线临塑点和初始弹性模量的测定方法 |
| CN205844078U (zh) * | 2016-09-28 | 2016-12-28 | 山西省交通科学研究院 | 一种制备液塑限土样的试验装置 |
| WO2018074928A1 (en) * | 2016-10-20 | 2018-04-26 | Fugro Technology B.V. | Probe for determining soil properties |
| CN107271272A (zh) * | 2016-10-21 | 2017-10-20 | 中国矿业大学 | 一种硬土强度和结构测试的探针试验装置和方法 |
| CN107132172A (zh) * | 2017-04-20 | 2017-09-05 | 苏州南智传感科技有限公司 | 基于ihat‑fbg的岩土体渗流速率与含水率监测系统及方法 |
| CN107727483A (zh) * | 2017-10-20 | 2018-02-23 | 南京大学（苏州）高新技术研究院 | 一种基于光纤光栅用于地基原位测试的贯入剪切装置及方法 |
| CN108490157A (zh) * | 2018-03-23 | 2018-09-04 | 杭州力勘科技有限公司 | 土样液塑限测量方法及测量土样液塑限的设备 |
| CN108279211A (zh) * | 2018-03-25 | 2018-07-13 | 南京大学 | 一种测量土体含水率的准分布式系统、传感装置和方法 |
| CN108801357A (zh) * | 2018-07-13 | 2018-11-13 | 南京大学 | 一种基于光纤光栅的便携式多功能土体贯入综合测试方法及装置 |
| CN109163995A (zh) * | 2018-09-28 | 2019-01-08 | 中国科学院武汉岩土力学研究所 | 岩石软化程度检测装置 |
| CN208937437U (zh) * | 2018-10-11 | 2019-06-04 | 南京土壤仪器厂有限公司 | 一种数显式土壤液塑限测定仪 |
| CN109342260A (zh) * | 2018-12-19 | 2019-02-15 | 浙江大学 | 一种土壤水分检测系统及其检测方法 |
| CN109839317A (zh) * | 2019-03-13 | 2019-06-04 | 大连理工大学 | 一种微型室内静力触探测试系统及方法 |
Non-Patent Citations (3)
| Title |
|---|
| A Fiber Bragg-Grating-Based Miniature Sensor for the Fast Detection of Soil Moisture Profiles in Highway Slopes and Subgrades;Dingfeng Cao,et al;《Sensors》;20181214;第18卷;第1-16页 * |
| 光纤Bragg光栅传感技术在隧道模型试验中应用;马豪豪 等;《岩土力学》;20121130;第33卷;第185-190页 * |
| 基于光纤光栅的土体含水率快速测定试验研究;周谷宇 等;《工程地质学报》;20181231;第26卷(第6期);第1439-1446页 * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN110987829A (zh) | 2020-04-10 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN110987829B (zh) | 一种基于光纤传感的探头固定式黏土界限含水率测定方法 | |
| Seyfried et al. | Dielectric loss and calibration of the Hydra Probe soil water sensor | |
| CN107727483B (zh) | 一种基于光纤光栅用于地基原位测试的贯入剪切装置及方法 | |
| CN109187194B (zh) | 一种基于ofdr的土体张拉力学特性光纤监测与测试方法及装置 | |
| CN108593883B (zh) | 一种应变式侧向膨胀力测试装置及测量方法 | |
| CN111650082B (zh) | 一种非饱和土土水特征曲线测量装置 | |
| Richards | Soil suction measurements with tensiometers | |
| CN101649738A (zh) | 一种确定地层含水饱和度的方法 | |
| CN113790974B (zh) | 一种基于柔性固结压力室的土体水平应力测试方法及系统 | |
| CN103411729B (zh) | 土介质自由应力场中微型土压力传感器的标定方法 | |
| CN104390932A (zh) | 基于红外差谱技术的木材含水率检测方法 | |
| CN204649237U (zh) | 膨胀土渗水、膨胀、加载、固结试验装置 | |
| CN211669200U (zh) | 一种测试膨胀土cbr及膨胀力的多功能cbr筒 | |
| CN206311247U (zh) | 一种基于分布式光纤感测的力和位移测量的传感器装置 | |
| CN109668682B (zh) | 一种横向摩擦力校准装置及校准方法 | |
| Amer et al. | SOIL MOISTURE SENSORS FOR CONTINUOUS MONITORING 1 | |
| CN106525301A (zh) | 一种基于分布式光纤感测的力和位移测量方法及传感器 | |
| CN110174324A (zh) | 多孔沥青混合料表面凝霜深度与变形不均匀性测试装置及方法 | |
| CN109212159B (zh) | 一种多参数冻土现场快速检测装置及其检测方法 | |
| CN106769629A (zh) | 一种土壤质量含水量检测方法 | |
| CN205333459U (zh) | 一种定压力的土壤水分特征曲线测定装置 | |
| CN209198250U (zh) | 一体式自动含水率测定仪 | |
| Bhuiyan et al. | Calibration and assessment of capacitance-based soil moisture sensors | |
| CN211374346U (zh) | 一种温控光纤-土体拉拔试验装置 | |
| CN113533679A (zh) | 一种岩石自由膨胀率测定仪 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |