CN113325027A - 一种压电陶瓷测量冻土未冻水含量的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种压电陶瓷测量冻土未冻水含量的方法，包括：对试验土样进行冻融循环，并通过压电陶瓷智能骨料获取所述试验土样在所述冻融循环中的应力波能量数据；根据所述试验土样的土样参数获取所述试验土样在第一预设温度下达到冻结稳定状态时未冻水含量作为第一含量；根据所述应力波能量数据和所述第一含量获取在冻融循环中任意时刻下所述试验土样的未冻水含量。本发明一种压电陶瓷测量冻土未冻水含量的方法，无需复杂昂贵的实验设备或仪器，测量成本低；可以直接通过简单的压电陶瓷试验和数据分析，得到土体在冻融循环过程中任意时刻的未冻水含量曲线，从而得到冻土体在不同温度条件下的未冻水含量。

Description

一种压电陶瓷测量冻土未冻水含量的方法

技术领域

本发明涉及冻土检测技术领域，具体涉及一种压电陶瓷测量冻土未冻水含量的方法。

背景技术

冻土是一类特殊的土壤，相比于常规的土壤，冻土内部含有固态的冰，导致其性质与一般土壤有显著差别。按照冻土存在时间长短和所处区域温度变化情况，可将其分为季节性冻土和永久冻土，导致这两类冻土物理力学性质差异的本质原因是由于其内部未冻水含量不同。对于永久冻土，其内部温度常年低于0℃以下，未冻水含量少且性质稳定；而季节性冻土则表现为夏融冬冻，内部未冻水含量也随温度变化而变化，性质也随之改变。由此可见，未冻水含量的多少对于冻土的性质有显著影响，冻土中未冻水含量的实时监测对于了解其性质有重要的意义。

目前，主流的测量未冻水含量的方法有量热法，脉冲核磁共振法（NMR），频域反射法（FDR），电导率法，超声波法等。上述测定未冻水含量的方法或由于测定试样质量有限，需将试样做特殊处理；或测试时间过长，仪器体积庞大且价格昂贵；或操作步骤繁琐复杂，需要操作者具备较好的专业素养等原因，大多未冻水含测量定方法目前还不能广泛普及。因此，一种简单、便捷的冻土未冻水含测量试方法非常重要。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是现有冻土未冻水含量的检测过程成本高、操作复杂、费时费力，目的在于提供一种压电陶瓷测量冻土未冻水含量的方法，解决上述问题。

本发明通过下述技术方案实现：

一种压电陶瓷测量冻土未冻水含量的方法，包括：

对试验土样进行冻融循环，并通过压电陶瓷智能骨料获取所述试验土样在所述冻融循环中的应力波能量数据；

根据所述试验土样的土样参数获取所述试验土样在第一预设温度下达到冻结稳定状态时未冻水含量作为第一含量；

根据所述应力波能量数据和所述第一含量获取在冻融循环中任意时刻下所述试验土样的未冻水含量。

压电陶瓷是一种具有正逆压电效应的陶瓷材料，所谓正压电效应，是指在外界机械能的作用下，会引起压电陶瓷内部正负电荷中心发生相对位移而极化，从而产生电信号，而逆压电效应则是在电信号激励下会引起压电陶瓷内部发生形变，从而产生机械能，并以应力波的形式释放出去。现有技术中，对通过压电陶瓷技术对冻土建筑的相关参数分析已经开始出现，但是通过压电陶瓷技术对冻土相关参数的分析却浅尝辄止，其原因主要在于难以探寻冻土参数与压电陶瓷应力波各种参数之间的对应关系。

本发明实施例实施时，对试验土样进行的冻融循环可以采用现有技术中已有的进行冻融循环的方式，也可以参照本发明相关实施例中的冻融循环的过程，应当理解的是，采用何种方式进行冻融循环都应当在本实施例的限定范围之内。在本实施例实施中，发明人通过创造性劳动，发现冻土未冻水含量与试验土样的应力波能量数据存在对应关系，所以在本实施例中发明人采用了压电陶瓷智能骨料获取应力波能量数据。值得注意的是，通过压电陶瓷智能骨料获取应力波能量数据的过程可以采用两个压电陶瓷片联动，其中一个压电陶瓷片提供应力波，另一个压电陶瓷片接收应力波，也可以采用其他的方式提供应力波，由压电陶瓷片接收应力波，本实施例在此不多做限定。而根据接收的应力波信号获取应力波能量数据可以采用现有技术中任何一种方式进行，在此不多做复述。

在本实施例中，冻土是由固态的冰和土颗粒、液态水以及空气组成的三相体，未冻水含量的变化会引起固态冰和液态水之间相态的相互转化，压电陶瓷智能骨料可以作为信号驱动器和接收器，信号驱动器在高频电信号的激励下发生逆压电效应产生应力波，应力波经过检测材料传递到信号接收器发生正压电效应产生电信号，发明人发现通过比较接收到的电信号可以用于判断冻土内部的物理状态变化，再将电信号转换为信号能量值，分析经过冻土的应力波的信号能量值的变化来确定冻土中固态冰和液态水之间相态转化量的多少，从而确定冻土中未冻水含量。所以在本实施例中的冻融过程中，预设了第一预设温度作为采样的一个参考点，应当理解的是第一预设温度应当是可以达到冻结稳定的温度，即一般应当是小于-3℃的，第一含量的数值是可以通过冻结温度法进行计算获得的。而为了便于对冻土在冻融整个过程中未冻水含量变化进行研究，通过应力波能量数据和第一含量就可以获得任意时刻下所述试验土样的未冻水含量。应当理解的是，由于发明人发现冻土未冻水含量与试验土样的应力波能量数据存在对应关系，所以可以通过现有技术中的方式来对应力波能量数据和第一含量进行处理获得任意时刻下所述试验土样的未冻水含量，示例的，可以采用线性插值、线性回归、最小二乘法拟合等各种可以用于进行区间内数据计算的方式进行未冻水含量的计算。本发明无需复杂昂贵的实验设备或仪器，测量成本低；可以直接通过简单的压电陶瓷试验和数据分析，得到土体在冻融循环过程中任意时刻的未冻水含量曲线，从而得到冻土体在不同温度条件下的未冻水含量。

进一步的，对试验土样进行冻融循环包括冻结过程，所述冻结过程包括：

将所述试验土样放入恒温冷冻箱内，调节温度为第二预设温度保持预设时长，并记录多个时刻所述试验土样的应力波信号和对应时刻的试验土样温度；

调节所述恒温冷冻箱至第三预设温度，并记录多个时刻所述试验土样的应力波信号和对应时刻的试验土样温度；

待所述试验土样温度稳定于所述第三预设温度时，调节所述恒温冷冻箱至第一预设温度，并记录多个时刻所述试验土样的应力波信号和对应时刻的试验土样温度至所述试验土样稳定；

所述第一预设温度低于-3℃，所述第二预设温度高于0℃，所述第三预设温度低于0℃且高于-3℃。

进一步的，对试验土样进行冻融循环包括设置于冻结过程之后的融化过程，所述融化过程包括：

调节所述恒温冷冻箱至第三预设温度，并记录多个时刻所述试验土样的应力波信号和对应时刻的试验土样温度；

待所述试验土样温度稳定时，调节温度为第二预设温度保持预设时长，并记录多个时刻所述试验土样的应力波信号和对应时刻的试验土样温度直到所述试验土样温度稳定于所述第二预设温度。

进一步的，获取所述第一含量包括：

根据下式获取第一含量：

式中：

为第一含量，a为第一土样参数，b为第二土样参数，

为第一预设温度，

为所述试验土样的塑限含水率，

为所述试验土样的液限含水率，

为所述试验土 样达到塑限含水率时的冻结温度绝对值，

为所述试验土样达到液限含水率时的冻结温度 绝对值。

进一步的，获取在冻融循环中任意时刻下所述试验土样的未冻水含量包括：

根据下式获取试验土样i时刻未冻水含量：

式中：

为所述试验土样在i时刻未冻水含量，

为所述试验土样初始含水量，

为所述试验土样在i时刻的应力波能量值，

为初始未冻结状态时所述试验土样的应 力波能量值，

为所述试验土样在第一预设温度冻结稳定状态的应力波能量值，

为 第一含量。

进一步的，获取应力波能量数据包括：

通过压电陶瓷智能骨料获取所述试验土样在所述冻融循环中的应力波信号；

将所述应力波信号进行小波包分析后获取所述试验土样在所述冻融循环中各时刻的应力波能量数据。

进一步的，通过压电陶瓷智能骨料获取所述试验土样在所述冻融循环中的应力波信号包括：

将两片压电陶瓷智能骨料分别设置于所述试验土样的两侧中心处；

通过一片所述压电陶瓷智能骨料输出应力信号，通过另一片所述压电陶瓷智能骨料接收所述应力波信号。

进一步的，所述试验土样的土样参数包括塑限含水率、液限含水率、达到塑限含水率时的冻结温度绝对值、达到液限含水率时的冻结温度绝对值和初始含水量。

进一步的，所述试验土样采用圆柱形容器环刀制备的圆柱形饱和土样。

进一步的，所述压电陶瓷智能骨料包括压电陶瓷片和包裹于所述压电陶瓷片的铜壳；所述铜壳涂有绝缘层。

本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：

本发明一种压电陶瓷测量冻土未冻水含量的方法，无需复杂昂贵的实验设备或仪器，测量成本低；可以直接通过简单的压电陶瓷试验和数据分析，得到土体在冻融循环过程中任意时刻的未冻水含量曲线，从而得到冻土体在不同温度条件下的未冻水含量。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：

图1为本发明实施例方法步骤示意图；

图2为本发明实施例压电陶瓷智能骨料示意图；

图3为本发明实施例线缆示意图；

图4为本发明实施例测试土样试验过程的装置示意图；

图5为本发明实施例测试土样温度-时间曲线图；

图6为本发明实施例测试土样信号能量值-时间曲线图；

图7为本发明实施例测试土样未冻水含量-温度曲线图。

附图中标记及对应的零部件名称：

1-压电陶瓷片，2-铜壳，4-第一屏蔽导线，6-第二屏蔽导线，7-BNC接头，8-试验土样，9-信号驱动器，10-信号接收器，11-温敏传感器，12-温敏数显仪，13-功率放大器，14-DAQ数据采集器，15-电子计算机。

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明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。

实施例

为了便于对上述的一种压电陶瓷测量冻土未冻水含量的方法进行阐述，请结合参考图1，提供了本发明实施例所公开的一种压电陶瓷测量冻土未冻水含量的方法的流程示意图，其中公开了如下步骤S1~S3的内容：

S1：对试验土样8进行冻融循环，并通过压电陶瓷智能骨料获取所述试验土样在所述冻融循环中的应力波能量数据；

S2：根据所述试验土样8的土样参数获取所述试验土样8在第一预设温度下达到冻结稳定状态时未冻水含量作为第一含量；

S3：根据所述应力波能量数据和所述第一含量获取在冻融循环中任意时刻下所述试验土样8的未冻水含量。

本发明实施例实施时，对试验土样8进行的冻融循环可以采用现有技术中已有的进行冻融循环的方式，也可以参照本发明相关实施例中的冻融循环的过程，应当理解的是，采用何种方式进行冻融循环都应当在本实施例的限定范围之内。在本实施例实施中，发明人通过创造性劳动，发现冻土未冻水含量与试验土样的应力波能量数据存在对应关系，所以在本实施例中发明人采用了压电陶瓷智能骨料获取应力波能量数据。值得注意的是，通过压电陶瓷智能骨料获取应力波能量数据的过程可以采用两个压电陶瓷片1联动，其中一个压电陶瓷片1提供应力波，另一个压电陶瓷片1接收应力波，也可以采用其他的方式提供应力波，由压电陶瓷片1接收应力波，本实施例在此不多做限定。而根据接收的应力波信号获取应力波能量数据可以采用现有技术中任何一种方式进行，在此不多做复述。

在本实施例中，冻土是由固态的冰和土颗粒、液态水以及空气组成的三相体，未冻水含量的变化会引起固态冰和液态水之间相态的相互转化，压电陶瓷智能骨料可以作为信号驱动器9和信号接收器10，信号驱动器9在高频电信号的激励下发生逆压电效应产生应力波，应力波经过检测材料传递到信号接收器发生正压电效应产生电信号，发明人发现通过比较接收到的电信号可以用于判断冻土内部的物理状态变化，再将电信号转换为信号能量值，分析经过冻土的应力波的信号能量值的变化来确定冻土中固态冰和液态水之间相态转化量的多少，从而确定冻土中未冻水含量。所以在本实施例中的冻融过程中，预设了第一预设温度作为采样的一个参考点，应当理解的是第一预设温度应当是可以达到冻结稳定的温度，即一般应当是小于-3℃的，第一含量的数值是可以通过冻结温度法进行计算获得的。而为了便于对冻土在冻融整个过程中未冻水含量变化进行研究，通过应力波能量数据和第一含量就可以获得任意时刻下所述试验土样8的未冻水含量。应当理解的是，由于发明人发现冻土未冻水含量与试验土样8的应力波能量数据存在对应关系，所以可以通过现有技术中的方式来对应力波能量数据和第一含量进行处理获得任意时刻下所述试验土样的未冻水含量，示例的，可以采用线性插值、线性回归、最小二乘法拟合等各种可以用于进行区间内数据计算的方式进行未冻水含量的计算。本发明无需复杂昂贵的实验设备或仪器，测量成本低；可以直接通过简单的压电陶瓷试验和数据分析，得到土体在冻融循环过程中任意时刻的未冻水含量曲线，从而得到冻土体在不同温度条件下的未冻水含量。

在一个实施例中，对试验土样8进行冻融循环包括冻结过程，所述冻结过程包括：

将所述试验土样8放入恒温冷冻箱内，调节温度为第二预设温度保持预设时长，并记录多个时刻所述试验土样8的应力波信号和对应时刻的试验土样8温度；

调节所述恒温冷冻箱至第三预设温度，并记录多个时刻所述试验土样8的应力波信号和对应时刻的试验土样8温度；

待所述试验土样8温度稳定于所述第三预设温度时，调节所述恒温冷冻箱至第一预设温度，并记录多个时刻所述试验土样8的应力波信号和对应时刻的试验土样8温度至所述试验土样8稳定；

所述第一预设温度低于-3℃，所述第二预设温度高于0℃，所述第三预设温度低于0℃且高于-3℃。

本实施例实施时，为了保证检测结果的准确性，试验土样在第二预设温度的环境下保持预设时长后可以保证所述试验土样8处于正温下未冻结的稳定状态，发明人在试验中发现，随着试验土样8环境温度的降低，存在一个临界点来保证试验土样8数据的跳跃过程，所以在本实施例中采用了第三预设温度来度过跳跃过程，由于在本实施例中采用了第一预设温度进行数据的计算，所以将第一预设温度设置为低于-3℃，第二预设温度高于0℃，第三预设温度低于0℃且高于-3℃。

在一个实施例中，对试验土样8进行冻融循环包括设置于冻结过程之后的融化过程，所述融化过程包括：

调节所述恒温冷冻箱至第三预设温度，并记录多个时刻所述试验土样8的应力波信号和对应时刻的试验土样8温度；

待所述试验土样8温度稳定时，调节温度为第二预设温度保持预设时长，并记录多个时刻所述试验土样8的应力波信号和对应时刻的试验土样8温度直到所述试验土样8温度稳定于所述第二预设温度。

在一个实施例中，获取所述第一含量包括：

根据下式获取第一含量：

式中：

为第一含量，a为第一土样参数，b为第二土样参数，

为第一预设温度，

为所述试验土样8的塑限含水率，

为所述试验土样8的液限含水率，

为所述试验 土样8达到塑限含水率时的冻结温度绝对值，

为所述试验土样8达到液限含水率时的冻结 温度绝对值。

在一个实施例中，获取在冻融循环中任意时刻下所述试验土样8的未冻水含量包括：

根据下式获取试验土样8在i时刻未冻水含量：

式中：

为所述试验土样8在i时刻未冻水含量，

为所述试验土样8初始含水量，

为所述试验土样8在i时刻的应力波能量值，

为初始未冻结状态时所述试验土样8的 应力波能量值，

为所述试验土样8在第一预设温度冻结稳定状态的应力波能量值，

为第一含量。

本实施例实施时，作为一种优选方案，采用了插值的方式进行某一时刻未冻水含量的计算，应当理解的是在上述公式中，温度的单位为摄氏度，未冻水含量的单位为百分比，含水率的单位为百分比。

在一个实施例中，获取应力波能量数据包括：

通过压电陶瓷智能骨料获取所述试验土样8在所述冻融循环中的应力波信号；

将所述应力波信号进行小波包分析后获取所述试验土样8在所述冻融循环中各时刻的应力波能量数据。

在一个实施例中，通过压电陶瓷智能骨料获取所述试验土样8在所述冻融循环中的应力波信号包括：

将两片压电陶瓷智能骨料分别设置于所述试验土样8的两侧中心处；

通过一片所述压电陶瓷智能骨料输出应力信号，通过另一片所述压电陶瓷智能骨料接收所述应力波信号。

在一个实施例中，所述试验土样8的土样参数包括塑限含水率、液限含水率、达到塑限含水率时的冻结温度绝对值、达到液限含水率时的冻结温度绝对值和初始含水量。

在一个实施例中，所述试验土样8采用圆柱形容器环刀制备的圆柱形饱和土样。

在一个实施例中，所述压电陶瓷智能骨料包括压电陶瓷片1和包裹于所述压电陶瓷片的铜壳2；所述铜壳2涂有绝缘层。

在一个更具体的实施例中，为了进一步的阐述本实施例的工作过程，示例的，所开展的实施例包括以下步骤：

（1）获得测试土样：本实施例所用土样取自青藏铁路唐古拉南至安多区间路基浅表层粉质粘土，在现场直接利用取土器取得测试土样，将土样密封保存后运输至实验室。称取部分土样进行土性试验，通过振筛获得土粒级配曲线。

开展试验测得其塑限含水率

=15.8%，液限含水率

=27.6%。制备液限塑限含 水率时的试样，确定塑限含水率时的冻结温度绝对值

=-0.68℃，液限含水率时的冻结温 度绝对值

=-0.25℃。

（2）制备试验土样8，利用圆柱形容器环刀制备半径为30.9mm，高度为20mm的圆柱形饱和土样，但制备容器不局限与此，制备试样尺寸亦不局限于此。请参阅图2、图3和图4，安装温敏传感器11于土样中心位置，将两片压电陶瓷智能骨料紧贴于土样两侧中心处，输入端信号驱动器9为SA-1，输出端信号接收器10为SA-2，压电陶瓷智能骨料包括压电陶瓷片1，涂有绝缘层的铜壳2，第一屏蔽导线4，第二屏蔽导线6和BNC接头7，本实施例采用的压电陶瓷物理性质参数如下表：

（3）连接试验设备，请参阅图4试验土样8通过导线实现数据的传输，在土样中心安装的温敏传感器11通过导线传递至温敏数显仪12出，可实时监测土样的温度变化情况。通过电子计算机15上LabVIEW软件控制DAQ数据采集器14释放扫频激励信号，所述的扫频信号参数见下表：

激励信号通过导线经过功率放大器13后传递至信号驱动器9，在信号激励下发生逆压电效应产生应力波信号，应力波信号经冻土试样传播至信号接收器10引起正压电效应产生电信号，电信号传输至DAQ数据采集器14，再经USB屏蔽导线显示在LabVIEW软件上，从而形成信号闭环，保存得到相关数据。

（4）开展冻融循环试验：冻融循环分为冻结过程和融化过程，需要分别对土样性质进行测试。

冻结过程第一步，将试样放入恒温冷冻箱内，调节温度为2℃保持24h，每小时记录一次应力波信号及对应时刻的试样温度；第二步，调节试验箱温度为-2℃，每5分钟记录一次应力波信号及对应时刻的试样温度；第三步，待试样温度稳定于-2℃后，调节试验箱温度为低于-3℃的试验温度T，每30分钟记录一次应力波信号及对应时刻的试样温度，直至试样稳定。

融化过程与冻结过程相反，第一步，设置试验箱温度为-2℃，每10分钟记录一次应力波信号及对应时刻的试样温度；第二步，待土样温度稳定之后再升至正温2.0℃进行融化，每10分钟记录一次应力波信号及对应时刻试样温度，直到试样温度稳定于2.0℃，冻融循环结束。

如图5可知试样温度随试验时间的变化情况。在冻结过程中，试样先后进过4个阶段，即温度的过冷（-1.23℃）、跳跃（-0.65℃）、恒定（-0.65~-2℃）和持续递减（-2~-8℃）。而融化则分为持续升温（-8~-2℃）和缓慢升温（-2~2℃）2个部分。

（5）计算信号能量值：利用MATLAB软件对接收到的信号进行小波包分析处理，计算试样随时间变换的信号能量值如下：

由于信号S在尺度n下被分解为2 ⁿ 组信号

，其中在

频带信号为

（为采样点）。

为在i时刻j频 带信号能量：

因此，在i时刻信号S的能量值为：

明确试样初始未冻结状态信号能量值

，试样达到某一负温下冻结稳定状态的 信号能量值

，以及某一时刻i试样的信号能量值

，绘制得到信号能量值随试验时间 变化的曲线如图6所示。

（6）计算冻土未冻水含量：根据冻结温度法，将冻土冻融循环过程的未冻水含量计算分为两部分。

其一，当冻土在恒定负温-8℃条件下时，达到冻结稳定状态时未冻水含量按下式计算：

式中：

为第一含量，a为第一土样参数，b为第二土样参数，

为第一预设温度，

为所述试验土样的塑限含水率，

为所述试验土样的液限含水率，

为所述试验土 样达到塑限含水率时的冻结温度绝对值，

为所述试验土样达到液限含水率时的冻结温度 绝对值。

故有：

其二，根据冻结过程中的信号能量值变化，计算得到冻融循环过程中具体某i时刻时的未冻水含量：

根据下式获取试验土样i时刻未冻水含量：

式中：

为所述试验土样在i时刻未冻水含量，

为所述试验土样初始含水量，

为所述试验土样在i时刻的应力波能量值，

为初始未冻结状态时所述试验土样的应 力波能量值，

为所述试验土样在第一预设温度冻结稳定状态的应力波能量值，

为 第一含量。

绘制得到如图7所示未冻水含量随温度的变化曲线，经对比与核磁共振检测结果较为吻合，说明本发明的一种压电陶瓷测量冻土未冻水含量的方法是稳定可靠的。

本领域普通技术人员可以意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现，为了清楚地说明硬件和软件的可互换性，在上述说明中已经按照功能一般性地描述了各示例的组成及步骤。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。

在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的装置和方法，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，所述单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另外，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口、装置或单元的间接耦合或通信连接，也可以是电的，机械的或其它的形式连接。

所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显本领域普通技术人员可以意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现，为了清楚地说明硬件和软件的可互换性，在上述说明中已经按照功能一般性地描述了各示例的组成及步骤。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。

另外，在本发明各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以是两个或两个以上单元集成在一个单元中。上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。

所述集成的单元如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分，或者该技术方案的全部或部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网格设备等)执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(ROM，Read-OnlyMemory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种压电陶瓷测量冻土未冻水含量的方法，其特征在于，包括：

对试验土样进行冻融循环，并通过压电陶瓷智能骨料获取所述试验土样在所述冻融循环中的应力波能量数据；

根据所述试验土样的土样参数获取所述试验土样在第一预设温度下达到冻结稳定状态时未冻水含量作为第一含量；

根据所述应力波能量数据和所述第一含量获取在冻融循环中任意时刻下所述试验土样的未冻水含量。

2.根据权利要求1所述的一种压电陶瓷测量冻土未冻水含量的方法，其特征在于，对试验土样进行冻融循环包括冻结过程，所述冻结过程包括：

将所述试验土样放入恒温冷冻箱内，调节温度为第二预设温度保持预设时长，并记录多个时刻所述试验土样的应力波信号和对应时刻的试验土样温度；

调节所述恒温冷冻箱至第三预设温度，并记录多个时刻所述试验土样的应力波信号和对应时刻的试验土样温度；

待所述试验土样温度稳定于所述第三预设温度时，调节所述恒温冷冻箱至第一预设温度，并记录多个时刻所述试验土样的应力波信号和对应时刻的试验土样温度至所述试验土样稳定；

所述第一预设温度低于-3℃，所述第二预设温度高于0℃，所述第三预设温度低于0℃且高于-3℃。

3.根据权利要求2所述的一种压电陶瓷测量冻土未冻水含量的方法，其特征在于，对试验土样进行冻融循环包括设置于冻结过程之后的融化过程，所述融化过程包括：

调节所述恒温冷冻箱至第三预设温度，并记录多个时刻所述试验土样的应力波信号和对应时刻的试验土样温度；

待所述试验土样温度稳定时，调节温度为第二预设温度保持预设时长，并记录多个时刻所述试验土样的应力波信号和对应时刻的试验土样温度直到所述试验土样温度稳定于所述第二预设温度。

4.根据权利要求1所述的一种压电陶瓷测量冻土未冻水含量的方法，其特征在于，获取所述第一含量包括：

根据下式获取第一含量：

式中：

为第一含量，a为第一土样参数，b为第二土样参数，

为第一预设温度，

为所述试验土样的塑限含水率，

为所述试验土样的液限含水率，

为所述试验土样达 到塑限含水率时的冻结温度绝对值，

为所述试验土样达到液限含水率时的冻结温度绝对 值。

5.根据权利要求1所述的一种压电陶瓷测量冻土未冻水含量的方法，其特征在于，获取在冻融循环中任意时刻下所述试验土样的未冻水含量包括：

根据下式获取试验土样i时刻未冻水含量：

式中：

为所述试验土样在i时刻未冻水含量，

为所述试验土样初始含水量，

为 所述试验土样在i时刻的应力波能量值，

为初始未冻结状态时所述试验土样的应力波 能量值，

为所述试验土样在第一预设温度冻结稳定状态的应力波能量值，

为第一 含量。

6.根据权利要求1所述的一种压电陶瓷测量冻土未冻水含量的方法，其特征在于，获取应力波能量数据包括：

通过压电陶瓷智能骨料获取所述试验土样在所述冻融循环中的应力波信号；

将所述应力波信号进行小波包分析后获取所述试验土样在所述冻融循环中各时刻的应力波能量数据。

7.根据权利要求6所述的一种压电陶瓷测量冻土未冻水含量的方法，其特征在于，通过压电陶瓷智能骨料获取所述试验土样在所述冻融循环中的应力波信号包括：

将两片压电陶瓷智能骨料分别设置于所述试验土样的两侧中心处；

通过一片所述压电陶瓷智能骨料输出应力信号，通过另一片所述压电陶瓷智能骨料接收所述应力波信号。

8.根据权利要求1所述的一种压电陶瓷测量冻土未冻水含量的方法，其特征在于，所述试验土样的土样参数包括塑限含水率、液限含水率、达到塑限含水率时的冻结温度绝对值、达到液限含水率时的冻结温度绝对值和初始含水量。

9.根据权利要求1所述的一种压电陶瓷测量冻土未冻水含量的方法，其特征在于，所述试验土样采用圆柱形容器环刀制备的圆柱形饱和土样。

10.根据权利要求1所述的一种压电陶瓷测量冻土未冻水含量的方法，其特征在于，所述压电陶瓷智能骨料包括压电陶瓷片和包裹于所述压电陶瓷片的铜壳；所述铜壳涂有绝缘层。

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