CN114755269A - 基于无损时域反射技术的黄土湿陷性原位评价方法及系统 - Google Patents

基于无损时域反射技术的黄土湿陷性原位评价方法及系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于无损时域反射技术的黄土湿陷性原位评价方法及系统，利用无损时域反射技术原位测试黄土介电常数和电导率；基于所测试介电常数和电导率计算黄土干密度和质量含水量；考虑黄土干密度、质量含水量以及基本物理特性指标，通过数学模型对黄土湿陷性进行原位评价。本发明的基于无损时域反射技术的黄土湿陷性原位评价方法不仅可实现黄土有无湿陷性的判定，而且具有区分强烈、中等和轻微湿陷程度的潜力。本发明方法技术先进，耗时短，费用低，操作方便，可靠度高，实用性强，是一种黄土地区工程勘察技术的新手段。

Description

基于无损时域反射技术的黄土湿陷性原位评价方法及系统
技术领域
本发明属于岩土工程领域的原位勘察技术领域，具体涉及一种基于无损时域反射技术的黄土湿陷性原位评价方法及系统。
背景技术
黄土作为一种具有水敏性的特殊土，在我国西北地区广泛分布，总计约占国土面积的6％。随着我国社会经济发展和国家发展战略需求，黄土地区基础设施建设规模日益高涨。在黄土地区开展工程建设时，对场地进行精准的湿陷性勘评价是保障工程构筑物服役性能和安全性的重要前提。
目前，黄土湿陷性评价主要有室内试验和现场试验两种方法。针对室内试验方法，首先通过原位钻孔获取不同深度的黄土原状样，随后在实验室内利用一维固结仪进行常含水量状态下的力学压缩和注水饱和并测试湿陷系数，最后通过所测湿陷系数评价黄土湿陷性。该方法虽简便，但存在取原状样困难和耗时等缺点。首先，从现场取原状样到室内试验这一过程难免造成黄土结构破坏，进而影响湿陷性评价准确性。其次，室内常含水量的一维压缩试验施加每级荷载需24小时稳定，这对大面积黄土场地中大量原状样的测试极为耗时。
对于现场试验方法，分为静载荷试验和试坑浸水试验。静载荷试验用来测定湿陷起始压力，试坑浸水试验用来测定自重湿陷量和自重湿陷下限深度。针对静载荷试验，首先在现场开挖测试场地，进而利用加载装置加压和注水并进行沉降观测，最后根据压力-沉降曲线判定湿陷起始压力。针对试坑浸水试验，首先在现场开挖试验坑并设置标点，随后在浸水过程中观测湿陷量、耗水量、浸湿范围和地面裂缝，最后根据标点监测结果获得自重湿陷量和自重湿陷下限深度。上述两种现场试验方法虽可靠性较高，但存在费用高的缺点。这主要是由于现场试验需建立试验场地并配套复杂设备和专业技术人员。
综上所述，现有黄土湿陷性评价方法的缺点，急需研究原位快速评价黄土湿陷性的新方法。实现黄土湿陷性原位快速评价可分三步：首先，综合考虑影响黄土湿陷性的主要指标，建立湿陷性评价数学模型；其次，针对湿陷性评价数学模型中主要指标，采用原位测试技术进行准确测试；最后，基于所测试指标和湿陷性评价数学模型，对黄土湿陷性进行原位评价。基于现有大量黄土湿陷性的试验和理论研究，干密度和质量含水量是影响黄土湿陷性的两个重要指标。土体由土颗粒、空气和水三相组成，干密度表示单位体积中土颗粒质量。黄土干密度越大表明土体中孔隙越少，浸水后产生湿陷变形越小。质量含水量表示单位土颗粒质量中所含水质量。黄土质量含水量越大表明土体达到饱和状态所容许的增湿量越小，浸水后产生湿陷变形也越小。
因此，建立基于干密度和质量含水量的黄土湿陷性数学模型，并对黄土干密度和含水量进行准确原位测试，是实现黄土湿陷性原位快速评价的一种有效路径。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种基于无损时域反射技术的黄土湿陷性原位评价方法及系统，能够判定黄土有无湿陷性，具有区分强烈、中等和轻微湿陷程度的潜力。
本发明采用以下技术方案：
一种基于无损时域反射技术的黄土湿陷性原位评价方法，包括以下步骤：
S1、通过无损时域反射技术测试现场布置点原状黄土的时域反射波形图，根据时域反射波形图获得布置点原状黄土的介电常数和电导率；
S2、结合步骤S1获得的布置点原状黄土介电常数、电导率以及室内标定参数，计算现场布置点原状黄土的干密度和质量含水量；
S3、考虑步骤S2计算的原状黄土干密度、质量含水量以及基本物理特性指标，通过数学模型对黄土湿陷性进行原位评价。
具体的，步骤S1具体为：
根据现场测试区域环境选择测试点的位置和数量；对拟测试点位进行整平处理，使用非侵入式探头与整平后的测试点位紧密贴合5～10s后，使用计算机驱动时域反射信号发射装置通过非侵入式探头获取测试点位的时域反射波形图，根据时域反射波形图计算原状黄土的介电常数和电导率。
具体的，步骤S2具体为：
S201、将现场取回的碎屑黄土烘干过筛后配置n组相同干密度、不同质量含水量的压实土样进行室内标定试验，n≥4，随后利用最小二乘法获得室内标定参数a1、b1、c1、d1值；
S202、利用现场布置点原状黄土介电常数、电导率与室内标定参数a1、b1、c1、d1，得到现场布置点原状黄土干密度和质量含水量。
进一步的，步骤S201中，室内标定试验计算如下：
Figure BDA0003594488630000031
Figure BDA0003594488630000032
其中，Ka为标定样品的介电常数，ECb为标定样品的电导率，pw为水密度，pd为标定黄土干密度，w为质量含水量。
进一步的，步骤S202中，原状黄土质量含水量wf和干密度pd,f计算如下：
Figure BDA0003594488630000033
Figure BDA0003594488630000034
其中，Ka,f和ECb,f分别为现场布置点原位测试的原状黄土介电常数和电导率，ECb,jf为介电常数调整后的电导率，pw为水密度，β和λ分别为b1和d1的修正系数。
更进一步的，介电常数调整后的电导率ECb,jf为：
Figure BDA0003594488630000041
其中，pd为标定黄土干密度。
具体的，步骤S3具体为：
结合现场布置点原状黄土干密度、质量含水量以及基本物理特性指标，计算布置点原状黄土的湿陷性评价指标KL；以室内压缩结果为依据，对布置点原状黄土的湿陷性评价指标KL计算值进行区间划分，确定强烈湿陷、中等湿陷、轻微湿陷和不湿陷。
进一步的，湿陷性评价指标KL为：
Figure BDA0003594488630000042
其中，Gs为黄土比重，Ip为黄土塑性指数。
进一步的，当KL<0.85时，不湿陷；当0.85≤KL<1.26时，轻微湿陷；当1.26≤KL<1.90时，中等湿陷；当KL≥1.90时，强烈湿陷。
本发明的另一个技术方案是，一种基于无损时域反射技术的黄土湿陷性原位评价系统，包括：
采集模块，通过无损时域反射技术测试现场布置点原状黄土的时域反射波形图，根据时域反射波形图获得布置点原状黄土的介电常数和电导率；
计算模块，结合采集模块获得的布置点原状黄土介电常数、电导率以及室内标定参数，计算现场布置点原状黄土的干密度和质量含水量；
评价模块，考虑计算模块计算的原状黄土干密度、质量含水量以及基本物理特性指标，通过数学模型对黄土湿陷性进行原位评价。
与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：
本发明一种基于无损时域反射技术的黄土湿陷性原位评价方法，采用无损时域反射技术原位测试黄土介电常数和电导率；基于所测试介电常数和电导率计算黄土干密度和质量含水量；考虑黄土干密度、质量含水量以及基本物理特性指标，通过数学模型对黄土湿陷性进行原位评价，本发明利用土体介电特性不仅可实现黄土干密度和质量含水量的快速、无损、经济测试，而且具有区分强烈、中等、轻微湿陷程度的潜力。
进一步的，合理选择测试点的位置和数量可以控制测试点位的分布密度，进而提高勘察结果的精确性和可靠性。拟测试点位整平处理和非侵入式探头紧密贴合可使土体与探针较好的接触并减小测试过程中原状黄土结构性的破坏，进而获得稳定且准确的电磁波反射信号。利用时域反射技术测试原状黄土的介电常数和电导率，原理明确，技术成熟，操作简单。
进一步的，室内标定试验利用n组(n≥4)压实黄土可包含较大的含水量范围，且保证了与原位测试相同的土体物质组成，为原状黄土干密度和质量含水量的计算提供了具有代表性的参数a1、b1、c1、d1标定值。结合原状黄土介电常数、电导率与室内标定参数计算原状黄土的干密度和质量含水量，该计算流程既利用了原状黄土的电学特性，又包含具有代表性的标定参数，确保了原状黄土干密度和质量含水量的计算精确性。
进一步的，通过介电常数、电导率标定建立了介电常数、电导率与土体干密度、质量含水量的联系，为室内标定试验提供了理论基础。
进一步的，通过原状黄土质量含水量和干密度的计算建立原状黄土介电常数、电导率、室内标定参数与原状黄土质量含水量、干密度的经验关系，提供了计算原状黄土干密度、质量含水量的理论基础。此外，上述计算式通过引进参数β和λ分别考虑了标定过程黄土特性的改变(如：烘干、击实等)以及原状黄土和标定压实黄土孔隙水电导率差异对测试结果的影响，提高了测试结果的准确性。
进一步的，通过介电常数调整后的电导率ECb,jf建立介电常数与电导率的联系，利用介电常数对土体孔隙流体电导率变化不敏感的特性，采用经过介电常数调整后的电导率，提高了计算原状黄土质量含水量的准确性。
进一步的，利用原状黄土干密度、质量含水量以及基本物理特性指标计算湿陷性评价指标KL，该指标既包含了影响黄土湿陷性的主要参数，又较为简洁且便于计算。通过室内压缩试验结果(依据规范GB 50025-2018)对湿陷性评价指标KL计算值进行区间划分，划分区间后的指标KL保持了同规范评价湿陷程度的一致性，进而增加了指标KL在工程应用中的可操作性。
进一步的，通过湿陷性评价指标KL建立了黄土湿陷程度与干密度、质量含水量以及基本物理特性指标(如：比重、塑性指数)的联系，为湿陷性评价指标KL提供了理论基础。此外，该计算式简洁且参数易得，实用性较强。
进一步的，根据室内压缩试验结果(依据规范GB 50025-2018)划分湿陷性评价指标KL的区间为：当KL<0.85时，不湿陷；当0.85≤KL<1.26时，轻微湿陷；当1.26≤KL<1.90时，中等湿陷；当KL≥1.90时，强烈湿陷。该湿陷性评价指标KL划分区间与室内压缩结果对应明确，工程应用性强。
综上所述，采用一种基于无损时域反射技术的黄土湿陷性原位快速评价方法具有理论明确、对土样结构扰动小、测试时间短、花费低、技术先进且可靠度高、工程应用性强等优点，进而可成为黄土地区工程勘察技术的一种新手段。
下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
图1为本发明的无损时域反射设备图，其中，(a)为无损时域反射装置测试图；(b)为非侵入式探头轮廓图；(c)为非侵入式探头中探针平面布置图；
图2为本发明的基于无损时域反射技术和烘干法测试场地1的结果图，其中，(a)为干密度；(b)为质量含水量；
图3为场地1基于本发明方法和室内压缩试验判定湿陷结果对比图；
图4为本发明的基于无损时域反射技术和烘干法测试场地2的结果图，其中，(a)为干密度；(b)为质量含水量；
图5为场地2基于本发明方法和室内压缩试验判定湿陷结果对比图。
其中，1.时域反射信号发射装置；2.非侵入式探头；3.计算机；4.同轴电缆；5.环氧树脂；6.探针。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“包括”和“包含”指示所描述特征、整体、步骤、操作、元素和/或组件的存在，但并不排除一个或多个其它特征、整体、步骤、操作、元素、组件和/或其集合的存在或添加。
还应当理解，在本发明说明书中所使用的术语仅仅是出于描述特定实施例的目的而并不意在限制本发明。如在本发明说明书和所附权利要求书中所使用的那样，除非上下文清楚地指明其它情况，否则单数形式的“一”、“一个”及“该”意在包括复数形式。
还应当进一步理解，在本发明说明书和所附权利要求书中使用的术语“和/或”是指相关联列出的项中的一个或多个的任何组合以及所有可能组合，并且包括这些组合，例如，A和/或B，可以表示：单独存在A，同时存在A和B，单独存在B这三种情况。另外，本文中字符“/”，一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。
应当理解，尽管在本发明实施例中可能采用术语第一、第二、第三等来描述预设范围等，但这些预设范围不应限于这些术语。这些术语仅用来将预设范围彼此区分开。例如，在不脱离本发明实施例范围的情况下，第一预设范围也可以被称为第二预设范围，类似地，第二预设范围也可以被称为第一预设范围。
取决于语境，如在此所使用的词语“如果”可以被解释成为“在……时”或“当……时”或“响应于确定”或“响应于检测”。类似地，取决于语境，短语“如果确定”或“如果检测(陈述的条件或事件)”可以被解释成为“当确定时”或“响应于确定”或“当检测(陈述的条件或事件)时”或“响应于检测(陈述的条件或事件)”。
在附图中示出了根据本发明公开实施例的各种结构示意图。这些图并非是按比例绘制的，其中为了清楚表达的目的，放大了某些细节，并且可能省略了某些细节。图中所示出的各种区域、层的形状及它们之间的相对大小、位置关系仅是示例性的，实际中可能由于制造公差或技术限制而有所偏差，并且本领域技术人员根据实际所需可以另外设计具有不同形状、大小、相对位置的区域/层。
本发明提供了一种基于无损时域反射技术的黄土湿陷性原位评价方法及系统，采用无损时域反射技术原位测试黄土介电常数和电导率；基于所测试介电常数和电导率计算黄土干密度和质量含水量；考虑黄土干密度、质量含水量以及基本物理特性指标，通过数学模型对黄土湿陷性进行原位评价。本发明的基于无损时域反射技术的黄土湿陷性原位评价方法不仅可实现黄土有无湿陷性的判定，而且具有区分强烈、中等和轻微湿陷程度的潜力。本发明方法技术先进，耗时短，费用低，操作方便，可靠度高，实用性强，是一种黄土地区工程勘察技术的新手段。
本发明一种基于无损时域反射技术的黄土湿陷性原位评价方法，包括以下步骤：
S1、通过无损时域反射技术测试现场布置点原状黄土的时域反射波形图，进而获得布置点原状黄土的介电常数和电导率；
请参阅图1，非侵入式探头2经时域反射信号发射装置1与计算机3连接，时域反射信号发射装置1经同轴电缆4与非侵入式探头2的探针6电连接，同轴电缆4的端部设置有环氧树脂5，探针6为两针式无损探针，探针采用铜导体，宽度为1mm，厚度为0.02mm,两个铜导体的中心间距为3mm。
利用时域反射信号发射装置1和非侵入式探头2测试现场布置点原状黄土的时域反射波形图，并通过计算机3计算原状黄土的介电常数和电导率，具体为：
S101、根据现场测试区域工程地质条件的复杂程度，参照野外钻孔取点测试湿陷性的勘察方法(依据规范GB 50025-2018)合理选择相应工程地质条件下测试点的位置和数量；
S102、对拟测试点位进行整平处理，随后使非侵入式探头与整平后的测试点位紧密贴合；
S103、贴合5～10s后，使用微型电脑驱动时域反射信号发射装置，通过非侵入式探头获取测试点位的时域反射波形图，随后计算原状黄土的介电常数和电导率；
其中，每完成一次测试后，用干燥棉布清除非侵入式探头上残余黄土。
每完成一次测试后，在非侵入式探头测试处取相同质量的黄土，最终获得总重约为10～15kg的黄土用于室内标定。
S2、结合布置点原状黄土介电常数、电导率和室内标定参数a1、b1、c1、d1，计算现场布置点原状黄土的干密度和质量含水量；
结合现场布置点原状黄土介电常数、电导率与室内标定参数a1、b1、c1、d1，利用经验模型计算原状黄土的干密度和质量含水量，具体如下：
S201、将现场取回的碎屑黄土烘干过筛后配置n组(n≥4)相同干密度、不同质量含水量的压实土样，按照式(1)、(2)进行室内标定试验，随后利用最小二乘法获得室内标定参数a1、b1、c1、d1值：
Figure BDA0003594488630000091
Figure BDA0003594488630000092
其中，Ka为标定样品的介电常数，ECb为标定样品的电导率，pw为水密度，pd为标定黄土干密度，w为质量含水量，a1、b1、c1、d1为标定参数；
S202、考虑到现场测试点原状黄土孔隙水和室内标定压实黄土孔隙水电导率的差异以及标定试验前后黄土特性的改变，利用现场布置点原状黄土介电常数、电导率与室内标定参数a1、b1、c1、d1，结合式(1)、(2)，得到现场布置点原状黄土干密度和质量含水量的经验计算式(3)、(4)：
Figure BDA0003594488630000101
Figure BDA0003594488630000102
其中，wf和pd,f分别为现场布置点原位测试后计算的原状黄土质量含水量和干密度，Ka,f和ECb,f分别为现场布置点原位测试的原状黄土介电常数和电导率，ECb,jf为借助原位测试介电常数调整后的电导率，β和λ分别为b1和d1的修正系数。修正系数β(0.5～1.3)目的是消除标定过程引起黄土特性改变(如：烘干)的影响。修正系数λ(0～1)目的是消除原状黄土和标定压实黄土孔隙水电导率差异的影响。
此外，标定参数a1的范围为0.7～1.8，b1的范围为7.5～11；由于a1值通常在1附近，所以不进行修正。标定参数c1是与干燥黄土有关的电导率参数，在原位和标定过程中变化不大，故不予调整。
ECb,jf的经验计算如下：
Figure BDA0003594488630000103
S3、考虑原状黄土干密度、质量含水量以及基本物理特性指标，通过统计数学模型对黄土湿陷性进行原位评价。
考虑原状黄土干密度、质量含水量和基本物理特性指标，通过数学模型对现场布置点原状黄土湿陷性进行快速评价，具体为：
S301、结合现场布置点原状黄土干密度、质量含水量以及基本物理特性指标，利用式(6)计算布置点原状黄土的湿陷性评价指标KL：
Figure BDA0003594488630000104
其中，Gs为黄土比重，Ip为黄土塑性指数；
S302、以室内压缩结果为依据，按照规范(GB 50025-2018)确定的强烈湿陷、中等湿陷、轻微湿陷和不湿陷，对布置点原状黄土的湿陷性评价指标KL计算值进行区间划分。
当KL<0.85时，不湿陷；
当0.85≤KL<1.26时，轻微湿陷；
当1.26≤KL<1.90时，中等湿陷；
当KL≥1.90时，强烈湿陷。
本发明再一个实施例中，提供一种基于无损时域反射技术的黄土湿陷性原位评价系统，该系统能够用于实现上述基于无损时域反射技术的黄土湿陷性原位评价方法，具体的，该基于无损时域反射技术的黄土湿陷性原位评价系统包括采集模块、计算模块以及评价模块。
其中，采集模块，通过无损时域反射技术测试现场布置点原状黄土的时域反射波形图，根据时域反射波形图获得布置点原状黄土的介电常数和电导率；
计算模块，结合采集模块获得的布置点原状黄土介电常数、电导率以及室内标定参数，计算现场布置点原状黄土的干密度和质量含水量；
评价模块，考虑计算模块计算的原状黄土干密度、质量含水量以及基本物理特性指标，通过数学模型对黄土湿陷性进行原位速评价。
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中的描述和所示的本发明实施例的组件可以通过各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
为进一步对本发明的一种基于无损时域反射技术的黄土湿陷性原位快速评价方法进行说明，本发明具体选取了两个场地进行验证，作为实例分析说明。
场地1：陕西省泾阳县某勘察项目的一个典型勘探井。该探井深度为20.0m，测试人员沿井深按照1.0m的间隔进行测试。其中，10.0m～14.0m为古土层且含有较多钙质结核，整平效果较差，未进行测试。在实施过程中，测试人员按照本发明的具体实施方式进行测试应用。
S1、通过吊车进入探井1.0m深度处，对井壁左右两侧测试点位进行整平处理；随后，使非侵入式探头与整平后的测试点位紧密贴合5～10s后，采用微型电脑驱动时域反射信号发射装置通过非侵入式探头进行测试，进而获取测试点位的时域反射波形图。需要注意的是，每次测试后，用干燥的棉布清除非侵入式探头测试端的残余黄土。进一步的，完成同一深度测试后，工作人员随吊车下降，每隔1.0m间距进行相同的测试，直至探井深度20.0m。其中，探井深度10.0m-14.0m为古土层且含有较多钙质结核，因测试面整平效果较差未进行测试。因此，沿探井深度0m-20.0m共进行32次无损时域反射波形测试，最终计算得到32组原状黄土的介电常数和电导率。此外，每完成一次测试后，在非侵入式探头测试处取尺寸约为150mm×150mm×150mm的原状黄土块体以及碎屑黄土。其中，原状黄土块体用于室内烘干法验证无损时域反射技术测试黄土干密度和质量含水量的准确性以及进行室内压缩试验验证黄土湿陷性评价数学模型的适用性，碎屑黄土用于室内标定试验以及基本物理参数的测试。
S2、采用现场取回的碎屑黄土烘干过筛后配置5组相同干密度、不同质量含水量的压实土样，进行室内标定试验，随后利用最小二乘法获得参数a1、b1、c1和d1值分别为1.3644、10.789、0.0784和0.6237；进一步的，利用现场布置点原状黄土介电常数、电导率与室内标定参数a1、b1、c1、d1，计算现场布置点原状黄土的质量含水量和干密度。其中，利用式(3)、(5)计算现场布置点原状黄土的质量含水量，β，λ值分别为0.990、0.481。随后，利用计算所得的原状黄土质量含水量和式(4)计算现场布置点原状黄土的干密度。值得注意的是，本案例为了更清晰的说明本发明的可行性，采用室内烘干法与无损时域反射技术对获得的黄土干密度和质量含水量结果进行了对比，如图2所示。
S3、结合黄土干密度、质量含水量以及基本物理特性指标(如：塑性指数Ip和比重Gs)对不同布置点原状黄土的湿陷性评价指标KL按式(6)进行计算。随后，按照KL值分别对应于强烈湿陷(KL≥1.90)、中等湿陷(1.26≤KL<1.90)、轻微湿陷(0.85≤KL<1.26)和不湿陷(KL<0.85)，对不同布置点原状黄土的湿陷性进行评价。值得注意的是，本案例为了更清晰的说明本发明的可行性，采用室内压缩结果与黄土湿陷性评价数学模型预测结果进行了对比，如图3所示。
场地2：陕西省西安市西咸新区某基坑场地。该基坑场地长25.0m，宽15.0m，本次测试沿基坑开挖面共选取两条间隔4.0m的测线，每条测线长16.0m，测试点间隔1.0m，共进行32次测试。测试人员按照本发明的具体实施方式进行测试应用。
S1、对选定区域的测试点进行整平处理。随后，使非侵入式探头与整平后的测试点紧密贴合5～10s后，采用微型电脑驱动时域反射信号发射装置通过非侵入式探头进行测试，进而获取测试点位的时域反射波形图。需要注意的是，每完成一次测试后，用干燥棉布清除非侵入式探头上的残余黄土。进一步的，每条测线进行16次测试，最终在选定区域内共获得32组时域反射波形图，随后计算得出32组原状黄土的介电常数和电导率。此外，每完成一次测试后，在非侵入式探头测试处取尺寸约为150mm×150mm×150mm的原状黄土块体以及碎屑黄土，最终获得32块原状黄土块体和总重约为10～15kg的碎屑黄土。其中，原状黄土块体用于室内烘干法验证无损时域反射技术测试黄土干密度与质量含水量的准确性以及进行室内压缩试验验证黄土湿陷性评价数学模型的适用性，碎屑黄土用于室内标定试验以及基本物理参数的测试。
S2、采用现场取回的碎屑黄土烘干过筛后配置5组相同干密度、不同质量含水量的压实土样，按照式(1)、(2)进行室内标定，随后利用最小二乘法获得参数a1、b1、c1、d1值分别为1.1611、10.465、0.0873、0.6562。进一步的，利用现场布置点原状黄土介电常数、电导率与室内标定参数a1、b1、c1、d1，计算现场布置点原状黄土的质量含水量和干密度。其中，利用式(3)、(5)计算现场布置点原状黄土的质量含水量，β，λ值分别为0.841、0.046。随后，利用原状黄土质量含水量和式(4)计算现场布置点原状黄土干密度。值得注意的是，本案例为了更清晰的说明本发明的可行性，采用室内烘干法与无损时域反射技术对获得的黄土干密度和质量含水量结果进行了对比，如图4所示。
S3、结合黄土干密度、质量含水量以及基本物理特性指标(如：塑性指数Ip和比重Gs)对不同布置点原状黄土的湿陷性评价指标KL按式(6)进行计算。随后，按照KL值分别对应于强烈湿陷(KL≥1.90)、中等湿陷(1.26≤KL<1.90)、轻微湿陷(0.85≤KL<1.26)和不湿陷(KL<0.85)，对不同布置点原状黄土的湿陷性进行评价。值得注意的是，本案例为了更清晰的说明本发明的可行性，采用室内压缩结果与黄土湿陷性评价数学模型预测结果进行了对比，如图5所示。
综上所述，本发明一种基于无损时域反射技术的黄土湿陷性原位评价方法及系统，具有以下特点：
(1)与传统黄土湿陷性勘察技术相比，采用一种基于无损时域反射技术的黄土湿陷性原位快速评价方法具有对土样结构扰动小、时间短、花费低、技术先进且可靠度高等优点；
(2)本发明采用无损时域反射技术原位测试黄土干密度和质量含水量，技术成熟且先进，测试耗时短，可靠性高，进一步的，该设备操作方便，易于携带，对场地适应性强；
(3)本发明采用的黄土湿陷性评价数学模型预测效果好，所需参数较少，实用性强；
(4)本发明的一种基于无损时域反射技术的黄土湿陷性原位快速评价方法不仅可以实现对黄土有无湿陷性的判定，而且具有区分强烈、中等和轻微湿陷程度(规范GB50025-2018)的潜力；
(5)本发明评价方法丰富了黄土地区工程勘察技术的手段，工程推广、应用性强，可成为黄土地区工程勘察技术的一种新手段。
本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。

Claims (10)

1.基于无损时域反射技术的黄土湿陷性原位评价方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、通过无损时域反射技术测试现场布置点原状黄土的时域反射波形图，根据时域反射波形图获得布置点原状黄土的介电常数和电导率；
S2、结合步骤S1获得的布置点原状黄土介电常数、电导率以及室内标定参数，计算现场布置点原状黄土的干密度和质量含水量；
S3、考虑步骤S2计算的原状黄土干密度、质量含水量以及基本物理特性指标，通过数学模型对黄土湿陷性进行原位评价。
2.根据权利要求1所述的基于无损时域反射技术的黄土湿陷性原位评价方法，其特征在于，步骤S1具体为：
根据现场测试区域环境选择测试点的位置和数量；对拟测试点位进行整平处理，使用非侵入式探头与整平后的测试点位紧密贴合5～10s后，使用计算机驱动时域反射信号发射装置通过非侵入式探头获取测试点位的时域反射波形图，根据时域反射波形图计算原状黄土的介电常数和电导率。
3.根据权利要求1所述的基于无损时域反射技术的黄土湿陷性原位评价方法，其特征在于，步骤S2具体为：
S201、将现场取回的碎屑黄土烘干过筛后配置n组相同干密度、不同质量含水量的压实土样进行室内标定试验，n≥4，随后利用最小二乘法获得室内标定参数a1、b1、c1、d1值；
S202、利用现场布置点原状黄土介电常数、电导率与室内标定参数a1、b1、c1、d1，得到现场布置点原状黄土干密度和质量含水量。
4.根据权利要求3所述的基于无损时域反射技术的黄土湿陷性原位评价方法，其特征在于，步骤S201中，室内标定试验计算如下：
Figure FDA0003594488620000011
Figure FDA0003594488620000012
其中，Ka为标定样品的介电常数，ECb为标定样品的电导率，pw为水密度，pd为标定黄土干密度，w为质量含水量。
5.根据权利要求3所述的基于无损时域反射技术的黄土湿陷性原位评价方法，其特征在于，步骤S202中，原状黄土质量含水量wf和干密度pd,f计算如下：
Figure FDA0003594488620000021
Figure FDA0003594488620000022
其中，Ka,f和ECb,f分别为现场布置点原位测试的原状黄土介电常数和电导率，ECb,jf为介电常数调整后的电导率，pw为水密度，β和λ分别为b1和d1的修正系数。
6.根据权利要求5所述的基于无损时域反射技术的黄土湿陷性原位评价方法，其特征在于，介电常数调整后的电导率ECb,jf为：
Figure FDA0003594488620000023
其中，pd为标定黄土干密度。
7.根据权利要求1所述的基于无损时域反射技术的黄土湿陷性原位评价方法，其特征在于，步骤S3具体为：
结合现场布置点原状黄土干密度、质量含水量以及基本物理特性指标，计算布置点原状黄土的湿陷性评价指标KL；以室内压缩结果为依据，对布置点原状黄土的湿陷性评价指标KL计算值进行区间划分，确定强烈湿陷、中等湿陷、轻微湿陷和不湿陷。
8.根据权利要求7所述的基于无损时域反射技术的黄土湿陷性原位评价方法，其特征在于，湿陷性评价指标KL为：
Figure FDA0003594488620000024
其中，Gs为黄土比重，Ip为黄土塑性指数。
9.根据权利要求7所述的基于无损时域反射技术的黄土湿陷性原位评价方法，其特征在于，当KL<0.85时，不湿陷；当0.85≤KL<1.26时，轻微湿陷；当1.26≤KL<1.90时，中等湿陷；当KL≥1.90时，强烈湿陷。
10.一种基于无损时域反射技术的黄土湿陷性原位评价系统，其特征在于，包括：
采集模块，通过无损时域反射技术测试现场布置点原状黄土的时域反射波形图，根据时域反射波形图获得布置点原状黄土的介电常数和电导率；
计算模块，结合采集模块获得的布置点原状黄土介电常数、电导率以及室内标定参数，计算现场布置点原状黄土的干密度和质量含水量；
评价模块，考虑计算模块计算的原状黄土干密度、质量含水量以及基本物理特性指标，通过数学模型对黄土湿陷性进行原位评价。
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