土工結(jié)構(gòu)物中土體含水率實(shí)時(shí)測(cè)量系統(tǒng)及方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及土壤含水率測(cè)試技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種土工結(jié)構(gòu)物中土體含水率實(shí) 時(shí)測(cè)量系統(tǒng)及方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 土樣中含水量分布規(guī)律的測(cè)試對(duì)研宄試樣水分的迀移與入滲規(guī)律至關(guān)重要，對(duì)研 宄土的水-力學(xué)耦合性能也有著極為重要的價(jià)值。近年來，隨著高速鐵路建設(shè)、鐵路重載 化等交通基礎(chǔ)設(shè)施的發(fā)展，遇到許多關(guān)于水害的問題。例如，在中國(guó)鄭州_西安高速鐵路 的修建中，出現(xiàn)黃土路堤降雨后發(fā)生濕陷，造成線路下沉；在中國(guó)哈爾濱-大慶高速鐵路建 設(shè)中，出現(xiàn)了路基的凍脹融沉病害；此外，重載鐵路路基的翻漿冒泥病害制約著重載化的發(fā) 展。因此，測(cè)試土中水分迀移規(guī)律對(duì)掌握土工結(jié)構(gòu)變形機(jī)理有著極為重要的價(jià)值。
[0003] 傳統(tǒng)的土中含水率測(cè)試方法主要是通過采用烘干法測(cè)試土樣含水率。然而，這種 方法測(cè)試范圍有限，無法測(cè)試路基中土樣的含水率分布變化，存在無法實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)觀測(cè)的弊 病。相對(duì)于烘干法這種破壞性測(cè)試含水量的方法，研宄者提出TDR等間接測(cè)試方法。此類間 接測(cè)試方法主要是利用土樣的介電常數(shù)、磁導(dǎo)率與土樣含水率之間的關(guān)系，間接獲得土樣 的含水率。存在著普遍依靠專門測(cè)試儀器，無法實(shí)現(xiàn)與位移、應(yīng)力傳感器的數(shù)據(jù)聯(lián)合采集。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明的目的在于提供一種土工結(jié)構(gòu)物中土體含水率實(shí)時(shí)測(cè)量系統(tǒng)，以精確、無 擾動(dòng)且可電化地實(shí)現(xiàn)土中含水率分布的測(cè)定。
[0005] 此外，本發(fā)明還提供一種基于上述土工結(jié)構(gòu)物中土體含水率實(shí)時(shí)測(cè)量系統(tǒng)的測(cè)量 方法。
[0006] 為了解決上述問題，本發(fā)明提供的土工結(jié)構(gòu)物中土體含水率實(shí)時(shí)測(cè)量系統(tǒng)技術(shù)方 案如下：
[0007] 一種土工結(jié)構(gòu)物中土體含水率實(shí)時(shí)測(cè)量系統(tǒng)，其包括：至少一個(gè)探頭，每個(gè)所述探 頭包括基座和四根硬質(zhì)探針，以便于所述探針插入土樣中，且每根所述探針分別與一信號(hào) 線的一端連接；四根所述探針相互平行且均勻地固定于所述基座中，以及，四根所述探針的 頂部延伸出所述基座；計(jì)算機(jī)，用于數(shù)據(jù)計(jì)算、分析及顯示；電壓測(cè)試儀，信號(hào)輸入口與所 述探頭連接，以測(cè)試不同所述探針之間的電壓信號(hào)；信號(hào)輸出口與所述計(jì)算機(jī)連接，用于將 測(cè)試結(jié)果傳輸至所述計(jì)算機(jī)；交流電流源，與所述探頭連接，用于向所述探頭提供測(cè)量電 流。
[0008] 優(yōu)選地，在上述土工結(jié)構(gòu)物中土體含水率實(shí)時(shí)測(cè)量系統(tǒng)中，所述探針截面呈圓形， 相鄰兩根所述探針之間的距離為1. 5cm。
[0009] 優(yōu)選地，在上述土工結(jié)構(gòu)物中土體含水率實(shí)時(shí)測(cè)量系統(tǒng)中，所述探針的頂部側(cè)面 包裹有絕緣體，以減少所述探針頂部電場(chǎng)分布不均勻?qū)y(cè)試的干擾。
[0010] 優(yōu)選地，在上述土工結(jié)構(gòu)物中土體含水率實(shí)時(shí)測(cè)量系統(tǒng)中，所述探針為鍍銥鉭的 鈦棒，所述信號(hào)線通過設(shè)于所述探針上的凹形槽與所述探針卡接。
[0011] 優(yōu)選地，在上述土工結(jié)構(gòu)物中土體含水率實(shí)時(shí)測(cè)量系統(tǒng)中，所述基座呈管狀，所述 探針通過在所述基座中澆筑樹脂而固定在所述基座中。
[0012] 優(yōu)選地，在上述土工結(jié)構(gòu)物中土體含水率實(shí)時(shí)測(cè)量系統(tǒng)中，所述基座為PVC管。
[0013] 優(yōu)選地，在上述土工結(jié)構(gòu)物中土體含水率實(shí)時(shí)測(cè)量系統(tǒng)中，還包括：控制儀，所述 控制儀連接于所述交流電流源和所述探頭，同時(shí)所述電壓測(cè)試儀與所述控制儀連接，以使 所述交流電流源能夠連接至所述探頭的兩個(gè)所述探針之間，同時(shí)使所述電壓測(cè)試儀能夠連 接至所述探頭的另外兩個(gè)所述探針之間。
[0014] 優(yōu)選地，在上述土工結(jié)構(gòu)物中土體含水率實(shí)時(shí)測(cè)量系統(tǒng)中，與所述探針連接的所 述信號(hào)線來自于一單支多股純銅絲漆包線，所述單支多股純銅絲漆包線中添加有絲棉，外 側(cè)為硅膠皮。
[0015] 優(yōu)選地，在上述土工結(jié)構(gòu)物中土體含水率實(shí)時(shí)測(cè)量系統(tǒng)中，所述交流電流源為交 流恒流源。
[0016] 此外，本發(fā)明還提供一種土工結(jié)構(gòu)物中土體含水率實(shí)時(shí)測(cè)量方法，其技術(shù)方案如 下：
[0017] -種土工結(jié)構(gòu)物中土體含水率實(shí)時(shí)測(cè)量方法，其采用上述任一土工結(jié)構(gòu)物中土體 含水率實(shí)時(shí)測(cè)量系統(tǒng)，并采用如下步驟：將探頭分別插入不同含水量且相同壓實(shí)度的土樣 中，將每個(gè)探頭上的探針分別編號(hào)為a針、b針、c針和d針；操作控制儀使得相鄰的兩個(gè)探 針a針和d針與交流電流源連接，并提供交流電流；操作控制儀并通過電壓測(cè)試儀測(cè)得b針 與c針之間的電壓，由此計(jì)算機(jī)計(jì)算出第一測(cè)試電阻；然后操作控制儀，通過交流電流源在 a針與b針上施加交流電流，并通過電壓測(cè)試儀測(cè)得c針與d針之間的電壓，由此計(jì)算機(jī)計(jì) 算出第二測(cè)試電阻；基于第一測(cè)試電阻和第二測(cè)試電阻，利用VDP理論，計(jì)算機(jī)計(jì)算出對(duì)應(yīng) 土層的電阻率；根據(jù)預(yù)先標(biāo)定的土層電導(dǎo)率與含水率的對(duì)應(yīng)關(guān)系確定各土樣的含水率，從 而獲得土樣含水量分布變化曲線，確定對(duì)應(yīng)各點(diǎn)位的含水率。
[0018] 分析可知，本發(fā)明利用范德堡理論（VDP理論），可以實(shí)現(xiàn)對(duì)土樣含水量的實(shí)時(shí)、動(dòng) 態(tài)測(cè)量，由于采用了較為穩(wěn)固的探頭形制和有一定硬度的探針，可直接插入土樣中，實(shí)時(shí)實(shí) 地測(cè)量含水量，大大提高土樣含水量的測(cè)試精度。
【附圖說明】
[0019] 圖1為本發(fā)明的系統(tǒng)實(shí)施例的原理框圖；
[0020] 圖2為本發(fā)明的系統(tǒng)實(shí)施例的探頭的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0021] 圖3為本發(fā)明的系統(tǒng)實(shí)施例的探頭的截面結(jié)構(gòu)示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0022] 下面結(jié)合附圖和【具體實(shí)施方式】對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步詳細(xì)說明。
[0023] 如圖1、圖2所示，本發(fā)明實(shí)施例包括至少一個(gè)探頭10、用于水分迀移測(cè)試且主要 起到電路切換作用的控制儀11，電壓測(cè)試儀12、計(jì)算機(jī)13、交流電流源14。為了直觀描述 探頭10的應(yīng)用，圖1還示出了土樣100。應(yīng)用時(shí)探頭10的探針1插入土樣100中。探頭 10的數(shù)量可以增減，也即，電壓測(cè)試儀12、計(jì)算機(jī)13等可以實(shí)時(shí)處理多個(gè)探頭10所檢測(cè)到 的土樣100的數(shù)據(jù)。
[0024] 再如圖2、圖3所示，每個(gè)探頭10包括基座2和四根硬質(zhì)探針1，分別為探針a、探 針b、探針c、探針d。具有一定剛度、硬質(zhì)的探針1可以方便插入土樣100中。探針a、探針 b、探針c、探針d的末端分別與一信號(hào)線的一端連接，四根信號(hào)線為一四芯屏蔽電纜4中的 四根銅絲。就排列位置而言，探針a、探針b、探針c、探針d相互平行且均勻地固定于基座2 中，并且，探針a、探針b、探針c、探針d的頂部延伸出基座2,以能夠插入土樣100。例如，探 針a、探針b、探針c、探針d伸出土樣100的長(zhǎng)度為2cm，那么測(cè)試土樣100的厚度為2cm。 當(dāng)然，也可以根據(jù)測(cè)試要求改探針1的伸出的頂部長(zhǎng)度，以調(diào)整、適應(yīng)測(cè)試土樣厚度。
[0025] 計(jì)算機(jī)13用于土樣100檢測(cè)數(shù)據(jù)的計(jì)算、分析及顯示。電壓測(cè)試儀12優(yōu)選為動(dòng) 態(tài)電壓測(cè)試儀，其信號(hào)輸入口通過控制儀11與探頭10連接，以測(cè)試不同探針1之間的電壓 信號(hào)；而其信號(hào)輸出口與計(jì)算機(jī)13連接，用于將測(cè)試結(jié)果傳輸至計(jì)算機(jī)13。動(dòng)態(tài)電壓測(cè)試 儀用于測(cè)試兩個(gè)探針之間產(chǎn)生的交變電動(dòng)勢(shì)，動(dòng)態(tài)電壓測(cè)試儀具有測(cè)試精度高，高效計(jì)算 機(jī)互訪，多通道掃描測(cè)試等優(yōu)點(diǎn)?？刂苾x11連接于交流電流源14、測(cè)試儀12和探頭10之 間，以使交流電流源14能夠連接至探頭10的兩個(gè)探針1之間，同時(shí)使電壓測(cè)試儀13能夠連 接至探頭10的另外兩個(gè)探針1之間。交流電流源14優(yōu)選為交流恒流源，與探頭10連接， 用于向探頭10的各探針1之間提供測(cè)量電流。電流的頻率與大小可以調(diào)節(jié)，但在實(shí)驗(yàn)中電 流大小可以保持恒定，采用交流電流避免探針1出現(xiàn)極化現(xiàn)象。