基于电磁波时域反射法的土体体积含水率测试方法

摘要

本发明公开了一种基于电磁波时域反射法的土体体积含水率测试方法，它通过制样制出不同干密度的3‑5个土体试样，再通过一系列质量含水率标准值、电磁波时域反射法的质量含水率换算值wi及干密度的测试，进而拟合得到质量含水率相对误差ηi和对应土体试样干密度ρdi的线性回归函数ηi＝aρdi+b；并得出该土体的含水率标准值和电磁波时域反射法测量值的标定系数ζ＝1‑aρd‑b。再使用电磁波时域反射法测出待测土体的体积含水率θ，进而得到修正后的电磁波时域反射法测试土体体积含水率修正值θ′，θ′＝ζθ。该法同时消除了不同土体类型、干密度的变化对电磁波时域反射法测试体积含水率的影响，明显降低了测试结果的误差，测试结果准确、可靠。从而为岩土工程的设计与施工提供更准确、可靠的试验参数。

说明书

技术领域

本发明涉及一种土体含水率的测试方法，尤其涉及一种基于电磁波时域反射法的土体体积含水率测试方法。

背景技术

含水率是岩土工程中的重要参数，对路基、边坡、堤坝、地基等岩土体工程的性质评价、稳定性分析以及压实质量控制都至关重要。烘干法是目前规范中测定含水率的标准方法，其作法是：将土样置于烘箱中，使烘箱的温度保持在105～110℃，土样水分蒸发后，再通过计算水分损失量从而得到土体的含水率。该法测出的含水率较准确。但现场测试时，烘干法需钻孔取样，存在取样困难、对结构有损伤且无法长期自动监测等问题。

由于土体介电常数是土中水(介电常数K_water＝81)、空气(K_air＝1)和土颗粒(K_soil＝3～5)的介电常数综合值，土体介电常数主要由土体体积含水率确定。由电磁波时域反射传感器动态测试插入土体中的探针上电磁波的传播速度，即可动态测出待测土体的介电常数，进而利用已建立的土体介电常数和土体体积含水率之间的函数关系，测算出土体的体积含水率。这种方法称为电磁波时域反射法(Time>

但现有的电磁波时域反射法，使用的土体介电常数和土体体积含水率之间的函数关系，没有考虑土体密实度的变化对土体介电常数的影响，也没考虑土体密实度的变化对土体介电常数的影响，导致其测算出的土体体积含水率存在误差，测试结果不准确。

土体体积含水率不准确则会严重影响路基、边坡、堤坝、地基等岩土体工程的性质评价、稳定性分析以及压实质量控制。如根据土-水特征曲线确定土体基质吸力时，土体含水率的微小变化就会引起基质吸力计算结果的显著误差。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于电磁波时域反射法的土体体积含水率测试方法，该方法既能快速、无损、自动化动态监测土体体积含水率，同时其测试误差小，测试结果更准确、可靠，能为岩土工程的设计与施工提供更加准确、可靠的试验依据。

本发明实现其发明目的所采用的技术方案是，一种基于电磁波时域反射法的土体体积含水率测试方法，包括以下步骤：

A、用模型箱对待测土体进行制样，依次制备出I＝3～5个不同干密度的土体试样；

B、使用电磁波时域反射法测出各个土体试样的体积含水率θ_i，其中，下标i为土体试样的编号，i＝1,2,3,…I；

C、称出各个土体试样的湿土质量m_i，将各个土体试样烘干，称出各个土体试样的干土质量m_si；求出各个土体试样的干密度ρ_di，V为模型箱的净体积，并求出各个土体试样的质量含水率标准值w_0i，

D、将B步的各个土体试样的体积含水率θ_i转化为对应土体试样的质量含水率换算值w_i：其中，ρ_w为水的密度；

E、由C步得到的各个土体试样的质量含水率标准值w_0i和D步得到的各个土体试样的质量含水率换算值w_i，计算出各个土体试样的质量含水率相对误差η_i，η_i＝(w_i-w_0i)/w_i；

F、采用线性回归函数η_i＝aρ_di+b对所有土体试样的质量含水率相对误差η_i和对应土体试样干密度ρ_di的关系进行拟合，得到质量含水率相对误差η_i和对应土体试样干密度ρ_di的线性回归函数的斜率a和截距b的值；

G、用取样器对待测土体进行取样，测出待测土体的干密度ρ_d，得到土体质量含水率标定系数ζ，ζ＝1-aρ_d-b；

H、使用电磁波时域反射法测出待测土体的体积含水率θ，进而得到修正后的电磁波时域反射法测试土体体积含水率修正值θ′，θ′＝ζθ。

本发明的标定系数ζ的推导过程如下：

通过制样制出不同干密度的3-5个土体试样，再通过一系列的质量含水率标准值、电磁波时域反射法的质量含水率换算值w_i及干密度的测试，在F步中，拟合得到了质量含水率相对误差η_i和对应土体试样干密度ρ_di的线性回归函数η_i＝aρ_di+b。而E步得到的土体试样的质量含水率相对误差η_i的表达式为η_i＝(w_i-w_0i)/w_i；因此，aρ_di+b＝(w_i-w_0i)/w_i；进而得到w_0i＝w_i-(aρ_di+b)w_i＝(1-aρ_di-b)w_i。从而得到质量含水率标准值w_0i和电磁波时域反射法的质量含水率换算值w_i的修正系数ζ＝1-aρ_di-b，即w_0i＝ζw_i＝(1-aρ_di-b)w_i。

由于各个土体试样的质量含水率w_i与体积含水率θ_i的关系为对同一待测土体而言，二者为线性关系。因此，体积含水率标准值和测量值关系的标定系数也为ζ＝1-aρ_di-b。由此，通过G步实测出待测土体的实际干密度ρ_d后，可以得到待测土体的含水率标准值和电磁波时域反射法测量值的标定系数ζ＝1-aρ_d-b，进而对电磁波时域反射法的体积含水率测试值θ用该标定系数ζ进行标定，即θ′＝ζθ；得到待测土体的电磁波时域反射法体积含水率标定值θ′。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

现有的电磁波时域反射法测定不同密实状态的土体时，若土体密实度增大则会引起土中颗粒含量增加，土中空气随之减少，从而导致土体介电常数增大，测得的水分含量就比实际的水分含量偏高，反之则偏低。同样，不同的土体类型也会对土体介电常数的测定值产生不同的影响。

本发明通过同一土体制作的多个不同土样的标定试验，得出该土体的含水率标准值(烘干法测试值)和电磁波时域反射法测量值的标定系数ζ＝1-aρ_d-b。标定系数中土体试样的质量含水率相对误差η_i和对应土体试样干密度ρ_di的线性回归函数的斜率a和截距b的值，可以有效消除不同土体类型对电磁波时域反射法测试体积含水率的影响；而测出的待测土体的实际干密度ρ_d，可以消除不同干密度对电磁波时域反射法测试体积含水率的影响。因此，本发明通过标定系数对电磁波时域反射法的测试值进行标定得到的修正值，同时消除了不同土体类型、干密度的变化对电磁波时域反射法测试体积含水率的影响，明显降低了测试结果的误差，测试结果准确、可靠。从而为岩土工程的设计与施工提供更加准确、可靠的试验参数。

试验验证证明，本发明的体积含水率测试的绝对误差仅为0.02％，而现有的电磁波时域反射法的绝对误差为0.45％；本发明的测试结果的相对误差仅为0.15％，而现有的电磁波时域反射法的相对误差为3.29％。

下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步说明。

附图说明

图1是本发明试验验证时的质量含水率相对误差η与干密度ρ_d的线性回归曲线。

具体实施方式

实施例

本发明的一种具体实施方式为：一种基于电磁波时域反射法的土体体积含水率测试方法，包括以下步骤：

A、用模型箱对待测土体进行制样，依次制备出I＝3～5个不同干密度的土体试样；

B、使用电磁波时域反射法测出各个土体试样的体积含水率θ_i，其中，下标i为土体试样的编号，i＝1,2,3,…I；

C、称出各个土体试样的湿土质量m_i，将各个土体试样烘干，称出各个土体试样的干土质量m_si；求出各个土体试样的干密度ρ_di，V为模型箱的净体积，并求出各个土体试样的质量含水率标准值w_0i，

D、将B步的各个土体试样的体积含水率θ_i转化为对应土体试样的质量含水率换算值w_i：其中，ρ_w为水的密度；

E、由C步得到的各个土体试样的质量含水率标准值w_0i和D步得到的各个土体试样的质量含水率换算值w_i，计算出各个土体试样的质量含水率相对误差η_i，η_i＝(w_i-w_0i)/w_i；

F、采用线性回归函数η_i＝aρ_di+b对所有土体试样的质量含水率相对误差η_i和对应土体试样干密度ρ_di的关系进行拟合，得到质量含水率相对误差η_i和对应土体试样干密度ρ_di的线性回归函数的斜率a和截距b的值；

G、用取样器对待测土体进行取样，测出待测土体的干密度ρ_d，得到土体质量含水率标定系数ζ，ζ＝1-aρ_d-b；

H、使用电磁波时域反射法测出待测土体的体积含水率θ，进而得到修正后的电磁波时域反射法测试土体体积含水率修正值θ′，θ′＝ζθ。

试验验证

采用TRIME-IT系列电磁波时域反射传感器对标准砂构筑的不同密实状态的室内砂箱模型土样进行了含水率测试试验，根据《铁路工程土工试验规程》(TB10102-2010)筛分试验得到标准砂的最大粒径未超过1.0mm，小于0.5mm的颗粒含量为99.94％，小于0.25mm的颗粒含量为99.82％，小于0.075mm的颗粒含量为0.80％，不均匀系数为2.00，曲率系数为1.04。由相对密度试验测得标准砂最大干密度ρ_dmax＝1.663g/cm³，最小干密度ρ_dmin＝1.337g/cm³。模型箱净空尺寸为300×300×220mm³(长×宽×高)。采用该模型箱制样共得到四个土体试样。

按以上实施例方法，测出四个土体试样的干密度分别为1.40g/cm³、1.45g/cm³、1.50g/cm³、1.55g/cm³，并测算出四个土体试样的质量含水率相对误差η_i。拟合得到四个土体试样的质量含水率相对误差土体干密度的线性方程为η＝0.1044ρ_d-0.1363，如图1所示。图1中，横坐标为干密度ρ_d，纵坐标为质量含水率相对误差η。从而该土体体积含水率的标定系数ζ＝1-0.1044ρ_d-(-0.1363)＝1.1363-0.1044ρ_d。

对标准砂构筑的土体进行取样，测出其干密度ρ_d＝1.60g/cm³。故其标定系数ζ＝1.1363-0.1044ρ_d＝1.1363-0.1044*1.60＝0.96926；再对该标准砂构筑的土体用电磁波时域反射法测出待测土体的体积含水率θ＝14.13，从而其修正后的电磁波时域反射法测试土体体积含水率修正值θ′＝ζθ＝14.13％×0.96926＝13.70％。

而对干密度ρ_d＝1.60g/cm³的标准砂构筑的土体，用烘干法测试其质量含水率并转化为体积含水率的结果为可见，本发明方法测出的体积含水率的绝对误差＝13.70％-13.68％＝0.02％，而电磁波时域反射法测出的体积含水率的绝对误差＝14.13％-13.68％＝0.45％。本发明测试结果的相对误差＝0.02％/13.68％*100％＝0.05％，而电磁波时域反射法测出的体积含水率的相对误差＝0.45％/13.68％*100％＝1.125％。