基于套管式探头TDR法的土体质量含水率修正测试方法

摘要

一种基于套管式探头TDR法的土体质量含水率修正测试方法，包括以下步骤：A、标定：通过前期四个不同土体试样的标定试验，获得了TDR水分传感器测出的各个土体试样体积含水率θi、烘干法测定的各个土体试样的真实质量含水率wi，进而通过函数对上述测试值的拟合，得出未知参数a的值，从而明确了此函数关系式。B、测试：测试出待测土体的干密度为ρd和TDR水分传感器至待测土体边界最小距离L/2；利用套管式探头TDR水分传感器测出待测土体体积含水率测试值θ，即得待测土体质量含水率w，该法消除了套管式探头TDR法中传感器有效测试范围内其他介质对待测土体介电特性的影响，提高了测试土体含水率的准确性，从而为岩土工程的设计与施工提供更加可靠、准确的试验数据。

说明书

技术领域

本发明涉及一种用套管式探头TDR法测试土体含水率的方法。

背景技术

岩土工程中土体含水率的准确测试对工程的性质评价、稳定性分析以及压实质量控制具有重要作用。烘干法作为目前规范中测定土体质量含水率的标准方法，其测试结果准确，但现场应用时存在取样困难、对结构有损伤且无法长期自动监测等问题。

由于土体表观介电常数是土中水(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。通过测试插入土体中的探头上电磁波的传播速度，即可测出待测土体的表观介电常数，然后利用建立的土体表观介电常数K_a和土体体积含水率θ之间的关系模型(K_a—θ方程)确定土体体积含水率，并可换算得到土体体质量含水率，这种方法称为电磁波时域反射法(Time>

TDR法使用的水分传感器一般采用针式探头，在测试土体含水率时，仍为点测方式，在进行土体空间含水率分布测量时需在不同位置土层埋设传感器，导致传感器利用效率低下、工作量较大且对含水率测定结果产生影响。改进的方法是套管式探头TDR法，即通过预先埋设或打入土体的专用套管，探头再插入套管中，测试时探头可在套管内上下移动，从而实现一个探头在不同空间位置土体含水率的连续测试；同时套管的引入可以避免探头与土体直接接触，保护探头不受损坏，可实现TDR水分传感器的长期重复使用。然而，由于套管式探头TDR法的体积含水率测试结果是传感器周围有效测量范围内待测介质综合介电特性的反映，在实际使用套管式探头TDR水分传感器时，若传感器有效测量范围内有除待测介质以外的其他介质干扰，也即待测土体的边界变化会导致传感器周围介质介电特性产生变化，进而会对待测土体的TDR含水率测试结果产生显著影响，降低了测试结果准确性和可靠性。

发明内容

本发明的目的是，提供一种基于套管式探头TDR法的土体质量含水率修正测试方法，该方法消除了套管式探头TDR水分传感器有效测试范围内其他介质对待测土体介电特性产生的影响，能提高TDR测试土体含水率的准确性，从而为岩土工程的设计与施工提供更加可靠、准确的试验数据。

本发明实现其发明目的所采用的技术方案是：一种基于套管式探头TDR法的土体质量含水率修正测试方法，包括以下步骤：

一种基于套管式探头TDR法的土体质量含水率修正测试方法，包括以下步骤：

A、标定

A1、准备四个高度与TDR水分传感器探头测量段长度相同的长方体试验箱或圆筒试验箱，其中，长方体试验箱的底面为正方形；四个试验箱的边长或直径不同，其中第i个试验箱的边长或直径为L_i，i为试验箱的序号，i＝1、2、3、4；

A2、在试验箱平面中心竖向放置用于TDR水分传感器探头测试的专用套管，套管底端封闭、顶端开口，套管高度高于试验箱高度50mm；

A3、在各试验箱内制备干密度均为ρ_d0的土体试样，然后将TDR水分传感器探头置于套管中，并使探头高度等于试验箱高度的一半；开启TDR水分传感器，测试出各个试验箱土体试样中部剖面处的体积含水率θ_i；

A4、在各个试验箱紧靠探头位置处取50g土体，按照烘干法测试得到该取样土体的真实质量含水率w_i；求出各个试验箱土体试样的比例系数k_i，其中，ρ_w为水的密度；

A5、以试验箱边长或直径也即套管式TDR水分传感器至待测土体边界最小距离的2倍为横坐标L,以待测土体的比例系数为纵坐标,构成直角坐标系；在此坐标系中将四个试验箱边长或直径L_i及对应的比例系数的四个点绘出，再采用函数对坐标系中的四个点进行拟合，得出参数a的值；

B、测试

先测试出待测土体的干密度为ρ_d，测出TDR水分传感器至待测土体边界最小距离L/2；利用套管式探头TDR水分传感器测出待测土体体积含水率θ，代入函数即可得到待测土体质量含水率w，

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

申请人研究发现，土体边界L/2与土体质量含水率w、土体干密度ρ_d和套管式探头TDR水分传感器测出的土体试样体积含水率θ，存在函数关系：本发明进而通过前期不同土体试样的标定试验，获得上述函数关系中的未知参数a，得出待测土体的质量含水率w与套管式探头TDR法测出的土体体积含水率测试值θ、土体试样边界L/2的明确关系式，即

因此，本发明通过测出待测土体的边界后，再利用上述关系式，即可消除套管式探头TDR法中水分传感器有效测试范围内其他介质对待测土体介电特性产生的影响，提高了土体含水率测试的准确性，从而为岩土工程的设计与施工提供更加可靠、准确的试验数据。

试验结果表明，本发明对试验土体测出的质量含水率与烘干法得到的质量含水率的绝对误差为0.07％，而现有的套管式探头TDR水分传感器测试得到的换算质量含水率与烘干法得到的质量含水率绝对误差为0.81％。与套管式探头TDR水分传感器测试相比，本发明的测试绝对误差低于其测试绝对误差的1/10。

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试验箱边长或直径L_i与比例系数k_i的关系曲线。

具体实施方式

实施例

本发明的一种具体实施方式为：一种基于套管式探头TDR法的土体质量含水率修正测试方法，包括以下步骤：

一种基于套管式探头TDR法的土体质量含水率修正测试方法，包括以下步骤：

A、标定

A1、准备四个高度与TDR水分传感器探头测量段长度相同的长方体试验箱或圆筒试验箱，其中，长方体试验箱的底面为正方形；四个试验箱的边长或直径不同，其中第i个试验箱的边长或直径为L_i，i为试验箱的序号，i＝1、2、3、4；

A2、在试验箱平面中心竖向放置用于TDR水分传感器探头测试的专用套管，套管底端封闭、顶端开口，套管高度高于试验箱高度50mm；

A3、在各试验箱内制备干密度均为ρ_d0的土体试样，然后将TDR水分传感器探头置于套管中，并使探头高度等于试验箱高度的一半；开启TDR水分传感器，测试出各个试验箱土体试样中部剖面处的体积含水率θ_i；

A4、在各个试验箱紧靠探头位置处取50g土体，按照烘干法测试得到该取样土体的真实质量含水率w_i；求出各个试验箱土体试样的比例系数k_i，其中，ρ_w为水的密度；

A5、以试验箱边长或直径也即套管式TDR水分传感器至待测土体边界最小距离的2倍为横坐标L,以待测土体的比例系数为纵坐标,构成直角坐标系；在此坐标系中将四个试验箱边长或直径L_i及对应的比例系数的四个点绘出，再采用函数对坐标系中的四个点进行拟合，得出参数a的值；

B、测试

先测试出待测土体的干密度为ρ_d，测出TDR水分传感器至待测土体边界最小距离L/2；利用套管式探头TDR水分传感器测出待测土体体积含水率θ，代入函数即可得到待测土体质量含水率w，

试验验证

采用TRIME-PICO-IPH系列TDR智能水分传感器进行标定试验，传感器由TRIME-HD手持式读数表、TRIME-T3圆柱型套管式探头以及高频电缆传输线组成，其中TRIME-HD手持式读数表可以直接显示土体体积含水率测试值，TRIME-T3圆柱型套管式探头直径37mm，探头测量段长度220mm，探头测试套管由专用TECANAT(聚碳酸酯)材质制成，外径44mm，内径42mm，长度270mm。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。

按以上实施例方法，选择底面为正方形的长方体试验箱，编号为1、2、3、4号，其平面边长L_i(i＝1、2、3、4)依次为200mm、300mm、400mm、500mm，高度均为220mm，在试验箱平面中心处竖向放置用于TDR水分传感器探头测试的专用套管，制备干密度为ρ_d0＝1.45g/cm³标准砂试样并进行分层填筑。填筑完成后将TDR水分传感器探头伸入套管，测试试验箱中部土的体积含水率θ_i；TDR测量结束后，分别在各个试验箱中部取土，通过烘干法测试得到真实质量含水率w_i。测量结束后，以L为横坐标，为纵坐标，采用函数对L_i与k_i的在坐标系中的四个点曲线进行曲线拟合，如图1所示，可以得出参数a＝26。

测试待测土体的干密度为ρ_d＝1.51g/cm³，测出套管式探头TDR水分传感器至待测土体边界最小距离为L/2＝50mm，利用套管式探头TDR水分传感器测出待测土体体积含水率测试值θ＝5.56％，代入函数即可得到待测土体质量含水率w＝4.42％。为验证函数的准确性，在试验箱中部剖面处取样，通过烘干法测试得到土体试样的真实质量含水率为w₀＝4.49％，由于TDR测试的体积含水率换算为质量含水率为因此认为，当套管式探头TDR水分传感器至待测土体边界最小距离为L/2＝50mm，即L＝100mm时，TDR测试结果受到显著影响，TDR换算质量含水率w₀′与烘干法得到的真实质量含水率w₀绝对误差的绝对值为|w₀′-w₀|＝0.81％，而本发明通过函数得出的待测土体质量含水率为w＝4.42％，与烘干法质量含水率绝对误差的绝对值仅为|w-w₀|＝0.07％。

由此可见，采用本发明的函数考虑了套管式探头TDR水分传感器有效测试范围内待测土体受到其他介质影响而导致的测试结果误差较大的问题，提高了土体含水率测试结果的准确性。