黃土場地浸水條件下土體內(nèi)部水分運移監(jiān)測系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本實用新型公開了一種黃土場地浸水條件下土體內(nèi)部水分運移監(jiān)測系統(tǒng)，包括電源、上位機、多個土壤水分傳感器、多個孔隙水壓力傳感器和多個數(shù)據(jù)采集器；各傳感器的輸出端分別連接數(shù)據(jù)采集器的輸入端，數(shù)據(jù)采集器連接上位機，電源連接各傳感器、數(shù)據(jù)采集器及上位機；由傳感器采集黃土場地浸水條件下土體內(nèi)部的體積含水量及孔隙水壓力數(shù)據(jù)，采集到的數(shù)據(jù)發(fā)送到數(shù)據(jù)采集器，數(shù)據(jù)采集器發(fā)送到上位機，由上位機對接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行保存和顯示。本實用新型能夠快速、連續(xù)、準(zhǔn)確地采集黃土場地在近地表浸水條件下土體內(nèi)部的水分運移數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)能夠反饋場地黃土體內(nèi)部含水狀態(tài)，為黃土濕陷敏感性評價及防控提供可靠參數(shù)。
【專利說明】黃土場地浸水條件下土體內(nèi)部水分運移監(jiān)測系統(tǒng)

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實用新型屬于工程監(jiān)測【技術(shù)領(lǐng)域】，具體涉及一種土體內(nèi)部水分運移監(jiān)測系統(tǒng)，特別是一種黃土場地浸水條件下土體內(nèi)部水分運移監(jiān)測系統(tǒng)及方法。本實用新型用于地表大面積浸水條件下黃土體內(nèi)部含水量變化及飽和區(qū)分布狀態(tài)的快速、連續(xù)、準(zhǔn)確監(jiān)測。

【背景技術(shù)】
[0002]黃土由于其特殊的形成時代和形成環(huán)境，導(dǎo)致了其具有大孔隙性進(jìn)而導(dǎo)致了其具有強烈的水敏性，而黃土水敏性最突出的表現(xiàn)形式就是濕陷。隨著國家經(jīng)濟(jì)的持續(xù)快速發(fā)展以及政策傾斜，我國中西部地區(qū)的建設(shè)速度和規(guī)模日漸加大，導(dǎo)致黃土區(qū)各大城市用地日趨緊張，新建的工業(yè)與民用建筑呈現(xiàn)逐漸由低階地轉(zhuǎn)向高階地發(fā)展態(tài)勢，隨之而來的大厚度自重濕陷性黃土地基的勘察、評價以及處理問題成為了黃土地區(qū)工程技術(shù)人員所面臨的首要難題。《濕陷性黃土地區(qū)建筑規(guī)范》(GB50025-2004)中對于黃土濕陷性場地得評價體系是以沉降量為導(dǎo)向，強調(diào)最終結(jié)果而不考慮濕陷發(fā)展過程，這種評價體系在相當(dāng)長的時間里指導(dǎo)了大量的建設(shè)，成效顯著。但是，我們必須認(rèn)識到，隨著工程建設(shè)規(guī)模加大，“長、大、高、難”的重要工程越來越多，很多工程事故表明黃土的濕陷敏感性與最終濕陷量同樣決定著工程的安全。另外，發(fā)明人還注意到:黃土濕陷的產(chǎn)生需達(dá)到起始含水量，即土體含水量達(dá)到一定的門檻值黃土方才開始濕陷，因此，局部浸水條件下，水分向下擴(kuò)散的過程影響了黃土濕陷的過程；另外，在局部浸水條件下地面發(fā)生沉降的范圍受到水分側(cè)向擴(kuò)散范圍的影響，水分的擴(kuò)散決定了黃土濕陷產(chǎn)生的時間及范圍。因此，在濕陷性評價及濕陷預(yù)警防控工作中都需要用到浸水條件下水分在土體中運移特征的數(shù)據(jù)，尤其在地鐵、高速鐵路等重大工程中更是如此。然而，目前尚沒有獲取這類數(shù)據(jù)的系統(tǒng)、科學(xué)、高效的裝置及方法，對該裝置及方法的研究和開發(fā)是十分必要的，對黃土地區(qū)各種重大工程地基處理及濕陷預(yù)警防控工作具有重大的現(xiàn)實意義。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]針對現(xiàn)有技術(shù)中存在的空白和不足，本實用新型的目的在于，提供一種黃土場地浸水條件下土體內(nèi)部水分運移的監(jiān)測系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠通過傳感器、電源、采集器和上位機實現(xiàn)全自動化數(shù)據(jù)獲取，能夠快速、連續(xù)、準(zhǔn)確地監(jiān)測地表大面積浸水條件下黃土體內(nèi)部水分豎向、側(cè)向運移速度和土層含水狀態(tài)，從而為黃土濕陷性評價及濕陷范圍、濕陷時間預(yù)警提供準(zhǔn)確可靠的參數(shù)。
[0004]為了達(dá)到上述目的，本實用新型采用如下技術(shù)方案予以解決:
[0005]一種黃土場地浸水條件下土體內(nèi)部水分運移監(jiān)測系統(tǒng)，包括電源、上位機、多個孔隙水壓力傳感器、多個土壤水分傳感器、至少一臺微電壓采集器、至少一臺電流采集器；其中，每個孔隙水壓力傳感器的輸出端連接微電壓采集器的輸入端，每個土壤水分傳感器的輸出端連接電流采集器的輸入端，微電壓采集器和電流采集器的輸出端分別連接上位機；電源連接孔隙水壓力傳感器、土壤水分傳感器、微電壓采集器、電流采集器及上位機為其供電。
[0006]所述孔隙水壓力傳感器用于實時采集黃土場地浸水條件下土體內(nèi)部的孔隙水壓力數(shù)據(jù)，所述土壤水分傳感器用于實時采集黃土場地浸水條件下土體內(nèi)部的土壤水分?jǐn)?shù)據(jù)，采集到的數(shù)據(jù)分別發(fā)送到微電壓采集器和電流采集器，微電壓采集器和電流采集器將數(shù)據(jù)發(fā)送到上位機，上位機用于存儲并顯示接收到的數(shù)據(jù)。
[0007]進(jìn)一步的，所述孔隙水壓力傳感器包括不銹鋼質(zhì)的盒體、電阻應(yīng)變片、接線板和透水石材質(zhì)的頂蓋，為防止盒體受到腐蝕盒體底面有鍍鋅層，盒體內(nèi)固定有由電阻應(yīng)變片組成的橋式電路和接線板，電阻應(yīng)變片組成的橋式電路緊貼盒體內(nèi)底面，所述接線板位于電阻應(yīng)變片組成的橋式電路的上方；電阻應(yīng)變片組成的橋式電路通過接線板由信號線引出盒體，出線處用環(huán)氧樹脂密封，盒體頂部安裝透水石頂蓋封閉盒體。
[0008]進(jìn)一步的，所述土壤水分傳感器采用FDS系列水分傳感器，其由金屬探針、頻域反射功能電路以及傳感器尾線組成，金屬探針連接頻域反射功能電路的輸入端，頻域反射功能電路的輸出端連接傳感器尾線。
[0009]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本實用新型的有益效果是:
[0010](I)本實用新型采用多個土壤水分傳感器，能夠?qū)崿F(xiàn)浸水條件下浸水坑附近土層含水量變化的自動采集和存儲，采集速度快且全自動化，采樣速度可達(dá)每秒0.5秒/次，并可以根據(jù)土層含水量變化情況對數(shù)據(jù)采集密度和精度進(jìn)行適時動態(tài)調(diào)整。相比于現(xiàn)有的試驗過程中人工鉆探取土測量含水量技術(shù)，本實用新型更加精確、經(jīng)濟(jì)和快捷，并可用于長期觀測。
[0011](2)本實用新型的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，操作簡單，安裝、使用方便。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0012]圖1是本實用新型的系統(tǒng)框圖。
[0013]圖2是孔隙水壓力傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0014]圖3是土壤水分傳感器結(jié)構(gòu)示意圖。
[0015]圖4是U形鐵桿示意圖。
[0016]圖5孔隙水壓力傳感器和土壤水分傳感器的布設(shè)示意圖。
[0017]圖中標(biāo)號:1、受力膜，2、電阻應(yīng)變片，3、接線板，4、信號線，5、透水石頂蓋，6、盒體，
7、金屬探針,8、頻域反射功能電路,9、傳感器尾線。
[0018]以下結(jié)合附圖和實施例對本實用新型作進(jìn)一步解釋說明。

【具體實施方式】
[0019]如圖1所示，本實用新型的黃土場地浸水條件下土體內(nèi)部水分運移監(jiān)測系統(tǒng)，包括電源、上位機、多個孔隙水壓力傳感器、多個土壤水分傳感器、至少一臺微電壓采集器、至少一臺電流采集器；其中，每個孔隙水壓力傳感器的輸出端連接微電壓采集器的輸入端，每個土壤水分傳感器的輸出端連接電流采集器的輸入端，微電壓采集器和電流采集器的輸出端分別連接上位機；電源連接孔隙水壓力傳感器、土壤水分傳感器、微電壓采集器、電流采集器及上位機為其供電。
[0020]如圖2所示，孔隙水壓力傳感器包括不銹鋼質(zhì)的盒體6、電阻應(yīng)變片2、接線板3和透水石材質(zhì)的頂蓋5，為防止盒體6受到腐蝕盒體底面有鍍鋅層1，盒體6內(nèi)固定有由電阻應(yīng)變片2組成的橋式電路和接線板3，電阻應(yīng)變片2組成的橋式電路緊貼盒體6內(nèi)底面，所述接線板3位于電阻應(yīng)變片2組成的橋式電路的上方；電阻應(yīng)變片2組成的橋式電路通過接線板3由信號線4引出盒體6，出線處用環(huán)氧樹脂密封，盒體6頂部安裝透水石頂蓋5使盒體封閉，頂蓋5具有較大剛度，封閉后所有固體顆粒物將被透水石阻隔，在隔絕由土壓力引起應(yīng)變的同時能夠傳遞孔隙水壓力，即該孔隙水壓力傳感器所測出的微電壓信號均由孔隙水壓力所引起。另外，根據(jù)土力學(xué)基本原理可知，只有當(dāng)土體飽和之后方能測出正的孔隙水壓力，故當(dāng)孔隙水壓力傳感器接收到信號時，表明該孔隙水壓力傳感器所在位置的土層已經(jīng)達(dá)到飽和含水量。
[0021 ] 如圖3所示，土壤水分傳感器采用FDS系列水分傳感器，其由金屬探針7、頻域反射功能電路8以及傳感器尾線9組成，金屬探針連接頻域反射功能電路8的輸入端，頻域反射功能電路8的輸出端連接傳感器尾線9。
[0022]所有傳感器埋設(shè)在圖5所示的位置后，所有傳感器尾線將通過圖4所示的U形鐵桿固定在埋設(shè)井壁上，以防止回填夯實埋設(shè)井時夯錘剮蹭到傳感器尾線造成損壞。
[0023]微電壓采集器用于快速、連續(xù)地采集孔隙水壓力傳感器的輸出信號并上傳給上位機進(jìn)行處理和存儲；電流采集器用于快速、連續(xù)地采集土壤水分傳感器的輸出信號并上傳給上位機進(jìn)行存儲和顯示。
[0024]如圖5所示，多個土壤水分傳感器分別安裝在距黃土場地浸水區(qū)的下部以及預(yù)估浸水范圍內(nèi)的土體內(nèi)部，它們采集的數(shù)據(jù)用以反映各個埋設(shè)位置的位置土層的含水量變化情況；多個孔隙水壓力傳感器分別安裝在埋設(shè)井壁以及鉆孔底部，它們采集的數(shù)據(jù)用以反映相應(yīng)埋設(shè)深度處土層飽和情況。
[0025]利用本實用新型的監(jiān)測系統(tǒng)對黃土場地浸水條件下土體內(nèi)部水分運移進(jìn)行監(jiān)測的方法，具體包括如下步驟:
[0026]1、監(jiān)測系統(tǒng)的組裝
[0027]監(jiān)測系統(tǒng)由人工組裝，包括土壤水分傳感器、孔隙水壓力傳感器的焊接、電源模塊的組裝、上位機的安裝、信號線的連接及各傳感器與相應(yīng)的數(shù)據(jù)采集器的匹配調(diào)試。
[0028]2、傳感器的標(biāo)定
[0029]對每個孔隙水壓力傳感器進(jìn)行標(biāo)定，得到所有孔隙水壓力傳感器標(biāo)定曲線；土壤水分傳感器出廠時已經(jīng)標(biāo)定為線性輸出，即4?20mA對應(yīng)0%?100%的體積含水量，故無需再進(jìn)行標(biāo)定。
[0030]3、傳感器埋設(shè)方案設(shè)計與實施
[0031]第一、參見圖5，在待監(jiān)測區(qū)域開挖浸水坑。
[0032]浸水坑的直徑要參考當(dāng)?shù)刈灾貪裣菪渣S土分布的下限深度H(即自重濕陷性土層厚度)，浸水坑的直徑D要大于等于此下限深度H (H從場地工程地質(zhì)勘查報告中的土工試驗部分得到)；另外，浸水坑的深度不大于0.Sm，以0.5m為宜，且需在坑底鋪設(shè)0.1m厚的砂礫石(參照《濕陷性黃土地區(qū)建筑規(guī)范》(GB50025-2004))。
[0033]第二、在浸水坑內(nèi)地面及浸水坑外地面開挖多個埋設(shè)井和埋設(shè)孔。埋設(shè)井和埋設(shè)孔的數(shù)量、位置及深度宜遵循如下規(guī)律:
[0034]為了滿足監(jiān)測需求，埋設(shè)井?dāng)?shù)量不宜少于4個，考慮到工作經(jīng)費埋設(shè)井?dāng)?shù)量不宜多于8個，以6個為宜；由于水壓力無方向性，孔隙水壓力傳感器的埋設(shè)形態(tài)可不必嚴(yán)格要求，故還可輔以造價相對較低的鉆孔用以埋設(shè)孔隙水壓力傳感器。
[0035]根據(jù)本領(lǐng)域的研究結(jié)果，埋設(shè)井位置應(yīng)根據(jù)黃土體浸水特性來設(shè)置，(參考《大西客運專線與中南部重載鐵路通道濕陷性黃土現(xiàn)場浸水坑浸水試驗研究報告》、《榆次區(qū)郝家溝吉利新能源汽車廠區(qū)濕陷性黃土現(xiàn)場浸水坑浸水試驗研究報告》、《蘭州地區(qū)大厚度自重濕陷性黃土場地浸水試驗綜合觀測研究》以及相關(guān)論文)。假設(shè)浸水坑半徑為R，則由浸水坑圓心出發(fā)，1)R范圍內(nèi)(即浸水坑內(nèi))必然會在浸水作用下飽和，所以浸水坑內(nèi)部土層在豎直方向上宜每隔2m布置一個土壤水分傳感器，同時為了避免同一埋設(shè)井中因土壤水分傳感器埋設(shè)過多而加大埋設(shè)工作的難度，故在距浸水坑圓心1/3R，3/2R的位置處分別設(shè)置一個埋設(shè)井，埋設(shè)井深度宜等于或略大于H，這樣既可監(jiān)測豎向的滲透過程又可以監(jiān)測橫向上的擴(kuò)散規(guī)律。
[0036]2)R?2R范圍位于浸水區(qū)域以外，參考以往研究結(jié)果，該范圍是地下水分向外擴(kuò)散的必經(jīng)區(qū)域且變化較快，在該范圍內(nèi)的水分運移監(jiān)測主要關(guān)注兩個方面的問題，一是揭示浸潤角，二是揭示浸潤鋒的擴(kuò)散過程。為此，宜在該范圍內(nèi)開挖3?4個埋設(shè)井:首先在浸水坑邊沿附近(如R+lm處)及2R處開挖兩個埋設(shè)井，埋設(shè)一定數(shù)量的傳感器作為該范圍的控制性埋設(shè)井，若開挖3個埋設(shè)井則宜在1.5R處增開一個埋設(shè)井，若開挖4個埋設(shè)井則宜在R+l/3R、R+2/3R處增開兩個埋設(shè)井；或者在R?2R范圍內(nèi)共開挖3個埋設(shè)井并在由內(nèi)向外數(shù)的第2個和第3個埋設(shè)井之間增設(shè)一個用于埋設(shè)孔隙水壓力傳感器的埋設(shè)孔；同時宜在間隔大于8m的兩個埋設(shè)井之間增設(shè)一個孔隙水壓力傳感器埋設(shè)孔。
[0037]3) 2R?2.5R范圍內(nèi)是水分側(cè)向擴(kuò)散的最遠(yuǎn)范圍，該區(qū)域一般只有深部會受水浸潤，而淺表層是否受水浸潤則取決于場地的浸潤角，所以，該范圍主要注意深層浸潤情況，宜在2.5R±3m范圍內(nèi)開挖I個埋設(shè)井，并在2R?2.5R范圍內(nèi)增設(shè)一個用于埋設(shè)孔隙水壓力傳感器的埋設(shè)孔；
[0038]埋設(shè)井(孔)的開挖深度以自重濕陷性黃土分布的下限深度H為宜。
[0039]第三、在每個埋設(shè)井(孔)內(nèi)對應(yīng)埋設(shè)土壤水分傳感器及孔隙水力傳感器。其埋設(shè)形式、埋設(shè)密度與埋設(shè)數(shù)量宜遵循如下規(guī)律:
[0040]孔隙水力傳感器及土壤水分傳感器的測量原理及幾何形態(tài)均不同，故埋設(shè)形式也有所不同。如圖2所示，孔隙水壓力傳感器呈扁圓柱形，截面呈長方形，由于在同一位置孔隙水壓力各向相同，所以孔隙水壓力傳感器的埋設(shè)無需考慮方向，同時，由于孔隙水壓力傳感器中電阻應(yīng)變片組成的橋式電路被傳感器殼體包裹，水壓力透過剛性的透水石頂蓋傳遞給測量元件，所以如果在鉆孔內(nèi)埋設(shè)孔隙水壓力傳感器，只需在鉆孔打至預(yù)定深度處后將孔隙水壓力傳感器放置在孔底即可，若需在埋設(shè)井內(nèi)埋設(shè)孔隙水壓力傳感器，則需要將孔隙水壓力傳感器尾線固定在埋設(shè)井壁上。土壤水分傳感器結(jié)構(gòu)如圖3所示，由于其工作原理是通過土的電阻率變化反算土的體積含水量，而且其金屬探針較長并裸露在外，所以埋設(shè)時應(yīng)首先在預(yù)定位置處的井壁上掏出直徑略大于傳感器寬度的孔，孔深度應(yīng)略長于傳感器長度，成孔后將土壤水分傳感器緩慢的插入孔內(nèi)土體中，另外要注意的是，由于其測量原理容易受到金屬物體的干擾，所以如在同一傳感器埋設(shè)井的同一深度處需埋設(shè)多個帶有金屬外殼或金屬探針的傳感器時，應(yīng)與土壤水分傳感器保持50cm以上的距離，以避免干擾土壤水分信號的采集。
[0041]前面提到，每一個傳感器埋設(shè)井的開挖深度宜為自重濕陷性黃土分布的下限深度H，在前人研究結(jié)論的基礎(chǔ)上，宜在每個埋設(shè)井的相應(yīng)深度處埋設(shè)一定密度和數(shù)量的土壤水分傳感器及孔隙水壓力傳感器，以對整個浸水影響范圍內(nèi)的自重濕陷性土層區(qū)進(jìn)行水分監(jiān)測。
[0042]具體的傳感器埋設(shè)密度和數(shù)量宜遵循以下原則:
[0043]孔隙水壓力傳感器:由于孔隙水壓力傳感器只能測量正值的孔隙水壓，而只有當(dāng)土體飽和時才可以出現(xiàn)正的孔隙水壓力，所以孔隙水壓力傳感器用來反映其所在位置土層的飽和情況。因此，宜在每個埋設(shè)井(孔)底部布置一個孔隙水壓力傳感器，以全面、精細(xì)的反映土層飽和情況。
[0044]土壤水分傳感器:土壤水分傳感器可測量土體從完全干燥到完全飽和各種狀態(tài)下的含水量，因此土壤水分傳感器主要用于反映水分在黃土地層內(nèi)向下和向外擴(kuò)散的過程，其埋設(shè)數(shù)量和密度都要遠(yuǎn)大于孔隙水壓力傳感器，而且埋設(shè)的埋設(shè)數(shù)量和密度越大，越能清晰的反映土體內(nèi)部水分運移的過程。為了兼顧經(jīng)濟(jì)性和準(zhǔn)確性，土壤水分傳感器的埋設(shè)密度和數(shù)量宜遵循以下方案:對于浸水坑內(nèi)部(即R范圍內(nèi))的2個埋設(shè)井，每個埋設(shè)井中的土壤水分傳感器宜兩兩豎向間隔為4m，該2個埋設(shè)井中的第一個傳感器在豎向上錯開2m，這樣便達(dá)到豎向上平均每2m —個土壤水分傳感器的埋設(shè)密度；浸水坑外圍的土壤水分傳感器主要擔(dān)負(fù)著揭示水分浸潤角和水分?jǐn)U散過程的任務(wù)，因此可以在前人的研究基礎(chǔ)之上安排埋設(shè)數(shù)量和密度。根據(jù)前人通過原位試驗得出的結(jié)論，黃土的浸潤角大致分布在30°?60°之間，并且最外圍浸潤鋒線會隨著與浸水坑距離的增加而急劇下降，因此浸水坑外圍最靠近浸水坑的兩個埋設(shè)井淺部土層中埋設(shè)密度應(yīng)大于深部土層。隨著與浸水坑距離的增加，深部土層被水分浸潤的可能性急劇降低，根據(jù)前人的研究結(jié)論，浸水坑浸水條件下濕陷下限深度土層范圍內(nèi)，最遠(yuǎn)的浸潤距離是1.5倍半徑，因此遠(yuǎn)處傳感器埋設(shè)井中只需在深部埋設(shè)較低密度的土壤水分傳感器即可。按照上述原則，我們經(jīng)過大量試驗，得到了如下布置方案。距離浸水坑最近的埋設(shè)井中，最淺部的土壤水分傳感器宜設(shè)置在鉛垂線與30°及60°線所夾范圍內(nèi)，且1m深度內(nèi)埋設(shè)間距不宜大于2m，10m以下埋設(shè)間距宜為2?4m ;其余埋設(shè)井中，最淺部的土壤水分傳感器宜埋設(shè)在該埋設(shè)井鉛垂線與60°線的交點處，土壤水分傳感器的埋設(shè)個數(shù)宜為2?4m/個，它們等距離埋設(shè)。
[0045]第四、傳感器埋設(shè)井和埋設(shè)孔的開挖以及傳感器埋設(shè)工作
[0046]對于方便機械進(jìn)場的地區(qū)宜用機械洛陽鏟開挖，否則宜人工開挖成井。要求埋設(shè)井的井壁豎直，開挖過程中盡量避免和減少對井壁土層的擾動。埋設(shè)井直徑宜大于0.6m,以方便成井后埋設(shè)傳感器的工作人員上下。
[0047]孔隙水壓力傳感器在埋設(shè)前需做預(yù)處理，首先將表面積為傳感器表面積4?6倍的紗窗網(wǎng)布折疊三層并展平，然后將傳感器置于正中并用細(xì)砂將傳感器在網(wǎng)布范圍內(nèi)掩埋，最后折起網(wǎng)布四角確保傳感器被細(xì)砂包裹嚴(yán)實后用扎帶將網(wǎng)布四角固定在傳感器尾線上。在埋設(shè)時只需將預(yù)處理好的孔隙水壓力傳感器置于埋設(shè)井(孔)底部即可。
[0048]土壤水分傳感器由于本身長度較大，且有裸露的金屬探頭，信號容易受到干擾，因此在埋設(shè)時宜首先開辟出一個長、寬、深均為20cm的大土槽，而后在該土槽內(nèi)側(cè)的壁上平行地面的方向為其開辟出長、寬與傳感器橫截面相當(dāng)，深度略大于傳感器長度4?6cm的小土槽，而后將土壤水分傳感器緩緩插入土槽中，僅留尾線在外，考慮到濕陷性黃土層在浸水過程中將發(fā)生沉降，因此須在大土槽內(nèi)預(yù)留Im長的傳感器尾線，以防在土層沉降后對傳感器形成拉力造成傳感器損壞和監(jiān)測精度損失。
[0049]由于同一埋設(shè)井內(nèi)要在不同深度處埋設(shè)多個傳感器，每一個傳感器的信號都需要用數(shù)據(jù)線傳輸?shù)綌?shù)據(jù)采集器，所以井內(nèi)會有大量紛亂的數(shù)據(jù)線，宜將其集中捆扎固定，因此在不同深度處埋設(shè)傳感器時宜沿同一個鉛垂線，這樣各傳感器尾線將沿一個方向深出埋設(shè)井外。捆扎方法是每隔一定距離用扎帶將該位置的線固定，而后用圖4所示的U型鐵桿將線釘在井壁土體上。這樣的固定方式可以避免在夯實回填土體時夯錘剮蹭到傳感器尾線。
[0050]待所有土壓力傳感器埋設(shè)完畢后，需將所有埋設(shè)井回填并夯實，夯實標(biāo)準(zhǔn)以達(dá)到原位土層密度為宜。
[0051]4、數(shù)據(jù)采集
[0052]數(shù)據(jù)的采集工作宜分為三個階段:
[0053]第一階段:檢查線路、監(jiān)測系統(tǒng)試運行
[0054]在監(jiān)測開始前，需檢查整個監(jiān)測系統(tǒng)的線路有無短路、斷路現(xiàn)象，確保無誤后開啟電源，而后檢查各系統(tǒng)組成單元的功能是否正常。
[0055]第二階段:初始值采集
[0056]檢查工作完成后，在浸水坑開始浸水前，啟動微電壓采集器和電流采集器分別采集土層中的初始信號值，并將初始信號值按照傳感器標(biāo)定公式轉(zhuǎn)化為土層體積含水量和孔隙水壓力，然后發(fā)送給上位機。初始值反映了土層在未浸水前的含水情況，將作為以后數(shù)據(jù)分析的起始點。
[0057]第三階段:浸水后的數(shù)據(jù)變化監(jiān)測
[0058]浸水開始后，各傳感器的讀數(shù)將隨著水分運移的過程而變化，孔隙水壓力傳感器以及土壤水分傳感器將實時采集的水分?jǐn)?shù)據(jù)信號上傳給微電壓和電流采集器，而微電壓采集器和電流采集器則以一定的頻率搜索各通道并將信號進(jìn)一步發(fā)送給上位機。監(jiān)測過程中的采集頻率和數(shù)據(jù)總數(shù)按需求而定，一般情況下，數(shù)據(jù)采集的頻率隨著浸水時間的增長過程由高到低，也即開始浸水時的數(shù)據(jù)采集頻率應(yīng)較高，因為此時土中含水量相對較低水分浸入會快速改變土層的含水情況，此時若采集頻率低將影響土層中水分運移過程的反演。當(dāng)某一傳感器的返回值在一定數(shù)值附近波動時，表明該位置的水分變化已經(jīng)穩(wěn)定，此時可適當(dāng)降低采集頻率。為避免數(shù)據(jù)量冗余，并對采集系統(tǒng)以及后期分析造成負(fù)擔(dān)，采集頻率最高不宜超過1min/次，同時為了不影響水分運移過程反演的精度，采集頻率最低不宜低于2h/ 次。
[0059]此時，本實用新型的工作結(jié)束。上位機對接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲和顯示。本實用新型的監(jiān)測系統(tǒng)采集到數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)應(yīng)用于黃土場地浸水條件下的水份運移分析。
[0060]由于孔隙水壓力傳感器和土壤水分傳感器用到兩種數(shù)據(jù)采集原理，其數(shù)據(jù)處理方式也有所不同。
[0061]孔隙水壓力傳感器是通過孔隙水壓作用于傳感器中的電阻應(yīng)變片，進(jìn)而使其在電橋分擔(dān)電壓發(fā)生改變而反映孔隙水壓改變的?？紫端畨毫鞲衅鞯妮敵鲂盘柵c孔隙水壓力之間被設(shè)計成了較好的線性關(guān)系，但是為了提高監(jiān)測精度，宜對傳感器進(jìn)行重新標(biāo)定擬合得到擬合標(biāo)定曲線及對應(yīng)的擬合公式，見式1，其中α等于擬合曲線在孔隙水壓力軸的截距，β等于擬合曲線的斜率。
[0062]由式I計算得到孔隙水壓力μ:
[0063]μ = α + β *χ (式！)
[0064]式中，μ —孔隙水壓力；Χ—傳感器輸出信號值；α、β —擬合系數(shù)；
[0065]土壤水分傳感器是通過測量土體的介電特性來反映土體的體積含水量。與孔隙水壓力傳感器類似，土壤水分傳感器的輸出信號與土體體積含水量之間同樣被設(shè)計成了線性關(guān)系，為了提高精度需對其進(jìn)行重新標(biāo)定與擬合，見式2，其中a等于擬合曲線在土層體積含水量軸的截距，b等于擬合曲線的斜率。
[0066]由式2計算得到土體的體積含水量ω:
[0067]ω = a+b*x (式 2)
[0068]式中，ω—體積含水量；χ—傳感器輸出信號值；a、b—擬合系數(shù)。
[0069]將某一時刻h采集的某個孔隙水壓力傳感器代入式1，得到該傳感器所埋設(shè)的監(jiān)測點在該時刻的孔隙水壓力μ !;按照同樣的方式對每次采集的傳感器信號值進(jìn)行處理，可得到 η 組數(shù)據(jù):(μ 17 t) , ( μ 2，t2) ,....., ( μ n, tn)；
[0070]將某一時刻h采集的某個土壤水分傳感器的輸出值代入式2中，得到該傳感器所埋設(shè)的監(jiān)測點在該時刻的體積含水量Q1，按照同樣的方式對每次采集的傳感器信號值進(jìn)行處理，可得到η組數(shù)據(jù):(ω。tl)，(ω2，t2)，.....，(ωη，tn)，其中，η表示試驗期內(nèi)數(shù)據(jù)的采集次數(shù)；分別以孔隙水壓力μ和體積含水量ω為縱軸，以時間t為橫軸建立坐標(biāo)系，得到的η組數(shù)據(jù)在該坐標(biāo)系中表示為μ —t時態(tài)曲線及ω —t時態(tài)曲線。分析這些時態(tài)曲線可以反演黃土場地浸水條件下土體內(nèi)部水分運移規(guī)律。
【權(quán)利要求】
1.一種黃土場地浸水條件下土體內(nèi)部水分運移監(jiān)測系統(tǒng)，其特征在于，包括電源、上位機、多個孔隙水壓力傳感器、多個土壤水分傳感器、至少一臺微電壓采集器、至少一臺電流采集器；其中，每個孔隙水壓力傳感器的輸出端連接微電壓采集器的輸入端，每個土壤水分傳感器的輸出端連接電流采集器的輸入端，微電壓采集器和電流采集器的輸出端分別連接上位機；電源連接孔隙水壓力傳感器、土壤水分傳感器、微電壓采集器、電流采集器及上位機為其供電； 所述孔隙水壓力傳感器用于實時采集黃土場地浸水條件下土體內(nèi)部的孔隙水壓力數(shù)據(jù)，所述土壤水分傳感器用于實時采集黃土場地浸水條件下土體內(nèi)部的土壤水分?jǐn)?shù)據(jù)，采集到的數(shù)據(jù)分別發(fā)送到微電壓采集器和電流采集器，微電壓采集器和電流采集器將數(shù)據(jù)發(fā)送到上位機,上位機用于存儲并顯示接收到的數(shù)據(jù)。
2.如權(quán)利要求1所述黃土場地浸水條件下土體內(nèi)部水分運移監(jiān)測系統(tǒng)，其特征在于，所述孔隙水壓力傳感器包括不銹鋼質(zhì)的盒體出)、電阻應(yīng)變片(2)、接線板(3)和透水石材質(zhì)的頂蓋(5)，為防止盒體(6)受到腐蝕盒體底面有鍍鋅層(1)，盒體￠)內(nèi)固定有由電阻應(yīng)變片(2)組成的橋式電路和接線板(3)，電阻應(yīng)變片(2)組成的橋式電路緊貼盒體(6)內(nèi)底面，所述接線板(3)位于電阻應(yīng)變片(2)組成的橋式電路的上方；電阻應(yīng)變片(2)組成的橋式電路通過接線板(3)由信號線(4)引出盒體￠)，出線處用環(huán)氧樹脂密封，盒體(6)頂部安裝透水石頂蓋(5)封閉盒體。
3.如權(quán)利要求1所述黃土場地浸水條件下土體內(nèi)部水分運移監(jiān)測系統(tǒng)，其特征在于，所述土壤水分傳感器采用FDS系列水分傳感器，其由金屬探針(7)、頻域反射功能電路(8)以及傳感器尾線(9)組成，金屬探針連接頻域反射功能電路(8)的輸入端，頻域反射功能電路(8)的輸出端連接傳感器尾線(9)。
【文檔編號】G01N33/24GK203929763SQ201420332870
【公開日】2014年11月5日 申請日期:2014年6月20日 優(yōu)先權(quán)日:2014年6月20日
【發(fā)明者】馬閆, 王家鼎, 李彬, 彭淑君, 李家棟, 谷天峰 申請人:西北大學(xué)