基于電磁波時域反射法的土體體積含水率測試方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于電磁波時域反射法的土體體積含水率測試方法，它通過制樣制出不同干密度的3?5個土體試樣，再通過一系列質(zhì)量含水率標(biāo)準(zhǔn)值、電磁波時域反射法的質(zhì)量含水率換算值wi及干密度的測試，進(jìn)而擬合得到質(zhì)量含水率相對誤差ηi和對應(yīng)土體試樣干密度ρdi的線性回歸函數(shù)ηi＝aρdi+b；并得出該土體的含水率標(biāo)準(zhǔn)值和電磁波時域反射法測量值的標(biāo)定系數(shù)ζ＝1?aρd?b。再使用電磁波時域反射法測出待測土體的體積含水率θ，進(jìn)而得到修正后的電磁波時域反射法測試土體體積含水率修正值θ′，θ′＝ζθ。該法同時消除了不同土體類型、干密度的變化對電磁波時域反射法測試體積含水率的影響，明顯降低了測試結(jié)果的誤差，測試結(jié)果準(zhǔn)確、可靠。從而為巖土工程的設(shè)計(jì)與施工提供更準(zhǔn)確、可靠的試驗(yàn)參數(shù)。
【專利說明】
基于電磁波時域反射法的土體體積含水率測試方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明涉及一種土體含水率的測試方法，尤其涉及一種基于電磁波時域反射法的 土體體積含水率測試方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 含水率是巖土工程中的重要參數(shù)，對路基、邊坡、堤壩、地基等巖土體工程的性質(zhì) 評價、穩(wěn)定性分析以及壓實(shí)質(zhì)量控制都至關(guān)重要。烘干法是目前規(guī)范中測定含水率的標(biāo)準(zhǔn) 方法，其作法是:將土樣置于烘箱中，使烘箱的溫度保持在105~110°C，土樣水分蒸發(fā)后，再 通過計(jì)算水分損失量從而得到土體的含水率。該法測出的含水率較準(zhǔn)確。但現(xiàn)場測試時，烘 干法需鉆孔取樣，存在取樣困難、對結(jié)構(gòu)有損傷且無法長期自動監(jiān)測等問題。
[0003] 由于土體介電常數(shù)是土中水(介電常數(shù)KWater = 81)、空氣(Kair=l)和土顆粒(Ksoil =3~5)的介電常數(shù)綜合值，土體介電常數(shù)主要由土體體積含水率確定。由電磁波時域反射 傳感器動態(tài)測試插入土體中的探針上電磁波的傳播速度，即可動態(tài)測出待測土體的介電常 數(shù)，進(jìn)而利用已建立的土體介電常數(shù)和土體體積含水率之間的函數(shù)關(guān)系，測算出土體的體 積含水率。這種方法稱為電磁波時域反射法(Time Domain Reflectometry，TDR)，它能快 速、無損、自動化動態(tài)監(jiān)測土體體積含水率，已收錄于美國現(xiàn)場含水率測試的標(biāo)準(zhǔn)方法 (ASTM6780)。
[0004] 但現(xiàn)有的電磁波時域反射法，使用的土體介電常數(shù)和土體體積含水率之間的函數(shù) 關(guān)系，沒有考慮土體密實(shí)度的變化對土體介電常數(shù)的影響，也沒考慮土體密實(shí)度的變化對 土體介電常數(shù)的影響，導(dǎo)致其測算出的土體體積含水率存在誤差，測試結(jié)果不準(zhǔn)確。
[0005] 土體體積含水率不準(zhǔn)確則會嚴(yán)重影響路基、邊坡、堤壩、地基等巖土體工程的性質(zhì) 評價、穩(wěn)定性分析以及壓實(shí)質(zhì)量控制。如根據(jù)土-水特征曲線確定土體基質(zhì)吸力時，土體含 水率的微小變化就會引起基質(zhì)吸力計(jì)算結(jié)果的顯著誤差。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明的目的是提供一種基于電磁波時域反射法的土體體積含水率測試方法，該 方法既能快速、無損、自動化動態(tài)監(jiān)測土體體積含水率，同時其測試誤差小，測試結(jié)果更準(zhǔn) 確、可靠，能為巖土工程的設(shè)計(jì)與施工提供更加準(zhǔn)確、可靠的試驗(yàn)依據(jù)。
[0007] 本發(fā)明實(shí)現(xiàn)其發(fā)明目的所采用的技術(shù)方案是，一種基于電磁波時域反射法的土體 體積含水率測試方法，包括以下步驟：
[0008] A、用模型箱對待測土體進(jìn)行制樣，依次制備出I = 3~5個不同干密度的土體試樣；
[0009] B、使用電磁波時域反射法測出各個土體試樣的體積含水率0:，其中，下標(biāo)i為土體 試樣的編號，i = l，2,3,…I;
[0010] C、稱出各個土體試樣的濕土質(zhì)量nu，將各個土體試樣烘干，稱出各個土體試樣的 干土質(zhì)量msi;求出各個土體試樣的干密度Pdi，
_，V為模型箱的凈體積，并求出各 個土體試樣的質(zhì)量含水率標(biāo)準(zhǔn)值w0l，
[0011] D、將B步的各個土體試樣的體積含水率轉(zhuǎn)化為對應(yīng)土體試樣的質(zhì)量含水率換算 值Wi:
;其中，Pw為水的密度；
[0012] E、由C步得到的各個土體試樣的質(zhì)量含水率標(biāo)準(zhǔn)值WQi和D步得到的各個土體試樣 的質(zhì)量含水率換算值wi，計(jì)算出各個土體試樣的質(zhì)量含水率相對誤差ru，m=(wi-woi) /wi; [0013] F、采用線性回歸函數(shù)ni = aPdi+b對所有土體試樣的質(zhì)量含水率相對誤差Hi和對應(yīng) 土體試樣干密度Pdi的關(guān)系進(jìn)行擬合，得到質(zhì)量含水率相對誤差ni和對應(yīng)土體試樣干密度Pdi 的線性回歸函數(shù)的斜率a和截距b的值；
[0014] G、用取樣器對待測土體進(jìn)行取樣，測出待測土體的干密度Pd，得到土體質(zhì)量含水 率標(biāo)定系數(shù)K = 1-aPd-b;
[0015] H、使用電磁波時域反射法測出待測土體的體積含水率0，進(jìn)而得到修正后的電磁 波時域反射法測試土體體積含水率修正值M= W。
[0016]本發(fā)明的標(biāo)定系數(shù)(的推導(dǎo)過程如下：
[0017] 通過制樣制出不同干密度的3-5個土體試樣，再通過一系列的質(zhì)量含水率標(biāo)準(zhǔn)值、 電磁波時域反射法的質(zhì)量含水率換算值^及干密度的測試，在F步中，擬合得到了質(zhì)量含水 率相對誤差ni和對應(yīng)土體試樣干密度Pdi的線性回歸函數(shù)ni = apdi+b。而E步得到的土體試樣 的質(zhì)量含水率相對誤差ni的表達(dá)式為ni = (Wi-WQi) /wi;因此，aPdi+b = (Wi-WQi) /wi;進(jìn)而得到 w〇i=Wi_(aPdi+b)Wi = (l-aPdi-b)Wi。從而得到質(zhì)量含水率標(biāo)準(zhǔn)值w〇i和電磁波時域反射法的 質(zhì)量含水率換算值Wi的修正系數(shù)G = 1-aPdi-b，即w〇i = Gwi = (l-aPdi-b)Wi。
[0018] 由于各個土體試樣的質(zhì)量含水率Wi與體積含水率9i的關(guān)系
，對同一待 測土體而言，二者為線性關(guān)系。因此，體積含水率標(biāo)準(zhǔn)值和測量值關(guān)系的標(biāo)定系數(shù)也為G = 卜apdl_b。由此，通過G步實(shí)測出待測土體的實(shí)際干密度Pd后，可以得到待測土體的含水率標(biāo) 準(zhǔn)值和電磁波時域反射法測量值的標(biāo)定系數(shù)G = 1-aPd-b，進(jìn)而對電磁波時域反射法的體積 含水率測試值0用該標(biāo)定系數(shù)(進(jìn)行標(biāo)定，g卩0'=U;得到待測土體的電磁波時域反射法體 積含水率標(biāo)定值0'。
[0019] 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是：
[0020] 現(xiàn)有的電磁波時域反射法測定不同密實(shí)狀態(tài)的土體時，若土體密實(shí)度增大則會引 起土中顆粒含量增加，土中空氣隨之減少，從而導(dǎo)致土體介電常數(shù)增大，測得的水分含量就 比實(shí)際的水分含量偏高，反之則偏低。同樣，不同的土體類型也會對土體介電常數(shù)的測定值 產(chǎn)生不同的影響。
[0021] 本發(fā)明通過同一土體制作的多個不同土樣的標(biāo)定試驗(yàn)，得出該土體的含水率標(biāo)準(zhǔn) 值(烘干法測試值)和電磁波時域反射法測量值的標(biāo)定系數(shù)G=l-aPd-b。標(biāo)定系數(shù)中土體試 樣的質(zhì)量含水率相對誤差ni和對應(yīng)土體試樣干密度Pdi的線性回歸函數(shù)的斜率a和截距b的 值，可以有效消除不同土體類型對電磁波時域反射法測試體積含水率的影響；而測出的待 測土體的實(shí)際干密度Pd，可以消除不同干密度對電磁波時域反射法測試體積含水率的影 響。因此，本發(fā)明通過標(biāo)定系數(shù)對電磁波時域反射法的測試值進(jìn)行標(biāo)定得到的修正值，同時 消除了不同土體類型、干密度的變化對電磁波時域反射法測試體積含水率的影響，明顯降 低了測試結(jié)果的誤差，測試結(jié)果準(zhǔn)確、可靠。從而為巖土工程的設(shè)計(jì)與施工提供更加準(zhǔn)確、 可靠的試驗(yàn)參數(shù)。
[0022]試驗(yàn)驗(yàn)證證明，本發(fā)明的體積含水率測試的絕對誤差僅為0.02%，而現(xiàn)有的電磁 波時域反射法的絕對誤差為0.45%;本發(fā)明的測試結(jié)果的相對誤差僅為0.15%，而現(xiàn)有的 電磁波時域反射法的相對誤差為3.29%。
[0023]下面結(jié)合附圖和【具體實(shí)施方式】對本發(fā)明做進(jìn)一步說明。
【附圖說明】
[0024]圖1是本發(fā)明試驗(yàn)驗(yàn)證時的質(zhì)量含水率相對誤差n與干密度Pd的線性回歸曲線。
【具體實(shí)施方式】
[0025] 實(shí)施例
[0026] 本發(fā)明的一種【具體實(shí)施方式】為:一種基于電磁波時域反射法的土體體積含水率測 試方法，包括以下步驟：
[0027] A、用模型箱對待測土體進(jìn)行制樣，依次制備出I = 3~5個不同干密度的土體試樣；
[0028] B、使用電磁波時域反射法測出各個土體試樣的體積含水率0:，其中，下標(biāo)i為土體 試樣的編號，i = l，2,3,…I;
[0029] C、稱出各個土體試樣的濕土質(zhì)量nu，將各個土體試樣烘干，稱出各個土體試樣的 干土質(zhì)量msi;求出各個土體試樣的干密度Pdi，
_，V為模型箱的凈體積，并求出各 個土體試樣的質(zhì)量含水率標(biāo)準(zhǔn)值w0l
[0030] D、將B步的各個土體試樣的體積含水率轉(zhuǎn)化為對應(yīng)土體試樣的質(zhì)量含水率換算 值Wi
;其中，Pw為水的密度；
[0031] E、由C步得到的各個土體試樣的質(zhì)量含水率標(biāo)準(zhǔn)值WQi和D步得到的各個土體試樣 的質(zhì)量含水率換算值wi，計(jì)算出各個土體試樣的質(zhì)量含水率相對誤差ru，m=(wi-woi) /wi; [0032] F、采用線性回歸函數(shù)ni = aPdi+b對所有土體試樣的質(zhì)量含水率相對誤差ru和對應(yīng) 土體試樣干密度pdi的關(guān)系進(jìn)行擬合，得到質(zhì)量含水率相對誤差m和對應(yīng)土體試樣干密度pdi 的線性回歸函數(shù)的斜率a和截距b的值；
[0033] G、用取樣器對待測土體進(jìn)行取樣，測出待測土體的干密度Pd，得到土體質(zhì)量含水 率標(biāo)定系數(shù)K = 1-aPd-b;
[0034] H、使用電磁波時域反射法測出待測土體的體積含水率0，進(jìn)而得到修正后的電磁 波時域反射法測試土體體積含水率修正值M= W。
[0035] 試驗(yàn)驗(yàn)證
[0036]采用TRME-IT系列電磁波時域反射傳感器對標(biāo)準(zhǔn)砂構(gòu)筑的不同密實(shí)狀態(tài)的室內(nèi) 砂箱模型土樣進(jìn)行了含水率測試試驗(yàn)，根據(jù)《鐵路工程土工試驗(yàn)規(guī)程》(TB10102-2010)篩分 試驗(yàn)得到標(biāo)準(zhǔn)砂的最大粒徑未超過1. Omm，小于0.5mm的顆粒含量為99.94%，小于0.25mm的 顆粒含量為99.82%，小于0.075mm的顆粒含量為0.80%，不均勻系數(shù)為2.00，曲率系數(shù)為 1.04。由相對密度試驗(yàn)測得標(biāo)準(zhǔn)砂最大干密度0 (1^=1.6638八1113，最小干密度0(1心= 1.337g/cm 3。模型箱凈空尺寸為300 X 300 X 220mm3(長X寬X高）。采用該模型箱制樣共得到 四個土體試樣。
[0037]按以上實(shí)施例方法，測出四個土體試樣的干密度分別為1.40g/cm3、1.45g/cm 3、 1.50g/cm3、1.55g/cm3，并測算出四個土體試樣的質(zhì)量含水率相對誤差ru。擬合得到四個土 體試樣的質(zhì)量含水率相對誤差土體干密度的線性方程為n = 〇. l〇44pd-〇. 1363，如圖1所示。 圖1中，橫坐標(biāo)為干密度Pd，縱坐標(biāo)為質(zhì)量含水率相對誤差n。從而該土體體積含水率的標(biāo)定 系數(shù) G = 1-0 ? 1044pd-(_0 ? 1363) = 1 ? 1363-0 ? 1044pd。
[OO38]對標(biāo)準(zhǔn)砂構(gòu)筑的土體進(jìn)行取樣，測出其干密度Pd= 1.60g/cm3。故其標(biāo)定系數(shù)G = 1.1363-0.1044pd = 1.1363-0.1044*1.60 = 0.96926;再對該標(biāo)準(zhǔn)砂構(gòu)筑的土體用電磁波時 域反射法測出待測土體的體積含水率9 = 14.13，從而其修正后的電磁波時域反射法測試土 體體積含水率修正值0' =60 = 14.13% X0.96926 = 13.70%。
[0039]而對干密度Pd=1.60g/cm3的標(biāo)準(zhǔn)砂構(gòu)筑的土體，用烘干法測試其質(zhì)量含水率并轉(zhuǎn) 化為體積含水率的結(jié)果
3可見，本發(fā)明方法測出的體積含水 率的絕對誤差=13.70%-13.68% =0.02%，而電磁波時域反射法測出的體積含水率的絕 對誤差= 14.13 %-13.68 % =0.45 %。本發(fā)明測試結(jié)果的相對誤差= 0.02 %/13.68 %* 100 % = 0.05 %，而電磁波時域反射法測出的體積含水率的相對誤差=0.45 % /13.68 % * 100% = 1.125%〇
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種基于電磁波時域反射法的土體體積含水率測試方法，包括以下步驟： A、 用模型箱對待測土體進(jìn)行制樣，依次制備出1 = 3~5個不同干密度的土體試樣； B、 使用電磁波時域反射法測出各個土體試樣的體積含水率0:，其中，下標(biāo)i為土體試樣 的編號，i = l，2,3,…I; C、 稱出各個土體試樣的濕土質(zhì)量nu，將各個土體試樣烘干，稱出各個土體試樣的干土質(zhì) 量msl;求出各個土體試樣的干密度pdl，，V為模型箱的凈體積，并求出各個土體 試樣的質(zhì)量含水率標(biāo)準(zhǔn)值WOiD、 將B步的各個土體試樣的體積含水率0:轉(zhuǎn)化為對應(yīng)土體試樣的質(zhì)量含水率換算值w1:其中，Pw為水的密度； E、 由C步得到的各個土體試樣的質(zhì)量含水率標(biāo)準(zhǔn)值WQi和D步得到的各個土體試樣的質(zhì) 量含水率換算值Wi，計(jì)算出各個土體試樣的質(zhì)量含水率相對誤差ru，ni=(Wi-woi) /wi; F、 采用線性回歸函數(shù)ni = apdi+b對所有土體試樣的質(zhì)量含水率相對誤差ni和對應(yīng)土體 試樣干密度Pdi的關(guān)系進(jìn)行擬合，得到質(zhì)量含水率相對誤差ni和對應(yīng)土體試樣干密度Pdi的線 性回歸函數(shù)的斜率a和截距b的值； G、 用取樣器對待測土體進(jìn)行取樣，測出待測土體的干密度Pd，得到土體質(zhì)量含水率標(biāo)定 系數(shù)G，e = l-aPd-b; H、 使用電磁波時域反射法測出待測土體的體積含水率0，進(jìn)而得到修正后的電磁波時 域反射法測試土體體積含水率修正值V= W。
【文檔編號】G01N27/22GK106053554SQ201610304067
【公開日】2016年10月26日
【申請日】2016年5月10日
【發(fā)明人】羅強(qiáng), 張瑞國, 張正, 劉鋼, 李昂, 于曰明, 蔣良濰, 謝濤, 連繼峰, 謝宏偉
【申請人】西南交通大學(xué)