CN105136864A - 可现场测试地表下不同深度土含水率与干密度的探测器 - Google Patents

Abstract

本发明公布了一种可现场测试地表下不同深度土含水率与干密度的探测器，该探测器为一个圆柱状，内置同轴电缆(1)，上部为探杆连接器(2)，探杆连接器(2)内设有防水圈(3)，防水圈(3)的下部为模-数转换器(4)，模-数转换器(4)与同轴电缆(1)相连，传输线(5)有两根位于探测器的外部，通过环氧树脂系胶结剂以螺旋形的方式平行盘绕在尼龙套管(6)外侧，尼龙套管(6)的内部为钢芯(7)，探测器的下部为电导率传感器(8)，电导率传感器(8)通过同轴电缆(1)与模-数转换器(4)相连接，锥头(9)位于钢芯(7)的下部，电导率传感器(8)位于锥头(9)内部。该探测器具有简单、易操作、多功能等特点，可快速准确地确定地表下不同深度土的含水率与密度。

Description

可现场测试地表下不同深度土含水率与干密度的探测器

技术领域

本发明涉及一种多功能探测器，属于岩土工程领域中一种能够原位、连续、准确地测试地表下不同深度土含水率与干密度的多功能静力触探装置。

背景技术

岩土工程领域内，有关地表下土含水率与干密度的研究变得越来越重要。土含水率与密度是基础、路堤、大坝、挡土墙、斜坡等岩土工程建设的两个重要参数。土的力学性能包括土的强度和变形等都和土的含水率息息相关。土的含水率的改变常常带来很多工程事故，而这些事故都需要准确掌握土的含水率与干密度。国内现在相对较成熟的传统时域反射计技术广泛用于测量土体积含水率、体积电导率和岩土体变形之中。该传统测试技术具有测量简便、测量速度快、精度高、数据传输灵活等优点。但这种传统时域反射计技术只能测量地表下浅层土的含水率，不能测量深度土层的含水率，并且不能同时测量土的干密度，难以满足相关研究和设计需要。因此提高测试地表下土含水率的技术水平显得十分必要的。

本发明基于传统的测试技术，提出一种可现场测试地表下不同深度土含水率与干密度的探测器，本发明即解决了只能测试浅层土含水率的问题，同时实现了同时测量土含水率与干密度的目标，为岩土工程原位测试提供准确有效的评价工具。

发明内容

技术问题：本发明要解决的技术问题是针对目前国内技术探测器功能单一的缺陷，提出一种可用于岩土工程领域的可现场测试地表下不同深度土含水率与干密度的探测器。

技术方案：本发明是一种可现场测试地表下不同深度土含水率与干密度的探测器，该探测器为一个圆柱状，其中包括同轴电缆，探杆连接器，防水圈，模-数转换器，传输线，尼龙套管，钢芯，电导率传感器，锥头；该探测器上部为探杆连接器，探杆连接器内设有防水圈，防水圈的下部为模-数转换器，模-数转换器与同轴电缆相连，传输线有两根位于探测器的外部，通过环氧树脂系胶结剂以螺旋形的方式平行盘绕在尼龙套管外侧，尼龙套管的内部为钢芯，探测器的下部为电导率传感器，电导率传感器通过同轴电缆与模-数转换器相连接，锥头位于钢芯的下部，电导率传感器位于锥头内部。

探杆连接器的高度为70mm，直径为43.7mm。

两条平行的传输线以螺旋形的方式盘绕在尼龙套管外侧上，其间距为40mm。

传输线的截面积为12mm²。

尼龙套管的厚度为7mm。

钢芯的高度为180mm。

锥头的锥角为30°，圆锥底部截面积为15cm²。

本发明的可用于现场测试地表下不同深度土含水率与干密度的探测器，是利用静力触探贯入仪将探测器以1.2m/min的速度直接贯入地表下，然后利用脉冲发射器发射高频电磁波脉冲，高频电磁波脉冲沿传输线在土壤中传播的速度依赖于土的介电常数，如下式所示：

$K={\left(\frac{c}{v}\right)}^2={\left(\frac{ct}{2L}\right)}^2$

式中K为土的表观介电常数；c为光速(3*10⁸m/s)；v为传播速度；L为探测器长度；t为脉冲传播的时间。

介电常数主要受土含水率影响，根据高频电磁波在介质中传播频率或时间计算出土的介电常数。当高频电磁波脉冲的信号反射回到电缆测试器时，可掌握反射信号的衰减量，而反射信号的衰减量与土的电导率相关，即可通过反射信号的衰减量得出土的电导率。通过测试计算得到的介电常数以及衰减程度，再根据其与土的含水率和干密度的相关关系，如下式所示，即可换算出不同深度土的含水率与干密度。

$\sqrt{K}\frac{{\mathrm{\ρ}}_w}{{\mathrm{\ρ}}_d}=a+bw$

$\sqrt{EC}\frac{{\mathrm{\ρ}}_w}{{\mathrm{\ρ}}_d}=c+dw$

式中w为水的含水率；ρ_d为土的干密度；EC为土的表观电导率；系数a、b、c、d可通过室内实验测得。

该探测器具有简单、易操作、多功能等特点，可快速准确地确定地表下不同深度土的含水率与密度，为岩土工程原位测试提供准确有效的多功能评价工具。

有益效果：在岩土工程实践中，地表下土含水率与干密度参数的确定问题在国内日益引起重视。了解地表下不同深度土含水率以及干密度等信息，对预防岩土工程事故与修复设计岩土工程事故方案至关重要。传统的调查方法，如采用时域反射计技术与室内试验，相对较为耗时，所得结果为浅层土的参数且功能单一，因此无法快速有效确定这两项指标。本发明基于现有的时域反射计技术，提出了一种多功能探测器，可测试不同深度水的含水率，同时实现了同时测量土含水率与干密度的目标，解决了国内现有岩土工程原位测试技术难以准确、连续、多功能的测试地表下土的含水率与干密度的缺陷，使得现代原位测试技术能够更好的服务于岩土工程实践。

附图说明

图1是本发明的探测器结构示意图，

图2是本发明的探测器中部结构示意图。

其中有：同轴电缆1、探杆连接器2、防水圈3、模-数转换器4、传输线5、尼龙套管6、钢芯7、电导率传感器8、锥头9。

具体实施方式

本发明是一种可现场测试地表下不同深度土含水率与干密度的探测器，由同轴电缆1、探杆连接器2、防水圈3、模-数转换器4、传输线5、尼龙套管6、钢芯7、电导率传感器8、锥头9组成。该探测器内置同轴电缆1，上部为探杆连接器2，探杆连接器2内设有防水圈3，防水圈3的下部为模-数转换器4，模-数转换器4与同轴电缆1相连，传输线5位于探测器的外部，内设两根平行的传输线5，传输线5通过环氧树脂系胶结剂以螺旋形的方式盘绕在尼龙套管6外侧上，尼龙套管6的内部为钢芯7，探测器的下部为电导率传感器8，电导率传感器8通过同轴电缆1与模-数转换器4相连接，电导率传感器8位于锥头9内部。

探杆连接器2的高度为70mm，直径为43.7mm。

两条平行的传输线5以螺旋形的方式盘绕在尼龙套管6外侧上，其间距为40mm。

传输线5的截面积为12mm²。

尼龙套管6的厚度为7mm。

钢芯7的高度为180mm。

锥头9的锥角为30°，圆锥底部截面积为15cm²。

图1所示的可用于现场测试地表下不同深度土含水率与干密度的探测器，是利用静力触探贯入仪将多功能探测器直接贯入地表下，然后利用脉冲发射器发射高频电磁波脉冲，得到高频电磁波脉冲在传输线传播的时间以及衰减程度，并根据二者与土的含水率与干密度的相关关系，换算出地表下不同深度土的含水率与干密度。土的表观介电常数、表观电导率与土含水率、干密度的表达式为：

$w=\frac{c\sqrt{K}-a\sqrt{EC}}{b\sqrt{EC}-d\sqrt{K}}$

${\mathrm{\ρ}}_d=\frac{d\sqrt{K}-b\sqrt{EC}}{ad-cb}$

同时，本发明的测试技术必须经过室内标定试验。按照美国试验与材料学会(ASTM)D2216中的烘干土的标准来进行室内标定试验。该探测器具有简单、易操作、多功能等特点，可快速准确地确定地表下不同深度土的含水率与干密度，为岩土工程原位测试提供准确有效的多功能评价工具。

Claims (7)

1.一种可现场测试地表下不同深度土含水率与干密度的探测器，其特征在于该探测器为一个圆柱状，其中包括同轴电缆(1)，探杆连接器(2)，防水圈(3)，模-数转换器(4)，传输线(5)，尼龙套管(6)，钢芯(7)，电导率传感器(8)，锥头(9)；该探测器上部为探杆连接器(2)，探杆连接器(2)内设有防水圈(3)，防水圈(3)的下部为模-数转换器(4)，模-数转换器(4)与同轴电缆(1)相连，传输线(5)有两根位于探测器的外部，通过环氧树脂系胶结剂以螺旋形的方式平行盘绕在尼龙套管(6)外侧，尼龙套管(6)的内部为钢芯(7)，探测器的下部为电导率传感器(8)，电导率传感器(8)通过同轴电缆(1)与模-数转换器(4)相连接，锥头(9)位于钢芯(7)的下部，电导率传感器(8)位于锥头(9)内部。

2.根据权利要求1所述的可现场测试地表下不同深度土含水率与干密度的探测器，其特征在于探杆连接器(2)的高度为70mm，直径为43.7mm。

3.根据权利要求1所述的可现场测试地表下不同深度土含水率与干密度的探测器，其特征在于所述两条平行的传输线(5)以螺旋形的方式盘绕在尼龙套管(6)外侧上，其间距为40mm。

4.根据权利要求1所述的可现场测试地表下不同深度土含水率与干密度的探测器，其特征在于传输线(5)的截面积为12mm²。

5.根据权利要求1所述的可现场测试地表下不同深度土含水率与干密度的探测器，其特征在于尼龙套管(6)的厚度为7mm。

6.根据权利要求1所述的可现场测试地表下不同深度土含水率与干密度的探测器，其特征在于钢芯(7)的高度为180mm。

7.根据权利要求1所述的可现场测试地表下不同深度土含水率与干密度的探测器，其特征在于锥头(9)的锥角为30°，圆锥底部截面积为15cm²。