專利名稱：一種基于時域反射法技術(shù)的水分遷移測量裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于巖土工程中的測量裝置，具體來說，涉及一種基于時域反射法技術(shù)的水分遷移測量裝置。
背景技術(shù)：
在高速公路、機場、大壩等工程的地基設(shè)計中，如何防水保濕、保持土體水分的相對穩(wěn)定是非常關(guān)鍵的問題。水分遷移是土中普遍存在的一個現(xiàn)象，是工程設(shè)計中著重考慮的一個重要因素。例如在高等級公路路基中，水分遷移會造成路基土吸濕軟化，導(dǎo)致路基的強度降低或失穩(wěn)，進而影響路面結(jié)構(gòu)的耐久性和使用性。水分的遷移使不同深度的土具有不同的含水率，而土的含水率又隨著地下水位變化而變化。因此，如何準(zhǔn)確測量水分遷移及含水量的變化成為控制設(shè)計過程中的一個實質(zhì)性問題。目前，我國對水分遷移的應(yīng)用研究，大多集中在農(nóng)田水利部門，且研究區(qū)域多局限于土壤鹽漬化地區(qū)和季節(jié)凍融區(qū)，其一般采用較為簡單的豎管法進行毛細(xì)水上升高度的測量，即用小孔徑圓形管埋填土體試樣后進行測試，雖然該裝置結(jié)構(gòu)簡單，但是測定的水分遷移及土體含水量不夠準(zhǔn)確。

發(fā)明內(nèi)容
技術(shù)問題本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是，提供一種基于時域反射法技術(shù)的水分遷移測量裝置，該水分遷移測量裝置可以實時、準(zhǔn)確的測量土體中的含水量，為高速公路、 機場、大壩等工程地基設(shè)計提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。技術(shù)方案為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采取的技術(shù)方案是一種基于時域反射法技術(shù)的水分遷移測量裝置，該水分遷移測量裝置包括盛土筒、盛水底座、TDR 土壤水分速測儀和供水裝置，其中，所述的盛土筒中填充有土體試樣，盛土筒的頂端設(shè)有密封蓋，盛土筒的底端為開口，盛土筒的底端和盛水底座的頂端相配合，盛土筒的筒壁上沿徑向設(shè)有通孔；所述的盛水底座的頂端為開口，盛水底座的中部為空腔，在盛水底座的空腔中設(shè)有透水支撐部件，透水支撐部件的上方設(shè)有過濾層，盛水底座的外側(cè)設(shè)有進水管和水位觀測管，該進水管和水位觀測管均與盛水底座的空腔相通；所述的TDR 土壤水分速測儀包括探針、導(dǎo)線和主機，探針埋設(shè)于盛土筒的土體試樣中，導(dǎo)線的一端與探針相連，另一端穿過盛土筒壁面上的通孔，可與位于盛土筒外側(cè)的主機連接；所述的供水裝置包括水箱和底盤，供水箱位于底盤上方，并且供水箱和底盤之間連接有彈性支承裝置；供水箱中盛有水，其壁面設(shè)有出水口 ；供水箱的出水口和盛水底座的進水管通過導(dǎo)管連接。有益效果與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的技術(shù)方案具有以下有益效果1.可以實時、準(zhǔn)確的測量土體試樣的含水量。在本技術(shù)方案中，水分遷移測量裝置包括盛土筒、盛水底座、TDR 土壤水分速測儀和供水裝置。在盛土筒的下部供給水源，以對盛土筒內(nèi)的土體試樣進行水分滲透，通過盛土筒內(nèi)土體試樣顏色的深淺變化，可以獲取較為準(zhǔn)確的不同時間內(nèi)水分上升高度，并利用埋設(shè)于土體試樣中的TDR 土壤水分速測儀的探針，通過TDR 土壤水分速測儀的主機可以準(zhǔn)確的、實時的測量土體試樣各位置的含水量及其變化情況，為高速公路、機場、大壩等工程的地基設(shè)計提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。與現(xiàn)有技術(shù)將盛土筒中各位置的土體試樣取出后再在進行測量相比，本技術(shù)方案測量土體試樣的含水量更加及時、準(zhǔn)確。2.為土體試樣提供恒定的水壓。在本技術(shù)方案中，供水裝置包括水箱和底盤，供水箱和底盤之間連接有彈性支承裝置。當(dāng)供水箱向盛土筒供給水時，供水箱內(nèi)的水減少，彈性支承裝置會向上移動，供水箱也隨之上升，從而保證供水裝置向盛土筒內(nèi)的土體試樣提供恒定的水壓，即盛土筒內(nèi)的水位恒定。


圖1是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖。圖2是本發(fā)明中探針另一種擺放位置的結(jié)構(gòu)示意圖。其中，盛土筒1、盛土筒節(jié)101、盛水底座2、TDR 土壤水分速測儀3、探針301、導(dǎo)線 302、主機303、供水裝置4、水箱401、底盤402、土體試樣5、密封蓋6、透水支撐部件7、過濾層8、進水管9、水位觀測管10、彈性支承裝置11、法蘭盤12。
具體實施例方式以下將結(jié)合附圖詳細(xì)地說明本發(fā)明的技術(shù)方案。如圖1所示，本發(fā)明的一種基于時域反射法技術(shù)的水分遷移測量裝置，包括盛土筒1、盛水底座2、TDR 土壤水分速測儀3和供水裝置4。盛土筒1中填充有土體試樣5。本發(fā)明就是對填充在盛土筒1中土體試樣5的含水量進行測量。盛土筒1的頂端設(shè)有密封蓋 6。設(shè)置密封蓋6可以防止毛細(xì)水滲透過程中水分蒸發(fā)，以免造成土體試樣5滲透參數(shù)測定不準(zhǔn)確。盛土筒1的底端為開口，盛土筒1的底端和盛水底座2的頂端相配合。盛土筒1的筒壁上沿徑向設(shè)有通孔。盛水底座2的頂端為開口，盛水底座2的中部為空腔。在盛水底座2的空腔中設(shè)有透水支撐部件7。在土木工程中，透水支撐部件7優(yōu)選透水石。透水石的直徑小于盛土筒1的內(nèi)徑，以便于盛水底座2內(nèi)的水可以透過透水石，從而對土體試樣5產(chǎn)生毛細(xì)滲透。透水支撐部件7的上方設(shè)有過濾層8。設(shè)置過濾層8可以防止土體試樣5堵塞透水支撐部件7，造成水分不能正常滲透入土體試樣5中。在土木工程中，優(yōu)選濾紙為過濾層8。盛水底座2的外側(cè)設(shè)有進水管9和水位觀測管10。進水管9和水位觀測管10均與盛水底座2的空腔相通。水位觀測管10可以對不同的土體試樣5設(shè)定不同水位的供水。 TDR土壤水分速測儀3 (TDR英文全稱Time-Domain Ref Iecometry,中文全稱為時域反射法， 在文中統(tǒng)一簡稱為TDR。)TDR土壤水分速測儀3包括探針301、導(dǎo)線302和主機303。探針 301埋設(shè)于盛土筒1的土體試樣5中。導(dǎo)線302的一端與探針301相連，另一端穿過盛土筒 1壁面上的通孔，可與位于盛土筒1外側(cè)的主機303連接。供水裝置4包括水箱401和底盤 402。供水箱401位于底盤402上方，并且供水箱401和底盤402之間連接有彈性支承裝置 11。供水箱401中盛有水，其壁面設(shè)有出水口。供水箱401的出水口和盛水底座2的進水管9通過導(dǎo)管連接。安裝該結(jié)構(gòu)的水分遷移測量裝置時，首先，將透水石填充在盛水底座2的內(nèi)腔中， 并在透水石的上方放置濾紙；然后，將盛土筒1的底端和盛水底座2的頂端通過法蘭盤連接；接著，在盛土筒1中填充土體試樣5，用搗錘均勻、逐層地壓實，且各層之間要鑿毛，并在預(yù)定的高度埋入TDR 土壤水分速測儀3的探針301，導(dǎo)線302的一端與探針301相連，另一端穿過盛土筒1壁面上的通孔，與主機303連接；在土體試樣5埋填完成后，在盛土筒1的頂端設(shè)置密封蓋6，防止土體試樣5中的水分蒸發(fā)；隨后，在供水箱401中盛水，供水箱401 和底盤402之間通過彈性支承裝置11連接，將供水箱401的出水口和盛水底座2的進水管 9通過導(dǎo)管連接。使用該結(jié)構(gòu)的水分遷移測量裝置時，根據(jù)要求設(shè)置水位觀測管10的水位高度，通過水位觀測管10進行調(diào)節(jié)供水箱401里的水位高度，供水箱401中的水通過導(dǎo)管流入盛水底座2中的透水石中，水又從透水石中透過濾紙，進入盛土筒1的土體試樣5中，并且從土體試樣5的下部向上部滲透。根據(jù)TDR 土壤水分速測儀3中的探針301在土體試樣5的分布，可以用TDR 土壤水分速測儀3測量不同時間和不同高度處的土體試樣5的含水量及其變化情況，為工程建設(shè)提供準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)。當(dāng)供水箱401中的水流出后，盛水的供水箱401整體重量減輕，連接在供水箱401和底盤402之間的彈性支承裝置11會逐漸松弛，使得供水箱401的高度逐漸升高，從而保證供水裝置4向盛水底座2提供恒定的水壓。進一步，所述的盛土筒1由盛土筒節(jié)101組成，且相鄰的盛土筒節(jié)101之間由法蘭盤12連接。其中，盛土筒節(jié)101的長度優(yōu)選在50厘米至100厘米之間，例如可以是50厘米、70厘米、100厘米。盛土筒節(jié)101的長度選擇在合理的范圍內(nèi)，既可便于盛土筒1的安裝和拆卸，保證盛土筒1最大程度的連續(xù)性，同時便于在測量結(jié)束后清除盛土筒1內(nèi)土體試樣5。盛土筒節(jié)101的直徑優(yōu)選在15厘米至30cm之間，例如可以是15厘米、22厘米、30厘米。這既可保證在盛土筒節(jié)101內(nèi)壓填土體試樣5操作方便，又可忽略盛土筒節(jié)101內(nèi)土體試樣5發(fā)生水分滲透時的邊界效應(yīng)。盛土筒節(jié)101的壁厚在8厘米至10厘米之間，例如可以是8厘米、9厘米、10厘米。這可保證盛土筒節(jié)101的強度，防止在測量過程中發(fā)生破壞。盛土筒節(jié)101的直徑、高度及通孔的間距可根據(jù)TDR 土壤水分速測儀3的探針301的長度來設(shè)置，而探針301長度、埋設(shè)方式及數(shù)量可通過所需數(shù)據(jù)的精度來設(shè)置。進一步，所述的盛土筒1的內(nèi)壁面上設(shè)有潤滑層。盛土筒1內(nèi)壁面上設(shè)置有潤滑層，一方面可方便脫模，另一方面還可以有效地防止在盛土筒1筒壁發(fā)生集中滲流，影響測量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。進一步，盛土筒1的通孔均勻布置在盛土筒1的筒壁上，且相鄰?fù)字g的距離是 10厘米至15厘米。相鄰?fù)字g的距離可根據(jù)探針301和導(dǎo)線302的直徑來設(shè)置。TDR土壤水分速測儀3的探針301的數(shù)量和導(dǎo)線302的數(shù)量分別與盛土筒1的通孔的數(shù)量相等， 且TDR 土壤水分速測儀3的主機303為一個。當(dāng)需要測量某個位置的土體試樣5的含水量時，只需要將填埋在該位置的探針301的導(dǎo)線302與主機303連接即可。進一步，所述的彈性支承裝置11由采用矩陣形式分布的壓簧組成。壓簧成矩陣形式分布，可以使供水裝置4中的供水箱401和底盤402之間的連接穩(wěn)固，避免供水箱401發(fā)生傾斜，影響供水裝置4提供恒定水壓之功效。例如采用四個壓簧，呈兩排布置，每排兩個； 或者6個壓簧，呈兩排布置，每排三個。
進一步，所述的水位觀測管10和盛土筒1均由可透視的玻璃管制成。盛土筒1優(yōu)選由可透視的玻璃制成，便于對水分上升引起的土體試樣5顏色變化進行觀察。水位觀測管10優(yōu)選由可透視的玻璃制成，便于對水位進行觀測。進一步，所述的TDR 土壤水分速測儀3的探針301呈水平布設(shè)，或者豎直布設(shè)。根據(jù)試驗要求的精度，探針301呈水平布設(shè)，或者豎直布設(shè)。如在圖1中，探針301呈水平布設(shè)。在圖2中，探針301呈豎直布設(shè)。本專利的保護核心在于，通過將TDR 土壤水分速測儀與盛土筒、盛水底座、供水裝置結(jié)合起來，對土體試樣的含水量進行實時、準(zhǔn)確的測量。同時通過彈性支承裝置，得供水裝置對盛土筒提供恒定的水壓。本領(lǐng)域的技術(shù)人員對本技術(shù)方案進行的常規(guī)的、無創(chuàng)造性的改進，皆屬于本專利的保護范圍。
權(quán)利要求
1.一種基于時域反射法技術(shù)的水分遷移測量裝置，其特征在于，該水分遷移測量裝置包括盛土筒(1)、盛水底座(2)、TDR 土壤水分速測儀(3)和供水裝置G)，其中，所述的盛土筒(1)中填充有土體試樣(5)，盛土筒(1)的頂端設(shè)有密封蓋(6)，盛土筒 (1)的底端為開口，盛土筒(1)的底端和盛水底座O)的頂端相配合，盛土筒(1)的筒壁上沿徑向設(shè)有通孔；所述的盛水底座( 的頂端為開口，盛水底座( 的中部為空腔，在盛水底座( 的空腔中設(shè)有透水支撐部件(7)，透水支撐部件(7)的上方設(shè)有過濾層(8)，盛水底座O)的外側(cè)設(shè)有進水管(9)和水位觀測管(10)，該進水管(9)和水位觀測管(10)均與盛水底座(2) 的空腔相通；所述的TDR土壤水分速測儀C3)包括探針(301)、導(dǎo)線(30 和主機(303)，探針(301) 埋設(shè)于盛土筒(1)的土體試樣(5)中，導(dǎo)線(302)的一端與探針(301)相連，另一端穿過盛土筒(1)壁面上的通孔，可與位于盛土筒(1)外側(cè)的主機(30 連接；所述的供水裝置(4)包括水箱(401)和底盤002)，供水箱(401)位于底盤(402)上方，并且供水箱(401)和底盤(40 之間連接有彈性支承裝置(11)；供水箱G01)中盛有水，其壁面設(shè)有出水口 ；供水箱G01)的出水口和盛水底座O)的進水管(9)通過導(dǎo)管連接。
2.按照權(quán)利要求1所述的基于時域反射法技術(shù)的水分遷移測量裝置，其特征在于，所述的盛土筒(1)由盛土筒節(jié)(101)組成，且相鄰的盛土筒節(jié)(101)之間由法蘭盤(1 連接。
3.按照權(quán)利要求2所述的基于時域反射法技術(shù)的水分遷移測量裝置，其特征在于，所述的盛土筒節(jié)(101)的長度在50厘米至100厘米之間，盛土筒節(jié)(101)的直徑在15厘米至30cm之間；盛土筒節(jié)(101)的壁厚在8厘米至10厘米之間。
4.按照權(quán)利要求1所述的基于時域反射法技術(shù)的水分遷移測量裝置，其特征在于，所述的盛土筒(1)的內(nèi)壁面上設(shè)有潤滑層。
5.按照權(quán)利要求1所述的基于時域反射法技術(shù)的水分遷移測量裝置，其特征在于，所述的透水支撐部件(7)是透水石，該透水石的直徑小于盛土筒(1)的內(nèi)徑。
6.按照權(quán)利要求1所述的基于時域反射法技術(shù)的水分遷移測量裝置，其特征在于，所述的盛土筒(1)的通孔均勻布置在盛土筒(1)的筒壁上，且相鄰?fù)字g的距離是10厘米至15厘米。
7.按照權(quán)利要求1或6所述的基于時域反射法技術(shù)的水分遷移測量裝置，其特征在于， 所述的TDR 土壤水分速測儀(3)的探針(301)的數(shù)量和導(dǎo)線(302)的數(shù)量分別與盛土筒 ⑴的通孔的數(shù)量相等，且TDR 土壤水分速測儀(3)的主機(303)為一個。
8.按照權(quán)利要求1所述的基于時域反射法技術(shù)的水分遷移測量裝置，其特征在于，所述的彈性支承裝置(11)由采用矩陣形式分布的壓簧組成。
9.按照權(quán)利要求1所述的基于時域反射法技術(shù)的水分遷移測量裝置，其特征在于，所述的水位觀測管(10)和盛土筒(1)均由可透視的玻璃管制成。
10.按照權(quán)利要求1所述的基于時域反射法技術(shù)的水分遷移測量裝置，其特征在于，所述的TDR 土壤水分速測儀(3)的探針(301)呈水平布設(shè)，或者豎直布設(shè)。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于時域反射法技術(shù)的水分遷移測量裝置，包括盛土筒、盛水底座、TDR土壤水分速測儀和供水裝置，盛土筒中填充有土體試樣，盛土筒的底端和盛水底座的頂端相配合；盛水底座的中部為空腔，在該空腔中設(shè)有透水支撐部件，盛水底座的外側(cè)設(shè)有進水管和水位觀測管；TDR土壤水分速測儀包括探針、導(dǎo)線和主機，探針埋設(shè)于盛土筒的土體試樣中，導(dǎo)線的一端與探針相連，另一端穿過盛土筒壁面上的通孔，可與主機連接；供水裝置包括水箱和底盤，供水箱位于底盤上方，并且供水箱和底盤之間連接有彈性支承裝置；供水箱的出水口和盛水底座的進水管通過導(dǎo)管連接。該水分遷移測量裝置可以實時、準(zhǔn)確的測量土體中的含水量。
文檔編號G01N15/08GK102435541SQ201110356550
公開日2012年5月2日 申請日期2011年11月11日 優(yōu)先權(quán)日2011年11月11日
發(fā)明者朱志鐸, 魏仁杰 申請人:東南大學(xué)