本發(fā)明涉及一種土壤含水量實時測試裝置，特別是基于時域反射(TDR)技術(shù)的非飽和土三軸試樣含水量實時測試探頭及測試裝置。

背景技術(shù)：

在巖土工程測試中，三軸試驗是獲取巖土體抗剪強度的重要試驗手段。而巖土體的抗剪強度與三軸試樣的固結(jié)程度有很密切的關(guān)系，因此試樣的含水量獲取具有重要的工程意義，就目前的試驗手段而言，三軸試樣的含水量只能在放入底座前或做完試驗后獲取，而試驗中間過程中的含水量目前還沒有辦法直接確定，特別在非飽和土的三軸試驗中，有可能三軸試樣的上下部含水量并不一致，因此在試驗過程中如果能隨時監(jiān)測某部位的含水量將對巖土體的力學(xué)特性研究有極大幫助，也十分必要。

1975年，Davis和Chudobiak將時域反射技術(shù)(TDR)應(yīng)用于土壤介電常數(shù)的測定。1980年，Topp等人在利用TDR測量土壤的介電常數(shù)時，證明介電常數(shù)與土壤含水量有很好的相關(guān)性，并建立了土壤含水量與表觀介電常數(shù)的經(jīng)驗公式。美國現(xiàn)場含水量測試標(biāo)準(zhǔn)ASTM6780是利用TDR測試土體含水量，先需要先測定土體的介電常數(shù)，然后通過室內(nèi)標(biāo)定方程得到土體的含水量。與其它方法相比，TDR在土壤水分測量上有很多優(yōu)點，如無破壞性、快速、準(zhǔn)確度高、測量結(jié)果受土壤類型的影響較小、且能同時測量土壤含水量和土壤電導(dǎo)率。目前商用的TDR儀器較多，它們中的大多數(shù)都能用于測量土壤含水量。在測試時需要將TDR探頭的探針插入土體中，通過軟件端控制TDR設(shè)備發(fā)射電磁波，同時記錄反射回來的電磁波，通過分析得到土體的介電常數(shù)，再通過事先建立的土體介電常數(shù)與含水量的關(guān)系，即可得到土體的含水量。目前，絕大多數(shù)的TDR探頭都是探針形式的，需要插入土體內(nèi)部，這種形式的探頭顯然不能用于三軸試驗中試樣的含水量測試，因為探針式的探頭會對三軸試樣造成破壞，直接影響其試驗參數(shù)的獲取。因此，要將TDR技術(shù)應(yīng)用于三軸試驗中，需要另行設(shè)計開發(fā)出適用于三軸試樣含水量實時測試的TDR探頭及測試裝置。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種基于時域反射技術(shù)(TDR)的含水量實時測試探頭及測試裝置，能夠用于巖土工程中非飽和土三軸試樣試驗過程中某部位含水量的實時測試。

為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提出的技術(shù)方案為：

一種非飽和土三軸試樣含水量實時測試探頭，包括柔性可彎基層，設(shè)置于基層一面貼附于試樣的多根柔性導(dǎo)體，以及設(shè)置于基層另一面的連接頭；所述柔性導(dǎo)體與連接頭電性連接。

進一步的，所述基層為具有一定厚度和強度的絕緣材料，其材質(zhì)為聚酰亞胺樹脂。

進一步的，所述柔性導(dǎo)體為金屬薄膜制成的長條形導(dǎo)體，平行且平齊分布在基層上，兩兩之間的間距相等，其與基層的結(jié)合方式為膠粘或采用沉金工藝制成一體。

進一步的，所述連接頭為射頻連接頭，其特征阻抗為50Ω或75Ω，形式為BNC或SMA。

相應(yīng)的，本發(fā)明還提供了一種非飽和土三軸試樣含水量實時測試裝置，包括三軸壓力室、TDR測試儀，另外，還包括上述的測試探頭，所述探頭設(shè)置于橡皮膜所需測量試樣含水量的位置，所述橡皮膜外設(shè)有承膜筒；所述承膜筒設(shè)置于三軸壓力室內(nèi)，所述探頭通過導(dǎo)線與TDR測試儀電性連接。

進一步的，所述橡皮膜上下兩端由內(nèi)而外分別套裝在承膜筒上下端處。

進一步的，所述導(dǎo)線為同軸電纜。

進一步的，所述橡皮膜與探頭結(jié)合處設(shè)有橡皮膜開口，探頭的連接頭從橡皮膜開口的位置穿出橡皮膜，探頭的長度方向沿橡皮膜橫截面圓周方向布置。

進一步的，所述橡皮膜開口處填充有密封膠。

基于以上測試裝置，本發(fā)明還提供了一種測試方法，包括以下步驟：

S1：將用于貼附三軸試樣且保持有一定間距的多根柔性導(dǎo)體黏貼在柔性可彎基層一面，所述柔性導(dǎo)體的同一端穿過基層，與設(shè)于柔性基層另一面的連接頭電性相連，進而得到可彎折的柔性探頭；

S2：將柔性探頭的柔性導(dǎo)體和基層進行適當(dāng)彎折，使之形成弧形，弧形的半徑略大于三軸試樣的半徑，有柔性導(dǎo)體的一側(cè)在弧形內(nèi)側(cè)，有連接頭的一側(cè)在弧形外部；

S3：在三軸試驗用的圓筒狀橡皮膜上將三軸試樣所需測量含水量的位置進行定位并開孔，形成橡皮膜開口，開口大小等于或略小于柔性探頭上連接頭的底座截面大??；

S4：將柔性探頭放置到圓筒狀橡皮膜的內(nèi)部，使柔性探頭上的連接頭從橡皮膜開口的位置穿出橡皮膜，柔性探頭的長度方向沿橡皮膜橫截面圓周方向；

S5：用密封膠將位于橡皮膜開口處的連接頭底部和橡皮膜進行密封；密封膠應(yīng)具有足夠的抗拉強度和拉斷延伸率，以保證整個三軸試驗過程中，射頻連接接頭和橡皮膜之間密封良好，不透水，不透氣。

S6：在三軸壓力室頂部或底部開洞，洞的一端在三軸壓力室內(nèi)，一端在三軸壓力室外，將兩端帶接頭的導(dǎo)線從洞中穿過，導(dǎo)線與所開的洞之間進行密封；

S7：將橡皮膜4套在承膜筒上，照常規(guī)方法安裝三軸試樣后，連接導(dǎo)線在三軸壓力室內(nèi)的接頭與柔性探頭上的射連接頭并進行密封，安裝好三軸壓力室；

S8：將導(dǎo)線在三軸壓力室外的接頭與TDR測試儀相連；

S9：對TDR測試儀進行調(diào)試，反應(yīng)正常后通過TDR測試儀進行電磁波的發(fā)射、接收、處理，得到三軸試樣測試部位的反射圖形；

S10：多次改變?nèi)S試樣的含水量，重復(fù)以上步驟，建立三軸試樣不同含水量與不同反射圖形之間的對應(yīng)關(guān)系，即可得到三軸試樣測試部位的實時含水量值。

通過以上裝置和方法，可實現(xiàn)巖土工程非飽和土三軸試樣試驗過程中某部位含水量的實時測試，解決目前試驗過程中不能實時測試的難題，填補該領(lǐng)域的空白，有助于非飽和土領(lǐng)域的研究。

附圖說明

圖1為本發(fā)明柔性測試探頭底部示意圖；

圖2為本發(fā)明柔性測試探頭側(cè)面示意圖；

圖3為本發(fā)明柔性測試探頭頂部示意圖；

圖4為本發(fā)明柔性測試探頭與橡皮膜的位置關(guān)系橫截面示意圖；

圖5為本發(fā)明柔性測試探頭在安裝時與橡皮膜的位置關(guān)系示意圖；

圖6為本發(fā)明柔性測試探頭連接橡皮膜后裝入承膜筒的示意圖；

圖7為本發(fā)明整體結(jié)構(gòu)示意圖。

圖中：1-基層、2-柔性導(dǎo)體、3-連接頭、4-橡皮膜、5-橡皮膜開口、6-承膜筒、7-三軸壓力室、8-導(dǎo)線、9-TDR測試儀、10-三軸試樣。

具體實施方式

以下結(jié)合說明書附圖對本發(fā)明作進一步描述，但并不因此而限制本發(fā)明的保護范圍。

如圖1～3所示，TDR探頭由柔性基層1、柔性導(dǎo)體2和連接頭3三部分組成，其中柔性基層1為聚酰亞胺薄膜絕緣層，柔性導(dǎo)體2為紫銅、不銹鋼或其他金屬材質(zhì)薄膜制成的長條形導(dǎo)體。連接頭3為射頻連接接頭。

柔性基層1和柔性導(dǎo)體2通過膠粘或沉金工藝直接制成一體，長條形導(dǎo)體厚度范圍為0.1～0.5mm，寬度范圍為1～5mm，長度范圍為10～500mm。柔性導(dǎo)體2有3根，在柔性基層1上的分布方式為兩端對齊，平行分布，兩兩間距相等，并在柔性基層1的同一面，間距范圍為3～10mm。柔性導(dǎo)體2的尺寸及間距可根據(jù)三軸試樣的類型、大小等因素進行優(yōu)選。3根柔性導(dǎo)體2的同一端穿過柔性基層1到達柔性基層1的另一面，并與射頻連接接頭3通過焊接方式相連，其中處于中間位置的導(dǎo)體與射頻連接接頭3的中間導(dǎo)體相連，而另外兩根柔性導(dǎo)體2與射頻連接接頭3的外導(dǎo)體相連，射頻連接接頭3為BNC或SMA形式，可通過同軸電纜與標(biāo)準(zhǔn)的時域反射測試設(shè)備相連，如美國Compbell Scientific公司生產(chǎn)的TDR100。

三軸試驗的操作過程可參見中華人民共和國國家規(guī)范《土工試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB T50123-1999)。以101mm直徑的三軸試樣為例，可將柔性基層1設(shè)置為135mm×21mm矩形，柔性導(dǎo)體2為125mm×3mm矩形，三根柔性導(dǎo)體2居中布置在柔性基層1上，相互平行，兩兩間距為3mm。如需要測試三軸試樣中間部位的含水量，則需要達到如下要求：

1.將本發(fā)明沿試樣中心截面圓周方面繞在試樣中部；

2.柔性基層1有柔性導(dǎo)體2的一面與試樣表面接觸，而柔性基層1的另一面與橡皮膜4接觸；

3.為了本發(fā)明能與測試設(shè)備相連，射頻連接接頭3還需要穿過橡皮膜4，試樣安裝完畢后，射頻連接接頭3處在橡皮膜4外側(cè)。

如圖4～7所示，為了將本發(fā)明安裝到位，可按如下步驟進行操作：

(1)事先在橡皮膜4上將三軸試樣所需測量含水量的位置進行定位并開孔形成橡皮膜開口5，開孔大小等于或略小于射頻連接接頭3的底座截面大小；

(2)將本發(fā)明裝置進行適當(dāng)彎折，形成弧形，弧形的半徑略大于試樣半徑，有柔性導(dǎo)體2的一側(cè)在弧形內(nèi)側(cè)，有射頻連接接頭3的一側(cè)在弧形外部；

(3)將本發(fā)明放置到圓筒形橡皮膜4的內(nèi)部，射頻連接接頭3從橡皮膜開口5的位置穿出橡皮膜4，本發(fā)明的長度方向沿橡皮膜4橫截面圓周方向；

(4)用密封膠將射頻連接接頭3底部和橡皮膜4進行密封，密封膠應(yīng)具有足夠的抗拉強度和拉斷延伸率，以保證整個三軸試驗過程中，射頻連接接頭3和橡皮膜4之間密封良好，不透水，不透氣，如廣東恒大新材料科技有限公司生產(chǎn)的卡夫特K-5904B密封膠。

(5)將橡皮膜4套在承膜筒6上，承膜筒6的結(jié)構(gòu)參見中華人民共和國國家規(guī)范GB T50123-1999圖16.2.1-5，因為射頻連接接頭3有一定的高度，因此，承膜筒6的直徑應(yīng)比三軸試樣直徑加射頻連接接頭高度略大2～5mm，以便三軸試樣能順利套入承膜筒6中。

(6)按照常規(guī)方法安裝三軸試樣，具體操作過程可參考中華人民共和國國家規(guī)范《土工試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB T50123-1999)。

(7)三軸試樣安裝完畢后，通過兩端帶接頭的導(dǎo)線8將本發(fā)明的射頻連接接頭3與壓力室外的TDR測試儀9相連。導(dǎo)線8為同軸電纜，在壓力室底座部位開洞引出，同軸電纜與所開的洞之間進行密封，密封方式可以是用密封膠或密封圈加帶孔螺母的組合等。同軸電纜與本發(fā)明的射頻連接接頭3連接后應(yīng)密封，密封形式可以是本身接頭帶防水塞的，也可以用密封膠進行密封，同軸電纜+接頭本身外皮應(yīng)是防水不透氣的，以免在試驗過程中造成水或氣進入同軸電纜內(nèi)改變特征阻抗，影響含水量測試結(jié)果，同時也避免引起三軸壓力室圍壓衰減。

(8)對TDR測試儀進行調(diào)試，反應(yīng)正常后通過TDR測試儀進行電磁波的發(fā)射、接收、處理，得到三軸試樣測試部位的反射圖形，同時通過傳統(tǒng)方法(如烘干法)獲取三軸試樣被測部位的含水量。

(9)多次改變?nèi)S試樣的含水量，重復(fù)以上步驟，建立三軸試樣不同含水量與不同反射圖形之間的對應(yīng)關(guān)系。

(10)按常規(guī)方法進行三軸試驗，試驗過程中隨時通過TDR測試儀進行電磁波的發(fā)射、接收、處理，得到三軸試樣測試部位的反射圖形，通過步驟(9)所建立的反射圖形之間的對應(yīng)關(guān)系，即可得到三軸試樣測試部位的實時含水量值。

TDR含水量測試的原理可參考程先軍發(fā)表于《水利水電技術(shù)》1995年第11期的文章《根據(jù)TDR原理測量土壤含水量》。只要事先對本發(fā)明裝置進行標(biāo)定，通過對采集的數(shù)據(jù)進行分析，得到介電常數(shù)值，進一步建立介電常數(shù)與三軸試樣含水量之間的關(guān)系，即可確定含水量，從而實現(xiàn)了含水量的實時測定。

如需進行三軸試樣其他部位的含水量實時測試，可參照上述方法將本發(fā)明裝置安裝在相應(yīng)位置即可。

如上所述，對本發(fā)明的實施實例進行了詳細的說明，但只要實質(zhì)上沒有脫離本發(fā)明的特點及效果，是可以有很多變形的，這對本領(lǐng)域的技術(shù)人員來說是顯而易見的，因此，這些變形的實例也全部包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。