一种试坑浸水试验中土层浸湿无损连续探测方法与流程

本发明属于土层浸湿探测技术领域，具体涉及一种试坑浸水试验中土层浸湿无损连续探测方法。

背景技术：

试坑浸水试验是研究湿陷性土场地对浸水的响应规律，判定场地湿陷类型及地基湿陷等级常用的方法。当进行试坑浸水试验时，常需要测定浸水前后试坑内、试坑外土层垂直和水平方向的浸湿情况，用于确定浸水影响深度和水平方向浸湿范围。现有方法是通过在试坑内、试坑外特定位置钻探取样测试，对比浸水前后土层的含水率变化来确定土层的浸湿情况。具体做法是：首先，浸水前，在试坑外、试坑内打孔取样测试，各孔土样的含水率作为浸水前场地的初始含水率；然后，浸水过程中，当土层的湿陷变形稳定后，在试坑周围或一侧紧邻前述钻孔旁再次打孔取样，对比土层浸水前后的含水率的变化情况，确定试坑外的浸湿边界；最后，停止浸水后，在试坑内均匀打孔，对比土层浸水前后的含水率的变化情况，确定试坑内的浸湿边界。这种方法仅能获得有限时间点的土层浸湿情况，无法直观、完整地获得浸水试验过程土层的浸湿过程，也无法建立土层湿陷变形量与含水率变化之间的动态对应关系。要想获得不同时间点更多的含水率测试数据需要重新钻探、取样和测试，工作繁琐，且耗费大量人力物力。

常用的另外一种方法是在试坑内外不同位置不同深度埋设多个土壤水分计对土层含水率进行动态测试，但土壤水分计是利用土的含水率变化引起介电特性改变的性质间接测定土的体积含水率，而工程中常用的含水率参数是质量含水率。体积含水率与质量含水率之间的理论换算关系为其中：θ为体积含水率，ω为质量含水率，ρd为土的干密度，ρω为水的密度，由于土壤水分计的出厂标定用土与测试土层的土质、矿物成分等性质存在差异，往往导致采用理论公式进行数据转换存在较大误差，因此，还需在现场进行大量的标定工作。另外，加上购买土壤水分计的成本过高且无法回收重复利用，以及不同深度土壤水分计的安装和取样测试需要的大量钻孔作业，不仅总体工程量大，资金和人工消耗太高，而且场地会出现大量的钻孔孔洞，易破坏原有地基结构同时还会存在一定安全隐患。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种试坑浸水试验中土层浸湿无损连续探测方法，通过浸水前试坑内打一孔取样，获取浸水前试坑内不同深度的土层含水率，利用高密度电法获取试坑内外不同深度上的浸水前电阻率数据，通过在浸水结束后试坑内再打一孔取样，获取浸水结束后试坑内不同深度的土层含水率，利用高密度电法获取试坑内不同深度上的浸水结束后电阻率数据，获得一个土层含水率数值对应一个电阻率数值的关联对应关系，通过不同时间点高密度电法测得的试坑内外土层不同位置的土层电阻率数值得到对应土层位置的土层含水率数值，不必满试验场地打孔取样或安装土壤水分计，近似为无损探测，便于推广使用。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种试坑浸水试验中土层浸湿无损连续探测方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

步骤一、浸水前试坑内打孔取样：浸水前在试坑底部进行打孔，得到浸水前试坑打孔，对浸水前试坑打孔进行取样工作，浸水前试坑打孔内取样间隔为n，n的单位为m，根据公式计算浸水前试坑打孔内不同深度的土层含水率w1，其中，m前为浸水前试坑打孔不同深度位置的原始土样的质量，m前干为浸水前试坑打孔不同深度位置对应原始土样在室内烘干后的质量，所述试坑的横截面为圆形；

步骤二、布设高密度测线：以试坑的圆心为中心，在试验场地地面上布设均穿过试坑圆心的第一高密度测线和第二高密度测线，且第一高密度测线和第二高密度测线相垂直布设，第一高密度测线和第二高密度测线均包括高密度测量电缆线和多个均连接在高密度测量电缆线上且垂直插入土体的监测电极，多个监测电极等间距成列布设，高密度测量电缆线与高密度电阻率测量主机连接；

步骤三、获得浸水前电阻率数据并得到对应剖面的电阻率剖面图：通过为高密度测量电缆线上连接的多个监测电极通电加压，利用高密度电法对试验场地地面进行探测，获得试验场地地面内试坑内外土层不同深度上的浸水前电阻率数据ω1，将获得的试验场地地面内试坑内外土层不同深度上的浸水前电阻率数据ω1传输至高密度电阻率测量主机，高密度电阻率测量主机对试验场地地面内试坑内外土层不同深度上的浸水前电阻率数据ω1进行分析反演处理，可绘制出一副反映试验场地地面内试坑内外土层浸水前不同深度上对应剖面的电阻率剖面图；

步骤四、获取浸水过程中及浸水结束后电阻率数据并得到对应剖面的电阻率剖面图：浸水过程中步骤二中所述第一高密度测线和第二高密度测线不进行回收，根据工程需求，试坑浸水后可进行连续监测，连续测得试验场地地面内试坑内外土层不同时间点不同深度的浸水过程中电阻率数据ωi，将获得的试验场地地面内试坑内外土层不同时间点不同深度的浸水过程中电阻率数据ωi传输至高密度电阻率测量主机，高密度电阻率测量主机对试验场地地面内试坑内外土层不同时间点不同深度的浸水过程中电阻率数据ωi进行分析反演处理，可绘制出多副反映试验场地地面内试坑内外土层浸水过程中不同时间点不同深度的对应剖面的电阻率剖面图；

浸水结束后，利用高密度电法对试验场地地面进行探测，获得试验场地地面内试坑内外土层不同深度上的浸水结束后电阻率数据ωm，将获得的试验场地地面内试坑内外土层不同深度上的浸水结束后电阻率数据ωm传输至高密度电阻率测量主机，高密度电阻率测量主机对试验场地地面内试坑内外土层不同深度上的浸水结束后电阻率数据ωm进行分析反演处理，可绘制出一副反映试验场地地面内试坑内外土层浸水结束后不同深度上对应剖面的电阻率剖面图；

步骤五、浸水结束后试坑内打孔取样：浸水结束、土体湿陷变形稳定后，在试坑底部且位于浸水前试坑打孔旁侧进行打孔，得到浸水后试坑打孔，对浸水后试坑打孔以取样间隔n进行取样工作，根据公式计算浸水后试坑打孔内不同深度的土层含水率wm，其中，m后为浸水后试坑打孔不同深度位置的原始土样的质量，m后干为浸水后试坑打孔不同深度位置对应原始土样在室内烘干后的质量；

步骤六、数据对比确定土层浸湿范围、水在非饱和土中的扩散速率和土层不同位置的土层含水率数值：根据步骤三中试验场地地面内试坑不同深度上的浸水前电阻率数据ω1和步骤四中试验场地地面内试坑浸水过程中不同时间点不同深度的浸水过程中电阻率数据ωi对比，并通过试验场地地面内试坑浸水前不同深度上对应剖面的电阻率剖面图和试验场地地面内试坑浸水结束后不同深度上对应剖面的电阻率剖面图对比，得到浸水后试坑内外竖直方向和水平方向的土层浸湿范围；

根据步骤三中试验场地地面内试坑不同深度上的浸水前电阻率数据ω1和步骤四中试验场地地面内试坑浸水过程中不同时间点不同深度的浸水过程中电阻率数据ωi对比，获得试坑内外竖直方向和水平方向上水在非饱和土中的扩散速率；

根据步骤一中浸水前试坑打孔内不同深度的土层含水率w1和步骤五中浸水后试坑打孔内不同深度的土层含水率wm对比，可准确得到试坑内竖直方向上的浸湿范围，同时将步骤一中浸水前试坑打孔内不同深度的土层含水率w1和步骤三中试验场地地面内试坑不同深度上的浸水前电阻率数据ω1进行一一对应，将步骤五中浸水后试坑打孔内不同深度的土层含水率wm和步骤四中试验场地地面内试坑不同深度上的浸水结束后电阻率数据ωm进行一一对应与验证，获得一个土层含水率数值对应一个电阻率数值的关联对应关系，通过不同时间点高密度电法测得的试坑内外土层不同位置的土层电阻率数值得到对应土层位置的土层含水率数值。

上述的一种试坑浸水试验中土层浸湿无损连续探测方法，其特征在于：步骤一中浸水前采用洛阳铲通过人工打孔的方式在试坑底部进行打孔，得到浸水前试坑打孔，浸水前试坑打孔内取样间隔n满足：0.1m≤n≤0.5m；

步骤五中浸水结束、土体湿陷变形稳定后，采用洛阳铲通过人工打孔的方式在试坑底部且位于浸水前试坑打孔旁侧进行打孔，得到浸水后试坑打孔。

上述的一种试坑浸水试验中土层浸湿无损连续探测方法，其特征在于：步骤一中浸水前采用钻孔机自动打孔的方式在试坑底部进行打孔，得到浸水前试坑打孔，浸水前试坑打孔内取样间隔n满足：n＝0.5m或n＝1.0m；

步骤五中浸水结束、土体湿陷变形稳定后，采用钻孔机自动打孔的方式在试坑底部且位于浸水前试坑打孔旁侧进行打孔，得到浸水后试坑打孔。

本发明与现有技术相比具有以下优点：

1、本发明通过浸水前试坑内打一孔取样，获取浸水前试坑内不同深度的土层含水率，利用高密度电法获取试坑内外土层不同深度上的浸水前电阻率数据，为获得土层含水率数值对应电阻率数值的关联对应关系提供基础数据参考，便于推广使用。

2、本发明通过获取浸水过程中及浸水结束后电阻率数据并得到对应剖面的电阻率剖面图，可直观、完整获得浸水过程土层含水率动态变化过程，获得土层在不同浸水时间点的浸湿范围，还可计算水在非饱和土中的扩散速度，可靠稳定，使用效果好。

3、本发明高密度测线仅需要一次性布置，探测参数提前设置好，试验过程中仅需技术员根据试验要求在不同时间点触发仪器启动键即可进行探测，可实现对浸水试验过程土层含水率变化的实时、连续、定点监测，降低含水率测试工作的劳动强度，提高工作效率。

4、本发明方法步骤简单，通过在浸水结束后试坑内再打一孔取样，获取浸水结束后试坑内不同深度的土层含水率，利用高密度电法获取试坑内外土层不同深度上的浸水结束后电阻率数据，结合浸水前试坑中土层含水率和电阻率数据，获得一个土层含水率数值对应一个电阻率数值的关联对应关系，通过不同时间点高密度电法测得的试坑内外土层不同位置的土层电阻率数值得到对应土层位置的土层含水率数值，不必满试验场地打孔取样或安装土壤水分计，近似为无损探测，实施方便、测量速度快、重复性好、精度高，可有效控制施工成本，便于推广使用。

综上所述，本发明通过浸水前试坑内打一孔取样，获取浸水前试坑内不同深度的土层含水率，利用高密度电法获取试坑内外土层不同深度上的浸水前电阻率数据，通过在浸水结束后试坑内再打一孔取样，获取浸水结束后试坑内不同深度的土层含水率，利用高密度电法获取试坑内外土层不同深度上的浸水结束后电阻率数据，获得一个土层含水率数值对应一个电阻率数值的关联对应关系，通过不同时间点高密度电法测得的试坑内外土层不同位置的土层电阻率数值得到对应土层位置的土层含水率数值，不必满试验场地打孔取样或安装土壤水分计，近似为无损探测，便于推广使用。

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

图1为本发明高密度测线与试坑的布设关系示意图。

图2为图1的a-a剖视图。

图3为本发明试验场地地面内试坑内外土层浸水前不同深度上对应剖面的电阻率剖面灰度图。

图4为本发明试验场地地面内试坑内外土层浸水过程中某一时间点不同深度的对应剖面的电阻率剖面灰度图。

图5为本发明试验场地地面内试坑内外土层浸水结束后不同深度上对应剖面的电阻率剖面灰度图。

图6为本发明试坑内浸水前和浸水结束后打孔取样测得土层含水率曲线示意图。

图7为本发明试坑内浸水前、浸水过程中某时间点以及浸水结束后土层电阻率数据曲线示意图。

图8为本发明的方法流程框图。

附图标记说明:

1—试坑；2—第一高密度测线；3—第二高密度测线；

4—浸水前试坑打孔；5—浸水后试坑打孔；

6—高密度电阻率测量主机；7—高密度测量电缆线；

8—监测电极；9—试验场地地面。

具体实施方式

如图1至图8所示，本发明的一种试坑浸水试验中土层浸湿无损连续探测方法，包括以下步骤：

步骤一、浸水前试坑内打孔取样：浸水前在试坑1底部进行打孔，得到浸水前试坑打孔4，对浸水前试坑打孔4进行取样工作，浸水前试坑打孔4内取样间隔为n，n的单位为m，根据公式计算浸水前试坑打孔4内不同深度的土层含水率w1，其中，m前为浸水前试坑打孔4不同深度位置的原始土样的质量，m前干为浸水前试坑打孔4不同深度位置对应原始土样在室内烘干后的质量，所述试坑1的横截面为圆形；

步骤二、布设高密度测线：以试坑1的圆心为中心，在试验场地地面9上布设均穿过试坑1圆心的第一高密度测线2和第二高密度测线3，且第一高密度测线2和第二高密度测线3相垂直布设，第一高密度测线2和第二高密度测线3均包括高密度测量电缆线7和多个均连接在高密度测量电缆线7上且垂直插入土体的监测电极8，多个监测电极8等间距成列布设，高密度测量电缆线7与高密度电阻率测量主机6连接，如图1和图2所示；

步骤三、获得浸水前电阻率数据并得到对应剖面的电阻率剖面图：通过为高密度测量电缆线7上连接的多个监测电极8通电加压，利用高密度电法对试验场地地面9进行探测，获得试验场地地面9内试坑1内外土层不同深度上的浸水前电阻率数据ω1，将获得的试验场地地面9内试坑1内外土层不同深度上的浸水前电阻率数据ω1传输至高密度电阻率测量主机6，高密度电阻率测量主机6对试验场地地面9内试坑1内外土层不同深度上的浸水前电阻率数据ω1进行分析反演处理，可绘制出一副反映试验场地地面9内试坑1内外土层浸水前不同深度上对应剖面的电阻率剖面图，如图3所示；

本实施例中，所述监测电极8为紫铜电极，电极损耗小，可重复利用，利用率高。

需要说明的是，通过浸水前试坑1内打一孔取样，获取浸水前试坑1内不同深度的土层含水率，利用高密度电法获取试坑1内外土层不同深度上的浸水前电阻率数据，为获得土层含水率数值对应电阻率数值的关联对应关系提供基础数据参考。

步骤四、获取浸水过程中及浸水结束后电阻率数据并得到对应剖面的电阻率剖面图：浸水过程中步骤二中所述第一高密度测线2和第二高密度测线3不进行回收，根据工程需求，试坑浸水后可进行连续监测，连续测得试验场地地面9内试坑1内外土层不同时间点不同深度的浸水过程中电阻率数据ωi，将获得的试验场地地面9内试坑1内外土层不同时间点不同深度的浸水过程中电阻率数据ωi传输至高密度电阻率测量主机6，高密度电阻率测量主机6对试验场地地面9内试坑1内外土层不同时间点不同深度的浸水过程中电阻率数据ωi进行分析反演处理，可绘制出多副反映试验场地地面9内试坑1内外土层浸水过程中不同时间点不同深度的对应剖面的电阻率剖面图，如图4所示。

浸水结束后，利用高密度电法对试验场地地面9进行探测，获得试验场地地面9内试坑1内外土层不同深度上的浸水结束后电阻率数据ωm，将获得的试验场地地面9内试坑1内外土层不同深度上的浸水结束后电阻率数据ωm传输至高密度电阻率测量主机6，高密度电阻率测量主机6对试验场地地面9内试坑1内外土层不同深度上的浸水结束后电阻率数据ωm进行分析反演处理，可绘制出一副反映试验场地地面9内试坑1内外土层浸水结束后不同深度上对应剖面的电阻率剖面图，如图5所示。

需要说明的是，通过获取浸水过程中及浸水结束后电阻率数据并得到对应剖面的电阻率剖面图，可直观、完整获得浸水过程土层含水率动态变化过程，获得土层在不同浸水时间点的浸湿范围，还可计算水在非饱和土中的扩散速度，可靠稳定，使用效果好。

实际使用中，密度测线仅需要一次性布置，探测参数提前设置好，试验过程中仅需技术员根据试验要求在不同时间点触发仪器启动键即可进行探测，可实现对浸水试验过程土层含水率变化的实时、连续、定点监测，降低含水率测试工作的劳动强度，提高工作效率。

步骤五、浸水结束后试坑内打孔取样：浸水结束、土体湿陷变形稳定后，在试坑1底部且位于浸水前试坑打孔4旁侧进行打孔，得到浸水后试坑打孔5，对浸水后试坑打孔5以取样间隔n进行取样工作，根据公式计算浸水后试坑打孔5内不同深度的土层含水率wm，其中，m后为浸水后试坑打孔5不同深度位置的原始土样的质量，m后干为浸水后试坑打孔5不同深度位置对应原始土样在室内烘干后的质量；

需要说明的是，通过在浸水结束后试坑内再打一孔取样，获取浸水结束后试坑内不同深度的土层含水率，利用高密度电法获取试坑内外土层不同深度上的浸水结束后电阻率数据，结合浸水前试坑中土层含水率和电阻率数据，获得一个土层含水率数值对应一个电阻率数值的关联对应关系，通过不同时间点高密度电法测得的试坑内外土层不同位置的土层电阻率数值得到对应土层位置的土层含水率数值，不必满试验场地打孔取样或安装土壤水分计，近似为无损探测，实施方便、测量速度快、重复性好、精度高，可有效控制施工成本。

步骤六、数据对比确定土层浸湿范围、水在非饱和土中的扩散速率和土层不同位置的土层含水率数值：根据步骤三中试验场地地面9内试坑1不同深度上的浸水前电阻率数据ω1和步骤四中试验场地地面9内试坑1浸水过程中不同时间点不同深度的浸水过程中电阻率数据ωi对比，并通过试验场地地面9内试坑1浸水前不同深度上对应剖面的电阻率剖面图和试验场地地面9内试坑1浸水结束后不同深度上对应剖面的电阻率剖面图对比，得到浸水后试坑1内外竖直方向和水平方向的土层浸湿范围；

根据步骤三中试验场地地面9内试坑1不同深度上的浸水前电阻率数据ω1和步骤四中试验场地地面9内试坑1浸水过程中不同时间点不同深度的浸水过程中电阻率数据ωi对比，获得试坑1内外竖直方向和水平方向上水在非饱和土中的扩散速率；

根据步骤一中浸水前试坑打孔4内不同深度的土层含水率w1和步骤五中浸水后试坑打孔5内不同深度的土层含水率wm对比，可准确得到试坑1内竖直方向上的浸湿范围，同时将步骤一中浸水前试坑打孔4内不同深度的土层含水率w1和步骤三中试验场地地面9内试坑1不同深度上的浸水前电阻率数据ω1进行一一对应，将步骤五中浸水后试坑打孔5内不同深度的土层含水率wm和步骤四中试验场地地面9内试坑1不同深度上的浸水结束后电阻率数据ωm进行一一对应与验证，获得一个土层含水率数值对应一个电阻率数值的关联对应关系，通过不同时间点高密度电法测得的试坑1内外土层不同位置的土层电阻率数值得到对应土层位置的土层含水率数值，如图6和图7所示。

本实施例中，步骤一中浸水前采用洛阳铲通过人工打孔的方式在试坑1底部进行打孔，得到浸水前试坑打孔4，浸水前试坑打孔4内取样间隔n满足：0.1m≤n≤0.5m；步骤五中浸水结束、土体湿陷变形稳定后，采用洛阳铲通过人工打孔的方式在试坑1底部且位于浸水前试坑打孔4旁侧进行打孔，得到浸水后试坑打孔5。

需要说明的是，由于整个试验过程中仅需打孔作业两次，因此，优选的采用采用洛阳铲通过人工打孔的方式在试坑1底部进行打孔，减少大型钻孔设备的使用，减少实验成本，浸水前试坑打孔4内取样间隔n满足：0.1m≤n≤0.5m，取样间隔n取值越小，土层含水率计算结果越精确，同时计算复杂程度也提高，可根据实际浸水结果选取合适的取样间隔n，满足精度的同时减少计算复杂度。

本实施例中，步骤一中浸水前采用钻孔机自动打孔的方式在试坑1底部进行打孔，得到浸水前试坑打孔4，浸水前试坑打孔4内取样间隔n满足：n＝0.5m或n＝1.0m；步骤五中浸水结束、土体湿陷变形稳定后，采用钻孔机自动打孔的方式在试坑1底部且位于浸水前试坑打孔4旁侧进行打孔，得到浸水后试坑打孔5。

本发明使用时，通过浸水前试坑内打一孔取样，获取浸水前试坑内不同深度的土层含水率，利用高密度电法获取试坑内外土层不同深度上的浸水前电阻率数据，通过在浸水结束后试坑内再打一孔取样，获取浸水结束后试坑内不同深度的土层含水率，利用高密度电法获取试坑内外土层不同深度上的浸水结束后电阻率数据，获得一个土层含水率数值对应一个电阻率数值的关联对应关系，通过不同时间点高密度电法测得的试坑内外土层不同位置的土层电阻率数值得到对应土层位置的土层含水率数值，不必满试验场地打孔取样或安装土壤水分计，近似为无损探测，避免场地出现大量的打孔孔洞，对原有地基结构造成破坏，减少一定的安全隐患发生。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制，凡是根据本发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效结构变化，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。