土工结构物中土体含水率实时测量系统及方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及土壤含水率测试技术领域，特别涉及一种土工结构物中土体含水率实 时测量系统及方法。
【背景技术】
[0002] 土样中含水量分布规律的测试对研宄试样水分的迀移与入渗规律至关重要，对研 宄土的水-力学耦合性能也有着极为重要的价值。近年来，随着高速铁路建设、铁路重载 化等交通基础设施的发展，遇到许多关于水害的问题。例如，在中国郑州_西安高速铁路 的修建中，出现黄土路堤降雨后发生湿陷，造成线路下沉；在中国哈尔滨-大庆高速铁路建 设中，出现了路基的冻胀融沉病害；此外，重载铁路路基的翻浆冒泥病害制约着重载化的发 展。因此，测试土中水分迀移规律对掌握土工结构变形机理有着极为重要的价值。
[0003] 传统的土中含水率测试方法主要是通过采用烘干法测试土样含水率。然而，这种 方法测试范围有限，无法测试路基中土样的含水率分布变化，存在无法实时动态观测的弊 病。相对于烘干法这种破坏性测试含水量的方法，研宄者提出TDR等间接测试方法。此类间 接测试方法主要是利用土样的介电常数、磁导率与土样含水率之间的关系，间接获得土样 的含水率。存在着普遍依靠专门测试仪器，无法实现与位移、应力传感器的数据联合采集。
【发明内容】
[0004] 本发明的目的在于提供一种土工结构物中土体含水率实时测量系统，以精确、无 扰动且可电化地实现土中含水率分布的测定。
[0005] 此外，本发明还提供一种基于上述土工结构物中土体含水率实时测量系统的测量 方法。
[0006] 为了解决上述问题，本发明提供的土工结构物中土体含水率实时测量系统技术方 案如下：
[0007] 一种土工结构物中土体含水率实时测量系统，其包括：至少一个探头，每个所述探 头包括基座和四根硬质探针，以便于所述探针插入土样中，且每根所述探针分别与一信号 线的一端连接；四根所述探针相互平行且均匀地固定于所述基座中，以及，四根所述探针的 顶部延伸出所述基座；计算机，用于数据计算、分析及显示；电压测试仪，信号输入口与所 述探头连接，以测试不同所述探针之间的电压信号；信号输出口与所述计算机连接，用于将 测试结果传输至所述计算机；交流电流源，与所述探头连接，用于向所述探头提供测量电 流。
[0008] 优选地，在上述土工结构物中土体含水率实时测量系统中，所述探针截面呈圆形， 相邻两根所述探针之间的距离为1. 5cm。
[0009] 优选地，在上述土工结构物中土体含水率实时测量系统中，所述探针的顶部侧面 包裹有绝缘体，以减少所述探针顶部电场分布不均匀对测试的干扰。
[0010] 优选地，在上述土工结构物中土体含水率实时测量系统中，所述探针为镀铱钽的 钛棒，所述信号线通过设于所述探针上的凹形槽与所述探针卡接。
[0011] 优选地，在上述土工结构物中土体含水率实时测量系统中，所述基座呈管状，所述 探针通过在所述基座中浇筑树脂而固定在所述基座中。
[0012] 优选地，在上述土工结构物中土体含水率实时测量系统中，所述基座为PVC管。
[0013] 优选地，在上述土工结构物中土体含水率实时测量系统中，还包括：控制仪，所述 控制仪连接于所述交流电流源和所述探头，同时所述电压测试仪与所述控制仪连接，以使 所述交流电流源能够连接至所述探头的两个所述探针之间，同时使所述电压测试仪能够连 接至所述探头的另外两个所述探针之间。
[0014] 优选地，在上述土工结构物中土体含水率实时测量系统中，与所述探针连接的所 述信号线来自于一单支多股纯铜丝漆包线，所述单支多股纯铜丝漆包线中添加有丝棉，外 侧为硅胶皮。
[0015] 优选地，在上述土工结构物中土体含水率实时测量系统中，所述交流电流源为交 流恒流源。
[0016] 此外，本发明还提供一种土工结构物中土体含水率实时测量方法，其技术方案如 下：
[0017] -种土工结构物中土体含水率实时测量方法，其采用上述任一土工结构物中土体 含水率实时测量系统，并采用如下步骤：将探头分别插入不同含水量且相同压实度的土样 中，将每个探头上的探针分别编号为a针、b针、c针和d针；操作控制仪使得相邻的两个探 针a针和d针与交流电流源连接，并提供交流电流；操作控制仪并通过电压测试仪测得b针 与c针之间的电压，由此计算机计算出第一测试电阻；然后操作控制仪，通过交流电流源在 a针与b针上施加交流电流，并通过电压测试仪测得c针与d针之间的电压，由此计算机计 算出第二测试电阻；基于第一测试电阻和第二测试电阻，利用VDP理论，计算机计算出对应 土层的电阻率；根据预先标定的土层电导率与含水率的对应关系确定各土样的含水率，从 而获得土样含水量分布变化曲线，确定对应各点位的含水率。
[0018] 分析可知，本发明利用范德堡理论（VDP理论），可以实现对土样含水量的实时、动 态测量，由于采用了较为稳固的探头形制和有一定硬度的探针，可直接插入土样中，实时实 地测量含水量，大大提高土样含水量的测试精度。
【附图说明】
[0019] 图1为本发明的系统实施例的原理框图；
[0020] 图2为本发明的系统实施例的探头的结构示意图；
[0021] 图3为本发明的系统实施例的探头的截面结构示意图。
【具体实施方式】
[0022] 下面结合附图和【具体实施方式】对本发明做进一步详细说明。
[0023] 如图1、图2所示，本发明实施例包括至少一个探头10、用于水分迀移测试且主要 起到电路切换作用的控制仪11，电压测试仪12、计算机13、交流电流源14。为了直观描述 探头10的应用，图1还示出了土样100。应用时探头10的探针1插入土样100中。探头 10的数量可以增减，也即，电压测试仪12、计算机13等可以实时处理多个探头10所检测到 的土样100的数据。
[0024] 再如图2、图3所示，每个探头10包括基座2和四根硬质探针1，分别为探针a、探 针b、探针c、探针d。具有一定刚度、硬质的探针1可以方便插入土样100中。探针a、探针 b、探针c、探针d的末端分别与一信号线的一端连接，四根信号线为一四芯屏蔽电缆4中的 四根铜丝。就排列位置而言，探针a、探针b、探针c、探针d相互平行且均匀地固定于基座2 中，并且，探针a、探针b、探针c、探针d的顶部延伸出基座2,以能够插入土样100。例如，探 针a、探针b、探针c、探针d伸出土样100的长度为2cm，那么测试土样100的厚度为2cm。 当然，也可以根据测试要求改探针1的伸出的顶部长度，以调整、适应测试土样厚度。
[0025] 计算机13用于土样100检测数据的计算、分析及显示。电压测试仪12优选为动 态电压测试仪，其信号输入口通过控制仪11与探头10连接，以测试不同探针1之间的电压 信号；而其信号输出口与计算机13连接，用于将测试结果传输至计算机13。动态电压测试 仪用于测试两个探针之间产生的交变电动势，动态电压测试仪具有测试精度高，高效计算 机互访，多通道扫描测试等优点。控制仪11连接于交流电流源14、测试仪12和探头10之 间，以使交流电流源14能够连接至探头10的两个探针1之间，同时使电压测试仪13能够连 接至探头10的另外两个探针1之间。交流电流源14优选为交流恒流源，与探头10连接， 用于向探头10的各探针1之间提供测量电流。电流的频率与大小可以调节，但在实验中电 流大小可以保持恒定，采用交流电流避免探针1出现极化现象。