非饱和土三轴试样含水量实时测试探头及测试装置的制作方法

本发明涉及一种土壤含水量实时测试装置，特别是基于时域反射(TDR)技术的非饱和土三轴试样含水量实时测试探头及测试装置。

背景技术：

在岩土工程测试中，三轴试验是获取岩土体抗剪强度的重要试验手段。而岩土体的抗剪强度与三轴试样的固结程度有很密切的关系，因此试样的含水量获取具有重要的工程意义，就目前的试验手段而言，三轴试样的含水量只能在放入底座前或做完试验后获取，而试验中间过程中的含水量目前还没有办法直接确定，特别在非饱和土的三轴试验中，有可能三轴试样的上下部含水量并不一致，因此在试验过程中如果能随时监测某部位的含水量将对岩土体的力学特性研究有极大帮助，也十分必要。

1975年，Davis和Chudobiak将时域反射技术(TDR)应用于土壤介电常数的测定。1980年，Topp等人在利用TDR测量土壤的介电常数时，证明介电常数与土壤含水量有很好的相关性，并建立了土壤含水量与表观介电常数的经验公式。美国现场含水量测试标准ASTM6780是利用TDR测试土体含水量，先需要先测定土体的介电常数，然后通过室内标定方程得到土体的含水量。与其它方法相比，TDR在土壤水分测量上有很多优点，如无破坏性、快速、准确度高、测量结果受土壤类型的影响较小、且能同时测量土壤含水量和土壤电导率。目前商用的TDR仪器较多，它们中的大多数都能用于测量土壤含水量。在测试时需要将TDR探头的探针插入土体中，通过软件端控制TDR设备发射电磁波，同时记录反射回来的电磁波，通过分析得到土体的介电常数，再通过事先建立的土体介电常数与含水量的关系，即可得到土体的含水量。目前，绝大多数的TDR探头都是探针形式的，需要插入土体内部，这种形式的探头显然不能用于三轴试验中试样的含水量测试，因为探针式的探头会对三轴试样造成破坏，直接影响其试验参数的获取。因此，要将TDR技术应用于三轴试验中，需要另行设计开发出适用于三轴试样含水量实时测试的TDR探头及测试装置。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种基于时域反射技术(TDR)的含水量实时测试探头及测试装置，能够用于岩土工程中非饱和土三轴试样试验过程中某部位含水量的实时测试。

为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案为：

一种非饱和土三轴试样含水量实时测试探头，包括柔性可弯基层，设置于基层一面贴附于试样的多根柔性导体，以及设置于基层另一面的连接头；所述柔性导体与连接头电性连接。

进一步的，所述基层为具有一定厚度和强度的绝缘材料，其材质为聚酰亚胺树脂。

进一步的，所述柔性导体为金属薄膜制成的长条形导体，平行且平齐分布在基层上，两两之间的间距相等，其与基层的结合方式为胶粘或采用沉金工艺制成一体。

进一步的，所述连接头为射频连接头，其特征阻抗为50Ω或75Ω，形式为BNC或SMA。

相应的，本发明还提供了一种非饱和土三轴试样含水量实时测试装置，包括三轴压力室、TDR测试仪，另外，还包括上述的测试探头，所述探头设置于橡皮膜所需测量试样含水量的位置，所述橡皮膜外设有承膜筒；所述承膜筒设置于三轴压力室内，所述探头通过导线与TDR测试仪电性连接。

进一步的，所述橡皮膜上下两端由内而外分别套装在承膜筒上下端处。

进一步的，所述导线为同轴电缆。

进一步的，所述橡皮膜与探头结合处设有橡皮膜开口，探头的连接头从橡皮膜开口的位置穿出橡皮膜，探头的长度方向沿橡皮膜横截面圆周方向布置。

进一步的，所述橡皮膜开口处填充有密封胶。

基于以上测试装置，本发明还提供了一种测试方法，包括以下步骤：

S1：将用于贴附三轴试样且保持有一定间距的多根柔性导体黏贴在柔性可弯基层一面，所述柔性导体的同一端穿过基层，与设于柔性基层另一面的连接头电性相连，进而得到可弯折的柔性探头；

S2：将柔性探头的柔性导体和基层进行适当弯折，使之形成弧形，弧形的半径略大于三轴试样的半径，有柔性导体的一侧在弧形内侧，有连接头的一侧在弧形外部；

S3：在三轴试验用的圆筒状橡皮膜上将三轴试样所需测量含水量的位置进行定位并开孔，形成橡皮膜开口，开口大小等于或略小于柔性探头上连接头的底座截面大小；

S4：将柔性探头放置到圆筒状橡皮膜的内部，使柔性探头上的连接头从橡皮膜开口的位置穿出橡皮膜，柔性探头的长度方向沿橡皮膜横截面圆周方向；

S5：用密封胶将位于橡皮膜开口处的连接头底部和橡皮膜进行密封；密封胶应具有足够的抗拉强度和拉断延伸率，以保证整个三轴试验过程中，射频连接接头和橡皮膜之间密封良好，不透水，不透气。

S6：在三轴压力室顶部或底部开洞，洞的一端在三轴压力室内，一端在三轴压力室外，将两端带接头的导线从洞中穿过，导线与所开的洞之间进行密封；

S7：将橡皮膜4套在承膜筒上，照常规方法安装三轴试样后，连接导线在三轴压力室内的接头与柔性探头上的射连接头并进行密封，安装好三轴压力室；

S8：将导线在三轴压力室外的接头与TDR测试仪相连；

S9：对TDR测试仪进行调试，反应正常后通过TDR测试仪进行电磁波的发射、接收、处理，得到三轴试样测试部位的反射图形；

S10：多次改变三轴试样的含水量，重复以上步骤，建立三轴试样不同含水量与不同反射图形之间的对应关系，即可得到三轴试样测试部位的实时含水量值。

通过以上装置和方法，可实现岩土工程非饱和土三轴试样试验过程中某部位含水量的实时测试，解决目前试验过程中不能实时测试的难题，填补该领域的空白，有助于非饱和土领域的研究。

附图说明

图1为本发明柔性测试探头底部示意图；

图2为本发明柔性测试探头侧面示意图；

图3为本发明柔性测试探头顶部示意图；

图4为本发明柔性测试探头与橡皮膜的位置关系横截面示意图；

图5为本发明柔性测试探头在安装时与橡皮膜的位置关系示意图；

图6为本发明柔性测试探头连接橡皮膜后装入承膜筒的示意图；

图7为本发明整体结构示意图。

图中：1-基层、2-柔性导体、3-连接头、4-橡皮膜、5-橡皮膜开口、6-承膜筒、7-三轴压力室、8-导线、9-TDR测试仪、10-三轴试样。

具体实施方式

以下结合说明书附图对本发明作进一步描述，但并不因此而限制本发明的保护范围。

如图1～3所示，TDR探头由柔性基层1、柔性导体2和连接头3三部分组成，其中柔性基层1为聚酰亚胺薄膜绝缘层，柔性导体2为紫铜、不锈钢或其他金属材质薄膜制成的长条形导体。连接头3为射频连接接头。

柔性基层1和柔性导体2通过胶粘或沉金工艺直接制成一体，长条形导体厚度范围为0.1～0.5mm，宽度范围为1～5mm，长度范围为10～500mm。柔性导体2有3根，在柔性基层1上的分布方式为两端对齐，平行分布，两两间距相等，并在柔性基层1的同一面，间距范围为3～10mm。柔性导体2的尺寸及间距可根据三轴试样的类型、大小等因素进行优选。3根柔性导体2的同一端穿过柔性基层1到达柔性基层1的另一面，并与射频连接接头3通过焊接方式相连，其中处于中间位置的导体与射频连接接头3的中间导体相连，而另外两根柔性导体2与射频连接接头3的外导体相连，射频连接接头3为BNC或SMA形式，可通过同轴电缆与标准的时域反射测试设备相连，如美国Compbell Scientific公司生产的TDR100。

三轴试验的操作过程可参见中华人民共和国国家规范《土工试验方法标准》(GB T50123-1999)。以101mm直径的三轴试样为例，可将柔性基层1设置为135mm×21mm矩形，柔性导体2为125mm×3mm矩形，三根柔性导体2居中布置在柔性基层1上，相互平行，两两间距为3mm。如需要测试三轴试样中间部位的含水量，则需要达到如下要求：

1.将本发明沿试样中心截面圆周方面绕在试样中部；

2.柔性基层1有柔性导体2的一面与试样表面接触，而柔性基层1的另一面与橡皮膜4接触；

3.为了本发明能与测试设备相连，射频连接接头3还需要穿过橡皮膜4，试样安装完毕后，射频连接接头3处在橡皮膜4外侧。

如图4～7所示，为了将本发明安装到位，可按如下步骤进行操作：

(1)事先在橡皮膜4上将三轴试样所需测量含水量的位置进行定位并开孔形成橡皮膜开口5，开孔大小等于或略小于射频连接接头3的底座截面大小；

(2)将本发明装置进行适当弯折，形成弧形，弧形的半径略大于试样半径，有柔性导体2的一侧在弧形内侧，有射频连接接头3的一侧在弧形外部；

(3)将本发明放置到圆筒形橡皮膜4的内部，射频连接接头3从橡皮膜开口5的位置穿出橡皮膜4，本发明的长度方向沿橡皮膜4横截面圆周方向；

(4)用密封胶将射频连接接头3底部和橡皮膜4进行密封，密封胶应具有足够的抗拉强度和拉断延伸率，以保证整个三轴试验过程中，射频连接接头3和橡皮膜4之间密封良好，不透水，不透气，如广东恒大新材料科技有限公司生产的卡夫特K-5904B密封胶。

(5)将橡皮膜4套在承膜筒6上，承膜筒6的结构参见中华人民共和国国家规范GB T50123-1999图16.2.1-5，因为射频连接接头3有一定的高度，因此，承膜筒6的直径应比三轴试样直径加射频连接接头高度略大2～5mm，以便三轴试样能顺利套入承膜筒6中。

(6)按照常规方法安装三轴试样，具体操作过程可参考中华人民共和国国家规范《土工试验方法标准》(GB T50123-1999)。

(7)三轴试样安装完毕后，通过两端带接头的导线8将本发明的射频连接接头3与压力室外的TDR测试仪9相连。导线8为同轴电缆，在压力室底座部位开洞引出，同轴电缆与所开的洞之间进行密封，密封方式可以是用密封胶或密封圈加带孔螺母的组合等。同轴电缆与本发明的射频连接接头3连接后应密封，密封形式可以是本身接头带防水塞的，也可以用密封胶进行密封，同轴电缆+接头本身外皮应是防水不透气的，以免在试验过程中造成水或气进入同轴电缆内改变特征阻抗，影响含水量测试结果，同时也避免引起三轴压力室围压衰减。

(8)对TDR测试仪进行调试，反应正常后通过TDR测试仪进行电磁波的发射、接收、处理，得到三轴试样测试部位的反射图形，同时通过传统方法(如烘干法)获取三轴试样被测部位的含水量。

(9)多次改变三轴试样的含水量，重复以上步骤，建立三轴试样不同含水量与不同反射图形之间的对应关系。

(10)按常规方法进行三轴试验，试验过程中随时通过TDR测试仪进行电磁波的发射、接收、处理，得到三轴试样测试部位的反射图形，通过步骤(9)所建立的反射图形之间的对应关系，即可得到三轴试样测试部位的实时含水量值。

TDR含水量测试的原理可参考程先军发表于《水利水电技术》1995年第11期的文章《根据TDR原理测量土壤含水量》。只要事先对本发明装置进行标定，通过对采集的数据进行分析，得到介电常数值，进一步建立介电常数与三轴试样含水量之间的关系，即可确定含水量，从而实现了含水量的实时测定。

如需进行三轴试样其他部位的含水量实时测试，可参照上述方法将本发明装置安装在相应位置即可。

如上所述，对本发明的实施实例进行了详细的说明，但只要实质上没有脱离本发明的特点及效果，是可以有很多变形的，这对本领域的技术人员来说是显而易见的，因此，这些变形的实例也全部包含在本发明的保护范围之内。