一种岩土体含水率简易测试工具及方法与流程

本发明涉及适用土遗址或砂岩石窟内部水分迁移过程的长期监测，属于土壤水分监测技术领域，具体涉及一种岩土体含水率简易测试工具及方法。

背景技术：

土遗址是以土为主要建筑材料的珍贵遗迹，砂岩石窟是开凿在砂岩崖壁上的洞窟，两者均是人类历史文明发展过程中留下来的，具有重要的历史、艺术和科学价值。但是，由于水的作用，导致遗址土体和砂岩风化加剧，局部区域甚至发生了坍塌，窟内壁画及塑像发生了酥碱或起甲，保存状况不断恶化。因此，为了有效预防遗址病害的发生、发展，延缓遗址退化，测定遗址土体或砂岩中含水率分布，长期监测水分迁移过程至关重要。目前，国内外土体含水率测试途径主要包括：试样传统烘干法和利用土壤水分传感器测定两种。

(1)试样传统烘干法：是将现场采集到的试样装在铝盒内，然后，在在烘箱内将其烘干至恒重，最后，根据试样烘干前后质量变化来确定土体含水率。这种方法操作简单，结果准确，但是，测定过程中，试样烘干需时较长，效率比较低。另外，由于需要通过取试样来进行测定，对遗址土体或砂岩的破坏性也比较大，无法开展频繁的监测。

(2)传感器测定法：通过在土体中布设传感器来测定含水率分布，例如：时域反射法(tdr)，频域反射法/频域法(fdr/fd法)，电阻率法，电容法，微波法，中子法，红外遥感，探地雷达，γ射线法和核磁共振法等。此类方法主要是利用土样的介电常数、磁导率或电容等与土样含水量之间的关系间接获得土体含水率。虽然仪器/设备的布设/埋设可以一次性完成，测定速率也较为快捷，但是，数据采集和后期处理较为复杂。除此之外，野外供电困难或极端气候条件下，存在仪器/设备无法正常操作的弊端，而且，还需要对其进行定期维护，如若长期连续性地测定土体含水率变化，运行成本高昂。

技术实现要素：

针对现有技术存在的缺陷，本发明提出了一种岩土体含水率简易测试工具及方法。这种工具为嵌套式结构，安装时对遗址本体造成的损伤较小，可以适应多种恶劣天气变化，而且，操作简单，加工成本低。此工具通过增减外套管的数量和金属内芯长度可以满足不同深度岩土体内部含水率测试需求。一定周期岩土体含水率分布可由外套管含水率变化予以反映，计算方法简单，准确率高。

本发明的目的之一是提供一种岩土体含水率简易测试工具，其特征在于：本测试工具以内芯2为安装杆，测试装置为若干外管套1，外管套1为空心状，依次嵌套于内芯2上，所述内芯2上的通过其上的螺纹杆7可活动安装于提竿3上。

进一步的，所述内芯2优选不锈钢。

进一步的，所述外管套1优选质地均匀的木材。

所述内芯2底端设有限定外套管1的固定栓头4。

所述螺纹杆7上安装有限定外套管1的螺母5和垫片6。

本发明的另一目的是提供一种基于岩土含水率简易测试工具的使用方法，使用步骤如下：

步骤1：测试前，首先对每节外套管1进行编号并称量起初始质量；

步骤2：按照号码从大到小的顺序，将外套管从顶部依次套入内芯2上，用螺母5进行固定；

步骤3：测试时，在测试位置钻孔，孔径略大于外套管外径，孔深为测试深度。

步骤4：将工具底端向下插入测试孔，顶部螺母5露出土体表面，用原始土填埋周边缝隙并压实。

步骤5：一定周期后，取出测试工具，称量每节外套管1吸湿后的质量，根据测试前后外套管的质量变化，计算不同深度外套管含水率。

本发明的有益效果为：1、本发明工具容易加工、成本低，解决了连续使用高端测试设备/仪器运行费用高昂的缺点；

2、本发明工具有安装简单，易操作，实施方式对遗址土体的破坏性比较小；

3、本发明工具不需要供电，适用于长期监测室内和室外两种类型遗址岩土体内部含水率的变化；

4、本发明提出的根据外套管含水率计算岩土体含水率的方法，计算过程简单、准确度高，可用于分析一定周期岩土体内部含水率变化和水分迁移规律。

附图说明

图1为本发明安装结构示意图；

图2为本发明安装结构爆炸图；

图中主要部件标号：外套管1；内芯2；提竿3、固定栓头4、螺母5、垫片6、螺纹杆7。

具体实施方式

实施例1

现结合实施例、附图对本发明作进一步描述：

图1和图2是本发明安装结构，外套管1材料为质地均匀的木材，每节高度10cm，形状为空心圆柱。内芯2材质为不锈钢，形状为实心圆柱，直径尺寸比外套管1内径小1-2mm，底端为固定栓头4。固定栓头4长度与外套管1外径相同，在深入岩土过程中，不会产生额外阻碍。内芯2顶端设有螺纹杆7，螺纹杆7可活动嵌套于提竿3内。提竿3为操作手柄。同时外套管1在嵌套于内芯2上后，需通过螺母5和垫片6将其固定，防止其移动。加工时，外套管1内外径尺寸可根据测试深度增加适当增大，不锈钢内芯2长度比测试深度高10cm。

测试工具使用方式：测试前，首先，要对每节外套管1进行编号并称量起初始质量m1；然后，按照号码从大到小的顺序，将外套管从顶部依次套入内芯2，最后，用螺栓3进行固定。开始测试时，首先，在测试位置钻孔，孔径略大于外套管外径，孔深为测试深度；然后，将工具底端向下插入测试孔，顶部螺母露出土体表面；最后，用原始土填埋周边缝隙并压实。一定周期(1个月，1个季度等)后，取出测试工具，称量每节外套管吸湿后的质量m2，然后，根据测试前后外套管的质量变化，计算不同深度外套管含水率，计算方法为：w木＝(m2-m1)/m1。

岩土体含水率测定方法：首先，测定位置钻孔过程中，每隔10cm取一个土样，在实验室内采用烘干法测定不同深度原始岩土体的含水率及上述含水率时外套管在原始岩土样中的含水率w土初和w木初；然后，将两组数据采用origin软件进行拟合，确定原始岩土体含水率与木套管含水率之间的关系式：w土＝f(w木)；最后，将一定周期后不同深度实测木套管含水率w木代入上述公式，换算为岩土体含水率w土，进而根据土体含水率分布研究水分迁移规律。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

技术特征：

技术总结
本发明提出一种岩土体含水率简易测试工具及方法，特别适用于土遗址或砂岩石窟内部水分迁移过程的长期监测。此工具为嵌套式结构，外套管为质地均匀的空心圆柱形木材，内芯为带螺栓实心圆柱形不锈钢，具有容易加工，成本低，安装过程对土体破坏性小，无需供电，可实现室内或野外长期连续监测等优点。解决了传统烘干法效率低、破坏性大和采用高端测试设备/仪器运行费用高昂的缺点。遗址岩土体内部含水率根据不同深度木套管含水率进行换算，方法简单，准确度高。本发明同样适用于不同类型土壤浅层含水率分布的测定，为研究水分迁移规律以制定灾害/危害预防措施提供了有力支撑。

技术研发人员：刘洪丽;张正模;郭青林;王旭东
受保护的技术使用者：敦煌研究院
技术研发日：2018.11.05
技术公布日：2019.03.08