一种黏性土含水率快速检测的微波湿度法的制作方法

本发明涉及土料含水率测量技术领域，特别是黏性土含水率快速检测的微波湿度法。

背景技术：

土料可以分为非黏性土和黏性土，它们在基础设施建设领域有广泛应用，而含水率是土料的一个重要参数指标，在土石坝填筑、混凝土拌合、基坑回填等过程中，必须准确而较快地检测土料的含水率。含水率离线检测法主要有烘干法、炒干法、比重法、酒精燃烧法，在线检测法主要有中子法、电阻法、电容法、近红外法、微波法、tdr法等。烘干法检测精度高，是其他方法检测精度的判断标准，但是检测速度慢，时间长，黏性土至少需要8h，工程实际中较多情况下需要快速检测土料的含水率，而这种方法难以满足快速检测的要求。在线检测法的检测速度快，现场可直接测定土料的含水率，但是检测精度较差，不同检测方法之间的差异较大，有些方法难以满足精度要求，如基于电阻法、电容法等方法的原理而设计的含水率检测仪器检测精度通常较差，难以用于工程实际中。为了实现黏性土含水率的快速检测，需要提出合适的含水率检测方法，以满足实际工程需要。

在均质土坝和以黏土为防渗料的土石坝填筑过程中，黏性土的含水率检测非常重要，含水率的变化直接影响黏性土的物理状态以及力学参数，在黏性土碾压过程中，需要严格控制含水率，主要因为含水率的大小与压实度有直接关系，其对碾压参数的调整也非常重要。根据相关规范中介绍的压实度检测方法，目前土石坝压实度检测普遍采用的方法是挖坑检测法，在计算压实度时，需要对挖坑料的含水率进行准确快速检测。

所以，需要对黏性土的含水率进行准确检测，检测精度必须满足规定的要求。但是目前普遍认为最准确的检测方法是烘干法，该方法检测精度高，通常将其他方法的检测结果和烘干法的结果进行对比，以验证其他方法是否准确。众所周知，烘干法的检测速度慢，无法实现快速检测的要求，在实际应用中具有滞后性，对施工进度可能造成一定影响。目前也有较多的在线检测方法，虽然检测速度快，但是精度通常无法满足规定的要求，而且不同的检测方法之间差异较大。

现有检测黏性土含水率的方法主要有烘干法、炒干法、酒精燃烧法、中子法、电阻法、电容法、近红外法、微波法、tdr法。

烘干法是所有检测方法中被认为最准确的方法，检测技术流程为：称量装待测土样容器的质量，取适量的待测土样置于容器中，称量容器和土样的总质量，并做记录。将试样置于电烘箱中，设置温度。黏性土烘8h以上，直至试样恒重为止，确保水分全部蒸干。取出烘干后的试样，称量试样和容器的总质量，并做记录，计算待测土样的含水率。

炒干法和烘干法的原理类似，只是用炒的过程代替了烘的过程。

酒精燃烧法和烘干法的原理也类似，只是在土样中加入适量酒精，经多次燃烧使土样中水分蒸干。

电阻法的原理为：湿土具有导电性，其导电性或电阻和含水率有直接关系，含水率越小，导电率越小，含水率越大，导电率越大，将含水率的大小转化为一个电学量，从而显示出来，得到土料的含水率。实际操作中，只需将电阻式水分传感器的感应部分插入到被测土样中，直接读取结果即可。

电容法的原理为：土料含水率的变化会影响其介电常数的变化，干土的相对介电常数为3左右，而水的相对介电常数为82左右，远大于干土的相对介电常数，故含水率与土料的复合介电常数存在一定关系，在检测时直接测出该电容器电介质的介电常数值，再经过一定的换算关系便可间接推算土料的含水率。电容法以被测的土料作为电介质，与插入到土料中的两个电极构成一个电容器。实际操作过程中，根据被测土料的性质，电容法两个电极结构也会有所不同，常见的电极结构有平行板式、圆筒式等。电容法和电阻法的实际操作过程类似，这里不再赘述。

中子法、近红外法、微波法、tdr法的检测原理都是建立土样中的水分参量变化和对应的感应值的一一对应关系，进而将含水率检测结果显示出来。实际操作过程均是通过将传感器的感应部分和所取的土样进行接触，从而实现土料的含水率检测。

烘干法的检测速度慢，黏性土至少需要8h，无法实现快速检测的要求，在实际应用中具有滞后性，对施工进度可能造成影响，而且需要取样到实验室检测，属于一种离线检测法。

炒干法、酒精燃烧法等需要的时间也较长，无法实现快速检测，酒精燃烧法存在一定的安全隐患，两种方法均属于离线检测法。

中子法、电阻法、电容法、近红外法、tdr法检测精度差，同种土样进行2次平行测定，相应的平行差值难以满足规定的要求，检测结果不可信，导致无法应用于工程实际中。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是提供一种黏性土含水率快速检测的微波湿度法，实现黏性土含水率的快速检测，满足土石坝填筑施工、基坑回填等领域要求，在土石坝施工、基坑回填土的含水率检测等领域具有较大的应用价值。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：

一种黏性土含水率快速检测的微波湿度法，包括以下步骤：

步骤1：将微波湿度传感器与计算机通信相连，在对应的测量软件中添加校准数据点；

步骤2：采用电烘箱测量校准试样的实际含水率；

步骤3：采用与步骤2中相同的校准试样，在校准试样上插若干均匀分布的孔，通过微波湿度传感器和测量软件获得此实际含水率下校准试样的非标定值；

步骤4：重复步骤2至步骤3获得其余4种含水率校准试样的非标定值；

步骤5：将5种不同含水率校准试样的实际含水率ui和对应的非标定值vi输入测量软件中，获得校准曲线u＝c+dv；其中，c、d为校准曲线方程的系数，下标i＝1,2,…,5；

校准曲线的决定系数r²≥0.97或相关系数r≥0.98，且均方残差平方和其中，式中：vi、ui为数据点(vi,ui)的值，c、d为校准曲线方程的系数，n为数据点的个数；

步骤6：在测量软件中，选择对应待测黏性土的校准曲线，将其置为当前，用于显示含水率；

步骤7：制备待测试样，利用所述微波湿度传感器和测量软件直接获得黏性土含水率。

进一步的，在所述步骤3中，非标定值采用平均非标定值，即采用相同的方法获得两次非标定值，计算两次非标定值的平均值，计算出的平均值即为此实际含水率的平均非标定值。

进一步的，在所述步骤7中，还包括：两次测量待测黏性土试样的含水率，取两次测量的黏性土含水率的平均值，获得黏性土的含水率。

与现有技术相比，本发明的有益技术效果是：相对于含水率检测的烘干法，本发明检测速度很快，短时间内就可以获得待测黏性土的含水率；相对于中子法、电阻法、电容法、近红外法、tdr等方法，本发明精度更高，检测结果和烘干法的结果误差均在允许的范围内，足以满足工程实际需要。完成校准工作后，黏性土的含水率测定，两次平行测定只需10～12min，满足工程中对土料含水率快速检测的要求。

具体实施方式

下面通过具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。以hydro-probeiv型微波湿度传感器为例，包括校准方法和测量方法，详细说明如下：

一、校准

1、试验仪器

传感器：微波湿度传感器1台；

计算机，或者为了方便，可以采用笔记本电脑：1台；

电烘箱：1台，温度可以设置在105～110℃；

料盒：亚克力方形料盒1件，长90mm×宽67mm×高90mm(均为内尺寸，不含壁厚)；

数据连接电缆：1根；

其他：玻璃棒、铝盒若干、土样盘、钢抹子、小钢勺、量筒、保鲜膜等，还包括直径2mm、长15cm的铁丝。

2、试验方法

1)安置微波湿度传感器，并和笔记本电脑连接，打开测量软件，添加校准数据点(默认为0)，为获得校准数据做准备；

2)取适量干燥黏性土料和清水，拌和均匀，获得含水率约为11％的校准试样；

3)取两份步骤2)的校准试样分别置于两个铝盒中，将铝盒和校准试样置于电烘箱升温加热至恒重，称量并根据含水率的定义式，获得校准试样的实际含水率u1；

4)将亚克力方形料盒置于传感器感应面板上，取步骤2)中300g校准试样慢慢倒入料盒中，用玻璃棒将校准试样表面捣平，保证各处厚度近乎相同，获得密实度相对一致的试样；

5)取出压板，用铁丝在土体中均匀插15个孔，呈3×5分布，确保黏性土试样内部水分也可以被检测，点击软件界面的“开始求平均值”选项，并计时10s，点击“停止求平均值”选项，获得含水率约11.0％校准试样的第1次非标定值v11；

6)将料盒从传感器面板取出，保证面板干燥洁净，重复步骤4)～5)，获得含水率约11.0％校准试样的第2次非标定值v12；

7)计算v11和v12的平均值，获得含水率约为11.0％校准试样的平均非标定值v1；

8)将3)中的校准试样再加入适量的水，获得含水率约为13.5％的校准试样，重复步骤3)～7)，获得含水率约为13.5％校准试样的实际含水率u2和平均非标定值v2；

9)重复步骤3)～8)，获得其余3种含水率(约16.0％,18.5％,21.0％)校准试样的实际含水率u3,u4,u5和对应的平均非标定值v3,v4,v5；

10)将5种不同含水率校准试样的实际含水率ui(i＝1,2,…,5)和对应的平均非标定值vi(i＝1,2,…,5)输入软件，获得校准曲线u＝c+dv。

为保证精度，两次平行测定的非标定值允许的平行差值应满足表1的规定。

表1非标定值允许的平行差值

3、说明

1)校准曲线的决定系数adj.r-squre(简记为r²)应满足r²≥0.97，或相关系数r≥0.98，确保具有良好的拟合效果。残差平方和q也是一个衡量校准曲线质量好坏的指标，其和决定系数及相关系数相互独立，其计算公式为：

式中：vi、ui为数据点(vi,ui)的值，c、d为校准曲线方程的系数，n为数据点的个数。可以看出，数据点的量越多，残差平方和越大，为了使其适用于数据点量不同的校准情况，提出均方残差平方和其计算公式为：

所以与r²、r均独立，经统计，提出校准曲线的所以合理的校准曲线应满足：

r²≥0.97或r≥0.98，且

若某些校准数据点存在明显偏差或上述条件中至少1个条件不满足，应将这些数据点予以剔除，重新补充校准数据点，重新校准；

2)由于黏性土难以拌和均匀，因此采用较少的校准数据点，含水率分别在11.0％、13.5％、16.0％、18.5％、21.0％附近。

二、测量

1、试验仪器

试验仪器同校准过程，此处不需要电烘箱。

2、试验方法

1)取适量待测试样，并用保鲜膜或其他保湿装置保存备用，防止水分蒸发；

2)安置微波湿度传感器，打开测量软件，选择对应黏性土料的校准曲线，点击“写入传感器”，将此校准曲线置为当前，用于显示含水率；

3)将亚克力方形料盒置于微波湿度传感器感应面板上，取步骤1)中待测试样300g慢慢倒入料盒中，用玻璃棒将试样表面捣平，保证各处厚度近乎相同，获得密实度相对一致的试样；

4)取出压板，用铁丝在土体中均匀插15个孔，呈3×5分布，确保黏土试样内部水分也可以被检测，点击软件界面的“开始求平均值”选项，并计时10s，点击“停止求平均值”选项，获得第1次含水率；

5)将料盒从微波湿度传感器面板取出，保证面板干燥洁净，重复步骤3)～4)获得第2次含水率，取两次的平均值，获得黏性土试样的含水率。

3、说明

1)每次平行测定不能使用前1次使用的试样，应该采用新的试样。

2)允许的平行差值应满足表2的规定。

表2允许的平行差值

本发明对黏性土的含水率测定，两次平行测定只需10～12min，满足工程中对黏性土含水率快速检测的要求，且精度符合规定的要求。