结合TDR技术的静力触探探头、检测系统和测量方法与流程

结合tdr技术的静力触探探头、检测系统和测量方法
技术领域
1.本发明涉及土体原位测试领域，尤其是涉及一种结合tdr技术的静力触探探头、检测系统和测量方法。


背景技术：

2.土体电导率、介电常数、温度作为评价土壤很重要的参数，土体电导率在环境岩土领域应用较为广泛，可以用来评价土体有机质含量，也可以建立土体电导率与土体孔隙水电导率之间的关系，可以监测土体的污染情况，也可以通过对土体介电常数的测量来计算得到土体含水率、干密度等重要参数。温度作为影响岩土材料固结蠕变特性的主要因素之一，对岩土工程变形的影响不可忽视，在反复的温度变化下粘性土的工程性质会发生变化，由此可能导致变形和沉降等一系列工程问题。
3.对于土体电导率的测量一般是通过取样试验，或者是在钻孔中进行原位测试，在农业中对土体电导率的测量也仅是对土体表面电导率的测量，取样试验由于取样过程中对原状土产生了破坏，所测得的土体电导率和温度与实际不符，而钻孔中的原位测试是在钻孔的基础上将时域反射法(time domain reflectometry，tdr)探头插入待测土体进行测量，但在工程实际中我们需要对场地中土体进行多点测量，钻孔原位测试很明显不满足经济效益。
4.通过对土体电导率、介电常数、温度的测量可以用来评价土体有机质含量，含水率，温度，干密度，污染程度等，是模型试验中常需要测量的参数，而一般的室内模型实验多采用缩尺实验，且这些参数的测量多是通过提前埋设传感器进行，由于模型尺寸有限，导致传感器的布置也受到限制，一般室内试验仅仅是在特殊位置布置传感器进行测量，通过特殊位置的测量结果来评价整个模型，这样往往增加了实验的误差，而且不能够满足实验需求，并且太多传感器的埋入影响试验的模拟效果，因此在开展模型试验时需要这样一个多功能型静力触探设备，不仅可以进行多个指标的并行测量，提高各指标之间的相关性，而且可以实现对模型进行连续多点或不同深度的测量，满足室内模型实验的需求。
5.孔压静力触探是一种常用的原位测试技术，在工程场地进行原位测试可以测量得到贯入过程中的锥尖阻力、侧摩阻力、超孔隙水压力。基本原理是将一个内部装有传感器的静力触探探头匀速压入土体，由于不同土层的性质各异，在压入过程中探头所受阻力也不同，传感器记录探头所受阻力的不同，再通过贯入阻力与土的工程地质特征之间的定性关系和统计相关关系，来实现取得土层剖面、固结系数、得到土层承载力、选择桩端持力层。探头在压入过程中会产生超孔隙水压力，通过孔隙水压力传感器测量得到产生的超孔隙水压力大小。孔压静力触探相比于传统的钻探、取样、室内试验有着准确、经济、快速的特点。但是其无法原位测量土体深处的电导率、介电常数和温度等。
6.本领域技术人员迫切需要得到一种可以原位测量土体深处的电导率、介电常数、温度的探头。


技术实现要素：

7.本发明的目的就是为了提供一种结合tdr技术的静力触探探头、检测系统和测量方法。
8.本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
9.一种结合tdr技术的静力触探探头，包括锥头、探杆和探头控制单元，以及tdr探针、用于检测锥尖阻力的第一检测机构、用于检测侧摩阻力的第二检测机构、用于检测孔隙水压力的第三检测机构，
10.所述锥头包括圆锥段和圆柱段，所述tdr探针共设有多个，所述锥头的外侧壁上设有与tdr探针数量一致的卡槽，各卡槽环绕锥头表面等角度布置，各tdr探针分别嵌于各卡槽中，且tdr探针的方向与锥头轴向平行，所述tdr探针与锥头的接触面上设有绝缘层，所述tdr探针的端部成锥形，延伸至锥头的圆锥段处，并与圆锥段的锥面平滑过渡，
11.所述tdr探针、第一检测机构、第二检测机构和第三检测机构均与探头控制单元连接。
12.所述tdr探针的数量为三个。
13.所述tdr探针中设有温度传感器。
14.所述tdr探针的根部延伸至圆柱段的末端。
15.所述第一检测机构包括锥头变形柱和压阻式的锥尖阻力传感器，所述锥头变形柱与锥尖同轴设置，并且靠近锥头的尖端部分，锥尖阻力传感器安装在锥头变形柱的后端。
16.所述第二检测机构包括摩擦筒、侧壁变形柱、压阻式的侧壁摩擦阻力传感器，摩擦筒设置在探杆的外侧，侧壁变形柱设置在探杆表层，侧壁摩擦阻力传感器安装在侧壁变形柱的内侧。
17.所述第三检测机构包括过滤网、滤水通道、水腔和压阻式的孔隙水压力传感器，透水孔开设于锥头上，并与滤水通道相连接，与外部相通，所述基座前端设有水压腔，水压腔位于滤水通道后侧，所述孔隙水压力传感器设置于水压腔内侧。
18.一种含有如上述的探头的土体原位检测系统，包括探头、多功能型静力触探终端和tdr测试系统终端，所述探头的探头控制单元通过导线分别连接多功能型静力触探终端和tdr测试系统终端。
19.一种如上述的系统的测量方法，包括：
20.步骤s1：基于已知土体电导率、干密度和有机质含量的物理模型箱，完成电导率、干密度和土体有机质含量的标定；
21.步骤s2：将探头贯入待测土体中，同时，tdr测试系统终端向tdr探针发送电磁波信号；
22.步骤s3：采集贯入过程中的所述电磁波信号的反射信号，得到土体电导率，介电常数，土体含水率，土体有机质含量和干密度，
23.以及接收贯入过程中第一检测机构、第二检测机构和第三检测机构分别采集得到的锥尖阻力、侧摩阻力和孔隙水压力。
24.所述土体含水率由土体介电常数计算得到。具体的，土体含水率，干密度由介电常数计算得到，土体有机质含量由电导率计算得到。
25.与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：通过特殊设计的tdr探针结构，将tdr
探头和孔压静力触探探头进行结合，从而可以快速，方便地测量一定深度岩土体的端摩阻力，侧向摩阻力，孔隙水压力，电导率、介电常数、温度等参数，并且能够更加充分的反映沿深度方向岩土体的多种性质，组合探头在贯入过程中能够连续获得土体沿着深度方向的各个参数，使得所测各个参数之间相关性更强，同时也避免了tdr探针在贯入过程中被压坏，导致tdr探头与周围岩土体接触不良导致不能准确反映岩土体的电导率的问题。
附图说明
26.图1为本发明探头的结构示意图；
27.图2为探针锥头端部的示意图；
28.图3为本发明检测系统的示意图；
29.其中：1、锥头，2、过滤网，3、滤水通道，4、锥头变形柱，5、锥尖阻力传感器，6、孔隙水压力传感器，7、水压腔，8、摩擦筒，9、侧壁变形柱，10、侧壁摩擦阻力传感器，11、探头控制单元，12、tdr探针，13、线缆通道，14、连接杆，15、tdr测试系统终端，16、电源，17、信号采集器，18、信号发生器，19、同轴路由器，20、多功能型静力触探终端，21、密封圈，22、基座，23、同轴传输线，24、多功能型静力触探显示器。
具体实施方式
30.下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
31.一种结合tdr技术的静力触探探头，包括锥头1、探杆和探头控制单元11，以及tdr探针12、用于检测锥尖阻力的第一检测机构、用于检测侧摩阻力的第二检测机构、用于检测孔隙水压力的第三检测机构，锥头1包括圆锥段和圆柱段，tdr探针12共设有多个，锥头1的外侧壁上设有与tdr探针12数量一致的卡槽，各卡槽环绕锥头1表面等角度布置，各tdr探针12分别嵌于各卡槽中，且tdr探针12的方向与锥头1轴向平行，tdr探针12与锥头1的接触面上设有绝缘层，tdr探针12的端部成锥形，延伸至锥头1的圆锥段处，并与圆锥段的锥面平滑过渡，tdr探针12、第一检测机构、第二检测机构和第三检测机构均与探头控制单元11连接。
32.通过特殊设计的tdr探针12结构，将tdr探头和孔压静力触探探头进行结合，从而可以快速，方便地测量一定深度岩土体的端摩阻力，侧向摩阻力，孔隙水压力，电导率、介电常数、温度等参数，并且能够更加充分的反映沿深度方向岩土体的多种性质，组合探头在贯入过程中能够连续获得土体沿着深度方向的各个参数，使得所测各个参数之间相关性更强，同时也避免了tdr探针12在贯入过程中被压坏，导致tdr探针12与周围岩土体接触不良导致不能准确反映岩土体的电导率的问题。
33.本实施例中，tdr探针12的数量为三个，间隔120度排列，可以避免对原本的孔压静力触探探头的结构产生过多的影响，并保持反射信号的准确性。
34.本实施例中，tdr探针12中设有温度传感器，可以采集温度信息，并且在最外侧，降低因探头内部热源干扰导致的测量误差。
35.本实施例中，tdr探针12的根部延伸至圆柱段的末端，增加电磁波的传输路径，提高测量的准确性。
36.本实施例中，第一检测机构包括锥头1变形柱和压阻式的锥尖阻力传感器5，锥头1变形柱与锥尖同轴设置，并且靠近锥头1的尖端部分，锥尖阻力传感器5安装在锥头1变形柱的后端。
37.本实施例中，第二检测机构包括摩擦筒8、侧壁变形柱9、压阻式的侧壁摩擦阻力传感器10，摩擦筒8设置在探杆的外侧，侧壁变形柱9设置在探杆表层，侧壁摩擦阻力传感器10安装在侧壁变形柱9的内侧。
38.本实施例中，第三检测机构包括过滤网2、滤水通道3、水腔和压阻式的孔隙水压力传感器6，透水孔开设于锥头1上，并与滤水通道3相连接，与外部相通，基座22前端设有水压腔7，水压腔7位于滤水通道3后侧，孔隙水压力传感器6设置于水压腔7内侧。具体的，滤水通道3设置于锥头1和基座22中部，过滤网2安装在滤水通道3与土体接触部位，滤水通道3后端与水压腔7相连，前端与外部相通。
39.探杆主要由基座22、连接杆14和线缆通道13组成，基座22、连接杆14以同轴设置在锥尖探头后侧，线缆通道13设置在基座22内部，与锥尖探头同轴，线缆通道13与外接探杆线缆通道13同轴，线缆通道13后端设置有密封圈21。
40.本技术的另一方面是提供一种含有如上述的探头的土体原位检测系统，包括探头、多功能型静力触探终端20和tdr测试系统终端15，探头的探头控制单元11通过导线分别连接多功能型静力触探终端20和tdr测试系统终端15。
41.tdr探针12作为第四检测机构，其与另外三个检测机构之间电连接，第一、第二、第三检测机构分别同时与多功能静力触探终端电连接，第四检测机构与tdr测试系统终端15电连接。该探头能够准确快速地测出锥尖阻力、侧摩阻力和孔隙水压力，并且可以测量得到土体的电导率、介电常数、温度，便于检测人员得出原状土的含水率，干密度，温度，有机质含量，监测土体的污染情况。
42.本实施例中，tdr探针12的外侧与土壤直接接触，测试探针中安装有温度传感器，测试探针与测试探头电连接，测试探头通过线缆通道13的同轴传输线23与tdr测试系统终端15电连接。
43.tdr测试系统终端15由电源16，信号发生器18，信号采集器17，同轴路由器19组成，通过同轴传输线23与tdr检测探头电连接，同时与多功能型静力触探探头终端电连接。
44.本技术可测量土体电导率、介电常数和温度，是将tdr探针12互成一百二十度安置在探头上，探针直接和土体接触，并且探针上装有温度传感器，触探至不同深度土体时，地面tdr信号发生器18发射电磁波信号，电磁波经过同轴传输线23传播至探头处tdr测试探针，电磁波信号沿着探针传播，在探针起始位置和终止位置波阻抗不连续，电磁波信号将在此产生反射，地面tdr信号采集器17记录反射波产生的电压随时间的变化关系，并保存数据，通过对反射波电压与时间的关系曲线进行分析可以计算得到土体电导率。
45.测量所得到的土体电导率可以根据转换关系来评价土体有机质含量，建立土体电导率与土体孔隙水电导率之间的关系，可以监测土体的污染情况，也可以用来评价加固土的电导率随土中化学反应进行的变化规律。
46.电磁波经过同轴传输导线至探头控制单元11处，在探针起始与结束的阻抗不连续面发生反射，地面tdr信号采集器17记录反射波产生的电压随时间的变化关系，并保存数据，通过对反射波电压与时间的关系曲线进行分析可以计算得到土体介电常数。
47.测量土体含水率主要是分析土体介电常数，水的介电常数为81，土体颗粒的介电常数为3-5，水的介电常数远大于土体颗粒的介电常数，因此土体介电常数主要由土颗粒中水的含量决定，常用土体介电常数与含水率之间的经验公式确定含水率。
48.土体介电常数、质量含水率以及干密度之间存在一定的经验关系，通过室内标定和经验关系可求得土体干密度。
49.测量得到的土体电导率、介电常数和温度经过tdr终端处理后，将数据传输给多功能型静力触探终端20，同时多功能型静力触探终端20记录并保存锥尖阻力、侧摩阻力、超孔隙水压力，在触探过程中多功能型静力触探终端20可以实时显示锥尖阻力、侧摩阻力、超孔隙水压力、土体电导率、介电常数、温度等参数随深度的关系，当某项参数出现异常或者达到工程需求时可以及时对静力触探进行调整或者终止触探。
50.土体有机质含量与土体电导率密切相关，并有经验关系，通过前期标定和经验关系可以求得土体有机质含量。
51.基于此，本技术的又一方面是提供一种如上述的系统的测量方法，包括：
52.步骤s1：基于已知土体电导率、干密度和有机质含量的物理模型箱，完成电导率、干密度和土体有机质含量的标定；
53.步骤s2：将探头贯入待测土体中，同时，tdr测试系统终端向tdr探针发送电磁波信号；
54.步骤s3：采集贯入过程中的所述电磁波信号的反射信号，得到土体电导率，介电常数，土体含水率，土体有机质含量和干密度，
55.以及接收贯入过程中第一检测机构、第二检测机构和第三检测机构分别采集得到的锥尖阻力、侧摩阻力和孔隙水压力。
56.具体过程如下：
57.1、实验前需要对电导率测量进行标定，首先通过室内试验的方法测量模型箱土体电导率，再将探头放入模型箱中进行触探，测量不同深度，不同位置土体电导率，根据已知的土体模型电导率，和反射波产生的电压随时间的变化关系，来对电导率的测量进行标定。
58.2、实验前需要对土体干密度进行标定，与前面标定方法类似，通过室内模型箱实验测量模型土体干密度，质量含水率，再将探头放入模型箱进行触探，得到土体介电常数，通过对模型土体多点的测量，来对干密度测量进行标定。
59.3、实验前需对土体有机质含量测量进行标定，与前面标定方法类似，通过室内模型箱实验测量模型土体有机质含量，再将探头放入进行触探测量得到土体电导率，通过对模型土体多点的测量，来对土体有机质含量进行标定。
60.4、当探头往下贯入时，锥尖会受到土体阻力并将阻力传递给锥头变形柱4，锥头变形柱发生变形，压阻式的锥尖阻力传感器将变形信号转化为电信号，并将该电信号传递给多功能静力触探终端20，通过终端对电信号的处理，多功能型静力触探显示器24显示锥尖阻力的结果。从地面多功能静力触探终端显示器能够准确、快速读取锥尖摩阻力。
61.5、当探头往下贯入的同时，周围土体会和摩擦筒8产生摩擦力，该摩擦力传递至侧壁变形柱9后引起侧壁变形柱9发生变形，压阻式侧壁摩擦阻力传感器10将这种变形信号转化为电信号，并将该电信号传递给多功能静力触探终端20，通过终端对电信号的处理，多功能型静力触探显示器24显示侧壁摩阻力的结果。从地面多功能静力触探终端显示器24能够
准确、快速读取侧壁摩阻力。
62.6、当探头往下贯入时，探头挤压周围土体，孔隙水透过过滤网2，沿着滤水通道3到达水压腔7，水压腔7内水压力产生变化，孔隙水压力传感器6将这种变化转化为电信号，并将该电信号传递给多功能型静力触探终端20，终端系统通过对该电信号的处理，多功能型静力触探显示器24显示超孔隙水压力的大小。从地面多功能静力触探终端显示器24能够准确、快速读取超孔隙水压力。
63.7、当探头往下贯入时，安装在探头锥尖上的tdr探针12与周围土体接触，地面信号发生器18发射电磁波信号，通过同轴传输线23传播至tdr检测探头11，电磁波信号再传播至tdr探针12，电磁波信号在探针12起始位置和终止位置发生电磁波信号的反射，反射信号通过同轴传输线23传输给信号采集器17，tdr测试系统终端15通过对反射电磁波信号的处理得到tdr测试波形曲线，并将该曲线传输给静力触探终端20，多功能型静力触探终端显示器24显示tdr测试波形曲线。
64.8、多功能型静力触探终端20具有计算功能，将前期标定所得参数输入进需要计算的模块，静力触探终端系统自动提取tdr测试波形曲线特征值，根据前期标定结果和计算公式得出土体电导率，介电常数，土体含水率，土体有机质含量，干密度等量。
65.9、当探头往下贯入时，tdr探针12中的温度传感器检测周围土体温度，并将温度信号转化为电信号，并将该电信号传递给tdr测试系统终端15，tdr测试系统终端15对电信号进行处理，将处理后的电信号传输给多功能型静力触探终端20，多功能型静力触探终端显示器24显示土体温度。从地面多功能型静力触探终端显示器24可以快速、准确读取土体温度。
66.10、该多功能型静力触探终端20具有实时存储功能，在触探过程中记录并存储各个传感器和tdr测试系统终端15传输的电信号，并且导出方便，有利于技术人员和科研人员后期对数据进行处理。