一种基于响应曲面法的土体压实度检测方法

1.本发明涉及填筑土体含水率和干密度快速检测技术领域，具体为一种基于响应曲面法的土体压实度检测方法。


背景技术：

2.土料在水利、交通、市政等基础设施建设领域应用十分广泛，如在水利工程中常作为土坝、心墙、堤防等挡水结构物的填筑材料，压实度是填方工程施工管理最为关键的指标之一，直接关系到填方工程的强度、变形及稳定性，其中质量含水率和干密度是确定压实度的两个关键参数，传统检测方法为：对于土体质量含水率，采用烘干法，而对于土体干密度，通常采用环刀法、灌砂法、灌水法等与烘干法联合测定；尽管这些传统检测方法测试结果准确可靠，但属于有损检验，且存在抽样点少、检测速度慢、费用高、对施工干扰大等缺点，难以满足当前快速机械化施工要求；因此，工程界一直在寻找快速无损、精度高的土体质量含水率和干密度快速测试方法，以提高土体压实度的检测效率。
3.目前，快速无损检测土体压实度的方法有基于时域反射技术（tdr）或频域反射技术（fdr）的一步检测法（陈赟, 陈伟, 陈仁朋, 等. tdr 联合监测土体含水率 和干密度的传感器的设计及应用[j]. 岩石力学与工程学报, 2011, 30(2): 418-426.），该方法主要是将土体介电常数、电导率与含水率和干密度进行一次线性拟合，进而推导出含水率和干密度的计算公式。
[0004]
由于该一步检测法未考虑含水率和干密度对土体介电常数和电导率影响的二次效应和交互效应，且测试值介电常数难以全面反映含水率和干密度的影响，导致测得的土体质量含水率和干密度精度偏低，使其无法适用于不同的工程填筑土体，难以对现场碾压后的土体压实度进行准确评价，为此，我们提出一种基于响应曲面法的土体压实度检测方法。


技术实现要素：

[0005]
为解决现有技术中存在的问题，本发明提供一种基于响应曲面法的土体压实度检测方法。
[0006]
为达到上述目的，本发明采用的方案如下：一种基于响应曲面法的土体压实度检测方法，包括以下步骤：s1：取部分现场土体做室内标定实验，制备不同含水率和干密度的试样，利用fdr传感器测试土体的介电常数和电导率，利用贯入仪测试土体最大贯入阻力；s2：以土体的介电常数、电导率和最大贯入阻力作为响应目标，土体含水率和干密度作为影响因素，考虑线性效应、二次效应和交互效应，建立土体的介电常数、电导率和最大贯入阻力随质量含水率和干密度变化的二阶响应曲面模型；s3：根据土体的电导率和介电常数之间的相关性，建立土体电导率的修正模型；s4：将fdr传感器、贯入仪与电动反力升降装置连接，形成一套便携式快速检测装
置，通过电机控制升降，将fdr传感器和贯入仪的探针插入压实土体，分别测得压实土体的实测介电常数和实测最大贯入阻力，将实测介电常数代入土体电导率的修正模型，计算得到土体的电导率修正值；s5：将实测介电常数、电导率修正值和实测最大贯入阻力作为已知量，代入对应的二阶响应曲面模型，以三个目标值的实测值和模型计算值均方根误差最小为目标函数，基于粒子群优化算法反演得到最优的一组计算参数，即为现场压实土体的质量含水率和干密度。
[0007]
作为优选的技术方案：如上所述的一种基于响应曲面法的土体压实度检测方法，步骤s2中，土体的介电常数、电导率和最大贯入阻力随质量含水率和干密度变化的二阶响应曲面模型，其表达式如下：式中，、、分别为土体的介电常数、电导率和最大贯入阻力的响应曲面函数；、、为截断系数，、、、、、为线性项系数，、、为交互项系数，、、、、、为二次项系数，均为通过最小二乘法拟合后获得的参数，由率定试验拟合确定；为土体质量含水率，为干密度。
[0008]
如上所述的一种基于响应曲面法的土体压实度检测方法，步骤s3中的土体电导率修正模型采用如下函数：式中，, , , 为模型参数，为电导率修正值，为介电常数。
[0009]
如上所述的一种基于响应曲面法的土体压实度检测方法，步骤s5中，选取实测介电常数、电导率修正值和实测最大贯入阻力作为已知量，采用等权重法构造目标函数：式中，为实测介电常数，为电导率修正值，p为实测最大贯入阻力；、和为土体的介电常数、电导率和最大贯入阻力对应的响应曲面函数。
[0010]
如上所述的一种基于响应曲面法的土体压实度检测方法，步骤s4中，fdr传感器和贯入仪与电动反力升降装置的传力杆底部采用可拆卸式的螺纹连接，现场检测时，先连接贯入仪测最大贯入阻力，再连接fdr传感器测介电常数，数值均记录在采集仪中；测试时，通过电机控制探针贯入速度；其中，fdr传感器包括电路板、设置在电路板上方的fdr传感器外螺纹柱、设置在电路板下方的fdr探针、以及与电路板连接的fdr传感器数据传导线；贯入仪包括荷载传感器、设置在荷载传感器上方的贯入仪外螺纹柱、设置在荷载传感器下方的微型探针，以及与荷载传感器连接的贯入仪数据传导线；电动反力升降装置包括底板和与底板平行的支撑板，底板的两侧各设置有一个脚踏板，底板和支撑板之间通过4根支撑螺杆固定连接，底板中间
开设有可使fdr传感器和贯入仪穿过的圆形通孔，支撑板垂直穿设有传力杆，传力杆内部轴向上开设有与fdr传感器外螺纹柱和贯入仪外螺纹柱适配的螺纹孔，传力杆远离圆形通孔的一端设置有升降传动装置， 升降传动装置固定在支撑板上，且一侧设置有电机，电机通过采集仪数据传导线与采集仪连接，电机连接有电源。
[0011]
本发明的原理为：首先，取现场测试土体开展室内标定试验，研究土体的介电常数、电导率和最大贯入阻力与质量含水率和干密度的关系，考虑线性效应、二次效应和交互效应，建立土体的介电常数、电导率和最大贯入阻力随质量含水率和干密度变化的二阶响应曲面模型，并通过最小二乘法拟合确定相应的模型参数，同时，研究土体的电导率和介电常数之间的相关性，建立土体电导率的修正模型；其次，将fdr传感器和贯入仪与电动反力升降装置通过螺纹连接固定形成一套便携式的快速检测设备，测试现场压实土体的实测介电常数和实测最大贯入阻力，并利用实测介电常数计算得到电导率修正值；然后，将实测介电常数、实测最大贯入阻力以及电导率修正值代入二阶响应曲面模型，以实测值和计算值均方根误差最小建立目标函数；最后，采用粒子群优化算法进行反演，得到土体质量含水率和干密度，计算出土体压实度。
[0012]
本发明提供了一种基于响应曲面法的土体压实度检测方法，具备以下有益效果：（1）首先取现场测试土体开展室内率定试验，研究土体介电常数、电导率和最大贯入阻力与质量含水率和干密度的关系，建立土体介电常数、电导率和最大贯入阻力随质量含水率和干密度变化的二阶响应曲面模型，并确定响应的模型参数；同时，研究土体电导率和介电常数之间的相关性，建立土体电导率的修正模型，克服了现场检测土体孔隙水的电导率与室内率定试验孔隙水的电导率不一致的问题；（2）将实测介电常数、实测最大贯入阻力以及电导率修正值代入二阶响应曲面模型，以实测值和计算值均方根误差最小建立目标函数，采用粒子群优化算法进行反演，得到土体质量含水率和干密度，并给出压实度；该方法在原有一步法的基础上增加了最大贯入阻力的检测，并考虑了含水率和干密度对介电常数、电导率以及最大贯入阻力影响的二次效应和交互效应，建立的二阶响应曲面模型基本能够应用于所有类型的土体，预测得到的土体质量含水率和干密度的精度大幅度提升；（3）土体实测介电常数和实测最大贯入阻力可在电动反力升降装置的辅助下可快速测得，可以有效提高土体压实度的检测效率，从而缓解填筑施工质量检测与快速机械化施工之间的现实矛盾；（4）本发明有效克服了压实度传统有损检测方法中存在的抽样点少、检测速度慢、费用高、对施工干扰大等缺点；同时，克服了基于介电常数和电导率测试的一步法在不同类型土体中适用性差，测试精度低的问题，大幅度提高了土体压实度检测效率及检测精度。
附图说明
[0013]
图1为本发明的基于响应曲面法的土体压实度检测方法流程图；图2为本发明中电动反力升降装置示意图；图3为本发明的fdr传感器示意图；图4为本发明的贯入仪示意图；
图5为本发明的介电常数响应曲面图；图6为本发明的电导率响应曲面图；图7为本发明的贯入阻力响应曲面图；图中：2-1、脚踏板；2-2、底板；2-3、支撑螺杆；2-4、传力杆；2-5、支承板；2-6、升降传动装置；2-7、电机；2-8、采集仪数据传导线；2-9、采集仪；2-10、内螺纹；3-1、fdr探针；3-2、电路板；3-3、fdr传感器外螺纹柱；3-4、fdr传感器数据传导线；3-5、微型探针；3-6、荷载传感器；3-7、贯入仪数据传导线；3-8、贯入仪外螺纹柱。
具体实施方式
[0014]
下面结合具体实施方式，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本技术所附权利要求书所限定的范围。
[0015]
实施例1一种基于响应曲面法的土体压实度检测方法，如图1所示，具体步骤如下：s1：取部分现场土体做室内标定实验，制备不同含水率和干密度的试样，利用fdr传感器测试土体介电常数和电导率，利用贯入仪测试土体最大贯入阻力；s2：以土体介电常数、电导率和最大贯入阻力作为响应目标，土体含水率和干密度作为影响因素，考虑线性效应、二次效应和交互效应，建立土体介电常数、电导率和最大贯入阻力随质量含水率和干密度变化的二阶响应曲面模型；其中，土体的介电常数、电导率和最大贯入阻力随质量含水率和干密度变化的二阶响应曲面模型，其表达式如下：式中，、、分别为土体的介电常数、电导率和最大贯入阻力的响应曲面函数；、、为截断系数，、、、、、为线性项系数，、、为交互项系数，、、、、、为二次项系数，均为通过最小二乘法拟合后获得的参数，由率定试验拟合确定；为土体质量含水率，为干密度；s3：根据土体电导率和介电常数之间的相关性，建立土体电导率的修正模型；其中，土体电导率修正模型采用如下函数：式中，, , , 为模型参数，为电导率修正值，为介电常数；s4：将fdr传感器、贯入仪与电动反力升降装置连接，形成一套便携式快速检测装置，通过电机控制升降，将fdr传感器和贯入仪的探针插入压实土体，分别测得压实土体的介电常数和最大贯入阻力，将介电常数代入电导率修正模型，计算得到土体电导率的修正值；
其中，如图2、图3、图4所示，fdr传感器包括电路板3-2、设置在电路板3-2上方的fdr传感器外螺纹柱、设置在电路板3-2下方的fdr探针3-1、以及与电路板3-2连接的fdr传感器数据传导线3-4；贯入仪包括荷载传感器3-6、设置在荷载传感器3-6上方的贯入仪外螺纹柱3-8、设置在荷载传感器3-6下方的微型探针3-5，以及与荷载传感器3-6连接的贯入仪数据传导线3-7；电动反力升降装置包括底板2-2和与底板2-2平行的支撑板2-5，底板的两侧各设置有一个脚踏板2-1，底板2-2和支撑板2-5之间通过4根支撑螺杆2-3固定连接，底板2-2中间开设有可使fdr传感器和贯入仪穿过的圆形通孔，支撑板2-5垂直穿设有传力杆2-4，传力杆2-4内部轴向上开设有与fdr传感器外螺纹柱3-3和贯入仪外螺纹柱3-8适配的螺纹孔2-10，传力杆2-4远离圆形通孔的一端设置有升降传动装置2-6， 升降传动装置2-6固定在支撑板2-5上，且一侧设置有电机2-7，电机2-7通过采集仪数据传导线2-8与采集仪2-9连接，电机2-7连接有电源；fdr传感器、贯入仪与电动反力升降装置连接是指fdr传感器和贯入仪与电动反力升降装置的传力杆底部采用可拆卸式的螺纹连接，现场检测时，先连接贯入仪测最大贯入阻力，再连接fdr传感器测介电常数，数值均记录在采集仪中；测试时，通过电机控制探针贯入速度；s5：将实测介电常数、电导率修正值和实测最大贯入阻力作为已知量，代入对应的二阶响应曲面模型，以三个目标值的实测值和模型计算值均方根误差最小为目标函数，基于粒子群优化算法反演得到最优的一组计算参数，即为现场压实土体的质量含水率和干密度；其中，目标函数采用等权重法构造，目标函数为：式中，为实测介电常数，为电导率修正值，p为实测最大贯入阻力；、和为土体的介电常数、电导率和最大贯入阻力对应的响应曲面函数。
[0016]
实施例2一种基于响应曲面法的土体压实度检测方法，具体步骤如下：步骤1：将现场取回土料烘干并过2mm筛，过筛后土与自来水混合，制备质量含水率为14%，16%，18%，20%的土样并密封72小时，在有机玻璃桶（直径100mm，高度150mm）内按目标干密度（1.3g/cm3、1.4g/cm3、1.5g/cm3、1.6g/cm3）分五层击实为不同含水率和干密度土柱，每层击实完毕后，用刀具对表面拉毛，以减小与后续击实层之间分层现象；步骤2：土柱制备完成后，先利用贯入仪测试土体最大贯入阻力，然后利用fdr传感器测试土体的介电常数和电导率，测试时应保持探针匀速插入，并改变探针插入位置重复3~5次测量，取平均值；其中，贯入仪包括荷载传感器和一根微型探针，探针总长为66mm，探头呈圆锥形且夹角为60
°
，探头上端直径为3.4mm，探杆直径为3.0mm，略小于探头，可消除贯入过程中探杆与侧壁的摩擦作用；fdr传感器包括主体和三根探针组成，探针长度为70mm，直径为3mm，间距13mm，可同时测得土体介电常数和电导率，两者的测试数据均记录在采集仪中；步骤3：以土体的介电常数、电导率和最大贯入阻力作为响应目标，土体含水率和
干密度作为影响因素，考虑线性效应、二次效应和交互效应，建立土体的介电常数、电导率和最大贯入阻力随质量含水率和干密度变化的二阶响应曲面模型：式中，、、分别为土体的介电常数、电导率和最大贯入阻力的响应曲面函数；、、为截断系数，、、、、、为线性项系数，、、为交互项系数，、、、、、为二次项系数，均为通过最小二乘法拟合后获得的参数，由率定试验拟合确定；为土体质量含水率，为干密度，介电常数、电导率和最大贯入阻力的响应曲面图如图5、图6、图7所示；步骤4：根据土体电导率和介电常数之间的相关性，建立土体电导率的修正模型：式中，, , , 为模型参数，为电导率修正值，为介电常数；步骤5：将fdr传感器、贯入仪与电动反力升降装置连接，形成一套便携式快速检测装置，通过电机控制升降，将fdr传感器和贯入仪的探针插入现场压实土体，分别测得现场压实土体的实测介电常数和实测最大贯入阻力，将实测介电常数代入电导率修正模型，计算得到现场压实土体的电导率修正值；其中，fdr传感器和贯入仪与电动反力升降装置的传力杆底部采用可拆卸式的螺纹连接。现场测试时，先连接贯入仪测最大贯入阻力，再连接fdr传感器测介电常数和电导率，数值均记录在采集仪中，测试时，通过电机控制探针贯入速度；步骤6：将实测介电常数、电导率修正值和实测最大贯入阻力作为已知量，代入对应的二阶响应曲面模型，以三个目标值的实测值和计算值均方根误差最小为原则，采用等权重法构造目标函数：式中，为实测介电常数，为电导率修正值，p为实测最大贯入阻力；、和为土体的介电常数、电导率和最大贯入阻力对应的响应曲面函数，然后，基于粒子群优化算法反演得到最优的一组计算参数，即为现场压实土体的质量含水率和干密度；其中，步骤5、6中：现场数据采集完毕后，可在探针插入部位进行环刀取样，结合环刀法和烘干法测得土体实际质量含水率和干密度，即可将利用本文提出的方法反演得到的质量含水率和干密度与环刀法结合烘干法测得的质量含水率和干密度进行对比；对每块土样和土柱均进行两次检测，得到的测值数据如表1、表2所示，从测试结果看出，本发明基于响应曲面法的土体压实度检测方法与传统的环刀法和烘干法相比，对土体压实度测试结果较为精准，适用于不同的工程填筑土体。
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表1
表2