TDR測試技術(shù)在巖土工程中的實際運用

丁靜澤

摘要：電磁波時域反射法是一種較為常用的遠程遙感測試技術(shù)，其在巖土工程領(lǐng)域應(yīng)用的時間可以追溯到上個世紀七十年代，目前相關(guān)技術(shù)的應(yīng)用已較為成熟。本文主要該技術(shù)的各項特點進行分析，重點探討了其在土體含水量測試、地下水土污染勘察、滑坡穩(wěn)定性監(jiān)測方面的應(yīng)用進行探討。

關(guān)鍵詞：時域反射法；遠程遙感測試；巖土工程；土體含水量

隨著巖土工程施工的廣泛開展，其對測試技術(shù)也提出了更高的要求，具有便捷性、準確性和遠程控制性等特點的電磁波時域反射法（TDR）受到了廣泛關(guān)注，TDR技術(shù)被引入巖土工程后，在土體水量、干密度、地下水位、滑坡穩(wěn)定性以及土體污染控制等方面得以應(yīng)用，且取得了較為滿意的效果，相關(guān)研究越來越受到重視。

一、TDR測試技術(shù)分析

TDR系統(tǒng)的工作原理與雷達比較相似，在發(fā)射能量脈沖后，對其在被測對象上的反射回波時間進行測定，從而完成對被測對象的定位，該系統(tǒng)實際上是在雷達基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種閉合回來雷達，通過對反射波形的分析，可獲得介電常數(shù)、反射系數(shù)等諸多信息[1]。TDR測試系統(tǒng)由電源、數(shù)據(jù)采集器、同軸理由器、信號發(fā)射器、同軸傳輸線和測試探頭構(gòu)成，該系統(tǒng)在發(fā)射電脈沖及在同軸傳輸線中傳播時，應(yīng)符合麥克斯韋方程，根據(jù)波動方程中的各分式，可確定傳輸線內(nèi)外導(dǎo)體之間的電壓、電流、特性阻抗，并由采樣器獲得采樣電壓和初始阻抗來反映被測對象的介電特性參數(shù)，測定電導(dǎo)率和介電常數(shù)，因特性阻抗會受到受力區(qū)域幾何特性的影響，測定反射系數(shù)便可對進行同軸電纜傳輸線變形量分析，在變形監(jiān)測中借助該技術(shù)可確定變形的大小及具體位置[2]。

二、TDR測試技術(shù)在巖土工程中的具體運用

（一）土體含水量測定

對于土體含水量的測試，主要通過對反射波形進行分析，獲取介電常數(shù)后便可確定。通常條件下，土體顆粒的介電常數(shù)要比水的介電常數(shù)大很多，即>81，在判斷土體含水量之前應(yīng)先確定土體的介電常數(shù)，其與含水量關(guān)系公式有很多，應(yīng)用較廣的為Topp經(jīng)驗公式[3]：

=4.3×10-6 -5.5×10-4 +2.92×10-2 —5.3×10-2

式中， 表示體積含水量， 表示土體介電常數(shù)，在此基礎(chǔ)上建立體積含水量與土體介電常數(shù)之間的聯(lián)系，可獲取土體含水量。為進一步提高傳統(tǒng)經(jīng)驗公式的精確性，西迪基將干密度引入公式中，建立起質(zhì)量含水量、土體介電常數(shù)和干密度三者之間關(guān)系的公式[4]：

=a+bw

式中， 表示土體干密度， 表示水密度，w表示土體質(zhì)量含水量，a和b均為常數(shù)。與經(jīng)驗公式相比，該方法測得的結(jié)果，精確度更高。在該公式基礎(chǔ)上，利用電磁波在土體表面發(fā)射的信息（含高頻部分）計算介電常數(shù)，可對高導(dǎo)電土體進行測試，使TDR技術(shù)在高含水土體、化學(xué)加固土和污染土中得以應(yīng)用。土體含水量的測試可采用一步法和兩步法，前者根據(jù)介電常數(shù)和電導(dǎo)率，后者根據(jù)土體介電常數(shù)，由于在應(yīng)用TDR測試技術(shù)時會在頻率范圍內(nèi)出現(xiàn)離子位移極化、電子位移極化等現(xiàn)象，需綜合考慮全部影響因素。

（二）地下水土污染勘察

隨著我國工業(yè)的快速發(fā)展，工業(yè)規(guī)模的不斷擴大，其排放的各種污染物也在增多，如重金屬離子、非水相流體等污染物對土壤及地下水會造成較為嚴重的污染，因其具有高離散性、遷移性和廣泛性等特點，對其進行治理所面對的難度較大，同時又十分緊迫，以往通過現(xiàn)場采樣，然后對樣本進行化學(xué)分析的方法，雖然比較可靠、精確，但是所花費的時間和成本較高，引入TDR測試技術(shù)，對地下水土污染進行勘察，可有效解決傳統(tǒng)采樣方法存在的問題，且更為快速，更具可行性。通過對污染土進行電學(xué)性質(zhì)分析，測定電導(dǎo)率和介電常數(shù)，在此基礎(chǔ)上獲取土介質(zhì)孔隙率，該方法在測試離子型污染物，效果較為顯著。在含水量保持不變的情況下，隨著污染土體積含量的不斷增加，介電常數(shù)也會發(fā)生變化，而導(dǎo)電率則相對穩(wěn)定；在污染土體積保持不變的情況下，隨著體積含水量與污染土體積比值的不斷增大，介電常數(shù)和導(dǎo)電率則會逐漸增加，根據(jù)這一關(guān)系，可對地下水污染變化情況進行勘察。

（三）滑坡穩(wěn)定性監(jiān)測

利用TDR測試技術(shù)對滑坡穩(wěn)定性進行監(jiān)測，首先要在待測巖體或土體上鉆孔，并將同軸電纜置于鉆孔上，與測試儀相連，電纜和鉆孔間的縫隙應(yīng)用砂漿進行填充，保證其與巖體同步變形，同軸電纜剪切以及拉伸變形會引起局部特性阻抗發(fā)生變化，將其反射到TDP波形中，通過對波形與拉伸量化關(guān)系的分析，便可明確巖體位移或土體變形情況。同軸電纜反射系數(shù)在剪切作用下會呈現(xiàn)一定的變化規(guī)律，如型號為SYWY-75-5、SYWY-75-7和SYWY-75-9的同軸電纜，其鄰接剪切位移分別為1.24mm、1.85mm和2.35mm，剪力峰值對應(yīng)的剪切位移分別為6.4mm、9.6mm和12.4mm[5]。與常規(guī)測斜儀比較，TDP設(shè)備的耗電量較低、信號可信度較高，且便于操作，該技術(shù)可同時監(jiān)測上百個被測點，與GIS技術(shù)相結(jié)合還可實現(xiàn)遠距離數(shù)據(jù)傳輸，監(jiān)測人員在監(jiān)測室便可對各監(jiān)測點進行遠程控制，極大地提高了監(jiān)測工作的效率和安全性。TDR技術(shù)在現(xiàn)場監(jiān)測中還并未得到普及，面對場地的復(fù)雜性以及土坡華東形式的多樣性，其對土坡滑移量的現(xiàn)場監(jiān)測還存在一定的誤差，有必要對其做出進一步的改進。

結(jié)論：

綜上所述，TDR測試技術(shù)在巖土工程中應(yīng)用越來越廣泛，也越來越受到重視，根據(jù)TDR原理，通過反射信號便可對液位面位置進行確定，還能夠明確土體電導(dǎo)率與空隙水電導(dǎo)率之間的關(guān)系，可實現(xiàn)對地下水位、土體含水量以及土體污染情況的監(jiān)測，根據(jù)電學(xué)特性還可明確加固土電導(dǎo)率的變化規(guī)律。目前該技術(shù)土體含水量測定和地下水土污染勘察方面已經(jīng)得以廣泛應(yīng)用，在滑坡穩(wěn)定性監(jiān)測方面也得到推廣，隨著多形式探頭的采用以及相關(guān)技術(shù)的逐漸成熟，該技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域必然會進一步得到拓展，其在巖土工程領(lǐng)域勢必將有更為廣闊的應(yīng)用前景。

【參考文獻】

[1]馮怡毅.基于TDR測試技術(shù)在巖土工程中的應(yīng)用研究[J].科技致富向?qū)В?014，32（10）：83-85.[2]劉松玉，蔡正銀.土工測試技術(shù)發(fā)展綜述[J].土木工程學(xué)報，2012，10（3）：163-165.

[3]廖林.淺談勘察技術(shù)在巖土工程中的運用[J].黑龍江科技信息，2012，19（5）：50-52.

[4]馬英明，張曉峰.測試與檢測技術(shù)在巖土工程中的應(yīng)用[J].技術(shù)與市場，2014，12（4）：170-171.

[5]王雅君，張志堅.淺析巖土工程勘察中的巖土測試[J].科技與企業(yè)，2014，16（8）：171-173.