一種螺旋式時域反射法探針的開發(fā)和校正

劉宇菠，秦鵬舉，張翛，王永寶，李瑾唯，董曉強(qiáng)

(太原理工大學(xué) 土木工程學(xué)院，山西 太原 030024)

0 引言

時域反射技術(shù)(time domain reflectometry，TDR)是一種基于時域反射原理，利用電磁波進(jìn)行的遙感測試技術(shù)，最初使用于通信電纜故障點(diǎn)的定位與識別。時域反射原理表明不同介質(zhì)的介電常數(shù)不同，電磁波在不同介質(zhì)中的傳播速度就會不同，TDR技術(shù)通過探針與不同介質(zhì)相連接，將電磁波由探針傳遞到待測介質(zhì)中，電磁波在介質(zhì)中反射并被裝置接收，根據(jù)傳播時間即可計(jì)算出介質(zhì)的介電常數(shù)值，進(jìn)而得到介質(zhì)各項(xiàng)物理指標(biāo)。

1969年，F(xiàn)ellner-Feldegg[1]將TDR技術(shù)應(yīng)用于測量介質(zhì)的介電常數(shù)，發(fā)現(xiàn)不同物質(zhì)的介電常數(shù)不同，并進(jìn)行了原因分析。受此影響，1974年，Hoekstra等[2]應(yīng)用TDR技術(shù)測定土體的介電常數(shù)，發(fā)現(xiàn)其受到體積含水量、土壤種類等因素的影響。1980年,Topp等[3]將TDR技術(shù)引入土體含水量測量，在大量試驗(yàn)基礎(chǔ)上建立土的介電常數(shù)與體積含水量的經(jīng)驗(yàn)公式，被稱為TOPPER公式。隨后被拓展于測量土體干密度[4]。相比其他常見的含水量以及干密度測試方法，如烘干法及酒精燃燒法、環(huán)刀法等，TDR法測試具有省時省力，可以長期檢測的優(yōu)點(diǎn)[5]，但現(xiàn)有的TDR裝置的探針多為圓柱形、尖頭，入土方式為擠土的插入式，探針入土后周圍土體產(chǎn)生裂縫，與土體介電常數(shù)相差很大的空氣和水進(jìn)入裂隙，接觸到探針，使得介電常數(shù)測量不準(zhǔn)確，有必要改進(jìn)探針使其更加精確[6-8]。通常的做法是用鉆子預(yù)先成孔避免裂縫產(chǎn)生[9]，方法繁瑣復(fù)雜且孔洞直徑不易控制。另外，可以通過標(biāo)定裝置，建立修正模型和得到修正公式減少對測得土體物理參數(shù)結(jié)果的影響，國內(nèi)學(xué)者用此方法對紅黏土、黃土、鹽堿土、膨脹土、海相疏浚淤泥等特殊土[10-13]均開展了標(biāo)定研究工作，但此方法無法直接通過探針獲得測量結(jié)果。

本文開發(fā)一種螺旋式時域反射法探針，旨在探究探針直徑、連接方式、入土方式對表觀介電常數(shù)測量值產(chǎn)生的影響，并分析影響介電常數(shù)測量的原因，進(jìn)而探究TDR探針測試過程中對土產(chǎn)生較小影響的方法。

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 土的基本性質(zhì)

本次試驗(yàn)采用易裂的黃土制備試驗(yàn)土樣，土樣粒度分布曲線如圖1所示，根據(jù)《土的工程分類標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50145-2007)，試驗(yàn)所用黃土細(xì)粒含量超過50% ,塑性指數(shù)IP<10，可判定為粉土。所用黃土取自太原東山地區(qū)，取土深度為4～5 m,土質(zhì)比較均勻，呈黃色，堅(jiān)硬狀，黃土的基本物理指標(biāo)見表1，其中最大干密度和最優(yōu)含水量由輕型標(biāo)準(zhǔn)擊實(shí)試驗(yàn)確定。

圖1 土樣粒度分布曲線

表1 黃土基本物理指標(biāo)

1.2 試樣的制備

將采集的原狀土晾干、碾碎，過孔徑為2 mm標(biāo)準(zhǔn)篩,以準(zhǔn)備所用黃土碎散土料。設(shè)計(jì)分別采用1.92 kg干土配制含水量為11.77%、21.59%、27.26%、31.89%、35.59%的5種土樣，分別編號為1、2、3、4、5，土樣的初始干密度相同，均為1.75 g/cm3。根據(jù)TOPP公式[3]可計(jì)算得它們的介電常數(shù)(Ka1=10，Ka2=20，Ka3=30，Ka4=40，Ka5=50)。

樣品配料見表2，配制試樣完成后密封保存。

表2 樣品配料

1.3 試驗(yàn)裝置及原理

TDR工作原理如圖2所示。從圖中可見，在測量時，脈沖信號發(fā)生器發(fā)出脈沖，經(jīng)過同軸電纜到達(dá)探針，在探針和土體中以高頻電磁波的形式傳播，之后反射回采樣器，采樣器根據(jù)高頻電磁波發(fā)射和接收的時間差分析得到被測介質(zhì)的介電常數(shù)。

圖2 TDR裝置示意圖

試驗(yàn)所用TDR裝置是一個現(xiàn)有的商用TDR裝置，整個裝置由探針和顯示器2部分組成，探針型號為TDR-5，輸出信號為4～20 mA，裝有中心間距為1.5 cm的4根不銹鋼探針，顯示器選用R-2000型記錄儀，測量時將探針插入土體，顯示器即可顯示出土體的介電常數(shù)。

土壤中水的介電常數(shù)值是80(20 ℃時)，空氣介電常數(shù)值大約為1。TDR法通過對介電常數(shù)值的測定來計(jì)算得到土壤的含水量、干密度等物理參數(shù)[14]。

1.4 試驗(yàn)方法

利用水對TDR裝置進(jìn)行校準(zhǔn)[15]，確定TDR裝置正常后，將探針插入土體測量土樣的介電常數(shù)。編號原始TDR裝置的探針為T1。探針基本信息見表3。

表3 探針基本信息

考慮到探針直徑可能是探針對土體造成擾動的影響因素之一，直徑較小的探針進(jìn)入土體時可能對土體擾動較小，測量結(jié)果更準(zhǔn)確，故本文采用3種不同直徑的鋼針與原有探針相連所開發(fā)出的探針再次進(jìn)行土樣介電常數(shù)測量。并將3種探針分別編號為T2、T3、T4。

鋼針與原有探針之間需要連接物進(jìn)行連接，不同的連接物具有不同的介電常數(shù)，鋼針與探針之間的連接方式也可能對測得的介電常數(shù)造成影響，故本文采用探針無連接、塑料連接、銅箔連接3種不同的連接方式再次進(jìn)行土樣介電常數(shù)測量。原始探針T1即無連接探針，探針T4即為銅箔連接探針，塑料連接探針編號為T5。銅箔連接方法見圖3所示，塑料連接方法相似。

圖3 銅箔連接的非擠土式探針

探針的入土方式分為擠土和非擠土2種，擠土式為使用圓形尖頭探針直接插入土中，非擠土式為使用螺旋型探針緩慢鉆入土中。采用非擠土方式入土的探針(圖3)可能對土樣擾動較小，故本文開發(fā)了非擠土的螺旋式探針，其可鉆入土中。使用此探針再次測量土樣的介電常數(shù)。探針T4即擠土探針，將非擠土的螺旋式探針編號為T6。

圖 4 不同直徑探針測量土樣介電常數(shù)

土樣測量完成后，對土樣進(jìn)行取樣，用烘干法檢測樣品含水量。分析各種因素對探針入土造成的擾動的影響后，采用編號為T6的螺旋式時域反射法探針作為最終的試驗(yàn)成果。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

分別從樣品1、2、3、4、5中取樣，編號為A、B、C、D、E，運(yùn)用烘干法進(jìn)行樣品含水量測量，其結(jié)果見表4。

表4 烘干法結(jié)果

由表中數(shù)據(jù)可知，配制土樣實(shí)際含水量結(jié)果和計(jì)劃配制土樣含水量差值較大，試驗(yàn)時以烘干法結(jié)果為準(zhǔn)。

2.1 探針直徑的影響

不同直徑探針測量土樣介電常數(shù)如圖4所示。由圖可見，不同直徑的探針測量相同土樣的介電常數(shù)有所不同，數(shù)值上有一定差異，證明探針的直徑是影響所開發(fā)探針結(jié)果的影響因素之一，探針直徑不同對土體擾動有一定的影響。

從圖4中可以明顯看出，隨著探針直徑的減小，測得的介電常數(shù)值也在不斷減小，圖中探針T4測得土樣的介電常數(shù)最大，其數(shù)據(jù)與介電常數(shù)值差值也較大，而探針T3和探針T2測得的介電常數(shù)值相對較小，其與應(yīng)得的介電常數(shù)值差值也較小?？芍^小直徑的探針插入土體對土樣的擾動也較小，試驗(yàn)進(jìn)行過程中可以觀察到探針入土?xí)r周圍土體會產(chǎn)生裂縫，裂縫的寬度隨探針直徑的減小而減小，裂縫中進(jìn)入的空氣和水是影響介電常數(shù)數(shù)值的一個因素[16]，但是，小直徑的探針入土易彎折，遇到沙礫石子會有更大的風(fēng)險(xiǎn)，故直徑3 mm的探針更為實(shí)用。

2.2 連接方式的影響

不同連接方式的探針測量土樣介電常數(shù)如圖5所示。連接方式對測得的土體介電常數(shù)值影響較大，無連接時，測得的介電常數(shù)值過大，銅箔、塑料連接時，T4、T5測得的介電常數(shù)值隨體積含水量θv增大而增大，變化的趨勢基本一致，因探針T5所測得的介電常數(shù)值過小，故試驗(yàn)結(jié)果表明采用銅箔連接的方式較為合理。

圖5 不同連接方式探針測量土樣介電常數(shù)

采用不同連接方式的探針測得的介電常數(shù)值差異較大。一方面是因?yàn)椴煌倪B接物具有不同的介電常數(shù)傳導(dǎo)性質(zhì)，另一方面連接物的性質(zhì)也會對測量結(jié)果造成影響。塑料并非導(dǎo)體，其介電常數(shù)值為1.8～3.5，銅為導(dǎo)體，介電常數(shù)為0。由于僅僅接長的探針部分插入土中，而上部與空氣接觸，導(dǎo)致所開發(fā)的探針T4、T5所測量的介電常數(shù)要小于原有探針T1所測量的。另外，由于銅箔的導(dǎo)電性遠(yuǎn)遠(yuǎn)強(qiáng)于塑料材料，加強(qiáng)了電磁場在探針中的傳導(dǎo)，因此導(dǎo)致T4探針測量的介電常數(shù)要大于T5探針測量的。

2.3 入土方式的影響

不同入土方式的探針測量土樣介電常數(shù)如圖6所示。從圖中可見，非擠土的螺旋式探針鉆測量數(shù)據(jù)比起使用擠土式探針測量的數(shù)據(jù)明顯減小，兩者的數(shù)據(jù)變化趨勢基本一致，基本符合使用真實(shí)含水量預(yù)測的介電常數(shù)隨體積含水量變化的趨勢。

從圖6中可以看出，不同入土方式對測得的介電常數(shù)值影響很大，探針的入土方式對探針造成土體的擾動有較大影響，入土方式是探針造成土體擾動的主要因素之一，采用非擠土的入土方式的探針測得的介電常數(shù)相比采用擠土的入土方式的探針測得的要小，非擠土的入土方式減少了探針測量時產(chǎn)生的擾動，與同一體積含水量下應(yīng)得的介電常數(shù)值差距較小，故改進(jìn)后的探針采用螺旋式代替原有的針頭式，用鉆入法的非擠土入土方式而不采取插入法這種擠土的入土方式可減少對土的擾動。

圖6 不同入土方式探針測量土樣介電常數(shù)

3 結(jié)論

現(xiàn)有探針對土體造成擾動主要是探針入土?xí)雇馏w部分開裂,空氣或水進(jìn)入裂縫，造成測量出現(xiàn)誤差。本文分析了探針對土體造成擾動的原因，開發(fā)出一種螺旋式時域反射法探針，分別對探針的直徑、連接方式、入土方式3個方面進(jìn)行了探究，得到如下結(jié)論：

① 探針的直徑是探針造成土樣擾動的影響因素之一。探針入土對土體造成擾動產(chǎn)生了裂縫，空氣和水進(jìn)入會導(dǎo)致介電常數(shù)測量不準(zhǔn)確。探針直徑變小，探針入土所導(dǎo)致的裂縫寬度也隨之變小，探針造成土樣的擾動就越小，故直徑為1 mm的探針測得的結(jié)果比直徑為2、3 mm的探針測得的結(jié)果有更小的誤差。

② 探針的連接方式也對最終的測量結(jié)果有很大的影響。不同的連接物具有不同的介電常數(shù)傳導(dǎo)性質(zhì)，會對土樣介電常數(shù)的測量造成影響；由試驗(yàn)可得，銅箔的介電常數(shù)傳導(dǎo)性質(zhì)對土樣介電常數(shù)測定影響較小，而塑料導(dǎo)電性較差，對介電常數(shù)測量的影響也較大，不適合使用。

③ 探針的入土方式是探針造成土樣擾動的一個重要影響因素。原始裝置的探針為針頭型，采用插入法的入土方式，這是一種典型的擠土式的入土方式，而改進(jìn)后的探針為螺旋型，采用鉆入法的入土方式，是一種非擠土的入土方式。擠土式的入土方式將探針周圍土體擠密，容易造成裂縫或者產(chǎn)生了超凈孔隙水壓力對土樣中的水分具有擠出作用，使探針對土體造成較大擾動，影響了試驗(yàn)結(jié)果。非擠土的入土方式采用螺旋式探針，利用鉆入法將多余土帶出，不會產(chǎn)生超凈孔隙水壓力，減小了探針對土樣的擾動。