[發明專利]一種基于光纖傳感的探頭固定式黏土界限含水率測定方法

有效

• 申請號: 201911336862.0
• 申請日: 2019-12-23
• 公開（公告）號: CN110987829B
• 公開（公告）日: 2022-01-18
• 發明（設計）人: 李豪杰;朱鴻鵠;張誠成;程剛;張春新;裴華富;施斌
• 申請（專利權）人: 南京大學
• 主分類號: G01N21/25
• 分類號: G01N21/25;G01L1/24;G01N3/06;G01N3/24
• 代理公司: 南京瑞弘專利商標事務所(普通合伙) 32249
• 代理人: 馮慧

本發明涉及一種基于光纖傳感的探頭固定式聯合測定黏土界限含水率的方法與裝置，量測裝置包括光纖應變傳感模塊、光纖溫度補償模塊和光纖光柵數據解調模塊。傳動裝置包括步進電機、載物臺。步進電機推動試樣以一定的速度上移并被圓錐探頭貫入，光纖應變傳感模塊和光纖溫度補償模塊實時記錄貫入過程中傳感模塊自身的應變和環境溫度信息，可視化地顯示于光纖光柵數據解調模塊上并籍此得到土樣的界限含水率。本發明的固定式探頭可測量多種界限含水率，包括液限、塑限、縮限等，還可提高測試效率并解決常規測量技術操作難度高、人為因素擾動大等問題。基于光纖傳感技術的超高動態性和實時性，本發明可校驗試樣土樣內部差異，提高測試結果準確性。

技術領域

本發明涉及土壤工程性質測試技術以及光纖傳感技術領域，具體涉及一種基于光纖傳感的探頭固定式聯合測定黏土界限含水率的方法與裝置。

背景技術

隨著含水率的變化，土壤呈現出不同的物理相態階段，從濕到干，依次有粘滯、塑性、酥性、剛性等結持度，從干到濕則其呈現的次序反之。在每兩種結持度階段的轉折處，均分別有一個顯明的分界點含水率，即結持限。其中液、塑限的應用最為廣泛。液限是土壤呈液態流動的最低含水率。它是粘滯結持度與塑性結持度的分界點含水率。又稱上塑限。此點的土-水吸力約為320千帕。在土質學、土力學和土工工程中，根據液限的高低，把土壤分為高塑性(LL＞50％)、中等塑性(LL為35％—50％)和低塑性(LL＜35％)等。還可根據其質地和有機質含量進一步細分，如按照卡薩柯蘭德塑性圖的分類。塑限是塑性結持度和酥性結持度的分界點含水率。在塑限時，土壤水分的數量恰恰足以形成土粒周圍的水膜，水膜粘結性大，在外力作用下帶水膜的片狀粘粒可相互滑動而定向排列起來，塑造成一定的形狀，而當外力撤除后仍可保持。

測定液限的方法較多，國際上以卡薩柯蘭德杯碟法作為標準方法，國內長期使用的是圓錐儀法，圓錐儀法操作簡單，所測數據比較穩定，標準易于統一。塑限的測定方法簡易而常用的是搓條法。該方法最大的缺點是人為因素影響大，測值比較分散，所的成果的再現性和可比性較差。除此之外，自20世紀70年代后期，國家原水利電力部、冶金部和交通部公路系統進行了大量的比較試驗。經過多年的經驗積累和對比試驗，對卡薩柯蘭德杯碟法和搓條法進行了相關分析，確定了圓錐儀測定液限和塑限等效貫入深度，建立了液塑限聯合測定方法。聯合測定法的理論依據是圓錐入土深度與相應的含水率在雙對數坐標上具有直線對應關系。然而，這種方法在實際操作過程中也有一些問題。比如，三皿法試樣均勻性不好保證，低液限粉土的時間效應對測定結果的影響等等。

近年來分布式光纖傳感(DFOS)技術發展迅速，并在探測混凝土、瀝青等材料的開裂，以及一些基礎土工試驗中，得到了一些成功的應用。借助準分布式光纖布拉格光柵(FBG)、全分布式布里淵光時域反射(BOTDR)和布里淵光時域分析(BOTDA)等監測技術，可以自動獲取沿光纖長度方向上應變、溫度等監測信息的分布情況。其中，FBG技術因其體積小、測量精度高、動態響應靈敏性好等特點吸引了相關技術行業廣泛的關注，其應變、溫度測量精度能達到1με和0.1℃，數據采集頻率高達MHz水平，在時效性和精度上有很大的優勢，故該項技術的在土體測試和工程監測中的應用十分廣泛，目前該技術尚未在黏土液塑限測定中被很好地利用。基于FBG技術，可以快速并精確地測量黏土的液塑限指標，解決現有測量技術操作難度高、人為因素擾動大以及測試結果不準確等問題。同時，本發明的動態性和實時性有助于校驗試樣內部的差異性，消除不規范制樣引起的測量誤差。

發明內容

針對現有技術的不足，本發明的目的是提供一種基于光纖傳感的探頭固定式聯合測定黏土界限含水率的方法與裝置。利用本發明能快速并精確地測量黏土的液塑限指標，解決現有測量技術操作難度高、人為因素擾動大以及測試結果不準確等問題。同時，本發明的動態性和實時性有助于校驗試樣內部的差異性，消除不規范制樣引起的測量誤差。