歐傳景,韋昌富,顏榮濤,朱　瑩

(1.桂林理工大學(xué) a.土木與建筑工程學(xué)院;b.廣西建筑新能源與節(jié)能重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,廣西 桂林　541004;2.北京郵電大學(xué) 信息與通信工程學(xué)院，北京　100876)

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一種應(yīng)用微電子流效應(yīng)測定土壤含水量的新方法

歐傳景1,韋昌富1,顏榮濤1,朱瑩2

(1.桂林理工大學(xué) a.土木與建筑工程學(xué)院;b.廣西建筑新能源與節(jié)能重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,廣西 桂林541004;2.北京郵電大學(xué) 信息與通信工程學(xué)院，北京100876)

摘要：土體含水量是巖土工程的重要參數(shù)。為了測量這一參數(shù),在分析現(xiàn)有土壤含水量測試方法優(yōu)缺點(diǎn)的基礎(chǔ)上,提出了一種以微電子流效應(yīng)測定土中含水量的新方法。該方法是將傳感器與被測土樣耦合在一起,然后對傳感器施加100 MHz的高頻交流電流,并產(chǎn)生交流磁場,使被測土樣中的電子作同頻率的自旋極化運(yùn)動(dòng),從而產(chǎn)生微電子流,通過微電子流的強(qiáng)弱來分辨出水分含量高低。對黃河粉土和桂林紅黏土進(jìn)行了試驗(yàn)，研究了在不同質(zhì)量、不同密實(shí)程度條件下土樣的吸水量和吸水速率,并用已知干密度和含水量的環(huán)刀樣對傳感器進(jìn)行了初步標(biāo)定。試驗(yàn)結(jié)果表明,該方法可以快速有效地測出土樣持水量和吸水速率,可測定環(huán)刀樣和小到0.3 g土樣的含水量。

關(guān)鍵詞：土的含水量;微電子流效應(yīng);檢測方法

0引言

土體含水量是巖土工程的一個(gè)最基本的物理指標(biāo),用它可以計(jì)算土的孔隙比、 液性指數(shù)、 干密度、 飽和度和研究其他力學(xué)性質(zhì)。 現(xiàn)場往往根據(jù)含水量確定基質(zhì)吸力。 非飽和土的吸力與含水量的關(guān)系稱為土-水特征曲線(soil-water characteristic curve, SWCC), 其實(shí)質(zhì)是以含水量形式表示的與土中吸力變化相關(guān)的非飽和土的持水能力。 不少學(xué)者提出通過水分特征曲線預(yù)測非飽和土的強(qiáng)度[1], 建立引入含水量的強(qiáng)度公式直接研究非飽和土的強(qiáng)度[2-3]，給工程實(shí)踐帶來了極大的方便,非常實(shí)用。 如著名的Bishop有效應(yīng)力強(qiáng)度公式[4]和Fredlund的雙應(yīng)力變量強(qiáng)度公式[5], 都是含有吸力項(xiàng)的。

按土的三相組成理論,土的含水量是土中水的質(zhì)量與干土質(zhì)量之比。對于含水量的檢測目前常用的方法有烘干法、電阻法、中子水分儀、γ射線法、時(shí)域反射法(time domain reflectometry, TDR)等[6]。綜合比較起來,TDR性能最為優(yōu)越。TDR是一種遠(yuǎn)程遙感測試技術(shù),產(chǎn)生于20世紀(jì)30年代,最初用于電力和電訊工業(yè)中電纜線路缺陷的定位和識別[7]。1980年Topp等最先將TDR技術(shù)應(yīng)用于測定土壤含水量,并逐步應(yīng)用于含水量的測量實(shí)踐,還寫入美國材料與試驗(yàn)協(xié)會(ASTM)標(biāo)準(zhǔn)[8-11]。但是TDR也存在不足:電路復(fù)雜,儀器價(jià)格昂貴;不適宜鹽堿土土壤測量[12];在測定時(shí)測點(diǎn)要埋多個(gè)探頭。TDR測量原理是由于電磁波的傳播速度與傳播媒體的介電常數(shù)密切相關(guān),介電常數(shù)不僅隨土體的含水量變化,還受土體密度、溫度、含鹽量、礦物成分等的影響,其中以土的粒徑大小和堆積密度對率定曲線的影響最大。

為了克服上述不足,根據(jù)邊坡土壤含水量監(jiān)測儀器的精度、測量范圍、響應(yīng)速度、穩(wěn)定性及體積大小、造價(jià)低廉等設(shè)計(jì)要求, 本文給出了以單探頭(非電極式)微電子流效應(yīng)傳感的新方法測定土中水含量[13],對粘土和粉土展開了一系列研究,取得了預(yù)期成果。

1微電子流效應(yīng)探測土中含水量的基本原理

土中的固體顆粒是由礦物構(gòu)成的,粘土礦物是組成粘粒的主要礦物成分,最常見的粘土礦類型有高嶺石、伊利石、蒙脫石等。這些粘土礦是具有片狀或鏈狀結(jié)晶格架，顆粒細(xì)小、親水性強(qiáng)并具有膠體特性的鋁硅酸鹽礦物，因而其內(nèi)部存在結(jié)合水,常分為結(jié)構(gòu)水、沸石水和結(jié)晶水,以H2O分子、OH-或H+離子的形式存在于礦物結(jié)晶格中,有固定位置。結(jié)構(gòu)水,即OH-或H+離子,與其他離子(如Na+、 Ca+、 Cl+等)一樣,是在結(jié)晶格架上具有固定位置的離子,很難從結(jié)晶格架上析出,是固體礦物的組成部分。沸石水,以H2O分子形式存在于晶胞之間。蒙脫石等礦物晶胞間的水即屬此類。又如結(jié)晶水,它也以水分子形式存在于礦物結(jié)晶格架的固定位置,具有一定數(shù)量。結(jié)合水性質(zhì)不同于普通液態(tài)水,它不能傳遞靜水壓力和導(dǎo)電[14]。

圖1　微電子流效應(yīng)等效磁路、電路原理圖Fig.1　Diagram of equivalent magnetic circuit and circuit of micro-electronic current coupling effect

圖2　微電子流電路原理方塊圖Fig.2　Flow chart of micro-electronic current coupling effect

圖3　試驗(yàn)測量裝置Fig.3　Experimental devices

開機(jī)校準(zhǔn)時(shí)傳感器的激磁電壓表示為

(1)

測量土樣時(shí)流過傳感器的電流表示為

(2)

式中:Z′為傳感器和被測土的等效阻抗;L=L1+L2;C=C1+C2,C2為被測土樣的等效電容。

被測土樣中的極化電流表示為

(3)

2試驗(yàn)部分

2.1試驗(yàn)材料

為了考查所提設(shè)想的可行性,傳感器做成螺旋線管型和螺旋線面型,螺旋線管型傳感器最小外徑8 mm,長度20 mm。螺旋線面型傳感器外徑10 mm,長度小于1 mm。螺旋線管型傳感器用于測量1 g級以下的土樣含水量,螺旋線面型傳感器則用于測量環(huán)刀樣級及以下的土樣含水量。這樣設(shè)計(jì)的目的在于確定儀器的最大測量范圍和最小分辨率能達(dá)到何種數(shù)量級。

試驗(yàn)用土為取自黃河三角洲的粉土和桂林雁山紅黏土,其基本物理指標(biāo)見表1,顆粒分析曲線如圖4所示。

表1　試驗(yàn)土樣物理性質(zhì)指標(biāo)Table 1　Physical properties of soil samples

圖4　顆粒分析曲線Fig.4　Grading curves of soil samples

2.2試驗(yàn)方法

2.2.1試樣的制備環(huán)刀樣:按照土工試驗(yàn)方法,分別拌制初始含水量為27%、33%、38%的桂林紅黏土土樣,靜置48 h,用千斤頂壓制含水量分別為27%、33%、38%的同一干密度為1.3 g/cm3的標(biāo)準(zhǔn)環(huán)刀樣,編號27#、33#、38#。

質(zhì)量小于1 g的圓柱土樣制備:將過2 mm篩的粉土和紅黏土經(jīng)烘干后裝入非金屬圓柱體容器中,用金屬棒致密成型或經(jīng)壓制成外徑為6 mm、長度為12 mm的圓柱體土樣。

試驗(yàn)裝置的工作電源電壓為12 V(DC),測試樣本中的電荷偶極子自旋的磁場頻率初始值設(shè)定為100 MHz。試驗(yàn)時(shí)傳感器的敷設(shè):對于螺旋線面型傳感器，直接貼于環(huán)刀樣的上方;對于粉末土樣，先裝入非金屬圓柱體容器中,然后將容器置于螺旋線管型傳感器中即可。

2.2.2試驗(yàn)步驟為了考查本方法的可行性,試驗(yàn)分兩步進(jìn)行：首先對干密度1.3 g/cm3,含水量分別為27%、33%、38%的標(biāo)準(zhǔn)環(huán)刀樣進(jìn)行測試；其次是對干土質(zhì)量已知但含水量未知的粉土及紅黏土進(jìn)行測試,目的在于觀察不同樣本含水量以及吸水穩(wěn)定情況。

2.2.3傳感器率定為了便于與受試試樣的含水量對比,參考ASTM標(biāo)準(zhǔn)[11]中的標(biāo)定方法,采用筆者自行研制的傳感器裝置對紅黏土標(biāo)準(zhǔn)環(huán)刀樣27#、33#、38#進(jìn)行率定測試,本裝置所獲結(jié)果為電壓物理量,然后通過測定的電壓值標(biāo)度為對應(yīng)的已知含水量。

3結(jié)果與分析

3.1黃河粉土樣品吸水量比較

取0.6 g黃河粉土,經(jīng)致密成型為試樣4#、5#,注入0.30 mL純凈水,然后每5 min采集一次吸水量變化值,繪制土中吸水量隨時(shí)間變化的特征曲線,如圖5所示。試樣4#、5#在t0(t的下標(biāo)數(shù)字代表吸水時(shí)間的分鐘數(shù)，下同)時(shí)刻注入0.30 mL純凈水后,傳感器反映出土中吸水量快速增加,如試樣5#在t5時(shí)刻含水量達(dá)到5.3%,t10時(shí)刻含水量達(dá)到11.7%,t15時(shí)刻已進(jìn)入平衡狀態(tài)。因?yàn)樵嚇由戏接惺Ｓ嗨霈F(xiàn),經(jīng)過一段時(shí)間后保持不變,這說明土體已不再吸水。

圖5　黃河粉土試樣4#、5#吸水量隨時(shí)間變化的關(guān)系Fig.5　Change of water content with time of the Yellow River silt 4#and 5#

取0.3 g黃河粉土未經(jīng)致密成型為試樣A,注入0.15 mL純凈水,然后每分鐘采集一次吸水量變化值,繪制土中吸水量隨時(shí)間變化的特征曲線,如圖6所示。當(dāng)在t0時(shí)刻注入0.15 mL純凈水,傳感器反映出土中含水量快速增加,到t4時(shí)刻已進(jìn)入平衡狀態(tài)。因?yàn)樵嚇由戏接惺Ｓ嗨?一段時(shí)間后保持不變,這說明土不再吸水。

取0.3 g黃河粉土未經(jīng)致密成型為試樣B,分別分兩個(gè)階段注入0.10和0.02 mL純凈水,然后每分鐘采集一次吸水量變化值,繪制土中含水量隨時(shí)間變化的特征曲線(圖6)。在t0時(shí)刻注入0.10 mL純凈水后,傳感器反映出土中吸水量快速增加,到t4時(shí)刻已趨于平衡。為證實(shí)土樣是否已達(dá)平衡,在t25時(shí)刻再注入0.02 mL純凈水。傳感器反映出土中含水率繼續(xù)上升,但在t34時(shí)刻開始微幅下降直到平衡,樣本上方有余水,一段時(shí)間后保持不變,說明土已不再吸水。

圖6　黃河粉土試樣A、 B吸水量隨時(shí)間變化的關(guān)系Fig.6　Change of water content with time of the Yellow River silt A and B

從圖5和圖6可知,土中吸水量達(dá)到平衡后,再向樣本注水,傳感器敏感值不再隨吸水量的增加而變化；另一方面，黃河粉土經(jīng)致密成型試樣的吸水量比未經(jīng)致密成型試樣的吸水量低。

3.2桂林紅黏土樣本吸水量比較

3.2.1樣本密度影響分析首先取0.6 g桂林紅黏土經(jīng)致密成型為試樣1#,注入0.30 mL純凈水,然后每5 min采集一次吸水量變化值,繪制土中吸水量隨時(shí)間變化的特征曲線圖7a。另取0.6 g桂林紅黏土制成試樣2#,未致密, 分兩個(gè)階段注入0.20和0.10 mL純凈水, 然后分別間隔5 min采集

圖7　桂林紅黏土試樣1#、 2#吸水量隨時(shí)間變化的關(guān)系圖Fig.7　Change of water content with time of Guilin red clay 1#and 2#

一次吸水量變化值,繪制土中含水量隨時(shí)間變化的特征曲線圖7b。

試驗(yàn)表明,經(jīng)致密成型試樣和未經(jīng)致密成型有明顯差別:一是吸收水速度；二是最終吸水量。

3.2.2樣本注水量與密實(shí)程度影響分析為了觀察桂林紅黏土不同密實(shí)程度對吸水性能的影響, 先取0.3 g桂林紅黏土經(jīng)致密成型為試樣A′, 分兩階段注水：第一次注入0.10 mL純凈水, 然后每分鐘采集一次含水量變化值, 大約過7 min, 試樣A′中的吸水量基本趨于平衡； 此刻再注入0.10 mL純凈水, 經(jīng)過10 min土中的吸水量達(dá)到平衡, 并且試樣表面有余水, 一段時(shí)間后保持不變, 說明試樣已不再吸水, 其土體含水量已高達(dá)60%。 以0.3 g桂林紅黏土制成試樣B′, 未致密, 當(dāng)注入0.15 mL純凈水后, 每分鐘采集一次吸水量變化值,兩試樣的吸水量隨時(shí)間變化的特征曲線如圖8所示。 可以看出, 試樣B′比試樣A′的吸水量明顯高許多,超過了60%。 說明桂林紅黏土, 其密實(shí)程度不同, 吸水量是不同的。

圖8　桂林紅黏土試樣A′、 B′吸水量隨時(shí)間變化的關(guān)系Fig.8　Change of water content with time of Guilin red clay A′ and B′

3.3黃河粉土與桂林紅黏土的吸水量對比

3.3.1桂林紅黏土試樣B′與黃河粉土試樣B比較未經(jīng)致密成型的桂林紅黏土試樣B′(0.3 g)與未經(jīng)致密成型的黃河粉土試樣B(0.3 g)的吸水量比較,如圖9所示。

試驗(yàn)表明,在其他試驗(yàn)條件相同的情況下,未經(jīng)致密成型的桂林紅黏土的吸水量比未經(jīng)致密成型的黃河粉土吸水量高。

3.3.2黃河粉土試樣3#與桂林紅黏土試樣1#比較未經(jīng)致密成型的黃河粉土試樣3#(0.6 g)與經(jīng)致密成型的桂林紅黏土試樣1#(0.6 g)吸水特性比較,如圖10所示。

圖9　黃河粉土試樣B和桂林紅黏土試樣B′ 吸水量隨時(shí)間變化的關(guān)系Fig.9　Change of water content with time of the Yellow River silt B and Guilin red clay B′

圖10　黃河粉土試樣3#和桂林紅黏土試樣1#吸水量隨時(shí)間變化的關(guān)系Fig.10　Change of water content with time of the Yellow River silt 3#and Guilin rde clay 1#

試驗(yàn)表明,在其他試驗(yàn)條件相同的情況下,未經(jīng)致密成型的黃河粉土的吸水量比經(jīng)致密成型的桂林紅黏土吸水量低。

3.4傳感器性能比較

為了確保傳感器所測結(jié)果的準(zhǔn)確性,對本文試驗(yàn)用土,按照土工試驗(yàn)方法壓制紅黏土標(biāo)準(zhǔn)環(huán)刀樣27#、33#、38#,并用本文研制的傳感器裝置進(jìn)行測試,標(biāo)定結(jié)果見表2?？芍?，傳感器裝置的相對誤差很小。

為了確保傳感器所測結(jié)果的準(zhǔn)確性和考查其線性度, 標(biāo)定傳感器后, 分別配制了不同含水量的桂林紅黏土試樣C′和黃河粉土試樣6#并進(jìn)行測試[15],其結(jié)果見圖11。可知,傳感器的測試結(jié)果與標(biāo)樣結(jié)果一致,且有很好的線性度。

表2　微電子流效應(yīng)方法與烘干法測量值對比Table 2　Comparison between the method of micro-electronic current coupling effect and drying method

圖11　土的含水量測試反映的線性度及重復(fù)率Fig.11　Relationship between water content and voltage variation of soil samples

綜上所述,圖6中試樣A為黃河粉土注入0.15 mL純凈水后吸水量變化的結(jié)果，試樣B是黃河粉土,在不同時(shí)刻分兩次注水后,土中吸水量變化的結(jié)果。其中,從t0到t25時(shí)刻為注入0.10 mL純凈水的變化曲線,從t25到t35是再注入0.02 mL純凈水后的變化曲線,其變化結(jié)果明顯。試樣A在t3到t25時(shí)刻吸水量有明顯上下波動(dòng),試樣B在t3到t15時(shí)刻吸水量也有明顯上下波動(dòng)。這說明,土的吸水量達(dá)到平衡之前是不穩(wěn)定的。另外,這兩條曲線也反映出當(dāng)土中吸水量平衡之后,它們是重合的。這表明傳感器重復(fù)性很好,誤差很小。這兩條曲線也反映出另一種物理現(xiàn)象,即土中吸水量平衡后,t37時(shí)刻含水量比t35時(shí)刻要低一些。說明土體在水的作用下更加致密,自由水因致密而排出。

試樣的基本參數(shù)相同,試驗(yàn)條件一樣,未經(jīng)致密成型黃河粉土試樣3#吸水量低于經(jīng)致密成型的黃河粉土試樣4#和5#。這說明經(jīng)致密成型的黃河粉土試樣吸水量高于未經(jīng)致密成型的黃河粉土試樣。另外,桂林雁山紅黏土的吸水量比黃河粉土的高。

4結(jié)束語

本文使用微電子流效應(yīng)方法對黃河粉土和桂林紅黏土的吸水量進(jìn)行試驗(yàn)，研究結(jié)果表明該新方法能夠快速有效地獲得不同密實(shí)程度土的吸水量,致密土與未致密土吸水量不同,桂林紅黏土的吸水量比黃河粉土的高。另外,參考ASTM標(biāo)準(zhǔn)[9]中的標(biāo)定方法,采用作者自主研制的傳感器裝置對紅黏土標(biāo)準(zhǔn)環(huán)刀樣27#、33#、38#進(jìn)行率定測試，對不同重量的試樣展開試驗(yàn)，驗(yàn)證了傳感器檢測的準(zhǔn)確性、重復(fù)性和穩(wěn)定性,相對誤差很小,線性度也很好。在理論上初步建立了土中吸水量與微電流變化的關(guān)系及其電路、磁路模型，但在工程應(yīng)用上還有影響該方法的其他因素沒有考慮周全,有待進(jìn)一步深入開展研究。

下一步擬開展對滑坡現(xiàn)場監(jiān)測的運(yùn)用和非飽和土土-水特征的應(yīng)用研究。因?yàn)閭鞲衅黧w積小,在自然環(huán)境條件下使用對土壤原狀結(jié)構(gòu)擾動(dòng)小,操作簡便,可以埋置于深層土體中進(jìn)行長期監(jiān)測;可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)自動(dòng)采集,便于現(xiàn)場原位動(dòng)態(tài)監(jiān)測。以微電子流進(jìn)行傳感測定土壤含水量,不僅適用于巖土工程的室內(nèi)研究,也為在野外進(jìn)行原位觀測提供了極大的方便。

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文章編號:1674-9057(2016)02-0271-07

doi:10.3969/j.issn.1674-9057.2016.02.012

收稿日期：2015-12-05

基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(11372078；51309055)；廣西自然科學(xué)基金創(chuàng)新研究團(tuán)隊(duì)項(xiàng)目(2014GXNSFBA118236)

作者簡介：歐傳景(1988—)，女，碩士，巖土工程專業(yè)，ouchuanjing2012@163.com。

通訊作者：韋昌富，博士，教授，cfwei@whrsm.ac.cn。

中圖分類號：TU411.2

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

New method for soil water detecting based on micro-electronic current coupling effect

OU Chuan-jing1,WEI Chang-fu1,YAN Rong-tao1,ZHU Ying2

(1.a.College of Civil Engineering and Architecture; b.Guangxi Key Laboratory of New Energy and Building Energy Saving, Guilin University of Technology, Guilin 541004, China; 2.College of Information and Communication Engineering,Beijing University of Posts and Telecommunications, Beijing 100876,China)

Abstract:Soil water content is an important parameter in geotechnical engineering. In order to test this parameter, the advantage and limitations of previous achievements about the method of water content detecting in soil are analyzed and a new method of micro-electronic current coupling effect is proposed. Sensor and soil sample measured are coupled together.A current of 100 MHz is applied to the sensor to produce AC magnetic field, so that the electron in the soil samples measured is made with spin polarization movement at the same frequency. Micro-electronic current comes from the spin polarization movement, and the strength of micro-electronic current is closely related to the water contented in soil, and there is a linear relationship between the micro-electronic current and the water content. The Yellow River silt and Guilin red clay are used in the test. The amount of water absorption and water absorption rate are studied in soil of various mass and different levels of density. A calibration of the sensor is made of the ring sample with known dry density and water content. The results show that the new method is effective and can measure the water content of the ring samples and soil sample small to 0.3 g.Key words: water content in soil; micro-electronic current coupling effect; detecting method

引文格式：歐傳景,韋昌富,顏榮濤,等.一種應(yīng)用微電子流效應(yīng)測定土壤含水量的新方法[J].桂林理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2016,36(2):271-277.