[发明专利]基于土体电阻率变化的冻土未冻水含量检测系统及方法

说明书

技术领域

本发明属于冻土未冻水含量检测技术领域，具体涉及一种基于土体电阻率变化的冻土未冻水含量检测系统及方法。

背景技术

冻土中未冻水在冻土力学中扮演着重要的角色，冻土未冻水含量对土体以及桩基之间的相互作用有重大影响，在针对冻土的研究中，冻土未冻水含量的测定方式一直以来都没有的到系统科学的解释，因此对于学术研究以及工程实践，这是一个亟待解决的问题。

目前此领域用到的冻土未冻水含量测试方法主要有核磁共振法、中子自旋回声法、量热法、介电特性法，实验室常用的方法还有测温法，以上所述方法均存在不足或是不合理之处。具体来说，核磁共振法成本造价太高，不能满足实验以及实际工程的要求。中子自旋回声法利用磁共振中的信号来源，在第一个射频脉冲之后会出现自由衰减，通过衰减来判断未冻水含量，其原理复杂，可行性不强。量热法是把具有稳定负温的冻土试样放入正温量热水中使其进行热交换，试样温度与量热水温度达到平衡，其试验仪器操作复杂，且需要一定的热交换时间，因此不能方便，快速测出瞬时未冻水的含量。介电特性法获得待测物质的超宽带脉冲介电响应曲线后，需通过反演算法来确定其介电常数。反演过程中需通过足够多时间点的采样，来建立准确的多维反演模型，准确计算出各成分介电常数、电阻率、孔隙度、含水量等参数。在实际操作中，由于条件限制，各影响因素的考虑还不够完全，因此利用超宽带脉冲介电响应曲线反演模型还不够完善，有所误差。实验室常用的测温法测试结果测得的数据仅是某一冻结起始温度对应的初始含水量，不能说明冻土中未冻水含量随温度的变化过程。所以从测量设备的设计原理和实用科学性两个角度出发，一种能够综合考量冻土未冻水含量变化规律的测试设备是非常有必要的。

冻土中未冻水含量变化可从温度的角度来考量，温度下降会导致土体中原有水的冻结，温度上升会导致土体中原有冰的融化，这两种变化都会导致未冻水含量的变化，而这个变化用实验证明最直接的方式便是电阻率，在零 摄氏度以上，温度变化会导致土体内冰融化水分蒸发，使得自由水含量降低，从而使得土体电阻率变化，在零摄氏度以下，温度变化会引起土体自由水冻结导致含水量的变化从而使得土体电阻率变化，因此如果能够确定出温度、电阻率和未冻水含水量之间的关系，并利用测温度和电阻率来获知未冻水含水量，将很好地解决未冻水含水量测量的技术难题，但是，现有技术中，还缺乏合适的检测系统及方法。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种结构简单、实现方便、能够将冻土未冻水含量检测的复杂问题简单化、且测量结果精确、实用性强、使用效果好、便于推广使用的基于土体电阻率变化的冻土未冻水含量检测系统。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种基于土体电阻率变化的冻土未冻水含量检测系统，其特征在于：包括地面数据传输终端、计算机和用于置入土体中的温度及电阻率检测装置，所述温度及电阻率检测装置包括一个检测单元或多个上下叠放的检测单元，所述检测单元包括套管和数据采集电路板，所述套管由从上到下一体成型的第一套管、第二套管和第三套管组成，所述第一套管的外径小于第二套管的外径，所述第二套管的外径与第三套管的外径相等，所述第二套管的内径小于第三套管的内径，所述第一套管的外壁上设置有外螺纹，所述第三套管的内壁上设置有内螺纹，当所述检测单元的数量为多个时上下相邻的两个检测单元通过第一套管与第三套管螺纹连接的方式相连接，所述数据采集电路板设置在第二套管与第三套管的过渡处，所述数据采集电路板上集成有数据采集传输电路和用于连接外部供电电源为数据采集传输电路中各用电模块供电的电源线，所述电源线的一端向上沿第二套管的内壁和第一套管的内壁引出到第一套管顶部且连接有第一导电片，所述电源线的另一端连接有位于数据采集电路板底部且用于在将第三套管与第一套管螺纹连接时与第一导电片对接的第二导电片，所述数据采集传输电路包括第一微处理器以及与第一微处理器相接的第一数据存储器和第一无线通信模块，所述数据采集电路板上固定连接有多根伸出第二套管并向下竖直弯折的温度测量探头安装管和多根伸出第二套管并向下竖直弯折的电阻率测量探头安装管，所述温度测量探头安装管的竖直段内设置有与第一微处理器的输入端连接的温度测量探头，所述电阻率测量探头安装管的竖直段内设置有与第 一微处理器的输入端连接的电阻率测量探头；所述地面数据传输终端包括第二微处理器以及与第二微处理器相接的第二数据存储器、用于与计算机连接并通信的USB通信电路模块和用于与第一无线通信模块无线连接并通信的第二无线通信模块。