[发明专利]一种贯入式超声波土体含水率测试装置及方法

说明书

技术领域

本发明主要涉及一种贯入式超声波土体含水率测试装置及方法，该装置运用超声波原理，可实地实时监测岩土体中含水率的变化，可广泛应用至隧道施工等地下工程领域中。

背景技术

土体中含水率的测定在隧道施工、基坑支护等工程领域是非常重要的一项工作。目前，含水率的测定绝大部分依赖于室内试验，例如烘干称重法。除此之外存在射线法、时域反射等方式，但是射线法对于操作人员及周围环境有危害，故而适用范围过小，时域反射法误差较大，局限性较大，故而也不常使用。本发明利用超声波回波速度与时间差，实验室获取相关函数模型，从而利用数据处理中心实地获取土体的含水率，装置简单，易于操作，可广泛使用于基坑支护、地下工程等领域。

发明内容

本发明旨在发明一种实地并且实时监测土体含水率的装置，能够避免人为、环境等扰动因素带来的影响，且数据准确，测量方法简便易操做。

本发明采用的技术方案如下：

一种贯入式超声波土体含水率测试装置，该装置包括套装在一起的内套管和外套管，所述内套管和外套管的一端平齐，在该端连接锥形钢制体；内套管和外套管的另一端外套管相对于内套管向外延伸，且外套管向外延伸部分其内安装液压升降装置；在所述的内套管和外套管的重合部分的管壁上沿圆周方向各设有多个槽形缺口，且在所述的内套管内设有与其轴线平行的轨道，所述的液压升降装置驱动一个探测装置沿着所述的轨道移动；所述的探测装置包括一个安装座，所述的安装座的外圆周方向上设置有与内外套管壁上的槽型缺口数量相等的超声波探头；安装座径向面的中心位置设有一个激光测距探头；所述的激光探测头和超声探测头与数据处理中心相连；当到达测量位置时，旋转内外套管壁，使得每个超声波探头分别与相应的槽形缺口对应，通过回波的相对值，从而获得不同含水率土壤回波相对值与含水率的关系。

进一步的，所述的槽形缺口为一个类似于矩形的缺口，该缺口不贯穿外套管壁和内套管壁。

进一步的，所述的槽形缺口沿着内套管或者外套管的圆周方向均匀设置；超声波探头也沿着安装座的圆周方向均匀设置。

进一步的，在所述的锥形钢制体内设有一个弹簧，所述弹簧的一端连接在锥形钢制体的头部，另一端连接一个减震板，所述的减震板安装在外套管和内套管的端部。

进一步的，所述的导轨包括三个，三个导轨由液压升降装置的三角形壳体的三个角向外沿伸而成，且位于内套管内导轨部分由橡胶圈支撑。

所述的安装座上设有三个升降凸形条，所述的三个升降凸形条沿着所述的三个导轨滑动，且在所述的升降凸形条上设有滚珠，用于减少摩擦力。

进一步的，超声波探头与激光测距探头均为可伸缩探头。

进一步的，所述内、外套管壁上各有3个呈120°夹角的槽形缺口。

进一步的，所述激光测距探头，直接与数据处理中心相连，在工作时向目标射出一束很细的激光，由光电元件接收目标反射的激光束，计时器测定激光束从发射到接收的时间，计算出从观测者到目标的距离数据通过数据线与数据处理中心相连，并将其显示在距离显示器上；所述的距离显示器的位置位于升降装置处，便于随时观察探测深度。

进一步的，与所述的超声波探头相连的数据处理装置包括单片机、脉冲信号发生器、功率放大器、微弱信号放大器、滤波器、电源、零比较器、超声波探头、存储器模块、稳压器、显示屏和AD转换器；单片机连接脉冲信号发生器控制超声波发射，脉冲信号发生器连接功率放大器，功率放大器连接超声波探头，所述超声波探头连接微弱信号放大器，微弱信号放大器连接滤波器；所述滤波器的输出端连接比较器和AD转换器；所述零比较器和AD转换器分别与单片机的定时器中断输入端和串行数据输入端连接；所述单片机分别与存储器模块和显示屏相连。

一种利用上述装置进行具体操作的方法，具体实施方式为:

(1)在测量前获得地质资料，并了解该施工区域内的土体；实验室测得该土体的颗粒级配曲线，并在该土体区域内的土颗粒粒径不小于超声波波长的情况下进行实验；

(2)实验室获得不同含水率试样下超声波回波速度、时间差和含水率之间的关系，建立函数模型，从而在实际工程中及时通过回波速度、时间差准确地获取当前施工阶段下土体中含水率的大小；

(3)在所需测量的土体中钻孔，孔径略大于装置外壁直径，实验时将内、外套管组装，钢制锥形体通过螺纹与外套管壁相连；到达指定位置时将内、外套管壁向相反方向转动，从而使得内、外套管壁三个呈120°夹角的槽形缺口重合，最终与三个超声波探头相应，为超声波的发射和反射提供通道；