[发明专利]一种基于光纤传感的探头固定式黏土界限含水率测定方法

说明书

本发明涉及一种基于光纤传感的探头固定式联合测定黏土界限含水率的方法与装置，量测装置包括光纤应变传感模块、光纤温度补偿模块和光纤光栅数据解调模块。传动装置包括步进电机、载物台。步进电机推动试样以一定的速度上移并被圆锥探头贯入，光纤应变传感模块和光纤温度补偿模块实时记录贯入过程中传感模块自身的应变和环境温度信息，可视化地显示于光纤光栅数据解调模块上并籍此得到土样的界限含水率。本发明的固定式探头可测量多种界限含水率，包括液限、塑限、缩限等，还可提高测试效率并解决常规测量技术操作难度高、人为因素扰动大等问题。基于光纤传感技术的超高动态性和实时性，本发明可校验试样土样内部差异，提高测试结果准确性。

技术领域

本发明涉及土壤工程性质测试技术以及光纤传感技术领域，具体涉及一种基于光纤传感的探头固定式联合测定黏土界限含水率的方法与装置。

背景技术

随着含水率的变化，土壤呈现出不同的物理相态阶段，从湿到干，依次有粘滞、塑性、酥性、刚性等结持度，从干到湿则其呈现的次序反之。在每两种结持度阶段的转折处，均分别有一个显明的分界点含水率，即结持限。其中液、塑限的应用最为广泛。液限是土壤呈液态流动的最低含水率。它是粘滞结持度与塑性结持度的分界点含水率。又称上塑限。此点的土-水吸力约为320千帕。在土质学、土力学和土工工程中，根据液限的高低，把土壤分为高塑性(LL＞50％)、中等塑性(LL为35％—50％)和低塑性(LL＜35％)等。还可根据其质地和有机质含量进一步细分，如按照卡萨柯兰德塑性图的分类。塑限是塑性结持度和酥性结持度的分界点含水率。在塑限时，土壤水分的数量恰恰足以形成土粒周围的水膜，水膜粘结性大，在外力作用下带水膜的片状粘粒可相互滑动而定向排列起来，塑造成一定的形状，而当外力撤除后仍可保持。

测定液限的方法较多，国际上以卡萨柯兰德杯碟法作为标准方法，国内长期使用的是圆锥仪法，圆锥仪法操作简单，所测数据比较稳定，标准易于统一。塑限的测定方法简易而常用的是搓条法。该方法最大的缺点是人为因素影响大，测值比较分散，所的成果的再现性和可比性较差。除此之外，自20世纪70年代后期，国家原水利电力部、冶金部和交通部公路系统进行了大量的比较试验。经过多年的经验积累和对比试验，对卡萨柯兰德杯碟法和搓条法进行了相关分析，确定了圆锥仪测定液限和塑限等效贯入深度，建立了液塑限联合测定方法。联合测定法的理论依据是圆锥入土深度与相应的含水率在双对数坐标上具有直线对应关系。然而，这种方法在实际操作过程中也有一些问题。比如，三皿法试样均匀性不好保证，低液限粉土的时间效应对测定结果的影响等等。

近年来分布式光纤传感(DFOS)技术发展迅速，并在探测混凝土、沥青等材料的开裂，以及一些基础土工试验中，得到了一些成功的应用。借助准分布式光纤布拉格光栅(FBG)、全分布式布里渊光时域反射(BOTDR)和布里渊光时域分析(BOTDA)等监测技术，可以自动获取沿光纤长度方向上应变、温度等监测信息的分布情况。其中，FBG技术因其体积小、测量精度高、动态响应灵敏性好等特点吸引了相关技术行业广泛的关注，其应变、温度测量精度能达到1με和0.1℃，数据采集频率高达MHz水平，在时效性和精度上有很大的优势，故该项技术的在土体测试和工程监测中的应用十分广泛，目前该技术尚未在黏土液塑限测定中被很好地利用。基于FBG技术，可以快速并精确地测量黏土的液塑限指标，解决现有测量技术操作难度高、人为因素扰动大以及测试结果不准确等问题。同时，本发明的动态性和实时性有助于校验试样内部的差异性，消除不规范制样引起的测量误差。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明的目的是提供一种基于光纤传感的探头固定式联合测定黏土界限含水率的方法与装置。利用本发明能快速并精确地测量黏土的液塑限指标，解决现有测量技术操作难度高、人为因素扰动大以及测试结果不准确等问题。同时，本发明的动态性和实时性有助于校验试样内部的差异性，消除不规范制样引起的测量误差。