一種應用微電子流效應測定土壤含水量的新方法

歐傳景,韋昌富,顏榮濤,朱　瑩

(1.桂林理工大學 a.土木與建筑工程學院;b.廣西建筑新能源與節能重點實驗室,廣西 桂林　541004;2.北京郵電大學 信息與通信工程學院，北京　100876)

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一種應用微電子流效應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 a.土木與建筑工程學院;b.廣西建筑新能源與節能重點實驗室,廣西 桂林541004;2.北京郵電大學 信息與通信工程學院，北京100876)

摘要：土體含水量是巖土工程的重要參數。為了測量這一參數,在分析現有土壤含水量測試方法優缺點的基礎上,提出了一種以微電子流效應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,并產生交流磁場,使被測土樣中的電子作同頻率的自旋極化運動,從而產生微電子流,通過微電子流的強弱來分辨出水分含量高低。對黃河粉土和桂林紅黏土進行了試驗，研究了在不同質量、不同密實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刀樣對傳感器進行了初步標定。試驗結果表明,該方法可以快速有效地測出土樣持水量和吸水速率,可測定環刀樣和小到0.3 g土樣的含水量。

關鍵詞：土的含水量;微電子流效應;檢測方法

0引言

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

按土的三相組成理論,土的含水量是土中水的質量與干土質量之比。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、時域反射法(time domain reflectometry, TDR)等[6]。綜合比較起來,TDR性能最為優越。TDR是一種遠程遙感測試技術,產生于20世紀30年代,最初用于電力和電訊工業中電纜線路缺陷的定位和識別[7]。1980年Topp等最先將TDR技術應用于測定土壤含水量,并逐步應用于含水量的測量實踐,還寫入美國材料與試驗協會(ASTM)標準[8-11]。但是TDR也存在不足:電路復雜,儀器價格昂貴;不適宜鹽堿土土壤測量[12];在測定時測點要埋多個探頭。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密切相關,介電常數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,根據邊坡土壤含水量監測儀器的精度、測量范圍、響應速度、穩定性及體積大小、造價低廉等設計要求, 本文給出了以單探頭(非電極式)微電子流效應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,取得了預期成果。

1微電子流效應探測土中含水量的基本原理

土中的固體顆粒是由礦物構成的,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晶格架，顆粒細小、親水性強并具有膠體特性的鋁硅酸鹽礦物，因而其內部存在結合水,常分為結構水、沸石水和結晶水,以H2O分子、OH-或H+離子的形式存在于礦物結晶格中,有固定位置。結構水,即OH-或H+離子,與其他離子(如Na+、 Ca+、 Cl+等)一樣,是在結晶格架上具有固定位置的離子,很難從結晶格架上析出,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。又如結晶水,它也以水分子形式存在于礦物結晶格架的固定位置,具有一定數量。結合水性質不同于普通液態水,它不能傳遞靜水壓力和導電[14]。

圖1　微電子流效應等效磁路、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　試驗測量裝置Fig.3　Experimental devices

開機校準時傳感器的激磁電壓表示為

(1)

測量土樣時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試驗部分

2.1試驗材料

為了考查所提設想的可行性,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刀樣級及以下的土樣含水量。這樣設計的目的在于確定儀器的最大測量范圍和最小分辨率能達到何種數量級。

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

表1　試驗土樣物理性質指標Table 1　Physical properties of soil samples

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

2.2試驗方法

2.2.1試樣的制備環刀樣:按照土工試驗方法,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的標準環刀樣,編號27#、33#、38#。

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

試驗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定為100 MHz。試驗時傳感器的敷設:對于螺旋線面型傳感器，直接貼于環刀樣的上方;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試驗步驟為了考查本方法的可行性,試驗分兩步進行：首先對干密度1.3 g/cm3,含水量分別為27%、33%、38%的標準環刀樣進行測試；其次是對干土質量已知但含水量未知的粉土及紅黏土進行測試,目的在于觀察不同樣本含水量以及吸水穩定情況。

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標準[11]中的標定方法,采用筆者自行研制的傳感器裝置對紅黏土標準環刀樣27#、33#、38#進行率定測試,本裝置所獲結果為電壓物理量,然后通過測定的電壓值標度為對應的已知含水量。

3結果與分析

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間變化的特征曲線,如圖5所示。試樣4#、5#在t0(t的下標數字代表吸水時間的分鐘數，下同)時刻注入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時刻含水量達到5.3%,t10時刻含水量達到11.7%,t15時刻已進入平衡狀態。因為試樣上方有剩余水出現,經過一段時間后保持不變,這說明土體已不再吸水。

圖5　黃河粉土試樣4#、5#吸水量隨時間變化的關系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間變化的特征曲線,如圖6所示。當在t0時刻注入0.15 mL純凈水,傳感器反映出土中含水量快速增加,到t4時刻已進入平衡狀態。因為試樣上方有剩余水,一段時間后保持不變,這說明土不再吸水。

取0.3 g黃河粉土未經致密成型為試樣B,分別分兩個階段注入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間變化的特征曲線(圖6)。在t0時刻注入0.10 mL純凈水后,傳感器反映出土中吸水量快速增加,到t4時刻已趨于平衡。為證實土樣是否已達平衡,在t25時刻再注入0.02 mL純凈水。傳感器反映出土中含水率繼續上升,但在t34時刻開始微幅下降直到平衡,樣本上方有余水,一段時間后保持不變,說明土已不再吸水。

圖6　黃河粉土試樣A、 B吸水量隨時間變化的關系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，黃河粉土經致密成型試樣的吸水量比未經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#吸水量隨時間變化的關系圖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間變化的特征曲線圖7b。

試驗表明,經致密成型試樣和未經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樣本注水量與密實程度影響分析為了觀察桂林紅黏土不同密實程度對吸水性能的影響, 先取0.3 g桂林紅黏土經致密成型為試樣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, 經過10 min土中的吸水量達到平衡, 并且試樣表面有余水, 一段時間后保持不變, 說明試樣已不再吸水, 其土體含水量已高達60%。 以0.3 g桂林紅黏土制成試樣B′, 未致密, 當注入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′吸水量隨時間變化的關系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比較未經致密成型的桂林紅黏土試樣B′(0.3 g)與未經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。

試驗表明,在其他試驗條件相同的情況下,未經致密成型的桂林紅黏土的吸水量比未經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#比較未經致密成型的黃河粉土試樣3#(0.6 g)與經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′ 吸水量隨時間變化的關系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#吸水量隨時間變化的關系Fig.10　Change of water content with time of the Yellow River silt 3#and Guilin rde clay 1#

試驗表明,在其他試驗條件相同的情況下,未經致密成型的黃河粉土的吸水量比經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果的準確性,對本文試驗用土,按照土工試驗方法壓制紅黏土標準環刀樣27#、33#、38#,并用本文研制的傳感器裝置進行測試,標定結果見表2。可知，傳感器裝置的相對誤差很小。

為了確保傳感器所測結果的準確性和考查其線性度, 標定傳感器后, 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#并進行測試[15],其結果見圖11。可知,傳感器的測試結果與標樣結果一致,且有很好的線性度。

表2　微電子流效應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果，試樣B是黃河粉土,在不同時刻分兩次注水后,土中吸水量變化的結果。其中,從t0到t25時刻為注入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,其變化結果明顯。試樣A在t3到t25時刻吸水量有明顯上下波動,試樣B在t3到t15時刻吸水量也有明顯上下波動。這說明,土的吸水量達到平衡之前是不穩定的。另外,這兩條曲線也反映出當土中吸水量平衡之后,它們是重合的。這表明傳感器重復性很好,誤差很小。這兩條曲線也反映出另一種物理現象,即土中吸水量平衡后,t37時刻含水量比t35時刻要低一些。說明土體在水的作用下更加致密,自由水因致密而排出。

試樣的基本參數相同,試驗條件一樣,未經致密成型黃河粉土試樣3#吸水量低于經致密成型的黃河粉土試樣4#和5#。這說明經致密成型的黃河粉土試樣吸水量高于未經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結束語

本文使用微電子流效應方法對黃河粉土和桂林紅黏土的吸水量進行試驗，研究結果表明該新方法能夠快速有效地獲得不同密實程度土的吸水量,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標準[9]中的標定方法,采用作者自主研制的傳感器裝置對紅黏土標準環刀樣27#、33#、38#進行率定測試，對不同重量的試樣展開試驗，驗證了傳感器檢測的準確性、重復性和穩定性,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系及其電路、磁路模型，但在工程應用上還有影響該方法的其他因素沒有考慮周全,有待進一步深入開展研究。

下一步擬開展對滑坡現場監測的運用和非飽和土土-水特征的應用研究。因為傳感器體積小,在自然環境條件下使用對土壤原狀結構擾動小,操作簡便,可以埋置于深層土體中進行長期監測;可以實現數據自動采集,便于現場原位動態監測。以微電子流進行傳感測定土壤含水量,不僅適用于巖土工程的室內研究,也為在野外進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

基金項目：國家自然科學基金項目(11372078；51309055)；廣西自然科學基金創新研究團隊項目(2014GXNSFBA118236)

作者簡介：歐傳景(1988—)，女，碩士，巖土工程專業，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

文獻標志碼：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.一種應用微電子流效應測定土壤含水量的新方法[J].桂林理工大學學報，2016,36(2):271-277.