基于微波湿度法的黏性土含水率快速检测试验研究.docx

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基于微波湿度法的黏性土含水率快速检测试验研究

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李小虎姚强李洪涛陈思迪

摘要：含水率是黏性土的一个重要指标。以黏性土含水率快速检测为研究目的，基于微波湿度法的原理，选择Hydro-ProbeIV型微波湿度传感器用于含水率静态检测。分析了该仪器的检测原理，并提出了校准方法和检测方法的步骤;针对土料类型、土样质量对检测结果的影响，分别提出了相应的解决方法。研制了准静力螺旋式土样密实度控制装置，减小了土样密实度对结果的影响。采用决定系数或相关系数、均方残差平方和衡量校准曲线的拟合效果。采用常规黏性土进行含水率试验，利用绝对误差、均方偏差平方和以及微波湿度法与烘干法结果的相关曲线对比分析表明了检测结果具有较高精度。基于t检验法分析了检测方法的可信度，并统计了检测时间。结果表明：该方法的检测精度可以满足规定要求，可信度达到了95%;可提前完成校准，两次平行测定仅需10～12min，检测时间较短、速度较快，可以实现黏性土含水率快速检测。

关键词：黏性土;含水率;微波湿度法;密实度控制装置

中图法分类号：TU41

文献标志码：A

：1001-4179（2021）09-0172-06

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2021.09.028

0引言

黏性土在基础设施建设领域有广泛应用，如水利工程中的均质土坝、心墙坝防渗体的心墙料，建筑工程中的基坑表面需要回填黏性土[1-2]。在均质土坝和以黏性土为防渗料的土石坝、地基回填等过程中，黏性土的含水率检测非常重要[3]，含水率的变化直接影响黏性土的物理状态以及力学参数[4]。在黏性土碾压过程中，其含水率和压实度有直接关系，而且对碾压参数的选择和调整也起着重要作用，所以需要严格控制含水率[5]。对于土料含水率检测方法，目前普遍认为最准确的是烘干法，该方法检测精度高，通常将其他方法的检测结果和烘干法进行对比，以验证其他方法是否准确。但是烘干法的检测速度慢，无法满足快速检测的要求，在实际应用中具有滞后性。如今也有较多的基地在线检测法，如微波法、近红外线法、电阻法、电容法、时域反射法（TDR法）、中子仪法等[6-7]。虽然检测速度快，但是精度通常无法满足规定的要求，而且不同检测方法之间差异较大。近红外法检测土料含水率速度快，在检测粒径较大的非黏性土含水率時精度较高，但是检测结果会受土料形状、颗粒大小、密度等影响，无法用于检测黏性土的含水率。电阻法、电容法的检测精度一般，但是使用方便、制造维护成本低，如国内某公司生产的基于电阻法的FDA100型高周波矿石水分检测仪。Topp等[8-9]对TDR法进行了大量研究，获得了多种不同土料的介电常数，建立了土料介电常数和体积含水率的数学模型，为TDR法检测土料含水率提供了依据。微波法利用微波传感器发射微波于被测土料中，土料中的水分会吸收微波能量，进而使微波的谐振频率和相位等参数发生变化，当含水率不同时，这些参数的变化也不同，从而可以间接检测土料的含水率[10]。微波法的显著优点是检测速度快、灵敏度优良。根据微波法的具体检测原理，可以将其分为微波反射法、微波谐振法、微波透射法。目前已有学者利用其原理研发了针对不同物料的含水率检测仪器，如Koedudom等[11]基于微波反射法发明了测量纸张含水率的检测系统。Okamura[12-13]基于两种微波频率的相位变换，并利用微波自由空间技术测定谷物和茶叶的含水率。上述部分传感器的原理较简单，有些以单一的参数为准，影响因素较多，导致检测效果较差。

鉴于现有检测方法存在速度慢或精度低的缺点，为了达到黏性土含水率快速检测的目的，本文通过试验研究提出黏性土含水率快速检测的新方法，包括检测仪器的选择和研制、试验操作方法，并以常规的黏性土为试验对象进行检测，利用误差分析方法、可靠性理论等分析检测方法的精度，确保在检测精度满足规范要求的前提下提高检测速度。

1仪器选择和研制

1.1仪器选择

基于微波湿度法的原理，对比了几种微波湿度传感器，并考虑为探究型试验，综合多方面原因，在满足精度要求的前提下，最终选择Hydro-ProbeIV型微波湿度传感器。该仪器的两个重要参数是谐振频率f和品质因数Q，它们都是土料介电常数的函数[14]。当土料含水率发生变化时，介电常数也会变化，进而使微波湿度传感器的谐振频率和品质因数发生相应的变化。

目前，该仪器主要应用于检测砂石骨料的含水率、混凝土的泌水性等过程，检测的物料都处于运动状态，而本文的研究对象是静态黏性土料。试验发现：检测静态黏性土料含水率的主要影响因素有土料类型、密实状态、土样质量。土料类型的影响可以通过仪器校准消除;土样质量可以通过多次试验总结，确定合适的土样质量;密实状态较难控制，为了达到相对一致的密实状态，特研制了一种密实度