TDR表面反射法土体含水量测试理论及技术

土体含水量在岩土工程中是一个重要的物理参数,常用于土体工程性质的评价及压实质量控制。时域反射法(Time Domain Reflectometry,TDR)是一种土体的含水量测试技术,具有快捷、安全、经济、数字化及易于远程控制等优点,近年来得到了广泛应用。 TDR信号中包含着介电常数和电导率的信息,利用电磁波在探头中的行程时间可以得到土体的介电常数。土体的含水量与介电常数密切相关,通过测试介电常数获得土体的含水量。但是电磁波在高含水量粘土、污染土等高电导率土体中传播时会因为电导损失出现电磁波严重衰减,探头的末端反射消失,难以确定波在探头中的行程时间,导致介电常数无法计算,限制TDR技术在这些材料中的应用。土表面的反射信号包含了电磁波高频信息,表面反射信号幅值并不受电介质的电导率的影响。为了解决高电导率土体的含水量的测试问题,本文主要介绍了两种利用电磁波在土体表面的反射波分析获得介电常数的方法,并由此计算土体的含水量。 与传统的行程时间法利用探头的末端反射测试土体介电常数不同,表面反射方法利用的是电磁波在土体表面的反射的信息,分别在频域和时域中进行分析。表面反射波形拟和法是一种在频域中的测试介电常数的方法,首先利用一种数值模型分析TDR信号在非线性、介电弥散系统中的传播。通过已知介电常数的介质测试信号标定TDR系统参数。然后利用双参数的介电模型对待测介质实测波形的表面反射区域进行拟合,反演出介电常数信息。表面反射系数法是一种在时域中测试介电常数的分析方法,与频域分析方法不同,它直接利用TDR的实测时域信号幅值的信息,建立土表面实测反射系数与介电常数的关系,并引入了修正系数ψ来考虑多次反射的影响,通过标定的方法得到探头常数k和修正系数ψ后,便可以计算得到介电常数。 本文利用表面反射波形拟和法、表面反射系数法、传统的行程时间法三种TDR含水量测试方法对不同类型土做了测试,并将测试结果与烘干法比较。试验结果表明,利用表面反射法测试的土体含水量有足够的精度,尤其对于传统的行程时间法无法测试的高电导率土体,表面反射法也能够准确测量的优势。表面反射法极大地拓展了TDR技术在高塑性高含水量土体、污染土、化学加固土中的应用。