本發(fā)明涉及土木工程和地質(zhì)工程勘察技術領域，尤其涉及一種土體含水率的快速原位測試試驗裝置和方法。

背景技術：

土體含水率反映了土的干濕狀態(tài)，是土的基本物理性質(zhì)指標之一，一般定義為土壤中自由水的質(zhì)量與剩余固體物質(zhì)質(zhì)量的比值。地質(zhì)工程領域中土體含水率的準確測試對工程的性質(zhì)評價、水循環(huán)條件研究、邊坡穩(wěn)定性分析以及路基的壓實質(zhì)量控制等方面都有非常重要的意義。

經(jīng)過多年的快速發(fā)展，其基于不同方法原理所得到的精度和適用條件差異很大。常用的含水率測試的方法主要分為直接式和間接式，其中間接式諸如：電阻法、張力計法和干濕度計法等，此類裝置原理型號眾多，但因不是直接的測量方式而誤差較大。直接式土體含水率測試方法主要可以分為五種：1、除水稱重法，例如烘干法、酒精燃燒法、微波法、碳化鈣減量法、炒干法；2、介電常數(shù)法，例如時域反射技術(TDR)、頻域反射技術(FDR)；3、放射性物質(zhì)法，例如：中子法、γ射線法；4、非接觸測量法，例如紅外遙感法、探地雷達法等。在上述諸多方法之中，常用的方法為烘干法、電阻法、TDR。其中電阻法因精度差已被淘汰；TDR法操作簡便，可連續(xù)測量，最適用于現(xiàn)場，但其電路復雜，設備較昂貴，而且介電常數(shù)與含水率之間的關系需要依照具體情況進行標定才能得到更高的精度；烘干法的核心思想是除水稱重，作為目前規(guī)范中測定土體質(zhì)量含水率的標準方法，其測試結果準確，但也存在效率較低、較大土樣內(nèi)部不易烘干、異位實驗誤差等問題，不能滿足現(xiàn)場測試快速便捷的要求。現(xiàn)有的微波干燥技術雖也被應用于土體的含水率測試，但其加熱方式迅速，破壞了土體內(nèi)的有機質(zhì)和結合水，使其值一般較烘干法偏高。

在測量精度上，除水稱重具有其它方法不可比擬的優(yōu)勢，因此以它作為設計思路，在考慮土壤本身物理化學性質(zhì)的基礎上，研究和設計一套適合于工程地質(zhì)勘查領域的結構簡單、設計合理、技術成熟、高精度、快速的土壤含水量原位測試方法及相關設備既為工程必需，也是一項關鍵技術。

技術實現(xiàn)要素：

有鑒于此，本發(fā)明的實施例提供了一種結構簡單、設計合理、高精度的土體含水率的快速原位測試試驗裝置和方法。

本發(fā)明的實施例提供一種土體含水率的快速原位測試試驗裝置，包括土體含水率速測儀，所述土體含水率速測儀包括稱量裝置，所述稱量裝置的上方放置盛料套管，所述盛料套管內(nèi)放置土體，所述盛料套管設置在真空干燥腔內(nèi)，所述真空干燥腔連通真空泵，并通過真空泵抽出空氣和水蒸氣降壓，所述真空干燥腔連接微波發(fā)射裝置，所述微波發(fā)射裝置向真空干燥腔內(nèi)發(fā)射微波干燥土體，所述真空干燥腔內(nèi)設有遠紅外測溫裝置，所述遠紅外測溫裝置監(jiān)控土體的干燥溫度。

進一步，所述真空泵通過抽氣管連通真空干燥腔，所述抽氣管的一端連通真空泵的上方，所述抽氣管的另一端連通真空干燥腔的上方，所述真空泵上設有出氣口，所述真空泵通過抽氣管抽出真空干燥腔內(nèi)的空氣和水蒸氣，再通過出氣口將真空泵內(nèi)的空氣和水蒸氣抽出。

進一步，所述出氣口上設有漏能抑制器，所述漏能抑制器防止微波泄漏。

進一步，所述土體含水率的快速原位測試試驗裝置還包括計算機和直流電源，所述直流電源內(nèi)設有逆變器，所述逆變器將直流電轉變?yōu)榻涣麟姽┙o土體含水率速測儀和計算機，所述土體含水率速測儀連接計算機，所述計算機儲存和處理土體含水率速測儀的測定結果。

進一步，所述稱重裝置的精度為0.001g，稱量裝置包括底座和稱重盤，所述稱重盤設在真空干燥腔內(nèi)，所述稱重盤上放置盛料套筒，所述盛料套筒的材料為非金屬材料，所述底座上設有顯示屏和按鈕，所述底座的底部設有調(diào)平螺母，所述底座內(nèi)設有儲存模塊，所述儲存模塊記錄稱量裝置的稱重數(shù)據(jù)。

進一步，所述微波發(fā)射裝置包括磁控管和波導，所述波導的一側連接真空干燥腔，所述波導的另一側連接磁控管，所述磁控管產(chǎn)生的射頻能量沿波導向真空干燥腔內(nèi)發(fā)射微波。

進一步，所述真空干燥腔包括腔體和密封蓋，所述盛料套筒放置在腔體內(nèi)，所述腔體和密封蓋通過螺絲固定；所述土體含水率速測儀設置在一箱體內(nèi)，所述箱體將真空干燥腔、盛料套筒、真空泵和微波發(fā)射裝置密封，所述真空干燥腔固定焊接在箱體的底部，使土體在密封的環(huán)境內(nèi)進行真空降壓和微波干燥，所述箱體的上端通過外蓋開合裝置連接箱外蓋，所述箱體通過箱外蓋密封；所述土體含水率速測儀通過插頭實現(xiàn)電源接入。

一種土體含水率的快速原位測試試驗方法，包括以下步驟：

(1)將土體含水率速測儀連接電源和計算機；

(2)對土體含水率速測儀的稱量裝置進行校準和調(diào)零；

(3)采集土體，并裝入土體含水率速測儀的盛料套筒中，將盛料套筒放入真空干燥腔內(nèi)，并將真空干燥腔密封，通過稱量裝置稱量土體初質(zhì)量m₁，并將數(shù)據(jù)傳輸給計算機；

(4)將真空干燥腔內(nèi)的空氣和水蒸氣抽出降壓，待真空干燥腔體內(nèi)的壓強降低至一預設值時，通過微波發(fā)射裝置向真空干燥腔發(fā)射微波干燥土體，干燥土體過程中通過稱量裝置觀察土體的質(zhì)量變化，待稱量裝置稱量的土體質(zhì)量穩(wěn)定時，記錄土體終質(zhì)量m₂，并將數(shù)據(jù)傳輸給計算機；

(5)計算機通過步驟(3)的土體初質(zhì)量m₁和步驟(4)的土體終質(zhì)量m₂計算土體含水率；

(6)取出土體，重復步驟(3)至步驟(5)，計算土體含水率的平均值。

進一步，所述步驟(4)中，土體內(nèi)水的沸點隨真空干燥腔內(nèi)壓強的變化而變化，水的沸點T隨壓強P的變化公式為：

T＝100+0.0367*(P-1.013*105)-0.000023*(P-1.013*105)²；

干燥土體過程中通過遠紅外測溫裝置監(jiān)控干燥溫度，干燥溫度控制在25～45℃，使干燥后土體中結合水與有機質(zhì)穩(wěn)定存在。

進一步，所述步驟(5)中，土體含水率的計算公式為：

與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明具有以下有益效果：

1、本發(fā)明利用真空泵降低壓強達到降低自由水沸點的目的，結合微波加熱技術使得干燥過程的溫度在45℃以下，保證土體內(nèi)熱敏性物質(zhì)如結合水、有機質(zhì)的穩(wěn)定，在有效縮短干燥測量時間的基礎上實現(xiàn)了含水率測試的精確性；

2、本發(fā)明的測量方法結構簡單、設計合理、可靠性好、維護量小，大大提升了土體含水率測試的精確性；

3、本發(fā)明的測量方法相比傳統(tǒng)土體微波含水率測試方法，不需要反復拿出來稱重，在判斷其質(zhì)量無變化后再確定、計算，整個操作過程包括測量結果數(shù)據(jù)的計算、儲存過程更加方便，降低了對操作人員的要求；

4、本發(fā)明的設計實現(xiàn)了土體含水率的原位測試，避免了取樣、運輸過程中造成的異位實驗誤差、低效率的問題，采用遠紅外測溫裝置，使其既可感溫又不至于引起微波放電，保證了對土體溫度的實時監(jiān)控。

附圖說明

圖1是本發(fā)明一種土體含水率的快速原位測試試驗裝置的組成示意圖。

圖2是圖1中土體含水率速測儀的結構示意圖。

圖3是本發(fā)明一種土體含水率的快速原位測試試驗方法的流程圖。

具體實施方式

為使本發(fā)明的目的、技術方案和優(yōu)點更加清楚，下面將結合附圖對本發(fā)明實施方式作進一步地描述。

請參考圖1，本發(fā)明的實施例提供了一種土體含水率的快速原位測試試驗裝置，包括土體含水率速測儀1、計算機2和直流電源3，直流電源3內(nèi)設有逆變器(圖中未示出)，逆變器將直流電轉變?yōu)榻涣麟姽┙o土體含水率速測儀1和計算機2，土體含水率速測儀1連接計算機2，計算機2儲存和處理土體含水率速測儀1的測定結果，在一實施例中，土體含水率速測儀1通過插頭10實現(xiàn)電源接入。

請參考圖2，土體含水率速測儀1包括稱量裝置12，稱量裝置12的上方放置盛料套管14，在一實施例中，稱重裝置的精度為0.001g，稱量裝置12包括底座121和稱重盤122，稱重盤122設在真空干燥腔13內(nèi)，稱重盤122上放置盛料套管14，盛料套筒14的材料為非金屬材料，底座121上設有顯示屏123和按鈕124，底座121的底部設有調(diào)平螺母125，底座121內(nèi)設有儲存模塊126，儲存模塊126記錄稱量裝置12的稱重數(shù)據(jù)，通過調(diào)節(jié)調(diào)平螺母125使土體含水率速測儀1呈水平狀態(tài)，通過按鈕124校零。

盛料套管14內(nèi)放置土體，盛料套管14設置在真空干燥腔13內(nèi)，在一實施例中，真空干燥腔13包括腔體131和密封蓋132，盛料套筒14放置在腔體131內(nèi)，腔體131和密封蓋132通過螺絲133固定。

真空干燥腔13連通真空泵15，并通過真空泵15抽出空氣和水蒸氣降壓，在一實施例中，真空泵15通過抽氣管151連通真空干燥腔13，抽氣管151的一端連通真空泵15的上方，抽氣管151的另一端連通真空干燥腔13的上方，真空泵15上設有出氣口152，真空泵15通過抽氣管151抽出真空干燥腔13內(nèi)的空氣和水蒸氣，再通過出氣口152將真空泵15內(nèi)的空氣和水蒸氣抽出。出氣口152上設有漏能抑制器153，漏能抑制器153防止微波泄漏。

真空干燥腔13連接微波發(fā)射裝置16，微波發(fā)射裝置16向真空干燥腔13內(nèi)發(fā)射微波而干燥土體，在一實施例中，微波發(fā)射裝置16包括磁控管161和波導162，波導162的一側連接真空干燥腔13，波導162的另一側連接磁控管161，磁控管161產(chǎn)生的射頻能量沿波導162向真空干燥腔13內(nèi)發(fā)射微波。

真空干燥腔13內(nèi)設有遠紅外測溫裝置17，遠紅外測溫裝置17監(jiān)控土體的干燥溫度。

在一實施例中，土體含水率速測儀1設置在一箱體11內(nèi)，箱體11將真空干燥腔13、盛料套筒14、真空泵15和微波發(fā)射裝置16密封，真空干燥腔13固定焊接在箱體11的底部，使土體在密封的環(huán)境內(nèi)進行真空降壓和微波干燥，箱體11的上端通過外蓋開合裝置111連接箱外蓋112，箱體11通過箱外蓋112密封。

請參考圖3，一種土體含水率的快速原位測試試驗方法，包括以下步驟：

(1)將土體含水率速測儀連接電源和計算機；將土體含水率速測儀1通過逆變器連接好電源3，通過數(shù)據(jù)線連接計算機2；

(2)對土體含水率速測儀1的稱量裝置12進行校準和調(diào)零；

(3)采集土體，并裝入土體含水率速測儀1的盛料套筒14中，將盛料套筒14放入真空干燥腔13內(nèi)，并將真空干燥腔13密封，通過稱量裝置12稱量土體初質(zhì)量m₁，并將數(shù)據(jù)傳輸給計算機2；

(4)將真空干燥腔13內(nèi)的空氣和水蒸氣抽出降壓，土體內(nèi)水的沸點隨真空干燥腔13內(nèi)壓強的變化而變化，水的沸點T隨壓強P的變化公式為：

T＝100+0.0367*(P-1.013*105)-0.000023*(P-1.013*105)²；

通過降低真空干燥腔13的壓強，使土體內(nèi)水的沸點降低，進而使干燥土體的溫度降低，既節(jié)約能源，同時微波低溫干燥土體，能使干燥后的土體中結合水與有機質(zhì)穩(wěn)定存在。

待真空干燥腔體13內(nèi)的壓強降低至一預設值時，通過微波發(fā)射裝置16向真空干燥腔13發(fā)射微波干燥土體，干燥土體過程中通過遠紅外測溫裝置17監(jiān)控干燥溫度，干燥溫度控制在25～45℃，并通過稱量裝置12觀察土體的質(zhì)量變化，待稱量裝置12稱量的土體質(zhì)量穩(wěn)定時，記錄土體終質(zhì)量m₂，并將數(shù)據(jù)傳輸給計算機2。

(5)計算機通過步驟(3)的土體初質(zhì)量m₁和步驟(4)的土體終質(zhì)量m₂計算土體含水率，計算公式為：

(6)取出土體，重復步驟(3)至步驟(5)，計算土體含水率的平均值。

本發(fā)明利用真空泵降低壓強達到降低自由水沸點的目的，結合微波加熱技術使得干燥過程的溫度在45℃以下，保證土體內(nèi)熱敏性物質(zhì)如結合水、有機質(zhì)的穩(wěn)定，在有效縮短干燥測量時間的基礎上實現(xiàn)了含水率測試的精確性；本發(fā)明的測量方法結構簡單、設計合理、可靠性好、維護量小，大大提升了土體含水率測試的精確性；本發(fā)明的測量方法相比傳統(tǒng)土體微波含水率測試方法，不需要反復拿出來稱重，在判斷其質(zhì)量無變化后再確定、計算，整個操作過程包括測量結果數(shù)據(jù)的計算、儲存過程更加方便，降低了對操作人員的要求；本發(fā)明的設計實現(xiàn)了土體含水率的原位測試，避免了取樣、運輸過程中造成的異位實驗誤差、低效率的問題，采用遠紅外測溫裝置，使其既可感溫又不至于引起微波放電，保證了對土體溫度的實時監(jiān)控。

在本文中，所涉及的前、后、上、下等方位詞是以附圖中零部件位于圖中以及零部件相互之間的位置來定義的，只是為了表達技術方案的清楚及方便。應當理解，所述方位詞的使用不應限制本申請請求保護的范圍。

在不沖突的情況下，本文中上述實施例及實施例中的特征可以相互結合。

以上所述僅為本發(fā)明的較佳實施例，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。