TDR法路基含水率监测分析

TDR 法路基含水率监测分析

许建力

广西交科工程咨询有限公司

摘要：TDR法可通过测量土体介电常数换算确定含水率，在检测前需要开展室内标定试验确定标定方程。在施工现场取样，制作试样开展室内标定试验，确定TDR读数θ与体积含水量θ_W之间的线性关系。在施工现场布置测点对路基含水率进行监测，得出路基含水率受气候因素影响较大，且TDR法检测结果偏差小于2%，说明采用TDR法监测路基含水率方案可行。

关键词：TDR法；路基含水率；室内标定试验；监测分析

0 引言

膨胀土遇水膨胀，吸水后土体结构破坏造成强度急剧下降^[1]，作为路基填料很容易产生变形和破坏。在公路路基施工中，如遇困难需选用膨胀土作为路基填料，必须采取措施进行处治，并对路基内部含水率进行监测，防止路基含水率过大造成变形破坏^[2]。结合高速公路路基施工实践，采用TDR法对路基含水率进行监测，为在施工和运营期间监测路基含水率，研究路基的稳定性提供参考依据。

1 TDR法含水率检测基本原理

TDR法即时域反射法，是利用高频电子脉冲技术，通过测定土体的介电常数分析确定含水率^[3]。土体由固相、液相和气相组成，而三者的介电常数相差较大，其中土体中固体颗粒的介电常数为3～7，液相（水）和气相介电常数分别为81和1^[4]。所选土体中介电常数的数值主要取决于含水率的大小，实践证明土体的含水率与介电常数之间存在一定的单值函数关系，通过建立介电常数与含水率的关系式，可在测定土体表观介电常数K_a后通过换算确定含水率。20世纪80年代，Topp等学者在结合大量试验结果的情况下，得出土体体积含水率θ与表观介电常数K_a之间的经验公式^[5]：

该公式适用范围广，可用于绝大多数土体含水率的测定，且不需要其他参数。该公式是TDR法检测土体含水率的基础，也大大提高了含水率的测定速度。

2 TDR法土体室内标定试验

TDR法检测路基土体含水率受路基土种类、容重和温度等因素的影响，检测结果的准确率也会受到一定影响。在检测质地粘重的土体时，由于电磁波在土体中传播过程中能量损失较大，收集回来的反射信息较模糊，检测结果的准确率也较低。因此，为了保证路基土体含水率检测结果的准确性，在正式进行检测工作时应预先开展室内标定试验，确定含水率与土体介电常数之间的关系。室内标定试验不仅可以确定检测深度范围，还可以分析测量精度，准确确定标定曲线，降低检测误差。

2.1土样指标

室内标定试验选取XX高速公路XX路段（高速公路名称和桩号范围根据结合项目修改），该路段路基土主要为膨胀土，试验土样主要指标如表1所示。

表1 试验用土样主要指标

根据《公路路基施工技术规范》（JTG/T 3610-2019）中的相关规定，该土体液限在40%～48%之间，塑性指数在18%～25%之间，自由膨胀率在50%～80%之间，标准吸湿含水率在4.8%～6.8%，根据上述分析可将试验土样判定为中膨胀土。

2.2室内标定试验方法

首先在施工现场取样，将膨胀土风干破碎后放入模具，击实后得到具有一定容重的均匀试验土样。取两组土样然，其中一组采用TDR法测定含水率，采用TDR测试系统监测含水率；另一组采用烘干法测定含水率，分别对两组含水率分析确定标定公式。具体试验方法如下：

（1）在施工现场取样，并将膨胀土土样风干破碎；

（2）按照设计含水量计算风干土质量和需要加水量，均匀洒水后使用塑料薄膜包紧后闷料一昼夜备料，以保证含水率均匀，制备试验土样；

（3）选取一端封闭的PVC管，将制备好的土样分层装入PVC管，并埋入TDR计，按照施工现场干密度要求分层夯实，并静置24h后读取初始读数；

（4）按每次递增5%的质量含水率向PVC管内加水，每次加水后静置24h以后读数稳定后开始读数，48h后停止读数；

（5）采用环刀法取试验土体中取4～6个土样，并尽快称重、烘干，以减少由于水分蒸发而产生的误差，通过计算确定密度ρ和质量含水量w，进一步换算得到体积含水量θ_W。

2.3室内标定试验结果

按照上述试验方法，取8组试样并分析得出标定方程，试验结果如表2所示，并绘制TDR读数θ与体积含水量θ_W之间的关系曲线如图1所示。

表2 室内标定试验结果

分析图1曲线变化趋势，可以看出TDR读数θ与体积含水量θ_W之间存在明显的线性关系，分析后确定关系式为：

从图3-1可以看到，TDR读数与实际体积含水量之间有良好的线性关系：θ_w=1.5992θ-0.0794，R²=0.9622。进一步分析标定曲线变化情况，可将曲线分为三个阶段，第一阶段为θ＜0.3cm³·cm^-3，θ与θ_W之间呈现线性关系，关系式为θ_w=1.26527+0.0029，R²=0.9941，二者之间的差值为0.06～0.09cm³·cm^-3，误差率大约为20％；第二阶段为0.3＜θ＜0.32cm³·cm^-3，θ_W的变化范围为0.39～0.45cm³·cm^-3，二者之间的差值为0.09～0.15。；第三阶段为θ＞0.32cm³·cm^-3，二者再次呈现呈现线性关系，θ_w=1.16639+0.0861，R²=0.9768，但二者之间的差值呈现增大的趋势，约为0.15～0.16cm³·cm^-3，但误差率较第一阶段大，约为30%。

图1 TDR读数θ与体积含水量θ_W之间的关系曲线

结合施工现场基本情况、路基土性质等因素，分析试验结果产生的原因如下：

（1）当θ＜0.3cm³·cm^-3时，土体含水率较小，土中水主要为强结合水，且部分被吸附到土壤颗粒表面，其介电常数为3.2左右，由于受到结合水介电常数影响，测量结果产生了一定的误差；

（2）当体积含水率θ_w≥0.38cm³cm^-3时，土体含水率的增加主要来自弱结合水，土体结合物的介电常数随含水率的增加迅速升高，强结合水影响下降，误差增加到14%左右。

（3）随着土体内部的含水率不断升高，土体中的自由水含量不断升高，对土体的介电常数影响较大，而自由水的介电常数（81）远高于强结合水（3.2），而将强结合水作为土颗粒进行分析，造成误差的进一步增加。

3 现场路基含水率监测与分析

3.1测点布设

路基含水率监测是在路基监测断面埋设TDR计，埋设完成后即进行初次读数，得到初始质量含水率，稳定后再次进行读取土体含水率，经过换算得到现场质量含水率。XX高速公路路基在采用石灰处治后，选取监测断面布置测点进行含水率监测。测点位置分别位于距路基边坡1m、3m、5m、8m、12m位置，其中12m位置位为路基中线附近。取现场土样测量初始质量含水率，埋设TDR计和传感器，布置好线缆，并做好保护工作。传感器埋设完成后，待稳定后读取初始读数。

3.2路基含水率监测结果分析

经过一个周期的监测，收集各测点监测结果绘制路基含水率变化曲线如图2所示。监测开始时间为当年8月26日，结束时间为次年3月。为验证TDR法监测结果的准确性，在施工现场取样进行对比分析，路基含水率监测对比分析结果如表3所示。

图2 现场监测路基含水率变化曲线

分析图2所示曲线变化趋势得出，路基含水率变化具有一定的周期性，且不同部位路基土含水率变化差异也较大，其中距路基边坡1m和3m的路基土含水率变化幅度最大，其次为距路基边坡5m位置，路基中线附近（距路基边坡12m位置）路基含水率变化幅度最小。结合路基含水率监测结果，说明气候因素对路基含水率的影响较大，其中自边坡向内1～3m影响最大，其次为5m位置，12m位置最小。8～9月降雨量较大，路基含水率也较高，10～2月降雨量不断下降，路基含水率也呈现下降趋势，3月以后降雨量逐渐增加，路基含水率也呈现增加趋势。

表3 现场路基含水率检测结果对比分析

通过对比分析TDR法监测结果和现场取样检测结果，得出采用TDR法监测结果偏差不超过2%，满足施工现场监测的要求，说明采用TDR法监测路基含水率方案可行。

4 结语

TDR法可通过测定路基土介电常数，换算后得出路基土含水率，结合高速公路膨胀土路基施工案例，通过在施工现场取样开展室内标定试验确定标定方程，并在施工现场布置对路基含水率开展监测，分析监测结果得出以下结论：

（1）通过室内试验，确定TDR读数θ与体积含水量θ_W之间存在明显的线性关系，并通过分析确定了标定方程；

（2）通过分析施工现场路基含水率监测结果，得出路基含水率变化呈现一定的规律性，且距离路基边坡越近含水率变化幅度越大，且受大气降水影响较大；

（3）将TDR法路基含水率监测结果与现场取样检测含水率结果对比分析，得出TDR法监测结果偏差小于2%，满足现场施工监测要求。

参考文献：

[1]毋文涛.干密度和质量含水量对TDR法测量土壤体积含水量的影响[J].黄河科技学院学报,2020,22(02):79-83.

[2]杜敏晴,伍仁军,杨民烽,杜卫民,卞建锋,刘杨,郭仕平,刘刚才,刘守江.烘干称重法与TDR法观测土壤湿度的比较研究[J].水土保持应用技术,2018(04):7-9.

[3]徐爱珍,胡建民,熊永,邹国庆,陈晓安.TDR法、干烧法及烘干法测定土壤含水量的比较研究[J].水资源与水工程学报,2018,29(02):253-256.

[4]杨静,陈洪松,王升,王发,傅伟.TDR测定喀斯特地区石灰土含水量的标定研究[J].中国岩溶,2017,36(01):75-80.

[5]张瑞国,罗强,蒋良潍,张良,张正.土体含水率TDR测试技术的影响因素分析[J].传感器与微系统,2016,35(05):16-19+24.