含水率动态测试装置以及含水率测试系统的制作方法

本发明涉及岩土工程领域，具体而言，涉及一种含水率动态测试装置以及含水率测试系统。

背景技术：

在岩土工程领域，土体的固结压缩问题研究非常广泛，而土体的固结压缩均伴随其中水分的迁移。尤其是对于层状地基中较薄的软弱土体，在受到地层挤压的过程中，其含水率的迁移变化在整个挤压层面上分布并不均匀，由此造成挤压层面上不同位置土体的固结度有较大差异，给研究软弱土体受挤压时的力学性质带来较大障碍。对于土体含水率的测定，目前有烘干法、室外酒精燃烧法等常规土工试验方法以及中子散射法、张力计法、电磁法、电阻法等间接测试方法。常规土工试验方法虽然是直接测试、精度高且成熟和简便，但测试均需要事先取样，耗时长；现有的间接测试装置是利用探头深入土体内部进行静态检测，无法在土体处于受压的动态过程中对挤压面不同位置含水率进行实时测定。因此。目前仍缺乏在受压过程中能动态实时测定土体受压面上含水率的合适装置。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种含水率动态测试装置，其能够动态实时地测定土体在受压过程中，受压面上的含水率。

本发明的另一目的在于提供一种含水率测试系统，其能够更加全面和方便地测定土体的含水率。

本发明的实施例是这样实现的：

一种含水率动态测试装置，其包括第一挤压盘、第二挤压盘、加载装置、电阻测试仪以及控制系统，第一挤压盘和第二挤压盘之间平行且相对设置，第一挤压盘和第二挤压盘之间形成用于放置测试土体的容置空间，第一挤压盘连接于加载装置，第一挤压盘上设置有多对电极，多对电极均连接于电阻测试仪，电阻测试仪连接于控制系统。

在本发明较佳的实施例中，第一挤压盘与第二挤压盘相对的表面设置有与多对电极数量相等的多对电极孔，多对电极分别设置于多对电极孔中，每个电极与每个电极孔的孔壁之间均填充有绝缘材料。

在本发明较佳的实施例中，多对电极孔沿第一挤压盘的中心轴方向设置，每对电极孔分别设置于第一挤压盘的中心轴的两侧。

在本发明较佳的实施例中，第一挤压盘为圆形，多对电极孔以圆心为中心，且以向四周辐射的方式布置。

在本发明较佳的实施例中，多对电极孔排列成两排，每排电极孔等距分布。

在本发明较佳的实施例中，上述多对电极均通过导线连接于控制系统，第一挤压盘的侧面设置有出线孔，导线从出线孔穿出并连接于所电阻测试仪。

在本发明较佳的实施例中，控制系统为内设置有基于智能识别的算法的软件系统。

在本发明较佳的实施例中，上述含水率动态测试装置还包括用于固定第二挤压盘的反力装置，反力装置连接于第二挤压盘远离第一挤压盘的一端。

在本发明较佳的实施例中，含水率动态测试装置还包括用于测试加载装置传递到第二挤压盘上的反作用力的测力装置，测力装置连接于控制系统，测力装置设置于第二挤压盘与反力装置之间，并且一端连接于第二挤压盘，另一端连接于反力装置。

一种含水率测试系统，其包括用于测试受压前土体的平均含水率的水分测定仪以及上述含水率动态测试装置。

本发明实施例的有益效果是：

本发明提供的含水率动态测试装置以及含水率测试系统，其包括第一挤压盘、第二挤压盘、加载装置、电阻测试仪以及控制系统，其通过第一挤压盘上设置的多对电极，并与电阻测试仪连接，从而能够实时反馈土体挤压过程中电阻的变化，据此得到挤压面上不同位置处的土体的含水率，实现土体挤压过程中含水率的实时、连续反馈。克服了传统含水率测定装置无法在土体挤压过程中动态实时检测的弊端。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为本发明第一实施例提供的含水率动态测试装置的结构示意图；

图2为本发明第一实施例提供的含水率动态测试装置的电极的整体排列的结构示意图；

图3为图2的Ⅲ-Ⅲ截面剖视图；

图4为图2的Ⅳ-Ⅳ截面剖视图；

图5为图3的Ⅴ部位的局部放大图；

图6为图4的Ⅵ部位的局部放大图；

图7为本发明第二实施例提供的含水率动态测试装置的电极的整体排列的结构示意图。

图标：100-含水率动态测试装置；110-第一挤压盘；120-第二挤压盘；130-加载装置；140-电阻测试仪；150-控制系统；121-反力装置；122-测力装置；111-电极。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

此外，术语“水平”、“竖直”、“悬垂”等术语并不表示要求部件绝对水平或悬垂，而是可以稍微倾斜。如“水平”仅仅是指其方向相对“竖直”而言更加水平，并不是表示该结构一定要完全水平，而是可以稍微倾斜。

在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

第一实施例

请参照图1，本发明的实施例提供一种含水率动态测试装置100，其包括第一挤压盘110、第二挤压盘120、加载装置130、电阻测试仪140以及控制系统150。

第一挤压盘110为整个装置的工作面，土体试样放置于第一挤压盘110上，第一挤压盘110的底部连接有加载装置130，从而可以将第一挤压盘110升起并向第二挤压盘120靠近，从而实现对土体试样的挤压。在本实施例中，第一挤压盘110用来放置土体试样的表面具有一定的粗糙度，第二挤压盘120用来挤压土体试样的工作面也具有一定的粗糙度。这样就可以保证在挤压土体的过程中，土体试样发生固结现象，使得土体试样的含水率分布不均，被挤压土体不同位置处的含水率值发生变化，进而使得后续操作，对受压土体实时动态含水率变化的测量顺利进行。一般来说，理想的两个光滑面挤压土体，土体试样是不会发生固结现象的。而且，光滑的平面在挤压的过程中也容易滑动，而影响测试的可操作性及准确性。因此，第一挤压盘110的工作面和第二挤压盘120均设置有一定的粗糙度。优选地，二者具有相同的粗糙度。当二者具有相同的粗糙度时，不仅能够保证土体试样在挤压过程中发生固结，而且能够保证与土体试样接触的两个工作面，作用于土体试样的摩擦力相同，从而有效地避免了实验误差，能够保证加载过程的准确性。

需要说明的是，在本实施例中，加载装置130可以是液压装置、也可以是气动装置、或者电动装置。上述给第一挤压盘110加载并使其上升的装置是本领域技术人员所熟知的技术。上述第一挤压盘110的底部通过螺栓固定连接于加载装置130，或者第一挤压盘110与加载装置130一体成型。上述加载装置130可以与控制系统150连接，也可以单独控制。

第二挤压盘120与第一挤压盘110相对设置，并且平行于第一挤压盘110，优选地，第二挤压盘120与第一挤压盘110的边缘齐平。第一挤压盘110和第二挤压盘120可以设置为圆形，也可以根据实际需要加工成其他不规则形状，优选地，第一挤压盘110和第二挤压盘120均设置为圆形。第一挤压盘110和第二挤压盘120可以采用钢板材料制成，也可以根据实际需要选用其他的材料，如铝合金或者其他合金材料。

第二挤压盘120连接于反力装置121上，用来固定第二挤压盘120，以使得第二挤压盘120能够相对于第一挤压盘110静止不动。在本实施例中，反力装置121可以是钢制的板材，通过螺栓固定连接于第二挤压盘120，或者是其他的固定装置。第二挤压盘120与反力装置121之间还设置有测力装置122，测力装置122与控制系统150连接，从而可以测试加载装置130所加载到土体试样上的反作用力，进而可以监控加载装置130的加载力。

需要说明的是，测力装置122可以是实时监控装置，例如压力传感器等。需要在控制系统150内预先设定阈值，从而防止加载力过大，进而将设备损坏。

进一步地，请参照图2，第一挤压盘110的工作面上设置有多对电极孔，每对电极孔中对应的设置有电极111，电极111与电极孔的孔壁之间填充有绝缘材料且不留间隙，从而可以使得第一挤压盘110的板面不与电极111相互之间导电，使得能够准确的测出土体试样中的含水率。在本实施例中，绝缘材料可以选择塑料或者树脂材料。

需要说明的是，电极111顶部平面平整且与第一挤压盘110之间完全吻合，从而更好地利于土体试样放置于第一挤压盘110的工作面，并且在加载装置130加载时，能够保证受力的均匀。

请结合图2、图4和图6，进一步地，电极孔沿第一挤压盘110的工作面的轴向分布为两排，请结合图3、图5并且每一排的电极孔都是等距离分布的，从而可以同时测出多个电阻值，来反映土体样品在受压过程中从中心向两侧分布的电阻值的变化率，以此来表征土体试样中的含水率的变化，从而实现了对受压土体实时动态含水率变化的测量。具体地，其原理是基于一定尺度的土体在恒定温度下，其含水率与电阻成反比，利用土体受压过程中受压面上不同位置处的电阻值反映其含水率的变化。

需要说明的是，每一排的电极孔分布距离不是固定的，可以根据具体的需要设定，优选地，每一排的电极孔的分布距离越小，所获得的电阻值越连续，对含水率的测试也越准确。

进一步地，在第一挤压盘110的侧面设置有出线孔，每一对电极111的两根导线均从出线孔穿出，并且连接于电阻测试仪140，从而可以测得每一对电极111的电阻值。

需要说明的是，上述每一对电极111的两根导线可以汇总成一股粗的导线，最终连接于电阻测试仪140，从而使得整个装置的结构更加紧凑，上述导线的连接关系是本领域技术人员所熟知的技术，此处不再赘述。

电阻测试仪140可以选用市场上常见的测量电阻的仪器。电阻测试仪140连接于控制系统150，从而能够将其所测得的多组电阻值传递到控制系统150内，从而反应出土体试样在受压过程中从中心向两侧分布的电阻值的变化率，以此来表征土体试样中的含水率的变化，从而实现了对受压土体实时动态含水率变化的测量。

控制系统150内设置有基于智能识别的算法的软件系统，从而能够将电阻测试仪140测量出来的多组电阻值，转换成所对应的受压土体试样的含水率值。每一电阻值对应一个含水率值，从而能够判断出土体试样在受压的情况下，含水率变化的分布值，进而实现对挤压土体不同位置处含水率的实时动态测定。

具体地，首先通过测量，得到多组已知含水率的土体试样的在未受压状态下的电阻值，然后对所得到的电阻值与含水率的关系在控制系统150中，利用基于智能识别的算法的软件系统进行拟合，从而得到土体试样的含水率与电阻的函数关系式，即就是完成了控制系统150内含水率-电阻关系的标定。

然后，在对待定的土体试样利用加载装置130进行挤压，由于土体试样在受到挤压的时候，会发生固结现象，从而使得土体试样的含水率分布发生变化，此时，电阻测试仪140测得的电阻值，带入到前述控制系统150中标定的函数关系式，即可计算出对应的含水率，每一对电极111都会测出一个电阻值，进而就可以得出土体试样的不同位置的含水率的实时动态值。

需要说明的时，基于智能识别的算法的软件系统可以选择专家系统、模糊系统或者神经网络系统。

总的来说，含水率动态测试装置100的实验操作过程是这样的：在测试受压土体挤压面上的含水率时，首先需要对该类土体的含水率-电阻关系进行标定，将相同土质、已知不同含水率的土体置于第一挤压盘110居中位置，依次测得不同含水率下的电极111的电阻，得到该类土体的含水率-电阻拟合关系。测试过程中，将待测土体置于第一挤压盘110居中位置，第二挤压盘120的工作面与土体试样上表面接触，测读电阻测试仪140的初始读数。打开加载系统，随着加载装置130的工作，推动第一挤压盘110上升，第二挤压盘120由于受到反力装置121的限制不能移动，第一挤压盘110的工作面上的土体试样不断被挤压并发生不均匀的固结现象，挤压面上的含水率分布开始变得不均匀，但不同位置处含水率可以通过第一挤压盘110上的电极111间的电阻实时连续地反映出来。在此过程中，测力装置122同时进行实时监控加载装置130的加载力，并测出挤压力，挤压位移由加载系统测出。随着挤压过程的进行，土体试样不断变薄，挤压面上土体含水率因为各位置固结程度的不同而出现显著差异。此时第一挤压盘110工作面上的土体试样的电阻值会同步发生变化，利用控制系统150内设置的基于智能识别的算法的软件系统对挤压过程的电阻值实时、动态监测，再由之前标定的电阻值与含水率之间的拟合关系便能实时反映土体受压过程中的含水率变化，从而实现对挤压土体试样不同位置处含水率的实时动态测定。

第二实施例

请参照图7，本实施例与第一实施例的不同之处在于，第一挤压盘110与第二挤压盘120均为圆形，第一挤压盘110上的多对电极孔是以第一挤压盘110的圆心为中心，并且以向第一挤压盘110的四周辐射的方式布置的。电极111设置于电极孔中。这种呈辐射状的布置能够更全面和准确地测试被挤压土体试样的含水率分布情况。

测试过程是这样的：电阻测试仪140测得多排电极对的电阻值，控制系统150对数据进行采集，软件系统对数据进行处理拟合。具体地，测试过程中，控制系统150按距离中心的远近对相同距离处的多处电阻测值取平均值，数据处理时，控制系统150会自动判断并剔除奇异数据点。

需要说明的是，这种呈辐射状布置的一排电极对的排数是不限定的，排数越多，所获得的电阻值样本越多，对含水率的测试也越准确。每相邻的两排的电极对间的距离是不固定的，优选地，每相邻的两排的电极对间的距离相等。

同样地，每一排的电极孔分布距离不是固定的，可以根据具体的需要设定，优选地，每一排的电极孔的分布距离越小，所获得的电阻值越连续，对含水率的测试也越准确。

第三实施例

本发明的实施例还提供了一种含水率测试系统，包括用于测试受压前土体的平均含水率的水分测定仪以及第一实施例或者第二实施例中的含水率动态测试装置。其能够更加全面地测量土体的含水率。

需要说明的是，上述水分测定仪可以选用现有技术中的化学水分测定仪等其他测量含水率的装置。

使用时，利用水分测定仪先对多组待测土体试样受压前的的平均水分值进行测量，得到多组已知含水率的土体试样，然后使用第一实施例或第二实施例中的含水率动态测试装置测试这些已知含水率的土体试样的电阻值，从而对第一实施例或第二实施例中的含水率动态测试装置的控制系统进行标定，得到土体试样的含水率-电阻的函数关系式，然后再使用第一实施例或第二实施例中的含水率动态测试装置对待测土体试样进行挤压，并测量其受挤压后的含水率分布。

综上所述，本发明提供的含水率动态测试装置以及含水率测试系统，克服了传统含水率测定装置无法在土体挤压过程中动态实时检测的弊端，通过等间距分布在第一挤压盘上的电极实时反馈土体挤压过程中电阻变化，据此得到挤压面上不同位置处的含水率，实现土体挤压过程中含水率的实时、连续反馈。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。