本发明属于冻土未冻水含量测量技术领域，具体涉及一种可控制应力状态的冻土未冻结含水量测试仪器。
背景技术：
中国的多年冻土面积占国土面积的22.3％，在世界上占第三位。在冻土地区进行基础设施建设面临的一个棘手问题是土样的冻胀和融沉，如公路和铁路路基冻融后产生的不均沉降以及建筑物地基冻融后产生的倾斜变形等等。土样的冻胀和融沉是由于孔隙中的液态水和固态冰在温度作用下产生相变，进而导致土样体积变化而造成的。根据已有研究发现，随温度降低，土样中液态水的冻结是一个渐变的过程。在负温度下，土样中部分孔隙水可通过毛细和吸附作用降低自身的能量状态，保持液体状态。因此，确定土样中某一温度下剩余的未冻结含水量对估算土样的冻胀和融沉具有重要的意义。
目前测试冻土中未冻结含水量的方法主要有热量法、时域反射仪法、计算机析识别技术法和核磁共振仪法等。然而，现有基于这些方法的测试仪器大都测量的是土样无载荷作用下的未冻结含水量，这与通常情况下土样受到一定应力状态的原位条件并不一致。尤其是岩土工程中频繁接触较深土层冻土，冻结过程中土样的应力状态更是不容忽视。因此发明一种能够测试不同应力状态下冻土中未冻结含水量的仪器，对多年冻土区的冻胀和融沉分析具有重要作用。
技术实现要素：
本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种可控制应力状态的冻土未冻结含水量测试仪器，操作简单，结果准确，满足科研和工程实际的需要。
本发明采用以下技术方案：
一种可控制应力状态的冻土未冻结含水量测试仪器，包括嵌有无损tdr探头的有机玻璃顶盖，有机玻璃顶盖设置在填充有防冻液的压力室内，位于土样的上方，有机玻璃顶盖通过加载杆与压力室外部的竖向应力加载架连接用于施加竖向荷载，土样与用于热交换的冻融温控系统连接，压力室内防冻液与液压系统连接用于施加围压加载，无损tdr探头通过同轴电缆与信号发射器连接，通过脉冲反射信号获得介质的介电常数进而确定未冻结含水量。
具体的，冻融温控系统用于进行-20～0℃的冻融循环，包括环绕设置在土样外部的螺旋铜管圈，螺旋铜管圈的两端分别与泵连接，泵与恒温控制器连接，螺旋铜管圈内设置有防冻液。
具体的，压力室外部的加载杆上分别设置有力传感器和位移传感器。
具体的，无损tdr探头包括三条蛇形铜片，通过印制电路板制成，蛇形铜片平行设置在电路板上，位于中间的蛇形铜片与同轴电缆内导体连接，剩余两个蛇形铜片与同轴电缆外导体连接。
具体的，三条蛇形铜片之间的间距为3～5mm，每个蛇形铜片的高度为0.01～0.03mm，宽度为1～2mm。
具体的，电路板直径为65～72mm，厚度为6～10mm。
具体的，土样的直径为76mm，高为20～40mm的圆柱体。
具体的，压力室外部设置有保温棉。
具体的，未冻结含水量由介电混合模型标定，具体为：
其中，θw为测试土样的体积含水量，k为标定参数，εs、εw、εi、εa分别为土颗粒、空气、液态水和冰的介电常数，n为土样的孔隙率，εa,soil为土样介电常数。
进一步的，土样介电常数εa,soil如下：
其中，a,b为标定参数，c为光速，δt为仪器测量参数，l为无损tdr探头中三条平行的蛇形铜片中中间蛇形铜片的长度。
与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：
本发明一种可控制应力状态的冻土未冻结含水量测试仪器，将土样放置到充满防冻液的压力室内，并在土样上方设置嵌有无损tdr探头的有机玻璃顶盖，有机玻璃顶盖连接加载杆用于实现竖向载荷，防冻液连接液压系统用于实现围压加载，土样连接冻融温控系统，用于实现热交换，无损tdr探头通过同轴电缆与信号发射器连接，通过脉冲反射信号获得介质的介电常数进而确定未冻结含水量，加载系统在加入tdr无损探头和冻融温度控制系统后，应力状态控制准确，工作正常，可准确测试不同应力状态下冻土中未冻结含水量。
进一步的，冻融温控系统用于进行-20～0℃的冻融循环，本发明的冻融温度控制系统工作有效，在平衡状态下式样内温度分布均匀且温度变化波动小。
进一步的，压力室外部的加载杆上分别设置有力传感器和位移传感器，用于测试施加于土样的竖向荷载和变形。两个传感器与压力室一定距离并有保温棉隔绝保温，保证传感器工作的温度环境与室内温度一致，本发明的力传感器和位移传感器在冻融循环条件下工作稳定，测试精确。
进一步的，无损tdr探头采用印制电路板制成，蛇形铜片包括三个，平行设置在电路板上，该种形式的探头可显著减少波导的长度，进行非插入式的无损测试。本发明的无损tdr探头测试信号稳定，测试波形中反射点易于识别，可准确确定测试介质的介电常数。
进一步的，蛇形铜片的间距为3～5mm，高度为0.01～0.03mm，宽度为1～2mm，电路板直径为65～72mm，厚度为6～10mm，上述尺寸设置能满足无损tdr探头的测试范围不受测试介质介电特性的影响，进而保证该探头测试含水量的标定关系具有很高的相关系数。
进一步的，土样的直径为76mm，高为20～40mm的圆柱体。土样的直径与目前常见的三轴式样直径一致，可与通用的三轴仪进行无缝连接。式样高度设置同时满足有机玻璃顶盖的边界效应影响以及无损tdr探头在竖直方向的测试范围要求。
进一步的，测量未冻结含水量的无损tdr探头标定过程具有理论依据强、过程简单的优点，校准关系的r2值大于0.99。
下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
图1为本发明结构示意图；
图2为本发明无损tdr探头的示意图；
图3为本发明无损tdr探头测式土样介电常数的标定关系图；
图4为本发明利用土样介电常数计算未冻结含水量的标定关系图；
图5为冻融循环过程中在式样中不同位置监测的温度变化示意图，其中，(a)为土样外表面上边界和下边界的温度变化，(b)为土样外表面上边界和土样中心的温度变化。
其中：1.加载杆；2.力传感器；3.位移传感器；4.压力室；5.螺旋铜管圈；6.有机玻璃顶盖；7.竖向应力加载架；8.开关；9.液压系统；10.防冻液；11.土样；12.保温棉；13.恒温控制器；14.泵；15.同轴电缆；16.无损tdr探头；17.同轴电缆外导体；18.同轴电缆内导体；19.电路板；20.蛇形铜片。
具体实施方式
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“一侧”、“一端”、“一边”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，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。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“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。
本发明提供了一种可控制应力状态的冻土未冻结含水量测试仪器，在三轴仪的基础上加入了用于测试土样未冻结含水量的无损时域反射(tdr)探头和冻融温控系统。无损tdr探头由印制电路板技术制作，在一个电路板上面附着三条蛇形铜片，中间蛇形铜片和两边铜片分别与同轴电缆的内外导体焊接相连。冻融温控系统可进行-20～0℃范围内的冻融循环。三轴仪可对土样施加不同的水平向和竖向应力来模拟土样的应力状态。为测试不同应力状态下冻土中未冻结含水量提供了有力的工具。
请参阅图1和图2，本发明一种可控制应力状态的冻土未冻结含水量测试仪器，包括无损tdr探头16、冻融温控系统和三轴仪，将嵌有无损tdr探头16的有机玻璃顶盖6放置在土样11的上方，通过电磁波技术进行测试；土样11放置在三轴仪的压力室4内，有机玻璃顶盖6的上端与加载杆1的一端连接，加载杆1的另一端与竖向应力加载架7连接，在压力室4外部的加载杆1上依次设置力传感器2和位移传感器3，土样11外部环绕设置有冻融温控系统的螺旋铜管圈5，螺旋铜管圈5的两端分别通过泵14与恒温控制器13连接，在螺旋铜管圈5内设置有防冻液10，压力室4内设置有相同的防冻液10，压力室4内防冻液10与液压系统9连接，压力室4内的防冻液10与螺旋铜管圈5内的防冻液10相互不连接，无损tdr探头16上的蛇形铜片20通过同轴电缆15与信号发射器连接，测试未冻结含水量时，通过信号发射器发射一个电磁脉冲，脉冲通过同轴电缆15及蛇形铜片20传播，在遇到阻抗不连续的地方发生反射并由示波器记录该反射信号，最终通过分析该反射信号获得介质的介电常数，然后进行未冻结含水量计算。
冻融温控系统由恒温控制器13、螺旋铜管圈5和防冻液10组成，防冻液10的温度由恒温控制器13控制；螺旋铜管圈5环绕在土样11周围，将防冻液10通过螺旋铜管圈5进行循环；
防冻液10包括体积比1:1的水和乙二醇，该比例下混合溶液的冰点可达-40℃，满足工程试验要求。
三轴仪由压力室4、液压系统9和竖向压力加载架7组成，土样11通过与循环防冻液的热交换进行冷冻或融化；为减少能量损失并尽量减少土样11温度波动，压力室4采用低导热率的保温棉12(橡胶棉)做绝热处理。
土样11的水平向应力状态通过液压系统9对压力室4内的防冻液10进行施加围压加载；竖向荷载由竖向应力加载架7进行控制，通过上下移动置于竖向应力加载架7上的压力室4，土样11由于加载杆1的约束产生压缩，进而施加竖向应力，应力的大小由加载杆1上面的力传感器2进行测量，位移传感器3用于测试加载过程中土样11的竖向位移；通过土样11水平和竖向应力的控制可以模拟土样11不同的应力状态。
无损tdr探头16通过印制电路板制作，在一个电路板上形成三条平行的蛇形铜片20；tdr探头16与同轴电缆15(电阻抗为50ω)焊接，同轴电缆15的同轴电缆内导体18与中间的蛇形铜片20焊接，同轴电缆外导体17即屏蔽层与其余两个蛇形铜片20焊接。
无损tdr探头16中电路板直径为65～72mm，厚度为6～10mm；三条平行蛇形铜片20中相邻铜片的间距为3～5mm，每个蛇形铜片20的高度和宽度分别为0.01～0.03mm和1～2mm；
压力室4中的土样11尺寸为直径为76mm，高为20～40mm的圆柱体。
竖向应力加载架7的底座上设置有开关8，用于控制升高或降低三轴压力室竖向位移的电源。
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。通常在此处附图中的描述和所示的本发明实施例的组件可以通过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。
本发明中利用三轴仪控制土样应力状态时，首先将压力室内充满由水和乙二醇按1：1的体积比进行混合的防冻液，然后由液压系统对压力室内防冻液施加压力，进而控制土样的水平应力状态。
上下移动置于竖向应力加载架上面的压力室，通过加载杆对土样施加压缩，并由力传感器测试竖向应力，进而控制土样的竖向应力状态。
相邻蛇形铜片的间距为5mm，每个蛇形铜片20的高度和宽度分别为0.02mm和1mm，电路板的直径为70mm，厚度为6mm。
工作原理如下：
1)无损tdr探头测试未冻结含水量原理及标定：
首先利用无损tdr探头进行测试土样介电常数的标定，标定公式如下：
其中，εa,soil为测试土样介质介电常数，a,b为标定参数可以通过测量几组已知介电常数的介质来标定，c为光速(3×108m/s)，δt为仪器测量参数，l为三条平行的蛇形铜片中的中间铜片长度。
请参阅图3，由无损tdr探头测试的δt与土体介质之间有较强的二次曲线关系，标定的相关系数r2达0.995。
得到土样11介电常数后，其中未冻结含水量由介电混合模型标定：
其中，θw为测试土样的体积含水量，k为标定参数，可以通过测量几组不同含水量的土样11式样来标定，εs、εw、εi、εa分别为土样11、空气、液态水和冰的介电常数(固定常数)，n为土样11的孔隙率。
请参阅图4，由无损tdr探头测试的土样介质介电常数εa,soil与土体体积含水量有较强的幂指数关系，标定参数k为0.57。标定的相关系数达0.991。
图5表示无损tdr探头测试土样11介电常数的标定关系图。从图中可以看出，两者之间存在良好的线性关系。所有校准关系的r2值均大于0.99。
2)冻融温控系统的校准
冻融过程中，使用连接在土样顶部(p-1)，中间(p-2)和底部(p-3)的三个热电偶测试土样的温度，验证土样11内部温度分布的均匀性和波动性。在20℃至-20℃的温度下以-5℃的步骤施加冷冻和融化。
图5a表示冻融循环过程中在位置p-1(式样外表面上边界)和p-2(土样外表面下边界)所测量的温度变化，图5b表示冻融循环过程中在位置p-1(上边界)和p-3(土样中心)所测量的温度变化。图5中的测量结果表明，温度控制系统工作有效；在平衡状态下土样温度波动小于0.2℃。
以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。