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        基于電磁波的路基含水量試驗(yàn)研究

        2019-05-18 07:12:10贠子輝
        城市道橋與防洪 2019年3期

        贠子輝

        (甘肅省甘南公路管理局,甘肅 甘南 747000)

        0 引言

        路基是公路承重的主體,它不僅承受由路面?zhèn)鬟f而來(lái)的行車荷載,而且還承受路面的自身重量,對(duì)填方和高填方路基而言,影響土體承載力的主要因素有土體的密實(shí)度、含水量等,所以在公路質(zhì)量的控制中對(duì)土質(zhì)密實(shí)度和含水量都有嚴(yán)格的要求。如果施工的路基土的含水量過(guò)大,路基的壓實(shí)度將達(dá)不到設(shè)計(jì)要求。對(duì)已建成的公路經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的使用,降雨使地表水滲入或地下水位的升高等因素,造成路基含水率增加,從而降低路基穩(wěn)定性,公路的整體承載力受到影響,導(dǎo)致公路路面出現(xiàn)不均勻沉降,造成安全隱患。

        目前,測(cè)定土壤含水量的方法很多,包括烘干法、電容法、電阻率成像法(ERI)、張力法、中子儀法、射線法、時(shí)域反射法(TDR)、核磁共振法(NMR)、計(jì)算機(jī)層析成像法(CT)、分離示蹤劑法(PT)、頻域分解法(FDD)及駐波比法(SWR)等。然而,這些傳統(tǒng)的小尺度測(cè)量土壤水含量的方法都屬于有損檢測(cè),而且檢測(cè)效率低、成本高,都需點(diǎn)位取樣,獲取的資料覆蓋面積小、代表性不足。針對(duì)公路施工路段長(zhǎng)、面積大、開(kāi)工點(diǎn)多的特點(diǎn),目前采用的人工有損點(diǎn)位檢測(cè)的方法已不能滿足實(shí)際需要,特別是對(duì)已建成的高速公路路基質(zhì)量的檢測(cè),應(yīng)用現(xiàn)在的檢測(cè)方法難以實(shí)現(xiàn)。如何研究一套快速、高效、簡(jiǎn)便的無(wú)損檢測(cè)方法適應(yīng)填土路基含水率的定量檢測(cè),是亟待解決的難題,也是當(dāng)前探討的熱點(diǎn)問(wèn)題之一。

        根據(jù)路基土的特點(diǎn),探尋應(yīng)用電磁波測(cè)試土基含水量的方法。電磁波在介質(zhì)中傳播時(shí),介質(zhì)的電學(xué)參量介電常數(shù)與電磁波的傳播速度、相位、反射系數(shù)和吸收系數(shù)密切相關(guān)[1]。由于土體含水量對(duì)土體的介電常數(shù)影響極大,研究土體介電常數(shù)與含水量之間的關(guān)系,可快速測(cè)定土體的含水量[2]。

        1 電磁波測(cè)試路基含水量原理與方法

        1.1 電磁波測(cè)試土體含水率基本理論

        土體是一種復(fù)雜的混合體,分為固、液、氣三相,介電性質(zhì)決定于土壤各組分的介電性質(zhì)、含量及其相互作用,由于在一定的頻率域內(nèi),自由水的介電常數(shù)等于80.36(20℃)[3],空氣的介電常數(shù)為1,而大多數(shù)土體固相的介電常數(shù)在3~7之間,因此,在非飽和土壤中,土體含水量是土體介電常數(shù)的主要影響因素,土體介電常數(shù)的變化能很好地反映土壤含水量的變化。自1965年Looynega提出具有物理基礎(chǔ)的土壤介電常數(shù)的混和介質(zhì)模型以來(lái),眾多研究者對(duì)θ~ε關(guān)系模型展開(kāi)大量研究,Alharath[4]公式和Ferre[5]公式僅適用于細(xì)沙和粉沙性土,而Topp[6]做了進(jìn)一步的研究得到Topp公式:

        式中:ε為介電常數(shù);θ為體積含水量。

        只需土體的介電常數(shù)一個(gè)參數(shù)就可以確定土壤含水量的優(yōu)勢(shì),以及最初認(rèn)為的相對(duì)獨(dú)立于土壤質(zhì)地、容重、溫度、溶液含鹽量及土壤濕潤(rùn)歷史的普遍適用性,使其成為應(yīng)用最廣泛的通用公式,但隨后的諸多研究表明,Topp公式在不同類型土壤特別是黏性土壤和低容重高有機(jī)質(zhì)土壤上的應(yīng)用依然存在較大的誤差,必須根據(jù)具體情況對(duì)土壤含水量進(jìn)行校正。Roth等曾對(duì)公式進(jìn)行了修正,但其適應(yīng)性并未得到提高。Herkelrath等研究認(rèn)為在一定的含水量范圍內(nèi)土體含水量與介電常數(shù)的平方根呈線性相關(guān)關(guān)系,并提出以下通用關(guān)系式:

        式中:a、b為校正參數(shù);θ為體積含水量

        Jacobsen[7]等的驗(yàn)證結(jié)果表明,Herkelrath公式可以獲取較高的體積含水量測(cè)定精度,但針對(duì)不同土體必須首先準(zhǔn)確確定其校正參數(shù)。隨著理論研究的進(jìn)一步深入,Looyenga和Dasberglen等人分別根據(jù)土壤的特點(diǎn),提出了不同形式的混合模式的土壤介電常數(shù)與含水量的計(jì)算公式,但是這些公式參數(shù)較多,難以在實(shí)際中應(yīng)用和推廣。

        上述公式中的土體含水量都是體積含水量,在實(shí)際施工中不實(shí)用,也不適應(yīng)本地路基填土土體的類型。見(jiàn)于此類問(wèn)題,針對(duì)公路路基的填土的土體情況,選取一種土,在實(shí)驗(yàn)室采用先制作目標(biāo)含水率的試件進(jìn)行雷達(dá)測(cè)試,再進(jìn)行試件含水率與壓實(shí)度實(shí)測(cè),目的是尋求土壤含水率和介電常數(shù)的關(guān)系及測(cè)試方法,便于在探地雷達(dá)的無(wú)損檢測(cè)中應(yīng)用。

        1.2 電磁波測(cè)試路基含水率方法

        電磁波在土中的傳播速度為:

        式中:c=0.3 m/ns為真空中電磁波的傳播速度;εr為土的相對(duì)介電常數(shù)。

        根據(jù)電磁波發(fā)射至反射波返回的時(shí)間差△t、反射界面距表面的深度d及發(fā)射天線和接收天線之間距離x,便可計(jì)算出雷達(dá)波在土中的傳播速度為:

        利用干燥箱和電子秤可以得到土體試塊的含水率,從而建立雷達(dá)波在土中的傳播速度與含水率的函數(shù)關(guān)系,實(shí)現(xiàn)電磁波測(cè)試土體含水率的目的。

        1.3 試驗(yàn)裝置選擇

        室內(nèi)試驗(yàn)成型試件時(shí)利用現(xiàn)有瀝青混凝土車轍板成型設(shè)備(車轍成型機(jī)和壓力機(jī)),定制試件模具尺寸長(zhǎng)×寬×高為:30 cm×30 cm×10 cm。在進(jìn)行試驗(yàn)時(shí),試件表面與電磁波發(fā)射天線距離為20 cm,電磁波測(cè)試采用空氣耦合天線,頻率為2 000 MHz,測(cè)試深度0.8 m,掃描分辨率0.02 m,脈沖頻率400 kHz,掃描速率850掃/s。

        1.4 電磁波影響因素

        前期試驗(yàn)中,對(duì)自然堆積土和壓實(shí)后的土進(jìn)行測(cè)試時(shí),發(fā)現(xiàn)壓實(shí)度對(duì)介電常數(shù)有一定的影響,所以試驗(yàn)中所用試件壓實(shí)度以最佳含水率時(shí)的最大干密度為目標(biāo)。使用《公路土工試驗(yàn)規(guī)程》(JTG E40—2007)中的T0131-2007擊實(shí)法確定最大干密度,最佳含水率試驗(yàn)數(shù)據(jù)見(jiàn)圖1。

        圖1 土最佳含水率試驗(yàn)

        根據(jù)擊實(shí)試驗(yàn)得到該土的最佳含水率為:14.6%,最大干密度1.69 g/cm3。在最佳含水率±4%含水率范圍間隔1%制作試件,所以制作試件的目標(biāo)含水率定為:10%,11%,12%,13%,14%,15%,16%,17%,18%等不同含水率試件。

        2 試件制備及試驗(yàn)過(guò)程

        試件由過(guò)2 mm篩的粉土通過(guò)壓制而成,根據(jù)土密度計(jì)算需用土量,每塊試件用干土大約14 kg,向土中加入適量的水進(jìn)行拌合,分別制作含水率為 10%,11%,12%,13%,14%,15%,16%,17%,18%的土悶12 h。

        首先成型試件,在試模中鋪一張塑料紙,使底面及側(cè)面均被塑料紙隔離(見(jiàn)圖2);其次將配好的土用小鏟加拌和后均勻地沿試模由邊至中間順序轉(zhuǎn)圈裝入試模,并在裝入過(guò)程中由四周向中間的順序進(jìn)行錘擊,務(wù)必使試件四個(gè)角及邊緣處密實(shí);在土加滿試件后,使試件中間隆起高出模具5 cm。

        將模具放入車轍成型機(jī)上按瀝青混凝土車轍板成型方法碾壓該試件。先在一個(gè)方向碾壓10個(gè)往返;卸載;再抬起碾壓輪,將試件調(diào)轉(zhuǎn)方向;再加相同荷載碾壓10個(gè)往返。接著將試模取出,用刮板將高出試件的土刮下,使頂面與模具齊平。如果有不足處用同一試件上刮下的土補(bǔ)齊。再用一塊比試件尺寸稍小的鋼板蓋在試件上,放置在壓力機(jī)上進(jìn)行加壓成型。加壓速率5 mm/min,加至200 kN后靜壓40 s。通過(guò)該種方法成型的試件基本達(dá)到壓實(shí)度要求。

        圖2 成型后的試驗(yàn)試件

        在試驗(yàn)中電磁波天線距試件表面20 cm(見(jiàn)圖3),電磁波測(cè)試后,分別對(duì)11個(gè)試件進(jìn)行含水率和壓實(shí)度測(cè)試。

        圖3 電磁波測(cè)試位置圖

        3 試驗(yàn)結(jié)果分析

        在該試驗(yàn)中分別用幅值法和厚度法進(jìn)行測(cè)試,結(jié)果表明由于天線擴(kuò)散角較大,試件尺寸小于擴(kuò)散覆蓋范圍,反射電磁波信號(hào)的數(shù)量存在差異,因此在檢測(cè)過(guò)程中被測(cè)物體與天線間的距離對(duì)幅值具有一定的影響,距離遠(yuǎn)幅值會(huì)相應(yīng)變小,所以當(dāng)天線產(chǎn)生顛簸震動(dòng)時(shí)幅值會(huì)發(fā)生相應(yīng)的變化,數(shù)據(jù)分析會(huì)產(chǎn)生偏差,所以數(shù)據(jù)分析時(shí)使用了介電常數(shù)進(jìn)行分析。

        電磁波測(cè)試后分別取11個(gè)試件的土樣,使用烘干法對(duì)試件含水率進(jìn)行檢測(cè),并用環(huán)刀法對(duì)試件的壓實(shí)度進(jìn)行檢測(cè)。在數(shù)據(jù)處理過(guò)程中均以實(shí)測(cè)含水率下的數(shù)據(jù)為準(zhǔn),經(jīng)過(guò)試驗(yàn)測(cè)得11個(gè)試件的壓實(shí)度均大于93%(符合路基土壓實(shí)度二級(jí)及以下公路要求)詳細(xì)數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。

        通過(guò)該數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)該土體中介電常數(shù)伴隨含水率的升高而升高(見(jiàn)圖4),介電常數(shù)與含水率的回歸公式如下:

        表1 實(shí)測(cè)試件含水率、壓實(shí)度及介電常數(shù)

        式中:ε為介電常數(shù);ω為含水率。

        圖4 土體含水率與介電常數(shù)關(guān)系

        試驗(yàn)結(jié)果證明本文基于電磁波進(jìn)行土體不同含水率的測(cè)試方法可行,通過(guò)該方法可以分別對(duì)道路上的不同深度、不同部位路基進(jìn)行含水率測(cè)試,測(cè)試結(jié)果為路基強(qiáng)度評(píng)價(jià)和養(yǎng)護(hù)提供重要依據(jù)。

        4 結(jié)語(yǔ)

        通過(guò)本文試驗(yàn)研究,主要得到如下主要結(jié)論:

        (1)路基含水率不同將導(dǎo)致其介電常數(shù)產(chǎn)生顯著差異,可以通過(guò)檢測(cè)到的介電常數(shù)變化反映路基含水率的不同。

        (2)路基含水率愈大,則其介電常數(shù)也愈大,兩者表現(xiàn)出良好的線性關(guān)系。

        (3)由于道路通車后不但路基含水率會(huì)發(fā)生變化,壓實(shí)度、密度等亦將變化,因此可采用本文研究方法進(jìn)行不同壓實(shí)程度、密度等路基土參數(shù)與電磁波檢測(cè)結(jié)果間的關(guān)系研究。

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