CN111122619A - 基于平行螺旋式可伸缩时域反射探针的含水率测量*** - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于平行螺旋式可伸缩的时域反射探针的含水率测量***，包括时域反射探针、绝缘转换器、柔性筒和时域反射信号发生采集器，所述时域反射探针包括一根正极探针和至少一根负极探针，正极探针和负极探针平行螺旋布设在柔性筒内侧壁上，且布设后的时域反射探针至少占柔性筒高度的90％，正极探针和负极探针穿过绝缘转换器，并通过同轴电缆与时域反射信号发生器相连。本方案可用来无损实时测量三轴剪切试验中冻土、含天然气水合物土、砂土、粉土、黏土、黄土、特殊土和岩石等样品的含水率，即保障了样品含水率的测量效果，又避免了对样品三轴剪切试验数据的影响，在非饱和土以及含天然气水合物土样品三轴剪切试验方面具有广阔的应用前景。

Description

基于平行螺旋式可伸缩时域反射探针的含水率测量***

技术领域

本发明属于岩土工程行业、农业和非常规油气行业岩土样品含水率测试领域，具体涉及一种基于平行螺旋式可伸缩时域反射探针的含水率测量***。

背景技术

岩土样品含水率是影响其力学性质和渗流性质的关键参数，也是评价土壤植物需水情况的重要指标，对其进行准确快速测量具有重要的意义。时域反射技术是利用电磁波在不同介质中的传播速度差异来测定各类土体内部含水率的方法，近四十年来在岩土工程行业、农业和非常规油气行业有着广泛的应用。目前，平行两针式、平行三针式、平行多针式和平行平板式等刚性时域反射探针在市场上较为常见，应用于现场土体含水率测量时取得了较好的应用效果。

三轴剪切试验是在实验室内确定样品抗剪强度指标的有效手段，在岩土工程行业和非常规油气行业应用十分广泛。然而，在进行非饱和土样品和含天然气水合物土样品三轴剪切试验时，样品含水率通常采用试验前预设或者试验后复测的方法确定，或者根据驱替排水量确定样品含水率，实时性差且难于做到无损测量。近年来，加拿大卡尔加里大学将平行刚性时域反射探针应用于非饱和土三轴剪切试验样品含水量的测量，但探针长度仅为样品高度的三分之一左右，虽然能够实时无损测量样品含水率，但是却无法反应样品其余三分之二高度范围内的含水情况。

为了克服上述困难，授权公告号为【CN 104215499 B】和授权公告号为【CN103196490 B】的发明专利提出了柔性探针设计方案，其均采用柔性平行两针式时域反射探针替换传统刚性时域反射探针，探针长度达到样品高度90％以上，保证了测量含水率可以较好地反应样品整体的含水情况，同时又避免了对三轴剪切试验样品应力应变曲线的影响。然而，上述柔性平行两针式时域反射探针对样品制备提出了很高的要求，需要保证三轴剪切试验所用探针的空间展布位置与介电常数-含水率关联经验式标定试验所用探针的空间展布位置一致，比如，保证两根探针上下的一致平行以及两根探针位于同一个平面，而在近几年的实际应用过程中发现，这通常是难以实现的。因为柔性探针(软铜丝)是竖直向布置在样品内部，边装砂子边拉直柔性探针，这就导致很难保证砂子装好之后，其内部的探针之间的距离相等，这对时域反射法测量效果影响很大，原因是在用时域反射探针测量时需要预先标定一个经验关系式，这个经验关系式是探针相关的，如果实验时用的探针空间展布与标定的不一致，那么这个经验关系式的效果也会受到很大影响，进而会导致含水率测量结果通常存在明显的不确定性偏差。此外，上述柔性平行两针式时域反射探针在剪切过程中会发生连续卷曲，同样影响样品含水率的测量效果。

综上所述，现有三轴剪切试验适用的含水率测量时域反射探针存在以下不足：(1)刚性平行短探针无法测量样品整体含水情况；(2)柔性平行探针的空间展布在样品制备时难以精确控制；且由于柔性探针在样品内部，样品被压缩之后，柔性探针也会跟着被压缩，柔性平行探针因三轴剪切会发生连续卷曲。上述不足的存在导致探针预先标定经验关系式难以适用于三轴剪切试验，在剪切过程中难以准确测量样品含水率，以及含水率测量结果不具代表性等问题，严重影响了时域反射技术在三轴剪切试验方面的应用效果。

因此，研制一套能够克服上述不足的时域反射探针，对于发展非饱和土和含天然气水合物土三轴剪切试验样品含水率的实时准确测量技术具有重要意义，同时能够为样品内天然气水合物合成量和分解量的确定提供可靠的含水量变化数据。

发明内容

本发明针对现有技术中存在的上述缺陷，提出一种基于平行螺旋式可伸缩的时域反射探针的含水率测量***，结合平行螺旋式可伸缩的时域反射探针的特殊设计，实现非饱和土和含天然气水合物土三轴剪切试验中样品含水率的实时无损测量。

本发明是采用以下的技术方案实现的：一种基于平行螺旋式可伸缩的时域反射探针的含水率测量***，包括时域反射探针、绝缘转换器、柔性筒和时域反射信号发生采集器，所述绝缘转换器与柔性筒密封连接，柔性筒用以包覆待测样品；

所述时域反射探针包括一根正极探针和至少一根负极探针，所述正极探针和负极探针采用导电且柔软的金属，正极探针和负极探针之间以等间距间隔平行螺旋布设在柔性筒内侧壁上，正极探针和负极探针穿过所述绝缘转换器，并通过同轴电缆与时域反射信号发生器相连。

进一步的，所述时域反射探针包括一根正极探针和两根负极探针，三根探针平行螺旋设置在柔性筒内壁上，并将位于中间的探针记为中心探针，位于中心探针两侧的记为边侧探针。

进一步的，为了保证样品含水率的测量效果，所述边侧探针与中心探针在圆周上对应的圆心角相等，且该圆心角θ不大于20倍探针直径与样品直径的比值，所述探针直径是指时域反射探针中的单个探针的直径，正极探针和负极探针直径相同。

进一步的，所述圆心角θ由以下方式确定：

其中，D₀和H₀分别是样品的直径和高度，N_c是时域反射探针的有效螺旋圈数，G是探针线材的刚性模数。

进一步的，根据所确定的圆心角θ，进而可确定单个正极或负极探针的直径d：

进一步的，所述时域反射探针所采用的材质包括但不限于铜质、铝质及其衍生合金。

进一步的，所述时域反射探针在柔性筒内侧壁上的螺旋圈数大于0圈。

进一步的，所述时域反射探针直接黏附固定于柔性筒内侧壁上，或者在柔性筒内侧壁上开设螺旋形凹槽，将时域反射探针固定在所述凹槽内。

进一步的，所布设后的时域反射探针至少占柔性筒高度的90％。

进一步的，所述柔性筒采用热缩管或橡胶薄膜。

与现有技术相比，本发明的优点和积极效果在于：

1.本方案所提出的时域反射探针固定于柔性筒内壁，有效避免了样品制备时探针空间展布控制难题，使预先标定试验与三轴剪切试验所用探针空间展布具有良好的一致性，保证了介电常数与含水率标定关系式的使用效果；

2.时域反射探针采用螺旋平行式结构，试验时在三轴剪切影响下类似弹簧压缩变形，时域反射探针整体不会出现卷曲，只是整体高度有所减小，对时域反射测量的影响明显减小，有效避免了三轴剪切样品压缩而导致的探针连续卷曲，保证一半以上探针侧面与样品接触，保证了含水率测量的敏感性；

3.螺旋探针高度达样品高度90％以上，含水率测量范围具有良好的代表性，并且螺旋探针易于轴向压缩，有效避免了传统刚性探针对样品三轴剪切应力应变曲线的影响。

通过针对常用时域反射探针存在的不足进行针对性设计，该时域反射探针易于标定、对三轴剪切试验应力应变结果影响较小，即保障了样品含水率的测量效果，又避免了对样品三轴剪切试验数据的影响，在非饱和土以及含天然气水合物土样品三轴剪切试验方面具有广阔的应用前景；可用来无损实时测量三轴剪切试验中冻土、含天然气水合物土、砂土、粉土、黏土、黄土、特殊土和岩石等样品的含水率。

附图说明

图1为本发明实施例所述平行螺旋式可伸缩的时域反射探针结构示意图，其中图1(1)为整体示意图，图1(2)为图1(1)中不同高度处横截面各点的俯视示意图，以说明其空间螺旋结构；

图2为本发明实施例所述的平行螺旋式可伸缩的时域反射探针应用于三轴剪切试验示意图；

其中，a、负极探针；b、正极探针；c、负极探针；d、橡胶柔性筒；e、同轴电缆；f、绝缘转接器；g、样品；h、时域反射信号发生采集器；i、三轴剪切试验反应釜内腔；k、样品顶盖与剪切活塞。

具体实施方式

为了能够更清楚的理解本发明的上述目的和优点，下面结合附图对本发明的具体实施方式、结构、特征及其功效做详细地描述：

本实施例提供一种基于平行螺旋式可伸缩的时域反射探针的含水率测量***，以实现非饱和土和含天然气水合物土三轴剪切试验中样品含水率的实时无损测量，含水率测量数据可以进一步用来确定含天然气水合物土样品的水合物饱和度。

具体的，基于平行螺旋式可伸缩的时域反射探针的含水率测量***包括时域反射探针、绝缘转换器、柔性筒和时域反射信号发生采集器，所述绝缘转换器与柔性筒密封连接，柔性筒用以包覆于待测样品(即非饱和土或含天然气水合物土样品置于柔性筒内)，所述柔性筒采用橡胶薄膜或热缩管等材质，所述时域反射探针包括一根正极探针和至少一根负极探针，正极探针和负极探针平行螺旋布设在柔性筒内侧壁上(即时域反射探针位于样品和柔性筒的交界面上),且布设后的时域反射探针至少占柔性筒高度的90％；正极探针和负极探针穿过所述绝缘转换器，并通过同轴电缆与时域反射信号发生器相连，通过与柔性筒和时域反射信号发生采集器配套使用进行完成含水率测量。

本实施例中，以三针式螺旋探针为例进行介绍，柔性筒优选橡胶薄膜，如图1-2所示，所述三针式螺旋探针包括一根正极探针b以及两根负极探针a和c，三根探针之间以等间距间隔平行螺旋固定于柔性橡胶薄膜内壁上，探针a、b和c直接黏附固定于橡胶薄膜d内壁上，或者在橡胶薄膜内侧壁上开设螺旋形凹槽，将探针固定在凹槽内，其中心探针和边侧探针(中心和边侧的仅仅是相对于三个探针的位置而言，不做具体的限定，比如本实施例中b为中心探针，a、c为边侧探针)通过绝缘转换器f分别对应的与同轴电缆e的铜芯导体和铜线编织焊接，确保两者之间具有良好的绝缘性，同轴电缆e另一端连接时域反射信号发生采集器h,具体试验时，柔性筒和绝缘转换器均设置在三轴剪切试验反应釜内腔i中，柔性筒的顶部设置有样品顶盖与剪切活塞k。

本实施例所述探针的设计形式，有效避免了样品g制备时探针a、b和c空间展布控制难题，使预先标定试验与三轴剪切试验所用探针a、b和c空间展布具有良好的一致性，保证了介电常数与含水率标定关系式的使用效果。而且，探针a、b和c采用螺旋平行式结构，有效避免了三轴剪切样品g压缩而导致的探针a、b和c连续卷曲，探针位于样品g和橡胶薄膜d交界面上的凹槽内，至少一半以上探针侧面与样品接触，保证了含水率测量结果的代表性。螺旋探针高度达样品g高度90％以上，含水率测量范围具有良好的代表性，并且螺旋探针易于压缩，有效避免了其对样品g三轴剪切应力应变曲线的影响。

所述时域反射探针的材质为导电性良好且质地柔软的金属，比如而不限于铜质、铝质及其衍生合金等；为了保证样品含水率的测量效果，两个边侧探针与中心探针在圆周上对应的圆心角相等。如图1所示，两个边侧探针a和c与中心探针b在圆周上对应的圆心角∠aOb和∠bOc保持一致(以下将该圆心角记为θ)，并且该圆心角θ不大于20倍探针(这里指的是单个探针)直径与样品直径的比值。

所述圆心角θ由以下方式确定：

其中，D₀和H₀分别是样品的直径和高度，N_c是螺旋式时域反射探针的有效螺旋圈数，G是探针线材的刚性模数；可见，在探针线材和有效圈数确定之后，就可以据此确定螺旋探针的边中探针圆心角θ的大小，再按照下式即可确定探针直径：

可见，探针直径可以根据所用线材刚度、螺距和有效圈数等因素确定，保证螺旋探针的劲度系数足够小，即在样品被压缩15％应变时螺旋探针的轴向支撑力应小于0.01kPa，这是由于非饱和土样品抗剪强度通常在几十与数百kPa量级，而含水合物土样品抗剪强度可达数个MPa量级，因螺旋探针导致的抗剪强度误差在0.1％以内而可以忽略；探针高度根据样品高度确定，至少在样品高度的90％以上。

所述绝缘转换器f采用绝缘性良好的高强度材料，金属或非金属均可，在保证探针之间绝缘性的同时能够耐受20MPa的高压，并且在接近零度低温条件下具有良好的工作性能。此外，所述的绝缘转换器与柔性橡胶薄膜连接处通过高压密封结构密封连接，并且绝缘转换器直径由样品直径决定，绝缘转换器的直径大于样品直径与上述高压密封结构的总体尺寸，所述绝缘转换器的厚度根据其材质耐压参数与上述耐压上限确定。

需要说明的是，本实施例中，所述的同轴电缆为市场常见线缆，具有铜芯导体和铜质编制结构，铜芯导***于电缆中心，其外环绕铜质编制，铜芯导体与铜质编制之间具有良好的绝缘性和屏蔽效果，整体被绝缘外皮包裹，其长度根据试验实际需求确定。所述的柔性橡胶薄膜和时域反射信号发生采集器，与所述平行螺旋式可压缩时域反射探针配合使用，均为市场常规仪器和配件。

本方案中探针结构和材质综合考虑了低温和高压试验条件的要求，不仅能够用于非饱和土样品三轴剪切试验，还能够用于含天然气水合物土以及冻土样品三轴剪切试验；螺旋结构探针环绕样品布置，其高度达样品高度90％以上，实现了样品含水率测量和三轴剪切试验应力应变数据获取的整体最优；探针结构设计巧妙，生产造价低廉，易于工程实际应用与推广。

另外，需要说明的是，所述的时域反射探针除了采用三针式时域反射探针，还可以采用两针式时域反射探针，即一根正极探针与同轴电缆铜芯导体连接，另一根负极探针与同轴电缆铜质编织连接，探针线材种类、螺旋间距或圆心角以及探针直径和高度的要求均与三针式时域反射探针的要求相同。此外，所述的三针式以及两针式螺旋探针的总圈数不局限于图1中的1圈，任意螺旋的形式或总圈数大于1的螺旋探针都属于所述探针的变种形式。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对本发明作其它形式的限制，任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或改型为等同变化的等效实施例应用于其它领域，但是凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与改型，仍属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (10)

1.基于平行螺旋式可伸缩的时域反射探针的含水率测量***，其特征在于，包括时域反射探针、绝缘转换器、柔性筒和时域反射信号发生采集器，所述绝缘转换器与柔性筒密封连接，柔性筒用以包覆待测样品；

所述时域反射探针包括一根正极探针和至少一根负极探针，所述正极探针和负极探针采用导电且柔软的金属，正极探针和负极探针之间以等间距间隔平行螺旋布设在柔性筒内侧壁上，正极探针和负极探针穿过所述绝缘转换器，并通过同轴电缆与时域反射信号发生器相连。

2.根据权利要求1所述的基于平行螺旋式可伸缩的时域反射探针的含水率测量***，其特征在于：所述时域反射探针包括一根正极探针和两根负极探针，三根探针平行螺旋设置在柔性筒内壁上，并将位于中间的探针记为中心探针，位于中心探针两侧的记为边侧探针。

3.根据权利要求2所述的基于平行螺旋式可伸缩的时域反射探针的含水率测量***，其特征在于：所述边侧探针与中心探针在圆周上对应的圆心角相等，且该圆心角θ不大于20倍的探针直径与样品直径的比值，所述探针直径是指时域反射探针中的单个探针的直径。

4.根据权利要求3所述的基于平行螺旋式可伸缩的时域反射探针的含水率测量***，其特征在于：所述圆心角θ由以下方式确定：

其中，D₀和H₀分别是样品的直径和高度，N_c是时域反射探针的有效螺旋圈数，G是探针线材的刚性模数。

5.根据权利要求4所述的基于平行螺旋式可伸缩的时域反射探针的含水率测量***，其特征在于：根据所确定的圆心角θ，进而可确定时域反射探针中单个探针的直径d：

6.根据权利要求1所述的基于平行螺旋式可伸缩的时域反射探针的含水率测量***，其特征在于：所述时域反射探针所采用的材质包括但不限于铜质、铝质及其衍生合金。

7.根据权利要求1所述的基于平行螺旋式可伸缩的时域反射探针的含水率测量***，其特征在于：所述时域反射探针在柔性筒内侧壁上的螺旋圈数大于0圈。

8.根据权利要求1所述的基于平行螺旋式可伸缩的时域反射探针的含水率测量***，其特征在于：所述时域反射探针直接黏附固定于柔性筒内侧壁上，或者在柔性筒内侧壁上开设螺旋形凹槽，将时域反射探针固定在所述凹槽内。

9.根据权利要求1所述的基于平行螺旋式可伸缩的时域反射探针的含水率测量***，其特征在于：所布设后的时域反射探针至少占柔性筒高度的90％。

10.根据权利要求1所述的基于平行螺旋式可伸缩的时域反射探针的含水率测量***，其特征在于：所述柔性筒采用热缩管或橡胶薄膜。

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