凍土介電常數測量夾具及測量方法

2023-06-17 10:39:51

專利名稱：凍土介電常數測量夾具及測量方法
技術領域：
本發明涉及凍土介電常數的測量，尤其涉及一種凍土介電常數測量夾具及測量方法。
背景技術：
目前是採用網絡分析儀進行凍土介電常數的測量。常規方法是將被測樣放置於網絡分析 儀的探頭下方，探頭5包括圓盤51和圓盤51上的吊杆52 (見圖9和圖10)，手持被測樣或 將被測樣放入某容器，與探頭的圓盤擠壓，使被測樣與圓盤緊密接觸後，操作網絡分析儀軟 件進行測量。但這種傳統的測量方法不適合測量凍土的介電常數。原因有以下幾點
1. 由於凍土和探頭的溫度不同，二者接觸後會改變被測區域土壤的溫度狀態，而其溫度 狀態對測量結果有很大影響，因此無法進行準確的測量；
2. 土壤凍結後，很堅硬，其外表面無法和探頭緊密接觸，無法實施測量；
3. 被測量的土壤的密度無法確切的知道，而被測量土壤的密度是影響土壤介電常數的最 重要的參數，對測量數據的分析至關重要；
4. 測量介電常數要求被測樣均勻且各向同性，而手工操作被測土樣時必然會破壞土樣均 勻的結構，造成測量誤差。

發明內容
本發明要解決的技術問題是提供一種測量準確度高、可以確定被測土壤密度的凍土介電 常數測量夾具及測量方法。
為解決上述技術問題，本發明採用如下技術方案
一種凍土介電常數測量夾具，包括取土器、壓土器和擋土部件，取土器為圓柱形，其具 有貫通的圓柱形的內腔，取土器的上端面前後兩側對稱地設有兩塊側擋板，每塊側擋板的頂 部設有半圓形的擋板，兩塊擋板對稱設置，兩塊擋板之間有空隙，取土器的左右兩側具有開 口，取土器的中部設有外螺紋，外螺紋上方的取土器上沿豎直方向設有測量刻度；壓土器為 圓柱形，其具有內腔，其中部設有與取土器上的外螺紋相配合的內螺紋，壓土器的底部設有 向上凸起的圓柱形的壓土塊，壓土器的上端面上沿圓周均勻設有刻度；壓土器旋裝在取土器
4的外部，壓土塊伸入取土器的內腔中且與取土器的內腔相配合，取土器兩側的開口處各裝有 一個擋土部件。
本發明的的凍土介電常數測量夾具，其中所述擋土部件包括擋土擋板和設置在擋土擋板 上的擋塊，擋塊上開有橫截面為半圓形的第一凹槽和第二凹槽，第二凹槽位於第一凹槽的下 部且第二凹槽的深度大於第一凹槽的深度，擋塊與取土器兩側的開口處的圓盤的兩側相配 合，第一凹槽與探頭的圓盤相配合，第二凹槽的高度與圓盤的下端面和取土器的內腔處的上 端面之間的間隙的高度相等。
本發明的的凍土介電常數測量夾具，其中所述取土器的下部設為圓臺形，圓臺的直徑從 上到下逐漸減小，圓臺的母線與取土器底面的夾角a為90。 120° 。
本發明的的凍土介電常數測量夾具，其中還包括頂蓋，頂蓋包括圓柱形的蓋體和握柄， 蓋體設置在握柄的底部，蓋體與握柄一體製成，蓋體與取土器的上端面處的內腔相配合，握 柄的直徑小於取土器上的兩塊擋板之間的空隙。
使用權利要求本發明的凍土介電常數測量夾具測量凍土介電常數的方法，包括以下步
驟
(1) 首先對網絡分析儀和同軸探頭進行校準，將探頭伸入恆溫箱內；
(2) 用取土器取土將取土器壓入配置好的均勻土樣中，待取土器中被土充滿後，將 取土器從土樣中取出，將取土器中土樣的上下端面削平；
(3) 將壓土器擰到取土器下部，並擰動壓土器使取土器中土樣壓縮；
(4) 將取土器和壓土器掛到探頭上，在取土器兩側的開口處的探頭的圓盤的兩側各安裝 一個擋土部件，以使擰動壓土器時取土器中的土樣不被擠出來；
(5) 擰動壓土器，使土樣與探頭緊密接觸，記錄取土器和壓土器的相對位置，即與壓土 帽的上端面相對應的取土器上的測量刻度和與取土器上的測量刻度相對的壓土器上的刻度；
(6) 將擋土部件取下，用保鮮膜將探頭和夾具密封；
(7) 調節恆溫箱的溫度，使探頭與取土器中的土樣同時凍結到一個溫度水平，待溫度穩 定後測量其介電常數，測量過程完成。
本發明凍土介電常數測量夾具及測量方法相對於現有技術的優點為-(1)將探頭伸入恆溫箱，在土樣未凍結時利用測量夾具取土，然後將測量夾具與探頭 配合好，使土樣與探頭接觸良好，然後調節恆溫箱溫度使土樣和探頭共同凍結至某溫度，再 實施測量，本測量方法在土樣與探頭未凍結時使它們緊密接觸，且由於土樣和探頭的溫度相同，因此測量準確度高；
(2) 測量夾具的取土器和壓土器上都設有刻度，測量過程中，記錄下二者的相對位置, 即可以準確地計算出土樣的密度，其能夠精確地控制被測土樣的容重(幹密度)，利於後續 對測量數據的分析，保證多次測量的數據具有可比性；
(3) 採用測量夾具進行測量，避免了手工操作，能夠保證被測土樣符合均勻各向同性的 要求，減小了測量誤差。


圖1為本發明凍土介電常數測量夾具的取土器的主視圖2為圖1的左視圖3為圖1的俯視圖4為壓土器的剖視圖5為圖4的俯視圖6為擋土部件的主視圖7為圖6的仰視圖8為頂蓋的主視圖9為本發明凍土介電常數測量夾具使用狀態的主視圖(省略擋土部件)； 圖10為本發明凍土介電常數測量夾具使用狀態的主視半剖視圖。
具體實施例方式
如圖l、圖2和圖3所示，取土器l為圓柱形，其具有貫通的圓柱形的內腔ll,取土器 1的上端面前後兩側對稱地設有兩塊側擋板12,每塊側擋板12的頂部設有半圓形的擋板13， 兩塊擋板13對稱設置，兩塊擋板13之間有空隙，該空隙大於探頭5的吊杆52的直徑，取 土器1的左右兩側具有開口 14。取土器1、側擋板12和擋板13 —體製成。取土器1的中部 設有外螺紋15，外螺紋15上方的取土器上沿豎直方向設有測量刻度16。取土器1的下部設 為圓臺形，圓臺的直徑從上到下逐漸減小，圓臺的母線與取土器l底面的夾角a為105° ， a 也可以為90° 120° 。取土器1用於盛裝土樣。將取土器1的下部設為圓臺形，可以使取 土器l更容易插入土樣中。
如圖4、圖5所示，壓土器2為圓柱形，其具有內腔21，其中部設有與取土器l上的外 螺紋15相配合的內螺紋22,壓土器2的底部設有向上凸起的圓柱形的壓土塊23,壓土器2的上端面上沿圓周均勻設有刻度24。壓土器2的作用是壓縮取土器1內的土樣。
如圖8所示，頂蓋3包括圓柱形的蓋體31和握柄32，蓋體31設置在握柄32的底部， 蓋體31與握柄32 —體製成。蓋體31與取土器1的上端面處的內腔11相配合，握柄32的 直徑小於取土器1上的兩塊擋板13之間的空隙。頂蓋3的作用是當取土器1盛滿土後，用 蓋體31蓋在取土器1的上端，按住握柄32，擰動取土器1下端的壓土器2，使土樣壓縮。 頂蓋3的結構與網絡分析儀的探頭5的結構相同。
如圖6和圖7所示，擋土部件4包括擋土擋板41和設置在擋土擋板41上的擋塊42，擋 土擋板41和擋塊42 —體製成，擋塊42上開有橫截面為半圓形的第一凹槽43和第二凹槽44， 第二凹槽44位於第一凹槽43的下部且第二凹槽44的深度大於第一凹槽43的深度。結合圖 9和圖10所示，擋塊42與取土器1兩側的開口 14處的探頭5的圓盤51的兩側相配合，第 一凹槽43與探頭5的圓盤51相配合，第二凹槽44的高度與圓盤51的下端面和取土器1的 內腔11處的上端面之間的間隙的高度相等。
如圖9、圖10所示，壓土器2旋裝在取土器1的外部，壓土塊23伸入取土器1的內腔 11中，探頭5下部的圓盤51位於取土器1的兩塊擋板13的下部以使取土器1掛在探頭5上， 取土器1兩側的開口 14處各裝有一個擋土部件4，擋塊42與開口 14處的圓盤51的兩側相 配合。
如圖9和圖10所示，本發明利用測量夾具對凍土介電常數進行測量的方法，包括以下 步驟
(1) 首先對網絡分析儀和同軸探頭進行校準，將探頭伸入恆溫箱內；
(2) 用取土器l取土將取土器l垂直壓入配置好的均勻土樣中，待取土器l中被土 充滿後，稍微旋轉取土器l，將取土器l從土樣中取出，這時取土器l中充滿了土樣，用土 樣刀或頂蓋3將取土器1中土樣的上下端面削平；
(3) 用頂蓋3擋住取土器1上端，將壓土器2擰到取土器1下部，並擰動壓土器2使盛 土筒1中土樣壓縮；
(4) 移開頂蓋3，將取土器1和壓土器2掛到探頭5上，在取土器l兩側的開口 14處 的探頭5的圓盤51的兩側各安裝一個擋土部件4，以使擰動壓土器2時取土器1中的土樣不 被擠出來；
(5) 擰動壓土器2，使土樣與探頭5緊密接觸，記錄取土器1和壓土器2的相對位置，
7即與壓土器2的上端面相對應的取土器1上的測量刻度和與取土器1上的測量刻度相對的壓土器2上的刻度，以計算探頭5測量的土樣的高度和體積，從而計算探頭測量的土樣的密度(容重)。
如圖1所示，取土器1上有5個測量刻度16，每個刻度間隔為2mm，如圖5所示，壓土器2的上端面有10個刻度24,壓土器2的螺距為2mm，即每擰動壓土器2—圈，壓土塊23往上移動2mra。將壓土器2套在取土器1上時，初始位置為取土器1上的0刻度對應壓土器2上的0刻度，這時取土器l的下端面恰好與壓土塊23的上表面平齊，這時被測土樣的高度=取土器1的高度-位於取土器1內的探頭5的高度。擰動壓土器2後，若壓土器2的上端面超過取土器1上的測量刻度3,且壓土器2上端面上的刻度3與取土器1上的刻度相對，則壓土塊23向上移動的距離就為2*3+0. 2*3=6. 6mm，則土樣的高度=取土器1的高度-位於取土器l內的探頭5的高度-6.6。
實際中，取土器1上也可以設置更多個刻度，如10個刻度，每個刻度間隔lmm，壓土器2上端面也可以設置20個刻度，壓土器的螺距為2咖或l咖，如此設置的準確度更高。
(6) 將擋土部件4取下，用保鮮膜將探頭5和夾具密封；
(7) 調節恆溫箱的溫度，使探頭5與取土器1中的土樣同時凍結到一個溫度水平，待溫度穩定後測量其介電常數，測量過程完成。
後續處理步驟為
(1) 測量完畢後，待土樣恢復至O'C以上，將壓土器擰松，使土樣和探頭分離，將盛土筒從探頭上取下；
(2) 將取土器中的土樣取出，測量其重量含水量，然後根據土樣的體積，可以得出土樣的密度(容重)；
(3) 將測量夾具洗淨擦乾，準備測量下一個土樣。
本發明凍土介電常數測量夾具及測量方法相對於現有測量方法具有以下優點
1. 能夠精確地控制被測土樣的容重(幹密度)，保證多次測量的數據具有可比性；
2. 能夠使探頭和被測凍土緊密良好地接觸，測量準確度高；
3. 能夠保證在設定的控制溫度下測量凍土的介電常數；
4. 能夠保證被測樣品符合均勻各向同性的要求。
利用本發明測量方法進行凍土介電常數的測量，使測量中各個參數得到了良好地控制，實現了傳統方法不能進行的凍土的介電常數測量，並減小了測量過程中相關參數的不確定性。
以上所述的實施例僅僅是對本發明的優選實施方式進行描述，並非對本發明的範圍進行限定，在不脫離本發明設計精神的前提下，本領域普通技術人員對本發明的技術方案作出的各種變形和改進，均應落入本發明權利要求書確定的保護範圍內。
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權利要求
1、一種凍土介電常數測量夾具，其特徵在於包括取土器、壓土器和擋土部件，取土器為圓柱形，其具有貫通的圓柱形的內腔，取土器的上端面前後兩側對稱地設有兩塊側擋板，每塊側擋板的頂部設有半圓形的擋板，兩塊擋板對稱設置，兩塊擋板之間有空隙，取土器的左右兩側具有開口，取土器的中部設有外螺紋，外螺紋上方的取土器上沿豎直方向設有測量刻度；壓土器為圓柱形，其具有內腔，其中部設有與取土器上的外螺紋相配合的內螺紋，壓土器的底部設有向上凸起的圓柱形的壓土塊，壓土器的上端面上沿圓周均勻設有刻度；壓土器旋裝在取土器的外部，壓土塊伸入取土器的內腔中且與取土器的內腔相配合，取土器兩側的開口處各裝有一個擋土部件。
2、 根據權利要求1所述的凍土介電常數測量夾具，其特徵在於所述擋土部件包括擋 土擋板和設置在擋土擋板上的擋塊，擋塊上開有橫截面為半圓形的第一凹槽和第二凹槽，第 二凹槽位於第一凹槽的下部且第二凹槽的深度大於第一凹槽的深度，擋塊與取土器兩側的開 口處的圓盤的兩側相配合，第一凹槽與探頭的圓盤相配合，第二凹槽的高度與圓盤的下端面 和取土器的內腔處的上端面之間的間隙的高度相等。
3、 根據權利要求2所述的凍土介電常數測量夾具，其特徵在於所述取土器上的測量 刻度的間隔距離與壓土器的螺距相等。
4、 根據權利要求3所述的凍土介電常數測量夾具，其特徵在於所述取土器的下部設為圓臺形，圓臺的直徑從上到下逐漸減小，圓臺的母線與取土器底面的夾角a為9(T 120
5、 根據權利要求4所述的凍土介電常數測量夾具，其特徵在於還包括頂蓋，頂蓋包括圓柱形的蓋體和握柄，蓋體設置在握柄的底部，蓋體與握柄一體製成，蓋體與取土器的上 端面處的內腔相配合，握柄的直徑小於取土器上的兩塊擋板之間的空隙。
6、 使用權利要求1-4任一項所述凍土介電常數測量夾具測量凍土介電常數的方法，其特徵在於包括以下步驟(1) 首先對網絡分析儀和同軸探頭進行校準，將探頭伸入恆溫箱內；(2) 用取土器取土將取土器壓入配置好的均勻土樣中，待取土器中被土充滿後，將 取土器從土樣中取出，將取土器中土樣的上下端面削平；(3) 將壓土器擰到取土器下部，並擰動壓土器使取土器中土樣壓縮；(4) 將取土器和壓土器掛到探頭上，在取土器兩側的開口處的探頭的圓盤的兩側各安裝 一個擋土部件，以使擰動壓土器時取土器中的土樣不被擠出來；(5) 擰動壓土器，使土樣與探頭緊密接觸，記錄取土器和壓土器的相對位置，即與壓土 帽的上端面相對應的取土器上的測量刻度和與取土器上的測量刻度相對的壓土器上的刻度；(6) 將擋土部件取下，用保鮮膜將探頭和夾具密封；(7) 調節恆溫箱的溫度，使探頭與取土器中的土樣同時凍結到一個溫度水平，待溫度穩 定後測量其介電常數，測量過程完成。
7、使用權利要求5所述凍土介電常數測量夾具測量凍土介電常數的方法，其特徵在於 包括以F步驟(1) 首先對網絡分析儀和同軸探頭進行校準，將探頭伸入恆溫箱內；(2) 用取土器取土將取土器壓入配置好的均勻土樣中，待取土器中被土充滿後，將 取土器從土樣中取出，用頂蓋將取土器中土樣的上下端面削平；(3) 用頂蓋擋住取土器上端，將壓土器擰到取土器下部，並擰動壓土器使取土器中土樣壓縮；(4) 移開頂蓋，將取土器和壓土器掛到探頭上，在取土器兩側的開口處的探頭的圓盤的 兩側各安裝一個擋土部件，以使擰動壓土器時取土器中的土樣不被擠出來；(5) 擰動壓土器，使土樣與探頭緊密接觸，記錄取土器和壓土器的相對位置，即與壓土 帽的上端面相對應的取土器上的測量刻度和與取土器上的測量刻度相對的壓土器上的刻度；(6) 將擋土部件取下，用保鮮膜將探頭和夾具密封；(7) 調節恆溫箱的溫度，使探頭與取土器中的土樣同時凍結到一個溫度水平，待溫度穩 定後測量其介電常數，測量過程完成。
全文摘要
一種凍土介電常數測量夾具，包括取土器、壓土器和擋土部件，取土器為圓柱形，其具有內腔，取土器的兩側具有開口，取土器的中部設有外螺紋，取土器上設有測量刻度；壓土器為圓柱形，其具有內腔，其中部設有內螺紋，壓土器的底部設有壓土塊，壓土器的上端面上設有刻度；壓土器旋裝在取土器的外部，取土器兩側的開口處各裝有一個擋土部件。本發明凍土介電常數測量夾具及測量方法將探頭伸入恆溫箱測量，土樣與探頭未凍結時使它們緊密接觸，測量準確度高，取土器和壓土器上都設有刻度，能夠精確地控制被測土樣的容重，保證多次測量的數據具有可比性；採用測量夾具進行測量，避免了手工操作，能夠保證被測土樣符合均勻各向同性的要求，減小了測量誤差。
文檔編號G01R27/26GK101666831SQ20091009244
公開日2010年3月10日 申請日期2009年9月8日 優先權日2009年9月8日
發明者張立新, 趙少傑 申請人:北京師範大學