基於土體電阻率變化的凍土未凍水含量檢測系統及方法與流程

2023-06-30 08:37:11

本發明屬於凍土未凍水含量檢測
技術領域：
，具體涉及一種基於土體電阻率變化的凍土未凍水含量檢測系統及方法。
背景技術：
：凍土中未凍水在凍土力學中扮演著重要的角色，凍土未凍水含量對土體以及樁基之間的相互作用有重大影響，在針對凍土的研究中，凍土未凍水含量的測定方式一直以來都沒有的到系統科學的解釋，因此對於學術研究以及工程實踐，這是一個亟待解決的問題。目前此領域用到的凍土未凍水含量測試方法主要有核磁共振法、中子自旋迴聲法、量熱法、介電特性法，實驗室常用的方法還有測溫法，以上所述方法均存在不足或是不合理之處。具體來說，核磁共振法成本造價太高，不能滿足實驗以及實際工程的要求。中子自旋迴聲法利用磁共振中的信號來源，在第一個射頻脈衝之後會出現自由衰減，通過衰減來判斷未凍水含量，其原理複雜，可行性不強。量熱法是把具有穩定負溫的凍土試樣放入正溫量熱水中使其進行熱交換，試樣溫度與量熱水溫度達到平衡，其試驗儀器操作複雜，且需要一定的熱交換時間，因此不能方便，快速測出瞬時未凍水的含量。介電特性法獲得待測物質的超寬帶脈衝介電響應曲線後，需通過反演算法來確定其介電常數。反演過程中需通過足夠多時間點的採樣，來建立準確的多維反演模型，準確計算出各成分介電常數、電阻率、孔隙度、含水量等參數。在實際操作中，由於條件限制，各影響因素的考慮還不夠完全，因此利用超寬帶脈衝介電響應曲線反演模型還不夠完善，有所誤差。實驗室常用的測溫法測試結果測得的數據僅是某一凍結起始溫度對應的初始含水量，不能說明凍土中未凍水含量隨溫度的變化過程。所以從測量設備的設計原理和實用科學性兩個角度出發，一種能夠綜合考量凍土未凍水含量變化規律的測試設備是非常有必要的。凍土中未凍水含量變化可從溫度的角度來考量，溫度下降會導致土體中原有水的凍結，溫度上升會導致土體中原有冰的融化，這兩種變化都會導致未凍水含量的變化，而這個變化用實驗證明最直接的方式便是電阻率，在零攝氏度以上，溫度變化會導致土體內冰融化水分蒸發，使得自由水含量降低，從而使得土體電阻率變化，在零攝氏度以下，溫度變化會引起土體自由水凍結導致含水量的變化從而使得土體電阻率變化，因此如果能夠確定出溫度、電阻率和未凍水含水量之間的關係，並利用測溫度和電阻率來獲知未凍水含水量，將很好地解決未凍水含水量測量的技術難題，但是，現有技術中，還缺乏合適的檢測系統及方法。技術實現要素：本發明所要解決的技術問題在於針對上述現有技術中的不足，提供一種結構簡單、實現方便、能夠將凍土未凍水含量檢測的複雜問題簡單化、且測量結果精確、實用性強、使用效果好、便於推廣使用的基於土體電阻率變化的凍土未凍水含量檢測系統。為解決上述技術問題，本發明採用的技術方案是：一種基於土體電阻率變化的凍土未凍水含量檢測系統，其特徵在於：包括地面數據傳輸終端、計算機和用於置入土體中的溫度及電阻率檢測裝置，所述溫度及電阻率檢測裝置包括一個檢測單元或多個上下疊放的檢測單元，所述檢測單元包括套管和數據採集電路板，所述套管由從上到下一體成型的第一套管、第二套管和第三套管組成，所述第一套管的外徑小於第二套管的外徑，所述第二套管的外徑與第三套管的外徑相等，所述第二套管的內徑小於第三套管的內徑，所述第一套管的外壁上設置有外螺紋，所述第三套管的內壁上設置有內螺紋，當所述檢測單元的數量為多個時上下相鄰的兩個檢測單元通過第一套管與第三套管螺紋連接的方式相連接，所述數據採集電路板設置在第二套管與第三套管的過渡處，所述數據採集電路板上集成有數據採集傳輸電路和用於連接外部供電電源為數據採集傳輸電路中各用電模塊供電的電源線，所述電源線的一端向上沿第二套管的內壁和第一套管的內壁引出到第一套管頂部且連接有第一導電片，所述電源線的另一端連接有位於數據採集電路板底部且用於在將第三套管與第一套管螺紋連接時與第一導電片對接的第二導電片,所述數據採集傳輸電路包括第一微處理器以及與第一微處理器相接的第一數據存儲器和第一無線通信模塊,所述數據採集電路板上固定連接有多根伸出第二套管並向下豎直彎折的溫度測量探頭安裝管和多根伸出第二套管並向下豎直彎折的電阻率測量探頭安裝管,所述溫度測量探頭安裝管的豎直段內設置有與第一微處理器的輸入端連接的溫度測量探頭,所述電阻率測量探頭安裝管的豎直段內設置有與第一微處理器的輸入端連接的電阻率測量探頭；所述地面數據傳輸終端包括第二微處理器以及與第二微處理器相接的第二數據存儲器、用於與計算機連接並通信的USB通信電路模塊和用於與第一無線通信模塊無線連接並通信的第二無線通信模塊。上述的基於土體電阻率變化的凍土未凍水含量檢測系統，其特徵在於：所述溫度測量探頭安裝管的數量和電阻率測量探頭安裝管的數量均為四根，四根溫度測量探頭安裝管和四根電阻率測量探頭安裝管均勻設置在數據採集電路板上，所述溫度測量探頭安裝管和電阻率測量探頭安裝管相互間隔設置。上述的基於土體電阻率變化的凍土未凍水含量檢測系統，其特徵在於：所述第一套管與第二套管的過渡處設置有頂板，所述電源線穿過所述頂板。上述的基於土體電阻率變化的凍土未凍水含量檢測系統，其特徵在於：所述第一微處理器為單片機。本發明還公開了一種方法步驟簡單、設計合理、實現方便的基於土體電阻率變化的凍土未凍水含量檢測方法，其特徵在於，該方法包括以下步驟：步驟一、根據待測量凍土的高度選擇檢測單元的個數；步驟二、當檢測單元的個數為一個時，直接將檢測單元置入土體中；當檢測單元的個數為多個時，先將多個檢測單元連接為一個整體，再將連接為一個整體的多個檢測單元置入土體中，並將溫度測量探頭安裝管的豎直段和電阻率測量探頭安裝管的豎直段均調整為豎直向下；或者，先將一個檢測單元置入土體中，再連接上部的一個檢測單元，直至將所有的檢測單元連接並置入土體中，並將溫度測量探頭安裝管的豎直段和電阻率測量探頭安裝管的豎直段均調整為豎直向下；步驟三、將第一導電片與外部電源的輸出端連接；步驟四、檢測單元中的第一微處理器對溫度測量探頭檢測到的溫度進行周期性採集，並對電阻率測量探頭檢測到的電阻率進行周期性採集，將採集到的溫度數據和電阻率數據存儲到第一數據存儲器中，並通過第一無線通信模塊發送給地面數據傳輸終端，地面數據傳輸終端中的第二微處理器通過第二無線通信模塊接收第一微處理器發送的溫度數據和電阻率數據，存儲在第二數據存儲器中，並通過USB通信電路模塊發送給計算機；步驟五、計算機將溫度數據和電阻率數據輸入預先通過進行實驗並處理實驗數據獲得的凍土電阻率和溫度與凍土未凍水含量的關係模型中，獲得凍土未凍水含量。上述的方法，其特徵在於：步驟五中所述預先通過進行實驗並處理實驗數據獲得凍土電阻率和溫度與凍土未凍水含量的關係模型的方法包括以下步驟：步驟501、準備實驗設備，所述實驗設備包括土樣盒、交流調壓電源、電流表、電壓表、真空乾燥箱、電子天平、冷凍箱和溫度測量儀，所述溫度測量儀上連接有溫度測量探頭，所述土樣盒的左右兩側側壁上均設置有能夠與土樣盒內的土樣兩端接觸的導電片，所述土樣盒的前壁和/或後壁上設置有供溫度測量探頭插入的溫度測量探頭孔；步驟502、進行烘乾條件實驗，測得正溫段土樣電阻率與瞬時含水率的關係，具體過程為：步驟5021、連接實驗設備：將電流表的正極與交流調壓電源的正極輸出端連接，在電流表的負極上通過導線連接導電片，在交流調壓電源的負極輸出端通過導線連接導電片；並將電壓表的正極與與電流表的負極連接的導電片連接，將與與交流調壓電源的負極連接的導電片連接；步驟5022、將電子天平放入溫度不超過40℃的真空乾燥箱內，並在電子天平上放上土樣支架，將此時電子天平的讀數記錄為土樣支架的質量，再分別將多個不同初始含水率的土樣放在土樣盒中，待土樣穩定成型後去除土樣盒，通過皮筋將與電流表的負極連接的導電片和與交流調壓電源的負極連接的導電片分別固定在土樣左右兩側，然後將土樣置入真空乾燥箱內並放在土樣支架上；每次置入土樣，都將置入土樣時電子天平的讀數記錄為土樣初始質量，並以電子天平讀數每減少m質量為一個記錄點記錄瞬時質量、電壓表的示數U和電流表的示數I；再根據公式計算得到土樣含水率θ；並根據公式計算得到每次記錄的土樣含水率θ對應的土樣電阻率ρ；其中，C為幹土的質量且A為土樣初始質量，B為土樣支架的質量，D為記錄點記錄的瞬時質量，w為土樣的初始含水率；L為土樣盒的長度，S為土樣盒左側面或右側面的面積；步驟5023、將步驟5022中計算得到的土樣含水率θ和土樣電阻率ρ與土樣的初始含水率相對應輸入計算機的EXCEL軟體中，形成正溫段不同初始含水率下土樣電阻率與土樣含水率的對應關係表；步驟5024、在計算機的EXCEL軟體中，以土樣含水率為橫坐標，土樣電阻率為縱坐標，對步驟5023中正溫段不同初始含水率下土樣電阻率與土樣含水率的對應關係表的數據進行描點畫圖，繪製出正溫段不同初始含水率下土樣電阻率與土樣含水率關係曲線圖；步驟5025、在計算機的EXCEL軟體中，對步驟5024中繪製的正溫段不同初始含水率下土樣電阻率與土樣含水率關係曲線進行線性函數、冪函數、指數函數和對數函數的曲線擬合，得到多個擬合方程，並將擬合度最接近1的擬合方程確定為正溫段不同初始含水率下土樣電阻率與土樣含水率關係曲線的擬合方程；步驟503、進行冷凍條件實驗，測得負溫段土樣電阻率與溫度的關係，具體過程為：步驟5031、連接實驗設備：將電流表的正極與交流調壓電源的正極輸出端連接，將電流表的負極與土樣盒左右兩側一側側壁上的導電片連接，將交流調壓電源的負極輸出端與土樣盒左右兩側另一側側壁上的導電片連接；並將電壓表的正極與土樣盒左右兩側一側側壁上的導電片連接，將電壓表的負極與土樣盒左右兩側另一側側壁上的導電片連接；將溫度測量儀上連接的溫度測量探頭插入溫度測量探頭孔內；步驟5032、分別將多個不同初始含水率，溫度處於20℃～40℃之間的土樣放在土樣盒中，用保鮮膜嚴密包裹後置入冷凍溫度為-35℃的冷凍箱內；每次置入土樣，都以溫度測量儀檢測到的溫度到達0℃後每降低ΔT2溫度記錄一次溫度測量儀檢測到的溫度T、電壓表的示數U和電流表的示數I；再根據公式計算得到每次記錄的溫度T對應的土樣電阻率ρ；其中，ΔT2的取值為1℃～7℃；步驟5033、將步驟5032中記錄的溫度T和計算得到的土樣電阻率ρ與土樣的初始含水率相對應輸入計算機的EXCEL軟體中，形成負溫段不同初始含水率下土樣電阻率與溫度的對應關係表；步驟5034、在計算機的EXCEL軟體中，以溫度為橫坐標，土樣電阻率為縱坐標，對步驟5033中負溫段不同初始含水率下土樣電阻率與溫度的對應關係表的數據進行描點畫圖，繪製出負溫段不同初始含水率下土樣電阻率與溫度關係曲線圖；步驟5035、在計算機的EXCEL軟體中，對步驟5034中繪製的負溫段不同初始含水率下土樣電阻率與溫度關係曲線進行線性函數、冪函數、指數函數和對數函數的曲線擬合，得到多個擬合方程，並將擬合度最接近1的擬合方程確定為負溫段不同初始含水率下土樣電阻率與溫度關係曲線的擬合方程；步驟504、進行負溫段不同初始含水率下凍土未凍水含量與溫度的關係推導：將步驟5025中確定出的正溫段不同初始含水率下土樣電阻率與土樣含水率關係曲線的擬合方程與步驟5035中確定出的負溫段不同初始含水率下土樣電阻率與溫度關係曲線的擬合方程進行聯立，求解出負溫段不同初始含水率下土樣含水率與溫度關係方程，由於負溫段土樣含水率即為凍土未凍水含量，因此即求解出了負溫段不同初始含水率下凍土未凍水含量與溫度關係方程；步驟505、建立凍土電阻率和溫度與凍土未凍水含量的關係模型，具體過程為：步驟5051、將步驟5033中負溫段不同初始含水率下土樣電阻率與溫度的對應關係表中的溫度數據代入步驟504中求解出的負溫段不同初始含水率下凍土未凍水含量與溫度關係方程中，求解出負溫段不同初始含水率下各個溫度數據對應的凍土未凍水含量，並將溫度T、土樣電阻率ρ和凍土未凍水含量與土樣的初始含水率相對應輸入計算機的EXCEL軟體中，形成負溫段不同初始含水率下土樣電阻率和溫度與凍土未凍水含量的對應關係表；步驟5052、根據步驟5051中負溫段不同初始含水率下土樣電阻率和溫度與凍土未凍水含量的對應關係表中的數據，在計算機的MATLAB軟體中，繪製出土樣電阻率和溫度與凍土未凍水含量的三維曲面圖，並將繪製出的土樣電阻率和溫度與凍土未凍水含量的三維曲面圖定義為凍土電阻率和溫度與凍土未凍水含量的關係模型。上述的方法，其特徵在於：步驟502之前還進行烘乾條件實驗，測得正溫段土樣電阻率與溫度的關係，具體過程為：步驟A、連接實驗設備：將電流表的正極與交流調壓電源的正極輸出端連接，將電流表的負極與土樣盒左右兩側一側側壁上的導電片連接，將交流調壓電源的負極輸出端與土樣盒左右兩側另一側側壁上的導電片連接；並將電壓表的正極與土樣盒左右兩側一側側壁上的導電片連接，將電壓表的負極與土樣盒左右兩側另一側側壁上的導電片連接；將溫度測量儀上連接的溫度測量探頭插入溫度測量探頭孔內；步驟B、分別將多個不同初始含水率的土樣放在土樣盒中，用保鮮膜嚴密包裹後置入真空乾燥箱內；每次置入土樣，都操作真空乾燥箱的控制面板，使真空乾燥箱的溫度從20℃上升到40℃，升溫過程中，每隔ΔT1溫度記錄一次溫度測量儀檢測到的溫度T、電壓表的示數U和電流表的示數I；再根據公式計算得到每次記錄的溫度T對應的土樣電阻率ρ；其中，ΔT1的取值為1℃～7℃；步驟C、將步驟B中記錄的溫度T和計算得到的土樣電阻率ρ與土樣的初始含水率相對應輸入計算機的EXCEL軟體中，形成正溫段不同初始含水率下土樣電阻率與溫度的對應關係表；步驟D、在計算機的EXCEL軟體中，以溫度為橫坐標，土樣電阻率為縱坐標，對步驟C中正溫段不同初始含水率下土樣電阻率與溫度的對應關係表的數據進行描點畫圖，繪製出正溫段不同初始含水率下土樣電阻率與溫度關係曲線圖。上述的方法，其特徵在於：步驟501所述將步驟5033中負溫段不同初始含水率下土樣電阻率與溫度的對應關係表中的溫度數據代入步驟504中求解出的負溫段不同初始含水率下凍土未凍水含量與溫度關係方程中，求解出負溫段不同初始含水率下各個溫度數據對應的凍土未凍水含量之後，還將並將溫度T和凍土未凍水含量與土樣的初始含水率相對應輸入計算機的EXCEL軟體中，形成負溫段不同初始含水率下溫度和凍土未凍水含量的對應關係表；並在計算機的EXCEL軟體中，以溫度為橫坐標，凍土未凍水含量為縱坐標，對負溫段不同初始含水率下溫度和凍土未凍水含量的對應關係表的數據進行描點畫圖，繪製出負溫段不同初始含水率下溫度和凍土未凍水含量關係曲線圖。上述的方法，其特徵在於：所述導電片為銅片，所述電子天平的量程為1千克，步驟5022中m的取值為0.5克。上述的方法，其特徵在於：步驟B中所述ΔT1的取值為4℃。本發明與現有技術相比具有以下優點：1、本發明基於土體電阻率變化的凍土未凍水含量檢測系統的結構簡單，設計合理，實現方便。2、本發明基於土體電阻率變化的凍土未凍水含量檢測系統的使用操作方便，檢測凍土未凍水含量的實時性高，能夠避免無關因素對檢測結果的影響，可靠性高，且能夠反映不同土層、不同溫度在同一時間段內的未凍水含量變化規律，完整性好。3、本發明基於土體電阻率變化的凍土未凍水含量檢測方法的方法步驟簡單，設計合理，實現方便。4、本發明獲得的凍土電阻率和溫度與凍土未凍水含量的關係模型的方法步驟簡單，實現方便。5、本發明獲得的凍土電阻率和溫度與凍土未凍水含量的關係模型的方法採用多個初始含水率梯度，進行室內試驗和其相互關係擬合公式的推演，構建起了凍土電阻率和溫度與凍土未凍水含量的關係模型，能夠用於基於凍土電阻率和溫度的凍土未凍水含量測量，能夠將凍土未凍水含量檢測的複雜問題簡單化，且測量結果精確。6、本發明獲得的凍土電阻率和溫度與凍土未凍水含量的關係模型的方法採用了核磁共振分析與成像系統對同條件下的土樣進行了對比實驗，數據表明與本發明的結果基本吻合，驗證了本發明結果的精確性。7、本發明的實用性強，使用效果好，便於推廣使用。綜上所述，本發明的方法步驟簡單，實現方便，能夠將凍土未凍水含量檢測的複雜問題簡單化，且測量結果精確，實時性和完整性好，實用性強，使用效果好，便於推廣使用。下面通過附圖和實施例，對本發明的技術方案做進一步的詳細描述。附圖說明圖1為本發明實施例1中凍土未凍水含量檢測系統的結構示意圖。圖2為本發明實施例2中凍土未凍水含量檢測系統的結構示意圖。圖3為本發明實施例1和實施例2中檢測單元的結構示意圖。圖4為圖3的俯視圖。圖5為本發明實施例1中數據採集傳輸電路、地面數據傳輸終端和計算機的電路連接圖。圖6為本發明實施例2中數據採集傳輸電路、地面數據傳輸終端和計算機的電路連接圖。圖7為本發明獲得凍土電阻率和溫度與凍土未凍水含量的關係模型所採用的實驗設備的連接關係示意圖。圖8為本發明獲得凍土電阻率和溫度與凍土未凍水含量的關係模型的方法流程框圖。圖9為本發明正溫段不同初始含水率下土樣電阻率與溫度關係曲線圖。圖10為本發明正溫段不同初始含水率下土樣電阻率與土樣含水率關係曲線圖。圖11為本發明負溫段不同初始含水率下土樣電阻率與溫度關係曲線圖。圖12為本發明負溫段不同初始含水率下溫度和凍土未凍水含量關係曲線圖。圖13為本發明土樣電阻率和溫度與凍土未凍水含量的三維曲面圖。圖14為本發明NMR法不同初始含水率下土樣氫元素的強度隨溫度變化的關係曲線圖。圖15為本發明NMR法負溫段不同初始含水率下溫度和凍土未凍水含量關係曲線圖。附圖標記說明:1—檢測單元；1-1—第一套管；1-2—數據採集電路板；1-3—數據採集傳輸電路；1-31—第一微處理器；1-32—第一數據存儲器；1-33—第一無線通信模塊；1-34—溫度測量探頭；1-35—電阻率測量探頭；1-4—電源線；1-5—第一導電片；1-6—第二導電片；1-7—溫度測量探頭安裝管；1-8—電阻率測量探頭安裝管；1-9—頂板；1-10—第二套管；1-11—第三套管；2—計算機；3—地面數據傳輸終端；3-1—第二微處理器；3-2—第二數據存儲器；3-3—USB通信電路模塊；3-4—第二無線通信模塊；4—溫度及電阻率檢測裝置；5—外部供電電源；6—土樣盒；7—交流調壓電源；8—電流表；9—電壓表；10—導線連接導電片。具體實施方式實施例1如圖1、圖3、圖4和圖5所示，本實施例的基於土體電阻率變化的凍土未凍水含量檢測系統，包括地面數據傳輸終端3、計算機2和用於置入土體中的溫度及電阻率檢測裝置4，所述溫度及電阻率檢測裝置4包括一個檢測單元1，所述檢測單元1包括套管1-1和數據採集電路板1-2，所述套管由從上到下一體成型的第一套管1-1、第二套管1-10和第三套管1-11組成，所述第一套管1-1的外徑小於第二套管1-10的外徑，所述第二套管1-10的外徑與第三套管1-11的外徑相等，所述第二套管1-10的內徑小於第三套管1-11的內徑，所述第一套管1-1的外壁上設置有外螺紋，所述第三套管1-11的內壁上設置有內螺紋，所述數據採集電路板1-2設置在第二套管1-10與第三套管1-11的過渡處，所述數據採集電路板1-2上集成有數據採集傳輸電路1-3和用於連接外部供電電源5為數據採集傳輸電路1-3中各用電模塊供電的電源線1-4，所述電源線1-4的一端向上沿第二套管1-10的內壁和第一套管1-1的內壁引出到第一套管1-1頂部且連接有第一導電片1-5，所述電源線1-4的另一端連接有位於數據採集電路板1-2底部且用於在將第三套管1-11與第一套管1-1螺紋連接時與第一導電片1-5對接的第二導電片1-6,所述數據採集傳輸電路1-3包括第一微處理器1-31以及與第一微處理器1-31相接的第一數據存儲器1-32和第一無線通信模塊1-33,所述數據採集電路板1-2上固定連接有多根伸出第二套管1-10並向下豎直彎折的溫度測量探頭安裝管1-7和多根伸出第二套管1-10並向下豎直彎折的電阻率測量探頭安裝管1-8,所述溫度測量探頭安裝管1-7的豎直段內設置有與第一微處理器1-31的輸入端連接的溫度測量探頭1-34,所述電阻率測量探頭安裝管1-8的豎直段內設置有與第一微處理器1-31的輸入端連接的電阻率測量探頭1-35；所述地面數據傳輸終端3包括第二微處理器3-1以及與第二微處理器3-1相接的第二數據存儲器3-2、用於與計算機2連接並通信的USB通信電路模塊3-3和用於與第一無線通信模塊1-33無線連接並通信的第二無線通信模塊3-4。如圖3和圖4所示，本實施例中，所述溫度測量探頭安裝管1-7的數量和電阻率測量探頭安裝管1-8的數量均為四根，四根溫度測量探頭安裝管1-7和四根電阻率測量探頭安裝管1-8均勻設置在數據採集電路板1-2上，所述溫度測量探頭安裝管1-7和電阻率測量探頭安裝管1-8相互間隔設置。如圖3所示，本實施例中，所述第一套管1-1與第二套管1-10的過渡處設置有頂板1-9，所述電源線1-4穿過所述頂板1-9。本實施例中，所述第一微處理器1-31為單片機。本實施例的基於土體電阻率變化的凍土未凍水含量檢測方法，包括以下步驟：步驟一、根據待測量凍土的高度選擇檢測單元1的個數為一個；步驟二、將檢測單元1置入土體中；步驟三、將第一導電片1-5與外部電源的輸出端連接；步驟四、檢測單元1中的第一微處理器1-31對溫度測量探頭1-34檢測到的溫度進行周期性採集，並對電阻率測量探頭1-35檢測到的電阻率進行周期性採集，將採集到的溫度數據和電阻率數據存儲到第一數據存儲器1-32中，並通過第一無線通信模塊1-33發送給地面數據傳輸終端3，地面數據傳輸終端3中的第二微處理器3-1通過第二無線通信模塊3-4接收第一微處理器1-31發送的溫度數據和電阻率數據，存儲在第二數據存儲器3-2中，並通過USB通信電路模塊3-3發送給計算機2；步驟五、計算機2將溫度數據和電阻率數據輸入預先通過進行實驗並處理實驗數據獲得的凍土電阻率和溫度與凍土未凍水含量的關係模型中，獲得凍土未凍水含量。具體實施時，在計算機2的MATLAB軟體中，對凍土電阻率和溫度與凍土未凍水含量的關係模型進行曲面插值，將溫度數據和電阻率數據作為已知量，求取凍土未凍水含量。例如，已知待求點附近的四個已有坐標點(坐標值用x,y,z表示)，並已知待求點的兩個坐標值(即已知的溫度數據和電阻率數據，分別表示X和Y)，進行曲面插值，求解待求點的第三個坐標值(即凍土未凍水含量，表示為Z)的MATLAB程序表示如下：x＝[2626]；y＝[9.014.918.993.77]；z＝[1671386223664325]；X＝3；Y＝2400；e＝0.05；e為精度[xx,yy]＝meshgrid(0:e:20,500:500e:30000)；[m,n]＝size(xx)；zz＝griddata(x,y,z,xx,yy)；x_i＝ceil(find(abs(xx-X)<e/2,1)/m)；yy＝yy′；y_i＝ceil(find(abs(yy-Y)<e/2,1)/n)；Z＝zz(x_i,y_i)；disp(Z)如圖8所示，本實施例中，步驟五中所述預先通過進行實驗並處理實驗數據獲得凍土電阻率和溫度與凍土未凍水含量的關係模型的方法包括以下步驟：步驟501、準備實驗設備，所述實驗設備包括土樣盒6、交流調壓電源7、電流表8、電壓表9、真空乾燥箱、電子天平、冷凍箱和溫度測量儀，所述溫度測量儀上連接有溫度測量探頭，所述土樣盒6的左右兩側側壁上均設置有能夠與土樣盒6內的土樣兩端接觸的導電片10，所述土樣盒6的前壁和/或後壁上設置有供溫度測量探頭插入的溫度測量探頭孔；步驟502、進行烘乾條件實驗，測得正溫段土樣電阻率與瞬時含水率的關係，具體過程為：步驟5021、連接實驗設備：如圖7所示，將電流表8的正極與交流調壓電源7的正極輸出端連接，在電流表8的負極上通過導線連接導電片10，在交流調壓電源7的負極輸出端通過導線連接導電片10；並將電壓表9的正極與與電流表8的負極連接的導電片10連接，將與與交流調壓電源7的負極連接的導電片10連接；具體實施時，導電片10與導線通過錫焊的方式連接；步驟5022、將電子天平放入溫度不超過40℃的真空乾燥箱內，並在電子天平上放上土樣支架，將此時電子天平的讀數記錄為土樣支架的質量，再分別將多個不同初始含水率的土樣放在土樣盒6中，待土樣穩定成型後去除土樣盒6，通過皮筋將與電流表8的負極連接的導電片10和與交流調壓電源7的負極連接的導電片10分別固定在土樣左右兩側，然後將土樣置入真空乾燥箱內並放在土樣支架上；每次置入土樣，都將置入土樣時電子天平的讀數記錄為土樣初始質量，並以電子天平讀數每減少m質量為一個記錄點記錄瞬時質量、電壓表9的示數U和電流表8的示數I；再根據公式計算得到土樣含水率θ；並根據公式計算得到每次記錄的土樣含水率θ對應的土樣電阻率ρ；其中，C為幹土的質量且A為土樣初始質量，B為土樣支架的質量，D為記錄點記錄的瞬時質量，w為土樣的初始含水率；L為土樣盒6的長度，S為土樣盒6左側面或右側面的面積；具體實施時，所述土樣支架為玻璃支架，通過設置玻璃支架，並待土樣穩定成型後去除土樣盒6，避免了土樣只有上表面裸露在真空乾燥箱內烘乾不均勻的問題，使得土樣能夠均勻烘乾，從而能夠測得較為準確科學的土樣含水率；步驟5023、將步驟5022中計算得到的土樣含水率θ和土樣電阻率ρ與土樣的初始含水率相對應輸入計算機的EXCEL軟體中，形成正溫段不同初始含水率下土樣電阻率與土樣含水率的對應關係表；步驟5024、在計算機的EXCEL軟體中，以土樣含水率為橫坐標，土樣電阻率為縱坐標，對步驟5023中正溫段不同初始含水率下土樣電阻率與土樣含水率的對應關係表的數據進行描點畫圖，繪製出正溫段不同初始含水率下土樣電阻率與土樣含水率關係曲線圖；步驟5025、在計算機的EXCEL軟體中，對步驟5024中繪製的正溫段不同初始含水率下土樣電阻率與土樣含水率關係曲線進行線性函數、冪函數、指數函數和對數函數的曲線擬合，得到多個擬合方程，並將擬合度最接近1的擬合方程確定為正溫段不同初始含水率下土樣電阻率與土樣含水率關係曲線的擬合方程；步驟503、進行冷凍條件實驗，測得負溫段土樣電阻率與溫度的關係，具體過程為：步驟5031、連接實驗設備：如圖7所示，將電流表8的正極與交流調壓電源7的正極輸出端連接，將電流表8的負極與土樣盒6左右兩側一側側壁上的導電片10連接，將交流調壓電源7的負極輸出端與土樣盒6左右兩側另一側側壁上的導電片10連接；並將電壓表9的正極與土樣盒6左右兩側一側側壁上的導電片10連接，將電壓表9的負極與土樣盒6左右兩側另一側側壁上的導電片10連接；將溫度測量儀上連接的溫度測量探頭插入溫度測量探頭孔內；步驟5032、分別將多個不同初始含水率，溫度處於20℃～40℃之間的土樣放在土樣盒6中，用保鮮膜嚴密包裹後置入冷凍溫度為-35℃的冷凍箱內；每次置入土樣，都以溫度測量儀檢測到的溫度到達0℃後每降低ΔT2溫度記錄一次溫度測量儀檢測到的溫度T、電壓表9的示數U和電流表8的示數I；再根據公式計算得到每次記錄的溫度T對應的土樣電阻率ρ；其中，ΔT2的取值為1℃～7℃；步驟5033、將步驟5032中記錄的溫度T和計算得到的土樣電阻率ρ與土樣的初始含水率相對應輸入計算機的EXCEL軟體中，形成負溫段不同初始含水率下土樣電阻率與溫度的對應關係表；步驟5034、在計算機的EXCEL軟體中，以溫度為橫坐標，土樣電阻率為縱坐標，對步驟5033中負溫段不同初始含水率下土樣電阻率與溫度的對應關係表的數據進行描點畫圖，繪製出負溫段不同初始含水率下土樣電阻率與溫度關係曲線圖；步驟5035、在計算機的EXCEL軟體中，對步驟5034中繪製的負溫段不同初始含水率下土樣電阻率與溫度關係曲線進行線性函數、冪函數、指數函數和對數函數的曲線擬合，得到多個擬合方程，並將擬合度最接近1的擬合方程確定為負溫段不同初始含水率下土樣電阻率與溫度關係曲線的擬合方程；步驟504、進行負溫段不同初始含水率下凍土未凍水含量與溫度的關係推導：將步驟5025中確定出的正溫段不同初始含水率下土樣電阻率與土樣含水率關係曲線的擬合方程與步驟5035中確定出的負溫段不同初始含水率下土樣電阻率與溫度關係曲線的擬合方程進行聯立，求解出負溫段不同初始含水率下土樣含水率與溫度關係方程，由於負溫段土樣含水率即為凍土未凍水含量，因此即求解出了負溫段不同初始含水率下凍土未凍水含量與溫度關係方程；步驟505、建立凍土電阻率和溫度與凍土未凍水含量的關係模型，具體過程為：步驟5051、將步驟5033中負溫段不同初始含水率下土樣電阻率與溫度的對應關係表中的溫度數據代入步驟504中求解出的負溫段不同初始含水率下凍土未凍水含量與溫度關係方程中，求解出負溫段不同初始含水率下各個溫度數據對應的凍土未凍水含量，並將溫度T、土樣電阻率ρ和凍土未凍水含量與土樣的初始含水率相對應輸入計算機的EXCEL軟體中，形成負溫段不同初始含水率下土樣電阻率和溫度與凍土未凍水含量的對應關係表；步驟5052、根據步驟5051中負溫段不同初始含水率下土樣電阻率和溫度與凍土未凍水含量的對應關係表中的數據，在計算機的MATLAB軟體中，繪製出土樣電阻率和溫度與凍土未凍水含量的三維曲面圖，並將繪製出的土樣電阻率和溫度與凍土未凍水含量的三維曲面圖定義為凍土電阻率和溫度與凍土未凍水含量的關係模型。本實施例中，步驟502之前還進行烘乾條件實驗，測得正溫段土樣電阻率與溫度的關係，具體過程為：步驟A、連接實驗設備：如圖7所示，將電流表8的正極與交流調壓電源7的正極輸出端連接，將電流表8的負極與土樣盒6左右兩側一側側壁上的導電片10連接，將交流調壓電源7的負極輸出端與土樣盒6左右兩側另一側側壁上的導電片10連接；並將電壓表9的正極與土樣盒6左右兩側一側側壁上的導電片10連接，將電壓表9的負極與土樣盒6左右兩側另一側側壁上的導電片10連接；將溫度測量儀上連接的溫度測量探頭插入溫度測量探頭孔內；步驟B、分別將多個不同初始含水率的土樣放在土樣盒6中，用保鮮膜嚴密包裹後置入真空乾燥箱內；每次置入土樣，都操作真空乾燥箱的控制面板，使真空乾燥箱的溫度從20℃上升到40℃，升溫過程中，每隔ΔT1溫度記錄一次溫度測量儀檢測到的溫度T、電壓表9的示數U和電流表8的示數I；再根據公式計算得到每次記錄的溫度T對應的土樣電阻率ρ；其中，ΔT1的取值為1℃～7℃；採用保鮮膜嚴密包裹能夠防止土樣水分揮發，提高測量精度；步驟C、將步驟B中記錄的溫度T和計算得到的土樣電阻率ρ與土樣的初始含水率相對應輸入計算機的EXCEL軟體中，形成正溫段不同初始含水率下土樣電阻率與溫度的對應關係表；步驟D、在計算機的EXCEL軟體中，以溫度為橫坐標，土樣電阻率為縱坐標，對步驟C中正溫段不同初始含水率下土樣電阻率與溫度的對應關係表的數據進行描點畫圖，繪製出正溫段不同初始含水率下土樣電阻率與溫度關係曲線圖。通過測得正溫段土樣電阻率與溫度的關係，能夠得出結論：正溫段溫度對土樣電阻率影響不大，因此在後續步驟中，通過正溫段不同初始含水率下土樣電阻率與土樣含水率關係曲線的擬合方程與負溫段不同初始含水率下土樣電阻率與溫度關係曲線的擬合方程聯立，就能夠確定出較為精確的負溫段不同初始含水率下凍土未凍水含量與溫度關係方程。本實施例中，步驟501所述將步驟5033中負溫段不同初始含水率下土樣電阻率與溫度的對應關係表中的溫度數據代入步驟504中求解出的負溫段不同初始含水率下凍土未凍水含量與溫度關係方程中，求解出負溫段不同初始含水率下各個溫度數據對應的凍土未凍水含量之後，還將並將溫度T和凍土未凍水含量與土樣的初始含水率相對應輸入計算機的EXCEL軟體中，形成負溫段不同初始含水率下溫度和凍土未凍水含量的對應關係表；並在計算機的EXCEL軟體中，以溫度為橫坐標，凍土未凍水含量為縱坐標，對負溫段不同初始含水率下溫度和凍土未凍水含量的對應關係表的數據進行描點畫圖，繪製出負溫段不同初始含水率下溫度和凍土未凍水含量關係曲線圖。本實施例中，所述導電片10為銅片，所述電子天平的量程為1千克，步驟5022中m的取值為0.5克。本實施例中，步驟B中所述ΔT1的取值為4℃。為了驗證本發明能夠產生的效果，依據本發明的方法步驟進行了實驗，實驗時，選取同一種土控制土樣礦物成分一樣，採用相同成分的自來水進行土樣不同初始含水率的配置以保證孔隙水自身電阻率相同，根據土工試驗手冊的壓實要求結合土樣盒6尺寸大小做到對孔隙率進行控制。實驗所採用的土的主要物理指標如表1所示：表1實驗用土的主要物理指標名稱質地容重/g·cm-3粒徑/mm幹密度/g·cm-3均勻細數曲率係數黃土粘土1.50.011.63.50.94實驗中的交流調壓電源7的型號為STG-500W，調節交流調壓電源7的輸出為100V交流電；導電片10為銅片，電子天平的量程為1千克；步驟502之前進行烘乾條件實驗，測得正溫段土樣電阻率與溫度的關係時，步驟B中多個不同初始含水率的土樣的含水率分別為25％、20％、14％、10％和5％，ΔT1的取值為4℃，L的取值為0.15m，S的取值為0.0025m2；選取步驟C中形成的正溫段不同初始含水率下土樣電阻率(單位為Ω·m)與溫度(單位為℃)的對應關係表中的部分數據如表2所示：表2正溫段不同初始含水率下土樣電阻率與溫度的對應關係表步驟D中繪製出的正溫段不同初始含水率下土樣電阻率與溫度關係曲線圖如圖9所示。步驟502中進行烘乾條件實驗，測得正溫段土樣電阻率與瞬時含水率的關係時，步驟5022中多個不同初始含水率的土樣的含水率分別為25％、20％、14％、10％和5％，m的取值為0.5克，L的取值為0.15m，S的取值為0.0025m2；選取步驟5023中形成的正溫段不同初始含水率下土樣電阻率(單位為Ω·m)與土樣含水率(單位為％)的對應關係表中的部分數據如表3所示：表3正溫段不同初始含水率下土樣電阻率與土樣含水率的對應關係表步驟5024中繪製出的正溫段不同初始含水率下土樣電阻率與土樣含水率關係曲線圖如圖10所示。步驟5025中確定出的正溫段不同初始含水率下土樣電阻率與土樣含水率關係曲線的擬合方程如表4所示：表4不同初始含水率下土樣電阻率與土樣含水率關係曲線的擬合方程表土樣擬合方程擬合度R2初始含水率25％ρ＝5557.4θ-1.4760.9281初始含水率20％ρ＝4181.7θ-1.2960.8825初始含水率14％ρ＝4751.9θ-1.2160.8967初始含水率10％ρ＝5176.1θ-0.9910.9123初始含水率5％ρ＝6361.2θ-0.8020.9421步驟503中進行冷凍條件實驗，測得負溫段土樣電阻率與溫度的關係時，步驟5032中多個不同初始含水率的土樣的含水率分別為25％、20％、14％、10％和5％，ΔT2的取值為2℃，S的取值為0.0025m2；選取步驟5033中形成的負溫段不同初始含水率下土樣電阻率(單位為Ω·m)與溫度(單位為℃)的對應關係表中的部分數據如表5所示：表5角溫段不同初始含水率下土樣電阻率與溫度的對應關係表步驟5034中繪製出的負溫段不同初始含水率下土樣電阻率與溫度關係曲線圖如圖11所示。步驟5035中確定出的負溫段不同初始含水率下土樣電阻率與溫度關係曲線的擬合方程如表6所示：表6負溫段不同初始含水率下土樣電阻率與溫度關係曲線的擬合方程表試樣擬合方程擬合度R2初始含水率5％ρ＝2376.2e-0.127T0.9763初始含水率10％ρ＝1818.6e-0.134T0.9798初始含水率14％ρ＝1532.6e-0.138T0.9788初始含水率20％ρ＝1254.1e-0.139T0.9733初始含水率25％ρ＝1154.2e-0.143T0.9743步驟504中求解出的負溫段不同初始含水率下凍土未凍水含量與溫度關係方程如表7所示：表7負溫段不同初始含水率下凍土未凍水含量與溫度關係方程表試樣擬合方程擬合度R2初始含水率5％θ＝4.096e0.1568T0.9421初始含水率10％θ＝6.663e0.1695T0.9266初始含水率14％θ＝6.869e0.1569T0.8904初始含水率20％θ＝8.858e0.1683T0.8772初始含水率25％θ＝9.570e0.1675T0.8587步驟505中建立凍土電阻率和溫度與凍土未凍水含量的關係模型時，選取步驟501中形成的負溫段不同初始含水率下溫度(單位為℃)和凍土未凍水含量(單位為％)的對應關係表中的部分數據如表8所示：表8負溫段不同初始含水率下溫度和凍土未凍水含量的對應關係表步驟501中繪製出的負溫段不同初始含水率下溫度和凍土未凍水含量關係曲線圖如圖12所示。選取步驟501中形成的負溫段不同初始含水率下土樣電阻率(單位為Ω·m)和溫度(單位為℃)與凍土未凍水含量(單位為％)的對應關係表中的部分數據如表9所示：表9負溫段不同初始含水率下土樣電阻率和溫度與凍土未凍水含量的對應關係表步驟502中在計算機的MATLAB軟體中，繪製出土樣電阻率和溫度與凍土未凍水含量的三維曲面圖所採用的MATLAB程序為：θ＝[2512.265.282.302.841.861.76209.014.912.481.951.701.50148.993.772.391.831.571.37106.732.371.731.531.461.2653.941.601.611.211.291.09]T＝[0-1-5-8-10-15-200-1-5-8-10-15-200-1-5-8-10-15-200-1-5-8-10-15-200-1-5-8-10-15-20]ρ＝[8871550375451688985134541941798416713862536191941252120436119723664325568510675165212526514532874467862171294718611273921973397751657213156752232131292][X，Y]＝meshgrid(0：0.01：0.3，-20：1：0)Z＝griddata(θ，T，ρ，X，Y)surf(X，Y，Z)步驟502中繪製出土樣電阻率和溫度與凍土未凍水含量的三維曲面圖如圖13所示。為了評定本發明的方法的可靠性，採用NMR法對上述實驗得到的結論進行驗證。具體過程為：採用配置有溫度測控系統的MacroMR12-150H-1核磁共振分析與成像系統進行與上述實驗同樣初始含水率梯度下凍土未凍水含量隨溫度變化關係的測定，具體來說，預先配置好5組初始含水率分別為5％、10％、14％、20％、25％的土樣在冷凍箱中凍結，調節冷凍箱溫度，使土樣在每個測定溫度段溫度保持30分鐘，使其充分凍結。對土樣進行測定時，通過核磁共振分析與成像系統記錄氫元素的強度，通過溫度測控系統記錄溫度，並將記錄的溫度和氫元素的強度相對應輸入計算機的EXCEL軟體中，形成不同初始含水率下土樣溫度和氫元素的強度的對應關係表；再在計算機的EXCEL軟體中，以溫度為橫坐標，氫元素的強度為縱坐標，對不同初始含水率下土樣溫度和氫元素的強度的對應關係表的數據進行描點畫圖，繪製出NMR法不同初始含水率下土樣氫元素的強度隨溫度變化的關係曲線圖如圖14所示；再在計算機的EXCEL軟體中，對不同初始含水率下土樣氫元素的強度隨溫度變化的關係曲線圖中的正溫段進行線性函數擬合，得到正溫段不同初始含水率下土樣氫元素的強度隨溫度變化的關係曲線的擬合方程如表10所示：表10正溫段不同初始含水率下土樣氫元素的強度(Ys)隨溫度(T)變化的關係曲線的擬合方程表試樣擬合方程擬合度R2初始含水率5％Ys＝-1.563T+2569.50.1381初始含水率10％Ys＝-1.037T+4635.70.0284初始含水率14％Ys＝-136.28T+8304.30.8369初始含水率20％Ys＝-146.3T+8921.90.9746初始含水率25％Ys＝-263.27T+151410.9386根據公式將正溫段不同初始含水率下土樣氫元素的強度隨溫度變化的關係曲線的擬合方程轉換為不同初始含水率下凍土未凍水含量與溫度關係方程；其中，w為土樣的初始含水率，θ為凍土未凍水含量，Ys為將某溫度值帶入擬合方程得到的土樣氫元素的強度，Yn為某溫度下採用核磁共振分析與成像系統記錄的氫元素的強度；再將溫度帶入不同初始含水率下凍土未凍水含量與溫度關係方程中，求解出各個溫度數據對應的凍土未凍水含量，並將溫度和凍土未凍水含量與土樣的初始含水率相對應輸入計算機的EXCEL軟體中，形成負溫段不同初始含水率下溫度和凍土未凍水含量的對應關係表；並在計算機的EXCEL軟體中，以溫度為橫坐標，凍土未凍水含量為縱坐標，對負溫段不同初始含水率下溫度和凍土未凍水含量的對應關係表的數據進行描點畫圖，繪製出NMR法負溫段不同初始含水率下溫度和凍土未凍水含量關係曲線圖如圖15所示。對比圖15和圖12可以看出，通過本發明的方法繪製出的負溫段不同初始含水率下溫度和凍土未凍水含量關係曲線圖與採用NMR法繪製出的負溫段不同初始含水率下溫度和凍土未凍水含量關係曲線圖曲線基本一致，說明本發明方法的精確度能夠滿足實際使用需求。實施例2如圖2和圖6所示，本實施例的基於土體電阻率變化的凍土未凍水含量檢測系統，與實施例1不同的是：所述溫度及電阻率檢測裝置4包括多個上下疊放的檢測單元1，上下相鄰的兩個檢測單元1通過第一套管1-1與第三套管1-11螺紋連接的方式相連接，其餘結構均與實施例1相同。本實施例的基於土體電阻率變化的凍土未凍水含量檢測方法，與實施例1不同的是：步驟一、根據待測量凍土的高度選擇檢測單元1的個數為多個；步驟二、先將多個檢測單元1連接為一個整體，再將連接為一個整體的多個檢測單元1置入土體中，並將溫度測量探頭安裝管1-7的豎直段和電阻率測量探頭安裝管1-8的豎直段均調整為豎直向下；或者，先將一個檢測單元1置入土體中，再連接上部的一個檢測單元1，直至將所有的檢測單元1連接並置入土體中，並將溫度測量探頭安裝管1-7的豎直段和電阻率測量探頭安裝管1-8的豎直段均調整為豎直向下。其餘步驟均與實施例1相同。本實施例中，步驟五中所述預先通過進行實驗並處理實驗數據獲得凍土電阻率和溫度與凍土未凍水含量的關係模型的方法與實施例1相同。以上所述，僅是本發明的較佳實施例，並非對本發明作任何限制，凡是根據本發明技術實質對以上實施例所作的任何簡單修改、變更以及等效結構變化，均仍屬於本發明技術方案的保護範圍內。當前第1頁1&nbsp2&nbsp3&nbsp