高电导率岩土介质介电常数及含水量TDR测试研究

论文摘要

岩土介质的含水量是岩土工程中的重要参数,常见的岩土介质处于低电导率环境中,而随着环境岩土工程的发展,污染土以及城市固体废弃物(MSW)等高电导率岩土介质也逐渐为学者所关注。这些岩土介质含水量的测试及监测对于土工指标的确定,稳定性分析,污染物迁移监测,填埋场的水量平衡控制、渗滤液导排与收集以及MSW的加速降解等都非常重要。基于电磁学的电磁波时域反射法(time domain reflectometry, TDR)可以通过测试岩土介质的介电常数和电导率来计算其含水量,具有测试速度快、精度高,可自动化监测的优点。但是,受介质电导率引起电磁波衰减的影响,传统的TDR行程时间法含水量测试技术无法在高电导率的岩土介质中应用。而受传感器的限制,适用于高电导率环境的TDR表面反射法仅对高电导率土介质含水量测试进行了室内试验研究,对于高电导率岩土介质含水量现场测试未能实现突破性进展。根据表面反射法原理,利用电磁场有限元分析方法及TDR测试系统模拟程序,对传感器的类型、材料、尺寸、影响范围及功能等各方面进行了分析,研制了分段式现场测试传感器。该传感器测得的反射波形既能采用行程时间法进行分析,又能采用表面反射法进行分析,适合不同电导率环境下岩土介质介电常数及电导率测试。通过室内试验传感器及现场测试传感器对不同类型的土介质尤其是高电导率土介质介电常数与含水量进行了测试,结果表明在介质电导率不高的情况下,表面反射法和行程时间法测得的介电常数基本一致,介电常数平方根的相对误差在士10%以内,行程时间法会由于电导率的影响而使测得的介电常数偏高。表面反射法和行程时间法含水量测试结果与烘干法结果的绝对误差值在士3%之内,且表面反射法能在行程时间法无法分析的高电导率土介质中应用。研制的现场测试传感器使用方便,且能达到与室内试验传感器同样的测试精度。通过对MSW介质的室内试验及现场试验研究表明,表面反射法能测试高电导率MSW介质的含水量。虽然MSW介质不同成分物理特性差异较大,但介电常数基本一致,因此MSW的介电常数与组成成分的比例基本无关,主要由含水量及孔隙率决定。MSW介质介电常数的平方根1/Ka与体积含水量θ呈线性相关,且(?)～θ关系与孔隙率密不可分,实际应用中需要根据不同孔隙率建立相应的关系方程。根据大量试验数据,给出了考虑介质孔隙率影响的(?)～θ关系式,用该式计算而得的MSW含水率与烘干法结果绝对误差在5%之内。根据现场试验及模型试验结果,埋设在垃圾体中的传感器能够及时反映垃圾降解过程中含水量的变化过程,用TDR方法测得的垃圾含水率变化结果与用渗滤液产量反算的结果一致。渗滤液回灌试验中,传感器对含水量的变化比较敏感,能及时反映垃圾体中由渗滤液的增减而引起的含水量变化。

论文目录

• 致谢
• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 研究背景
• 1.2 岩土介质含水量的测试方法
• 1.3 岩土介质的电磁特性
• 1.4 TDR测试技术研究现状
• 1.5 本文的研究内容
• 2 岩土介质介电常数及含水量的TDR测试
• 2.1 TDR测试原理
• 2.2 岩土介质介电常数和电导率的TDR测试
• 2.2.1 行程时间法测试介电常数
• 2.2.2 表面反射法测试介电常数
• 2.2.3 电导率的TDR测试方法
• 2.2.4 介电常数和电导率的温度修正
• 2.3 岩土介质介电常数与含水量的关系
• 2.3.1 体积混合模型
• 2.3.2 经验模型
• 2.4 小结
• 3 TDR测试系统的同轴传输线理论分析
• 3.1 同轴传输线中的电磁波传播理论
• 3.1.1 Maxwell方程组
• 3.1.2 电磁学的本构方程
• 3.1.3 电磁学的波动方程
• 3.1.4 电磁波在同轴传输线中的传播
• 3.2 TDR测试系统及理论分析模型
• 3.2.1 现有商业化TDR测试系统
• 3.2.2 电磁波在TDR测试系统中的传播
• 3.2.3 TDR测试系统的理论模型
• 3.2.4 TDR测试波形的模拟
• 3.3 分段式TDR传感器的原理
• 3.3.1 同轴转换器及调整段长度的影响
• 3.3.2 调整段填充介质介电常数的影响
• 3.3.3 测试段电导率的影响
• 3.3.4 分段式TDR室内试验传感器的研制
• 3.4 小结
• 4 分段式TDR现场测试传感器的研制
• 4.1 传感器的设计思路
• 4.2 传感器的分析及研制
• 4.2.1 传感器探针的类型
• 4.2.2 传感器的材料
• 4.2.3 传感器的尺寸
• 4.2.4 传感器的构成
• 4.3 传感器的参数标定
• 4.3.1 Ψ值的标定
• σ～σ关系的标定'>4.3.2 △p_σ～σ关系的标定
• 4.4 小结
• 5 表面反射法和行程时间法测试不同电导率土介质的比较
• 5.1 土介质介电常数及含水量测试的室内试验研究
• 5.1.1 试验材料及试验方法
• 5.1.2 介电常数的测试结果及比较
• 5.1.3 含水量的测试结果及比较
• 5.2 分段式传感器测试土介质介电常数及含水量的应用
• 5.2.1 工程概况及测试方法
• 5.2.2 介电常数的测试结果及比较
• 5.2.3 含水量的测试结果及比较
• 5.3 小结
• 6 城市固体废弃物的介电常数与含水量的关系
• 6.1 城市固体废弃物的组成及电导率
• 6.2 MSW介电常数测试的室内试验研究
• 6.2.1 介电常数的测试结果及比较
• 6.2.2 纸、塑料及有机物的介电常数与体积含水量之间的关系
• 6.2.3 MSW的介电常数与体积含水量之问的关系
• 6.2.4 孔隙率对介电常数的影响
• 6.3 MSW介电常数及含水量的现场测试
• 6.4 小结
• 7 垃圾填埋场含水量监测模型试验及现场应用
• 7.1 垃圾降解过程中含水量监测模型试验
• 7.1.1 模型试验系统的建立
• 7.1.2 降解过程中含水量的变化监测
• 7.1.3 渗滤液回灌过程中含水量的变化监测
• 7.2 垃圾降解过程中含水量监测现场应用
• 7.2.1 现场试验区域布置及传感器埋设
• 7.2.2 试验方法
• 7.2.3 试验结果及分析
• 7.3 小结
• 8 结论与建议
• 8.1 本文的主要结论
• 8.2 进一步研究的建议
• 参考文献
• 作者简历及在学期间所取得的科研成果