[实用新型]一种平行螺旋式可伸缩时域反射探针

说明书

本实用新型公开一种平行螺旋式可伸缩的时域反射探针，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，使用时正极探针和负极探针平行螺旋布设在柔性筒内侧壁上，然后通过同轴电缆与时域反射信号发生器连接进行信号采集。本方案所述设计的时域反射探针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。

技术领域

本实用新型属于岩土工程行业、农业和非常规油气行业岩土样品含水率测试领域，具体涉及一种平行螺旋式可伸缩时域反射探针。

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】的实用新型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。

实用新型内容