TDR测试技术在岩土工程中的应用

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【摘要】本文首先阐述了时域反射技术，然后分析了时域反射技术基本工作原理，最后阐述了tdr测试技术在岩土工程中的应用

【关键词】TDR测试技术；岩土工程；应用

中图分类号：C35文献标识码： A

一、前言

近年来，科技的不断发展，使得TDR测试技术在岩土工程中的应用问题引起了人们的普遍关注。TDR测试技术直接影响岩土工程的质量，我国在此技术上也取得了一定的成绩。

二、时域反射技术的概述

时域反射技术(Time-Domain Reflectometry，简称TDR)，是一种通过观测电磁波在介质中的传播情况来确定待测介质性质的探测技术。时域反射仪含有发射脉冲的发射系统和用以接收数据的接收系统两大主体部分，早期主要在电子工业中用于检测通讯电缆的故障，因此又称为电缆探侧仪。TDR探头研制成功以后，由于探针可以引导电磁波信号在介质中传播，大大扩展了TDR技术的应用范围。通过实验对比得知，TDR技术对介质的含水量、电导率、特征阻抗等参数的测量具有数据精确(精确度达1%~2%)、计算量小、灵活性大、方便实时实地测量等优点。

三、时域反射技术基本工作原理

时域反射仪主机基本由发射机、接收机、发射接收系统、信号处理系统和显示器等五部分组成。作为电缆探测仪使用时，直接与测试的电缆连接。而在含水量、电导率和其它应用中，可根据测试的需要与特制的探头连接。时域反射仪基本工作原理如图1所示。

发射机产生脉冲信号由发射接收系统发送，信号经电缆传送到探头。探头和电缆的反射信号经发射接收系统返回到接收机，经过信号处理系统处理后，显示器上显示出电缆和探头的阻抗特征。

发射机发出的脉冲信号在均匀介质中传播时，其传播速度是不变的，传播速度V、距离L和发射波传播到反射点及反射波回到发射点所用时间tR的关系式为：

由式(1)可以看出，反射波传播的速度和反射信号回到接收机的时间成反比。由于电磁波在不同介质中传播的速度不同，导致不同介质中反射信号回到接收机的时间不同。

TDR使用同轴电缆作为测量信号传输线，传送的电磁波为横电磁波(TEM)。横电磁波在传播中只有横向电场和横向磁场，沿轴的方向既无电场，也无磁场。

四、TDR测试技术在岩土工程中的应用

1、DR测试技术在岩土基坑工程中的应用

（1）工程概况

本基坑工程位于A省境内，拟建一栋高层建筑，设计基坑开挖深度12m，基坑安全等级为一级。施工场地地形平坦，主要地层为第四系土层，属洪冲积粘土层，分布深度在15m左右，下伏中风化砂岩，岩基面起伏较大。通过钻探资料显示裂隙稍发育，岩芯较完整，质地坚硬，节长5cm～45cm，RQD=60％～95％，V级。岩土层的物理力学参数如表1所示。

该基坑工程呈规则矩形，为简化分析只取1／4范围进行时域反射技术应用和工程计算，计算范围和支护如图2所示。

（2）基坑工程监测布置

根据本基坑工程特点、周边环境状况、地层及水文地质情况，按照《建筑基坑支护技术规程》的要求l6J，布置监测方案：基坑边坡土体顶部的水平位移、竖向位移测点通常应沿基坑周边每隔10m～20m设一点，为了节约成本和监测数据的代表性及精确性，在每边的中部和端部边缘位置布置观测点，本监测系统共布置5个监测孔(考虑到基坑工程的对称性)，每孔深为20m，并在远离基坑处(大于5倍的基坑开挖深度)设基准点，且数量不应少于2点，对基准点要按其稳定程度定时测量其位移和沉降，此方案通过常规的位移监测和水准测量可以得到较好的效果。然而，大量资料显示，基坑支护的整体破坏很多都是深部土体发生剪切而导致，深部位移的测量目前主要是运用深孔测斜技术得到，该技术在复杂的岩土层中很难获得理想的结果，时域反射技术作为一种精密的测试技术，适用性好，测试结果准确，能完全满足工程建设的需要，时域反射测量的布置如图3所示。

（3）时域反射技术监测结果分析

文中采用RVVP型号同轴电缆，在坑壁测孔中发出电信号，再根据该测孔中电缆接收信号与位移关系的特点，来完成坑体深部位移测量过程，其位移关系为：当剪切位移较小时，呈现出滑动面处的反射系数变化为零；当剪切位移达到一定的限值，反射系数开始增大，同剪切位移增长近似成正比关系，剪切位移的测试结果可以通过两条直线拟合得到，在该坐标系统中以剪切位移为自变量，反射系数的变化为因变量，以反射系数变化的拐点为分段的问断点，具体测试结果如图4所示，RVVP电缆反射特性表如表2所示。

（4）工程计算

通过上述时域反射测量技术可以获得基坑深部位移的剪切位移数值和坑体整体滑动面的位置，为了验证时域反射技术测试结果的可靠性和可行性，对该基坑典型断面进行了工程计算，包括剪切位移、垂直位移、水平位移和塑性区的计算，具体结果如图5～图8所示(鉴于该基坑工程的几何形状和荷载具有对称性，为节省篇幅仅对图2中左侧坑壁进行了计算)。

从图5和图6的位移云图中可以看剑，坑的最大位移达到1．5cm，已超过规范规定的限值，基坑有出现整体滑动的可能，同时从图8的塑性分布图中也可以看到从坡脚到坡顶存在即将贯通的塑性区，这允分说明该基坑边坡具有失稳的趋势，这与时域反射测量结果较吻合，因此及时进行监测和防护工作很关键。

（5）结果分析

针对该测试技术在基坑深部位移监测中的应用，获得了基坑深部剪切位移的数值及潜在滑动面的位置，并结合工程计算结果比较得到，时域反射技术用于土体工程的监测是可行的、有效的。

2、TDR技术在含水量测试中的应用

(1)试验材料：试验用土为取自杭州钱塘江边的粉土，其主要性能指标：土粒相对密度：2．69；最大干密度为1570kg・m-3；最优含水量18．0％；有效内摩擦角为30.0°；有效黏聚力为1．0kPa；液限为32％；塑限23．0％；塑性指数为9。

(2)土样的制备：①配置不同含水量的土样，放置恒温室内24h，充分润湿，保证其含水量均匀。②将试样按土工轻型击实试验标准方法分层击实到模型桶中，并用刮刀平整土面。③测试土体重量，计算土体总密度。④放上探针模并打人探针。⑤放上探头段，连接仪器测试TDR波形(每个土样测试三次)。⑥取土(每个土样用三个试样盒)，并用烘干法测试土体的含水量。

(3)试验方法：试验在大型物理模型试验槽中进行。试验槽系统主体采用钢结构，尺寸为15mx5mx6m。试验槽通过密封挡板分成3块边长5m的正方形试验区域。本次试验使用了其中1块5mx5m的区域。TDR探头采用自己设计的三针式探头，探针长200mm，直径8mm，探针间距30mm。具体的TDR布置方案如图9所示。

填土过程：为了得到干密度及含水量等各项土性指标均匀的土层，填土过程分为分块放土、分块铺平、整体振实等步骤，每层土体振实后的厚度约20cm。对每层土体进行振实后，取5个取样点进行含水量和干密度的测试。用环刀法测量土样密度，用烘干法测量土样含水量，并使用TDR法测量测点密度及含水量，查看是否达到填土目标密度，并比较5点密度的差异性。

（4）含水量测试结果及分析

测试结果如图10所示，表明烘干法测试结果略小于TDR测试结果。两组试验中的含水量误差分别见图11和图12，含水量绝对误差大概在3％左右。烘干法测试结果小于TDR测试结果主要是烘干法需要取土，然后拿到烘箱中去烘干，取样及运输途中会有一定的水分损失；而TDR测试方法直接在现场进行测试，故烘干法测试结果会略小于TDR测试结果。另外，TDR测试结果对标定参数也有一定的敏感性，参数精度的高低会影响TDR的测试结果。

（5）结果分析

从测试结果看，TDR方法可以很好地测试土体的含水量。传统的方法测试含水量需要进行两次取样分别测量，而TDR测试通过一次测试就获得含水量。

五、前景展望

虽然，时域反射仪在测定土壤水分含量等方面也有一定的局限性，还有待于进一步的研究与发展，在今后的应用中还有许多方面应该加以改正，但是在许多领域，由于它的出现使好多实验和监测变的简单易行、且具有较高的精确度。另外在许多领域时域反射仪还有其内在的发展潜力。例如，在农业节水等方面的应用、在野外进行土壤水分动态变化过程连续定位观测等。随着水资源危机的日益突出，国内外对节水技术研究的重视度越来越高，这就为时域反射仪开辟了广阔的前景。

六、结束语

综上所述，TDR测试技术是岩土工程的核心技术。因此，我们要根据实际情况，制定出合理的施工技术方案，确保岩土工程的质量。

参考文献

[1]龚元石.时域反射仪测定土壤水分的研究进展[J].灌溉排水，2010（7）：4O-41.

[2]陈仁朋.TDR技术在石灰炉渣加固土中的应用[J].岩土工程学报，2012(5):76-83.