TDR测试技术在岩土工程中的实际运用

丁静泽

摘要：电磁波时域反射法是一种较为常用的远程遥感测试技术，其在岩土工程领域应用的时间可以追溯到上个世纪七十年代，目前相关技术的应用已较为成熟。本文主要该技术的各项特点进行分析，重点探讨了其在土体含水量测试、地下水土污染勘察、滑坡稳定性监测方面的应用进行探讨。

关键词：时域反射法；远程遥感测试；岩土工程；土体含水量

随着岩土工程施工的广泛开展，其对测试技术也提出了更高的要求，具有便捷性、准确性和远程控制性等特点的电磁波时域反射法（TDR）受到了广泛关注，TDR技术被引入岩土工程后，在土体水量、干密度、地下水位、滑坡稳定性以及土体污染控制等方面得以应用，且取得了较为满意的效果，相关研究越来越受到重视。

一、TDR测试技术分析

TDR系统的工作原理与雷达比较相似，在发射能量脉冲后，对其在被测对象上的反射回波时间进行测定，从而完成对被测对象的定位，该系统实际上是在雷达基础上发展起来的一种闭合回来雷达，通过对反射波形的分析，可获得介电常数、反射系数等诸多信息[1]。TDR测试系统由电源、数据采集器、同轴理由器、信号发射器、同轴传输线和测试探头构成，该系统在发射电脉冲及在同轴传输线中传播时，应符合麦克斯韦方程，根据波动方程中的各分式，可确定传输线内外导体之间的电压、电流、特性阻抗，并由采样器获得采样电压和初始阻抗来反映被测对象的介电特性参数，测定电导率和介电常数，因特性阻抗会受到受力区域几何特性的影响，测定反射系数便可对进行同轴电缆传输线变形量分析，在变形监测中借助该技术可确定变形的大小及具体位置[2]。

二、TDR测试技术在岩土工程中的具体运用

（一）土体含水量测定

對于土体含水量的测试，主要通过对反射波形进行分析，获取介电常数后便可确定。通常条件下，土体颗粒的介电常数要比水的介电常数大很多，即>81，在判断土体含水量之前应先确定土体的介电常数，其与含水量关系公式有很多，应用较广的为Topp经验公式[3]：

=4.3×10-6 -5.5×10-4 +2.92×10-2 —5.3×10-2

式中， 表示体积含水量， 表示土体介电常数，在此基础上建立体积含水量与土体介电常数之间的联系，可获取土体含水量。为进一步提高传统经验公式的精确性，西迪基将干密度引入公式中，建立起质量含水量、土体介电常数和干密度三者之间关系的公式[4]：

=a+bw

式中， 表示土体干密度， 表示水密度，w表示土体质量含水量，a和b均为常数。与经验公式相比，该方法测得的结果，精确度更高。在该公式基础上，利用电磁波在土体表面发射的信息（含高频部分）计算介电常数，可对高导电土体进行测试，使TDR技术在高含水土体、化学加固土和污染土中得以应用。土体含水量的测试可采用一步法和两步法，前者根据介电常数和电导率，后者根据土体介电常数，由于在应用TDR测试技术时会在频率范围内出现离子位移极化、电子位移极化等现象，需综合考虑全部影响因素。

（二）地下水土污染勘察

随着我国工业的快速发展，工业规模的不断扩大，其排放的各种污染物也在增多，如重金属离子、非水相流体等污染物对土壤及地下水会造成较为严重的污染，因其具有高离散性、迁移性和广泛性等特点，对其进行治理所面对的难度较大，同时又十分紧迫，以往通过现场采样，然后对样本进行化学分析的方法，虽然比较可靠、精确，但是所花费的时间和成本较高，引入TDR测试技术，对地下水土污染进行勘察，可有效解决传统采样方法存在的问题，且更为快速，更具可行性。通过对污染土进行电学性质分析，测定电导率和介电常数，在此基础上获取土介质孔隙率，该方法在测试离子型污染物，效果较为显著。在含水量保持不变的情况下，随着污染土体积含量的不断增加，介电常数也会发生变化，而导电率则相对稳定；在污染土体积保持不变的情况下，随着体积含水量与污染土体积比值的不断增大，介电常数和导电率则会逐渐增加，根据这一关系，可对地下水污染变化情况进行勘察。

（三）滑坡稳定性监测

利用TDR测试技术对滑坡稳定性进行监测，首先要在待测岩体或土体上钻孔，并将同轴电缆置于钻孔上，与测试仪相连，电缆和钻孔间的缝隙应用砂浆进行填充，保证其与岩体同步变形，同轴电缆剪切以及拉伸变形会引起局部特性阻抗发生变化，将其反射到TDP波形中，通过对波形与拉伸量化关系的分析，便可明确岩体位移或土体变形情况。同轴电缆反射系数在剪切作用下会呈现一定的变化规律，如型号为SYWY-75-5、SYWY-75-7和SYWY-75-9的同轴电缆，其邻接剪切位移分别为1.24mm、1.85mm和2.35mm，剪力峰值对应的剪切位移分别为6.4mm、9.6mm和12.4mm[5]。与常规测斜仪比较，TDP设备的耗电量较低、信号可信度较高，且便于操作，该技术可同时监测上百个被测点，与GIS技术相结合还可实现远距离数据传输，监测人员在监测室便可对各监测点进行远程控制，极大地提高了监测工作的效率和安全性。TDR技术在现场监测中还并未得到普及，面对场地的复杂性以及土坡华东形式的多样性，其对土坡滑移量的现场监测还存在一定的误差，有必要对其做出进一步的改进。

结论：

综上所述，TDR测试技术在岩土工程中应用越来越广泛，也越来越受到重视，根据TDR原理，通过反射信号便可对液位面位置进行确定，还能够明确土体电导率与空隙水电导率之间的关系，可实现对地下水位、土体含水量以及土体污染情况的监测，根据电学特性还可明确加固土电导率的变化规律。目前该技术土体含水量测定和地下水土污染勘察方面已经得以广泛应用，在滑坡稳定性监测方面也得到推广，随着多形式探头的采用以及相关技术的逐渐成熟，该技术的应用领域必然会进一步得到拓展，其在岩土工程领域势必将有更为广阔的应用前景。

【参考文献】

[1]冯怡毅.基于TDR测试技术在岩土工程中的应用研究[J].科技致富向导，2014，32（10）：83-85.[2]刘松玉，蔡正银.土工测试技术发展综述[J].土木工程学报，2012，10（3）：163-165.

[3]廖林.浅谈勘察技术在岩土工程中的运用[J].黑龙江科技信息，2012，19（5）：50-52.

[4]马英明，张晓峰.测试与检测技术在岩土工程中的应用[J].技术与市场，2014，12（4）：170-171.

[5]王雅君，张志坚.浅析岩土工程勘察中的岩土测试[J].科技与企业，2014，16（8）：171-173.