本发明公开了一种基于土体电阻率变化的冻土未冻水含量检测系统，其系统包括地面数据传输终端、计算机和用于置入土体中的温度及电阻率检测装置，温度及电阻率检测装置包括一个检测单元或多个上下叠放的检测单元，检测单元包括套管和数据采集电路板，数据采集电路板上集成有数据采集传输电路和电源线；数据采集传输电路包括第一微处理器、第一数据存储器、第一无线通信模块、温度测量探头和电阻率测量探头；本发明还公开了一种基于土体电阻率变化的冻土未冻水含量检测方法。本发明的实现方便，能够将冻土未冻水含量检测的复杂问题简单化，且测量结果精确，实时性和完整性好，实用性强，使用效果好，便于推广使用。
基于土体电阻率变化的冻土未冻水含量检测系统及方法
技术领域
[0001] 本发明属于冻土未冻水含量检测技术领域，具体涉及一种基于土体电阻率变化的冻土未冻水含量检测系统及方法。
背景技术
[0002] 冻土中未冻水在冻土力学中扮演着重要的角色，冻土未冻水含量对土体以及桩基之间的相互作用有重大影响，在针对冻土的研究中，冻土未冻水含量的测定方式一直以来都没有的到系统科学的解释，因此对于学术研究以及工程实践，这是一个亟待解决的问题。
[0003] 目前此领域用到的冻土未冻水含量测试方法主要有核磁共振法、中子自旋回声法、量热法、介电特性法，实验室常用的方法还有测温法，以上所述方法均存在不足或是不合理之处。具体来说，核磁共振法成本造价太高，不能满足实验以及实际工程的要求。中子自旋回声法利用磁共振中的信号来源，在第一个射频脉冲之后会出现自由衰减，通过衰减来判断未冻水含量，其原理复杂，可行性不强。量热法是把具有稳定负温的冻土试样放入正温量热水中使其进行热交换，试样温度与量热水温度达到平衡，其试验仪器操作复杂，且需要一定的热交换时间，因此不能方便，快速测出瞬时未冻水的含量。介电特性法获得待测物质的超宽带脉冲介电响应曲线后，需通过反演算法来确定其介电常数。反演过程中需通过足够多时间点的采样，来建立准确的多维反演模型，准确计算出各成分介电常数、电阻率、孔隙度、含水量等参数。在实际操作中，由于条件限制，各影响因素的考虑还不够完全，因此利用超宽带脉冲介电响应曲线反演模型还不够完善，有所误差。实验室常用的测温法测试结果测得的数据仅是某一冻结起始温度对应的初始含水量，不能说明冻土中未冻水含量随温度的变化过程。所以从测量设备的设计原理和实用科学性两个角度出发，一种能够综合考量冻土未冻水含量变化规律的测试设备是非常有必要的。
[0004] 冻土中未冻水含量变化可从温度的角度来考量，温度下降会导致土体中原有水的冻结，温度上升会导致土体中原有冰的融化，这两种变化都会导致未冻水含量的变化，而这个变化用实验证明最直接的方式便是电阻率，在零 摄氏度以上，温度变化会导致土体内冰融化水分蒸发，使得自由水含量降低，从而使得土体电阻率变化，在零摄氏度以下，温度变化会引起土体自由水冻结导致含水量的变化从而使得土体电阻率变化，因此如果能够确定出温度、电阻率和未冻水含水量之间的关系，并利用测温度和电阻率来获知未冻水含水量，将很好地解决未冻水含水量测量的技术难题，但是，现有技术中，还缺乏合适的检测系统及方法。
发明内容
[0005] 本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种结构简单、实现方便、能够将冻土未冻水含量检测的复杂问题简单化、且测量结果精确、实用性强、使用效果好、便于推广使用的基于土体电阻率变化的冻土未冻水含量检测系统。
[0006] 为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种基于土体电阻率变化的冻土未冻水含量检测系统，其特征在于：包括地面数据传输终端、计算机和用于置入土体中的温度及电阻率检测装置，所述温度及电阻率检测装置包括一个检测单元或多个上下叠放的检测单元，所述检测单元包括套管和数据采集电路板，所述套管由从上到下一体成型的第一套管、第二套管和第三套管组成，所述第一套管的外径小于第二套管的外径，所述第二套管的外径与第三套管的外径相等，所述第二套管的内径小于第三套管的内径，所述第一套管的外壁上设置有外螺纹，所述第三套管的内壁上设置有内螺纹，当所述检测单元的数量为多个时上下相邻的两个检测单元通过第一套管与第三套管螺纹连接的方式相连接，所述数据采集电路板设置在第二套管与第三套管的过渡处，所述数据采集电路板上集成有数据采集传输电路和用于连接外部供电电源为数据采集传输电路中各用电模块供电的电源线，所述电源线的一端向上沿第二套管的内壁和第一套管的内壁引出到第一套管顶部且连接有第一导电片，所述电源线的另一端连接有位于数据采集电路板底部且用于在将第三套管与第一套管螺纹连接时与第一导电片对接的第二导电片，所述数据采集传输电路包括第一微处理器以及与第一微处理器相接的第一数据存储器和第一无线通信模块，所述数据采集电路板上固定连接有多根伸出第二套管并向下竖直弯折的温度测量探头安装管和多根伸出第二套管并向下竖直弯折的电阻率测量探头安装管，所述温度测量探头安装管的竖直段内设置有与第一微处理器的输入端连接的温度测量探头，所述电阻率测量探头安装管的竖直段内设置有与第 一微处理器的输入端连接的电阻率测量探头；所述地面数据传输终端包括第二微处理器以及与第二微处理器相接的第二数据存储器、用于与计算机连接并通信的USB通信电路模块和用于与第一无线通信模块无线连接并通信的第二无线通信模块。
[0007] 上述的基于土体电阻率变化的冻土未冻水含量检测系统，其特征在于：所述温度测量探头安装管的数量和电阻率测量探头安装管的数量均为四根，四根温度测量探头安装管和四根电阻率测量探头安装管均匀设置在数据采集电路板上，所述温度测量探头安装管和电阻率测量探头安装管相互间隔设置。
[0008] 上述的基于土体电阻率变化的冻土未冻水含量检测系统，其特征在于：所述第一套管与第二套管的过渡处设置有顶板，所述电源线穿过所述顶板。
[0009] 上述的基于土体电阻率变化的冻土未冻水含量检测系统，其特征在于：所述第一微处理器为单片机。
[0010] 本发明还公开了一种方法步骤简单、设计合理、实现方便的基于土体电阻率变化的冻土未冻水含量检测方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
[0011] 步骤一、根据待测量冻土的高度选择检测单元的个数；
[0012] 步骤二、当检测单元的个数为一个时，直接将检测单元置入土体中；当检测单元的个数为多个时，先将多个检测单元连接为一个整体，再将连接为一个整体的多个检测单元置入土体中，并将温度测量探头安装管的竖直段和电阻率测量探头安装管的竖直段均调整为竖直向下；或者，先将一个检测单元置入土体中，再连接上部的一个检测单元，直至将所有的检测单元连接并置入土体中，并将温度测量探头安装管的竖直段和电阻率测量探头安装管的竖直段均调整为竖直向下；
[0013] 步骤三、将第一导电片与外部供电电源的输出端连接；
[0014] 步骤四、检测单元中的第一微处理器对温度测量探头检测到的温度进行周期性采集，并对电阻率测量探头检测到的电阻率进行周期性采集，将采集到的温度数据和电阻率数据存储到第一数据存储器中，并通过第一无线通信模块发送给地面数据传输终端，地面数据传输终端中的第二微处理器通过第二无线通信模块接收第一微处理器发送的温度数据和电阻率数据，存储在第二数据存储器中，并通过USB通信电路模块发送给计算机；
[0015] 步骤五、计算机将温度数据和电阻率数据输入预先通过进行实验并处 理实验数据获得的冻土电阻率和温度与冻土未冻水含量的关系模型中，获得冻土未冻水含量。
[0016] 上述的方法，其特征在于：步骤五中所述预先通过进行实验并处理实验数据获得冻土电阻率和温度与冻土未冻水含量的关系模型的方法包括以下步骤：
[0017] 步骤501、准备实验设备，所述实验设备包括土样盒、交流调压电源、电流表、电压表、真空干燥箱、电子天平、冷冻箱和温度测量仪，所述温度测量仪上连接有温度测量探头，所述土样盒的左右两侧侧壁上均设置有能够与土样盒内的土样两端接触的导电片，所述土样盒的前壁和/或后壁上设置有供温度测量探头插入的温度测量探头孔；
[0018] 步骤502、进行烘干条件实验，测得正温段土样电阻率与瞬时含水率的关系，具体过程为：
[0019] 步骤5021、连接实验设备：将电流表的正极与交流调压电源的正极输出端连接，在电流表的负极上通过导线连接导电片，在交流调压电源的负极输出端通过导线连接导电片；并将电压表的正极与与电流表的负极连接的导电片连接，将与与交流调压电源的负极连接的导电片连接；
[0020] 步骤5022、将电子天平放入温度不超过40℃的真空干燥箱内，并在电子天平上放上土样支架，将此时电子天平的读数记录为土样支架的质量，再分别将多个不同初始含水率的土样放在土样盒中，待土样稳定成型后去除土样盒，通过皮筋将与电流表的负极连接的导电片和与交流调压电源的负极连接的导电片分别固定在土样左右两侧，然后将土样置入真空干燥箱内并放在土样支架上；每次置入土样，都将置入土样时电子天平的读数记录为土样初始质量，并以电子天平读数每减少m质量为一个记录点记录瞬时质量、电压表的示数U和电流表的示数I；再根据公式 计算得到土样含水率θ；并根据公式计算得到每次记录的土样含水率θ对应的土样电阻率ρ；其中，C为干土的质量且 A为土样初始质量，B为土样支架的质量，D为记录点记录的瞬时质量，w为土样的初始含水率；L为土样盒的长度，S为土样盒左侧面或右侧面的面积；
[0021] 步骤5023、将步骤5022中计算得到的土样含水率θ和土样电阻率ρ与土样的初始含水率相对应输入计算机的EXCEL软件中，形成正温段不同初始含水率下土样电阻率与土样含水率的对应关系表；
[0022] 步骤5024、在计算机的EXCEL软件中，以土样含水率为横坐标，土样电阻率为纵坐标，对步骤5023中正温段不同初始含水率下土样电阻率与土样含水率的对应关系表的数据进行描点画图，绘制出正温段不同初始含水率下土样电阻率与土样含水率关系曲线图；
[0023] 步骤5025、在计算机的EXCEL软件中，对步骤5024中绘制的正温段不同初始含水率下土样电阻率与土样含水率关系曲线进行线性函数、幂函数、指数函数和对数函数的曲线拟合，得到多个拟合方程，并将拟合度最接近1的拟合方程确定为正温段不同初始含水率下土样电阻率与土样含水率关系曲线的拟合方程；
[0024] 步骤503、进行冷冻条件实验，测得负温段土样电阻率与温度的关系，具体过程为：
[0025] 步骤5031、连接实验设备：将电流表的正极与交流调压电源的正极输出端连接，将电流表的负极与土样盒左右两侧一侧侧壁上的导电片连接，将交流调压电源的负极输出端与土样盒左右两侧另一侧侧壁上的导电片连接；并将电压表的正极与土样盒左右两侧一侧侧壁上的导电片连接，将电压表的负极与土样盒左右两侧另一侧侧壁上的导电片连接；将温度测量仪上连接的温度测量探头插入温度测量探头孔内；
[0026] 步骤5032、分别将多个不同初始含水率，温度处于20℃～40℃之间的土样放在土样盒中，用保鲜膜严密包裹后置入冷冻温度为-35℃的冷冻箱内；每次置入土样，都以温度测量仪检测到的温度到达0℃后每降低ΔT2温度记录一次温度测量仪检测到的温度T、电压表的示数U和电流表的示数I；再根据公式 计算得到每次记录的温度T对应的土样电阻率ρ；其中，ΔT2的取值为1℃～7℃；
[0027] 步骤5033、将步骤5032中记录的温度T和计算得到的土样电阻率ρ与土样的初始含水率相对应输入计算机的EXCEL软件中，形成负温段不同初始含水率下土样电阻率与温度的对应关系表；
[0028] 步骤5034、在计算机的EXCEL软件中，以温度为横坐标，土样电阻率为纵坐标，对步骤5033中负温段不同初始含水率下土样电阻率与温度的对应关系表的数据进行描点画图，绘制出负温段不同初始含水率下土样电阻率与温度关系曲线图；
[0029] 步骤5035、在计算机的EXCEL软件中，对步骤5034中绘制的负温段不同初始含水率下土样电阻率与温度关系曲线进行线性函数、幂函数、指 数函数和对数函数的曲线拟合，得到多个拟合方程，并将拟合度最接近1的拟合方程确定为负温段不同初始含水率下土样电阻率与温度关系曲线的拟合方程；
[0030] 步骤504、进行负温段不同初始含水率下冻土未冻水含量与温度的关系推导：将步骤5025中确定出的正温段不同初始含水率下土样电阻率与土样含水率关系曲线的拟合方程与步骤5035中确定出的负温段不同初始含水率下土样电阻率与温度关系曲线的拟合方程进行联立，求解出负温段不同初始含水率下土样含水率与温度关系方程，由于负温段土样含水率即为冻土未冻水含量，因此即求解出了负温段不同初始含水率下冻土未冻水含量与温度关系方程；
[0031] 步骤505、建立冻土电阻率和温度与冻土未冻水含量的关系模型，具体过程为：
[0032] 步骤5051、将步骤5033中负温段不同初始含水率下土样电阻率与温度的对应关系表中的温度数据代入步骤504中求解出的负温段不同初始含水率下冻土未冻水含量与温度关系方程中，求解出负温段不同初始含水率下各个温度数据对应的冻土未冻水含量，并将温度T、土样电阻率ρ和冻土未冻水含量与土样的初始含水率相对应输入计算机的EXCEL软件中，形成负温段不同初始含水率下土样电阻率和温度与冻土未冻水含量的对应关系表；
[0033] 步骤5052、根据步骤5051中负温段不同初始含水率下土样电阻率和温度与冻土未冻水含量的对应关系表中的数据，在计算机的MATLAB软件中，绘制出土样电阻率和温度与冻土未冻水含量的三维曲面图，并将绘制出的土样电阻率和温度与冻土未冻水含量的三维曲面图定义为冻土电阻率和温度与冻土未冻水含量的关系模型。
[0034] 上述的方法，其特征在于：步骤502之前还进行烘干条件实验，测得正温段土样电阻率与温度的关系，具体过程为：
[0035] 步骤A、连接实验设备：将电流表的正极与交流调压电源的正极输出端连接，将电流表的负极与土样盒左右两侧一侧侧壁上的导电片连接，将交流调压电源的负极输出端与土样盒左右两侧另一侧侧壁上的导电片连接；并将电压表的正极与土样盒左右两侧一侧侧壁上的导电片连接，将电压表的负极与土样盒左右两侧另一侧侧壁上的导电片连接；将温度测量仪上连接的温度测量探头插入温度测量探头孔内；
[0036] 步骤B、分别将多个不同初始含水率的土样放在土样盒中，用保鲜膜 严密包裹后置入真空干燥箱内；每次置入土样，都操作真空干燥箱的控制面板，使真空干燥箱的温度从20℃上升到40℃，升温过程中，每隔ΔT1温度记录一次温度测量仪检测到的温度T、电压表的示数U和电流表的示数I；再根据公式 计算得到每次记录的温度T对应的土样电阻率ρ；其中，ΔT1的取值为1℃～7℃；
[0037] 步骤C、将步骤B中记录的温度T和计算得到的土样电阻率ρ与土样的初始含水率相对应输入计算机的EXCEL软件中，形成正温段不同初始含水率下土样电阻率与温度的对应关系表；
[0038] 步骤D、在计算机的EXCEL软件中，以温度为横坐标，土样电阻率为纵坐标，对步骤C中正温段不同初始含水率下土样电阻率与温度的对应关系表的数据进行描点画图，绘制出正温段不同初始含水率下土样电阻率与温度关系曲线图。
[0039] 上述的方法，其特征在于：步骤5051所述将步骤5033中负温段不同初始含水率下土样电阻率与温度的对应关系表中的温度数据代入步骤504中求解出的负温段不同初始含水率下冻土未冻水含量与温度关系方程中，求解出负温段不同初始含水率下各个温度数据对应的冻土未冻水含量之后，还将温度T和冻土未冻水含量与土样的初始含水率相对应输入计算机的EXCEL软件中，形成负温段不同初始含水率下温度和冻土未冻水含量的对应关系表；并在计算机的EXCEL软件中，以温度为横坐标，冻土未冻水含量为纵坐标，对负温段不同初始含水率下温度和冻土未冻水含量的对应关系表的数据进行描点画图，绘制出负温段不同初始含水率下温度和冻土未冻水含量关系曲线图。
[0040] 上述的方法，其特征在于：所述导电片为铜片，所述电子天平的量程为1千克，步骤5022中m的取值为0.5克。
[0041] 上述的方法，其特征在于：步骤B中所述ΔT1的取值为4℃。
[0042] 本发明与现有技术相比具有以下优点：
[0043] 1、本发明基于土体电阻率变化的冻土未冻水含量检测系统的结构简单，设计合理，实现方便。
[0044] 2、本发明基于土体电阻率变化的冻土未冻水含量检测系统的使用操作方便，检测冻土未冻水含量的实时性高，能够避免无关因素对检测结果的影响，可靠性高，且能够反映不同土层、不同温度在同一时间段内的未冻水含量变化规律，完整性好。
[0045] 3、本发明基于土体电阻率变化的冻土未冻水含量检测方法的方法步骤简单，设计合理，实现方便。
[0046] 4、本发明获得的冻土电阻率和温度与冻土未冻水含量的关系模型的方法步骤简单，实现方便。
[0047] 5、本发明获得的冻土电阻率和温度与冻土未冻水含量的关系模型的方法采用多个初始含水率梯度，进行室内试验和其相互关系拟合公式的推演，构建起了冻土电阻率和温度与冻土未冻水含量的关系模型，能够用于基于冻土电阻率和温度的冻土未冻水含量测量，能够将冻土未冻水含量检测的复杂问题简单化，且测量结果精确。
[0048] 6、本发明获得的冻土电阻率和温度与冻土未冻水含量的关系模型的方法采用了核磁共振分析与成像系统对同条件下的土样进行了对比实验，数据表明与本发明的结果基本吻合，验证了本发明结果的精确性。
[0049] 7、本发明的实用性强，使用效果好，便于推广使用。
[0050] 综上所述，本发明的方法步骤简单，实现方便，能够将冻土未冻水含量检测的复杂问题简单化，且测量结果精确，实时性和完整性好，实用性强，使用效果好，便于推广使用。
[0051] 下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
[0052] 图1为本发明实施例1中冻土未冻水含量检测系统的结构示意图。
[0053] 图2为本发明实施例2中冻土未冻水含量检测系统的结构示意图。
[0054] 图3为本发明实施例1和实施例2中检测单元的结构示意图。
[0055] 图4为图3的俯视图。
[0056] 图5为本发明实施例1中数据采集传输电路、地面数据传输终端和计算机的电路连接图。
[0057] 图6为本发明实施例2中数据采集传输电路、地面数据传输终端和计算机的电路连接图。
[0058] 图7为本发明获得冻土电阻率和温度与冻土未冻水含量的关系模型所采用的实验设备的连接关系示意图。
[0059] 图8为本发明获得冻土电阻率和温度与冻土未冻水含量的关系模型的方法流程框图。
[0060] 图9为本发明正温段不同初始含水率下土样电阻率与温度关系曲线图。
[0061] 图10为本发明正温段不同初始含水率下土样电阻率与土样含水率关系曲线图。
[0062] 图11为本发明负温段不同初始含水率下土样电阻率与温度关系曲线图。
[0063] 图12为本发明负温段不同初始含水率下温度和冻土未冻水含量关系曲线图。
[0064] 图13为本发明土样电阻率和温度与冻土未冻水含量的三维曲面图。
[0065] 图14为本发明NMR法不同初始含水率下土样氢元素的强度随温度变化的关系曲线图。
[0066] 图15为本发明NMR法负温段不同初始含水率下温度和冻土未冻水含量关系曲线图。
[0067] 附图标记说明：
[0068] 1-检测单元； 1-1-第一套管； 1-2-数据采集电路板；
[0069] 1-3-数据采集传输电路； 1-31-第一微处理器；
[0070] 1-32-第一数据存储器； 1-33-第一无线通信模块；
[0071] 1-34-温度测量探头； 1-35-电阻率测量探头；
[0072] 1-4-电源线； 1-5-第一导电片； 1-6-第二导电片；
[0073] 1-7-温度测量探头安装管； 1-8-电阻率测量探头安装管；
[0074] 1-9-顶板； 1-10-第二套管； 1-11-第三套管；
[0075] 2-计算机； 3-地面数据传输终端； 3-1-第二微处理器；
[0076] 3-2-第二数据存储器； 3-3-USB通信电路模块；
[0077] 3-4-第二无线通信模块； 4-温度及电阻率检测装置；
[0078] 5-外部供电电源； 6-土样盒； 7-交流调压电源；
[0079] 8-电流表； 9-电压表； 10-导线连接导电片。
具体实施方式
[0080] 实施例1
[0081] 如图1、图3、图4和图5所示，本实施例的基于土体电阻率变化的冻土未冻水含量检测系统，包括地面数据传输终端3、计算机2和用于置入土体中的温度及电阻率检测装置4，所述温度及电阻率检测装置4包括一 个检测单元1，所述检测单元1包括套管1-1和数据采集电路板1-2，所述套管由从上到下一体成型的第一套管1-1、第二套管1-10和第三套管1-11组成，所述第一套管1-1的外径小于第二套管1-10的外径，所述第二套管1-10的外径与第三套管1-11的外径相等，所述第二套管1-10的内径小于第三套管1-11的内径，所述第一套管1-1的外壁上设置有外螺纹，所述第三套管1-11的内壁上设置有内螺纹，所述数据采集电路板1-2设置在第二套管1-10与第三套管1-11的过渡处，所述数据采集电路板1-2上集成有数据采集传输电路1-3和用于连接外部供电电源5为数据采集传输电路1-3中各用电模块供电的电源线1-4，所述电源线1-4的一端向上沿第二套管1-10的内壁和第一套管1-1的内壁引出到第一套管1-1顶部且连接有第一导电片1-5，所述电源线1-4的另一端连接有位于数据采集电路板1-2底部且用于在将第三套管1-11与第一套管1-1螺纹连接时与第一导电片
1-5对接的第二导电片1-6，所述数据采集传输电路1-3包括第一微处理器1-31以及与第一微处理器1-31相接的第一数据存储器1-32和第一无线通信模块1-33，所述数据采集电路板
1-2上固定连接有多根伸出第二套管1-10并向下竖直弯折的温度测量探头安装管1-7和多根伸出第二套管1-10并向下竖直弯折的电阻率测量探头安装管1-8，所述温度测量探头安装管1-7的竖直段内设置有与第一微处理器1-31的输入端连接的温度测量探头1-34，所述电阻率测量探头安装管1-8的竖直段内设置有与第一微处理器1-31的输入端连接的电阻率测量探头1-35；所述地面数据传输终端3包括第二微处理器3-1以及与第二微处理器3-1相接的第二数据存储器3-2、用于与计算机2连接并通信的USB通信电路模块3-3和用于与第一无线通信模块1-33无线连接并通信的第二无线通信模块3-4。
[0082] 如图3和图4所示，本实施例中，所述温度测量探头安装管1-7的数量和电阻率测量探头安装管1-8的数量均为四根，四根温度测量探头安装管1-7和四根电阻率测量探头安装管1-8均匀设置在数据采集电路板1-2上，所述温度测量探头安装管1-7和电阻率测量探头安装管1-8相互间隔设置。
[0083] 如图3所示，本实施例中，所述第一套管1-1与第二套管1-10的过渡处设置有顶板1-9，所述电源线1-4穿过所述顶板1-9。
[0084] 本实施例中，所述第一微处理器1-31为单片机。
[0085] 本实施例的基于土体电阻率变化的冻土未冻水含量检测方法，包括以下步骤：
[0086] 步骤一、根据待测量冻土的高度选择检测单元1的个数为一个；
[0087] 步骤二、将检测单元1置入土体中；
[0088] 步骤三、将第一导电片1-5与外部供电电源的输出端连接；
[0089] 步骤四、检测单元1中的第一微处理器1-31对温度测量探头1-34检测到的温度进行周期性采集，并对电阻率测量探头1-35检测到的电阻率进行周期性采集，将采集到的温度数据和电阻率数据存储到第一数据存储器1-32中，并通过第一无线通信模块1-33发送给地面数据传输终端3，地面数据传输终端3中的第二微处理器3-1通过第二无线通信模块3-4接收第一微处理器1-31发送的温度数据和电阻率数据，存储在第二数据存储器3-2中，并通过USB通信电路模块3-3发送给计算机2；
[0090] 步骤五、计算机2将温度数据和电阻率数据输入预先通过进行实验并处理实验数据获得的冻土电阻率和温度与冻土未冻水含量的关系模型中，获得冻土未冻水含量。具体实施时，在计算机2的MATLAB软件中，对冻土电阻率和温度与冻土未冻水含量的关系模型进行曲面插值，将温度数据和电阻率数据作为已知量，求取冻土未冻水含量。例如，已知待求点附近的四个已有坐标点(坐标值用x，y，z表示)，并已知待求点的两个坐标值(即已知的温度数据和电阻率数据，分别表示X和Y)，进行曲面插值，求解待求点的第三个坐标值(即冻土未冻水含量，表示为Z)的MATLAB程序表示如下：
[0091] x＝[2 6 2 6]；
[0092] y＝[9.01 4.91 8.99 3.77]；
[0093] z＝[1671 3862 2366 4325]；
[0094] X＝3；
[0095] Y＝2400；
[0096] e＝0.05；e为精度
[0097] [xx，yy]＝meshgrid(0：e：20，500：500e：30000)；
[0098] [m，n]＝size(xx)；
[0099] zz＝griddata(x，y，z，xx，yy)；
[0100] x_i＝ceil(find(abs(xx-X)＜e/2，1)/m)；
[0101] yy＝yy′；
[0102] y_i＝ceil(find(abs(yy-Y)＜e/2，1)/n)；
[0103] Z＝zz(x_i，y_i)；
[0104] disp(Z)
[0105] 如图8所示，本实施例中，步骤五中所述预先通过进行实验并处理实验数据获得冻土电阻率和温度与冻土未冻水含量的关系模型的方法包括以下步骤：
[0106] 步骤501、准备实验设备，所述实验设备包括土样盒6、交流调压电源7、电流表8、电压表9、真空干燥箱、电子天平、冷冻箱和温度测量仪，所述温度测量仪上连接有温度测量探头，所述土样盒6的左右两侧侧壁上均设置有能够与土样盒6内的土样两端接触的导电片10，所述土样盒6的前壁和/或后壁上设置有供温度测量探头插入的温度测量探头孔；
[0107] 步骤502、进行烘干条件实验，测得正温段土样电阻率与瞬时含水率的关系，具体过程为：
[0108] 步骤5021、连接实验设备：如图7所示，将电流表8的正极与交流调压电源7的正极输出端连接，在电流表8的负极上通过导线连接导电片10，在交流调压电源7的负极输出端通过导线连接导电片10；并将电压表9的正极与与电流表8的负极连接的导电片10连接，将与与交流调压电源7的负极连接的导电片10连接；具体实施时，导电片10与导线通过锡焊的方式连接；
[0109] 步骤5022、将电子天平放入温度不超过40℃的真空干燥箱内，并在电子天平上放上土样支架，将此时电子天平的读数记录为土样支架的质量，再分别将多个不同初始含水率的土样放在土样盒6中，待土样稳定成型后去除土样盒6，通过皮筋将与电流表8的负极连接的导电片10和与交流调压电源7的负极连接的导电片10分别固定在土样左右两侧，然后将土样置入真空干燥箱内并放在土样支架上；每次置入土样，都将置入土样时电子天平的读数记录为土样初始质量，并以电子天平读数每减少m质量为一个记录点记录瞬时质量、电压表9的示数U和电流表8的示数I；再根据公式 计算得到土样含水率θ；并根据公式 计算得到每次记录的土样含水率θ对应的土样电阻率ρ；其中，C为干土的质量且 A为土样初始质量，B为土样支架的质量，D为记录点记录的瞬时质量，w为土样的初始含水率；L为土样盒6的长度，S为土样盒6左侧面或右侧面的面积；具体实施时，所述土样支架为玻璃支架，通过设置玻璃支架，并待土样稳定成型后去除土样盒6，避免了土样只有上表面裸露在真空干燥箱内烘干不均匀的问题，使得土样能够均匀烘干，从而能够测得较为准确科学的土样含水率；
[0110] 步骤5023、将步骤5022中计算得到的土样含水率θ和土样电阻率ρ与土样的初始含水率相对应输入计算机的EXCEL软件中，形成正温段不同初始含水率下土样电阻率与土样含水率的对应关系表；
[0111] 步骤5024、在计算机的EXCEL软件中，以土样含水率为横坐标，土样电阻率为纵坐标，对步骤5023中正温段不同初始含水率下土样电阻率与土样含水率的对应关系表的数据进行描点画图，绘制出正温段不同初始含水率下土样电阻率与土样含水率关系曲线图；
[0112] 步骤5025、在计算机的EXCEL软件中，对步骤5024中绘制的正温段不同初始含水率下土样电阻率与土样含水率关系曲线进行线性函数、幂函数、指数函数和对数函数的曲线拟合，得到多个拟合方程，并将拟合度最接近1的拟合方程确定为正温段不同初始含水率下土样电阻率与土样含水率关系曲线的拟合方程；
[0113] 步骤503、进行冷冻条件实验，测得负温段土样电阻率与温度的关系，具体过程为：
[0114] 步骤5031、连接实验设备：如图7所示，将电流表8的正极与交流调压电源7的正极输出端连接，将电流表8的负极与土样盒6左右两侧一侧侧壁上的导电片10连接，将交流调压电源7的负极输出端与土样盒6左右两侧另一侧侧壁上的导电片10连接；并将电压表9的正极与土样盒6左右两侧一侧侧壁上的导电片10连接，将电压表9的负极与土样盒6左右两侧另一侧侧壁上的导电片10连接；将温度测量仪上连接的温度测量探头插入温度测量探头孔内；
[0115] 步骤5032、分别将多个不同初始含水率，温度处于20℃～40℃之间的土样放在土样盒6中，用保鲜膜严密包裹后置入冷冻温度为-35℃的冷冻箱内；每次置入土样，都以温度测量仪检测到的温度到达0℃后每降低ΔT2温度记录一次温度测量仪检测到的温度T、电压表9的示数U和电流表8的示数I；再根据公式 计算得到每次记录的温度T对应的土样电阻率ρ；其中，ΔT2的取值为1℃～7℃；
[0116] 步骤5033、将步骤5032中记录的温度T和计算得到的土样电阻率ρ与土样的初始含水率相对应输入计算机的EXCEL软件中，形成负温段不同初始含水率下土样电阻率与温度的对应关系表；
[0117] 步骤5034、在计算机的EXCEL软件中，以温度为横坐标，土样电阻率为纵坐标，对步骤5033中负温段不同初始含水率下土样电阻率与温度的对应关系表的数据进行描点画图，绘制出负温段不同初始含水率下土样电阻率与温度关系曲线图；
[0118] 步骤5035、在计算机的EXCEL软件中，对步骤5034中绘制的负温段 不同初始含水率下土样电阻率与温度关系曲线进行线性函数、幂函数、指数函数和对数函数的曲线拟合，得到多个拟合方程，并将拟合度最接近1的拟合方程确定为负温段不同初始含水率下土样电阻率与温度关系曲线的拟合方程；
[0119] 步骤504、进行负温段不同初始含水率下冻土未冻水含量与温度的关系推导：将步骤5025中确定出的正温段不同初始含水率下土样电阻率与土样含水率关系曲线的拟合方程与步骤5035中确定出的负温段不同初始含水率下土样电阻率与温度关系曲线的拟合方程进行联立，求解出负温段不同初始含水率下土样含水率与温度关系方程，由于负温段土样含水率即为冻土未冻水含量，因此即求解出了负温段不同初始含水率下冻土未冻水含量与温度关系方程；
[0120] 步骤505、建立冻土电阻率和温度与冻土未冻水含量的关系模型，具体过程为：
[0121] 步骤5051、将步骤5033中负温段不同初始含水率下土样电阻率与温度的对应关系表中的温度数据代入步骤504中求解出的负温段不同初始含水率下冻土未冻水含量与温度关系方程中，求解出负温段不同初始含水率下各个温度数据对应的冻土未冻水含量，并将温度T、土样电阻率ρ和冻土未冻水含量与土样的初始含水率相对应输入计算机的EXCEL软件中，形成负温段不同初始含水率下土样电阻率和温度与冻土未冻水含量的对应关系表；
[0122] 步骤5052、根据步骤5051中负温段不同初始含水率下土样电阻率和温度与冻土未冻水含量的对应关系表中的数据，在计算机的MATLAB软件中，绘制出土样电阻率和温度与冻土未冻水含量的三维曲面图，并将绘制出的土样电阻率和温度与冻土未冻水含量的三维曲面图定义为冻土电阻率和温度与冻土未冻水含量的关系模型。
[0123] 本实施例中，步骤502之前还进行烘干条件实验，测得正温段土样电阻率与温度的关系，具体过程为：
[0124] 步骤A、连接实验设备：如图7所示，将电流表8的正极与交流调压电源7的正极输出端连接，将电流表8的负极与土样盒6左右两侧一侧侧壁上的导电片10连接，将交流调压电源7的负极输出端与土样盒6左右两侧另一侧侧壁上的导电片10连接；并将电压表9的正极与土样盒6左右两侧一侧侧壁上的导电片10连接，将电压表9的负极与土样盒6左右两侧另一侧侧壁上的导电片10连接；将温度测量仪上连接的温度测量探 头插入温度测量探头孔内；
[0125] 步骤B、分别将多个不同初始含水率的土样放在土样盒6中，用保鲜膜严密包裹后置入真空干燥箱内；每次置入土样，都操作真空干燥箱的控制面板，使真空干燥箱的温度从20℃上升到40℃，升温过程中，每隔ΔT1温度记录一次温度测量仪检测到的温度T、电压表9的示数U和电流表8的示数I；再根据公式 计算得到每次记录的温度T对应的土样电阻率ρ；其中，ΔT1的取值为1℃～7℃；采用保鲜膜严密包裹能够防止土样水分挥发，提高测量精度；
[0126] 步骤C、将步骤B中记录的温度T和计算得到的土样电阻率ρ与土样的初始含水率相对应输入计算机的EXCEL软件中，形成正温段不同初始含水率下土样电阻率与温度的对应关系表；
[0127] 步骤D、在计算机的EXCEL软件中，以温度为横坐标，土样电阻率为纵坐标，对步骤C中正温段不同初始含水率下土样电阻率与温度的对应关系表的数据进行描点画图，绘制出正温段不同初始含水率下土样电阻率与温度关系曲线图。
[0128] 通过测得正温段土样电阻率与温度的关系，能够得出结论：正温段温度对土样电阻率影响不大，因此在后续步骤中，通过正温段不同初始含水率下土样电阻率与土样含水率关系曲线的拟合方程与负温段不同初始含水率下土样电阻率与温度关系曲线的拟合方程联立，就能够确定出较为精确的负温段不同初始含水率下冻土未冻水含量与温度关系方程。
[0129] 本实施例中，步骤5051所述将步骤5033中负温段不同初始含水率下土样电阻率与温度的对应关系表中的温度数据代入步骤504中求解出的负温段不同初始含水率下冻土未冻水含量与温度关系方程中，求解出负温段不同初始含水率下各个温度数据对应的冻土未冻水含量之后，还将温度T和冻土未冻水含量与土样的初始含水率相对应输入计算机的EXCEL软件中，形成负温段不同初始含水率下温度和冻土未冻水含量的对应关系表；并在计算机的EXCEL软件中，以温度为横坐标，冻土未冻水含量为纵坐标，对负温段不同初始含水率下温度和冻土未冻水含量的对应关系表的数据进行描点画图，绘制出负温段不同初始含水率下温度和冻土未冻水含量关系曲线图。
[0130] 本实施例中，所述导电片10为铜片，所述电子天平的量程为1千克，步骤5022中m的取值为0.5克。
[0131] 本实施例中，步骤B中所述ΔT1的取值为4℃。
[0132] 为了验证本发明能够产生的效果，依据本发明的方法步骤进行了实验，实验时，选取同一种土控制土样矿物成分一样，采用相同成分的自来水进行土样不同初始含水率的配置以保证孔隙水自身电阻率相同，根据土工试验手册的压实要求结合土样盒6尺寸大小做到对孔隙率进行控制。实验所采用的土的主要物理指标如表1所示：
[0133] 表1实验用土的主要物理指标
[0134]
[0135] 实验中的交流调压电源7的型号为STG-500W，调节交流调压电源7的输出为100V交流电；导电片10为铜片，电子天平的量程为1千克；
[0136] 步骤502之前进行烘干条件实验，测得正温段土样电阻率与温度的关系时，步骤B中多个不同初始含水率的土样的含水率分别为25％、20％、14％、10％和5％，ΔT1的取值为4℃，L的取值为0.15m，S的取值为0.0025m2；选取步骤C中形成的正温段不同初始含水率下土样电阻率(单位为Ω·m)与温度(单位为℃)的对应关系表中的部分数据如表2所示：
[0137] 表2正温段不同初始含水率下土样电阻率与温度的对应关系表
[0138]
[0139] 步骤D中绘制出的正温段不同初始含水率下土样电阻率与温度关系曲线图如图9所示。
[0140] 步骤502中进行烘干条件实验，测得正温段土样电阻率与瞬时含水率的关系时，步骤5022中多个不同初始含水率的土样的含水率分别为25％、20％、14％、10％和5％，m的取值为0.5克，L的取值为0.15m，S的取值为0.0025m2；选取步骤5023中形成的正温段不同初始含水率下土样电阻率(单位为Ω·m)与土样含水率(单位为％)的对应关系表中的部分数据如表3所示：
[0141] 表3正温段不同初始含水率下土样电阻率与土样含水率的对应关系表[0142]
[0143] 步骤5024中绘制出的正温段不同初始含水率下土样电阻率与土样含水率关系曲线图如图10所示。
[0144] 步骤5025中确定出的正温段不同初始含水率下土样电阻率与土样含水率关系曲线的拟合方程如表4所示：
[0145] 表4不同初始含水率下土样电阻率与土样含水率关系曲线的拟合方程表[0146]
[0147] 步骤503中进行冷冻条件实验，测得负温段土样电阻率与温度的关系时，步骤5032中多个不同初始含水率的土样的含水率分别为25％、20％、14％、10％和5％，ΔT2的取值为2℃，S的取值为0.0025m2；选取步骤5033中形成的负温段不同初始含水率下土样电阻率(单位为Ω·m)与温度(单位为℃)的对应关系表中的部分数据如表5所示：
[0148] 表5负温段不同初始含水率下土样电阻率与温度的对应关系表
[0149]
[0150] 步骤5034中绘制出的负温段不同初始含水率下土样电阻率与温度关系曲线图如图11所示。
[0151] 步骤5035中确定出的负温段不同初始含水率下土样电阻率与温度关系曲线的拟合方程如表6所示：
[0152] 表6负温段不同初始含水率下土样电阻率与温度关系曲线的拟合方程表[0153]
[0154] 步骤504中求解出的负温段不同初始含水率下冻土未冻水含量与温度关系方程如表7所示：
[0155] 表7负温段不同初始含水率下冻土未冻水含量与温度关系方程表
[0156]
[0157] 步骤505中建立冻土电阻率和温度与冻土未冻水含量的关系模型时，选取步骤501中形成的负温段不同初始含水率下温度(单位为℃)和冻土未冻水含量(单位为％)的对应关系表中的部分数据如表8所示：
[0158] 表8负温段不同初始含水率下温度和冻土未冻水含量的对应关系表[0159]
[0160] 步骤501中绘制出的负温段不同初始含水率下温度和冻土未冻水含量关系曲线图如图12所示。
[0161] 选取步骤501中形成的负温段不同初始含水率下土样电阻率(单位为Ω·m)和温度(单位为℃)与冻土未冻水含量(单位为％)的对应关系表中的部分数据如表9所示：
[0162] 表9负温段不同初始含水率下土样电阻率和温度与冻土未冻水含量的对应关系表[0163]
[0164] 步骤502中在计算机的MATLAB软件中，绘制出土样电阻率和温度与冻土未冻水含量的三维曲面图所采用的MATLAB程序为：
[0165] θ＝[25 12.26 5.28 2.30 2.84 1.86 1.76 20 9.01 4.91 2.48 1.95 1.70 1.50 14 8.99 3.77 2.39 1.83 1.57 1.37 10 6.73 2.37 1.73 1.53 1.46 1.26 5 3.94
1.60 1.61 1.21 1.29 1.09]
[0166] T＝[0 -1 -5 -8 -10 -15 -20 0 -1 -5 -8 -10 -15 -20 0 -1 -5 -8 -10 -15 -20 0 -1 -5 -8 -10 -15 -20 0 -1 -5 -8 -10 -15 -20]
[0167] ρ＝[887 1550 3754 5168 8985 13454 19417 984 1671 3862 5361 9194 12521 20436 1197 2366 4325 5685 10675 16521 25265 1453 2874 4678 6217 12947 18611
27392 1973 3977 5165 7213 15675 22321 31292]
[0168] [X，Y]＝meshgrid(0：0.01：0.3，-20：1：0)
[0169] Z＝griddata(θ，T，ρ，X，Y)
[0170] surf(X，Y，Z)
[0171] 步骤502中绘制出土样电阻率和温度与冻土未冻水含量的三维曲面图如图13所示。
[0172] 为了评定本发明的方法的可靠性，采用NMR法对上述实验得到的结论进行验证。具体过程为：采用配置有温度测控系统的MacroMR12-150H-1核磁共振分析与成像系统进行与上述实验同样初始含水率梯度下冻土未冻水含量随温度变化关系的测定，具体来说，预先配置好5组初始含水率分别为5％、10％、14％、20％、25％的土样在冷冻箱中冻结，调节冷冻箱温度，使土样在每个测定温度段温度保持30分钟，使其充分冻结。对土样进行测定时，通过核磁共振分析与成像系统记录氢元素的强度，通过温度测控系统记录温度，并将记录的温度和氢元素的强度相对应输入计算机的EXCEL软件中，形成不同初始含水率下土样温度和氢元素的强度的对应关系表；再在计算机的EXCEL软件中，以温度为横坐标，氢元素的强度为纵坐标，对不同初始含水率下土样温度和氢元素的强度的对应关系表的数据进行描点画图，绘制出NMR法不同初始含水率下土样氢元素的强度随温度变化的关系曲线图如图14所示；再在计算机的EXCEL软件中，对不同初始含水率下土样氢元素的强度随温度变化的关系曲线图中的正温段进行线性函数拟合，得到正温段不同初始含水率下土样氢元素的强度随温度变化的关系曲线的拟合方程如表10所示：
[0173] 表10正温段不同初始含水率下土样氢元素的强度(Ys)随温度(T)变化的关系曲线的拟合方程表
[0174]
[0175] 根据公式 将正温段不同初始含水率下土样氢元素的强度随温度变化的关系曲线的拟合方程转换为不同初始含水率下冻土未冻水含量与温度关系方程；其中，w为土样的初始含水率，θ为冻土未冻水含量，Ys为将某温度值带入拟合方程得到的土样氢元素的强度，Yn为某温度下采用 核磁共振分析与成像系统记录的氢元素的强度；再将温度带入不同初始含水率下冻土未冻水含量与温度关系方程中，求解出各个温度数据对应的冻土未冻水含量，并将温度和冻土未冻水含量与土样的初始含水率相对应输入计算机的EXCEL软件中，形成负温段不同初始含水率下温度和冻土未冻水含量的对应关系表；并在计算机的EXCEL软件中，以温度为横坐标，冻土未冻水含量为纵坐标，对负温段不同初始含水率下温度和冻土未冻水含量的对应关系表的数据进行描点画图，绘制出NMR法负温段不同初始含水率下温度和冻土未冻水含量关系曲线图如图15所示。
[0176] 对比图15和图12可以看出，通过本发明的方法绘制出的负温段不同初始含水率下温度和冻土未冻水含量关系曲线图与采用NMR法绘制出的负温段不同初始含水率下温度和冻土未冻水含量关系曲线图曲线基本一致，说明本发明方法的精确度能够满足实际使用需求。
[0177] 实施例2
[0178] 如图2和图6所示，本实施例的基于土体电阻率变化的冻土未冻水含量检测系统，与实施例1不同的是：所述温度及电阻率检测装置4包括多个上下叠放的检测单元1，上下相邻的两个检测单元1通过第一套管1-1与第三套管1-11螺纹连接的方式相连接，其余结构均与实施例1相同。
[0179] 本实施例的基于土体电阻率变化的冻土未冻水含量检测方法，与实施例1不同的是：
[0180] 步骤一、根据待测量冻土的高度选择检测单元1的个数为多个；
[0181] 步骤二、先将多个检测单元1连接为一个整体，再将连接为一个整体的多个检测单元1置入土体中，并将温度测量探头安装管1-7的竖直段和电阻率测量探头安装管1-8的竖直段均调整为竖直向下；或者，先将一个检测单元1置入土体中，再连接上部的一个检测单元1，直至将所有的检测单元1连接并置入土体中，并将温度测量探头安装管1-7的竖直段和电阻率测量探头安装管1-8的竖直段均调整为竖直向下。
[0182] 其余步骤均与实施例1相同。
[0183] 本实施例中，步骤五中所述预先通过进行实验并处理实验数据获得冻土电阻率和温度与冻土未冻水含量的关系模型的方法与实施例1相同。
[0184] 以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制，凡是根据本发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效结构变化，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。
