本發(fā)明涉及土遺址保護(hù)領(lǐng)域，尤其涉及一種土遺址表面疏松程度的微損檢測(cè)裝置和方法。
背景技術(shù)：
1、多孔疏松介質(zhì)材料建造的土遺址，受風(fēng)、雨、雪、鹽及生物等作用的影響，開裂、掏蝕和坍塌等結(jié)構(gòu)性破壞病害與表面漸進(jìn)式劣化病害嚴(yán)重發(fā)育。其中，表面風(fēng)化剝落是遺址本體中常見的病害之一，可使遺址表層病變導(dǎo)致文物信息的缺失和毀滅。尤其是在凍土地區(qū)，由于冬季積雪消融滲入土體內(nèi)部，反復(fù)凍融使淺表層土體發(fā)生凍脹和失水收縮作用。隨著凍融次數(shù)的增加，表層水分入滲范圍內(nèi)的土體逐步疏松，在降雨等的作用下造成顆粒流失，使得遺址體淺表層發(fā)生漸進(jìn)式破壞。而通過無損、微損檢測(cè)設(shè)備獲取土體表層疏松層的厚度并評(píng)估其風(fēng)化程度，可為淺表層保護(hù)加固提供數(shù)據(jù)支撐，利于土遺址的長(zhǎng)期保存。因此，研究一種土遺址表面疏松程度的微損檢測(cè)裝置和方法對(duì)于延緩?fù)吝z址風(fēng)化作用導(dǎo)致的漸進(jìn)式破壞具有重要的意義。
2、當(dāng)前，長(zhǎng)期自然因素導(dǎo)致土遺址表層普遍存在風(fēng)化病害，其厚度和內(nèi)部疏松程度因風(fēng)化進(jìn)程呈現(xiàn)顯著空間差異。土遺址表面風(fēng)化一般采用化學(xué)加固、生物礦化、犧牲層、軟覆蓋和保護(hù)棚等技術(shù)進(jìn)行防護(hù)，然而由于缺乏對(duì)風(fēng)化層厚度和結(jié)構(gòu)特征的精確評(píng)估，防風(fēng)化加固效果往往難以達(dá)到預(yù)期。更重要的是，現(xiàn)有表面風(fēng)化檢測(cè)手段通常依賴破壞性取樣，這種直接獲取風(fēng)化層物理參數(shù)的方式會(huì)對(duì)遺址本體造成不可逆的損傷，嚴(yán)重制約風(fēng)化加固效果。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路
1、本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種避免破壞性取樣、評(píng)估準(zhǔn)確的土遺址表面疏松程度的微損檢測(cè)裝置。
2、本發(fā)明所要解決的另一個(gè)技術(shù)問題是提供土遺址表面疏松程度的微損檢測(cè)方法。
3、為解決上述問題，本發(fā)明所述的一種土遺址表面疏松程度的微損檢測(cè)裝置，其特征在于：該檢測(cè)裝置包括實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、壓力測(cè)量系統(tǒng)、疏松結(jié)構(gòu)厚度測(cè)量系統(tǒng)；所述實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)包括安裝在數(shù)據(jù)采集電腦內(nèi)的數(shù)據(jù)采集軟件；所述壓力測(cè)量系統(tǒng)由連接在一起的測(cè)力計(jì)和探測(cè)頭組成，該測(cè)力計(jì)與所述數(shù)據(jù)采集電腦相連；所述疏松結(jié)構(gòu)厚度測(cè)量系統(tǒng)包括置于不同分層疏松程度土體上的支撐盤、置于所述支撐盤上的可視讀數(shù)桶、置于所述可視讀數(shù)桶內(nèi)且垂直于所述支撐盤的探測(cè)鋼針；所述可視讀數(shù)桶的側(cè)壁設(shè)有位移測(cè)量刻度，頂部設(shè)有限位板；所述限位板上設(shè)有助推桿，該助推桿的頂端與所述探測(cè)頭相連，底端穿過所述限位板與所述探測(cè)鋼針相連。
4、所述數(shù)據(jù)采集電腦通過連接線與所述測(cè)力計(jì)相連。
5、所述測(cè)力計(jì)的量程為0-100n，分辨率為0.01n，電池供電。
6、所述探測(cè)頭的內(nèi)徑為1cm，平面為防滑面，該防滑面與所述助推桿焊接固定為一整體。
7、所述支撐盤的直徑為3cm，該支撐盤的圓心與所述可視讀數(shù)桶和所述探測(cè)鋼針的軸心線重合。
8、所述可視讀數(shù)桶為亞克力定制，直徑為2cm，高度為10cm，在讀數(shù)桶外側(cè)從頂至底刻刻0-10cm度尺，最小分度值為1mm。
9、所述探測(cè)鋼針的直徑為0.8mm，高度為10cm。
10、所述助推桿的直徑為1cm；所述限位板的直徑為2cm。
11、一種采用如上所述裝置進(jìn)行土遺址表面疏松程度的微損檢測(cè)方法，包括以下步驟：
12、⑴試樣制備：
13、使用北庭故城試驗(yàn)土以最優(yōu)含水率分別制備15個(gè)梯度干密度試樣各1個(gè)，共計(jì)樣品15個(gè)；
14、⑵試樣養(yǎng)護(hù)：
15、將制備好的15個(gè)樣品放置在室內(nèi)自然通風(fēng)陰干，待連續(xù)稱量三天含水率無變化，則15個(gè)試樣處于干燥狀態(tài)；
16、⑶測(cè)試及數(shù)據(jù)采集：
17、使用邊長(zhǎng)為10cm的透水石分別置于15個(gè)陰干試樣底部，置于低水位水槽中，使水位線始終低于試樣底部，通過透水石使試樣從根部均勻吸水至試樣完全濕透；
18、取平面測(cè)試，使得支撐盤能夠完全支撐在試樣表面，保證探測(cè)鋼針在刺入不同分層疏松程度土體內(nèi)部的過程中保持直線、穩(wěn)定進(jìn)入；
19、將15個(gè)梯度干密度試樣置于玻璃真空干燥器中使其含水率均勻分布，通過稱重確定含水率為30%時(shí)，采用如上所述裝置開始測(cè)定不同密度下30%含水率在探測(cè)深度為10cm范圍內(nèi)探測(cè)鋼針的針入位移與測(cè)力計(jì)的壓力，實(shí)時(shí)采集測(cè)試過程中數(shù)據(jù)；測(cè)量完成后對(duì)含水率為30%試樣通過自然水分散失，控制含水率為25%再置于玻璃真空干燥器中使水分均勻分布，開始測(cè)定不同密度下25%含水率的針入位移與壓力；依此類推，分別測(cè)定含水率為20%、15%、10%、5%、0時(shí)15個(gè)試樣的針入位移與壓力；
20、⑷建立壓力與位移關(guān)系曲線：
21、通過測(cè)定的不同密度試樣在不同含水率下的位移與時(shí)間的變化關(guān)系、壓力和時(shí)間的關(guān)系，結(jié)合二者得到在同一時(shí)間軸下壓力與位移的對(duì)應(yīng)關(guān)系，分別得到15組不同干密度的試樣分別在6個(gè)含水率梯度下的壓力與位移關(guān)系曲線；
22、⑸現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試：
23、①測(cè)點(diǎn)選擇：
24、選擇現(xiàn)場(chǎng)遺址體表面風(fēng)化疏松部位，保證有大于3cm的平整區(qū)域；
25、②測(cè)試：
26、在土遺址表面所選測(cè)點(diǎn)平面處，將支撐盤置于平面上，使得整個(gè)裝置與被測(cè)面保持垂直，保證探測(cè)鋼針在刺入待測(cè)土體內(nèi)部的過程中保持直線、穩(wěn)定進(jìn)入，獲得待測(cè)土體的針入位移與壓力；
27、③將待測(cè)土體的針入位移與壓力與步驟⑷中的壓力與位移關(guān)系曲線進(jìn)行比對(duì)，即得該待測(cè)土體測(cè)試部位的干密度分布區(qū)間及疏松層的厚度，進(jìn)而判斷疏松程度。
28、所述步驟⑴中15個(gè)梯度干密度試樣的尺寸為10cm×10cm×10cm，干密度分別為1.0g/cm3、1.05g/cm3、1.1g/cm3、1.15g/cm3、1.2g/cm3、1.25g/cm3、1.3g/cm3、1.35g/cm3、1.4g/cm3、1.45g/cm3、1.5g/cm3、1.55g/cm3、1.6g/cm3、1.65g/cm3、1.7g/cm3。
29、本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有以下優(yōu)點(diǎn)：
30、1、本發(fā)明中采用探測(cè)鋼針緩慢插入土遺址疏松層，通過針入過程中測(cè)力計(jì)所測(cè)力的大小及位移曲線來判斷疏松層的程度和厚度，不但有效降低了土遺址風(fēng)化層結(jié)構(gòu)探測(cè)對(duì)遺址本體不可逆的破壞，而且可科學(xué)且較為準(zhǔn)確地評(píng)估遺址疏松結(jié)構(gòu)的疏松程度并獲取其厚度。
31、2、本發(fā)明操作簡(jiǎn)單，應(yīng)用便利，經(jīng)濟(jì)實(shí)用，不僅適用于土遺址淺表層的疏松程度的檢測(cè)，也為土遺址表層的保護(hù)加固提供理論指導(dǎo)與技術(shù)支撐。
1.一種土遺址表面疏松程度的微損檢測(cè)裝置，其特征在于：該檢測(cè)裝置包括實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)（1）、壓力測(cè)量系統(tǒng)（2）、疏松結(jié)構(gòu)厚度測(cè)量系統(tǒng)（3）；所述實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)（1）包括安裝在數(shù)據(jù)采集電腦（6）內(nèi)的數(shù)據(jù)采集軟件（5）；所述壓力測(cè)量系統(tǒng)（2）由連接在一起的測(cè)力計(jì)（8）和探測(cè)頭（9）組成，該測(cè)力計(jì)（8）與所述數(shù)據(jù)采集電腦（6）相連；所述疏松結(jié)構(gòu)厚度測(cè)量系統(tǒng)（3）包括置于不同分層疏松程度土體（4）上的支撐盤（15）、置于所述支撐盤（15）上的可視讀數(shù)桶（12）、置于所述可視讀數(shù)桶（12）內(nèi)且垂直于所述支撐盤（15）的探測(cè)鋼針（14）；所述可視讀數(shù)桶（12）的側(cè)壁設(shè)有位移測(cè)量刻度（13），頂部設(shè)有限位板（11）；所述限位板（11）上設(shè)有助推桿（10），該助推桿（10）的頂端與所述探測(cè)頭（9）相連，底端穿過所述限位板（11）與所述探測(cè)鋼針（14）相連。
2.如權(quán)利要求1所述的一種土遺址表面疏松程度的微損檢測(cè)裝置，其特征在于：所述數(shù)據(jù)采集電腦（6）通過連接線（7）與所述測(cè)力計(jì)（8）相連。
3.如權(quán)利要求1所述的一種土遺址表面疏松程度的微損檢測(cè)裝置，其特征在于：所述測(cè)力計(jì)（8）的量程為0-100n，分辨率為0.01n，電池供電。
4.如權(quán)利要求1所述的一種土遺址表面疏松程度的微損檢測(cè)裝置，其特征在于：所述探測(cè)頭（9）的內(nèi)徑為1cm，平面為防滑面，該防滑面與所述助推桿（10）焊接固定為一整體。
5.如權(quán)利要求1所述的一種土遺址表面疏松程度的微損檢測(cè)裝置，其特征在于：所述支撐盤（15）的直徑為3cm，該支撐盤（15）的圓心與所述可視讀數(shù)桶（12）和所述探測(cè)鋼針（14）的軸心線重合。
6.如權(quán)利要求1所述的一種土遺址表面疏松程度的微損檢測(cè)裝置，其特征在于：所述可視讀數(shù)桶（12）為亞克力定制，直徑為2cm，高度為10cm，在讀數(shù)桶外側(cè)從頂至底刻刻0-10cm度尺，最小分度值為1mm。
7.如權(quán)利要求1所述的一種土遺址表面疏松程度的微損檢測(cè)裝置，其特征在于：所述探測(cè)鋼針（14）的直徑為0.8mm，高度為10cm。
8.如權(quán)利要求1所述的一種土遺址表面疏松程度的微損檢測(cè)裝置，其特征在于：所述助推桿（10）的直徑為1cm；所述限位板（11）的直徑為2cm。
9.一種采用如權(quán)利要求1~8任一項(xiàng)所述裝置進(jìn)行土遺址表面疏松程度的微損檢測(cè)方法，包括以下步驟：
10.如權(quán)利要求9所述的一種土遺址表面疏松程度的微損檢測(cè)方法，其特征在于：所述步驟⑴中15個(gè)梯度干密度試樣的尺寸為10cm×10cm×10cm，干密度分別為1.0g/cm3、1.05g/cm3、1.1g/cm3、1.15g/cm3、1.2g/cm3、1.25g/cm3、1.3g/cm3、1.35g/cm3、1.4g/cm3、1.45g/cm3、1.5g/cm3、1.55g/cm3、1.6g/cm3、1.65g/cm3、1.7g/cm3。