一种简单的时域反射（TDR）波形分析方法，用于估算海洋粘土中的体积含水量

《Engineering Geology》：A simple TDR waveform analysis for estimating volumetric water content in marine clays

针对高导电介质中电磁波衰减导致传统TDR方法失效的问题，本研究提出基于特征电压比（Vf/V0）的估算方法，适用于无法确定传播时间的场景。通过高岭土和蒙脱土的实验，发现该方法与体积含水量和电导率高度相关，并建立通用模型，平均误差仅2.5%，有效扩展了TDR在盐碱环境中的应用。

　　

洪元泰|李恩尚|高孝贞|崔佑锡|朱贤旭

韩国京畿道城南市加登大学土木与环境工程系，邮编13120

摘要

在海洋粘土等导电介质中，电磁（EM）波能量的强烈衰减显著增加了确定传播时间的难度，限制了传统时域反射法（TDR）用于估算体积含水量的适用性。本研究提出了一种替代方法，该方法利用TDR波形中的特征电压——具体来说是归一化电压比（V_f/V_0）——来估算海洋粘土的体积含水量（θ_v）和电导率；即使无法确定传播时间，该方法也能适用。实验在饱和了0.5 M NaCl溶液的高岭土和膨润土上进行，其体积含水量θ_v介于26.9%至86.8%之间。结果表明，对于这两种粘土类型，V_f/V_0对θ_v的变化非常敏感，并且与体积电导率有很强的相关性，这与它们的矿物组成无关。本文建立了用于估算每种粘土θ_v的经验关系，并提出了一个适用于θ_v在50%范围内的通用模型，平均绝对百分比误差为2.5%。研究表明，基于特征电压的波形分析可以作为传统基于传播时间的TDR技术的可靠替代方案，从而扩展了TDR在导电性强的盐渍环境（如海洋粘土）中的应用范围。

引言

由于大规模开发项目（如土地复垦、海洋和空中交通基础设施的建设以及利用风能、波浪能和潮汐能的环保能源解决方案）的实施，全球沿海地区正在经历快速增长（Bo等人，2015年；Zainuddin等人，2019年）。这些项目通常位于海洋粘土上，海洋粘土是一种细粒、含水的沉积物，形成于河口、海湾和大陆架等低能量环境中。了解这些土壤的地质特性和工程行为至关重要，因为它们的起源、矿物组成和沉积历史对其力学性能和岩土工程风险有显著影响（Abuel-Naga等人，2009年；Horpibulsuk等人，2007年；Jung等人，2012年；Karakouzian等人，2003年；Kim等人，2012年；Liu等人，2011年；Ohtsubo等人，2000年；Yan和Ma，2010年）。

海洋粘土往往存在问题，因为它们的天然含水量高、抗剪强度低且压缩性高，这些都与它们的地质形成和矿物组成密切相关。这些细粒土壤对水分条件的变化特别敏感（Thom等人，2007年），在较高含水量下通常表现出密度和抗剪强度的降低（Miura等人，2001年）。在盐分孔隙水普遍存在的沿海环境中，盐分与粘土矿物之间的相互作用会显著改变土壤的结构和力学响应（Al-Bared和Marto，2017年；Malizia和Shakoor，2018年；Wang等人，2023年）。虽然海洋粘土在地下水位以上可能仍保持强度，但遇湿后往往会迅速失去强度，这对沿海基础和基础设施系统的稳定性构成严重挑战（Barden和Sides，1970年；Lloret等人，2003年；Romero等人，2003年）。因此，特别是在盐渍条件下，准确监测含水量对于预测和管理其岩土工程行为至关重要。

时域反射法（TDR）已成功用于测量内陆土壤的体积含水量（Greco和Guida，2008年；Hong和Lee，2018年）。TDR系统根据电磁（EM）波在土壤中的传播时间来确定相对介电常数，该时间主要与土壤基质中孔隙水的体积分数成正比。已经提出了各种土壤类型之间的相对介电常数与体积含水量之间的经验关系（Ozgur，2023年；Topp等人，1980年；Vaz和Hopmans，2001年）。此外，由于TDR的简单性和适应性，许多实验室和现场测试装置都配备了TDR波导（Hong等人，2016年；Ye等人，2024年）。

然而，在盐渍土壤等导电介质中，EM波能量的强烈衰减使得确定传播时间变得复杂，从而阻碍了相对介电常数和体积含水量（θ_v）的估算（Jones和Or，2004年；Kelly等人，1995年；Mojid等人，1998年）。因此，大多数现有的相对介电常数与θ_v之间的关系都是基于淡水饱和土壤建立的。需要注意的是，已经采用了涂有绝缘材料的TDR探头来识别高电导率介质中的EM波传播时间（Cho等人，2024年；Lee等人，2023年）。然而，使用这种涂层探头获得的TDR波形会因涂层材料和涂层质量的不同而有所差异，这可能会降低结果的一致性和重复性。因此，在高导电性地质介质中准确、连续地测量θ_v一直是岩土工程和工程地质学实践者面临的基本挑战。这凸显了需要替代方法来解释导电介质（如海洋粘土）中的TDR波形。

本研究通过提出一种利用特征电压的替代TDR波形分析方法，解决了这一关键的方法论空白。该方法基于这样一个原理：归一化电压比（V_f/V_0）——即最终稳态电压（V_f）与输入电压（V_0）的比值——与体积电导率密切相关，进而与盐渍粘土基质中的θ_v相关，即使无法确定传播时间也是如此。为了严格验证这一假设，将TDR测量系统应用于两种具有不同矿物特性的粘土——膨润土和高岭土——来分析不同盐分含水量下的TDR波形特征值。高岭土主要由高岭石组成，是一种不膨胀、塑性低的粘土，比表面积小；而富含蒙脱石的膨润土则是一种高度膨胀、塑性高的粘土，比表面积大。为了模拟海洋条件，这两种粘土都用0.5 M NaCl溶液进行了饱和处理，以不同的体积含水量进行实验。

鉴于在导电土壤中确定EM波传播时间的挑战，这项研究的创新之处在于开发了一种稳健、可靠且非破坏性的方法，能够在传统TDR波形分析方法失效的导电地质环境中连续获取θ_v。为了确保新提出模型的有效性，将该模型与现有的体积含水量与相对介电常数之间的经验关系进行了比较。此外，本文详细描述了TDR测量系统及其解释方法，概述了从海洋粘土获取TDR波形的实验设置，并展示了实验结果。

部分摘录

TDR测量系统和解释

时域反射法（TDR）系统包括一个TDR单元和一个波导，波导由同轴电缆和探头组成，如图1所示。TDR单元通过波导传输电磁（EM）波的阶跃函数，并记录整个波导段在时域中反射的EM波。TDR系统中EM波的速度受到波导周围材料相对介电常数的影响。在同轴电缆中，EM波

材料和样品制备

本研究选择了两种代表性的粘土作为测试材料：高岭土（来自韩国Lakwoo公司）和膨润土（来自韩国Donghae公司）（表1）。选择这些粘土是因为它们的矿物特性不同，例如比表面积和阳离子交换容量，这些特性预计会影响它们的介电响应，特别是在盐分孔隙水存在的情况下。为了模拟海洋条件，使用了0.5 M NaCl溶液

结果

图7展示了不同体积含水量（θ_v）下的膨润土和高岭土的TDR波形。为了获得具有不同θ_v的测试材料的代表性TDR波形，每种样品收集了64个TDR波形并进行了平均处理，结果TDR波形显示在图7中。对于这两种粘土，随着θ_v的增加，信号幅度减小，导致波形的特征电压也随之减小。

特征电压

图7中显示的TDR波形是使用安装在电池上的探头获得的。因此，从图7中确定的特征电压V_1和V_f（分别表示为V_1(CP)和V_f(CP)）使用图6中提供的校准关系转换为标准化值V_1(SP)和V_f(SP)。这些标准化电压与体积含水量（θ_v）在图9(a)和(b)中进行了绘制。随着θ_v的增加，V_1和V_f都减小，反映了

总结与结论

为了解决导电介质带来的挑战，本研究提出了一种利用TDR波形估算海洋粘土体积含水量的新方法。研究重点关注两种具有不同矿物特性的粘土——膨润土和高岭土——这两种粘土都用0.5 M NaCl溶液饱和以模拟海洋条件。主要发现和结论总结如下：

1)

盐渍环境的高电导率导致EM波的强烈衰减

作者贡献声明

洪元泰：撰写——初稿，研究。李恩尚：方法论，研究。高孝贞：方法论，研究。崔佑锡：方法论，研究。朱贤旭：撰写——审稿与编辑，监督，资金获取，概念构思。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的财务利益或个人关系。

致谢

本研究得到了韩国国家研究基金会（NRF）的资助，该基金由韩国政府（MSIT）提供。（RS-2023-00221719和RS-2024-00337686）。