CN102749522A

CN102749522A - 一种非原位土壤电阻率测量装置及其测量方法

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Publication number: CN102749522A
Application number: CN2012102645064A
Authority: CN
Inventors: 谢学军; 邹品果
Original assignee: Wuhan University WHU
Current assignee: Wuhan University WHU
Priority date: 2012-07-27
Filing date: 2012-07-27
Publication date: 2012-10-24
Anticipated expiration: 2032-07-27
Also published as: CN102749522B

Abstract

一种非原位土壤电阻率测量装置及其测量方法，其装置包括土壤测试箱⑴和电源装置⑷，所述土壤测试箱⑴为可调式，包括长方箱体⑸，所述长方箱体⑸内设供测量用的活动端面⑹和固定端面⑺。其优点是：土壤电阻率测量装置可以测量接触电阻，修正测量误差，结果准确可靠，可以胜任室内土壤电阻率的测量工作，为土壤电阻率相关的研究工作提供便利。按本发明方法进行土壤电阻率测试，测量过程简单，操作方便，读数稳定，所得数据重现性好，线性相关度高。所需土壤样品少，测量范围广，测量精度高，既可满足室内土壤电阻率测量的需要，也可在室外进行土壤电阻率测量。

Description

一种非原位土壤电阻率测量装置及其测量方法

技术领域

本发明涉及土壤电阻率测量技术领域，具体的说是一种非原位土壤电阻率测量装置及其测量方法。

背景技术

土壤是一个不均匀的三相体系，土壤胶体带有电荷，土壤溶液中常含有电解质，因此可以把土壤视为多价电解质。土壤在外加电场的作用下，会发生导电现象。土壤电阻率是土的固有物性参数之一，它和土壤电导率一样均是土壤导电能力的指标，实际上就是当电流垂直通过由土壤组成的边长为一米的立方体时而呈现的电阻。土壤电阻率是土壤的内因与外因共同作用的结果，主要受到土壤的质地、颗粒组成、松紧度、水分状况以及含盐量等等因素的共同影响。土壤电阻率的测定对于土壤腐蚀性的评价、土壤工程力学参数评价、击实土衬垫质量评价、环境岩土工程评价、地基处理效果评价、砂土液化评价、岩土工程原位测试技术特别是现场电阻率静力触探技术(RCPT)的开发应用等方面的工作具有重要意义。

土壤电阻率的测量大多在室外进行原位测量，常用的测试方法有四极法和双极法两种，具体来讲包括Shepard极棒法、Columbia极棒法、Wenner法和Schlumber法等。相比较而言，四极法操作简单，不需要挖掘土方，其中Wenner四极法的测量原理简单，测得的数据相对比较可靠，原北京电表厂生产的ZC-8接地电阻测量仪（四端子式）就是以此为工作原理而设计的，也是目前国内应用最广泛的方法和设备。但是四极法在地下金属构筑物较多的地方误差较大。双极法测量装置简单，在地下金属构筑物较多的地方测试准确度高于四极法，但土方工作量大，必须挖掘与测深同等深度的探坑，而且在一般情况下的测试准确度比四极法低。因此，这两种方法都存在着明显的不足。而且，由于室内所测的土壤尺寸和距离较小，因而原位测试技术及其设备无法胜任，必须找出一套适用于室内非原位土壤电阻率测量的方法。

土壤箱法是一种室内土壤电阻率测试方法，它是把土样放在一个测试箱中，将其视作一个纯电阻元件进行测量。按照该方法进行测量时，数据波动非常大，而且很难稳定，经过很长时间后也不能获得准确的读数，因此传统的土壤箱法测量方法粗糙，测量结果不太准确可靠，存在着许多不足之处。有必要设计出一种新的土壤电阻率测试方法，以提高测量的可靠性和准确性。

发明内容

本发明的目的是提供一种非原位土壤电阻率测量装置及其测量方法，既可保证测量的准确性和稳定性，又可避免对土壤的性质造成影响。

本发明一种非原位土壤电阻率测量装置，包括：土壤测试箱1和电源装置4，所述土壤测试箱1为可调式，包括长方箱体5，所述长方箱体5内设供测量用的活动端面6和固定端面7。

所述电源装置4为可调式直流稳压电源。

本发明一种非原位土壤电阻率测量方法，包括如下步骤：

①将可调式土壤测试箱的活动端面固定在任意位置，记录活动端面和固定端面之间的距离l，在两测量端面的铜片上敷上湿润的滤纸或石墨粉；

②取一定量的土壤样品放入土壤测试箱内，均匀填充在活动端面和固定端面之间，保持土壤上表面与土壤测试箱上端面齐平；

③调节直流稳压电源的输出电压为合适的值，使电流表和电压表的读数稳定，记录下读数，按式（1）计算土壤长度为l时的电阻值：

R_{l} = \frac{E}{I} - - - (1)

式中：R_l——该长度下土壤的电阻值，单位为Ω；

E——电压表读数，单位为V；

I——电流表读数，单位为A；

④设置4～5个不同的端面距离l，按照上述步骤①～③测量并记录不同端面距离对应的电阻值测量结果；

⑤绘出土样长度与相应电阻值之间的关系图，并对其进行线性拟合，获得拟合趋势线的截距即接触电阻R_接的值；

⑥将所测的电阻值减去接触电阻的值，其差值即为所测土壤的实际电阻值R_实，再按式（2）计算土壤的电阻率：

式中：ρ——土壤电阻率，单位为Ω·m；

W——土壤测试箱的宽度，单位为cm；

D——土壤测试箱的高度，单位为cm；

S——土壤测试箱的横截面积，S=WD，单位为cm²；

l——实际测量土样的长度，单位为cm；

R_实——实际电阻值，R_实＝R_l-R_接，单位为Ω。

本发明一种非原位土壤电阻率测量装置及其测量方法的优点是：利用本发明土壤电阻率测量装置可以测量接触电阻，修正测量误差，可信度高。测试过程误差小，结果准确可靠，完全可以胜任室内土壤电阻率的测量工作，为土壤电阻率相关的研究工作提供便利；本装置轻便易携，利用直流电源供电，既可满足室内土壤电阻率测量的需要，也可在室外进行土壤电阻率测量。

与现有技术相比，按本发明方法进行土壤电阻率测试，测量过程简单，操作方便，读数稳定，所得数据重现性好，线性相关度极高。另外，与常规测量方法相比，本发明方法所需土壤样品少，测量范围广，测量精度高。

附图说明

图1为本发明土壤电阻率测量装置的结构示意图。

图2为外加电压与土壤电阻率的关系图，其中土壤样本含水率25%、长度43.5cm。

图3为外加电压与土壤电阻率的关系图，其中土壤样本含盐量2%、长度50cm。

图4为外加电压与土壤电阻率的关系图，其中土壤样本含盐量0.02%、长度50cm。

图5为外加电压与土壤电阻率的关系图，其中土壤样本含盐量0.5%、长度50cm。

图6为外加电压与土壤电阻率的关系图，其中土壤样本含水率25%、长度5cm。

图7为土样长度与电阻值的关系图。

图8为30V外加电压下接触电阻的线性拟合结果图。

图9为土壤电阻率与含水率的关系图。

图10为土壤电阻率与总含盐量的关系图。

其中附图标记：1为可调式土壤测试箱，2为电流表，3为电压表，4为电源装置，5为长方箱体，6为活动端面，7为固定端面。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明进行进一步说明：根据图1-10所示，一种非原位土壤电阻率测量装置，包括：土壤测试箱1、电流表2、电压表3和电源装置4，土壤测试箱1和电流表2、电源装置4连成一个回路，电压表3和土壤测试箱1并联；所述土壤测试箱1为可调式，包括长方箱体5，所述长方箱体5内设供测量用的活动端面6和固定端面7。

所述电源装置4为可调式直流稳压电源。

一种非原位土壤电阻率测量方法，包括如下步骤：

R_{l} = \frac{E}{I} - - - (1)

式中：R_l——该长度下土壤的电阻值，单位为Ω；

E——电压表读数，单位为V；

I——电流表读数，单位为A；

式中：ρ——土壤电阻率，单位为Ω·m；

W——土壤测试箱的宽度，单位为cm；

D——土壤测试箱的高度，单位为cm；

S——土壤测试箱的横截面积，S=WD，单位为cm²；

l——实际测量土样的长度，单位为cm；

R_实——实际电阻值，R_实＝R_l-R_接，单位为Ω。

实施例1：对几种不同的土壤样品施加外加电压，读取电流表和电压表的读数，计算土壤电阻率。逐渐增大外加电压，记录外加电压与土壤电阻率之间的关系，分别如图2～图6所示。随着电压的加大，相应的土壤电阻率还是会有所变化，并随着电压的加大，土壤电阻率的变化速率逐渐变小，渐趋于稳定，这时便可以读取读数作为最终的测试结果。为便于统一比较，可以规定所有的测试均在外加电压为30V的条件下进行读数。

实施例2：在不同的外加电压下，将活动端面固定在43.5cm处，取一定量的土壤样品放入土壤箱内夯实，按上述方法测量并计算其电阻。然后移去一定长度箱体内的土壤，将活动端面固定到新的端面位置上，记录两端面之间的距离并测量其电阻，如此重复测量4～5个点，试验结果记入表1。根据表1中的数据绘出土样长度与相应电阻值之间的关系图（如图7所示），并对其进行线性拟合，拟合趋势线的截距就是接触电阻的值，一并记入表1。将所测的电阻值减去接触电阻的值，其差值即为所测土壤的实际电阻值。

表1不同长度土样的电阻值测量结果

从上表可知，本发明土壤电阻率测试箱对土壤的接触电阻值并不大，基本可以忽略不计。同时发现，测试土样的长度越长，因接触电阻或其他原因所造成的测量误差对测试结果的影响越小，因此，可以规定所有的测试均统一在该土壤箱的极限长度——50cm处进行。

实施例3：在实施例1和实施例2选定的外加电压和土样长度下，分别在土壤箱中填入含水率为5%、17.5%、33.5%、37.5%的土壤，按照上述方法测得其土壤电阻率，便可以得到土壤电阻率与土壤含水率之间的关系如图9所示。以此可以研究土壤含水率变化对土壤电阻率的影响，并进一步为相关领域的科学研究提供手段和依据。

实施例4：在实施例1和实施例2选定的外加电压和土样长度下，分别在土壤箱中填入总含盐量为0.03%、0.5%、1%、1.5%、2%的土壤，按照上述方法测得其土壤电阻率，便可以得到土壤电阻率与土壤总含盐量之间的关系如图10所示。以此可以研究土壤总含盐量变化对土壤电阻率的影响，并进一步为相关领域的科学研究提供手段和依据。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益结果进行了进一步的详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之类，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种非原位土壤电阻率测量装置，包括土壤测试箱⑴和电源装置⑷，其特征在于：所述土壤测试箱⑴为可调式，包括长方箱体⑸，所述长方箱体⑸内设供测量用的活动端面⑹和固定端面⑺。

2.如权利要求1所述的非原位土壤电阻率测量装置，其特征在于：所述电源装置⑷为可调式直流稳压电源。

3.利用权利要求1所述装置的非原位土壤电阻率测量方法，其特征在于包括如下步骤：

R_{l} = \frac{E}{I} - - - (1)

式中：R_l——该长度下土壤的电阻值，单位为Ω；

E——电压表读数，单位为V；

I——电流表读数，单位为A；

式中：ρ——土壤电阻率，单位为Ω·m；

W——土壤测试箱的宽度，单位为cm；

D——土壤测试箱的高度，单位为cm；

S——土壤测试箱的横截面积，S=WD，单位为cm²；

l——实际测量土样的长度，单位为cm；

R_实——实际电阻值，R_实＝R_l-R_接，单位为Ω。