CN103424647B - 土体在雷电冲击作用下电性响应测定装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种对雷电冲击作用下土体的电流波形和孔隙水压力进行测定的土体性质测定装置，包括模型箱、模拟雷击电流冲击的雷电发生装置和显示装置，其中，模型箱的箱体具有三段用于填装土体样本的空腔体，每个空腔体的水平位置上均设有一个水压传感器。因此，该土体性质测定装置既能够同步对不同含水量、不同含盐量或不同酸碱度的土体在同一雷击环境下土体电性响应进行测定，又能很好地模拟雷电冲击对土体电性响应的影响，从而为研究雷电冲击作用下土体电性响应及进行机理分析提供保障。

Description

土体在雷电冲击作用下电性响应测定装置

技术领域

本发明涉及一种测试装置，特别涉及一种土体在雷电冲击作用下电性响应测定装置。

背景技术

雷击是一种静电放电现象，当雷云与大地之间的电场强度增加到一定时，就会在雷云与大地之间进行放电，即形成雷击。1753年富兰克林研究证明，雷击实际上是强大电流的释放过程，雷电活动一旦对大地进行放电，随之就会产生数十万安培的放电电流，巨大的单位能量及强烈的电磁场活动，便会引起巨大的热效应、电效应，这意味着巨大能量的传播和转换过程随之而来，于是，富兰克林发明了避雷针，其目的就是“引雷入地”，也就是说，即使采用任何一种类型的防雷措施，最终都是将雷击电流及能量泄放入地，也即岩土体。

雷击的产生与土体的电阻率关系密切，土体电阻率较大的地层构造使得土层的导电性能下降，不易形成击穿。如果土体的电阻率大于某个平均值，就意味着雷电将空气击穿后不能击穿下伏土体，从而减少了形成雷电通道的机率。那么，是否可以从改变土体电阻率入手获得防雷减灾的新途径呢？据上海民防网显示，上海属我国雷击多发地区，全市年平均雷暴日为53.9天，每年因雷击造成的直接经济损失接近2亿元。该课题的研究对上海地区的防雷减灾有一定的指导意义。

在雷电形成的两极中，人们对“雷云”一极的气象学研究的关注程度较高，而对雷电产生的另一极，即土体电性方面直到20世纪80年代后期才逐渐受到学者的关注。

纵观国内外有关研究现状，雷电冲击与其他学科相结合的交叉研究还十分欠缺，国内外电气工程学者们研究成果集中于接地装置的雷电冲击特性，岩土工程工作者们主要聚焦于土体电性与土的物理力学性质关系以及电渗处理淤泥软土地基方面，而以土体为研究对象，雷电冲击作用下土体的电性响应、土体细观结构变化与冲击“扰动”特征以及基于“扰动”而改变的土体力学性状的研究成果鲜见报道。其中一重要因素是雷电冲击试验装置的难操作性。

黄展案在其硕士论文中进行了“附加电场条件下吹填土电性响应机理研究”，其中对于土体电阻率的研究主要集中在不同含水量、不同密实度和不同含盐量对其岩土电阻率的影响，其采用的电阻率测试方法是四电极法，该方法测试土体电阻率精度虽然比较高，但是每次试验只能对单一变量进行控制，且无法模拟雷电冲击环境下土体的电性响。

钟连宏在“不同土壤电阻率对雷电放电过程的影响”用含盐量不同的水来模拟不同电阻率的土体，但其研究重点放在不同土壤电阻率对雷电放电过程的影响，而不是雷电放电过程对岩土电阻率的影响。温晓斌等人重点研究了温度对岩土体电阻率的影响，所采用的试验装置是在常电压下对土体的电阻率进行测试，难以模仿雷电冲击的脉冲电压。

司马文霞等在“土壤电阻率的温度特性及其对直流接地极发热的影响”中采用的试验装置与温晓斌等人相似，该试验装置很难对雷击对岩土体电阻率的影响进行研究。现有的试验装置都是在常压下测试土体的电性响应，很难将其运用到雷电冲击环境下测试土体电性响应。因此，开展雷击电场作用下上海软土电性参数变化特点的科学研究，探索外加电场对上海典型土体细观结构变化及扰动机制，就必须在现有的试验装置基础上进行创新改进，已达到测试雷击环境下测试土体电性响应的试验要求。

然而，现有的土体电性响应试验装置不能很好地模拟雷电冲击对土体电性响应的影响，也无法同步对不同含水量、不同含盐量或不同酸碱度的土体在同一雷击环境下电阻率的变化进行研究。

发明内容

本发明是为了解决上述问题而进行的，目的在于提供一种能够同步对不同含水量、不同含盐量或不同酸碱度的土体在同一雷击环境下土体电性响应进行测定的土体性质测定装置。

本发明为了实现上述目的，采用了以下结构：

本发明提供一种土体在雷电冲击作用下电性响应测定装置，用于对雷电冲击下土体的电流波形、雷电引起土体扰动位移和孔隙水压力进行测定，其特征在于，包括：模型箱、雷电发生装置和显示装置，其中，模型箱的箱体为中空结构，顶面为敞口，相对两个侧面为带有斜孔的有孔隔板，箱体内设有至少两块与有孔隔板呈正交排列的中间隔板，中间隔板将箱体分隔成至少两个用于填装土体的空腔体，每个空腔体中均设有一个水压传感器，每个水压传感器在对应空腔体中的水平位置均相同，用于测定雷电冲击下填装在该空腔体内的土体的孔隙水压力变化，有孔隔板的外侧都均设有一个带有复数根铜针的铜板电极，每根铜针在铜板电极上的位置与斜孔在有孔隔板上的位置相匹配，在测定雷电冲击时，每个铜针均能与相应的斜孔相嵌合，雷电发生装置与铜板电极相连接，用于为铜板电极提供雷电冲击，显示装置与模型箱相连，用于显示雷电冲击下土体的电流波形。

另外，本发明的土体性质测定装置中，斜孔为下斜孔，下斜孔向下倾斜的角度为20°。

另外，本发明的土体性质测定装置中，模型箱的底部为空心结构，铜板电极具有电极移动轨道和能够在电极移动轨道上滑动的电极本体，铜针位于电极本体上，当铜针与相应的斜孔相嵌合时，电极移动轨道嵌合入模型箱底部的空心结构中。

另外，本发明的土体性质测定装置中，模型箱和有孔隔板均由有机玻璃制成。

另外，本发明的土体性质测定装置中，每个空腔体的沿长轴方向的两个端部都分别设有端部位移计，该端部位移计用于测定雷电冲击下填装在该空腔体内的土体的两个端部的垂直位移。

进一步，本发明的土体性质测定装置中，每个空腔体的中部都设有一个中部位移计，该中部位移计用于测定雷电冲击下填装在该空腔体内的土体的中部的垂直位移。

发明的作用与效果

根据本发明的土体性质测定装置，因为采用雷电发生装置来模拟实际的雷电冲击，具有三段空腔体的模型箱能够填装三段具有不同性质的土体，所以既能够很好地模拟雷电冲击对土体电性响应的影响，也能够在同一雷电冲击下对三段土体的电性响应、冲击电流波形等性质同步进行测定。

附图说明

图1为本发明实施例的土体在雷电冲击作用下电性响应测定装置的立体图。

图2为本发明实施例的土体在雷电冲击作用下电性响应测定装置的俯视图。

图3为本发明实施例的有孔隔板的主视图。

图4为本发明实施例的有孔隔板的侧视图。

图5为本发明实施例的端部位移计的示意图。

图6为本发明实施例的水压传感器的示意图。

图7为本发明实施例的铜板电极的示意图。

图8为本发明实施例的雷电发生装置的示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明涉及的土体在雷电冲击作用下电性响应测定装置进行详细的说明。本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，所给出的详细实施方式和过程，是对本发明的进一步说明，而不是限制本发明的范围。

实施例

土体在雷电冲击作用下电性响应测定装置属于环境岩土工程领域，用于对雷电冲击下土体的电流波形、土体颗粒扰动位移和孔隙水压力进行测定，以研究雷电冲击对不同含水量、不同含盐量或不同酸碱度的土体的电性响应、冲击电流波形、电阻率、孔隙水压力等性质的影响，包括模型箱、雷电发生装置、信号采集装置和显示装置。

图1为本发明实施例的土体性质测定装置的立体图。

图2为本发明实施例的土体性质测定装置的俯视图。

如图1、2所示，模型箱的箱体1为长方体，长度L为400mm，宽度W为400mm，高H为200mm。箱体1沿长度的方向为纵向，沿宽度的方向为横向。该箱体1的内部呈中空结构，用来填装接收测定的土体，顶面为敞口，底部为空心结构。箱体1由有机玻璃制成，便于CT机对箱体1中填装的土体进行扫描。箱体1的相对两个横向侧面为带有斜孔的有孔隔板2。箱体1和有孔隔板2均由有机玻璃制造，能够满足CT试验和雷电冲击试验对试验装置材料的要求。

图3为本发明实施例的有孔隔板的主视图。

图4为本发明实施例的有孔隔板的侧视图。

如图3、4所示，有孔隔板2的厚度T为10mm，其上的斜孔为下斜孔。下斜孔伸出有孔隔板2，向下倾斜的角度α为20°。下斜孔向下倾斜不仅能够有效防止处于塑限状态的样本土体中水分或酸碱液体的外流，还能同时兼顾雷击和CT两种试验要求，具有一板多用的效用。

如图1所示，箱体1内有两块与有孔隔板2呈正交排列的中间隔板20，这两块中间隔板20将箱体1分隔成三段空腔体21。这三段空腔体21能够分别填装不同含水量、不同含盐量或者不同酸碱度的土体。本实施例中选取填装不同含水量的土体，但也可以分别填装不同含盐量或者不同酸碱度的土体，还可以混合填装不同含水量、不同含盐量或者不同酸碱度的土体中的任意一种。这样便于控制试验的时空效应，减少外部因素对试验结果的影响，使试验结果更精确。土体样本填入过程中要分层压实，本实施例中采用五层压实，且保证每层土体样本压实度相同。五层土体的压实后的总填装高度为180mm。在压实之前，同一水平高度处要放置水压传感器。

图5为本发明实施例的端部位移计的示意图。

如图5所示，每个空腔体21沿长轴方向的两个端部都分别设有端部位移计3。端部位移计3用于测定雷电冲击下填装在相应空腔体21内的土体的两个端部的垂直位移。每个空腔体21具有两个端部位移计3是为了确保更精确地得到土体的端部位移。

每个空腔体21的中部都设有一个中部位移计4。中部位移计4用于测定雷电冲击下填装在相应空腔体21内的土体的中部的垂直位移。端部位移计3和中部位移计4紧靠中间隔板20放置，这是为了在空腔体21中装填土层时防止端部位移计3和中部位移计4发生倾斜，从而影响测量的准确度。端部位移计3和中部位移计4的高度也为200mm，通过对端部位移计3和中部位移计4沿水平方向和垂直方向的多方位调节，可以实现对土体的地表位移和内部土层变形的测量，从而得到土体内部细观及表面宏观的位移变化。

图6为本发明实施例的水压传感器的示意图。

如图6所示，每个空腔体21中均设有一个水压传感器7，用于测定雷电冲击下填装在该空腔体内的土体的孔隙水压力。每个水压传感器7在对应空腔体21中的水平高度均相同，能够保证三个空腔体21中的土体在同一孔隙水压力条件下进行试验，同时测量雷电冲击对土体孔隙水压力的影响。通过该水压传感器7可以得到三组土体样本在同一水平深度处不同位置的孔隙水压力值。

图7为本发明实施例的铜板电极的示意图。

如图7所示，两个有孔隔板2的外侧都分别设有一个铜板电极，铜板电极的厚度为3mm。铜板电极具有电极本体5和电极移动轨道6。

电极移动轨道6上安装有电极旋转按钮8，使电极本体5能够在电极移动轨道6上移动。电极本体5上带有复数根向下倾斜的插入式铜针22，铜针22按从上到下长度依次增长的顺序排列，铜针22的长度为15mm，能够穿透有空隔板2，向下倾斜的角度为20°。每根铜针22在电极本体5上的位置与下斜孔24在有孔隔板2上的位置相匹配，在测定雷电冲击时，每个铜针22均能与相应的下斜孔相嵌合。铜板电极的移动是通过电极旋转按钮8实现的。当转动电极旋转按钮8时，铜针22插入到相应的斜孔中，此时，电极移动轨道6通过榭口嵌合入箱体1底部的空心结构中。

铜板电极采用可拆卸设计是因为进行雷电冲击试验时需要通过铜板电极将电流传给土体，雷击后为了观察土体内部细观变化，还要将土体样本放入CT机进行扫描，而进行CT设备扫描试验时，金属制成的铜板电极会对CT设备扫描图片有干扰。本发明根据雷电冲击和CT扫描这两个不同试验环节对试验装置的不同需求，通过铜板电极移动轨道6插入或移走铜板电极。铜针22插入土体的深度为2mm，这样设置能够保证铜针22能穿透有孔隔板2上的下斜孔与土体形成良好接触，又能避免移走铜板电极时对土体样本造成明显的扰动。相对于铜板电极与土体直接接触，铜板电极的外接避免了CT试验和雷击试验不同试验环节铜板电极拔出与插入对土体的扰动影响。

图8为本发明实施例的雷电发生装置的示意图。

如图8所示，雷电发生装置与电极本体5相连接，用于为电极本体5提供雷电冲击。雷电发生装置包括脉冲电流装置9、电阻调整装置10、脉冲触发球隙11。

脉冲电流装置9能够发出波形分别为1.2/50μs、8/20μs以及10/350μs的冲击电流，这些冲击电流的最大峰值为200kA。本实施例采用的冲击电流的波形为8/20μs，峰值为10kA。

电阻调整装置10用于调波，可用于不同波形之间的转换。

脉冲触发球隙11用于放电，使产生的冲击电流注在试验土体上。在进行雷电冲击试验时，脉冲触发球隙11作为铜球放电间隙与铜板电极连接，能够实现不同含水量、不同含盐量或不同酸碱度的土体样本在同一外界环境变量下进行雷击模拟，能够避免温度、空气湿度和光照对试验结果的影响。

信号采集装置包括电容分压器12和管式分流器14。

电容分压器12和管式分流器14是放电回路的重要组成部分，雷电电流由土体样本流出后流向电容分压器12再流向管式分流器14。管式分流器14是一个无感低值电阻器，当电流流过它时，它两端送出电压信号，可用作为测量电流的波形和峰值。

显示装置15为数字示波器，用于同时实时显示雷电冲击下填装在三段空腔体21中的三种土体的电流波形。

进行雷电冲击后的土体样本，可以接入交流变压式电源电路，以测试电阻率的变化。待电阻率值稳定后，将电极本体5和电极移动轨道6移出，将模型箱再次放入CT机进行扫描，得到雷电冲击后的土体内部细观结构的基本数据。

本发明土体性质测定装置的测试方法如下所示：

第一步、将两块带有下斜孔的有孔隔板2分别插入到箱体1的两端，使箱体1的两个端面封闭；

第二步、分别将两个端部位移计3固定到空腔体21的两个端部，且中部位移计4固定到空腔体21的中部；

第三步、三段空腔体21内分别分层填装具有不同含水量的土体并压实、在同一水平高度处放置水压传感器7，成为模型箱；

第四步、模型箱被放置于CT机上进行扫描，得到雷电冲击前三段土体内部的细观结构的基本数据，水压传感器7得到雷电冲击前三段土体同一水平深度处不同位置的孔隙水压力值；

第五步、旋转铜板电极旋转按钮8让电极本体5沿着电极移动轨道6向内移动，使电极本体5上的铜针插入有孔隔板2的下斜孔中；

第六步、脉冲电流装置9产生波形为8/20μs，峰值为10kA的冲击电流，脉冲触发球隙11使产生的冲击电流注入试验土体上。电容分压器12获取冲击电流，并将该电压输送至管式分流器14，管式分流器14获取冲击电流在铜板电极的注入点的电流波形，并将该电流波形发送至显示装置，显示装置中实时显示三段土体的电流波形；

第七步、水压传感器7得到雷电冲击后三段土体同一水平深度处不同位置的孔隙水压力值，端部位移计3测定每个空腔体21里的土体的两个端部的垂直位移，中部位移计4测定每个空腔体21里的土体的中部的垂直位移；

第八步、将模型箱接入变压式交流电源中测定三段土体的电阻率；

第九步、旋转铜板电极旋转按钮8让电极本体5沿着电极移动轨道6向外移动，使电极本体5上的铜针从有孔隔板2的斜孔中移出；

第十步、将移出铜板电极的模型箱放入CT机中进行扫描，得到雷电冲击后三段土体内部的细观结构的基本数据。

上述土体在雷电冲击作用下电性响应测定装置充分结合了雷击电流冲击与CT扫描两个试验环节需要，具有以下设计要点：

（1）本土体性质测定装置可模拟雷电冲击电流波形为8/20s，峰值为10kA，与实际的雷电冲击作用相符。

（2）本土体性质测定装置的功能与构造紧密结合，CT试验环节试验装置中不能有金属出现，因此将铜板电极设计为可移动插入式；插入式的铜板电极决定了模型箱两端部隔板必有空隙存在，考虑到模型箱中的处于塑线状态土体样本中的水（或酸碱）可能从土体中流出，特把空隙设计为下斜式空隙，防止液体析出后流出。

（3）本试验各种组件可以手工制作，可以广泛投入到相关科研之中，同时试验方案具有较强扩展性，可进一步应用到雷击灾害防治研究中。

（4）利用本套模拟测试装置进行雷击电流冲击作用下土体电性响应影响研究，可以促进相关专业学科的理论研究，同时可为雷电灾害防治提供良好的咨询与建议。

以上仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

总之，本土体性质测定装置包括具有三排空腔体的模型箱作为三排式模型箱、上述铜板电极作为旋转移动铜板触探式电极、变压交流电源、端部位移计3、中部位移计4、上述水压传感器7作为孔隙水压力测量传感器、上述雷电发生装置作为模拟雷击电流冲击装置，和显示装置等。其中，三排式模型箱为中部空心的长方体，长方体纵向由隔板隔成三排箱体，在模型箱横向端部为带有下斜孔的有孔隔板2作为有机玻璃隔板；试验过程中通过控制变量将制备好的试验样本放入CT机进行扫描，得出雷电冲击前土体细观结构数据，然后再进行雷电冲击试验，通过孔隙水压力传感器、端部位移计、中部位移计、变压式交流电源测试雷击土体的电性响应；最后再将雷电冲击后的试验样本放入CT机进行扫描，对比雷击前后土体扫描数据，得出雷电冲击对土体细观结构变化影响。本发明能够更方便、更真实有效地模拟出雷电冲击对土体电性响应及细观结构变化影响，为研究雷电冲击作用下土体电性响应及进行机理分析提供保障。

实施例的作用与效果

根据本实施例的土体性质测定装置，因为所采用的雷电发生装置能产生波形为8/20μs，峰值为10kA的雷电冲击电流，与实际的雷电冲击作用相符，所以能模拟真实的雷电冲击，从而使测得的土体性质更精确。

另外，因为本实施例采用具有三段空腔体的模型箱，能够分别填装入不同性质的土体，所以能够同一雷电冲击下对三段土体的电性响应、冲击电流波形等性质同步进行测定，提高了测定的效率。

Claims (5)

1.一种土体在雷电冲击作用下电性响应测定装置，用于对雷电冲击下土体的电流波形、土体颗粒位移和孔隙水压力进行测定，其特征在于，包括：

模型箱、雷电发生装置和显示装置，其中，所述模型箱的箱体为中空结构，顶面为敞口，相对两个侧面为带有斜孔的有孔隔板，

所述箱体内设有至少两块与所述有孔隔板呈正交排列的中间隔板，所述中间隔板将所述箱体分隔成至少两个用于填装所述土体的空腔体，每个所述空腔体中均设有一个水压传感器，每个所述水压传感器在对应所述空腔体中的水平位置均相同，用于测定雷电冲击下填装在该空腔体内的土体的所述孔隙水压力，

所述有孔隔板的外侧都均设有一个带有复数根铜针的铜板电极，每根所述铜针在所述铜板电极上的位置与所述斜孔在所述有孔隔板上的位置相匹配，在测定雷电冲击时，每个所述铜针均能与相应的所述斜孔相嵌合，

所述雷电发生装置与所述铜板电极相连接，用于为所述铜板电极提供雷电冲击，

所述显示装置与所述模型箱相连，用于显示雷电冲击下土体的所述电流波形，

所述模型箱的底部为空心结构，

所述铜板电极具有电极移动轨道和能够在所述电极移动轨道上滑动的电极本体，

所述铜针位于所述电极本体上，

当所述铜针与相应的所述斜孔相嵌合时，所述电极移动轨道嵌合入所述模型箱底部的空心结构中。

2.根据权利要求1所述的土体在雷电冲击作用下电性响应测定装置，其特征在于：

其中，所述斜孔为下斜孔，所述下斜孔向下倾斜的角度为20°。

3.根据权利要求1所述的土体在雷电冲击作用下电性响应测定装置，其特征在于：

其中，所述模型箱和所述有孔隔板均由有机玻璃制成。

4.根据权利要求1所述的土体在雷电冲击作用下电性响应测定装置，其特征在于：

其中，每个所述空腔体的沿长轴方向的两个端部都分别设有端部位移计，该端部位移计用于测定雷电冲击下填装在该空腔体内的土体的两个端部的垂直位移。

5.根据权利要求1所述的土体在雷电冲击作用下电性响应测定装置，其特征在于：

其中，每个所述空腔体的中部都设有一个中部位移计，该中部位移计用于测定雷电冲击下填装在该空腔体内的土体的中部的垂直位移。