CN107228884A - 一种多电极测试土体电阻率的室内试验装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公布了一种多电极测试土体电阻率的室内试验装置及方法，该土体电阻率室内试验装置由多电极电阻率盒和电阻率探针两部分组成，其中电阻率盒为有机玻璃制成的中空立方体，立方体的6个面上分别均匀设置有3个相同的铜电极，共计18个铜电极，相互对应的铜电极两两相连，组成相应的电路回路。电阻率探针的顶部为顶帽螺母，顶帽螺母下方连接有不锈钢探杆，不锈钢探杆下方依次设置有橡胶环、铜环电极(601)、铜环电极(602)、铜环电极(603)和铜环电极(604)，电阻率探针的底部为不锈钢锥形探头，4个铜环电极通过传输电缆连接成独立串联的电路，通过测试电流流经土体时的电压变化，获得土的电阻率值。
Description
技术领域
本发明涉及一种多电极测试土体电阻率的室内试验装置及方法，属于岩土工程测试领域中的一种用于土体电学特性测试的装置。
背景技术
应用电阻率测试技术解决岩土工程与环境问题是近年来学科交叉发展形成的前沿研究领域，已经引起工程师们的密切关注。电阻率是表征土体电学特性的固有物性参数之一，受众多因素的影响显著，如含水量、饱和度、孔隙率和压实度等。岩土工程师们常用电阻率值的变化来评价与估算土体的一些状态参数。在环境岩土工程领域，土的电阻率值还可用来定量评价污染土的污染程度与工程性质。土的电阻率实际上就是当电流垂直通过边长1m的立方体土体时所呈现的电阻大小，单位是Ω·m。测试土体电阻的技术主要有两类：原位测试技术，如电阻率层析成像技术、电阻率静力触探技术等；室内测试技术，如“两电极法”、“四电极法”等。就室内电阻率测试技术而言，虽然“两电极法”和“四电极法”均可获得土的电阻率值，但仍存在测试不稳定、测试精度较低等局限性。因此，土体电阻率的测试技术仍需进一步的完善和提升。
目前，岩土工程领域对于土体电阻率测试的主流技术是电阻率静力触探技术(现场)和“四电极法”技术(室内)，电阻率静力触探技术主要应用于工程现场，“四电极法”技术在室内精确测试各种类型的重塑土或人工材料时，显得较为“吃力”。基于此，本发明在现有“四电极法”技术的基础上，结合电阻率静力触探技术，提出一种新型的测试压实土体电阻率的室内试验装置，即：多电极电阻率盒联合电阻率探针装置，利用此装置可以针对多种类型的原状土、压实土和人工材料等进行电阻率测试，具有精度高、操作简单、便捷有效等特点。
发明内容
本发明要解决的技术问题是针对国内现有“两电极”、“四电极”等电阻率测试技术难以精确测定不同压实状态土体电阻率的局限性，提出一种可用于岩土工程、环境工程领域的多电极测试压实土体电阻率的室内试验装置及方法。利用该电阻率测试装置，可精确测定不同状态土体的电阻率，实现土体电学特征的有效分析与评价。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种多电极测试土体电阻率的室内试验装置及方法，所述的测试土体电阻率的室内试验装置由多电极电阻率盒和电阻率探针两部分组成，该电阻率盒为有机玻璃制成的中空立方体，立方体的6个面上分别均匀设置3个相同的铜电极，共计18个铜电极，相互对应的铜电极两两相连，组成相应的电路回路；电阻率探针的顶部为顶帽螺母，顶帽螺母下方连接有不锈钢探杆，不锈钢探杆下方依次设置有橡胶环和铜环电极，电阻率探针的底部为不锈钢锥形探头，4个铜环电极通过对应的传输电缆连接成相互独立串联的电路，通过测试电流流经土体时的电压变化，获得土的电阻率值。
进一步，所述的有机玻璃制成的中空立方体的边长为17cm，有机玻璃的厚度为1cm，中空立方体内填充压实土样的尺寸为：长15cm、宽15cm、高15cm。
进一步，所述的铜电极的长度为12.5mm，直径为2.5mm，沿电阻率盒每个面的中心线布置，两相邻铜电极间距为5cm，测试电阻率时应完全插入土中并与土体接触完全。
进一步，所述的电阻率探针长度为15cm，直径为18mm；外侧两个铜环电极为电流电极，内侧两个铜环电极为电压电极，铜环电极宽度为5mm，呈等间距排列，间距为25mm；不锈钢锥形探头的锥角为60°，锥底截面直径为18mm。
进一步，所述的多电极电阻率盒和电阻率探针在测试土体电阻率时，均使用交流电，电压幅值在10V～35V之间。
一种多电极测试土体电阻率的室内试验方法，包括以下步骤：
(1)打开多电极电阻率盒，将待测不同压实度的土体装入，使铜电极均完全插入待测土体中，并与待测土体充分接触；
(2)接通交流电，测量相互独立串联的两个电极的电阻；
(3)对步骤(2)测得的所有串联在一起的两个电极的电阻进行计算处理，即得到土体电阻率；
(4)将电阻率探针接通交流电测试土体电阻率，并验证步骤(3)得到的土体电阻率，即得到准确的土体电阻率。
进一步，所述的18个铜电极采用相互独立的串联方式连接，其测量土体电阻的计算公式为：
Ri为铜电极(20i)与铜电极(21i)相互串联的电阻。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
1.测试过程稳定，结果精确。本发明的多电极测试土体电阻率的试验装置，与传统“两电极法”和“四电极法”具有明显优势。多电极测试电阻率的过程更为稳定，在测试土体的三个方向上均布设有电极，可有效避免测试过程中电阻率值的大幅“跳动”。多电极测试电阻率的结果更为精确，一般而言，“四电极法”测试精度高于“两电极法”，交流电源测试效果优于直流电源，本发明提供设置有18个电极的电阻率盒来测量土体电阻率，测试电源为交流电源，可有效避免电极间的相互干扰，具有较高的测试精度。
2.测试结果可靠性高。本发明提供的电阻率测试装置，结合了多电极电阻率盒和传统四电极电阻率探针，电阻率盒的测试结果可靠与否，可方便快捷的通过电阻率探针来检验，使得该装置的电阻率测试结果具有“双保险”，测试结果的可靠性得到提升。
3.试验装置操作简单、计算方法简便。本发明的多电极测试土体电阻率的试验装置由设有多电极的电阻率盒和四电极电阻率探针组成，试验人员只需将测试对象按照一定的程序填充于电阻率盒中，接通电源、开启监测设备即可进行电阻率测试，电阻率探针的贯入也不需要额外的技术设备，普通的实验人员即可完成测试过程，记录的电流、电压数据处理方法简单，可操作性强。
附图说明
图1是本发明提供的多电极电阻率盒装置图。
其中有：电阻率盒1，铜电极(201、202、203、204、205、206、207、208、 209、211、212、213、214、215、216、217、218、219)。
图2是本发明提供的电阻率探针装置图。
其中有：顶帽螺母3，不锈钢探杆4，橡胶环5，电流铜环电极(601、604)，电压铜环电极(602、603)，不锈钢锥形探头7，传输电缆(801、802、803、804)。
图3是本发明提供的NaCl溶液标定电阻率盒结果图。
图4是本发明提供的NaCl溶液标定电阻率探针结果图。
图5是本发明提供的不同电路连接方式测试的电阻值对比图。
图6是本发明提供的粉质土电阻率值随饱和度的变化图。
图7是图1中铜电极的一种连接方式。
图8是图1中铜电极的另一种连接方式。
具体实施方式
下面结合实施例和附图，对本发明的技术方案进行详细的说明。
请参考图1和图2，本发明的一种多电极测试土体电阻率的室内试验装置，所述的测试土体电阻率的室内试验装置由多电极电阻率盒1和电阻率探针两部分组成，该电阻率盒1为有机玻璃制成的中空立方体，立方体的6个面上分别均匀设置3个相同的铜电极，共计18铜电极201、202、203、204、205、206、 207、208、209、211、212、213、214、215、216、217、218、219，相互对应的铜电极两两相连，即：201与211相连、202与212相连、203与213相连、 204与214相连、205与215相连、206与216相连、207与217相连、208与 218相连、209与219相连，组成相应的电路回路。电阻率探针的顶部为顶帽螺母3，顶帽螺母3下方连接有不锈钢探杆4，不锈钢探杆4下方依次设置有橡胶环5、铜环电极601、铜环电极602、铜环电极603和铜环电极604，电阻率探针的底部为不锈钢锥形探头7，4个铜环电极601、602、603和604通过对应的传输电缆801、802、803和804连接成相互独立串联的电路，通过测试电流流经土体时的电压变化，获得土的电阻率值。
所述的有机玻璃制成的中空立方体的边长为17cm，有机玻璃的厚度为1cm，中空立方体内可填充压实土样的最大尺寸为：长15cm、宽15cm、高15cm。
所述的铜电极201、202、203、204、205、206、207、208、209、211、212、 213、214、215、216、217、218和219的长度为12.5mm，直径为2.5mm，沿电阻率盒(1)每个面的竖向中心线布置，两相邻铜电极竖向间距为5cm，测试电阻率时应完全插入土中并与土体接触完全。
所述的电阻率探针长度为15cm，直径为18mm；铜环电极601和铜环电极604为电流电极，铜环电极602和铜环电极603为电压电极，铜环电极宽度为 5mm，呈等间距排列，间距为25mm；不锈钢锥形探头7的锥角为60°，锥底截面直径为18mm。
所述的多电极电阻率盒1和电阻率探针在测试土体电阻率时，均使用交流电，电压幅值在10V～35V之间。
一种多电极测试土体电阻率的室内试验方法，包括以下步骤：
(1)打开多电极电阻率盒1，将待测不同压实度的土体装入，使铜电极均完全插入待测土体中，并与待测土体充分接触；
(2)接通交流电，测量相互独立串联的两个电极的电阻；
(3)对步骤(2)测得的所有串联在一起的两个电极的电阻进行计算处理，即得到土体电阻率；
(4)将电阻率探针接通交流电测试土体电阻率，并验证步骤(3)得到的土体电阻率，即得到准确的土体电阻率。
所述的铜电极201、202、203、204、205、206、207、208、209、211、212、 213、214、215、216、217、218和219采用相互独立的串联方式连接，其测量土体电阻的计算公式为：
Ri为铜电极20i与铜电极21i相互串联的电阻。
下面通过室内标定试验和不同饱和度的压实粉质土电阻率测试来说明本发明提供的测试装置与方法具有良好的效果。
根据欧姆定律可知，材料的电阻可通过电压与电流之间的相关关系计算获得，计算式为：
R＝ΔV/I (2)
式(2)中，R表示材料的电阻，单位：Ω；ΔV表示电流流经材料时所产生的电压降，单位：V；I表示流经材料的电流，单位：A。
土的电阻率表示电流流经边长为1m的立方体土体时表现出的电阻，一般通过测试恒定电流下两电极间的电压降ΔV，并根据欧姆定律计算出电阻率ρ，单位：Ω·m，计算公式为：
式(3)中，S表示电极的横截面积，单位：m2；L表示电极的间距，单位：m。 a是一个与测试对象几何尺寸相关的参数。
(1)标定试验
为了获得参数a的具体数值，需要对本发明提供的多电极电阻率盒和电阻率探针进行标定试验，标定材料选用NaCl溶液，通过配置不同摩尔浓度的NaCl 溶液，获得不同电阻率的材料。
标定试验方案：将配置好的摩尔浓度的NaCl溶液倒满电阻率盒中，施加16V 交流电源，测试9对铜电极的电流和电压变化；将相同摩尔浓度的NaCl溶液倒满电阻率盒中，将电阻率探针置于溶液中，要求探针浸入溶液的深度不得低于 12cm，测试探针上4个铜环电极的电压和电流变化。最后，根据欧姆定律，计算出不同摩尔浓度NaCl溶液的电阻值。
试验结果与分析：图3、4分别表示NaCl溶液分别标定电阻率盒、电阻率探针的试验结果。从图3中可以看出：电阻率盒测试的电阻值与已知的电阻率值之间存在良好的线性关系，通过最小二乘拟合得到：电阻率盒测试的电阻率与电阻之间的相关系数为0.57(拟合直线的斜率)。从图4中可以看出：电阻率探针测试的电阻值与已知的电阻率值之间也存在良好的线性关系，线性拟合的结果得到电阻率探针的相关系数为45.74。
(2)铜电极间相互干扰评价试验
干扰评价试验方案：试验材料与标定试验(1)中的NaCl溶液一致。对18 个铜电极(9对铜电极)按照下图中所示的不同连接方式，如图7和图8所示，组成不同的电路回路，评价相邻铜电极对测试结果的影响程度。
试验结果与分析：图5是两种不同电极连接方式测点的电阻值对比图。图中纵坐标表示按照连接方式1获得的电阻值，单位：Ω；横坐标表示按照连接方式2获得的电阻值，单位：Ω。图5中可以看出：按照连接方式1的电路测试的电阻值略低于连接方式2电路测得的电阻值，两种连接方式所测得的电阻差值在5％以内。因此，相邻电极对测试结果的影响在工程允许范围内，可忽略不计。
(3)粉质土电阻率值试验
试验材料：粉质土，试验用粉质土为某高速公路路基建设用土，其主要的物理性质指标如表1所示。
表1试验用粉质土基本物理性质指标
粉质土电阻率测试试验方案：将工程现场所取粉质土晒干、粉碎并过筛 (2mm)，以土体饱和度为变量，配置不同饱和度的压实粉质土，将一定量的的蒸馏水均匀的喷洒在干土上，塑料袋密封土样并静止12h，保证水分浸润充分且分布均匀。将配置好的土样分5层填充至电阻率盒中，待填满后，盖好有机玻璃盖，确保18个铜电极与土样接触完全，接通16V交流电源，按照前述连接方式2形成电极回路，监测各电极的电压和电流变化。制作平行试样，将电阻率探针缓慢的贯入至土样中心，贯入深度不得低于12cm，确保探针与土体接触完全。当探针与土样存在较大空隙时，可采用甘油等材料填充空隙；当土样强度较高，探针难以贯入时，可采用预钻孔的方法，保证探针顺利贯入。
试验结果与分析：图6为本发明提供的电阻率测试装置对不同饱和度粉质土的测试结果。土体电阻率值随饱和度的增加呈指数降低趋势，饱和度增加至>60％时，电阻率值基本不变，为一定值。这与大量文献中的测试结果十分吻合，验证了本发明提供的电阻率测试装置的有效性。图中还可看出：电阻率盒测得的土体电阻率值与电阻率探针测得的电阻率值非常接近，一定程度上，电阻率探针的测试结果偏低。
在本文中，所涉及的前、后、上、下等方位词是以附图中零部件位于图中以及零部件相互之间的位置来定义的，只是为了表达技术方案的清楚及方便。应当理解，所述方位词的使用不应限制本申请请求保护的范围。
在不冲突的情况下，本文中上述实施例及实施例中的特征可以相互结合。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种多电极测试土体电阻率的室内试验装置，其特征在于，所述的测试土体电阻率的室内试验装置由多电极电阻率盒(1)和电阻率探针两部分组成，该电阻率盒(1)为有机玻璃制成的中空立方体，立方体的6个面上分别均匀设置3个相同的铜电极，共计18铜电极(201、202、203、204、205、206、207、208、209、211、212、213、214、215、216、217、218、219)，相互对应的铜电极两两相连(201与211、202与212、203与213、204与214、205与215、206与216、207与217、208与218、209与219)，组成相应的电路回路；电阻率探针的顶部为顶帽螺母(3)，顶帽螺母(3)下方连接有不锈钢探杆(4)，不锈钢探杆(4)下方依次设置有橡胶环(5)、铜环电极(601)、铜环电极(602)、铜环电极(603)和铜环电极(604)，电阻率探针的底部为不锈钢锥形探头(7)，4个铜环电极(601、602、603、604)通过传输电缆(801、802、803、804)连接成相互独立串联的电路，通过测试电流流经土体时的电压变化，获得土的电阻率值。
2.根据权利要求1所述的一种多电极测试土体电阻率的室内试验装置，其特征在于，所述的有机玻璃制成的中空立方体的边长为17cm，有机玻璃的厚度为1cm，中空立方体内填充压实土样的尺寸为：长15cm、宽15cm、高15cm。
3.根据权利要求1所述的一种多电极测试土体电阻率的室内试验装置，其特征在于，所述的铜电极(201、202、203、204、205、206、207、208、209、211、212、213、214、215、216、217、218、219)的长度为12.5mm，直径为2.5mm，沿电阻率盒(1)每个面的中心线布置，两相邻铜电极间距为5cm，测试电阻率时应完全插入土中并与土体接触完全。
4.根据权利要求1所述的一种多电极测试土体电阻率的室内试验装置，其特征在于，所述的电阻率探针长度为15cm，直径为18mm；铜环电极(601)和铜环电极(604)为电流电极，铜环电极(602)和铜环电极(603)为电压电极，铜环电极宽度为5mm，呈等间距排列，间距为25mm；不锈钢锥形探头(7)的锥角为60°，锥底截面直径为18mm。
5.根据权利要求1所述的一种多电极测试土体电阻率的室内试验装置，其特征在于，所述的多电极电阻率盒(1)和电阻率探针在测试土体电阻率时，均使用交流电，电压幅值在10V～35V之间。
6.一种如权利要求1所述的多电极测试土体电阻率的室内试验方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)打开多电极电阻率盒，将待测不同压实度的土体装入，使铜电极均完全插入待测土体中，并与待测土体充分接触；
(2)接通交流电，测量相互独立串联的两个电极的电阻；
(3)对步骤(2)测得的所有串联在一起的两个电极的电阻进行计算处理，即得到土体电阻率；
(4)将电阻率探针接通交流电测试土体电阻率，并验证步骤(3)得到的土体电阻率，即得到准确的土体电阻率。
7.根据权利要求6所述的一种多电极测试土体电阻率的室内试验方法，其特征在于，所述的18个铜电极(201、202、203、204、205、206、207、208、209、211、212、213、214、215、216、217、218、219)采用相互独立的串联方式两两连接，其测量土体电阻的计算公式为：
<mrow>
<mi>R</mi>
<mo>=</mo>
<msup>
<mrow>
<mo>(</mo>
<munderover>
<mo>&Sigma;</mo>
<mrow>
<mi>i</mi>
<mo>=</mo>
<mn>1</mn>
</mrow>
<mn>9</mn>
</munderover>
<msubsup>
<mi>R</mi>
<mi>i</mi>
<mrow>
<mo>-</mo>
<mn>1</mn>
</mrow>
</msubsup>
<mo>)</mo>
</mrow>
<mrow>
<mo>-</mo>
<mn>1</mn>
</mrow>
</msup>
</mrow>
Ri为铜电极(20i)与铜电极(21i)相互串联的电阻。
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