CN108593715A - 一种在人工环境下测试土电阻率的方法 - Google Patents

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张志春
王玉娟
王军
金欣
刘晓燕
欧建芳
黄志凤
罗少辉
胡亚男
王英建
张继红
蔡忠周
王秀英
黎峰
辛元尧
赵超君
龚梅竹
许文奕
王敏
孙超
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Abstract

本发明公开了一种在人工环境下测试土电阻率的方法。包括：选定野外待测土壤，测量电阻率、土温、相对湿度值及紧实度；将待测土壤风干并筛除石头和杂物后获得纯土壤，测量重量；将纯土壤按照预设层厚装入模具并夯实；测试模具内土壤的土壤电阻率；根据待测区域往年最高温度、最低温度及冻土温度，以预设阶梯下降温度分别测定风干土壤和含水土壤的电流值与电压值；输入电压在1～5V，输入电流0.5～5mA，按ρ＝4×U/I式计算土电阻率；将未装入试验模具的剩余土样过20目筛，测试pH值，并分析水溶性盐分离子含量；综合分析土导电因素，找出影响土电阻率的主要因子，为改善土的导电性，降低土电阻率提供可靠数据。

Description

一种在人工环境下测试土电阻率的方法
技术领域
本发明涉及环境检测技术领域，尤其涉及一种在人工环境下测试土电阻率的方法。
背景技术
土的电阻率是土导电性的综合表征，是研究土的物理力学性质、微观结构、金属土壤腐蚀、电力接地、防雷防静电接地的重要参数。通常采用Wenner等距四极法或
Schlumberger-Palmer不等间距四极法等方法原位现场测量视电阻率，再经土壤反演得出土壤电阻率分层结构。以电力接地和防雷防静电接地对土电阻率数值的需要为例，由于Wenner等距四极法(Wenner's four-electrodemethod)野外现场测试操作过程简单，通常会用此方法获得所需要的数据。考虑到影响土电阻率的因素较多，如土的种类、含水量、土结构、土体温度等等，由于不考虑诸因素所起作用，原位测试获得的土电阻率数据显得过于单一，不足之处比较明显。如果再考虑到野外原位测试会受到场地选择的限制、天气降水的限制、冻土的限制，不足则更加明显。
为此，许多研究者出于不同的实际需求，在实验室条件下对土电阻率进行测量。尽管不同领域学者对于土电阻率实验室测量方法并不统一，但基本做法均是将土壤样品置于土壤箱中使用直接法测量。对于土电阻率的实验室测试，常规方法是采用交流伏安法测量电路研究NaOH污染下水泥土电阻率的变化、直流伏安法电路分析直流电流密度对土壤电阻率的影响、低频交流电阻测试仪采用电桥法测量原理、电阻率探头同时测量土壤含水率、通过电阻率探头(RCPT)测量法研究砂土中掺入了重金属污染离子后电阻率随时间的变化趋势及土壤电阻率测量影响因素的试验等。电极数目一般采用四极法，施加信号类型分直流和交流。但也有许多研究人员因考虑四极法测试装置相对复杂，担心会对测试土样造成扰动而使用二极法。对于交流信号的选择，不同研究者的做法不同。Abu-Hassanein等认为频率为60Hz(美国电网频率)可避免激化作用对土的电特性影响。Amlanandanl采用50MHz进行土壤电阻率与含水饱和土壤孔隙度分析，并认为在高频率下，土的介电常数仅为孔隙率、定向度和颗粒形状函数，亦有选用1 000Hz频率测量黏土电阻率并研究其微观结构的。国内研究人员则大部分采用国家电网50Hz频率。不同方法的测量结果之间存在差别，对土壤电阻率测量准确性可能会造成较大影响。
因此，亟需建立一种能够兼顾温度因素、水分因素且相对稳定的实验室土电阻率的测试方法。
发明内容
有鉴于此，本发明实施例提供了一种在人工环境下测试土电阻率的方法，主要目的是解决测试土电阻率准确性较差的问题。
为达到上述目的，本发明主要提供了如下技术方案：
一方面，本发明实施例提供了一种在人工环境下测试土电阻率的方法，所述方法包括以下步骤：
(1)在野外选定待测区域土壤，测量所述土壤的电阻率、土温、相对湿度值及紧实度；
(2)将所述待测区域土壤风干并筛除石头和杂物后获得纯土壤，测量所述纯土壤的重量；
(3)将所述纯土壤按照预设土层厚度装入专用测试模具并夯实；
(4)安装专用模具，并将模具移入环境箱，获取测试初始土壤承受压力与每一次测试时土壤所承受压力；按Wenner四极法或二极法安装测试电极，获得测试土壤电阻率实时土壤温度；
(5)根据所述待测区域往年的最高温度、最低温度及冻土温度，以预设阶梯下降温度分别测定风干土壤和含水土壤的电流值与电压值；
(6)输入电压为1～5V间，输入电流为0.5～5mA，按ρ＝4×U/I式计算土电阻率；
(7)将未装入试验模具的剩余土样过20目筛，测试pH值，并分析水溶性盐分离子含量；
(8)综合分析土导电因素，找出影响土电阻率的主要因子，为改善土的导电性，降低土电阻率提供可靠数据。
作为优选，步骤(1)具体为：在野外选定好原位测试土电阻率的区域，用常规测试方法测试该地土电阻率，记下数值；同时测量表层及30cm深处的土温，取适量样品密封带回实验室取得土相对湿度数值；电阻率、土温和湿度进行3个重复，取其平均值；用土壤紧实度仪测量被测试处土的紧实度数据，重复3次，取其平均值
作为优选，步骤(2)具体为：在被测试处取0.5m3土带回实验室，于阴凉处摊开风干备用；检出风干土中直径大于3cm的石头等杂物，称量土的重量。
作为优选，步骤(3)具体为：将已准确称量的土按土所表现的自然粒径比例装入内径为20cm×20cm，长100cm的专用模具中；土样在装入时按每3～5cm为一层夯实，夯实后紧实度应与原位测试所得数值类似。
作为优选，步骤(4)具体为：安装专用模具承压板和堵头，旋紧堵头端4颗固紧螺栓，并读取固定好后承压板与堵头间压力表的数值；将安装好的模具移入环境箱，按Wenner四极法或二极法安装测试电极，在土温测试孔内插入温度传感器探头，深度为5～10cm。
作为优选，步骤(5)具体为：按被测试区域气候资料所表现的历年平均最高最低气温、冻土温度按1℃或5℃梯度为阶梯下降，分别测试风干土及各种含水量条件下随温度降低呈现的土电阻率相关数值，所述相关数值为电流和电压。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明在人工控制环境下，远离野外原位测试的种种限制因素，就土电阻率本身所表现的一般特征给予测试，提供适合反映特定土类的土电阻率基础数据，将测试土在不同温度和不同含水量条件下的土电阻率基本情况呈现出来，供有关工程设计和施工参考使用。本发明适合于冻土(含季节性冻土)和荒漠土的测试研究。本发明克服了野外测试地下金属构筑物、金属管线、冻土环境等对测试结果的干扰，是研究测试土在常规气温(-40℃～45℃)范围内土的各种温度湿度条件下土电阻率的实用方法，可以在适当的化学分析基础上，找出测试土的主要导电离子，为进一步选择适当的降阻物质提供基础数据。
具体实施方式
为更进一步阐述本发明为达成预定发明目的所采取的技术手段及功效,以下以较佳实施例，对依据本发明申请的具体实施方式、技术方案、特征及其功效，详细说明如后。下述说明中的多个实施例中的特定特征、结构、或特点可由任何合适形式组合。
实施例1
(1)野外选定好土电阻率的区域，用常规测试方法(Wenner四极法)测试该地土电阻率，记下数值；同时测量表层及30cm深处的土温，取适量样品密封带回实验室取得土相对湿度数值；电阻率、土温和湿度进行3个重复，取其平均值；
(2)用土壤紧实度仪测量被测试处土的紧实度数据，重复3次，取其平均值；
(3)在被测试处取0.5m3土带回实验室，于阴凉处摊开风干备用；
(4)检出风干土中直径大于3cm的石头等杂物，称量土的重量；
(5)将已准确称量的土按土所表现的自然粒径(即土壤自然呈现的状态)比例装入内径为20cm×20cm，长100cm的专用模具中(用总量减去剩余量倒算装入量，以便计算各种含水量需要加入的水量，上述操作是为了方便土壤含水量的计算和一定含水率条件下去离子水的加入量)；加入水必须是＜3s/m的去离子水；本步骤的目的在于用去离子水调整模具内待测土壤含水量，用去离子水的目的在于不带入额外的盐分离子，使加水前后土壤总离子的含量不变，保证人工条件下少量土壤(与原位土壤相比)土壤电阻率测试理化条件的统一性；
(6)土样在装入时按每3～5cm为一层夯实，夯实后紧实度应与原位测试所得数值类似；
(7)安装专用模具承压板和堵头，旋紧堵头端4颗固紧螺栓，并读取固定好后承压板与堵头间压力表的数值；测试模具的安装和模具被移入人工气候环境箱可以实现人工可控温度、湿度，模拟不同环境条件，获取测试初始土壤承受压力与每一次测试时土壤所承受压力；
(8)将安装好的模具移入环境箱，按Wenner四极法或二极法安装测试电极，在土温测试孔内插入温度传感器探头，深度为5～10cm；安装土温测试传感器探头是为了获得测试土壤电阻率时实时的土壤温度，以便获得相应土壤温度条件下的土壤电阻率数值；
(9)按被测试区域气候资料所表现的历年平均最高最低气温、冻土温度按1℃或5℃梯度(或其他梯度)为阶梯下降，分别测试风干土及各种含水量条件下(含水量条件下是指事先设置的土壤含水率(量)，由加入模具内土壤的去离子水量调节(称重模具土壤量并进行倒算))随温度降低呈现的土电阻率相关数值(电流mA,电压V)；
(10)输入电压在1～5V间选择，输入电流在0.5～5mA范围内设定，并按ρ＝4×U/I式计算土电阻率；读取土电阻率相关数值时，土温要求在相应温度下至少平衡30m,数值必须在3s内完成；
(11)将未装入试验模具的剩余土样过20目筛，测试pH值，并分析水溶性盐分离子含量；
(12)综合分析土导电因素，找出影响土电阻率的主要因子，为改善土的导电性，降低土电阻率提供可靠数据。
土电阻率的测试，在野外原位条件下限制因素多，尤其不能应用于冻土条件下的测量。可是无论电力接地还是防雷防静电接地，无论是否有冻土存在，进行设计接地设计时都必须考虑土电阻率的实际存在，尤其是一年当中土电阻率最高的时段的情况。安全生产的客观要求需要对土电阻率在不同湿度、不同温度条件下表现的特征需要较为准确的表达。本发明意在人工控制环境下，远离野外原位测试的种种限制因素，就土电阻率本身所表现的一般特征给予测试，提供适合反映特定土类的土电阻率基础数据，将测试土在不同温度和不同含水量条件下的土电阻率基本情况呈现出来，供有关工程设计和施工参考使用。本发明适合于冻土(含季节性冻土)和荒漠土的测试研究。
本发明能有效克服野外测试地下金属构筑物、金属管线、冻土环境等对测试结果的干扰，是研究测试土在常规气温(-40℃～45℃)范围内土的各种温度湿度条件下土电阻率的实用方法，可以在适当的化学分析基础上，找出测试土的主要导电离子，为进一步选择适当的降阻物质提供基础数据。
本发明实施例中未尽之处，本领域技术人员均可从现有技术中选用。
以上公开的仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以上述权利要求的保护范围为准。

Claims (6)

1.一种在人工环境下测试土电阻率的方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
(1)在野外选定待测区域土壤，测量所述土壤的电阻率、土温、相对湿度值及紧实度；
(2)将所述待测区域土壤风干并筛除石头和杂物后获得纯土壤，测量所述纯土壤的重量；
(3)将所述纯土壤按照预设土层厚度装入专用测试模具并夯实；
(4)安装专用模具，并将模具移入环境箱，获取测试初始土壤承受压力与每一次测试时土壤所承受压力；按Wenner四极法或二极法安装测试电极，获得测试土壤电阻率实时土壤温度；
(5)根据所述待测区域往年的最高温度、最低温度及冻土温度，以预设阶梯下降温度分别测定风干土壤和含水土壤的电流值与电压值；
(6)输入电压为1～5V间，输入电流为0.5～5mA，按ρ＝4×U/I式计算土电阻率；
(7)将未装入试验模具的剩余土样过20目筛，测试pH值，并分析水溶性盐分离子含量；
(8)综合分析土导电因素，找出影响土电阻率的主要因子，为改善土的导电性，降低土电阻率提供可靠数据。
2.如权利要求1所述的一种在人工环境下测试土电阻率的方法，其特征在于，步骤(1)具体为：在野外选定好土电阻率的区域，用常规测试方法测试该地土电阻率，记下数值；同时测量表层及30cm深处的土温，取适量样品密封带回实验室取得土相对湿度数值；电阻率、土温和湿度进行3个重复，取其平均值；用土壤紧实度仪测量被测试处土的紧实度数据，重复3次，取其平均值。
3.如权利要求1所述的一种在人工环境下测试土电阻率的方法，其特征在于，步骤(2)具体为：在被测试处取0.5m3土带回实验室，于阴凉处摊开风干备用；检出风干土中直径大于3cm的石头等杂物，称量土的重量。
4.如权利要求1所述的一种在人工环境下测试土电阻率的方法，其特征在于，步骤(3)具体为：将已准确称量的土按土所表现的自然粒径比例装入内径为20cm×20cm，长100cm的专用模具中；土样在装入时按每3～5cm为一层夯实，夯实后紧实度应与原位测试所得数值类似。
5.如权利要求1所述的一种在人工环境下测试土电阻率的方法，其特征在于，步骤(4)具体为：安装专用模具承压板和堵头，旋紧堵头端4颗固紧螺栓，并读取固定好后承压板与堵头间压力表的数值；将安装好的模具移入环境箱，按Wenner四极法或二极法安装测试电极，在土温测试孔内插入温度传感器探头，深度为5～10cm。
6.如权利要求1所述的一种在人工环境下测试土电阻率的方法，其特征在于，步骤(5)具体为：按被测试区域气候资料所表现的历年平均最高最低气温、冻土温度按1℃或5℃梯度为阶梯下降，分别测试风干土及各种含水量条件下随温度降低呈现的土电阻率相关数值，所述相关数值为电流和电压。
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