CN110042824B - 一种软土电阻率静探探头及使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种软土电阻率静探探头及使用方法，属于岩土工程勘察原位测试领域，包括主体，所述主体的内部设有集水管，所述集水管深入到所述主体的下端设置，上端伸出所述主体设置，所述主体的外圈设有至少一个泄水孔，所述泄水孔与所述集水管的下端连通设置，供电回路，其上设有读取回路电流的电流表，测量回路，其上设有测量上下土层的电位差的电压表。本发明性能可靠，在软土地区适用性强，操作方便，所测数据可靠。

Description

一种软土电阻率静探探头及使用方法

技术领域

本发明属于岩土工程勘察原位测试领域，涉及一种软土电阻率静探探头及使用方法。

背景技术

静力触探是指利用压力装置将有触探头的触探杆压入试验土层，通过量测系统测土的贯入阻力，可确定土的某些基本物理力学特性，在岩土工程勘察行业，原位测试技术蓬勃发展，静力触探探头也多种多样，例如孔隙水压力探头、电阻率探头、波速探头等，探头为了钻进顺利，表面处理的比较光滑，并且避免导线短路，表面进行了密封隔水。而在软土层中，这种表面光滑不利于电极与土的接触，电极之间反而相互干扰，同时在探头的挤压下，孔隙水压力增加，软土的孔隙水压力消散相对较慢，且没有迅速排出水压力的途径，在测试中往往导致数据与结果不准确，大大阻碍了电阻率静探的发展。

电阻率静力触探探头多用来测试土壤的电阻率，从而研究各土层间的区别，土壤电阻率是土壤导电性指标，土壤腐蚀性和土壤电阻率呈反相关系，土壤电阻率和土壤的质地，松紧程度，有机质含量，土壤温度，含水量含盐量等有密切关系，它反映了土壤理化性质的综合指标，电阻率越小，土壤含电解质越多，土壤腐蚀性越强。

土壤质地是影响电阻率的另一个重要因素，土壤质地也称机械组成，即由砂粒、粉粒、粘粒组成，土壤的矿物颗粒大小，及有机质组合的比例，含粘粒比例高的土壤，电阻率低，含砂粒比较大，比例又高的土壤，电阻率高。

土壤温度对电阻率的影响也是明显的，温度每相差10度，土壤电阻率约变化2%，所以电阻率随季节变化很大，在冬季电阻率变大，这可能与冬天土壤中的水分冻结有关。土壤电阻率的变化范围很大，从小于几Ω•m到高达几百甚至上千Ω•m。

发明内容

本发明要解决的问题是在于提供一种软土电阻率静探探头及使用方法，性能可靠，在软土地区适用性强，操作方便，所测数据可靠。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种软土电阻率静探探头及使用方法，包括主体，所述主体的内部设有集水管，所述集水管深入到所述主体的下端设置，上端伸出所述主体设置，所述主体的外圈设有至少一个泄水孔，所述泄水孔与所述集水管的下端连通设置；

供电回路，其上设有读取回路电流的电流表；

测量回路，其上设有测量上下土层的电位差的电压表。

进一步的，所述供电回路还包括设置在同一个回路上的第一供电电极、第二供电电极、开关和电池组，所述开关、电池组和电流表设置在所述主体的外部。

进一步的，所述主体的外圈设有向外的陶瓷凸起，所述陶瓷凸起为拱形，所述第一供电电极匹配一个陶瓷凸起设置且设在所述陶瓷凸起的高点位置，所述第二供电电极匹配一个陶瓷凸起设置且设在所述陶瓷凸起的高点位置。

进一步的，所述测量回路还包括设置在同一回路上的第一测量电极和第二测量电极，所述电压表设置在所述主体的外部。

进一步的，所述第一测量电极匹配一个陶瓷凸起设置且设在所述陶瓷凸起的高点位置，所述第二测量电极匹配一个陶瓷凸起设置且设在所述陶瓷凸起的高点位置。

进一步的，所述第一测量电极和第二测量电极设置所述第一供电电极和第二供电电极的中间且相邻两者之间的间距相等设置。

进一步的，所述主体由陶瓷体和钢柱组成，所述泄水孔设置在所述陶瓷体上。

进一步的，所述泄水孔的数量为多个且上下均布设置，所述泄水孔在所述主体的轴向位置也设置为多个。

进一步的，所述主体包括由下到上依次连接设置的锥尖、直线段、过渡段和应用段，所述直线段的直径与所述锥尖的最大直径相同，所述应用段的直径小于所述直线段的直径，所述过渡段连接所述直线段和应用段，所述集水管伸入到锥尖设置，所述集水管突出所述主体的上端设有水泵。

使用一种软土电阻率静探探头的测量方法，采用四极法进行测试，按照以下步骤完成：

S1:将测量仪的四个软土电阻率静探探头以等间距a布置在探头内；

S2:利用电池组对供电电极进行供电，此时电流I，测量中间电极的电位差△U；

S3:数据处理，探头中间区域的平均土壤电阻率按式ρ=K×△U÷I计算

ρ——测量点的平均土壤电阻率，Ω·m；

a——相邻两电极之间的距离，m；

I——供电电流(A)；

△U——测量电压(A)；

K——装置系数，此时为温纳装置，K=2πa。

进一步的，取a 为0.20m，K=2πa即0.4π。

或者在测量点使用接地电阻测量仪，采用四极法进行测试，按照以下步骤完成。

S1: 将测量仪的四个铁钉以等间距a布置在一条直线上，电极入土深度应小于a/20；

S2:选择合适的倍率，逐渐加快摇柄转速，使其达到150r/min，当检流计指针向某一方向偏转时，旋动刻度盘，使检流计指针恢复到“0”点，此时刻度盘上读数乘上倍率档即为被测电阻值。

S3:数据处理，从地表至深度为a的平均土壤电阻率按式ρ=2πaR 计算

ρ——测量点从地表至深度a土层的平均土壤电阻率，Ω·m；

a——相邻两电极之间的距离，m；

R ——接地电阻仪示值，Ω，R=倍率*标度盘值(Ω)。

进一步的，所述铁钉的埋入深度L=a/20，所述a的长度为4～7米，按第一只铁钉再确定其它三只铁钉的位置，先确定四只铁钉间的总间距a *3，再固定好每个铁钉。

进一步的，在S2中，使检流计指针恢复到“0”点的操作步骤如下，把测试仪上的倍率数放在最高档位，摇动手柄并调整标度盘，使指针到“0”位，但标示盘数小于“1”时，应重新调整倍率盘，直到标示盘数值大于“1”，指针到“0”位后加速摇动手柄，调整使指向“0”位。

进一步的，在S2和S3之间插入以下步骤，打开接地电阻测量仪上的C2、P2连接片，用镙丝刀调整该度指针至“0”位，然后分别接好C1、P1、C2、P2桩头。

与现有技术相比，本发明具有的优点和积极效果如下。

1、本发明设置集水管后，将探头挤压软土出来的孔隙水通过泄水孔流入探头中，再通过集水管收集后排出地面，避免由于地下水的存在对土壤电阻率及测试过程产生影响，大大拓宽了电阻率探头在岩土工程勘察原位测试中的应用范围，整体性能可靠，在软土地区适用性强，操作方便，所测数据可靠；

2、设置陶瓷凸起，增加与土壤的摩擦系数，同时可以防止探头与土之间产生空隙，避免由于探头与土接触不良导致的测试数据与结果不准确，极大提高了探头采集准确数据的可靠性；

3、第一测量电极和第二测量电极设置在第一供电电极和第二供电电极的中间且相邻两者之间的间距相等设置，等距设置后可简化计算公式，简化数据处理的过程，提升数据处理效率。

附图说明

构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1是本发明一种软土电阻率静探探头及使用方法的结构示意图；

图2是本发明图1的A部详图；

图3是本发明供电回路的结构示意图；

图4是本发明图3的B部详图；

图5是本发明测量回路的结构示意图；

图6是本发明图5的C部详图；

图7是本发明使用一种软土电阻率静探探头的测量方法实际应用的结构示意图；

图8是本发明使用一种软土电阻率静探探头的测量方法的流程图。

附图标记：

1、集水管； 2、供电回路； 3、陶瓷凸起； 4、陶瓷体； 5、钢柱； 6、泄水孔； 7、孔隙水； 8、锥尖；81、直线段；82、过渡段；83、应用段； 9、开关；10、电池组；11、电压表；12、测量回路；13、第一供电电极；14、第一测量电极；15、第二测量电极；16、第二供电电极；17、电流表。

实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”等的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以通过具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

下面结合附图对本发明的具体实施例做详细说明。

如图1～图6所示，本发明为一种软土电阻率静探探头及使用方法，包括主体，主体的内部设有集水管1，集水管1深入到主体的下端设置，上端伸出主体设置，主体的外圈设有至少一个泄水孔 6，泄水孔 6与集水管1的下端连通设置，设置集水管1后，将探头挤压软土出来的孔隙水 7通过泄水孔 6流入探头中，再通过集水管1收集后排出地面，大大拓宽了电阻率探头在岩土工程勘察原位测试中的应用范围，收集后的孔隙水 7如图1所示；

供电回路 2，其上设有读取回路电流的电流表17；

测量回路12，其上设有测量上下土层的电位差的电压表11。

优选地，供电回路 2还包括设置在同一个回路上的第一供电电极13、第二供电电极16、开关 9和电池组10，开关 9、电池组10和电流表17突出主体的上端设置，方便数据的读取，提升操作的便利性。

优选地，主体的外圈设有向外的陶瓷凸起 3，陶瓷凸起 3为拱形，第一供电电极13匹配一个陶瓷凸起 3设置且设在陶瓷凸起 3的高点位置，第二供电电极16匹配一个陶瓷凸起 3设置且设在陶瓷凸起 3的高点位置，可以防止探头与土之间产生空隙，避免由于探头与土接触不良导致的测试数据与结果不准确，极大提高了探头采集准确数据的可靠性，更优选地，测量回路12还包括设置在同一回路上的第一测量电极14和第二测量电极15，电压表11突出主体的上端设置，方便数据的读取，操作更加方便，更优选地，第一测量电极14匹配一个陶瓷凸起 3设置且设在陶瓷凸起 3的高点位置，第二测量电极15匹配一个陶瓷凸起3设置且设在陶瓷凸起 3的高点位置，设置在陶瓷凸起 3的高点位置，增大与土壤的摩擦力，保证第一供电电极13、第二供电电极16、第一测量电极14和第二测量电极15与土壤的紧密贴合程度，提升整个结构的稳定性。

优选地，第一测量电极14和第二测量电极15设置在第一供电电极13和第二供电电极16的中间且相邻两者之间的间距相等设置，等距设置后可简化计算公式，简化数据处理的过程，提升数据处理效率。

优选地，主体由陶瓷体 4和钢柱 5组成，泄水孔 6设置在陶瓷体 4上，强度高，在保证光滑度的基础上，设置一定的摩擦系数，提升与土壤的紧密程度。

优选地，泄水孔 6的数量为多个且上下均布设置，泄水孔 6在主体的轴向位置也设置为多个，在主体的周围和上下高度设置不同的泄水孔 6，可将不同位置不同高度的水分及时的导入到主体的内部，并通过集水管1及时的排出，降低孔隙水压对测试结果的影响，保证了测量的精度，大大拓宽了电阻率探头在岩土工程勘察原位测试中的应用范围。

优选地，主体包括由下到上依次连接设置的锥尖 8、直线段81、过渡段82和应用段83，应用段即陶瓷体直线段81的直径与锥尖 8的最大直径相同，应用段83的直径小于直线段81的直径，过渡段82连接直线段81和应用段83，此结构提升锥尖 8的强度，有利于在实际工作的时候，压入过程中，保证垂直度，集水管1伸入到锥尖 8设置，尽量向下设置，集水管1突出主体的上端设有水泵，保证可及时的将底部的水进行排出。

在实际工作过程中，将探头安装在触探杆上，静力压入软土中，静力触探主机主要分手摇式轻便触探机、齿轮机械式触探机及液压传动式触探机等不同类型，在到达一定位置后，由于探头的挤压，土层中多余的孔隙水 7通过泄水孔 6收集到锥尖 8内，通过集水管1和水泵将多余的水分汲取并排出地表，确保探头工作处相对没有明水，以避免地下水对测量的误差，压入软土后，此时第一供电电极13、第二供电电极16、第一测量电极14和第二测量电极15均与土层紧密接触，接通开关 9，第一供电电极13和第二供电电极16与土层形成供电回路 2，通过电流表17读取回路电流I，同时与土壤紧密接触的第一测量电极14和第二测量电极15测量到上下土层的电位差，形成测量回路12，此时电压表11读取到第一测量电极14和第二测量电极15的电位差△U，第一供电电极13、第二供电电极16、第一测量电极14和第二测量电极15间距相等布置，可以设定为0.20米，故利用温纳装置的视电阻率计算公式，ρ=K×△U÷I，此时K=0.4π，故所测视电阻率ρ=0.4π×△U÷I。所测点视电阻率即假定为在直径0.6米球体范围内的综合视电阻率，该点测试完毕，随着探头的的不断向下移动，即可测得土层的连续电阻率数值，直至将软土层全部测试完毕，可以根据得到的视电阻率值连成曲线，即看到了整个土层的上下变化，同时也可以根据所得到的电阻率数值，查阅《岩土工程勘察规范》判定该土层的腐蚀性。

使用一种软土电阻率静探探头的测量方法，采用四极法进行测试，按照以下步骤完成：

S1:将测量仪的四个软土电阻率静探探头以等间距a布置在探头内；

S2:利用电池组对供电电极进行供电，此时电流I，测量中间电极的电位差△U；

S3:数据处理，探头中间区域的平均土壤电阻率按式ρ=K×△U÷I计算

ρ——测量点的平均土壤电阻率，Ω·m；

a——相邻两电极之间的距离，m；

I——供电电流(A)；

△U——测量电压(A)；

K——装置系数，此时为温纳装置，K=2πa。

优选地，取a 为0.20m，K=2πa即0.4π。

或者在测量点使用接地电阻测量仪，采用四极法进行测试，按照以下步骤完成，在此步骤中，电阻率静探探头可以代替铁钉使用，但是实际应用的时候，考虑到成本问题，一般采用铁钉进行测试。

S1: 将测量仪的四个软土铁钉以等间距a布置在一条直线上，电极入土深度应小于a/20；

S2:选择合适的倍率，逐渐加快摇柄转速，使其达到150r/min，当检流计指针向某一方向偏转时，旋动刻度盘，使检流计指针恢复到“0”点，此时刻度盘上读数乘上倍率档即为被测电阻值。

S3:数据处理，从地表至深度为a的平均土壤电阻率按式ρ=2πaR 计算

ρ——测量点从地表至深度a土层的平均土壤电阻率，Ω·m；

a——相邻两电极之间的距离，m；

R ——接地电阻仪示值，Ω，R=倍率*标度盘值(Ω)。

优选地，铁钉的埋入深度L=a/20，a的长度为4～7米，按第一只铁钉再确定其它三只铁钉的位置，先确定四只铁钉间的总间距a *3，再固定好每个铁钉。

优选地，在S2中，使检流计指针恢复到“0”点的操作步骤如下，把测试仪上的倍率数放在最高档位，摇动手柄并调整标度盘，使指针到“0”位，但标示盘数小于“1”时，应重新调整倍率盘，直到标示盘数值大于“1“，指针到“0”位后加速摇动手柄，调整使指向“0”位。

优选地，在S2和S3之间插入以下步骤，打开接地电阻测量仪上的C2、P2连接片，用镙丝刀调整该度指针至“0”位，然后分别接好C1、P1、C2、P2桩头。

在使用多个静探探头进行测量的时候，土壤腐蚀性与土壤电阻率分级标准如下表1所示，具体的测量方法如下。

表1

在按照以上步骤进行试验前，对探测系统进行检查时，可将探头与电阻测量仪连接，并进行试压，观察数据变化是否正常，判断探头、仪器是否处于正常状态。试验前，应先接通电阻测量仪电源预热，检查电压、显示屏，核对探头标定资料，检查探头绝缘性能，试压探头，消除零漂，探头的贯入速度要保证匀速，当探头从软土层开始进入硬土层时，为避免探杆瞬时产生过大的挠曲和偏斜，可采用相对较慢的速度贯入，即贯入深度按下式计算：

d=nl+h-Δl

n——贯入土中的探杆根数；

l ——每根探杆的长度；

h——从锥底全断面处起算的探头长度；

Δl——未贯入土中的探杆外露长度；

当贯入深度超过30m或探杆穿过深厚软土层再贯入硬土层时，应分段下导向护管，既可保持探杆垂直，也可减小总贯入阻力。

实施例1：以下表2是某地在探头5米埋深处，土壤电阻率检测结果，根据电阻率判断被测地区土壤的腐蚀强度，以此数据为准判定土壤是否适合埋放输送管道等，以及针对土壤的腐蚀性，在进行施工操作的过程中，提前对管道进行外表面的防护，尤其一个大的工程，在管道铺设过程中耗费大量的工程人力去施工，需要根据土质情况进行预测和预防，降低后续的施工维护成本，也避免了后续的安全隐患，降低出现泄漏排查等状况发生的概率。

表2

实施例2：针对某沿海地区的三个点进行电阻率测试，判断地层性质。

电阻测量仪主要技术参数为：

2.1接收部分：

电压通道：±24V，±0.5% ±1个字，24位A/D

电压最高采样分辨率：0.01μV

输入阻抗：≥50ＭΩ

SP补偿范围：±10V

电流通道：3.5A，±0.5% ±1个字，24位A/D

电流最高采样分辨率： 0.02μA

对50Hz工频干扰压制优于80dB

2.2发射部分：

最大发射功率：3500W

最大供电电压：±1000V（即2000Vp-p）

最大供电电流：±3.5A（即7Ap-p）

供电脉冲波形：占空比为1：1，双极性。

表3是第一个测试点的实测视电阻率成果表，如下。

表4是第二个测试点的实测视电阻率成果表，如下。

表5是第三个测试点的实测视电阻率成果表，如下。

成果分析：

根据本次电测深测试结果，结合外业钻探资料，场地埋深10.0m以上可划分为三个电性层，各点测试界限及各层测试平均值见下表6。

本场地位于沿海地区，上部地层为冲填土，所测电阻率与勘察结果基本一致。

实施例3：表7是针对某轨道交通线附近进行不同深度测试的成果表，充分判定轨道交通线附近土壤的电解率等特性参数，对于一些干扰因素提前进行预防。

以上对本发明的一个实施例进行了详细说明，但所述内容仅为本发明的较佳实施例，不能被认为用于限定本发明的实施范围。凡依本发明申请范围所作的均等变化与改进等，均应仍归属于本发明的专利涵盖范围之内。

Claims (3)

1.一种软土电阻率静探探头，其特征在于：包括主体，所述主体的内部设有集水管，所述集水管伸入到所述主体的下端设置，所述集水管上端伸出所述主体设置，所述主体的外圈设有至少一个泄水孔，所述泄水孔与所述集水管的下端连通设置；

包括供电回路，其上设有读取回路电流的电流表；

包括测量回路，其上设有测量上下土层的电位差的电压表；所述供电回路还包括设置在同一个回路上的第一供电电极、第二供电电极、开关和电池组，所述开关、电池组和电流表设置在所述主体的外部，所述主体的外圈设有向外的陶瓷凸起，所述陶瓷凸起为拱形，所述第一供电电极匹配一个陶瓷凸起设置且设在所述陶瓷凸起的高点位置，所述第二供电电极匹配一个陶瓷凸起设置且设在所述陶瓷凸起的高点位置；所述测量回路还包括设置在同一回路上的第一测量电极和第二测量电极，所述电压表设置在所述主体的外部，所述第一测量电极匹配一个陶瓷凸起设置且设在所述陶瓷凸起的高点位置，所述第二测量电极匹配一个陶瓷凸起设置且设在所述陶瓷凸起的高点位置；所述第一测量电极和第二测量电极设置在所述第一供电电极和第二供电电极的中间且相邻两者之间的间距相等设置；所述泄水孔的数量为多个且上下均布设置；所述主体包括由下到上依次连接设置的锥尖、直线段、过渡段和应用段，所述直线段的直径与所述锥尖的最大直径相同，所述应用段的直径小于所述直线段的直径，所述过渡段连接所述直线段和应用段，所述集水管伸入到锥尖设置，所述集水管突出所述主体的上端设有水泵。

2.使用权利要求1所述的一种软土电阻率静探探头的测量方法，其特征在于：采用四极法进行测试，按照以下步骤完成：

S1:将测量仪的四个电极以等间距a布置在探头内；

S2:利用电池组对供电电极进行供电，此时电流I，测量中间电极的电位差△U；

S3:数据处理，探头中间区域的平均土壤电阻率按式ρ=K×△U÷I计算，

ρ——测量点的平均土壤电阻率，Ω·m；

a——相邻两电极之间的距离，m；

I——供电电流，A；

△U——测量电压，V；

K——装置系数，此时为温纳装置，K=2πa。

3.根据权利要求2所述的使用一种软土电阻率静探探头的测量方法，其特征在于：取a为0.20m，K=2πa=0.4π。