一種多電極測試土體電阻率的室內試驗裝置及方法與流程

本發明涉及一種多電極測試土體電阻率的室內試驗裝置及方法，屬于巖土工程測試領域中的一種用于土體電學特性測試的裝置。

背景技術：

應用電阻率測試技術解決巖土工程與環境問題是近年來學科交叉發展形成的前沿研究領域，已經引起工程師們的密切關注。電阻率是表征土體電學特性的固有物性參數之一，受眾多因素的影響顯著，如含水量、飽和度、孔隙率和壓實度等。巖土工程師們常用電阻率值的變化來評價與估算土體的一些狀態參數。在環境巖土工程領域，土的電阻率值還可用來定量評價污染土的污染程度與工程性質。土的電阻率實際上就是當電流垂直通過邊長1m的立方體土體時所呈現的電阻大小，單位是ω·m。測試土體電阻的技術主要有兩類：原位測試技術，如電阻率層析成像技術、電阻率靜力觸探技術等；室內測試技術，如“兩電極法”、“四電極法”等。就室內電阻率測試技術而言，雖然“兩電極法”和“四電極法”均可獲得土的電阻率值，但仍存在測試不穩定、測試精度較低等局限性。因此，土體電阻率的測試技術仍需進一步的完善和提升。

目前，巖土工程領域對于土體電阻率測試的主流技術是電阻率靜力觸探技術(現場)和“四電極法”技術(室內)，電阻率靜力觸探技術主要應用于工程現場，“四電極法”技術在室內精確測試各種類型的重塑土或人工材料時，顯得較為“吃力”。基于此，本發明在現有“四電極法”技術的基礎上，結合電阻率靜力觸探技術，提出一種新型的測試壓實土體電阻率的室內試驗裝置，即：多電極電阻率盒聯合電阻率探針裝置，利用此裝置可以針對多種類型的原狀土、壓實土和人工材料等進行電阻率測試，具有精度高、操作簡單、便捷有效等特點。

技術實現要素：

本發明要解決的技術問題是針對國內現有“兩電極”、“四電極”等電阻率測試技術難以精確測定不同壓實狀態土體電阻率的局限性，提出一種可用于巖土工程、環境工程領域的多電極測試壓實土體電阻率的室內試驗裝置及方法。利用該電阻率測試裝置，可精確測定不同狀態土體的電阻率，實現土體電學特征的有效分析與評價。

為解決上述技術問題，本發明采用的技術方案是：一種多電極測試土體電阻率的室內試驗裝置及方法，所述的測試土體電阻率的室內試驗裝置由多電極電阻率盒和電阻率探針兩部分組成，該電阻率盒為有機玻璃制成的中空立方體，立方體的6個面上分別均勻設置3個相同的銅電極，共計18個銅電極，相互對應的銅電極兩兩相連，組成相應的電路回路；電阻率探針的頂部為頂帽螺母，頂帽螺母下方連接有不銹鋼探桿，不銹鋼探桿下方依次設置有橡膠環和銅環電極，電阻率探針的底部為不銹鋼錐形探頭，4個銅環電極通過對應的傳輸電纜連接成相互獨立串聯的電路，通過測試電流流經土體時的電壓變化，獲得土的電阻率值。

進一步，所述的有機玻璃制成的中空立方體的邊長為17cm，有機玻璃的厚度為1cm，中空立方體內填充壓實土樣的尺寸為：長15cm、寬15cm、高15cm。

進一步，所述的銅電極的長度為12.5mm，直徑為2.5mm，沿電阻率盒每個面的中心線布置，兩相鄰銅電極間距為5cm，測試電阻率時應完全插入土中并與土體接觸完全。

進一步，所述的電阻率探針長度為15cm，直徑為18mm；外側兩個銅環電極為電流電極，內側兩個銅環電極為電壓電極，銅環電極寬度為5mm，呈等間距排列，間距為25mm；不銹鋼錐形探頭的錐角為60°，錐底截面直徑為18mm。

進一步，所述的多電極電阻率盒和電阻率探針在測試土體電阻率時，均使用交流電，電壓幅值在10v～35v之間。

一種多電極測試土體電阻率的室內試驗方法，包括以下步驟：

(1)打開多電極電阻率盒，將待測不同壓實度的土體裝入，使銅電極均完全插入待測土體中，并與待測土體充分接觸；

(2)接通交流電，測量相互獨立串聯的兩個電極的電阻；

(3)對步驟(2)測得的所有串聯在一起的兩個電極的電阻進行計算處理，即得到土體電阻率；

(4)將電阻率探針接通交流電測試土體電阻率，并驗證步驟(3)得到的土體電阻率，即得到準確的土體電阻率。

進一步，所述的18個銅電極采用相互獨立的串聯方式連接，其測量土體電阻的計算公式為：

ri為銅電極(20i)與銅電極(21i)相互串聯的電阻。

與現有技術相比，本發明具有以下優點：

1.測試過程穩定，結果精確。本發明的多電極測試土體電阻率的試驗裝置，與傳統“兩電極法”和“四電極法”具有明顯優勢。多電極測試電阻率的過程更為穩定，在測試土體的三個方向上均布設有電極，可有效避免測試過程中電阻率值的大幅“跳動”。多電極測試電阻率的結果更為精確，一般而言，“四電極法”測試精度高于“兩電極法”，交流電源測試效果優于直流電源，本發明提供設置有18個電極的電阻率盒來測量土體電阻率，測試電源為交流電源，可有效避免電極間的相互干擾，具有較高的測試精度。

2.測試結果可靠性高。本發明提供的電阻率測試裝置，結合了多電極電阻率盒和傳統四電極電阻率探針，電阻率盒的測試結果可靠與否，可方便快捷的通過電阻率探針來檢驗，使得該裝置的電阻率測試結果具有“雙保險”，測試結果的可靠性得到提升。

3.試驗裝置操作簡單、計算方法簡便。本發明的多電極測試土體電阻率的試驗裝置由設有多電極的電阻率盒和四電極電阻率探針組成，試驗人員只需將測試對象按照一定的程序填充于電阻率盒中，接通電源、開啟監測設備即可進行電阻率測試，電阻率探針的貫入也不需要額外的技術設備，普通的實驗人員即可完成測試過程，記錄的電流、電壓數據處理方法簡單，可操作性強。

附圖說明

圖1是本發明提供的多電極電阻率盒裝置圖。

其中有：電阻率盒1，銅電極(201、202、203、204、205、206、207、208、209、211、212、213、214、215、216、217、218、219)。

圖2是本發明提供的電阻率探針裝置圖。

其中有：頂帽螺母3，不銹鋼探桿4，橡膠環5，電流銅環電極(601、604)，電壓銅環電極(602、603)，不銹鋼錐形探頭7，傳輸電纜(801、802、803、804)。

圖3是本發明提供的nacl溶液標定電阻率盒結果圖。

圖4是本發明提供的nacl溶液標定電阻率探針結果圖。

圖5是本發明提供的不同電路連接方式測試的電阻值對比圖。

圖6是本發明提供的粉質土電阻率值隨飽和度的變化圖。

圖7是圖1中銅電極的一種連接方式。

圖8是圖1中銅電極的另一種連接方式。

具體實施方式

下面結合實施例和附圖，對本發明的技術方案進行詳細的說明。

請參考圖1和圖2，本發明的一種多電極測試土體電阻率的室內試驗裝置，所述的測試土體電阻率的室內試驗裝置由多電極電阻率盒1和電阻率探針兩部分組成，該電阻率盒1為有機玻璃制成的中空立方體，立方體的6個面上分別均勻設置3個相同的銅電極，共計18銅電極201、202、203、204、205、206、207、208、209、211、212、213、214、215、216、217、218、219，相互對應的銅電極兩兩相連，即：201與211相連、202與212相連、203與213相連、204與214相連、205與215相連、206與216相連、207與217相連、208與218相連、209與219相連，組成相應的電路回路。電阻率探針的頂部為頂帽螺母3，頂帽螺母3下方連接有不銹鋼探桿4，不銹鋼探桿4下方依次設置有橡膠環5、銅環電極601、銅環電極602、銅環電極603和銅環電極604，電阻率探針的底部為不銹鋼錐形探頭7，4個銅環電極601、602、603和604通過對應的傳輸電纜801、802、803和804連接成相互獨立串聯的電路，通過測試電流流經土體時的電壓變化，獲得土的電阻率值。

所述的有機玻璃制成的中空立方體的邊長為17cm，有機玻璃的厚度為1cm，中空立方體內可填充壓實土樣的最大尺寸為：長15cm、寬15cm、高15cm。

所述的銅電極201、202、203、204、205、206、207、208、209、211、212、213、214、215、216、217、218和219的長度為12.5mm，直徑為2.5mm，沿電阻率盒(1)每個面的豎向中心線布置，兩相鄰銅電極豎向間距為5cm，測試電阻率時應完全插入土中并與土體接觸完全。

所述的電阻率探針長度為15cm，直徑為18mm；銅環電極601和銅環電極604為電流電極，銅環電極602和銅環電極603為電壓電極，銅環電極寬度為5mm，呈等間距排列，間距為25mm；不銹鋼錐形探頭7的錐角為60°，錐底截面直徑為18mm。

所述的多電極電阻率盒1和電阻率探針在測試土體電阻率時，均使用交流電，電壓幅值在10v～35v之間。

一種多電極測試土體電阻率的室內試驗方法，包括以下步驟：

(1)打開多電極電阻率盒1，將待測不同壓實度的土體裝入，使銅電極均完全插入待測土體中，并與待測土體充分接觸；

(2)接通交流電，測量相互獨立串聯的兩個電極的電阻；

(3)對步驟(2)測得的所有串聯在一起的兩個電極的電阻進行計算處理，即得到土體電阻率；

(4)將電阻率探針接通交流電測試土體電阻率，并驗證步驟(3)得到的土體電阻率，即得到準確的土體電阻率。

所述的銅電極201、202、203、204、205、206、207、208、209、211、212、213、214、215、216、217、218和219采用相互獨立的串聯方式連接，其測量土體電阻的計算公式為：

ri為銅電極20i與銅電極21i相互串聯的電阻。

下面通過室內標定試驗和不同飽和度的壓實粉質土電阻率測試來說明本發明提供的測試裝置與方法具有良好的效果。

根據歐姆定律可知，材料的電阻可通過電壓與電流之間的相關關系計算獲得，計算式為：

r＝δv/i(2)

式(2)中，r表示材料的電阻，單位：ω；δv表示電流流經材料時所產生的電壓降，單位：v；i表示流經材料的電流，單位：a。

土的電阻率表示電流流經邊長為1m的立方體土體時表現出的電阻，一般通過測試恒定電流下兩電極間的電壓降δv，并根據歐姆定律計算出電阻率ρ，單位：ω·m，計算公式為：

式(3)中，s表示電極的橫截面積，單位：m²；l表示電極的間距，單位：m。a是一個與測試對象幾何尺寸相關的參數。

(1)標定試驗

為了獲得參數a的具體數值，需要對本發明提供的多電極電阻率盒和電阻率探針進行標定試驗，標定材料選用nacl溶液，通過配置不同摩爾濃度的nacl溶液，獲得不同電阻率的材料。

標定試驗方案：將配置好的摩爾濃度的nacl溶液倒滿電阻率盒中，施加16v交流電源，測試9對銅電極的電流和電壓變化；將相同摩爾濃度的nacl溶液倒滿電阻率盒中，將電阻率探針置于溶液中，要求探針浸入溶液的深度不得低于12cm，測試探針上4個銅環電極的電壓和電流變化。最后，根據歐姆定律，計算出不同摩爾濃度nacl溶液的電阻值。

試驗結果與分析：圖3、4分別表示nacl溶液分別標定電阻率盒、電阻率探針的試驗結果。從圖3中可以看出：電阻率盒測試的電阻值與已知的電阻率值之間存在良好的線性關系，通過最小二乘擬合得到：電阻率盒測試的電阻率與電阻之間的相關系數為0.57(擬合直線的斜率)。從圖4中可以看出：電阻率探針測試的電阻值與已知的電阻率值之間也存在良好的線性關系，線性擬合的結果得到電阻率探針的相關系數為45.74。

(2)銅電極間相互干擾評價試驗

干擾評價試驗方案：試驗材料與標定試驗(1)中的nacl溶液一致。對18個銅電極(9對銅電極)按照下圖中所示的不同連接方式，如圖7和圖8所示，組成不同的電路回路，評價相鄰銅電極對測試結果的影響程度。

試驗結果與分析：圖5是兩種不同電極連接方式測點的電阻值對比圖。圖中縱坐標表示按照連接方式1獲得的電阻值，單位：ω；橫坐標表示按照連接方式2獲得的電阻值，單位：ω。圖5中可以看出：按照連接方式1的電路測試的電阻值略低于連接方式2電路測得的電阻值，兩種連接方式所測得的電阻差值在5％以內。因此，相鄰電極對測試結果的影響在工程允許范圍內，可忽略不計。

(3)粉質土電阻率值試驗

試驗材料：粉質土，試驗用粉質土為某高速公路路基建設用土，其主要的物理性質指標如表1所示。

表1試驗用粉質土基本物理性質指標

粉質土電阻率測試試驗方案：將工程現場所取粉質土曬干、粉碎并過篩(2mm)，以土體飽和度為變量，配置不同飽和度的壓實粉質土，將一定量的的蒸餾水均勻的噴灑在干土上，塑料袋密封土樣并靜止12h，保證水分浸潤充分且分布均勻。將配置好的土樣分5層填充至電阻率盒中，待填滿后，蓋好有機玻璃蓋，確保18個銅電極與土樣接觸完全，接通16v交流電源，按照前述連接方式2形成電極回路，監測各電極的電壓和電流變化。制作平行試樣，將電阻率探針緩慢的貫入至土樣中心，貫入深度不得低于12cm，確保探針與土體接觸完全。當探針與土樣存在較大空隙時，可采用甘油等材料填充空隙；當土樣強度較高，探針難以貫入時，可采用預鉆孔的方法，保證探針順利貫入。

試驗結果與分析：圖6為本發明提供的電阻率測試裝置對不同飽和度粉質土的測試結果。土體電阻率值隨飽和度的增加呈指數降低趨勢，飽和度增加至>60％時，電阻率值基本不變，為一定值。這與大量文獻中的測試結果十分吻合，驗證了本發明提供的電阻率測試裝置的有效性。圖中還可看出：電阻率盒測得的土體電阻率值與電阻率探針測得的電阻率值非常接近，一定程度上，電阻率探針的測試結果偏低。

在本文中，所涉及的前、后、上、下等方位詞是以附圖中零部件位于圖中以及零部件相互之間的位置來定義的，只是為了表達技術方案的清楚及方便。應當理解，所述方位詞的使用不應限制本申請請求保護的范圍。

在不沖突的情況下，本文中上述實施例及實施例中的特征可以相互結合。

以上所述僅為本發明的較佳實施例，并不用以限制本發明，凡在本發明的精神和原則之內，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發明的保護范圍之內。