岳祖潤， 楊志浩， 馮懷平, 王颯一

(1.石家莊鐵道大學(xué) 道路與鐵道工程安全保障省部共建教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河北 石家莊 050043;2.石家莊鐵道大學(xué) 土木工程學(xué)院，河北 石家莊 050043；3.石家莊鐵道大學(xué) 四方學(xué)院，河北 石家莊 051132)

電阻率法快速測定三軸土樣含水量的試驗(yàn)研究

岳祖潤1， 楊志浩2， 馮懷平1, 王颯一3

(1.石家莊鐵道大學(xué) 道路與鐵道工程安全保障省部共建教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河北 石家莊 050043;2.石家莊鐵道大學(xué) 土木工程學(xué)院，河北 石家莊 050043；3.石家莊鐵道大學(xué) 四方學(xué)院，河北 石家莊 051132)

以朔黃鐵路病害路基填土為研究對象，應(yīng)用范德堡法通過自行研制的含水量測定系統(tǒng)進(jìn)行了土壤電阻率隨土樣含水量和鹽分含量的變化規(guī)律試驗(yàn)，并對此測試系統(tǒng)進(jìn)行了驗(yàn)證。試驗(yàn)表明：此測試系統(tǒng)具有良好的穩(wěn)定性與重復(fù)性，為施工現(xiàn)場含水量的測定提供了一種更為簡單、快速、精確的方法。

范德堡；含水量；電阻率

目前，在路基、堤壩、房建等施工現(xiàn)場,含水量的測定是一項重要的內(nèi)容，但是現(xiàn)存的測定方法很難在現(xiàn)場實(shí)際中得到廣泛地應(yīng)用，傳統(tǒng)測定含水量采用烘干的方法，雖然精確，但過程既費(fèi)時又費(fèi)力。采用土樣的電特性測定其含水量擺脫了原始的方法，且方便、快捷、精確。電阻率是土壤的一個固有性質(zhì)，能夠反映土壤豐富的物理化學(xué)性質(zhì)，但是影響土壤電阻率的因素很多，比如：離子類型、濃度、壓實(shí)度、含水量、土的礦物組成等，如何回避這些影響，成為通過電阻率測試含水量的一個瓶頸。中國農(nóng)業(yè)大學(xué)的李民贊 等[1]基于“電流-電壓四端法”理論基礎(chǔ)上研制的便攜式土壤電導(dǎo)率測試儀，在實(shí)驗(yàn)室土槽內(nèi)進(jìn)行了驗(yàn)證試驗(yàn)，驗(yàn)證結(jié)果表明與電導(dǎo)率儀測定結(jié)果的趨勢一致，但是所用儀器輸入的激勵電流為恒定值，不能隨土壤實(shí)際電導(dǎo)率的大小作調(diào)整，在電導(dǎo)率過小或過大的情況下難以滿足試驗(yàn)精度要求；之后李民贊 等[2]又對該系統(tǒng)進(jìn)行了改進(jìn)，在測定電路中加了一個精密電阻，并對改進(jìn)的系統(tǒng)性能進(jìn)行了評價，重新測定了土壤電導(dǎo)率和含水量的變化關(guān)系，雖然克服了激勵電流恒定值的缺陷，但是所用的輸入電流還是直流電流，這就造成了土壤在測試過程中會出現(xiàn)極化現(xiàn)象，影響試驗(yàn)精度；周密 等[3]進(jìn)行了土壤電阻率測量影響因素的試驗(yàn)研究，研究了土壤電阻率與測試方法(采用二極法還是四極法)以及測試信號類型的關(guān)系。試驗(yàn)表明：四極法比二極法更能準(zhǔn)確地測定土壤的電阻率；土壤在直流電壓下存在極化效應(yīng)，宜采用交流電壓；劉堯軍 等[4]進(jìn)行了應(yīng)用電容發(fā)測定土壤含水量的試驗(yàn)研究，并擬合出了相關(guān)公式，但測定結(jié)果規(guī)律性不強(qiáng)，很難精確地測定土壤含水量；吳月茹 等[5]利用TDR法來標(biāo)定土壤含水量，但由于儀器精度的誤差以及測量時探針插孔對容重的影響，測量結(jié)果也不是很高；Zbigniew Moron[6]介紹了范德堡法的工作原理以及應(yīng)用范德堡法測定電解液電導(dǎo)率的試驗(yàn)研究。

綜上所述，之前學(xué)者對依靠土壤電特性來測定含水量的技術(shù)研究還不夠完善，本試驗(yàn)通過自行研制的測試系統(tǒng)應(yīng)用范德堡法測定三軸土樣電阻率與含水量和鹽溶液濃度的關(guān)系，并對該系統(tǒng)進(jìn)行評價、驗(yàn)證，為施工現(xiàn)場含水量的測定提供了一種快速、穩(wěn)定、精確的方法。

1 試驗(yàn)土樣及原理

1.1 土樣的制備以及對所選取土樣進(jìn)行常規(guī)物性實(shí)驗(yàn)

在重載鐵路病害路基現(xiàn)場取得所需土樣，在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行常規(guī)物性試驗(yàn)，包括含水量，干密度，顆粒比重、孔隙比、粒徑級配組成，以及最大干密度、最優(yōu)含水量、液限、塑限、塑性指數(shù)實(shí)驗(yàn)，具體過程見文獻(xiàn)[7]。所用土樣的擊實(shí)曲線和級配曲線如圖1和圖2所示。

圖1 擊實(shí)曲線 圖2 級配曲線

1.2 試驗(yàn)原理

利用范德堡法測量電阻率，試樣邊緣兩個相鄰電極之間的電流使試樣上額外的兩個電極間產(chǎn)生電壓降。如圖3(a)所示，電流從p端流向o端，同時可以測得m、n兩端的電壓，從而可以測得電阻Rpo,mn=Vmn/Ipo。由于電極是對稱分布的，調(diào)換電壓源和電流源的兩級或者互換電壓和電流源會得到相同的電阻值，這個電阻記作RA。測量r個電阻值然后取均值，這樣可以減小電極的形狀不規(guī)則以及試樣的不均勻造成的影響，但這并不是嚴(yán)格必要的。同樣，采用如圖3(b)所示的電極布置方式，可以測得電阻RB(RB=Rno,mp)，其他3個類似電阻也同理可以測得。一般情況下RA和RB是不同的，這兩個電阻組成的范德堡關(guān)系式如下

(1)

圖3 范德堡法電極布置圖

式中,ρ是指試樣的電阻率;d指試樣的厚度。當(dāng)RA和RB相等時，范德堡關(guān)系式才能求出電阻率ρ的解析解，相反當(dāng)RA和RB不相等時，可以采用標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)值方法來解，例如二分法。

范德堡法所采用的是如圖3所示形狀的土樣，對于這種形狀不規(guī)則的土樣都能適用，試驗(yàn)所采用的圓形土柱試樣也能適用，采用范德堡關(guān)系式來計算電阻率，試驗(yàn)采用的土樣電極布置如圖4。測得電阻RA和RB然后代入范德堡關(guān)系式求出電阻率。

圖4 試驗(yàn)采用電極布置圖

2 試驗(yàn)設(shè)備

本測試系統(tǒng)主要由五部分組成，計算機(jī)、交流恒流源、Agilent精密信號采集儀、水分遷移控制器以及土樣。為了更好地防止土樣在測試過程中出現(xiàn)極化現(xiàn)象，緊貼土樣的是4個鈦銥鉑片，這種材料具有良好的導(dǎo)電性和抗極化性能，缺點(diǎn)是焊錫無法焊住，由于銅的延展性很好，先用鉗子將微小的銅片夾在鉑片上，然后在鉑片的一面用膠水將小銅片粘接，起到進(jìn)一步加固作用，再把導(dǎo)線焊接到銅片上；交流恒流源能夠穩(wěn)定地輸出恒定的交流電流，并且可以調(diào)節(jié)輸出電流和頻率的大小，操作簡單、精確；水分遷移控制器是自行研制的，能夠方便地改變土樣的電流輸入端和輸出端。信號采集儀能夠精確地采集到土樣中電壓的變化。測試系統(tǒng)流程圖如5所示。

3 試驗(yàn)過程及結(jié)果分析

3.1 洗土

為了防止土壤中自帶離子對試驗(yàn)的誤差影響，試驗(yàn)采用洗土的方法將原土樣中的自由離子盡可能全部清除，然后再根據(jù)試驗(yàn)需要配以統(tǒng)一的Na2SO4溶液得到試驗(yàn)所需的濃度。洗土過程中每洗一次土后選取適量土樣進(jìn)行烘干并配成含水量為10%、壓實(shí)度為0.93的土樣進(jìn)行電阻率測試試驗(yàn)，重復(fù)進(jìn)行幾次，繪出土壤電阻率與洗土次數(shù)的函數(shù)關(guān)系，如圖6所示。找到最優(yōu)的洗土次數(shù)，消除土壤里原有自由離子誤差，為以后大量的洗土及標(biāo)定試驗(yàn)提供依據(jù)。

圖5 含水量測試系統(tǒng)流程圖 圖6 洗土次數(shù)標(biāo)定曲線

由圖6可以看出隨著洗土次數(shù)的增加，土壤電阻率隨之增大，開始階段增大趨勢較快，后階段增大趨勢減緩，從洗6次和洗7次所測得的土壤電阻率數(shù)值出現(xiàn)相同情況可以看出，洗6次的土壤已經(jīng)達(dá)到了消除內(nèi)部的雜質(zhì)離子的效果。

3.2 電極布置位置對測試精度的影響

由于不能保證每次貼的4個電極位置是完全一樣的，每次位置不同可能會造成測試結(jié)果的差異，差異存在就不再滿足單一變量原則，所得到的試驗(yàn)結(jié)果及結(jié)論就是錯誤的，為此試驗(yàn)驗(yàn)證電極布置位置的差異對所測電導(dǎo)率的影響規(guī)律。配置含水量w=10%，壓實(shí)度K=0.95、高度h=10 mm的土樣，分別按照如圖7所示的電極布置方式。由布置圖可以看出，電極C和D等效，電極B和E等效，故可以分為3種情況進(jìn)行電極布置測試，恒流源輸出電流選擇0.5 mA，電流輸入端和測試電壓端分別按BCDE接通、ACDE接通和ABDE接通。

同時測試了試驗(yàn)設(shè)備的時間效應(yīng)及穩(wěn)定性，測試時間分別為2013.9.8上午8：40、 2013.9.8下午14:40、2013.9.8晚上20:35、2013.9.9晚上21:40，如圖8所示。測試過程中試樣四周用凡士林密封，關(guān)閉電源保持土樣處于自然密封不通電狀態(tài)。

圖7 試驗(yàn)電極布置圖 圖8 測試系統(tǒng)時間效應(yīng)測試曲線

由圖8可以看出隨著測試電極位置及時間的改變，所測得的電阻率基本不變，在誤差范圍之內(nèi)。驗(yàn)證了所用測試設(shè)備的良好穩(wěn)定性及測試精度，時間效應(yīng)良好。

3.3 溶液濃度對土體電導(dǎo)率測試影響

本試驗(yàn)經(jīng)過對比分析，擬采用Na2SO4作為測試溶液溶質(zhì)。為了研究溶液濃度對于土體含水量測試精度的影響，分別配置0%、3%、5%、7%、9%、11%的Na2SO4溶液，用這些不同濃度的溶液分別配成含水量為10%壓實(shí)度為0.93的土樣。目的是得到對測試影響明顯的溶液濃度，以提高精度，為后續(xù)試驗(yàn)提供依據(jù)。

3.4 含水量-電阻率標(biāo)定試驗(yàn)

根據(jù)前面得到濃度標(biāo)定曲線本試驗(yàn)最終采用5%的Na2SO4溶液濃度。并以此溶液濃度配置含水量為5%、6%、8%、10%、12%、14%、16%、18%、20%，壓實(shí)度為0.93的土樣進(jìn)行試驗(yàn)，每類土樣配制3個做平行試驗(yàn)取平均值，建立電阻率與含水量的對應(yīng)關(guān)系。試驗(yàn)結(jié)果繪制成曲線如圖10所示。

圖9 濃度-電阻率標(biāo)定曲線 圖10 含水量-電阻率標(biāo)定試驗(yàn)

由圖10可以看出隨著含水量的增加，土樣的電阻率隨之減小，且減小的趨勢越來越平緩，最后基本不變。當(dāng)含水量小于12%時，隨著含水量的增大電阻率下降很快，原因是在含水量增大過程中離子濃度同時增大，導(dǎo)電能力增強(qiáng)，電阻率隨之減?。划?dāng)含水量達(dá)到20%時電阻率的變化值很小，這說明土樣已基本達(dá)到飽和，顆粒之間的連接通道完全被水分子所貫通，所以隨著含水量的繼續(xù)增大電阻率的值基本不變。得到標(biāo)定曲線的擬合公式為y=15.14x-2.02，相關(guān)系數(shù)為0.99。

4 結(jié)論與展望

試驗(yàn)結(jié)果表明本測試系統(tǒng)具有較好的穩(wěn)定性、可靠性及實(shí)用性，能夠?qū)κ┕がF(xiàn)場含水量的測定提供一種便捷、精確的方法。通過試驗(yàn)研究可得到如下結(jié)論：

(1)范德堡法不僅適用于金屬材料電阻率的測定而且完全適用于土木工程領(lǐng)域土壤電阻率的測定，并且具有良好的穩(wěn)定性和精度。

(2)洗土過程能夠很好的去除土壤中的雜質(zhì)離子，再配以一定濃度的Na2SO4溶液，總體上隨著濃度的增大土樣電阻率相對減小，且減小趨勢越來越平緩。

(3)當(dāng)土壤含水量在5%～12%之間時，土壤電阻率變化顯著，含水量繼續(xù)增大電阻率下降趨勢變緩，最后值基本不變其原因是土壤已經(jīng)達(dá)到飽和的緣故。

(4)其他影響因素對土壤電阻率的影響還沒進(jìn)一步的研究探討，只有把更多的影響因素考慮進(jìn)來，建立多參數(shù)的相互模型才能更加準(zhǔn)確的標(biāo)定出含水量與土壤電阻率的關(guān)系。

[1]王琦，李民贊，汪懋華.便攜式土壤電導(dǎo)率測試系統(tǒng)的開發(fā)[J].中國農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報, 2003, 8(4): 20-23.

[2]陳玲，李民贊，趙勇.便攜式土壤電導(dǎo)率測試儀改進(jìn)設(shè)計及試驗(yàn)[J].農(nóng)機(jī)化研究,2009,3(7):175-177.

[3]周密，王建國.土壤電阻率測量影響因素的試驗(yàn)研究[J]. 巖土力學(xué),2011,32 (11): 3269-3275.

[4]劉堯軍,黃祖光.電容法測定砂土含水量的試驗(yàn)研究[J].石家莊鐵道學(xué)院學(xué)報,2002,15(2): 10-12.

[5]吳月茹,王維真. TDR測定土壤含水量的標(biāo)定研究[J].冰川凍土,2009,31(2):262-267.

[6] Zbigniew Moron. Investigations of van eer pauw method applied for measuring electrical conductivity of electrolyte solutions[J]. Measurement,2003(33):281-290.

[7]鐵道部第一勘察設(shè)計院. TB10102—2010 鐵路工程土工試驗(yàn)規(guī)程[S].北京:中國鐵道出版社,2011.

[8]孫宇瑞.土壤含水率和鹽分對土壤電導(dǎo)率的影響[J]. 中國農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報,2000,5(4):39-41.

[9]Mojid M A,Cho H.Wetting solution and electricaleouble layer contributions to bulk electrical conduc-tivity of sand-clay mixtures[J].Vadose Zone Journal,2008,7( 3) : 972-980．

[10]Waxman M H,Smits L J M.Electrical conductivity inoil-bearing shaly sand [J].Society of Petroleum Engineers Journal,1968,8: 107-122．

[11]劉國華,王振宇,黃建平. 土的電阻率特性及其工程應(yīng)用研究[J].巖土工程學(xué)報,2004,26( 1) : 83-87.

(責(zé)任編輯 劉憲福)

Research on Resistivity Method for Rapid Determination ofWater Content of Triaxial Test Soil Sample

Yue Zurun1， Yang Zhihao2， Feng Huaiping1， Wang Sayi3

(1.Key Laboratory of Roads and Railway Engineering Safety Control of Ministry of Education，Shijiazhuang Tiedao University,Shijiazhuang 050043,China;2.School of Civil Engineering，Shijiazhuang Tiedao University，Shijiazhuang 050043，China；3.Sifang College, Shijiazhuang Tiedao University, Shijiazhuang 051132, China)

In this paper, the subgrade soil defects of shuohuang railway is taken as an example. By using Van der Pauw method, the changing regulation of soil resistivity with the soil salt and water content variation is analyzed through the moisture gage developed by us and the testing system is verified. The experimental results indicate that the testing system has favorable stability and repetition within the permission scope. With the advantages of simple operation, fast response and high sensitivity, this method can be widely applied on construction site for moisture content determination.

van der pauw; water content; resistivity

10.13319/j.cnki.sjztddxxbzrb.2014.03.09

2014-03-19

岳祖潤 男 1962年出生 教授

U215.2

A

2095-0373(2014)03-0042-05