申纪伟(1987-), 男, 主要从事环境岩土监测研究, E-mail:
Shen Jiwei (1987-), main research interest: environmental geotechnical monitoring research, E-mail:
Mao Haitao(corresponding author), professor, PhD, E-mail:
电阻率法在土壤测试的精确性方面存在较多不足,而电极是影响精度的重要原因,尤其是二极法测试。若能确定电极与土壤的接触程度,以及两电极间距离对测试结果的影响,将可最大化避免电极的干扰。基于二极法电阻率测试方法,选用锌污染标准砂作为模拟土壤,以测试交流电阻率为例,设置不同接触程度与不同电极间距两种工况,并结合COMSOL软件仿真分析,研究电极布置对电阻率测试的影响,并建立分析模型与误差计算式。研究结果表明:试验与模拟分析可相互验证和补充。接触程度越大,越有利于电阻率测试,随接触程度增大对测试电阻率的影响逐渐减弱;电极间距越大,对测试电阻率的影响越弱,细长型试样更有益于提高测试精度。导电模型分为正常段与受电极影响的过渡段串联,同时,径向电流密度可较好表征出各段的长度和极化情况。过渡段长度和极化随接触程度的增大而减小,与电极间距无关,通过电极布置模型可拟合不同电极间距的测试结果,得出正常电阻率。
There were many deficiencies in the accuracy of soil resistivity test technology, and electrode arrangement is an important reason, especially in two-electrode method. If the contact between electrode and soil and the distance of two electrodes can be controlled, electrode influences will be avoided to the greatest extent. Therefore, based on two-electrode test model, zinc-contaminated sand was selected as simulated soil to test its AC resistivity. Electrode arrangement conditions of contact degree and electrode distance were set up, and the influences of them on resistivity measurement were studied combining with COMSOL simulation. The influences of electrode arrangement on resistivity test were studied, and an analytical model and error calculation formulas were established. The results show that test and simulation can verify and supplement each other. The greater contact degree, the more favorable resistivity test, and the influence of contact on resistivity test gradually decreases as it increases. The greater electrode distance, the weaker effect on resistivity test and the slender sample is more beneficial for improving the test accuracy. Conductive model is divided into two transition segments and normal segments in series based on whether it is affected by polarization. The length and polarization of each segment are characterized by radial current density, which decreases with the increase of contact, but slightly affected by electrode distance. Normal resistivity can be obtained by fitting the testing results under different electrode distances using the electrode arrangement model.
电阻率测试技术具有快速、无损、全面、经济等诸多优势[
二极法中存在电极与试样间的接触问题,同时无法避免电极极化的影响[
然而,多数电阻率测试仅在试验操作上尽可能增加接触面积和降低极化程度,鲜有在电极布置方面对该问题进行系统讨论、分析和量化。前期研究表明,电极与试样间的接触不完全,从而导致电流在试样端部存在严重的极化现象,这也是电极影响电阻率测试结果的主要因素。因此,在考虑电极极化方面,基于二极法土壤电阻率测试模型,以模拟土壤交流电阻率为例,经室内测试试验与仿真分析,探讨电极布置中存在的接触程度与电极间距两个主要因素对电阻率测试结果的影响,建立受电极影响的分析模型和误差计算式,在电极布置形式方面为电阻率测试装置减小和量化测试误差提供合理建议。
试验电阻率测试装置如
电阻率测试装置图
Device diagram for resistivity test
试验材料选用中国ISO标准砂,并经去离子水充分洗涤后烘干,以除去砂粒表面的可溶性离子。此外,为使试样具有一定的导电性,与土壤电阻率相接近,同时,综合考虑锌离子为土壤中最常见的污染离子之一,锌元素的活性高于铜元素,不与铜电极发生反应,硝酸锌易溶于水等因素,在级配均匀的标准砂中,配入一定量的硝酸锌溶液,以利于试验的测试。试验前,将配置好的硝酸锌溶液与处理过的标准砂均匀拌和,放入塑料盒中静置备用,此时,砂中锌离子含量为1 000 mg/kg,含水量为3%。
在电阻率测试中,含水量是影响测试结果的最主要因素[
电极布置设置方面,通过改变圆形电极的直径来模拟电极与试样的接触程度,共设置了直径
试验参数取值表
Values of experiment parameters
试样性质参数 | 电极布置参数 | |||||
含水量 |
孔隙率 |
锌含量 |
电极间距 |
电极直径 |
接触程度 |
|
3、6、9、16 | 0.38 | 1 000 | 0.5、1.0、1.5、2.5 | 20、30、40、50 | 12.5、28.1、49.9、78.0 |
电阻率测试主要采用型号为TH2828A的LCR数字电桥测试电阻,如
交流电阻测试图
Test pictures of AC resistance
式中:
将砂试样配置一定量的蒸馏水,用玻璃棒拌和均匀,静置3 h,使水气分布均匀。
选择一组等高的PVC绝缘筒,底部分别放入直径为20、30、40、50 mm并涂有导电胶的电极片,再将拌和均匀的砂试样装入筒中,顶部装满后轻轻按压,并称量装入后的质量,控制好砂的密实度。装好后为防止表面水分蒸发,采用玻璃片覆盖在顶部。
选择与筒底大小相同的电极片,涂导电胶后,放在试样的顶部,并施加一定的压力保证接触。用导线将两电极片与数字电桥连通,读取频率为50 Hz时试样的交流电阻。
分别改变砂试样含水量和PVC绝缘筒的高度,重复上述试验步骤,完成全部测试,整个测试过程中,室温在20±2 ℃范围内[
在有关电阻率测试的研究中,测试常为原状土样、混凝土、岩石等表面较硬的试样,而测试电极往往为铜质或不锈钢,所以,电极与试样的接触程度成为影响结果的重要因素之一。
测试电阻率与接触程度的关系曲线
Curves of test resistivity and contact degree
当电极与试样接触不足,试样端部的电流通路就会发生由少增多的现象。端部电极接触面越小,则开始形成的电流通路越少,所表现出的电阻能力也就越大。接触程度小于49.9%时,电流通路经少变多的过程较长,测试电阻率也受其影响较大,超过49.9%后,电流通路形成过程相对较快,测试电阻率受其影响逐渐减小。
电阻率测试研究中,通常需要设置合适的试样长度,试样长度及对应的电极间距也会对测试结果有影响。
测试电阻率与电极间距的关系曲线
Curves of test resistivity and electrode distance
测试中,电极两端极化导致测试电阻增大是测试电阻率增大的主要原因,而随着试样长度的增加,中间部分的比例逐渐加大,从而随着电极间距的增加,测试电阻率减小。由此看出,试样越长,测试越接近真实电阻率。然而,实际操作中,试样长度的增加,在取样、加工等方面存在不足,如岩芯断裂、混凝土裂纹、原状土样均匀性差异大等。因此,二极法电阻率测试中,电极间距选取应综合考虑上述两个方面。
二极法电阻率之所以受接触程度和电极间距的影响,是因为试样两端存在电极极化现象,若将电极的极化区域和程度划分出来,则有助于进一步对测试偏差进行分析。COMSOL是一个多物理场模拟软件,在多物理场耦合方面有优势,其在导电分析上能够较好的仿真、计算和分析。
模型采用三维建模,如
仿真模型示意图
Schematic diagram of simulation model
经仿真计算,某一时刻电势和电流密度情况如
为区分极化现象和正常导电过程,可将两端存在极化的导电过程划分为过渡段。因两端电极布置情况相同,测试信号为交流信号,所以两个过渡段参数一致。如
电流密度垂直于等势面,在过渡段中从一端极化分出,正常段平行于模拟试样轴线,在另一过渡段极化聚拢。受极化影响,过渡段中电流密度紊乱、复杂,正常段大小和方向较为一致。通过数据分析发现:在区分正常段与过渡段上,选择垂直于模拟试样轴线方向的径向电流密度表征最为合适。
为探讨接触程度与过渡段长度、电极极化的关系,
不同接触程度下径向电流密度曲线
Curves of radial current density under different contact degrees
由
不同接触程度下过渡段长度及极化程度表
Transition length and polarization under different contact degrees
接触程度/% | 范围/mm(长度/mm) | 径向电流密度数字平均值/ (10-5 A·m2) | |||||
下端过渡段 | 正常段 | 上端过渡段 | 下端过渡段 | 正常段 | 上端过渡段 | ||
12.5 | -56~-22.78(33.22) | -22.78~22.69(45.47) | 22.69~56(33.32) | 6.180 | 0.237 0 | 6.430 | |
28.1 | -56~-26.85(29.15) | -26.85~24.84(51.69) | 24.84~56(31.17) | 3.250 | 0.179 0 | 2.830 | |
49.9 | -56~-33.90(22.10) | -33.90~33.77(67.67) | 33.77~56(22.23) | 0.592 | 0.171 0 | 0.714 | |
78.0 | 忽略过渡段 | 0.014 1 |
由
为进一步探讨过渡段长度和电极极化是否受电极间距的影响,
不同电极间距下径向电流密度曲线
Curves of radial current density under different electrode distances
不同电极间距下过渡段长度及极化程度表
Transition length and polarization under different electrode distances
电极间距/ |
范围/mm(长度/mm) | 径向电流密度数字平均值/ (10-5 A·m2) | |||||
下端过渡段 | 正常段 | 上端过渡段 | 下端过渡段 | 正常段 | 上端过渡段 | ||
1.0 | 无正常段,均受极化影响 | 1.96 | 1.87 | ||||
1.5 | -42~-12.52(29.48) | -12.52~13.66(26.18) | 13.66~42(28.34) | 2.53 | 0.325 | 1.90 | |
2.0 | -56~-26.85(29.15) | -26.85~24.84(51.69) | 24.84~56(31.17) | 3.20 | 0.179 | 2.83 | |
2.5 | -70~-40.19(29.82) | -40.19~39.19(79.38) | 39.19~70(30.81) | 3.01 | 0.131 | 1.96 | |
3.0 | -84~-55.10(28.90) | -55.10~55.12(110.22) | 55.12~84(28.88) | 3.06 | 0.115 | 2.30 |
在径向电流密度数字平均值表现极化程度方面,
综上,在电极接触程度相同时,电极间距的变化对两端过渡段长度和极化程度的影响较小。这也说明极化现象仅与接触程度有关,与电极间距无关。
上述分析中,同一接触程度的模拟试样中,过渡段长度和极化程度基本相同,且受电极间距的影响较小。这与试验及模拟中的对称性假设一致,也就是说,两端相同接触情况下,过渡段长度、极化程度及过渡段电阻可看作是相同的。根据
式(2)结合测试电阻率式(1),得式(3)。
设正常段电阻率为
联立式(3)~式(5),得式(6)。
结合
式(7)建立了测试电阻率与正常电阻率、过渡段平均电阻率以及电极间距(试样长度)、过渡段长度的关系式。值得关注的是:模拟分析中,接触程度一致时,电极间距几乎不影响过渡段平均电阻率及长度。因此,在接触程度一定时,式(7)中测试电阻率仅受电极间距的影响。此时,设参数
式(8)建立了电极布置分析模型,在接触程度一定时,
电极布置分析模型拟合曲线
Fitting curve of electrode arrangement analysis model
电极布置分析模型拟合结果
Fitting results of electrode arrangement analysis model
含水量/% | 接触程度/% | 参数 |
正常电阻率/ |
相关性指数 |
3 | 12.5 | 28.04 | 255.6 | 0.95 |
28.1 | 21.56 | 243.4 | 0.91 | |
49.9 | 9.89 | 261.1 | 0.97 | |
78.0 | 8.05 | 258.1 | 0.98 | |
6 | 12.5 | 20.40 | 112.9 | 1.00 |
28.1 | 13.62 | 121.7 | 0.99 | |
49.9 | 8.04 | 125.5 | 0.97 | |
78.0 | 6.09 | 129.8 | 0.92 | |
9 | 12.5 | 12.51 | 92.8 | 0.98 |
28.1 | 5.21 | 116.2 | 0.88 | |
49.9 | 2.34 | 111.2 | 0.70 | |
78.0 | 2.51 | 100.2 | 0.62 | |
12 | 12.5 | 8.41 | 64.2 | 0.93 |
28.1 | 4.84 | 70.4 | 0.94 | |
49.9 | 1.98 | 72.3 | 0.63 | |
78.0 | 1.07 | 73.2 | 0.64 |
根据
在测试结果的精确性评价方面,可选择绝对误差
综上所述,在接触程度一定的情况下,参数
在二极法电阻率测试中,电极布置情况在电极接触程度与极化现象对测试结果产生影响,在实际测试过程中,影响电阻率测试的因素是多方面的,测试分析中还需结合其他方面综合考虑。此外,提高精度通常需花费更多的时间、经济成本,这往往与电阻率测试技术快速、全面等优点是相悖的。从本例的角度出发,以下几点还需进一步思考:
1) 模拟土壤试样主要是由粘附在砂粒表面的孔隙水溶液导电,因而真实的电流通路曲折复杂,随砂粒大小、分布、级配等不同而不同,接触程度和极化现象也会受到一定的影响。如砂粒较大时,接触程度往往较低,电流在砂粒表面的孔隙水溶液中流通,极化也发生在砂粒表面的孔隙水溶液中。砂颗粒的分布、级配也会影响孔隙水溶液的分布,形成不同的网状导电结构,电极极化的规律性将减弱。若在土壤测试中,除考虑孔隙水溶液外,土颗粒间的导电也是不能忽视的,存在固、液和固液联合导电的情况[
2) 电极与土壤接触方面也存在较多因素,如土壤含水量、电极接触压力、电极接触方式等。此外,土体温湿状况,测试设备等影响因素也应注意统一和规避。土壤含水量越大,越有利于电极的接触。电极与土样接触一般需要施加一定的压力,在压力增大的过程中,测试电阻也会逐渐减小,可看作为接触程度提高的过程。电极接触方式方面,二极法通常采用电极片放置试样端的方法测试,四极法采用探针插入试样,而探针的周围也会发生极化现象[
3) 数据分析方面,试验研究数据较少,仿真分析也是在试验的基础上建立,因此,存在一定的局限性。试验分析指出大于49.9%时的接触程度对测试电阻率影响减弱,还有待进一步给出电极最低接触程度,以利于带孔或网状不锈钢电极的布置。模拟分析中通过电流密度得出接触程度超过78%时,极化影响几乎可忽略,这里也有待于找出可忽略极化影响的最低接触程度。考虑电极间距时,试验分析指出1.5倍试样直径的电极间距可作为影响测试电阻率大小的分界点。同时,模拟分析显示电极间距小于两倍过渡段长度时,整个试样均受极化影响,对测试电阻率的影响较大。根据这一原因,结合过渡段长度可得出接触程度分别为12.5%、28.1%、49.9%时,电极间距分界点为1.19、1.08、0.79倍的试样直径。若接触程度进一步提高,则分界点也会进一步减小,因此,合适的电极间距也受到接触程度的影响。
4) 模型分析方面,单独划分了受极化影响的过渡段,针对接触程度提出了包含过渡段长度和过渡段平均电阻率的参数
基于土壤电阻率二极法测试原理,以测试含有锌离子污染砂的交流电阻为例,通过室内试验与模拟仿真,系统分析了电极布置的两个方面对测试电阻率的影响。结论如下:
1) 接触程度越大越有利于电阻率测试,接触程度对测试电阻率的影响随其增大而逐渐减弱;电极间距的增大对测试电阻率的影响逐渐减弱,细长型试样更有益于提高测试精度。
2) 导电模型可划分为正常段与两端过渡段串联,径向电流密度可较好表征出各段的长度和极化情况。接触程度越大过渡段长度越小,接触程度较大时,极化影响很小可忽略。
3) 试样两端过渡段长度和极化程度仅与接触程度有关,与电极间距无关。电极间距小于两倍过渡段长度时,试样均受极化的影响。试验与模拟分析可相互验证和补充。
4) 建立了电极布置对测试电阻率影响的分析模型以及误差计算式,参数
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