50Hz低頻下交流電阻率變化特性分析

金夢

摘 要：采用伏安法對50Hz低頻交流電下的土體電阻率進行測量，測試結果數據表明電阻率的值與溫度，含水率，干密度有關，隨著溫度變化變大，而負溫情況下電阻率隨含水率先減小后增加，隨著干密度增加線性減小。

關鍵詞：電阻率；干密度；溫度；含水率

中圖分類號：TU411.2 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2018）15-0052-02

Abstract： The resistivity of soil under low frequency alternating current of 50Hz is measured by voltammetry. The results show that the resistivity is related to temperature， water content and dry density， and increases with the change of temperature. Under negative temperature， the resistivity decreases first and then increases with water content， and decreases linearly with the increase of dry density.

Keywords： resistivity； dry density； temperature； moisture content

1 概述

土體是多空隙復雜介質，對于這種物質，內部性質在不同位置處有不同的表現，要對土體的性質進行全方面的考察檢驗往往很麻煩，尤其在室外施工現場等地，常規的探測方法就是鉆探與坑探，但是這些方法首先取點離散，其次會對土體造成損傷，因此越來越多的無損檢測在巖土工程領域得到發展，目前在各種類型的土中應用都較為廣泛，例如：黃土、膨脹土、分散土、凍土、鹽漬土等[1-5]。本文就哈爾濱附近某處深層的黃土進行電阻率試驗。

2 試驗方法及儀器選定

根據電阻率測試的原理以及應用電路不同主要有電橋法和伏安法。電橋法的測試理念是通過調節內部可變電阻的值，達到電橋臂平衡，使檢驗電流為零，核心在于調節，其優點是比較準確；伏安法是利用歐姆定律，通過計算得到實際電阻值，但是交流下會有電容電感效應，并且大小與頻率有關，因此高頻交流電下結果可能失真，但是由于伏安法操作簡便，儀器價格低廉，且本實驗選定的激勵源為50Hz較小，故本實驗選擇用伏安法。

根據電極的數量可以二極法和四極法，這兩種方法最大的區別就在于接觸電阻的大小，二極法有接觸電阻的影響但是操作方便，而四極法雖然比較精確，但是對土的擾動大，尤其本試驗會涉及負溫下的電阻率測量，四極法一方面很難插入凍土中，另一方面對凍土擾動很大，反會使數值失真，因此綜上采用二極法進行測量，但是為了盡量減小接觸電阻的擾動，兩端必須采取相應的處理，本試驗采用導電膠降低接觸電阻。

其余的試驗儀器還有恒溫箱，導線，50Hz變壓器，根據米勒盒改裝的測試盒（自帶伸縮功能，可以適應凍土凍脹后長度變化），銅板，萬用表，導電膠等。

3 試驗步驟

首先對采取的土樣進行風干，并進行基本的試驗檢測，主要得出了下面一些基本指標值，詳細數值見下表1：

根據表2因素與水平做出相應的土壤試件，該試件采用了三軸試驗中的模具，制做出相應的土件。并將土壤試件連接到電流中去進行測量，并記錄數據。

4 試驗數據分析

4.1 50Hz下溫度與電阻率的關系

將電阻率數據取自然對數，并繪制隨溫度變化的曲線，見圖1，由圖1可以看出：隨著溫度降低，曲線整體是向下發展的，也即隨著溫度的降低，電阻率對數值都是逐漸增加的；曲線由曲率變化形態大致分為兩大部分，第一部分變化較快，曲線形態較陡，第二部分曲線變化較慢，形態較緩。這是因為溫度變低的過程液體的粘滯程度在增加，土中水的活動度在減小，所以導電性能減弱，當負溫時土中水結冰，導致電阻率驟增，所以正溫段的電阻率上升程度低于負溫段。

4.2 50Hz下含水率與電阻率的關系

根據電阻率的數據繪制了電阻率與含水率的關系曲線，見下圖2。由圖可知在溫度較低時，-10℃和-17℃時隨著含水率的增加電阻率出現轉折點，該轉折點位于14%左右，在這個含水率之前，隨著含水率的增加電阻率降低，而在這個含水率之后，隨著含水率增加，電阻率又開始增加。

4.3 50Hz下電阻率與干密度的關系

根據電阻率的實測數據繪制了電阻率與干密度之間的關系曲線，見下圖3。由圖可見，隨著干密度的增加，電阻率呈現線性遞減的變化趨勢，根據其中兩條代表性條曲線進行擬合，見表3。產生這種情況的原因是因為當干密度增加時土顆粒之間接觸更緊密，并且負溫下干密度的增加會使土水勢增加，因此導電性更強。

5 結束語

50Hz下電阻率值隨著溫度的降低而增大；負溫時隨著含水率的增加電阻率數值先增加后減小；隨著干密度的增加電阻率線性降低。

參考文獻：

[1]徐凝睿.分散性土的電阻率特性研究[D].西北農林科技大學，2017.

[2]楊更社，高宇 ，田俊峰，等.凍融循環對黃土電阻率及水分遷移影響的試驗研究[J].科學技術與工程，2016，16（35）：267-272.

[3]肖繼濤，柳瑤，胡照廣，等.三種典型凍土的電阻率特性對比分析[J].森林工程，2015，31（6）：116-121.

[4]韓立華，劉松玉，杜延軍.溫度對污染土電阻率影響的試驗研究[J].巖土力學，2007，28（6）：1151-1155.

[5]劉松玉，儲亞，徐磊，等.一種用電阻率進行膨脹土膨脹性能現場評價的方法[P].CN106680330A，2017.