一种电阻率法测定原位土石混合料孔隙率的装置及方法

技术领域

本发明涉及土工试验技术领域，具体为一种电阻率法测定原位土石混合料孔隙率的装置及方法。

背景技术

为充分利用我国西部地区丰富的水能资源，一些高库大坝正在建设中，土石坝这一坝型凭借其就地取材、施工快速便捷、地基适应性好等优点被广泛采用。修建土石坝过程中必然采用开挖山体得到的土石混合料，土石混合料是由土和石组成的松散体，其碾压后的密实程度直接关系到大坝的强度与稳定，工程上常以土石混合料的孔隙率作为压实标准的设计指标，因此，原位土石混合料孔隙率快速准确的确定具有重要意义。

根据《碾压式土石坝施工规范》(DL_T5129-2016)。原位孔隙率测量常采用灌水法测密度试验，即在碾压后的土石混合料土层上开挖试坑，通过测量注入试坑中水的体积推得挖出的土石混合料的体积，再根据称得的土石混合料质量求得密度，之后通过公式换算得到孔隙率。

早在1942年，Archie就指出土体土体的电阻率与密实程度相关，所谓土料的电阻率是指电流垂直通过边长为1m的立方体土时所呈现的电阻，单位为Ω·m，是表征土导电性的基本参数，是土的固有物性参数之一。Keller与 Frischknecht于1966年提出了非饱和无粘性土地电阻率方程：

ρ＝αρ

式中：ρ为土体的电阻率；α为土性参数；ρ

现场进行灌水法测密度操作复杂，在碾压后的粗粒土土层上开挖试坑费时费力，此外用肉眼观察注入试坑水位高度常常出现偏差，影响土石混合料孔隙率测量的准确性。因此，设计出一种操作简单快速，避免在碾压后坚实的粗粒土土层上开挖试坑，土石混合料孔隙率测量精度高的原位试验装置及方法，具有显著的现实意义和工程价值。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供了一种电阻率法测定原位土石混合料孔隙率的装置及方法，解决了上述背景技术中提出解决现场灌水法测密度操作复杂，费时费力，测量精度低的问题。

为实现以上目的，本发明通过以下技术方案予以实现：一种电阻率法测定原位土石混合料孔隙率的装置及方法，包括土工织物，所述土工织物上涂覆有聚氯乙烯绝缘涂料，所述聚氯乙烯绝缘涂料上设有电极，且电极内设有 GPS定位点，所述电极引出有电导线，且电导线远离电极的一端设有阻抗仪。

可选的，所述电极可设置于圆筒上下侧的聚氯乙烯涂层上，形状为圆形的导电材料。

可选的，所述圆筒是厚度不小于5mm的铁制空心筒，圆筒内壁涂有聚氯乙烯绝缘材料。

可选的，所述圆筒的端部设有上盖，所述圆筒的上盖直径比圆筒直径小 4～6mm，可以沿筒壁上下移动。

可选的，所述电导线可由圆筒上下侧的电极处引出，外包有橡胶绝缘体。

可选的，所述电阻率法测定原位土石混合料孔隙率的方法，包括以下步骤：

S1、在碾压前松散的粗粒土土体上挖一个直径和圆筒大致相当的试坑，将圆筒预埋到试坑中，再往圆筒中回填一些土石混合料，盖上圆筒上顶盖，继续往上顶盖上回填一些土石混合料，使电导线和供水管露出地面。

S2、按照实际工程相应的填筑标准进行碾压，圆筒被压入粗粒土层中，将露出地面的电导线与电阻率测定仪相连，将供水管与进水管相接。

S3、利用进水管向圆筒中注水至圆筒中土石混合料饱和，用电阻率测定仪分别测定饱和土石混合料试样电阻率和注入圆筒中水的电率，由此换算得土石混合料孔隙率。

可选的，所述电阻率法测定原位土石混合料孔隙率的方法，包括以下步骤：

步骤一：在碾压前松散的土体上挖一个试坑，将柔性土工织物预埋到试坑中，再往土工织物上回填一些土石混合料，使土工织物外边缘露出地面，土工织物中心置有电极，电极处有导线相连，导线也需露出地面，便于找寻。

步骤二：按照实际工程相应的压实标准进行碾压，土工织物被压入土层中，土工织物外边缘露出地面。碾压完成后，利用GPS定位仪找寻碾压后仓面上电极中心点的正上方位置，测得埋深值。放置一相同的土工织物，使其中心点位于前述土工织物中心点正上方。

步骤三：将两块土工织物上电极处的导线与阻抗仪相接，计算电阻率。

步骤四：测量结束后，取出部分土工织物上的土石混合料，测量含水率，换算土层的孔隙率。

所述步骤1中，柔性土工织物为边长1m的方形，土工织物上涂有绝缘材料聚氯乙烯，形状为圆形的电极置于绝缘材料上，电导线从电极引出，外包有橡胶绝缘体，土工织物中心置有一个GPS定位点，用于测定碾压后土工织物上电极的埋深。

可选的，所述电阻率的计算公式：

式中：ρ为土壤电阻率；U为电压；S为电极面积；I为电流；L为电极间距，即电极埋深。

可选的，所述孔隙率的计算公式：

式中：n为土石混合料孔隙率；ρ为土体的电阻率；α为土性参数；ρ

本发明提供了一种电阻率法测定原位土石混合料孔隙率的装置及方法，具备以下有益效果：

1、该电阻率法测定原位土石混合料孔隙率的装置中，在施工现场可以快速进行土石混合料孔隙率测量，操作简单，避免了在现场碾压后坚实的土层中开挖试坑。

2、该电阻率法测定原位土石混合料孔隙率的装置中，减小了人为读数误差。

附图说明

图1为本发明土工织物的俯视结构示意图；

图2为本发明土工织物的布置结构示意图；

图3为本发明圆筒的结构示意图。

图中：1、土工织物；2、聚氯乙烯绝缘涂料；3、电极；4、GPS定位点； 5、电导线；6、阻抗仪；7、圆筒；8、进水管；9、上盖。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。

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；术语“上”、“下”、“左”、“右”、“内”、“外”、“前端”、“后端”、“头部”、“尾部”等指示的方位或位置关系为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”、“第三”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

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“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。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

实施案例一

请参阅图1至图2，本发明提供一种技术方案：一种电阻率法测定原位土石混合料孔隙率的装置及方法，包括土工织物1，土工织物1上涂覆有聚氯乙烯绝缘涂料2，聚氯乙烯绝缘涂料2上设有电极3，且电极3内设有GPS定位点4，电极3引出有电导线5，且电导线5远离电极3的一端设有阻抗仪6。

电阻率法测定原位土石混合料孔隙率的方法，包括以下步骤：

步骤一：在碾压前松散的土体上挖一个试坑，将柔性土工织物1预埋到试坑中，再往土工织物1上回填一些土石混合料，使土工织物1外边缘露出地面，土工织物1中心置有电极3，电极3处有导线相连，导线也需露出地面，便于找寻。

步骤二：按照实际工程相应的压实标准进行碾压，土工织物1被压入土层中，土工织物1外边缘露出地面。碾压完成后，利用GPS定位仪找寻碾压后仓面上电极3中心点的正上方位置，测得埋深值。放置一相同的土工织物1，使其中心点位于前述土工织物1中心点正上方。

步骤三：将两块土工织物1上电极3处的导线与阻抗仪6相接，计算电阻率。

步骤四：测量结束后，取出部分土工织物1上的土石混合料，测量含水率，换算土层的孔隙率。

步骤1中，柔性土工织物1为边长1m的方形，土工织物1上涂有绝缘材料聚氯乙烯，形状为圆形的电极3置于绝缘材料上，电导线5从电极3引出，外包有橡胶绝缘体，土工织物1中心置有一个GPS定位点4，用于测定碾压后土工织物1上电极3的埋深。

本发明中：电阻率的计算公式：

式中：ρ为土壤电阻率；U为电压；S为电极3面积；I为电流；L为电极3间距，即电极3埋深。

本发明中：孔隙率的计算公式：

式中：n为土石混合料孔隙率；ρ为土体的电阻率；α为土性参数；ρ

实施案例二

请参阅图3，本发明中：电极3可设置于圆筒7上下侧的聚氯乙烯涂层上，形状为圆形的导电材料。

本发明中：圆筒7是厚度不小于5mm的铁制空心筒，圆筒7内壁涂有聚氯乙烯绝缘材料。

本发明中：圆筒7的端部设有上盖9，圆筒7的上盖9直径比圆筒7直径小4～6mm，可以沿筒壁上下移动。

本发明中：电导线5可由圆筒7上下侧的电极3处引出，外包有橡胶绝缘体。

本发明中：电阻率法测定原位土石混合料孔隙率的方法，包括以下步骤：

S1、在碾压前松散的粗粒土土体上挖一个直径和圆筒7大致相当的试坑，将圆筒7预埋到试坑中，再往圆筒7中回填一些土石混合料，盖上圆筒7上顶盖，继续往上顶盖上回填一些土石混合料，使电导线5和供水管露出地面。

S2、按照实际工程相应的填筑标准进行碾压，圆筒7被压入粗粒土层中，将露出地面的电导线5与电阻率测定仪相连，将供水管与进水管8相接。

S3、利用进水管8向圆筒7中注水至圆筒7中土石混合料饱和，用电阻率测定仪分别测定饱和土石混合料试样电阻率和注入圆筒7中水的电率，由此换算得土石混合料孔隙率。

以上，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。