适用于膨胀性地基土的含电阻率测定的静力触探探头的制作方法

本发明涉及一种适用于膨胀性地基土的含电阻率测定的静力触探探头，属于岩土工程领域中一种静力触探装置。

背景技术：

静力触探技术是一种岩土工程勘察测试技术，是指利用压力装置将带有触探头的触探杆压入试验土层，通过量测系统测试土的锥尖阻力、侧壁摩阻力等，可确定土的某些基本物理力学特性，如土的变形模量、土的容许承载力等。但是在电阻率、含水率、特殊土膨胀特性等方面尚不能通过静力触探方式测得。

膨胀性土是一种特殊粘性土，土体内含有大量的亲水矿物，湿度变化时有较大体积变化，变形受约束时产生较大内应力的岩土。膨胀土自身结构决定了它又具有裂隙性和超固结性，国内外的大量工程建设经常遇到膨胀土胀缩破坏，导致路基、房屋被毁，造成大量的经济损失，美国每年因膨胀土而造成的经济损失大每年23亿美元。中国每年因膨胀土造成的各类工程建筑物破坏的损失也在数亿元以上。膨胀土对工程建设的危害往往具多发性、反复性和长期潜在性。早在上世纪三十年代，有的学者从黏土地基变形破坏和边坡失稳事故的分析中，对膨胀土的特殊性就有了认识，遗憾的是这些问题并未引起研究者们的足够重视，直到上世纪六十年代，随着大规模经济建设的开展，膨胀土问题日渐突出，膨胀土问题受到广泛重视而迅速发展。到目前为止，已召开过七届国际膨胀土研究与工程会议和三届国际非饱和土研究与工程会议，许多国家(包括美、英、苏、日、罗、葡)都制定了膨胀土地区建设的规范文件。我国在1978年制定了《膨胀土地区建筑技术规定》，并于1980年颁布了《铁路路基裂土工程技术暂行规定》等。国内外学者对膨胀土开展了大量的研究。然而虽经半个多世纪，但至今在各国的工程建设中膨胀土引起的工程问题仍十分严重。

因此评价这些场地的膨胀特征及其演化、发展规律，并采取相应的工程技术处置膨胀土地基，使其达到再开发利用和耐久的功能，是我国现代化城市建设面临的一个新的重大课题。膨胀土的自由膨胀率试验通常较为麻烦，无法快速的得出相应膨胀土的膨胀率，且变异性较大，同一土样不同研究者往往会得出不同结论。膨胀程度的定量评价需要获得某些土层与地下水的特定参数，这些是地面物探方法难以准确得到的。而带有特定传感器的静力触探技术毫无疑问是最好的选择。前期研究发现，电阻率对于土体内部的结构有显著的敏感度，且土壤中的黏土矿物晶层结构的变化可能影响黏性土的电化学特性、导电性能等。研究揭示，土壤的导电性能能够表征其内部的土体结构、工程特性。土样导电性与粘性颗粒含量、液限含水率相关性较好，而粘粒含量的多少以及液限大小，可以一定程度上反应膨胀土膨胀性能的强弱。因此，土样的电阻率可以作为表征土样膨胀性能的指标。同时，土体的膨胀特性为状态参数，与土体本身状态相关（如含水率状态）。通过带有特定传感器的静力触探技术测定土体中电阻率与含水率，并依此建立电阻率、含水率与自由膨胀率的相关关系实现对膨胀土膨胀等级的划分。

技术实现要素：

发明目的：针对现有技术的上述不足，提出一种适用于膨胀性地基土的含电阻率测定的静力触探探头，能够在施工现场取得膨胀岩土样本的电阻率。

技术方案：一种适用于膨胀性地基土的含电阻率测定的静力触探探头，在静力触探探头的上半段杆体的外周包有四个环形电极，环形电极之间通过绝缘层隔离，中间两个环形电极为测试电极，上下两个环形电极为发射电极，所述发射电极用于向土体发射电流，所述测试电极用于测量电位差。

进一步的，以垂直杆体并通过两个所述测试电极之间中点的平面为对称面，两个所述发射电极关于所述对称面对称设置，所述发射电极到所述对称面之间的距离a与所述测试电极到所述对称面距离b的比值为1.5~3:1，四个环形电极的宽度均小于所述测试电极到所述对称面距离b。

进一步的，所述杆体上还设有电热调节器，所述电热调节器位于环形电极下方。

进一步的，所述杆体内还设有前置放大器和模数转换器，所述测试电极的输出依次与所述前置放大器和模数转换器级联。

进一步的，在该探头下半段自上至下顺序设有侧壁摩擦筒、孔压过滤环、圆锥状探头；在摩擦筒的中间设有孔隙水压力传感器，在侧壁摩擦筒的内侧面上布设有侧壁摩阻力压力传感器，在所述锥状探头上布设有锥尖阻力压力传感器，所述孔压过滤环位于侧壁摩擦筒与圆锥状探头的连接处。

进一步的，所述圆锥探头的锥角为60°，锥底截面积为10cm²，侧壁摩擦筒表面积150cm²，所述孔压过滤环厚度5mm。

有益效果：本发明的静力触探探头，根据探头上的两个发射电极向土体发射电流，电流产生等位线分布，通过两个测试电极同步、连续地测量两电极间的电压变化，结合根据欧姆定律可以计算电极周围土体的电阻率大小。通过电阻率与膨胀性土自由膨胀率的关系，根据得到的土体电阻率大小，可以计算出土体的含水率的数值，消除含水率的影响得出膨胀性土的膨胀特性。

附图说明

图1是本发明静力触探探头的结构示意图；

图2是本发明的四个环形电极分布示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做更进一步的解释。

本发的一种适用于膨胀性地基土的含电阻率测定的静力触探探头，能够用于现场测试膨胀性场地的电阻率及含水率数值，在目前国内外有关膨胀土判别分类方法的基础上，标定分析膨胀性场地的膨胀特性，从而实现现场快速鉴定。

该探头集成了常规孔压静力触探的功能，可测端阻、摩阻、倾斜和孔压，还具有土电阻率测试功能。如图1所示，在静力触探探头的中央设有同轴电缆1，在上半段杆体的外周包有四个环形电极，环形电极之间通过绝缘层6隔离，中间两个环形电极为测试电极5，上下两个环形电极为发射电极4，发射电极4用于向土体发射电流，电流产生等位线分布，测试电极5用于测量电位差。以垂直杆体并通过两个测试电极5之间中点的平面为对称面，两个发射电极4关于对称面对称设置，发射电极4到对称面之间的距离a与测试电极5到对称面距离b的比值为1.5~3:1，四个环形电极的宽度均小于测试电极5到对称面距离b。位于环形电极下方的杆体上设有电热调节器13。杆体内还设有前置放大器3和模数转换器2，测试电极5的输出依次与前置放大器3和模数转换器2级联。

在该探头下半段自上至下顺序设有侧壁摩擦筒7、孔压过滤环9、圆锥状探头10。在摩擦筒7的中间设有孔隙水压力传感器8，在侧壁摩擦筒7的内侧面上布设有侧壁摩阻力压力传感器11，在锥状探头10上布设有锥尖阻力压力传感器12，孔压过滤环9位于侧壁摩擦筒7与圆锥状探头10的连接处。圆锥探头10的锥角为60°，锥底截面积为10cm²，侧壁摩擦筒7表面积150cm²，所述孔压过滤环9厚度5mm。

该静力触探探头规格符合国际标准：锥角60°，圆锥直径为35.7mm，锥底截面积为10cm²，侧壁摩擦筒面积150cm²。锥尖阻力压力传感器量程为100kN，精度为0.2％。侧摩阻力压力传感器量程为20kN，精度为0.2％。孔隙水压力传感器量程为3.5MPa；精度为0.5％。

土的电阻率是表征土体导电性的基本参数，是土的固有物性参数之一，取决于土的孔隙率、孔隙形状、孔隙液电阻率、饱和度、固体颗粒成分、形状、定向性、胶结状态等。土壤的导电性能能够表征其内部的土体结构、工程特性。土样导电性与粘性颗粒含量、液限含水率相关性较好，而粘粒含量的多少以及液限大小，可以一定程度上反应膨胀土膨胀性能的强弱。另一方面，电阻率与土体含水率之间有很好的相关性，根据现有技术研究，可以通过室内标定确定目标土体的电阻率含水率转化公式，用以测量土体原位状态的含水率。因此，基于电阻率及含水率测试静力触探技术可用于实现对膨胀土膨胀等级的划分。

膨胀土地基静力触探探头设备的核心部分为电阻率传感器，本探头采用四电极排列方式，以消除气体发生、电镀以及极化效应可能造成的误差。电阻率测试频率为1000Hz，标定范围为0-10000ohm-m。本探头通过外力压入土地预定深度后，首先控制该探头上的热电温控调节器工作，该温控调节器可以控制温度范围0-100℃，工作电源：AC90～242V 50Hz/60Hz，功耗小于4W。距上部环状电极10cm。待四个环形电极形成稳定的温度场后在进行发射电极放电，通过该温度的校正补偿与土层温度的测试，用以修正不同温度下电阻率的变化，得出真实电阻率数值。

测量膨胀土地基电阻率的方法：由于静力触探探杆周围土中电场的复杂性，且边界条件难于控制，使得由探头所测得的土电学特征很复杂。通过欧姆定律得出了触探试验的理论方程，土电阻率是通过测试恒定电流下两测试电极间的电压降ΔV，并根据欧姆定律计算出土电阻的大小而得出的。

如图2所示，A表示第一发射电极，B表示第二发射电极，N表示第一测试电极，M表示第二测试电极，O为中心点。发射电极以1000Hz的频率发射低压交流电，通过第一发射电极A和第二发射电极B向土体发射电流，电流产生等位线分布，用第一测试电极M和第二测试电极N来测量电位差。

其电阻率定义为：

（1）

其中几何因素K取决于探头四个电极的几何排列。

用四电极几何排列探头测定土体电阻率时，电法勘测的物质基础是岩石、矿石具有导电性差异，对于电阻率法是利用土体电阻率的差异，因此在实际工作中就要测定土体电阻率。测定时，供电电流通过同轴电缆由第一发射电极A和第二发射电极B发射接收，在地下建立起两个异性点电源的稳定电场。

根据电位叠加原理得到发射电极中间任意两点第一测试电极M和第二测试电极N的电位、：

（2）

（3）

式中，为待测膨胀土地基电阻率，为测量电流，由测试电极M，N测得，AM、BM、AN、BN分别为各电极之间的距离。根据电位、得到第一测试电极M和第二测试电极N的电位差：

（4）

根据上式可以得到测定膨胀土地基电阻率的公式如下：

（5）

其中， （6）

（7）

（8）

将a、b分别代入（6）中，则有：

（9）

将K分别代入（5）中，得出了触探试验的理论方程：

（10）

根据得到膨胀土地基电阻率，得到土体含水率的方法：

首先进行探头的室内标定试验，选择合适的工作电压区间，并通过建立电阻率与目标土体含水率之间的相关关系。含水率是影响土体电阻率的主要因素之一。土是岩石风化的产物，由土颗粒、水和气体组成的三相介质集合体，三相介质的电阻率各不相同。相同孔隙率的条件下，膨胀土电阻率随着含水率的增大而减小，并呈指数函数关系降低。当含水率超过一定范围后，膨胀土电阻率变化缓慢或趋于常数。天然膨胀土的临界含水率为25%-30%之间。随着土中含水率的增加，土体内部孔隙水贯通路径增多，导电线路基本为孔隙水路线，土体整体的导电能力增强，使得电阻率呈平稳下降趋势，最后达到孔隙水电阻率。

现有技术研究表明，具体电阻率数值拟合为指数函数模型，其电阻率含水率之间的关系式为：

（11）

式中，ρ为电阻率；w为含水率；k、j为参考系数。

通过室内标定试验确定具体的参考系数k、j的数值，用以进行现场含水率的测试工作。同时标定地表载荷系统通过同轴电缆输入交流电压。电阻率测试产生的电脉冲，经前置放大器放大后传递至模数转换器，模数转换器将所接收的模拟信号转换为数字信号，再将所有的信号集成在同一根同轴电缆上进行传输，由地表的微机采集和存储系统保存，并绘出实时连续的剖面图。

最后，根据电阻率及含水率测试数据，通过电阻率、含水率和膨胀土膨胀特性相关关系，测算出膨胀土自由膨胀率，并依此实现对膨胀土膨胀等级的划分。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。