土壤电阻率影响因素研究

2021-05-28钟庆

科学技术创新 2021年14期

钟庆

（安徽理工大学安全科学与工程学院，安徽淮南232001）

1 概述

土壤电阻率可以表征土壤的导电性，土壤电阻率由于其连续无损的特点而被广泛应用于含水率预测、地质勘探和隐患探测等领域[1-3]。土壤的诸多性质是影响电阻率的重要因素，Archie(1942) 开创了实验室测量砂岩的经验电阻率- 含水率关系(Archie 定律)，很多学者对土电阻率理论进行了理论和试验研究。Yulong Chen 等人[4]详细考察了含水率、干密度、温度等因素对磷矿尾矿电阻率的影响；Jie Wang 等人[5]讨论了饱和度对不同类型土壤热导率和电阻率的影响。总结前人的研究，可以发现电阻率在地质勘探和评估方面的应用仍然颇有争议。虽然已有较多研究探究土壤电阻率和各因素的关系，但是进一步将其关系量化，建立更好的转化关系也尤为重要。

基于此，本研究开展了不同含水率条件下的土壤样品室内电阻率实验，分析了含水率对土壤电阻率的影响规律，此研究能够为工程应用进一步提供基础参考。

2 试验方法

按电极数量划分测量土壤电阻率的方法，可大致分为二相电极法和四相电极法。这两种方法都是基于伏安法的原理，但是考虑到试验操作简单并且对土样干扰小等需求，故采用二相电极法开展实验，试验原理如图1。

图1 二相电极法原理

本文主要开展了标准土样电阻率试验。土样电阻率实验系统如图2，采用自制的亚克力容器承装土体，该容器尺寸（直径×高）50mm×150mm。在盛装土壤的箱体两端装有铜片电极。试验设置含水率为0%、3%、6%、9%、12%、15%、18%。

图2 试验设备

3 结果

含水率是影响土壤电阻率的主要因素，对试验所测试的数据进行分析，得出电阻率与含水率的对应关系，绘制曲线图如图3。

图3 电阻率- 含水率关系

图4 各含水率条件下土壤电阻率

经过分析可以发现电阻率与含水率关系密切，由图3 可以发现在所有密度条件下的土壤电阻率随着含水率的增大而减小，并且密度越小时，电阻率随含水率变化的减小幅度越大，究其原因，这种现象是由于含水率增加时，就导致了孔隙水的增加，从而导致土壤颗粒连接更加紧密，并且水分的电阻更小，所以呈现出随含水率增大，电阻减小，电流增大的现象。但是最终含水率增大到一定程度时，电阻率逐渐维持一定值，含水率达到一定值时，土壤达到饱和，再增加水分对其结构组成影响不大。

由于高含水率的土壤电阻率较为接近，为了更清晰的对比各个变量下的电阻率情况，将各条件的电阻率曲线进行列举。从图4 中可以清晰的看出土壤电阻率随含水率的变化趋势，电阻率在同一密度下，随含水率增大明显减小。在含水率0%时，各密度的土壤电阻率取得最大值，分别为2800Ω·m、1380Ω·m、1350Ω·m、760Ω·m、640Ω·m、48Ω·m、36Ω·m、39Ω·m 和33Ω·m。此时，同一含水率条件下的土壤电阻率随密度增大而减小。

总的来说，土壤电阻率与其含水率关系极为密切，电阻率减小主要是由于孔隙水增多，而含水率的增大可以达到此效果。