Устройство для измерения удельного электросопротивления образцов грунтов

Изобретение относится к горной промышленности и может быть использовано при исследовании геологического строения и технологического состояния (пористости, влажности, прочности, деформационных параметров и др.) геофизическими методами с использованием предварительно устанавливаемых взаимосвязей механических параметров грунтов с электрическими. Оно может применяться также в строительстве при изучении свойств оснований сооружений и дорог. Устройство позволяет повысить точность измерений удельного электросопротивления (УЭС) грунтов, в том числе, при параллельных компрессионных испытаниях. Устройство включает в себя цилиндрический стакан из диэлектрического материала, внутренний диаметр которого равен внутреннему диаметру D грунтоотборного кольца, из которого грунт перемещают в стакан выдавливанием. На дно стакана и на верхнюю поверхность грунта устанавлены токовые электроды, причем верхний имеет форму цилиндра с диаметром D и высотой 10-15 см. Электроды напряжения представляют собой заостренные иглы диаметром 0,2-0,4 мм и перемещаемые путем внедрения в грунт параллельно между собой и токовым электродам за счет их закрепления на подвижной колодке, перемещаемой поступательно по основанию. Для параллельных компрессионных испытаний грунта на верхний токовый электрод передают нагрузку от гидравлического или рычажного пресса, снабженного индикатором деформации образца. Для реализации режима дренажа влаги при испытаниях дно стакана и нижний токовый электрод снабжены дренажными отверстиями.

Изобретение относится к горной промышленности и может быть использовано при исследовании геологического строения и технологического состояния разрабатываемых горных пород геофизическими методами, основанными на взаимосвязи прочности, влажности, пористости и других физических свойств грунтов с их удельным электрическим сопротивлением (УЭС). Изобретение может также использоваться в строительстве при изучении свойств оснований зданий, сооружений, автомобильных и железных дорог.

Известны устройства для измерения УЭС твердых горных пород двух- и четырехэлектродным методами, включающие плоские торцевые токовые и кольцевые потенциальные электроды, плотно прижимаемые к боковой поверхности образца. Электроды подключены к источнику постоянного или переменного тока, амперметрам, вольтметрам или измерительным мостам, (см. Кобранова В.Н. Физические свойства горных пород. (Петрофизика). М; Гостоптехиздат, 1962. - С.210-211).

Данные устройства предполагают, что образцы горных пород имеют правильную форму (цилиндрическую, прямоугольную). Грунты, связные (глинистые) и несвязные (песчанистые), имеют низкую прочность при сжатии и сдвиге (менее 1 МПа), поэтому при прижатии электродов они будут существенно деформироваться и разрушаться.

Измерение электрических параметров мягких пород (грунтов) обеспечивается устройством, включающим емкость произвольной формы с помещенным в нее грунтом и установленными в грунт точечными электродами тока и напряжения, расположенными на одной линии (см. Пархоменко Э.И. Электрические свойства горных пород. - М.: Наука, 1965.- С.57-58). УЭС () с помощью этого устройства определяют по формуле (в Ом·м):

где U - падение напряжения между электродами напряжения. В; I - ток, пропускаемый через токовые электроды, A; L - расстояние между токовыми электродами, м; L - расстояние между электродами напряжения, м.

Недостатком данного устройства является низкая точность измерений, так как величина существенно зависит от формы емкости и количества помещенного

в нее грунта. Для уменьшения влияния стенок емкости (поверхностей раздела) ее размеры должны значительно превышать размер L. Кроме того, при заполнении емкости грунтом существенно нарушается его естественная структура, что приводит к дополнительной погрешности.

Частично устраняет эти недостатки устройство, включающее потенциометрический датчик для определения УЭС токопроводящего тонкослойного материала (см. Заявку №95120920/09 «Способ определения УЭС токопроводящего тонкостенного материала и потенциометрический датчик для его осуществления», МПК G 01 R 27/08, приоритет от 13.12.95), представляющий собой два точечных токовых электрода, установленных в корпус из диэлектрического материала, и точечные электроды напряжения, перемещаемые поступательно перпендикулярно оси токовых электродов. Возможность поворота корпуса с электродами относительно поверхности образца, а также перемещения электродов напряжения, обеспечивает снижение погрешности измерения УЭС за счет учета анизотропии электрических свойств грунта и ограниченности образца по высоте.

Вместе с тем, точность измерений данным устройством остается недостаточной, поскольку точечные токовые электроды обеспечивают однородность электрического поля только для тонкослойных образцов. При высоте образца более 10 мм погрешность измерений из-за неоднородности наводимого электрического поля будет возрастать.

Наиболее близким к заявляемому техническому решению является устройство для измерения УЭС влагонасыщенных грунтов, включающее ячейку из диэлектрического материала кубической формы с размерами 0,1×0,1×0,1 м с двумя плоскими круглыми токовыми электродами диаметром D, жестко закрепленными на боковых гранях ячейки, и стержневые электроды напряжения, установленные параллельно путем пронизывания помещенного в ячейку грунта по ее оси в плоскости, перпендикулярной плоскостям токовых электродов на расстоянии l. (см. Простов С.М., Гуцал М.В., Гордиенко Р.Ф. Электросопротивление влагонасыщенных грунтов и пород при инъекционном укреплении//Вестник КузГТУ. - 2002. №6. - С.12-18). УЭС грунта по результатам применения устройства определяют по формуле

Принимаем данное устройство за прототип.

Повышение точности измерений УЭС в устройстве-прототипе достигается за счет того, что плоские токовые электроды, расположенные параллельно,

обеспечивают в отличие от точечных, однородное электрическое поле. Недостатки прототипа заключаются в следующем.

1. Устройство не содержит элементов, обеспечивающих установку стержневых электродов напряжения параллельно и в плоскости, перпендикулярной плоскостям токовых электродов. Это приводит к неточности установки электродов напряжения и дополнительной погрешности при определении УЭС.

2. При помещении грунта в ячейку нарушается его естественная структура, что приводит к несоответствию условий измерений механических параметров грунтов и УЭС.

Задача изобретения - повышение точности измерения УЭС связных и несвязных грунтов за счет повышения точности установки электродов напряжения, а также сохранения при измерениях естественной структуры грунта, отобранного с помощью стандартных породоотборных гильз методом режущего кольца.

Решение указанной задачи достигается тем, что в известном устройстве, включающем ячейку из диэлектрического материала, два плоских токовых электрода, установленных на поверхности исследуемого образца, и два электрода напряжения, в отличие от прототипа ячейка выполнена в виде жесткого цилиндрического стакана, диаметр дна которого равен внутреннему диаметру грунтоотборной гильзы, и снабжена прижимным устройством в виде кольцевого груза с фиксированной массой, при этом первый токовый электрод имеет форму цилиндра с диаметром, равным диаметру образца, и высотой 10-15 мм, второй токовый электрод, имеющий вид круглой пластины такого же диаметра, помещен на дно стакана, а электроды напряжения выполнены в виде двух заостренных игл диаметром 0,2-0,4 мм, жестко закрепленных на подвижной колодке из диэлектрика с цилиндрической внутренней поверхностью, имеющей диаметр, равный внешнему диаметру стакана, на фиксированном расстоянии перпендикулярно образующей этой поверхности, причем первый токовый электрод установлен на верхнюю грань образца, выдавленного из гильзы грунтоотборного устройства в стакан, и нагружен прижимным устройством, а колодка с электродами напряжения установлена на дно стакана с возможностью поступательного перемещения до упора в поверхность стакана с внедрением в грунт электродов напряжения через соответствующие отверстия в стакане.

Решение задачи достигается также тем, что дно стакана и второй токовый электрод снабжены дренажными отверстиями.

Сущность заявленного устройства поясняется чертежом. На фиг. представлена схема устройства для измерения удельного электросопротивления образцов

грунтов, на которой обозначено: 1 - стакан; 2 - первый токовый электрод; 3 - токопроводящий слой; 4 - прижимное устройство; 5 - основание; 6 - второй токовый электрод; 7 - грунт; 8, 9 - иглы-электроды напряжения; 10 - подвижная колодка; G - батарея питания; РА - амперметр; PV - вольтметр.

Цилиндрический стакан 1 с помещенным в него грунтом 7, установленный на основание 5 со вторым токовым электродом 6, образует емкость. Первый токовый электрод 2, имеющий форму цилиндра, переместившись под действием прижимного устройства, обеспечивает постоянный уровень прижатия электродов 2 и 6 к поверхности грунта 7 и стабильную величину тока в цепи амперметра РА и батареи питания G. Подвижная колодка 10 с иглами-электродами напряжения 8, 9 после поступательного перемещения по направляющему основанию 5 и внедрения в грунт 7 игл-электродов напряжения 8, 9 образует вместе с вольтметром PV цепь измерения падения напряжения.

До измерений стакан 1 устанавливают на основание 5, служащее дном с закрепленным на нем вторым токовым электродом 6. Грунт 7 выдавливают из грунтоотборной гильзы специальным цилиндром, совмещая эту гильзу со стаканом 1, поскольку они имеют равные диаметры D. На верхнюю поверхность грунта 7 устанавливают первый токовый электрод 2 с токопроводящим слоем 3, а на него - прижимное устройство 4. Электроды напряжения 8 и 9, представляющие собой заостренные иглы диаметром 0,2-0,3 мм и жестко закрепленные на колодке 10, на расстоянии l, вставляют в отверстия стакана 1 и, перемещая колодку 10 поступательно по основанию 5, устанавливают в плоскости вертикальной симметрии образца. Токовые электроды 2 и 6 подключают к токовой цепи, включающей источник питания G и амперметр РА, а иглы-электроды напряжения 8 и 9 - к вольтметру PV, реализуя известную 4-электродную схему измерений. Измеряют ток I амперметром РА и падение напряжения U вольтметром PV, расчет УЭС ведут по формуле (2).

Основные существенные отличия, обеспечивающие повышение точности измерений, состоят в следующем.

1. Устройство обеспечивает более точное по отношению к прототипу расположение измерительных электродов. Первый измерительный электрод 2, имея форму цилиндра с высотой 10-15 мм, перемещаясь поступательно под действием прижимного устройства (груза) 4, устанавливается строго параллельно второму токовому электроду 6. Иглы-электроды напряжения 8 и 9, закрепленные на колодке 10 перпендикулярно образующей стакана и перемещаясь поступательно, устанавливаются параллельно между собой и токовым электродам в вертикальной плоскости симметрии образца.

2. Образец из массива грунта помещен в грунтоотборную гильзу с острыми гранями методом режущего кольца, т.е. без нарушения его естественной структуры (см. Ломтадзе В.Д. Физико-механические свойства горных пород. Методы лабораторных исследований. - Л.: Недра, 1990, - С.111-112). В стакан 1 грунт 7 помещен путем поступательного перемещения выдавливанием поршнем. Поскольку внутренние диаметры D кольца и стакана 1 равны, грунт 7 занимает все поперечное сечение стакана 1. Величину груза прижимного устройства 4 подбирают так, чтобы он обеспечивал только строго постоянное прижатие электродов, не изменяя его плотности (для суглинков масса груза должна составлять 100-200 г). Поскольку иглы-электроды напряжения 8 и 9 имеют минимальный диаметр, достаточный для обеспечения их жесткости, их внедрение в грунт также не вызовет изменения механических свойств грунта. Вместе с тем, помещение игл-электродов напряжения 8 и 9 в среднюю часть образца, где электрическое поле токовых электродов 2 и 6 однородно, дополнительно повышает точность измерения.

При диаметре игл-электродов 8 и 9 менее 0,2 мм не может быть обеспечена их достаточная прочность и жесткость, что может вызвать их деформирование или поломку при эксплуатации устройства. При диаметре более 0,4 мм внедрение игл может привести к дополнительным нарушениям структуры образцов с размером зерна более 0,4 мм и увеличению погрешности измерений.

Таким образом, применение заявленного устройства обеспечивает повышение точности измерений УЭС связных (глинистых) и несвязных (песчанистых) грунтов.

Кроме того, устройство позволяет параллельно с измерением УЭС проводить компрессионные испытания грунтов и определять их деформационные параметры. Это дополнительно способствует повышению точности экспериментальной зависимости между УЭС и деформационными параметрами, так как для компрессионных испытаний грунт не требуется повторно перемещать в одометр (компрессионный цилиндр). Для осуществления режима параллельных компрессионных испытаний вместо груза 4 нагрузку на первый токовый электрод создают гидравлическим или рычажным прессом, снабженным индикатором деформации образца.

Для влажных грунтов необходимо обеспечивать дренаж жидкости, отделяющейся от твердой фазы при сжатии (компрессии) образца. Реализация этого режима обеспечивается снабжением дна стакана (основания 5) и второго токового электрода 6 отверстиями, диаметры и количество которых принимается такими же, как и у дна стандартных одометров.

1. Устройство для измерения удельного электросопротивления образцов грунтов, включающее ячейку из диэлектрического материала, два плоских токовых электрода, установленных на поверхности исследуемого образца, и два электрода напряжения, отличающееся тем, что ячейка выполнена в виде цилиндрического жесткого стакана, диаметр дна которого равен внутреннему диаметру грунтоотборной гильзы, и снабжена прижимным устройством в виде кольцевого груза с фиксированной массой, при этом первый токовый электрод имеет форму цилиндра с диаметром, равным диаметру образца и высотой 10-15 мм, второй токовый электрод, имеющий вид круглой пластины такого же диаметра, помещен на дно стакана, а электроды напряжения выполнены в виде заостренных игл диаметром 0,2-0,4 мм, жестко закрепленных на подвижной колодке из диэлектрика с цилиндрической внутренней поверхностью, имеющей диаметр, равный внешнему диаметру стакана, на фиксированном расстоянии перпендикулярно образующей этой поверхности, причем первый токовый электрод установлен на верхнюю грань образца, выдавленного из гильзы грунтоотборного устройства в стакан, и нагружен прижимным устройством, а колодка с электродами напряжения установлена на дно стакана с возможностью поступательного перемещения до упора в поверхность стакана с внедрением в грунт электродов напряжения через соответствующие отверстия в стакане.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что дно стакана и второй токовый электрод снабжены дренажными отверстиями.