1.一种垂直分层土壤电阻非线性特性试验方法,其特征在于,包括以下步骤:
第一步:搭建垂直分层土壤电阻非线性特性试验平台,包括土壤箱(06);土壤箱(06)的内壁设置有温控装置(08);土壤箱(06)左侧壁设置有左铜电极(05),以及控制左铜电极(05)横向移动的操纵机构(04);土壤箱(06)右侧壁还设置有右铜电极(07);左铜电极(05)和右铜电极(07)均为竖直圆形;土壤箱的左上部、右上部、左下部和右下部还分别设置有第一温度传感器(01a)、第二温度传感器(01b)、第三温度传感器(01c)和第四温度传感器(01d),还包括冲击电流发生器(12)和分压器(13);
其中:第一温度传感器(01a)、第二温度传感器(01b)、第三温度传感器(01c)和第四温度传感器(01d)分别连接到温度分析仪(14)的输入端,温度分析仪(14)的输出端分别连接到数字控制器(15)和上位机(18);数字控制器(15)连接到温控装置(08);冲击电流发生器(12)输出端连接到分压器(13)的高压端,分压器(13)的高压端通过高压电缆(19)和电缆接头(03)连接到左铜电极(05);右铜电极(07)通过导线(20)连接到冲击电流发生器(12)的接地端,接地端连接到接地装置(11);分压器(13)的接地端接地,其电压测量端连接到上位机(18);电流采集模块(17)通信端连接到上位机(18),电流采集模块(17)测试端连接到导线(20),用于测量流经左铜电极(05)和右铜电极(07)的电流;还包括一个以上绝缘隔板(09),绝缘隔板(09)可水平插入或抽出土壤箱(06);当绝缘隔板(09)插入土壤箱(06)时,将土壤箱(06)从下至上分割为两个以上的空间;
第二步:进行土壤填充以及温度设定:打开土壤箱(06)的左面板,通过操纵机构(04)控制左铜电极(05)与右铜电极(07)的间距;依据待测试土壤的厚度比,用绝缘隔板(09)将土壤箱(06)分层后填充土壤样品;撤去绝缘隔板(09),使土壤样品贴合在一起;盖上左面板;
通过第一温度传感器(01a)、第二温度传感器(01b)、第三温度传感器(01c)和第四温度传感器(01d)监测温度;设定试验温度为T,若测量温度超过误差允许上限Tmax,则数字控制器(15)启用温控装置(08)的降温模式进行降温;若温度低于误差允许下限Tmin,则数字控制器(15)启用温控装置(08)的升温模式进行升温;控制土壤箱(06)中土壤样品的温度在试验温度T误差允许范围内;
第三步:测量土壤样品在当前温度T时的电压与电流:当土壤样品测量温度稳定在试验温度T误差允许范围内时,开启冲击电流发生器(12),通过分压器(13)测量左铜电极(05)和右铜电极(07)间的电压并传输给上位机(18),通过电流采集模块(17)测量流经导线(20)的电流并传输给上位机(18);
第四步:评估土壤电阻非线性特性:通过上位机得到的电压和电流,获取冲击电阻全时域R(t)波形曲线,并提取出R(t)min,R(t)max,下降时间Δt1以及有效恢复时间Δt2,计算土壤在冲击电流下的平均下降速率k,式中,R(t)min为R(t)波形曲线中电阻最小值,R(t)max为R(t)波形曲线中电阻最大值,Δt1表示R(t)从最大值R(t)max下降到最小值R(t)min的时间间隔;
计算R(t)min与k的复合评判因子q1:
计算R(t)min与Δt1的复合评判因子q2:
近似计算最小曲率半径γ:
其中,
式中,tm∈[ta+1,tb),ta为R(t)max对应时刻,tb为R(t)min对应时刻,上式表示计算R(t)波形曲线在下降的时间段内,从ta+1时刻,每次间隔0.1μs,计算各个时刻的曲率半径,由此可计算出其中最小的曲率半径;
由最小曲率半径计算考虑温度与最小曲率半径的修正系数k1:
式中,T为当前试验温度;
计算评判余项:
q3=0.03258log(0.26Δt1+0.625Δt2-41.3)
-0.0953log(R(t)min+1.38)
式中,t2表示R(t)从R(t)min上升至有效恢复电阻R(t)eff的时间;其中
R(t)eff=R(t)min+0.8(R(t)max-R(t)min),R(t)eff表示R(t)从电阻最小值R(t)min逐渐恢复,当恢复量为80%最大下降差值(R(t)max-R(t)min)时所对应的电阻值;
综合上述计算,土壤在该冲击电流与温度下的土壤非线性特性评判因数为:
q=k1(q1+q2)+q3
当q∈(0,0.25]时,表征电阻非线性特性较弱;当q∈(0.25,0.65]时,表征电阻非线性特性一般;当q∈(0.65,0.9]时,表征电阻非线性特性较强;当q∈(0.9,1]时,表征电阻非线性特性极强;
第五步:不同温度下的土壤电阻非线性特性试验:根据试验要求,设置不同温度,并重复第三步和第四步,进行不同温度下垂直分层土壤电阻非线性特性评估。