賈紅晶，李順群，尚 軍

(天津城建大學 土木工程學院，天津 300384)

電阻率是土體眾多參數中比較重要的一個參數，是表征土體導電性能[1]的基本物理量．長期以來，國內外學者主要研究應用土的電阻率反映土的含水率、孔隙率、飽和度、土的類型、礦物成分等特性．如查甫生等研究了土的電阻率理論及其應用，Samouelian闡述了電阻率在土壤科學中的應用，指出土壤電阻率是土壤理化因子[2-3]的函數．

總體來看，電阻率研究仍存在以下不足：①電阻率測試結果受到多種因素的影響，與傳統(tǒng)的巖土工程參數相比，電阻率指標是一個綜合的參數，對被研究土的工程性質進行電阻率分析時，需要參考并結合其他指標進行聯(lián)合分析[4]；②大量的電阻率研究工作都集中在野外測試方面，在室內建立電阻率指標與土的物理力學性質定量關系方面的研究則相對較少；③在野外現(xiàn)場，被測試的土層情況可能十分復雜，電阻率技術在現(xiàn)場應用中分析判斷有偏差，還主要依賴于經驗，制約了電阻率法的應用．電阻率的研究在工程應用中具有重要的意義，如在擊實土特性評價[1]、砂土液化評價、地基處理效果評價、查明堤壩隱患[5]等方面，都可以運用土的電阻率進行分析．

本文主要采用自制的絕緣模型和歐姆表進行土體的電阻率試驗，采用常規(guī)試驗方法測定了土的含水率、顆粒組成，建立砂土、黃土及黏土的電阻率與飽和度之間的量化關系，并分析了三種土的飽和度對電阻率影響的相同點和不同點，為地質勘察和工程施工提供參考，為使用電測法測量土工參數提供了理論依據．

1 土的電阻率試驗方法

1.1 電阻率室內試驗方法

現(xiàn)有的土的電阻率室內試驗方法有二相電極法和四相電極法[6-7]，兩者均是基于伏安法測電阻，依據試樣的橫截面面積與長度換算出土的電阻率．二相電極法操作簡單，但電極與土樣之間的接觸條件會很大程度地影響測試結果的準確性；四相電極法可避免電極極化效應對電阻的影響，測試結果準確，但四相電極法需將電極插入土樣內，對土樣的擾動較大，電極插入的深淺也會影響測量結果的準確性．

通過試驗方法優(yōu)缺點的比較，本文選用二相電極法．使用直徑為39.1 mm，高度為80 mm的三軸試驗不銹鋼飽和器作為外模，緊貼外模內壁的絕緣塑料薄桶作為內模，如圖1所示；電極選用圓形銅板電極，為保證電流垂直均勻流過所測土體的截面，電極面積稍微大于塑料薄桶的截面面積；且使用UT58C數字萬能表測量電阻．

圖1 土樣制備模型示意

取出制備好的土樣，在其上下表面抹一層石墨，固定好電極，將萬能表調到歐姆檔，選擇合適量程測出土樣的電阻．利用歐姆定律求出土樣的電阻率，即

式中：ρ為土體的電阻率，Ω·m；R為歐姆表的讀數，Ω；S為被測物體的電流垂直通過的截面的面積，m2；L為電流垂直流過截面的距離，m．

1.2 土樣的制備

將松散的土通過2 mm篩，取篩下的土，用噴霧器噴灑適量的水，靜置一段時間，測定濕潤土樣不同位置的含水率，然后裝入玻璃缸內蓋緊，潤濕一晝夜備用．利用圖1的模型，制備干密度為1.52 g/cm3的試樣30個(每種土樣10個)，用真空飽和器將其飽和8 h(砂土飽和5 h)，取出土樣通過烘干箱烘干不同的時間后放在保濕缸中靜置 24 h，使土中的水分布均勻，測出相應含水率，換算出試樣的飽和度．

1.3 接觸電阻的修正

本試驗采用二相電極法測量土的電阻，有必要進行接觸電阻的修正，在電極與土樣表面涂上一層石墨進行耦合[8-9]，盡量減小接觸電阻．進行接觸電阻的修正：使用自制的絕緣模型制作直徑相同(39.1 mm)、高度不同的土樣，其干密度為1.52 g/cm3，砂土含水率為 3.5%，黃土含水率為 18.5%，黏土含水率為13.7%，測量這些土樣的電阻；繪出土樣長度與相應電阻率的關系，如圖2所示．

用線性方程y＝ax＋b擬合曲線，系數a和b見表1．

當試樣長度為0 cm時，擬合曲線的縱軸截距為接觸電阻率，由表1可知砂土的接觸電阻率為17.3 Ω·m，黃土的為 10.9 Ω·m，黏土的為6.1 Ω·m．用所測的電阻，根據公式(1)換算出電阻率，減去接觸電阻率，即可得到土的真實電阻率ρ，下文中所提及的電阻率均為修正后的電阻率．

圖2 土樣接觸電阻率修正曲線

表1 擬合曲線的系數a和b

2 土的電阻率與飽和度的關系

2.1 土的基本物理性質

本文測定了土樣的含水率、土粒相對密度和顆粒組成三個參數，其中含水率采用烘干法測定，土粒相對密度采用經驗值法取值，砂土的顆粒組成采用篩分法測定，黏土和黃土的顆粒組成采用篩分法和密度計法聯(lián)合測定．基本物理性質和顆粒分布見表2和圖3．

表2 土樣的基本物理性質

圖3 顆粒大小分布曲線

土的相應粒徑如表3所示．

表3 土的粒徑 mm

常用不均勻系數Cu和曲率系數Cc判別土粒級配是否良好，計算公式如下

式中：d60、d10、d30分別表示小于某粒徑的土粒質量累計百分數為60%、10%、30%時相應的粒徑(mm)．

根據公式(2)、(3)計算得土的不均勻系數和曲率系數，見表4．在工程上常按經驗把Cu＞5及Cc＝1～3的土稱為不均勻土，即級配良好；反之視為均勻土，即級配不良．因此，可判斷出本試驗采用的砂土土樣是級配不良土，黃土和黏土土樣是級配良好土樣，三種土樣的土粒大小連續(xù)性較好．

表4 不均勻系數和曲率系數

2.2 土的電阻率與飽和度的關系

本文制備了30個土樣(每種土10個樣)，分別進行土樣的電阻率和飽和度的測定，其中電阻率通過電阻值換算得出；飽和度通過含水率換算得出．根據試驗的數據變化趨勢可以發(fā)現(xiàn)：土的電阻率是先隨著飽和度的增加而逐漸減小的，最后電阻率變化平緩，趨于穩(wěn)定，因此采用冪函數y＝mx-n進行擬合，如圖4所示．系數m和n見表5．

表5 擬合曲線的系數m和n

如表5所示，可以看出不同成分的土的m值與n值是有差別的：砂土的m、n值最大；黃土的居中；黏土的最?。禂?m不同反映土的成分不同，決定了帶電離子的種類和數量[10]；系數n值反映了土的電阻率對飽和度變化的敏感度[10]，n值越大，說明電阻率變化的越劇烈，其關系曲線越陡；n值相差不大，說明電阻率變化劇烈程度相近，其關系曲線越平緩．可知砂土電阻率變化最劇烈，黃土和黏土的電阻率變化相近，最平緩．

圖4 土的電阻率與飽和度的關系

由圖4可知，砂土、黃土及黏土的電阻率與飽和度呈冪函數關系，隨著飽和度的增大電阻率減小，當土樣接近飽和時，電流幾乎都通過孔隙水傳導，土的電阻率趨于穩(wěn)定．砂土的電阻率變化最大，飽和度在18%～40%時電阻率為 420～225 Ω·m；當飽和度大于60%后，電阻率對飽和度的敏感性減小，最后趨于148 Ω·m．黃土和黏土的電阻率變化幅度較小，飽和度在10%～40%時，電阻率變化明顯，黃土的電阻率為90～56 Ω·m，黏土的電阻率為70～43 Ω·m．當飽和度大于60%時，兩者的電阻率幾乎相等，趨于22 Ω·m．出現(xiàn)這種變化的原因是非常復雜的，一般認為是在飽和度小于10%時，土的電阻率主要取決于土樣的骨架，而當飽和度大于60%時，其電阻率取決于土樣孔隙中的水，飽和度在10%～60%之間是一個過渡階段．

由圖3和圖4可知：在飽和度相同的情況下，對于不同成分的土，不均勻系數 Cu越小，電阻率對飽和度的敏感性越強，即變化越劇烈；當不均勻系數Cu相差不多時，電阻率變化劇烈程度幾乎相同；砂土的電阻率變化最劇烈，黏土和黃土電阻率變化程度相差不多．黏粒含量同樣影響土的電阻率，土中黏粒含量越多，電阻率值越小，但如果土的黏粒含量差不多且都趨于飽和狀態(tài)時，電阻率則相差不大，如圖4所示，黃土和黏土的飽和度大于70%時，二者的電阻率值幾乎相等．

3 結 論

筆者介紹了采用自制的絕緣薄桶模型和歐姆表測定土的室內電阻率試驗，分析了砂土、黃土和黏土的電阻率和飽和度的關系．可知：電阻率與飽和度具有較好的相關性，呈冪函數關系，即飽和度較小時，飽和度的變化對電阻率影響很大；當土樣趨于飽和時，隨著飽和度的變化，電阻率無明顯變化；在飽和度相同時，電阻率同樣受土的成分和顆粒級配的影響，土的不均勻系數越小，電阻率對飽和度變化越敏感；土中黏粒含量越多，電阻率越?。?/p>

用電測法測量土的物理力學參數在國內尚處于不成熟階段，通過理論研究和實踐會完善土的電阻率理論的科學基礎，使其實用性與科學性進一步融合，應用前景廣闊．

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