劉 華，胡文樂，牛澤林，王松鶴，胡鵬飛

(1.西安建筑科技大學(xué) 土木工程學(xué)院，陜西 西安 710055； 2.陜西省巖土與地下空間工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710055； 3.西安理工大學(xué) 土木工程學(xué)院，陜西 西安 710048)

0 引言

黃土是一種廣泛分布于我國(guó)西北地區(qū)的獨(dú)特地質(zhì)載體，在西部大開發(fā)和東部經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)調(diào)整的各項(xiàng)工程建設(shè)中，有關(guān)黃土工程問題備受關(guān)注。在我國(guó)密集型產(chǎn)業(yè)向西部地區(qū)轉(zhuǎn)移和工業(yè)化不斷推進(jìn)的過程中[1]，越來越多的工業(yè)廢水和廢液也隨之產(chǎn)生，工業(yè)廢水和廢液會(huì)產(chǎn)生大量的酸堿污染源并對(duì)水土造成污染，黃土體受到酸堿污染后的物理力學(xué)特性將會(huì)發(fā)生顯著變化，其作為建筑地基、公路與鐵路路基及路堤填料時(shí)的工程性能備受關(guān)注[2]。因此對(duì)擊實(shí)酸堿污染黃土的研究具有重要的實(shí)際工程意義[3-4]。20世紀(jì)70年代以來，歐美等許多國(guó)家就已開始土體污染方面的研究[5-8]，國(guó)內(nèi)學(xué)者在20世紀(jì)80年代也意識(shí)到了這方面研究的重要性，劉漢龍[9-10]、顧季威[11]、黃世銘[3]、陳筠[12]、李琦[13]、孫重初[14]等學(xué)者對(duì)酸堿污染土的物理力學(xué)性質(zhì)開展了相關(guān)研究工作，但到現(xiàn)階段還沒有較為完善的污染場(chǎng)地勘察試驗(yàn)及分析的應(yīng)用方法和儀器設(shè)備[15]，巖土工程界和工程地質(zhì)界相關(guān)學(xué)者仍采用巖土勘察的手段對(duì)污染場(chǎng)地進(jìn)行評(píng)價(jià)[16]。因此，對(duì)酸堿污染場(chǎng)地進(jìn)行快速評(píng)價(jià)的研究有重要工程意義且備受關(guān)注。

電阻率法以土、水、氣及水氣分界面等相關(guān)介質(zhì)的導(dǎo)電性為基礎(chǔ)，是勘察地球物理的常用方法之一，具有連續(xù)、快速、無損傷等特點(diǎn)，可以有效準(zhǔn)確地對(duì)土體性質(zhì)進(jìn)行評(píng)估[17]。前人研究經(jīng)驗(yàn)表明[18-19]，擊實(shí)土的電阻率受擊實(shí)條件、礦物組成、飽和度、含水率、孔隙液成分等多種因素的影響。但上述成果都是在無污染的條件下進(jìn)行擊實(shí)，查甫生等[4]在探討擊實(shí)黃土電阻率的基礎(chǔ)上證明了土的電阻率與物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)間的關(guān)系。然而，將電阻率法用于酸堿污染黃土擊實(shí)特性評(píng)價(jià)方面的研究還未見報(bào)道。

本研究以銅川黃土為研究對(duì)象，采用4種濃度的HCl，H2SO4，HNO3及NaOH溶液作為污染物，人工配制不同含水率和不同污染濃度的污染試樣，對(duì)不同工況下的土樣進(jìn)行擊實(shí)試驗(yàn)，并對(duì)擊實(shí)后的土樣進(jìn)行不同直流電壓下的電阻率測(cè)試，探明不同含水率下常見污染物種類及濃度對(duì)擊實(shí)的影響規(guī)律，分析擊實(shí)酸堿污染黃土的電阻率基本特征，為采用電阻率指標(biāo)評(píng)價(jià)擊實(shí)污染黃土體的質(zhì)量評(píng)價(jià)提供數(shù)據(jù)支撐和理論參考。

1 試驗(yàn)概況

1.1 污染土樣的制備

試驗(yàn)采用陜西銅川耀州區(qū)Q3黃土(取樣現(xiàn)場(chǎng)見圖1)，土質(zhì)呈黃褐色，且較為均勻，屬黃土狀粉質(zhì)黏土，取土深度1.5～3.0 m，顆粒分析曲線見圖2。土樣經(jīng)陽光下暴曬風(fēng)干后碾碎，含水率約為1%～2%，過5 mm標(biāo)準(zhǔn)篩備用。試驗(yàn)土樣的物理力學(xué)指標(biāo)如表1所示[20]。

圖1 取樣現(xiàn)場(chǎng)Fig.1 Sampling site

圖2 銅川Q3黃土試樣的顆粒分析曲線Fig.2 Particle analysis curve of Tongchuan Q3 loess

1.2 試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)及試驗(yàn)原理

為了模擬不同工業(yè)廢水成分對(duì)土體力學(xué)及電學(xué)特性的影響，配制4個(gè)等級(jí)濃度(0.1 mol/L，0.5 mol/L，1.0 mol/L，2.0 mol/L)的H2SO4，HCl，HNO3及NaOH溶液作為污染物，再分別與風(fēng)干后的土樣進(jìn)行人工拌和形成含水率依次為15%，17%，19%，21%，23%的污染土樣，在保鮮袋中密封保存24 h后進(jìn)行輕型擊實(shí)試驗(yàn)，包括5種含水率下的污染土樣，共計(jì)85個(gè)擊實(shí)試樣，然后對(duì)擊實(shí)試樣進(jìn)行不同電壓(1～30 V)下的電阻率測(cè)試。根據(jù)前人研究結(jié)果，先對(duì)擊實(shí)土樣進(jìn)行不同高度(11.6，8，4 cm)下的電阻率修正。

表1 試驗(yàn)土樣的物理指標(biāo)Tab.1 Physical indicators of loess for experiment

土的電阻率受到諸多因素的影響，但土的導(dǎo)電性能主要涉及3個(gè)過程：孔隙水導(dǎo)電、土顆粒導(dǎo)電及孔隙水-土顆粒導(dǎo)電，如圖3所示。而土體的固、液、氣等三相中，氣相認(rèn)為不導(dǎo)電。因此，土導(dǎo)電性能的大小主要有以下參數(shù)控制[21-24]：一是孔隙水離子含量等成分，二是土顆粒表面吸附特征及土顆粒間的黏結(jié)特性，三是孔隙水-顆粒的拌和結(jié)構(gòu)特性。

1.3 試驗(yàn)方法

將拌和好的污染土經(jīng)密封保存達(dá)到試驗(yàn)要求后，進(jìn)行同條件下的輕型擊實(shí)試驗(yàn)，所用擊實(shí)筒為標(biāo)準(zhǔn)擊實(shí)筒，內(nèi)徑102 mm，筒高116 mm，護(hù)筒高度為50 mm。為保證試樣的均勻性與整體性，將制備好的

圖3 基本電路圖Fig.3 Basic circuit diagram

足量土樣分3層擊實(shí)，各擊實(shí)25下。用針刀在兩層交界面處進(jìn)行刮毛。擊實(shí)工作完成后將試樣從擊實(shí)筒中推出，依照試驗(yàn)規(guī)范及方案設(shè)計(jì)進(jìn)行電阻率測(cè)試。

試驗(yàn)裝置為自行研制的伏安法電阻率測(cè)試設(shè)備，其測(cè)試部分原理如圖3所示。電源采用交流電供電轉(zhuǎn)換為0.1～30.0 V的直流(DC)電壓，A、V分別為測(cè)試試樣兩端電流和電勢(shì)差的高精度表；Rx為待測(cè)擊實(shí)試樣。對(duì)每個(gè)試樣進(jìn)行了1，3，5，10，12，15，20，25，30 V等不同電壓下的電阻率測(cè)試。為減小潛在電泳、極化以及污染物運(yùn)移等有關(guān)現(xiàn)象產(chǎn)生的可能性，在切換電壓時(shí)應(yīng)不斷地上下顛倒土樣，從而改變與正負(fù)電極接觸。土的電阻率計(jì)算公式為：

(1)

式中，U為實(shí)測(cè)電壓讀數(shù)；I為實(shí)測(cè)電流讀數(shù)；Rx為土的電阻；S為擊實(shí)試樣面積；H為試樣高度。

1.4 試驗(yàn)數(shù)據(jù)修正

為了避免四相電極測(cè)量時(shí)電極擠入給試樣帶來影響，采用二相電極進(jìn)行測(cè)試。二相電極的測(cè)試結(jié)果中包含著兩極銅板土樣間的接觸電阻，而且該處電阻對(duì)于金屬電極和土樣都會(huì)發(fā)生明顯變化，因此，對(duì)不同高度(11.6，8，4 cm)試樣的電阻進(jìn)行測(cè)試，每個(gè)高度取5次測(cè)試結(jié)果對(duì)應(yīng)的中值進(jìn)行線性擬合，得到接觸電阻的值為2.77 Ω，見圖4。

圖4 R-H數(shù)據(jù)修正擬合線Fig.4 R-H data correction fitting curve

2 污染土電阻率測(cè)試分析

2.1 電壓的影響

電壓大小是影響污染土電阻率測(cè)量結(jié)果的重要因素，Sherif Yehia[25]曾認(rèn)為，電阻率性能隨電壓升高會(huì)出現(xiàn)線性、可控制及擊穿3個(gè)階段。在前人研究成果的基礎(chǔ)上，揭示了電壓大小對(duì)污染土電阻率的影響規(guī)律：考慮濃度影響的污染液電阻率隨電壓變化情況如圖5(a)所示，在低濃度下，各不同類型污染液電阻率的變化規(guī)律：氫氧化鈉>硝酸>鹽酸>硫酸；隨著濃度的升高，不同類型酸污染液電阻率均隨著濃度的升高而降低。

如圖5(b)～(f)所示為不同含水率下三酸一堿污染土擊實(shí)土樣的電阻率測(cè)試曲線。從圖中可以看出，擊實(shí)污染土樣的電阻率隨著電壓的增加表現(xiàn)出先減小再逐漸趨于穩(wěn)定的趨勢(shì)。不同含水率下電阻率的變化范圍不同，總體表現(xiàn)為隨著含水率的升高，集中區(qū)段變化范圍從15%時(shí)的(0～300 Ω·m)高區(qū)段降低至23%時(shí)的(0～50 Ω·m)區(qū)段。隨著電壓的增加，電阻率下降趨勢(shì)明顯，隨著電壓的進(jìn)一步增大，變化稍顯平緩。原因在于：電壓的升高使得土體內(nèi)部電子的能量得到提高，更易遷移，導(dǎo)致土樣電阻率降低；采用試觸法和顛倒土樣兩極接觸等，以減小部分電子累積在電極一端而產(chǎn)生極化效應(yīng)的可能。隨著電壓的增加，直流電具備的單向性和試驗(yàn)過程中極有可能觸發(fā)的極化效應(yīng)對(duì)內(nèi)部電子移動(dòng)的影響減小，土顆粒在強(qiáng)電場(chǎng)下發(fā)生導(dǎo)電，電阻率呈現(xiàn)較為穩(wěn)定狀態(tài)。因此，在使用直流電壓進(jìn)行土樣電阻率測(cè)量時(shí)建議采用12～20 V的電壓值。本研究以下討論部分選用電阻率為12 V 電壓對(duì)應(yīng)值。

2.2 含水率及濃度的影響

污染物作用下電阻率與含水率間的關(guān)系，如圖6所示。圖6(a)～(d)依次為不同濃度下的HCl，H2SO4，HNO3，NaOH污染黃土。由圖6(a)～(d)可知，在不同污染物種類及濃度下，隨著含水率的升高，電阻率值均呈現(xiàn)減小的變化趨勢(shì)。其中，未污染擊實(shí)試樣的電阻率與含水率間呈現(xiàn)冪函數(shù)關(guān)系，而圖6(a)～(d)所示HCl，H2SO4，HNO3，NaOH污染土擊實(shí)試樣的電阻率與含水率間表現(xiàn)為線性減小關(guān)系，且相對(duì)未污染土擊實(shí)試樣的電阻率變化顯得較為平緩。

如圖6所示，含水率較低時(shí)，較小的含水率增量使土樣電阻率明顯降低，當(dāng)含水率增加至某一值時(shí)，相同梯度的含水率增量對(duì)土樣的電阻率影響較小，擊實(shí)土樣的電阻率降低幅度也減小。其中，鹽酸、硝酸污染土擊實(shí)試樣的電阻率隨含水率變化規(guī)律相似，都表現(xiàn)為在低濃度下電阻率較大，高濃度下電阻率隨含水率變化曲線相對(duì)集中。NaOH污染土隨濃度增加逐漸降低，隨含水率增加呈接近線性減小。

實(shí)際上，土顆粒和孔隙液成分對(duì)輕型擊實(shí)試樣的電阻率大小起到了決定性作用[26]。當(dāng)土體含水率小于一定值時(shí)，土顆粒難以擠密，同等擊實(shí)條件下的孔隙較大，此時(shí)飽和度也較低，土體內(nèi)部存在大量氣體，土體密實(shí)性較差，顆粒間接觸性較差，且土顆粒周圍的雙電層結(jié)構(gòu)并未完全形成，土體孔隙及土顆粒幾乎不導(dǎo)電，使得土樣產(chǎn)生較大電阻率。反之，當(dāng)擊實(shí)試樣的含水率大于該臨界值時(shí)，土體擁有較高的飽和度，孔隙水的連通性相對(duì)較好，孔隙水的導(dǎo)電性能能夠得到充分發(fā)揮，使得土體孔隙與土顆粒表面的電阻率均減小[27]，擊實(shí)試樣的電阻率也隨之逐漸減小。

圖5 電阻率隨電壓大小變化關(guān)系Fig.5 Relations of resistivity varying with voltage

圖6 電阻率隨含水率變化關(guān)系Fig.6 Relations of resistivity varying with water content

從圖6(a)和(c)中可以看出，污染土的電阻率隨含水率的變化趨勢(shì)與未污染土相似，且電阻率隨濃度的增加均呈現(xiàn)了不同程度的降低，尤其0.1 mol/L 低濃度污染時(shí)降幅最為明顯。且在含水率相同條件下，污染土擊實(shí)試樣電阻率隨著污染濃度的增加而降低；同一濃度下，污染土的電阻率隨含水率升高降幅較小。出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因在于，HCl、HNO3等污染物對(duì)黃土進(jìn)行污染時(shí)，黃土中的化學(xué)成分有較多氧化物等次生礦物，當(dāng)被酸污染后，發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的幾率會(huì)大大增加，生成氯化物以及水分，通過擴(kuò)散作用運(yùn)移至土顆粒之外，增大了孔隙液的連通性，增強(qiáng)了土顆?？紫都巴令w粒表面的電學(xué)性能，且濃度越高，該反應(yīng)進(jìn)行得越完全。具體反應(yīng)方程式[28]如式(2)～(3)所示(以HCl為例)。同時(shí)，土體中含有的微量SiO2，能夠與水發(fā)生雙向可逆的水解反應(yīng)，隨著酸濃度的增大，反應(yīng)式逆向進(jìn)行，水的質(zhì)量分?jǐn)?shù)增大，也使污染土的電阻率降低，反應(yīng)方程式見公式(4)。

(2)

(3)

(4)

從圖6(b)中可以看出，H2SO4污染土的電阻率隨含水率的變化趨勢(shì)也與未污染土擊實(shí)試樣電阻率變化規(guī)律相似，但其電阻率與污染濃度的關(guān)系呈現(xiàn)先減后增的現(xiàn)象，甚至在污染物濃度2.0 mol/L 時(shí),擊實(shí)土樣的電阻率高于未污染[29]。分析其原因可知，較低濃度的硫酸腐蝕性相對(duì)較弱，使得孔隙液成分類似鹽酸和硝酸，離子增多，增大了孔隙液的連通性，導(dǎo)電性能得到增強(qiáng)，促使電阻率降低；隨著硫酸濃度的增加，致使土顆粒間的原生結(jié)構(gòu)破壞以及新生膠結(jié)結(jié)構(gòu)的形成，使得粒徑及孔徑均增大[30]，濃度越高，腐蝕性越強(qiáng)，孔隙液中析出的膠結(jié)物質(zhì)的黏滯作用和沉淀作用極易造成孔隙連通性降低，使得高濃度下電阻率高于未污染土。

(5)

(6)

(7)

(8)

(9)

(10)

3 基本參數(shù)間的相互關(guān)系

3.1 HCl污染與電阻率的關(guān)系

圖7 不同含水率下電阻率-HCl濃度關(guān)系曲線Fig.7 Curves of resistivity vs. HCl concentration with different water contents

圖7為擊實(shí)鹽酸污染試樣的電阻率隨鹽酸濃度變化關(guān)系，由圖可知，隨著污染濃度的增加，擊實(shí)試樣電阻率變化幅度呈指數(shù)關(guān)系減小。在濃度較低時(shí)，電阻率變化幅度大；濃度較高時(shí)，電阻率變化幅度減小且逐漸趨于穩(wěn)定[31]。且隨著含水率的增加，擬合的指數(shù)函數(shù)模型(11)中a值逐漸減小，低含水率時(shí)，b值在-4.8～-6.8左右；高含水率時(shí)，b值在-15左右。這也與前人的研究成果相互契合：一方面，孔隙水的連通性提高，孔隙液導(dǎo)電性能得到改善，使得擊實(shí)土體的導(dǎo)電性能增強(qiáng)，試樣的電阻率值降低；另一方面，鹽酸污染使得土顆粒表面電荷發(fā)生改變。

ρ=aebn，

(11)

式中，ρ為電阻率;n為濃度;a、b為系數(shù)。

3.2 H2SO4污染與電阻率的關(guān)系

圖8為不同含水率下電阻率-H2SO4濃度關(guān)系曲線，從圖中可以看出，隨著污染濃度的增大，粒徑及孔徑均增大，孔隙液中析出的膠結(jié)物質(zhì)的黏滯作用和沉淀作用極易造成孔隙連通性降低，電阻率增加。擬合參數(shù)結(jié)果見表2。其中，0.1～2 mol/L電阻率的擬合度很高，且隨著含水率的升高，式(12)擬合線的斜率逐漸降低，截距也逐漸減小。原因在于，硫酸污染造成了原生結(jié)構(gòu)破壞及新膠結(jié)物的形成，黃土中土顆粒的分解與再造是電阻率升高的主要原因；同時(shí)硫酸污染土通過改變顆粒新生膠結(jié)鹽的綜合作用使得擊實(shí)土樣的孔隙連通性較差，而孔隙水導(dǎo)電是土體中電荷移動(dòng)的重要途徑，因此，硫酸污染土電阻率在濃度稍大時(shí)出現(xiàn)升高。而在0.1 mol/L 時(shí)出現(xiàn)了硫酸污染土電阻率均低于未污染時(shí)的“異常現(xiàn)象”，可能是由于濃度較低時(shí)，腐蝕性較差，孔隙液的離子含量升高，而此時(shí)孔隙連通性并未發(fā)生明顯變化所致。此外，圖8中17%擬合線與試驗(yàn)數(shù)據(jù)存在偏差，17%含水率下，隨著H2SO4污染濃度升高，電阻率呈現(xiàn)增加趨勢(shì)，但在1.0 mol/L和2.0 mol/L時(shí)與擬合線偏差較大，可能是由于該含水率接近擊實(shí)土的最佳含水率，相同擊實(shí)功條件下，污染對(duì)該擊實(shí)土樣的電阻率影響改變較小所致。

ρ=kn+b，

(12)

式中，ρ為電阻率;n為濃度;k、b為系數(shù)。

圖8 不同含水率下電阻率-H2SO4濃度關(guān)系曲線Fig.8 Curves of resistivity vs. H2SO4 concentration with different water contents

表2 擬合參數(shù)結(jié)果Tab.2 Parameter fitting result

3.3 HNO3污染與電阻率的關(guān)系

圖9為電阻率隨HNO3濃度變化關(guān)系。隨著酸污染濃度的升高，土體固相成分組成發(fā)生改變，使得土的電阻率明顯降低直至出現(xiàn)拐點(diǎn)后逐漸趨于穩(wěn)定。一方面孔隙水的導(dǎo)電性得到改善，增加了孔隙水的導(dǎo)電性；另一方面，可能與硝酸污染改變了土的顆粒級(jí)配及液塑限等相關(guān)物理力學(xué)性質(zhì)有關(guān)。利用式(13)對(duì)不同含水率下?lián)魧?shí)試樣的電阻率與污染濃度的關(guān)系曲線進(jìn)行擬合，如圖9所示，擬合結(jié)果中可以看出，由于硝酸污染的影響，電阻率隨濃度升高弱化了含水率的影響。

ρ=aebn+c，

(13)

式中，ρ為電阻率；n為濃度；a，b，c為系數(shù)。

圖9 不同含水率下電阻率-HNO3濃度關(guān)系曲線Fig.9 Curves of resistivity vs. HNO3 concentration with different water contents

3.4 NaOH污染與電阻率的關(guān)系

圖10為電阻率隨NaOH濃度變化關(guān)系，堿污染土的電阻率隨濃度增加逐漸降低，且降低趨勢(shì)越來越小。用式(14)擬合度較高。高含水率下，污染土的b值在0.3～0.6區(qū)間內(nèi)，比低含水率15%時(shí)污染土的b值高5～10倍左右，隨著含水率的升高，a、c兩參數(shù)值逐漸降低。原因在于，氫氧化鈉隨使得孔隙液導(dǎo)電性增強(qiáng)，電阻率減低，與鹽酸及硝酸不同的是，鹽酸和硝酸的電阻率在低濃度時(shí)降低較為明顯，隨濃度升高進(jìn)一步變化較?。粴溲趸c污染土電阻率的降低隨濃度升高呈現(xiàn)逐步變化的趨勢(shì)較為明顯。氫氧化鈉浸潤(rùn)黃土?xí)r的堿土作用，產(chǎn)生的膠結(jié)物質(zhì)(絮狀沉淀、晶體及膠體)會(huì)使擊實(shí)土樣更加密實(shí)，顆粒間距減小，聯(lián)絡(luò)更加緊密，導(dǎo)電性能提高，電阻率降低。

(14)

式中，ρ為電阻率；n為濃度；a，b，c為系數(shù)。

圖10 不同含水率下電阻率-NaOH濃度關(guān)系曲線Fig.10 Curves of resistivity vs. NaOH concentration with different water contents

4 結(jié)論

本研究對(duì)擊實(shí)酸堿污染黃土的電阻率特性進(jìn)行了測(cè)試分析，探明了土的含水率、污染物種類及污染濃度等因素對(duì)擊實(shí)酸堿污染黃土電阻率的影響，研究了擊實(shí)酸堿污染黃土的電阻率特性，得出了以下主要結(jié)論：

(1)擊實(shí)黃土試樣的電阻率隨含水率的增加呈現(xiàn)減小趨勢(shì)，當(dāng)含水率處于較低水平時(shí)，相同梯度的含水率增量使得擊實(shí)試樣的電阻率降低較為明顯；當(dāng)含水率增加至某一臨界值時(shí)，同等梯度的含水率增量使得擊實(shí)試樣的電阻率降低幅度減小。

(2)HCl，H2SO4，HNO3，NaOH污染后黃土體的電阻率變化顯著，土體導(dǎo)電性受土顆粒和孔隙液化學(xué)成分影響顯著。HCl，HNO3，NaOH污染后使黃土體的電阻率明顯降低，且隨濃度增加，降低幅度減??；H2SO4污染黃土擊實(shí)試樣的電阻率值隨污染濃度增加呈現(xiàn)增大趨勢(shì)，原因在于硫酸污染對(duì)土顆粒架構(gòu)的改變以及對(duì)孔隙液成分的影響。

(3)擊實(shí)酸堿污染黃土體的電阻率隨濃度的變化關(guān)系可用具有擬合度較高的相關(guān)曲線進(jìn)行描述，二者的相關(guān)性可以用來通過電阻率法評(píng)價(jià)及預(yù)測(cè)污染土體的侵蝕程度及相關(guān)物理力學(xué)參數(shù)。