宋 健, 閆 磊, 李 輝, 周裔波, 程龍飛, 孫 巖
(1. 中交一公局重慶萬州高速公路有限公司, 重慶 404188; 2. 重慶三峽學(xué)院 土木工程學(xué)院, 重慶 404020)
紅層泥巖、粗(細(xì))砂巖廣泛分布于三峽庫區(qū)[1],其電阻率是表征巖石的一種重要地球物理參數(shù),能在一定程度上反映巖石的基本物理屬性,工程中?;陔娮杪侍匦詠硖綔y工程的地質(zhì)條件。電阻率試驗已經(jīng)成為研究巖石微觀結(jié)構(gòu)、物理力學(xué)性質(zhì)及巖石污染特征等的重要方法,此外還廣泛應(yīng)用于油氣勘探工程,具有重要的理論意義和應(yīng)用價值[2,3]。
近年來,一部分學(xué)者針對巖石電阻率受含水率、孔隙率、孔洞分布等方面的影響開展了研究。Archie[4]總結(jié)了大量學(xué)者的試驗,發(fā)表了關(guān)于砂巖電阻率的定律,飽和純凈砂巖電阻率與孔隙水電阻率成線性增加,將比例系數(shù)稱為結(jié)構(gòu)因子。巖土體孔隙系統(tǒng)的分布、連通性以及復(fù)雜性決定著巖土體電阻率,人們對結(jié)構(gòu)因子中的膠結(jié)指數(shù)m進行了深入研究,Hubert Guyod首次將m稱為膠結(jié)指數(shù),但并沒有給出m與膠結(jié)程度和膠結(jié)形狀(孔隙的幾何形狀)的定量關(guān)系[5]。Patnode等[6]將電阻率與內(nèi)部結(jié)構(gòu)(孔隙曲折度、巖土體比面)聯(lián)系在一起。何家歡等[7]通過提取孔洞型碳酸鹽巖儲集層孔隙結(jié)構(gòu)特征參數(shù),利用逾滲網(wǎng)絡(luò)模擬技術(shù)計算孔洞型儲集層基質(zhì)電阻率,確立了孔洞型儲集層巖石電阻率與洞孔隙度之間的關(guān)系。含水溶洞孔隙度越大,儲集層電阻率越??;當(dāng)溶洞孔隙度大于一定閾值時,研究對象的電阻率呈現(xiàn)出接近地層水的特征。
宋杰等[8]通過試驗研究表明,巖石電阻率變化與荷載變化或試件內(nèi)微裂隙發(fā)展密切相關(guān)。等幅循環(huán)加卸載過程中,加載時隨著荷載的增加,巖石的電阻率總體上呈下降的變化趨勢;電阻率變化可以較好地表征單軸等幅循環(huán)加卸載和分級循環(huán)加卸載過程中試件內(nèi)微裂隙發(fā)展情況。此外,Park等[9,10]研究發(fā)現(xiàn)巖石受載會引起其導(dǎo)電性的變化。Masao等[11]研究了受載破壞過程中電阻率隨應(yīng)力變化的規(guī)律,并對電阻率變化的原因進行了初步研究。孫強等[12]分析了巖石壓縮破壞過程中滲透率與電阻率變化之間的關(guān)系,并提出了相應(yīng)的解釋模型。
綜上所述,學(xué)者們主要探討了含水率、荷載、孔洞對巖土電阻率的影響。庫岸邊坡部分巖土處于干濕交替循環(huán)狀態(tài),飽和巖石干燥過程,含水率會發(fā)生變化,在干燥過程中巖石的電阻率特性方面的研究鮮見,仍需開展大量的研究工作。因此,為深入探明紅層泥巖和砂巖干燥過程中電阻率特性,本文以紅層泥巖、砂巖(取自重慶市萬州區(qū)新田長江大橋基坑)為研究對象,并借助二電極法開展電阻率試驗,探討紅層泥巖、粗砂巖、細(xì)砂巖在干燥過程中的電阻率特性。
圖1 紅層泥巖、粗砂巖、細(xì)砂巖(從左至右)
經(jīng)測定巖石直徑為5 cm,長度為9.5 cm,巖石的天然密度和天然含水率如表1所示。
表1 巖石的物理參數(shù)
為了測定飽和巖石在干燥過程中電阻率特性,根據(jù)實驗規(guī)范,飽和巖石的具體制作方法是:在常溫狀態(tài)下,將試件放置在水中,讓其浸泡時間不低于2 d,最終使巖石充分飽和。由于需要測定巖石的電阻率,需防止水中離子對巖石造成污染,將巖石置于燒杯內(nèi),加入蒸餾水淹沒巖石一定深度。2 d后取出試件,用潔凈毛巾擦除巖石表面水跡后,稱其重量,紅層泥巖、粗砂巖和細(xì)砂巖的質(zhì)量分別為471.6,478,464.8 g。
1.2.1 試驗裝置
二電極法在測試巖土體電阻率方面得到廣泛應(yīng)用,具有對試件制作要求較低、測量方法簡單、測量精度高等優(yōu)點。因此,本文采用二電極法開展巖石的電阻率試驗,測試裝置如圖2所示。
為了方便固定巖石,實驗中將巖石放置在長條狀絕緣盒內(nèi),其尺寸為:20 cm×4 cm×4 cm,材料為聚甲基丙烯酸甲酯。兩端設(shè)置一圓形銅電極片,直徑d=5 cm,電極A、B距離lAB=9.5 cm,銅電極和巖石兩端借助石墨導(dǎo)電膠固定,并傳播電流。通過LCR數(shù)字電橋測試巖石的電阻值R[13],在兩銅電極片兩端焊接上導(dǎo)線,減小測試過程對石墨導(dǎo)電膠的粘接狀態(tài)造成影響,提高測量精度。
1.2.2 試驗步驟
(1)確定電流頻率f。本文選取0.1,0.12,1,10,20,30 kHz作為巖石電阻率的測試頻率,開展后續(xù)試驗,深入探討紅層泥巖、粗砂巖和細(xì)砂巖在干燥過程中電阻率的特性。
(2)測量巖石質(zhì)量??傆嫓y量56次,5月4日測量時間段為15:00~23:00,每間隔2 h測量一次,每日共計5次;5月5日測量時間段為1:00~23:00,每日共計10次;5月6日測量時間段為2:00~21:00,每日共計7次;5月7日至5月9日測量時間段為1:00~21:00,每間隔4 h測量一次,每日共計6次;5月10日至5月15日測量時間段為8:00~23:00,每日共計4次;具體測量時間點詳見表2。
表2 巖石質(zhì)量測量時間點
(3)測量電阻值R。借助二電極法測得不同時刻巖石電阻(圖3),測量時間點與步驟2一致。
圖3 巖石電阻率的測定(二電極法)
1.2.3 數(shù)據(jù)處理
將電阻值R代入式(1),計算得出巖石的交流電阻率ρ(Ω·m)。
ρ=RA/L
(1)
式中:A為銅電極片與巖石的接觸面積(m2);L為電極片之間的距離(m)。
試驗過程中用電子溫度計測定實驗室實時溫度,巖石干燥過程中溫度的變化曲線如圖4所示。從圖中可以看出,溫度在17~33 ℃之間波動,波動幅度較大,最大溫差達(dá)16 ℃,主要由于降雨導(dǎo)致溫度變化,平均溫度為24.55 ℃。已有研究表明,巖石電阻率受到溫度的顯著影響,在不同溫度測量得到的巖石電阻率結(jié)果需要校正到某一參考溫度下[14]。
圖4 巖石干燥過程中環(huán)境溫度變化曲線
為了減少溫度對巖土體電阻率ρ的影響,將不同時刻電阻率ρ的測試結(jié)果統(tǒng)一修正為18 ℃的電阻率ρ18(下文簡稱電阻率ρ),溫度修正公式[15]為:
ρ18=[1+α(T-18)]ρ
(2)
式中:T為試驗溫度;ρ18為18 ℃時對應(yīng)的巖石電阻率;α為試驗常數(shù)0.025 ℃-1。
圖5給出了巖石在干燥過程中質(zhì)量的變化曲線。由圖5不難看出,3條曲線的變化規(guī)律類似,都呈下降趨勢。隨著時間推移,巖石孔隙中的水分蒸發(fā)散失,巖石的質(zhì)量不斷減小。紅層泥巖、粗砂巖和細(xì)砂巖的蒸發(fā)過程可劃分為三個階段,分別為快速蒸發(fā)階段(2020/5/4 15:00~2020/5/6 8:00)、減速率蒸發(fā)階段(2020/5/6 8:00~2020/5/8 5:00)和穩(wěn)定階段(2020/5/8 5:00~2020/5/13 23:00),歷經(jīng)時長分別為38,31,138 h。
圖5 巖石質(zhì)量變化曲線
紅層泥巖、粗砂巖和細(xì)砂巖的質(zhì)量在快速蒸發(fā)階段下降速率最快,下降速率分別為0.093,0.12,0.113 g/h,其中粗砂巖蒸發(fā)作用最為顯著。紅層泥巖、粗砂巖和細(xì)砂巖在減速率階段的蒸發(fā)速率分別為0.02,0.019,0.03 g/h。在穩(wěn)定階段巖石的質(zhì)量呈上下波動狀態(tài),主要受氣候的影響,當(dāng)溫度較高時,巖石質(zhì)量下降;當(dāng)為降雨天氣時,溫度較低,空氣濕度較大,巖石呈吸水狀態(tài),質(zhì)量增大。在整個實驗階段,紅層泥巖、粗砂巖和細(xì)砂巖的質(zhì)量總體呈下降趨勢,紅層泥巖的質(zhì)量從471.6 g降低至466.91 g,下降了0.99%;粗砂巖和細(xì)砂巖分別下降了1.6%,1.11%,其中以粗砂巖下降最為顯著;其原因在于粗砂巖的孔隙相對較大,利于水分蒸發(fā)散失。
不同時間節(jié)點測得巖石電阻值,經(jīng)換算成電阻率ρ進行分析,紅層泥巖電阻率ρ變化曲線如圖6所示。
圖6 紅層泥巖交流電阻率變化曲線
分析圖6不難得出,在時序上紅層泥巖的電阻率ρ存在上下波動的現(xiàn)象,其中曲線1和2(頻率f=100,120 Hz)波動最大,曲線3(f=1 kHz)次之,曲線4~6(f=10,20,30 kHz)波動最小,且近似平行。但隨著試驗的開展,紅層泥巖中的水分逐漸蒸發(fā),不利于電流傳播。因此,各曲線總體都呈上升趨勢,以曲線1為例進行詳細(xì)分析,當(dāng)電流頻率f=100 Hz,在時序上,紅層泥巖電阻率ρ從202.64 Ω·m上升至294.93 Ω·m,增大45.55%。電流頻率f=0.12,1,10,20,30 kHz對應(yīng)的電阻率ρ,在時序上分別增大46.27%,61.5%,68.52%,79.2%,84.13%;可見,隨著頻率增大,紅層泥巖的電阻率ρ在時序上增幅越大。此外,曲線1~4在2020/5/12 19:00達(dá)到極大值,分別為312.6,302,187.91,108.46 Ω·m;曲線5,6在2020/5/13 8:00達(dá)到極大值,分別為102.89,100.9 Ω·m;隨后呈現(xiàn)上下波動的趨勢,其主要原因在于,氣溫上下波動,影響空氣濕度,進一步影響紅層泥巖的含水率,從而對巖石的導(dǎo)電性造成一定的影響。
作粗砂巖電阻率ρ變化曲線如圖7所示。由圖7可得,各曲線總體呈增大趨勢,但受天氣影響,在局部區(qū)域存在上下波動的現(xiàn)象,但波動幅度較小。在時序上,曲線1~6對于電阻率ρ分別增大915.25%,946.82%,1472.53%,1347.87%,1137.97%,988.22%,其中曲線3(f=1 kHz)增幅最大,曲線1(f=100 Hz)增幅最小。此外,曲線1,2在2020/5/13 8:00增加至極大值,分別為13314.43,13060.33 Ω·m;曲線3~6在2020/5/13 13:00達(dá)到極大值,分別為12524.88,10724.96,8068.56,6665.68 Ω·m。
圖7 粗砂巖交流電阻率變化曲線
細(xì)砂巖的電阻率ρ的變化曲線,如圖8所示。
圖8 細(xì)砂巖交流電阻率變化曲線
分析圖8不難得出,曲線1~3上下波動的幅度較大,但在時序上總體還是呈增大趨勢,從2020/5/4 15:00~2020/5/13 23:00,電阻率ρ分別增大25.86%,26.63%,33.18%;曲線4~6近似平行,且近似于線性分布,各曲線上下波動幅度較小,總體呈增大趨勢,從實驗開始至結(jié)束,電阻率ρ分別增大38.48%,55.54%,66.27%;可見,隨著頻率增大,電阻率ρ在時序上的增幅也越大。曲線1,2在2020/5/6 5:00出現(xiàn)極大值,分別為545.82,526.26 Ω·m;曲線3,4分別在2020/5/5 17:00和2020/5/11 8:00出現(xiàn)極大值,分別為308.46,148.47 Ω·m;曲線5,6在2020/5/12 19:00出現(xiàn)極大值,分別為146.65,133.94 Ω·m。
綜上所述,紅層泥巖、粗砂巖、細(xì)砂巖在干燥過程中電阻率ρ存在上下波動的現(xiàn)象,但總體呈增大趨勢;此外,低頻率(f=100,120 Hz)下電阻率ρ波動較大;高頻率(f=10,20,30 kHz)下電阻率ρ波動較小,3條曲線近似于線性分布。
借助交流電測試電阻值R,可有效避免電化學(xué)效應(yīng)和電動現(xiàn)象的影響,能在很大程度上減小試驗誤差。但電流頻率f對電阻率ρ的測試存在較大的影響,已有的研究成果也尚未得出相應(yīng)定論,電流頻率對電阻率ρ的影響規(guī)律值得探討。整個實驗過程測試了56組電阻值R,選取10組(2020/5/4~2020/5/9的17:00,2020/5/10~2020/5/13的19:00)分析紅層泥巖電流頻率f對交流電阻率ρ的影響,作紅層泥巖電阻率ρ隨電流頻率f的變化曲線,如圖9所示。
由圖9可得,各曲線變化規(guī)律類似,電阻率ρ都是隨著電流頻率f的增大而降低。曲線在初期降低速度較快,隨后趨于平緩。以2020/5/4 17:00為例進行闡述,當(dāng)頻率f由100 Hz增大至1 kHz時,電阻率ρ由264.73 Ω·m降低至152.24 Ω·m,降幅為42.49%;當(dāng)頻率f由1 kHz增大至10 kHz時,電阻率ρ由152.24 Ω·m降低至69.83 Ω·m,降幅為54.13%;當(dāng)頻率由10 kHz增大至30 kHz時,電阻率ρ由69.83 Ω·m降低至56.05 Ω·m,降幅為19.73%。從頻率f由100 Hz增大至30 kHz時,各曲線降低160.32~211.82 Ω·m,降幅為66.59%~78.83%。
進一步分析粗砂巖和細(xì)砂巖電阻率ρ隨電流頻率f的變化規(guī)律,其變化曲線如圖10,11所示。
圖10 粗砂巖電阻率隨電流頻率的變化曲線
對比圖9,10不難發(fā)現(xiàn),兩圖中各曲線的變化規(guī)律類似,電阻率ρ都是隨著電流頻率的增大而降低。但也存在差異,粗砂巖電阻率ρ的變化曲線相對較平緩,下降速率有所降低。當(dāng)電流頻率由100 Hz增大至30 kHz時,電阻率ρ降低28.95%~55.71%。
圖11中各曲線的變化規(guī)律同圖9類似,電阻率ρ隨電流頻率的增大而降低,且初始降低速度較快(曲線斜率較大),隨后逐漸趨于穩(wěn)定。當(dāng)電流頻率由100 Hz增大至30 kHz時,電阻率ρ降低66.02%~84.11%。
圖11 細(xì)砂巖電阻率隨電流頻率的變化曲線
綜上所示,紅層泥巖、粗砂巖、細(xì)砂巖的電阻率ρ都是隨著電流頻率的增大而降低,且初始降低速度較快。
為對比分析紅層泥巖、粗砂巖、細(xì)砂巖的電阻率ρ,選擇2020/5/9 17:00(此時三種巖石質(zhì)量均趨于穩(wěn)定)的電阻率ρ,作三種巖石的電阻率對比圖,如圖12所示。
圖12 紅層泥巖、粗砂巖、細(xì)砂巖電阻率對比
由圖12分析不難得出,三種巖石電阻率ρ由高至低排序為粗砂巖、細(xì)砂巖和紅層泥巖。以頻率f=100 Hz進行闡述分析,粗砂巖、細(xì)砂巖和紅層泥巖的電阻率ρ分別為9669.13,401.38,274.42 Ω·m,粗砂巖的電阻率ρ明顯高于其余兩者,其電阻率ρ是細(xì)砂巖的24.09倍,是紅層泥巖的35.23倍。分析其原因在于,粗砂巖的顆粒粒徑相對較大,巖石的孔隙率大,隨著水分的散失,其孔隙被氣體占據(jù),而氣體的導(dǎo)電性遠(yuǎn)比固體巖石低。因此,粗砂巖的電阻率ρ最大。同理,紅層泥巖的孔隙率比細(xì)砂巖小,導(dǎo)電性相對較強,電阻率ρ較低。
本文基于二電極法,探討紅層泥巖、粗砂巖、細(xì)砂巖干燥過程中質(zhì)量和電阻率的變化規(guī)律,得出以下結(jié)論。
(1)隨著時間推移,巖石孔隙中的水分蒸發(fā)散失,巖石的質(zhì)量不斷減小。巖石蒸發(fā)過程可劃分為三個階段,分別為快速蒸發(fā)階段、減速率蒸發(fā)階段、穩(wěn)定階段。紅層泥巖、粗砂巖和細(xì)砂巖的平均蒸發(fā)速度為0.1,0.174,0.113 g/h;至試驗結(jié)束,質(zhì)量分別降低0.99%,1.6%,1.11%。
(2)為了降低溫度對巖石電阻率測試的影響,應(yīng)將巖石電阻率結(jié)果校正到某一參考溫度下。紅層泥巖、粗砂巖、細(xì)砂巖在干燥過程中電阻率存在上下波動的現(xiàn)象,在低頻段波動較大,在高頻段波動較??;但總體呈增大趨勢,分別增大45.55%~84.13%,915.25%~1472.53%,25.86%~66.27%。
(3)紅層泥巖、粗砂巖、細(xì)砂巖的電阻率都隨著電流頻率的增大而降低,且初始降低速度較快,隨后趨于穩(wěn)定。
(4)三種巖石電阻率由高至低排序為粗砂巖、細(xì)砂巖和紅層泥巖。電阻率與巖石孔隙關(guān)系密切,當(dāng)孔隙被氣體填充時,電阻率增大。