李 莎，陽 磊，劉 杰

(1.重慶交通大學(xué) 水工建筑物健康診斷技術(shù)重慶市高校工程研究中心，重慶 400074；2.重慶交通大學(xué)土木工程學(xué)院，重慶 400074)

電阻率是一種代表土體基本物理特性的參數(shù)，也是檢測(cè)填方體壓實(shí)度、堤壩滲漏、金屬污染，以及研究土的微觀形態(tài)結(jié)構(gòu)、土壤水分遷移規(guī)律等的重要參數(shù)[1-4]。土體是由固體土顆粒、孔隙水和空氣組成的三相復(fù)合體，影響土壤電阻率的因素包括：①與土體顆粒微觀結(jié)構(gòu)相關(guān)，例如土體顆粒形狀、排列組合、陰陽離子交換能力；②與溶液和環(huán)境相關(guān)的因素，如含水率、溶液中陰陽離子組成、溫度變化等；③與土體孔隙相關(guān)，例如孔隙率大小以及孔隙之間的連接情況等[5-7]。

國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者針對(duì)土的電阻率性質(zhì)開展了較為深入的研究。LOPA M S等[8]研究了砂-膨潤(rùn)土混合物在不同混合比條件下的電阻率特性，為土壤污染檢測(cè)、襯墊泄漏檢測(cè)等提供數(shù)據(jù)支撐。楊志浩等[9]基于范德堡原理，通過動(dòng)三軸試驗(yàn)對(duì)非飽和試樣水分遷移規(guī)律進(jìn)行了研究，證明了降雨、動(dòng)荷載、路基壓實(shí)度和列車軸重對(duì)路基內(nèi)水分遷移均產(chǎn)生影響而導(dǎo)致路基病害。李瑞珂等[10]基于四相電測(cè)法對(duì)不同壓實(shí)度土樣的電阻率、極化率開展了室內(nèi)試驗(yàn)，研究表明電阻率更適用于檢測(cè)土體含水率，極化法能夠更好地檢測(cè)土體壓實(shí)度。宋杰等[11]提出了基于與電阻率特性的非飽和土壓實(shí)質(zhì)量快速定量的評(píng)價(jià)方法。韓光男等[12]利用高密度電阻率法對(duì)填方體壓實(shí)度進(jìn)行了研究。朱才輝等[13]研發(fā)土電阻率-固結(jié)聯(lián)合測(cè)定儀測(cè)定了黃土在恒定荷載下的電阻率動(dòng)態(tài)變化規(guī)律，初步揭示了黃土體發(fā)生變形的微觀演化規(guī)律。王日升等[14]對(duì)不同土石比、壓實(shí)度的多相土石復(fù)合介質(zhì)在飽水過程中的電阻率進(jìn)行了研究，確定了飽和度、土石比以及壓實(shí)度之間的相關(guān)規(guī)律。電阻率值大小與多種因素相關(guān)，Archie[15]初步建立了飽和砂土電阻率與孔隙水電阻率的聯(lián)系；在Archie的試驗(yàn)基礎(chǔ)上，有學(xué)者考慮了砂土飽和度對(duì)電阻率的影響[16]；Waxman等[17]又進(jìn)行了黏性土顆粒表面導(dǎo)電性對(duì)電阻率的影響研究。

不同種類的土體之間性質(zhì)存在較大的差異，其電阻率特性也有所不同。全風(fēng)化軟巖填料巖性較為特殊，風(fēng)化程度較高且強(qiáng)度低、抗變形能力差，作為路基填料需要全面掌握其物理特性。通過電阻率測(cè)試來判斷全風(fēng)化軟巖填料的物理性質(zhì)，研究全風(fēng)化軟巖填料顆粒粒徑以及粗顆粒含量對(duì)其電阻率特性的影響，為路基填筑施工、壓實(shí)質(zhì)量檢測(cè)以及有限元模型建立提供理論依據(jù)。

1 試驗(yàn)方法

1.1 試驗(yàn)土料及試驗(yàn)儀器

本次試驗(yàn)所取土料為某高速沿線全風(fēng)化軟巖填料，包括全風(fēng)化泥質(zhì)砂巖和全風(fēng)化粉砂巖，其風(fēng)化程度較高，強(qiáng)度較低。土料在試驗(yàn)前進(jìn)行風(fēng)干、烘干。用振篩機(jī)對(duì)土樣進(jìn)行篩分，將土料順次通過20、10、5、2、1、0.5、0.25、0.075 mm的篩孔(圖1)。填料磨圓度較高，形狀呈長(zhǎng)扁球體。全風(fēng)化泥質(zhì)砂巖液限約為30%，塑限約為16%。試驗(yàn)儀器為CSK-V1型多功能電動(dòng)擊實(shí)儀，多功能電法儀等。

圖1 試驗(yàn)土料

1.2 土的電阻率試驗(yàn)原理

電阻率是用于表示結(jié)構(gòu)導(dǎo)電性的一種參數(shù)，與其幾何性質(zhì)無關(guān)。全風(fēng)化泥質(zhì)砂巖填料的微觀導(dǎo)電機(jī)理主要可以分為以下2種情形：①自由水中的離子在電場(chǎng)作用下發(fā)生轉(zhuǎn)移，通過土體的連通孔隙和骨架通道形成電流從而導(dǎo)電；②砂巖內(nèi)部孔隙含有少量的泥質(zhì)膠結(jié)物，其表面吸附大量的Al3+和Mg2+陽離子。在外界電場(chǎng)作用下，吸附能力較差的陽離子開始剝離，進(jìn)入水中與水化陽離子交換位置發(fā)生水化反應(yīng)，從而形成雙電層，雙電層中的擴(kuò)散層和吸附層導(dǎo)電。根據(jù)歐姆定律，采用二相電極法測(cè)試試樣的電阻率。通過測(cè)量流經(jīng)單位體積土體兩端的電流和電壓來計(jì)算電阻率大小，電阻率定義式見式(1)：

(1)

式中ρ——電阻率，Ω·m；U——試樣兩端電壓值，V；A——試樣橫截面面積，m2；I——試樣兩端電流值，A；L——試樣長(zhǎng)度，m。

1.3 試驗(yàn)方案

根據(jù)《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》按照制備擊實(shí)土樣，分別制備不同土料、級(jí)配、含水率的土樣，來研究全風(fēng)化軟巖填料電阻率特性。試驗(yàn)步驟如下。

a)為研究不同粒徑的全風(fēng)化軟巖的電阻率特性，制備單粒徑組的全風(fēng)化泥質(zhì)砂巖和全風(fēng)化粉砂巖土樣，其中4種單粒徑組分別為粒徑0.075～0.250 mm含量100%、粒徑0.25～0.50 mm含量100%、粒徑0.5～1 mm含量100%、粒徑1～2 mm含量100%。為了便于對(duì)比分析比較，選取2種土料分別進(jìn)行控制含水率相等、控制壓實(shí)度和飽和度相等的試驗(yàn)，具體見表1。

表1 單粒徑組試驗(yàn)方案

b)為研究級(jí)配對(duì)全風(fēng)化軟巖電阻率特性的影響，制備不同級(jí)配全風(fēng)化泥質(zhì)砂巖填料的擊實(shí)試件，并開展擊實(shí)試驗(yàn)，級(jí)配曲線見圖2。每個(gè)擊實(shí)試樣制備完成后，把試樣平放在兩銅片之間使之緊密接觸，并將其接入電路，打開電源讀取多功能電法儀上面的讀數(shù)，利用電阻率定義式計(jì)算電阻率，測(cè)試3次取平均值。每個(gè)試樣的底面積和高度一定，因此不存在試樣底面積和高度大小對(duì)電阻率的影響。電阻率測(cè)試完成后，在試樣中心取出代表性試樣進(jìn)行含水率測(cè)試，并計(jì)算出每個(gè)試樣的干密度，具體見表2。

圖2 級(jí)配曲線

表2 全風(fēng)化泥質(zhì)砂巖全級(jí)配試驗(yàn)方案

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 粒徑對(duì)電阻率的影響

粒徑對(duì)全風(fēng)化軟巖填料電阻率的影響結(jié)果見圖3、4。在含水率一定的條件下，可以看出隨著粒徑的不斷增大，全風(fēng)化軟巖的電阻率也不斷增大；在同種粒徑組條件下，全風(fēng)化泥質(zhì)砂巖的電阻率小于全風(fēng)化粉砂巖。在壓實(shí)度和飽和度一定的情況下，隨著粒徑的增大，全風(fēng)化軟巖填料的電阻率也隨之增大。土顆粒越小則其與水分子之間接觸更加緊密和均勻，連通的孔隙水通道就越多，電流越容易通過，證明顆粒粒徑大小對(duì)全風(fēng)化軟巖填料的電阻率有一定明顯的影響。粒徑越小的土顆粒越容易導(dǎo)電，因此電阻率較小。全風(fēng)化粉砂巖的電阻率大于全風(fēng)化泥質(zhì)砂巖原因可能有以下2個(gè)方面：一是由于粉砂巖內(nèi)部孔隙率大于泥質(zhì)砂巖，較高的空氣含量阻礙了電流的傳導(dǎo)；二是由于泥質(zhì)砂巖存在少量的泥質(zhì)膠結(jié)物導(dǎo)致其與孔隙水發(fā)生水化反應(yīng)形成雙電層導(dǎo)電，因此泥質(zhì)砂巖填料的電阻率較小。

圖3 含水率一定時(shí)粒徑對(duì)電阻率的影響

圖4 壓實(shí)度和飽和度一定時(shí)粒徑對(duì)電阻率的影響

2.2 不同級(jí)配對(duì)電阻率的影響

在不同級(jí)配條件下，試樣的壓實(shí)特性與電阻率特性的試驗(yàn)結(jié)果見圖5—8。試驗(yàn)結(jié)果表明，隨著含水率的增大，全風(fēng)化泥質(zhì)砂巖填料的干密度先增大后減小，取拋物線峰值為最大干密度，對(duì)應(yīng)的含水率為最優(yōu)含水率。圖9表示當(dāng)壓實(shí)度相同時(shí)，各級(jí)配的電阻率隨著含水率的增大而降低，且變化趨勢(shì)逐漸變緩。電阻率的下降趨勢(shì)大致呈3個(gè)階段，具體表現(xiàn)為：當(dāng)含水率較小時(shí)，電阻率下降速度較快；含水率繼續(xù)增大到達(dá)某一定值附近時(shí)，電阻率緩慢下降；當(dāng)含水率較高時(shí)，電阻率進(jìn)入逐漸平緩穩(wěn)定階段。

圖5 P5含量為7%時(shí)的干密度、電阻率與含水率曲線

圖6 P5含量為22%時(shí)的干密度、電阻率與含水率曲線

圖7 P5含量為37%時(shí)的干密度、電阻率與含水率曲線

圖8 P5含量為55%時(shí)的干密度、電阻率與含水率曲線

圖9 壓實(shí)度90%時(shí)不同級(jí)配的含水率與電阻率曲線

在電阻率快速下降階段，同一級(jí)配下的干密度首先隨著含水率的增加而增大，干密度越大則壓實(shí)度越大，使得顆粒之間的孔隙率降低，且隨著含水率的增大，土體孔隙通道被打開從而貫通性較好，土顆粒表面的礦物離子遇水發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，單位體積土顆粒電離的離子數(shù)量逐漸增多，導(dǎo)電能力也隨之提高，因此電阻率值顯著下降。在電阻率緩慢下降階段，顆粒間的空隙逐漸被自由水填充，飽和度到達(dá)一定程度后，含水率的繼續(xù)增大并不能使土顆?？紫吨g的連接通道發(fā)生改變，此時(shí)土顆粒表面的礦物離子水化反應(yīng)呈較好狀態(tài)，因而電阻率值隨著含水率增加而減小的趨勢(shì)變得緩慢了。隨著含水率的進(jìn)一步增大，孔隙通道被水填充滿，電阻率幅度變化很小，因而進(jìn)入逐漸平緩穩(wěn)定階段。

查甫生等[18]認(rèn)為土體導(dǎo)電包括土顆粒、孔隙水以及土水相串3條導(dǎo)電路徑。級(jí)配4土樣電阻率進(jìn)入穩(wěn)定階段時(shí)含水率約為10%，是由于其細(xì)顆粒含量較多，細(xì)粒土的導(dǎo)電性大于粗粒土的導(dǎo)電性，且土體內(nèi)部形狀分布排列比較均勻，較小的含水率就能使電阻率進(jìn)入平滑穩(wěn)定階段。當(dāng)級(jí)配1電阻率進(jìn)入穩(wěn)定期時(shí)含水率大于10%，可能是由于其粗顆粒含量較高，土體內(nèi)部粗粒土的形狀排列阻礙了電流的傳遞，加之粗顆粒內(nèi)部孔隙也更多，部分孔隙水進(jìn)入粗顆粒內(nèi)部孔隙，導(dǎo)致顆粒間孔隙水減少，土水相串路徑下的導(dǎo)電能力遠(yuǎn)低于孔隙水，從而電阻率較高。

2.3 粗顆粒含量對(duì)電阻率的影響

壓實(shí)度最大時(shí)各級(jí)配的電阻率分布見圖10，可以看出土體粗顆粒含量與其電阻率呈線性增大的趨勢(shì)，且粗顆粒含量越高電阻率增長(zhǎng)幅度越大，證明粗顆粒的導(dǎo)電性能略低于細(xì)顆粒，再者粗顆粒含量的增大會(huì)使骨架顆粒的趨同性降低，使得土體內(nèi)部結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜，導(dǎo)致電阻率增大。

圖10 壓實(shí)度為100%時(shí)電阻率隨P5含量的變化

不同級(jí)配下的電阻率與含水率曲線見圖11。從圖中可以看出相同含水率條件下，粗顆粒含量越少，電阻率越小。當(dāng)含水率低于14%時(shí)，粗顆粒含量差異越大則電阻率值相差越明顯，說明粗顆粒含量對(duì)土體電阻率產(chǎn)生了較大的影響；當(dāng)含水率大于14%時(shí)，即使粗顆粒含量相差較大但電阻率值大小差異不明顯。分析其原因，主要是因?yàn)楫?dāng)含水率低于14%時(shí)，相同含水率土樣中粗顆粒含量越大，土體中粗顆粒的骨架作用也越顯著，細(xì)顆粒填充粗顆粒之間的空隙，使得土體內(nèi)部排列結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，粗顆粒含量越大則影響了電流的傳遞路徑，使得土體孔隙通道不夠聯(lián)通，從而導(dǎo)電性較差。相反土體細(xì)顆粒含量較高時(shí)，單位體積中土體顆粒比表面積較大，土體表面吸附的陽離子遇水能夠更好地發(fā)生水化反應(yīng)，且細(xì)顆粒導(dǎo)電性較強(qiáng)，因此電阻率較小。當(dāng)含水率超過14%時(shí)，土體孔隙通道幾乎被水填充，粗顆粒含量和含水率均對(duì)電阻率的影響甚微，電阻率主要與全風(fēng)化泥質(zhì)砂巖填料母巖特性和水化反應(yīng)形成的雙電層導(dǎo)電性相關(guān)。

圖11 不同粗顆粒含量下含水率與電阻率曲線

全風(fēng)化泥質(zhì)砂巖填料電阻率特性兼具砂性土與黏性土特征，與孔隙率、飽和度、土體顆粒膠結(jié)性以及顆粒表面吸附離子電導(dǎo)性等參數(shù)相關(guān)。本文試驗(yàn)結(jié)果表明粗顆粒含量對(duì)全風(fēng)化泥質(zhì)砂巖填料電阻率造成一定影響，將試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行擬合，得出電阻率與含水率呈冪指函數(shù)關(guān)系(表3)。

表3 電阻率與含水率的擬合公式

在前人對(duì)土體電阻率特性研究的基礎(chǔ)上，通過回歸分析，得到全風(fēng)化泥質(zhì)砂巖的含水率、電阻率以及粗顆粒含量的擬合關(guān)系式：

ρ=(18.525P+1362.2)e-(0.2249e0.0002P)ω

(2)

其中，P為粗顆粒含量，可以看出全風(fēng)化軟巖填料的電阻率與粗顆粒含量和含水率相關(guān)。

3 結(jié)論

通過對(duì)不同粒徑、粗顆粒含量和含水率等條件下的全風(fēng)化軟巖填料開展擊實(shí)試驗(yàn)和電阻率測(cè)試，得出了如下結(jié)論。

a)全風(fēng)化軟巖顆粒粒徑越小越容易導(dǎo)電，全風(fēng)化泥質(zhì)砂巖導(dǎo)電性略高于全風(fēng)化粉砂巖。

b)總體來說土體電阻率隨著含水率的增大而呈減小趨勢(shì)。當(dāng)含水率較小時(shí)，電阻率降幅較大；含水率繼續(xù)增大在某定值附近出現(xiàn)拐點(diǎn)，電阻率值進(jìn)入緩慢下降階段；當(dāng)含水率較高時(shí)，電阻率值進(jìn)入逐漸穩(wěn)定階段。

c)土體粗顆粒含量越高導(dǎo)電性弱，當(dāng)含水率小于14%時(shí)，粗顆粒含量的變化對(duì)電阻率產(chǎn)生較大的影響。同時(shí)根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果揭示了土體電阻率與干密度、含水率、粗顆粒含量之間聯(lián)系。