陳松林，汪 魁，趙明階

(1. 重慶交通大學(xué) 河海學(xué)院，重慶 400074； 2. 重慶科技學(xué)院 建筑工程學(xué)院，重慶 401331)

0 引 言

常發(fā)生于地表淺層的地質(zhì)災(zāi)害(如滑坡、塌陷、泥石流等)往往會(huì)對(duì)已建或在建的工程設(shè)施產(chǎn)生非常不利的影響，不同于傳統(tǒng)的巖土介質(zhì)材料，構(gòu)成上述地災(zāi)的固相地質(zhì)體主要為尺寸較小的土顆粒與尺寸相對(duì)較大的塊石。由于此類巖土介質(zhì)在細(xì)觀組成成分尺度上的差異，使得其在相應(yīng)宏觀性質(zhì)的表現(xiàn)上與一般的巖體或土體存在較大差異，如力學(xué)特性、滲透特性、電阻率特性等。為了有別于傳統(tǒng)的巖體或土體，國(guó)外學(xué)者E.W.MEDLEY[1]于1994年第一次提出了土石混合體的概念，他們刻意忽略了傳統(tǒng)地質(zhì)學(xué)上的定義，將巖石塊體鑲嵌在細(xì)粒土體中所構(gòu)成的巖土介質(zhì)稱為Block-in-matrix soils/rocks，并將其命名為Bimsoil，即土石混合體。國(guó)內(nèi)油新華[2]、徐文杰等[3]都對(duì)這種復(fù)雜地質(zhì)體給出了相應(yīng)的解釋并都對(duì)其加以改進(jìn)，這也極大的促進(jìn)了土石混合體的概念在國(guó)內(nèi)相關(guān)研究中的發(fā)展?？偟膩?lái)說(shuō)，我們可以將土石混合體理解為：它是由具有強(qiáng)度、尺寸差異的塊石、細(xì)粒土體組成的極其不規(guī)則巖土介質(zhì)系統(tǒng)，如圖1。

圖1 土石混合體Fig. 1 Soil-rock composite medium

土石混合體雖說(shuō)是一種廣泛存在于自然界中的巖土介質(zhì)材料，但是針對(duì)它的相關(guān)研究卻從上個(gè)世紀(jì)九十年代才開始，由于土石混合體的研究時(shí)間較短，目前國(guó)內(nèi)外相關(guān)的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)與行業(yè)規(guī)范沒(méi)有對(duì)其進(jìn)行單獨(dú)的分類，而將其統(tǒng)一歸為土類。美國(guó)陸軍工程師兵團(tuán)、墾務(wù)局及材料試驗(yàn)學(xué)會(huì)、公路工作者協(xié)會(huì)將土石混合體認(rèn)作粗粒土[4]；地質(zhì)與礦物學(xué)詞典將其稱為混雜巖或混成巖[5]； 《工程地質(zhì)手冊(cè)》將其稱為混合土[6]。總的來(lái)說(shuō)，不同的機(jī)構(gòu)會(huì)根據(jù)各自行業(yè)的側(cè)重點(diǎn)和要求對(duì)土石混合體進(jìn)行不同的分類，建立適用于本行業(yè)使用的分類標(biāo)準(zhǔn)。

作為一種介于單純巖體與土體之間的特殊材料，相比于傳統(tǒng)土體與巖體的強(qiáng)度特征，土石混合體的強(qiáng)度特性存在著較大差異，影響因素眾多，這已為較多研究者所證明[7-8]。但其電阻率特性目前研究較少，國(guó)內(nèi)外學(xué)者也多是對(duì)具有相同物性參數(shù)的介質(zhì)(如砂巖、黏土等)進(jìn)行電阻率特性的研究，鑒于此，國(guó)內(nèi)部分學(xué)者已經(jīng)對(duì)土石混合體的電阻率特性展開初步研究，發(fā)現(xiàn)其影響因素既包括土石顆粒所處環(huán)境屬性，如孔隙內(nèi)液體含量與種類、氣體含量，密實(shí)度，土石比等，也包括土石顆粒自身導(dǎo)電性能的優(yōu)異。筆者將對(duì)其影響規(guī)律進(jìn)行總結(jié)。

為了弄清此種新興巖土介質(zhì)體系的電阻率特性，以便更好地促進(jìn)電阻率無(wú)損檢測(cè)技術(shù)在巖土工程勘探、建設(shè)、運(yùn)營(yíng)等領(lǐng)域的應(yīng)用，筆者首先從物質(zhì)來(lái)源的角度分析了土石混合體的地質(zhì)成因；其次，對(duì)“土”與“石”的電阻特性(導(dǎo)電性能)進(jìn)行討論；然后，對(duì)土石混合體電阻率特性的主要影響因素及其影響規(guī)律進(jìn)行總結(jié)；最后，對(duì)土石混合體電阻率特性研究中的不足進(jìn)行了分析，對(duì)今后的研究重點(diǎn)與研究思路進(jìn)行探討。

1 土石混合體的地質(zhì)成因

土石混合體有著復(fù)雜的形成過(guò)程，這也決定了其與傳統(tǒng)土類有著較大差異，徐文杰等[8]從其關(guān)鍵物性指標(biāo)的角度將土石混合體與傳統(tǒng)巖土體進(jìn)行了區(qū)分，將其劃分為一種新興巖土介質(zhì)體系。其復(fù)雜的地質(zhì)成因也對(duì)其物質(zhì)組成、巖性差異、空間分布有著重要的影響，而這些差異在土石混合體的力學(xué)特性、滲透特性、電阻率特性上得到了體現(xiàn)。因此，分析其地質(zhì)成因?qū)τ诶斫馔潦旌象w與傳統(tǒng)土類的差異有著極其重要的作用。

“物質(zhì)來(lái)源”與“堆積形成的地質(zhì)動(dòng)力作用”兩者共同決定了自然界中的土石混合體，前者決定其物質(zhì)來(lái)源，而后者決定其形成過(guò)程。徐文杰等[3]從搬運(yùn)、堆積等動(dòng)力地質(zhì)作用的角度對(duì)土石混合體的地質(zhì)成因進(jìn)行了總結(jié)，將其分為7種不同的成因。而從塊石物質(zhì)來(lái)源的角度，可將土石混合體的地質(zhì)成因分為風(fēng)化作用、凍融作用、沖刷作用、巖溶作用等4類[9]，不同作用也常常同時(shí)發(fā)生在塊石所處的自然環(huán)境中。

1.1 風(fēng)化作用

作為土石混合體中固相物質(zhì)來(lái)源的主要?jiǎng)恿?，風(fēng)化作用主要指原地表的巖石在相關(guān)物理、化學(xué)作用下導(dǎo)致的破壞，包括一切物理狀態(tài)和化學(xué)成分變化的改變，如圖2。按作用性質(zhì)將風(fēng)化作用又分為物理風(fēng)化、化學(xué)風(fēng)化和生物風(fēng)化3種，在實(shí)際情況中，以上3種風(fēng)化作用一般都同時(shí)或交相作用于地表巖石，進(jìn)而削弱了巖石顆粒之間的連接，內(nèi)部裂隙形成并逐漸擴(kuò)大，最終導(dǎo)致巖石碎裂，這為土石混合體的形成提供了物質(zhì)基礎(chǔ)。

圖2 風(fēng)化作用形成的土石混合體Fig. 2 Soil-rock composite medium formed by rock weathering

1.2 凍融作用

凍融作用是一種與水密切相關(guān)的寒凍風(fēng)化作用，此類風(fēng)化作用主要分布在青藏高原及東北地區(qū)。寒冷地區(qū)的地表巖石在氣溫上下波動(dòng)下，一方面使得巖石顆粒本身經(jīng)歷著不均勻的收縮與膨脹，另一方面使得巖石孔隙內(nèi)的水經(jīng)歷凍脹與融縮，如此循環(huán)往復(fù)作用，使得破壞效果持續(xù)疊加，最終導(dǎo)致巖石發(fā)生破碎。

1.3 沖刷作用

沖刷作用是指在河流、泥石流、雨季暫時(shí)性洪水或季節(jié)性融雪等水流對(duì)其所經(jīng)地段內(nèi)巖體的動(dòng)力擾動(dòng)作用，如圖3。在較大沖刷作用力下，水流對(duì)沖刷巖體產(chǎn)生摩擦、撞擊作用，從而發(fā)生土石流失、剝蝕、裂隙化，然后逐漸破裂成塊狀或者將大塊石打磨成近似圓形的礫石與卵石等。在山高地陡的地形條件下，沖刷作用是土石混合體物質(zhì)來(lái)源的重要途徑。

圖3 河流沖刷作用Fig. 3 River scouring

1.4 巖溶作用

巖溶作用是地下水與地表水對(duì)可溶性巖石進(jìn)行溶解、破壞、改造等的地質(zhì)作用，也稱喀斯特，巖溶作用常見于我國(guó)三峽庫(kù)區(qū)、云貴高原地區(qū)。在巖溶作用下，巖體結(jié)構(gòu)部分呈現(xiàn)出孔洞化、裂隙化，直至最后發(fā)生失穩(wěn)、破碎，這些破碎的巖體可能會(huì)隨水流經(jīng)過(guò)搬運(yùn)再堆積，也可能就地堆積，無(wú)論哪一種堆積方式，其都是土石混合體塊石的物質(zhì)來(lái)源之一。

2 “土”與“石”的電阻特性

“電阻特性”也稱之為“導(dǎo)電性能”，“土”與“石”在導(dǎo)電性能上的差異對(duì)土石混合體的視電阻率影響較大，這也是由土石顆粒自身性質(zhì)所決定。而對(duì)于“土”與“石”如何進(jìn)行區(qū)分，研究人員多用“土石閾值”這一物性指標(biāo)對(duì)其進(jìn)行描述。

2.1 土石顆粒粒徑閾值

土石閾值是區(qū)分“土”與“石”兩者尺寸大小的一個(gè)定量指標(biāo)，也是進(jìn)行土石混合體相關(guān)室內(nèi)模型試驗(yàn)的一個(gè)重要物性指標(biāo)。目前，土石閾值的常見取值主要有以下5種，見表1。

表1 土石閾值取值Table 1 The values of soil and rock threshold

因此，若巖土顆粒粒徑d≥dS/RT，將其定義為“石”；若d

2.2 “土”與“石”的導(dǎo)電性能

2.2.1 土的導(dǎo)電性能

土的導(dǎo)電特性常常被視作土體相關(guān)物理屬性(如內(nèi)部結(jié)構(gòu)、含水量、流體成分等)在時(shí)間與空間變化上的表征[17]。通過(guò)研究，發(fā)現(xiàn)土顆粒的導(dǎo)電性在不同方式、不同程度上受以下幾個(gè)方面的影響：

1) 固體顆粒的性質(zhì)與排列。如圖4，不同固體成分顯示出極大差異的導(dǎo)電性，如：鹽漬土電阻率僅為1 Ω·m，而覆蓋結(jié)晶巖的干土電阻率卻是鹽漬土電阻率的幾十萬(wàn)倍。固體顆粒導(dǎo)電性取決于顆粒尺寸及顆粒表面的電荷密度，如黏土顆粒由于具有很大的比表面積，與粗顆粒的土體相比，黏土顆粒表面更多的電荷賦存使得導(dǎo)性性能更好。而孔隙的幾何形狀(孔隙分布與形式)在不同含水量下決定著其內(nèi)部空氣與水的分布比例，同樣對(duì)其導(dǎo)電性產(chǎn)生影響，如“阿爾奇方程”。

圖4 陸域材料電阻率典型變化范圍Fig. 4 Typical variation ranges of electrical resistivities of earth materials

2) 含水量。土體中的電流取決于孔隙中水的含量及其特性。D.MICHOT等[18]都對(duì)不同類型黏土體含水量與電阻率的關(guān)系進(jìn)行了研究，認(rèn)為含水量越高，土體導(dǎo)電性越好，且含水量增至一定范圍后，電阻率趨于穩(wěn)定；V.C.GOYAL等[19]認(rèn)為含水量與電阻率之間存在線性關(guān)系；A.I.POZDNYAKOV等[20]認(rèn)為它們之間是指數(shù)函數(shù)關(guān)系。

3) 孔隙液體組成與溫度。導(dǎo)電性與填充于孔隙內(nèi)液體中離子濃度及其流動(dòng)性有關(guān)。R.J.KALINSKI等[21]研究了具有不同導(dǎo)電性的水與其電阻率的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)水含量越高，電阻率越低。查甫生等[22]研究了含有不同濃度NaCl的膨脹土電阻率與含水量的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)同一含水量下，離子濃度越高，電阻率越低。而溫度升高，流體黏度下降，離子的運(yùn)動(dòng)能力得到進(jìn)一步加強(qiáng)。

2.2.2 巖石的導(dǎo)電性能

巖石本身具有極高的電阻，如圖4，因此巖石的導(dǎo)電性主要由巖石顆粒邊界和巖石孔隙內(nèi)液體所決定。孫建國(guó)[23]將巖石的導(dǎo)電分為離子導(dǎo)電型和電子導(dǎo)電型，而后者主要針對(duì)致密性非常強(qiáng)的巖石。由圖4也能得知不同巖性、同一巖性不同形成過(guò)程的巖石在導(dǎo)電性能上有著明顯的不同。

2.3 “土”與“石”的聯(lián)接與占比

在實(shí)際的土石混合體介質(zhì)體系中，其內(nèi)部土石聯(lián)接與排列非常復(fù)雜，為了便于電阻率的理論研究，學(xué)者多將土石混合體內(nèi)部“土”與“石”的聯(lián)接簡(jiǎn)化成串-并聯(lián)結(jié)構(gòu)模型，如圖5。

圖5 土石串-并聯(lián)結(jié)構(gòu)模型Fig. 5 Structure model of soil and rocks connected in series and in parallel

趙明階等[24]將土石混合體中土、石、水、空氣等效為并聯(lián)結(jié)構(gòu)模型且認(rèn)為干燥土、石、空氣電阻率無(wú)窮大，得到了土石混合體的電阻率方程，但此電阻率方程不能對(duì)不同土石占比下的土石混合體電阻率進(jìn)行預(yù)測(cè)。汪魁等[25]將土與石的聯(lián)接方式看作串-并聯(lián)結(jié)構(gòu)，考慮了不同土石占比的影響，推導(dǎo)了土石串-并聯(lián)電阻率結(jié)構(gòu)模型，如式(1)：

(1)

式中：f為土石體積占比；α為土石并聯(lián)部分所占比例；ρ土、ρ石、ρw分別為土、石、孔隙水的電阻率；γ土、γ石、γw分別為土、石、孔隙水的容重；n為孔隙率；w為含水量。

ZHOU Zhong等[26]考慮土石顆粒自由混合會(huì)使得土石混合體部分大孔隙被細(xì)顆粒土體所填充，導(dǎo)致其混合后實(shí)際整體體積較理論混合后變小，所得到的修正串-并聯(lián)混合電阻率模型為：

(2)

式中：α為土石串聯(lián)部分所占比例；n1、n2分別為土石混合前、后所對(duì)應(yīng)的孔隙率；Sr(1)、Sr(2)分別為土石混合前、后所對(duì)應(yīng)的飽和度；C土、C石分別為土、石所占體積比；ρ土、ρ石分別為土、石的電阻率；m、p分別為膠結(jié)系數(shù)與飽和度指數(shù)。

由此可得，土石體積占比是一個(gè)不容忽視的變化因素，其大小影響著土石混合體內(nèi)部組分構(gòu)成比例，進(jìn)而影響土石混合體的電阻率屬性，而在部分文獻(xiàn)中也稱為“土石比”。但目前對(duì)土石比定義卻未能形成一致，鐘祖良等[7]從塊石的質(zhì)量、體積、面積、線性長(zhǎng)度4個(gè)不同的統(tǒng)計(jì)角度對(duì)其進(jìn)行了相應(yīng)的定義與總結(jié)。其中從塊石質(zhì)量、體積的角度進(jìn)行土石比統(tǒng)計(jì)與定義主要用于土石混合體的相關(guān)室內(nèi)試驗(yàn)研究，而從塊石面積、線性長(zhǎng)度的角度進(jìn)行土石比的統(tǒng)計(jì)與定義主要用于土石混合體的室外現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試試驗(yàn)。

無(wú)論從以上哪個(gè)角度進(jìn)行土石比的統(tǒng)計(jì)，徐文杰等[3]以含石量占比多少將土石比大致分為3個(gè)區(qū)間范圍，不同區(qū)間范圍內(nèi)有著不同的含石量、不同的內(nèi)部細(xì)觀結(jié)構(gòu)，進(jìn)而在電阻率特性上有著不同的主導(dǎo)作用，如：含石量大于75%時(shí)，此時(shí)“塊石”居多，“土體”較少，“塊石”之間形成緊密接觸，“土體”充填于土石混合介質(zhì)中“塊石”骨架內(nèi)，“塊石”在電阻率特性上占據(jù)主導(dǎo)作用。

3 土石混合體電阻率特性影響規(guī)律研究

不同因素以不同方式、不同程度對(duì)土石混合體電阻率特性產(chǎn)生影響，主要包括含水量、密實(shí)度、土石比、孔隙率等，部分學(xué)者對(duì)此進(jìn)行了研究，認(rèn)為各影響因素之間在某種程度上具有不確定的相關(guān)性。目前的研究多是以室內(nèi)圓柱形擊實(shí)試件為基礎(chǔ)，進(jìn)行其電阻率的靜態(tài)測(cè)量[27-28]，李居銅等[29]在模型池內(nèi)對(duì)土石混合體進(jìn)行水平推剪試驗(yàn)并進(jìn)行電阻率的同步動(dòng)態(tài)測(cè)量，上述研究都取得了較好的效果。

3.1 含水量對(duì)土石混合體電阻率特性的影響

含水量是影響土石混合體電阻率特性最重要的一個(gè)影響因素，是研究多孔介質(zhì)電阻率特性的首選變量。王日升等[27]對(duì)土石混合體試件進(jìn)行其在飽水過(guò)程中電阻率變化特征的研究，發(fā)現(xiàn)土石比、壓實(shí)度均不相同的試件隨著飽水度的增加，電阻率都呈現(xiàn)下降趨勢(shì)；李居銅等[29]將模型池內(nèi)不同土石比的土石混合體模型在差異水環(huán)境下進(jìn)行水平推剪試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)浸水條件下模型的電阻率比正常條件下模型的電阻率小得多；趙明階等[24]對(duì)土石混合體擊實(shí)試件進(jìn)行電阻率的靜態(tài)測(cè)量，發(fā)現(xiàn)其電阻率隨著含水量的增加呈冪函數(shù)衰減；汪魁等[25]在構(gòu)建了土石混合體導(dǎo)電特性的物理模型基礎(chǔ)上，建立了土石混合體電阻率與物理特征參數(shù)之間的理論關(guān)系式，從理論上建立了電阻率與含水量的關(guān)系，并將試驗(yàn)值與理論值進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)兩者之值吻合程度很高。

總結(jié)發(fā)現(xiàn)，無(wú)論采取何種試驗(yàn)手段，含水量的增加都會(huì)使得土石混合體的電阻率呈現(xiàn)明顯下降趨勢(shì)，如圖6。如此高的電阻敏感度也為判斷土石混合體內(nèi)部的臨界含水量提供了可能。當(dāng)含水量增大到一定程度時(shí)，電阻率的值幾乎不會(huì)發(fā)生改變，為一定值，此時(shí)土石混合體內(nèi)部孔隙已經(jīng)趨近于完全飽和，飽和度近似為1。

圖6 含水量與電阻率的關(guān)系曲線(土石比6∶4)Fig. 6 Relationship curve between water content and electrical resistivity (soil-rock ratio is 6∶4)

3.2 密實(shí)度對(duì)土石混合體電阻率特性的影響

在室內(nèi)模型試驗(yàn)中，密實(shí)度主要是通過(guò)對(duì)模型試件擊實(shí)、強(qiáng)夯次數(shù)的多少來(lái)表征，其對(duì)土石混合體電阻率特性的影響程度僅次于含水量。王日升等[27]將壓實(shí)度作為試驗(yàn)變量之一對(duì)電阻率特性展開了研究，得出了不同壓實(shí)度條件下試件在飽水過(guò)程中的電阻率變化趨勢(shì)，發(fā)現(xiàn)土石比相同時(shí)，壓實(shí)度越大，電阻率反而越??；趙明階等[24]通過(guò)對(duì)不同擊實(shí)次數(shù)下的模型試件進(jìn)行電阻率測(cè)量，也得到了同樣的變化規(guī)律，即隨著密實(shí)度的增加，電阻率呈減小趨勢(shì)；汪魁[30]在對(duì)不同擊實(shí)次數(shù)的土石混合體試件進(jìn)行電阻率測(cè)量同樣得到上述兩者相同的結(jié)果。因此，密實(shí)度越高，其相應(yīng)土石混合體電阻率就越低，只是不同含水量下降幅度有所差異，而隨著擊實(shí)次數(shù)的進(jìn)一步增加，電阻率逐漸保持穩(wěn)定，其值不會(huì)有較大變化，如圖7。

圖7 不同含水量下?lián)魧?shí)次數(shù)與電阻率的關(guān)系曲線(土石比6∶4)Fig. 7 Relationship curve between compaction times and electrical resistivity under different water content (soil-rock ratio is 6∶4)

針對(duì)密實(shí)度對(duì)電阻率的影響規(guī)律，主要原因可以總結(jié)為：

1)密實(shí)度的增加不僅導(dǎo)致土石混合體孔隙內(nèi)部飽和度的提高，而且其內(nèi)部顆粒表面之間會(huì)有更明顯的“橋接”現(xiàn)象，粒間接觸變大，也會(huì)使得存于孔隙內(nèi)部的高阻性氣體排出，降低了對(duì)電流的阻抗作用，因此其電阻率逐漸降低。

2)當(dāng)密實(shí)度增加到一定程度時(shí)，此時(shí)土石混合體已趨于飽和，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)遭到一定的破壞，且導(dǎo)電電流路徑極大減小，因此此時(shí)土石混合體導(dǎo)電性不再隨密實(shí)度的增加而改變。

3.3 土石比對(duì)土石混合體電阻率特性的影響

土石比不僅影響土石混合體的強(qiáng)度特性，而且對(duì)其他屬性(如滲透特性、電阻率特性)都會(huì)產(chǎn)生影響，而其對(duì)電阻率特性的影響也得到了研究人員的關(guān)注。趙明階等[24]對(duì)不同含水量下土石混合體擊實(shí)試件進(jìn)行了研究，認(rèn)為土石比與電阻率的關(guān)系比較復(fù)雜，當(dāng)含水量為5%時(shí)，電阻率隨含石量的增大而增大，當(dāng)含水量為20%時(shí)，電阻率隨含石量的變化只產(chǎn)生小幅波動(dòng)；汪魁等[28]提出了土石混合體電阻率結(jié)構(gòu)模型，從理論上分析了土石比對(duì)電阻率的影響，得到了相同的結(jié)論，其中當(dāng)含水量增加到一定階段后，含石量的增加反而導(dǎo)致電阻率值輕微下降；王日升等[27]在對(duì)不同土石比試件飽水過(guò)程電阻率進(jìn)行測(cè)量時(shí)，同樣發(fā)現(xiàn)含石量越高，其電阻率越大；李居銅等[29]認(rèn)為在相同條件下，隨著土石比的增大，土石混合體的初始電阻率減小。

因此，總的來(lái)說(shuō)，含石量的增大會(huì)導(dǎo)致土石混合體電阻率的升高，如圖8。類似變化趨勢(shì)在低含水量條件下更為明顯，即含水量的升高將會(huì)在一定程度上削弱土石比對(duì)整體電阻率的影響，由此也能看出電阻率的大小仍主要取決于土石混合體的含水量。

圖8 不同擊實(shí)次數(shù)下含石量與電阻率的關(guān)系曲線(含水量5%)Fig. 8 Relationship curve between rock content and electrical resistivity under different compaction times (water content is 5%)

針對(duì)含石量對(duì)電阻率的影響規(guī)律，主要原因可以總結(jié)為：

1)塊石含量較小時(shí)，即土石混合體內(nèi)細(xì)顆粒土體較多。相較于巖石等粗顆粒，土顆粒細(xì)小，比表面積大，顆粒表面吸附的大量陽(yáng)離子與顆粒周圍溶液中的離子形成了“雙電層”，這對(duì)土石混合體導(dǎo)電具有很好的促進(jìn)作用，此時(shí)導(dǎo)電性能較好，電阻率小。

2)塊石含量較大時(shí)，此時(shí)土石混合體內(nèi)細(xì)顆粒土體較少。巖石本身具有極高的電阻(圖4)，它的導(dǎo)電性能很差，巖石主要是通過(guò)其孔隙內(nèi)的液體和顆粒邊界進(jìn)行導(dǎo)電，因此當(dāng)含石量較高時(shí)，整體電阻率呈上升趨勢(shì)。

3.4 孔隙率對(duì)土石混合體電阻率特性的影響

孔隙率，也用孔隙比表示，其對(duì)電阻率的影響較含水量、密實(shí)度、土石比都要小得多，不常作為單獨(dú)影響因素進(jìn)行討論。汪魁等[28]在土石混合體電阻率結(jié)構(gòu)模型的基礎(chǔ)上，固定土石比與含水量，研究了孔隙率對(duì)土石混合體電阻率特性的影響，得出結(jié)論：孔隙率越大，電阻率越高；汪魁[30]通過(guò)室內(nèi)土石混合體物理模型試驗(yàn)，討論了孔隙率對(duì)電阻率的影響規(guī)律，同樣發(fā)現(xiàn)孔隙率的增大會(huì)使得其電阻率升高，如圖9。

圖9 不同含水量下孔隙率與電阻率的關(guān)系曲線(土石比6∶4)Fig. 9 Relationship curve between porosity and electrical resistivity under different water content (soil-rock ratio is 6∶4)

究其原因，孔隙率的減小降低了土石混合體內(nèi)部液體附存的空間，但此時(shí)飽和度卻得到了相應(yīng)的增加，因此電阻率反而會(huì)降低。當(dāng)孔隙率增大，含水量為定值時(shí)，飽和度隨之降低，高阻氣體占據(jù)一部分孔隙空間，兩者共同增加了對(duì)電流的阻抗作用。

4 結(jié) 論

1)復(fù)雜的地質(zhì)成因?qū)ν潦旌象w的物質(zhì)組成、巖性差異、空間分布有著重要的影響。土石混合體的形成既包括其物質(zhì)來(lái)源，也包括其堆積形成過(guò)程。筆者主要從土石混合體物質(zhì)來(lái)源的角度對(duì)其地質(zhì)成因進(jìn)行概述，將其成因主要分為風(fēng)化作用、凍融作用、沖刷作用、巖溶作用4種。

2)土石混合體的電阻率不僅與其所處的環(huán)境屬性有關(guān)，也與其土石顆粒自身的導(dǎo)電性能相關(guān)，更與其土石顆粒排列方式及土石占比相關(guān)?！巴痢薄ⅰ笆痹谕潦旌象w介質(zhì)內(nèi)部具有復(fù)雜的排列方式，在電阻率理論研究中多將其簡(jiǎn)化為串-并聯(lián)結(jié)構(gòu)。

3)影響土石混合體電阻率特性因素眾多且影響程度不一，主要有含水量、密實(shí)度、土石比、孔隙率等，部分學(xué)者通過(guò)室內(nèi)物理模型試件與理論模型推導(dǎo)分別對(duì)其影響因素展開了研究，得到了一定的研究成果且效果較好。但目前多是進(jìn)行其電阻率的靜態(tài)測(cè)量，并未結(jié)合常規(guī)土工測(cè)試試驗(yàn)儀進(jìn)行電阻率的動(dòng)態(tài)測(cè)量。土石混合體電阻率的測(cè)量多脫離于其原本所處的有壓環(huán)境，這與其所處的實(shí)際地質(zhì)環(huán)境存在一定差異，而數(shù)值試驗(yàn)可以較好地解決這一不足。因此，未來(lái)的研究重點(diǎn)應(yīng)更多的集中在電阻率的動(dòng)態(tài)測(cè)量，如三軸試驗(yàn)、現(xiàn)場(chǎng)原位試驗(yàn)，以期建立電阻率與力學(xué)參數(shù)之間的關(guān)系，更應(yīng)以數(shù)值試驗(yàn)為研究手段，從細(xì)觀角度對(duì)土石混合體的電阻率特性進(jìn)行研究。

4)土石混合體具有典型的尺寸效應(yīng)，但目前對(duì)其電阻率特性的研究并未考慮到尺寸效應(yīng)的影響，研究對(duì)象多為一定尺寸的模型試件，研究尺度較小，因此，考慮尺寸效應(yīng)在未來(lái)土石混合體相關(guān)特性的研究中應(yīng)成為一種趨勢(shì)。