凍土電阻率與其溫度的關(guān)系研究

潘林娜，高凌霞，李順群

(1.天津城建大學 土木工程學院，天津 300384；2.大連民族大學 土木建筑工程學院，遼寧 大連 116605)

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凍土電阻率與其溫度的關(guān)系研究

潘林娜1，高凌霞2，李順群1

(1.天津城建大學 土木工程學院，天津 300384；2.大連民族大學 土木建筑工程學院，遼寧 大連 116605)

為研究凍土電阻率與溫度的關(guān)系，采用自制電阻測量裝置，對不同溫度的砂土和黏土試樣進行了電阻測試。結(jié)果表明，當溫度大于0 ℃時，土的電阻率變化不大；當溫度小于0 ℃時，土的電阻率隨溫度的下降而明顯上升。出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因在于，當溫度降低至0 ℃以下時，土中水分隨溫度的降低將逐漸部分或全部凍結(jié)為冰，而冰的電阻率大于液態(tài)水的電阻率。此外，凍土的電阻率還與土的類型有關(guān)，在干密度、含水量、溫度均相同的條件下，砂土的電阻率大于黏土的電阻率。

土的電阻率；溫度；砂土；黏土

電阻率是表征土的結(jié)構(gòu)組成和力學性質(zhì)的重要參數(shù)之一，是土體導電性能的基本物理量。長期以來，國內(nèi)外學者主要應(yīng)用土的電阻率反映土的含水率、孔隙率、飽和度、土質(zhì)類型、礦物成分等特性。如查甫生等研究了土的電阻率理論在環(huán)境巖土、擊實土的特性評價和地基處理效果評價方面的應(yīng)用[1]；Samouelian闡述了電阻率在土壤科學中的應(yīng)用，指出土壤電阻率是土壤理化因子的函數(shù)關(guān)系[2-3]。總體來看，電阻率在普通土體工程中的研究已經(jīng)比較深入，而對特殊土，如凍土電阻率特性研究較少且不夠深入。

受土的形成機理及其應(yīng)力歷史等因素的影響，土的類型繁多，不同土的電阻率特性不盡相同。因而探究不同土體的電阻率與熱力學性質(zhì)的關(guān)系，加強對土體電阻率的認識，才能更好的應(yīng)用土體電阻率特性去解決工程實際問題。

在分析前人的研究成果基礎(chǔ)上，本文主要討論了在±20 ℃范圍內(nèi)，土的電阻率與溫度的關(guān)系。通過測量土體在不同溫度下的電阻，得出了砂土和黏土的電阻率與溫度之間的關(guān)系，并分析了凍土與常溫土之間電阻率存在差別的原因。研究凍土電阻率與溫度的關(guān)系，有助于電阻率理論在環(huán)境巖土工程方面更好的應(yīng)用，為使用電測法測量土工參數(shù)提供了理論依據(jù)。

1　溫度對凍土電阻率的影響機理

凍土與常溫土的電阻率特性不同主要是由于凍結(jié)過程中孔隙水含量不同，而溫度的變化是未凍水含量變化的主要原因。溫度對土壤電阻率的影響分為兩種途徑：一種是溫度對土壤骨架以及孔隙水的電阻率的影響；另一種是溫度低于0 ℃時，土壤中水凍結(jié)之后對土壤電阻率的影響[4]。

孔隙水的導電性隨著溫度的降低會逐漸降低，當水溫處于0 ℃以下時，部分孔隙水凝結(jié)成冰，由于水在冰凍狀態(tài)下具有弱導電性，故發(fā)生相變的孔隙水電阻率將會大大增加，原來呈現(xiàn)導電特性的孔隙水電阻值將會發(fā)生突變[5]。

依據(jù)凍土物理學的基本原理，土壤中的孔隙水含量將隨著溫度的下降而下降[6-7]。相應(yīng)的，土壤骨架的電阻率隨溫度下降而下降。當溫度變化在±20 ℃范圍之內(nèi)時，土壤骨架電阻率隨溫度變化很小，故溫度對凍土電阻率的影響主要是通過改變凍土中的孔隙水含量來改變凍土的電阻率。

Keller和Frischknecht[8]將溫度T時土的電阻率(ρT)隨溫度的變化按照18℃條件土的電阻率(ρ18)整理為

(1)

式中，ρT為溫度T時的電阻率(Ω·m-3)；ρ18為18 ℃時土體電阻率(Ω·m-3)；T為溫度(℃)；α為試驗常數(shù)，約為0.025 ℃-1。

加速度傳感裝置示意圖如圖4所示,在鋁制圓形管殼內(nèi)固定制備的PDMS薄膜,在薄膜的中心位置粘接圓柱形永磁體質(zhì)量塊,在距永磁體上表面 D=5 mm 處固定磁傳感器通過上位機對讀出采集的數(shù)據(jù),由此組成整個加速度傳感檢測裝置。

2　凍土電阻率試驗方法

2.1室內(nèi)試驗方法

按照電極數(shù)量劃分，現(xiàn)有的土體電阻率試驗方法可分為四相電極法和二相電極法[9-10]，兩者均是基于伏安法測電阻，依據(jù)試樣的橫截面面積和長度換算出土的電阻率。二相電極法通過直接測土樣兩端的電阻來計算土的電阻率，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(jié)果的準確性。四相電極法可有效避免電極極化效應(yīng)對電阻的影響，測試結(jié)果準確，但四相電極法需將電極插入土樣內(nèi)，對土樣的擾動較大，電極插入的深淺也會影響測量結(jié)果的準確性[11]。

通過對試驗方法優(yōu)缺點的比較，本文選用二相電極法。外模選用直徑為46 mm，高度為100 mm的PVC塑料管；電極選用圓形銅板電極，使用數(shù)字萬用表測量電阻；冷凍設(shè)備選用高精度低溫試驗箱，如圖1。

圖1　高精度低溫實驗箱

2.2試樣的制備

試驗土樣采用黏土、砂土，利用PVC塑料管作為外模，制備干密度為1.6 g·cm-3，含水量為10 %的試樣，如圖2。將土樣放入高精度低溫試驗箱內(nèi)冷凍24 h后取出，在其上下兩個表面均勻涂抹一層石墨，將銅片固定在其上下表面，萬用表調(diào)制歐姆檔，選擇合適的量程測量凍土試樣的電阻。利用式(2)計算出凍土試樣在各溫度下的電阻率,即

(2)

式中，ρ為土體的電阻率(Ω·m-3)；R為歐姆表的讀數(shù)(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)。

圖2　試驗土樣

2.3二相電極法接觸電阻的修正

采用二相電極法測定凍土的電阻率，直接測試土樣兩端的電阻，顯然操作方法簡便，但測試結(jié)果受電極與土樣之間的接觸條件影響較大。因而試驗前需要使用石墨等導電優(yōu)良的材料進行耦合，并進行接觸電阻的修正[12]。取測試土樣制成不同高度的試樣，其干密度為1.6 g·cm-3，含水率為10 %。測試這些不同高度試樣的電阻，利用式(2)計算不同高度試樣的電阻率。

用線性方程y=ax+b擬合曲線，當試樣長度為0時，擬合曲線與縱軸的截距即為試樣的接觸電阻率。擬合曲線的系數(shù)a和b見表1，可知砂土的接觸電阻率為17.1 Ω·m，黏土的為5.8 Ω·m。

用所測凍土試樣的電阻，根據(jù)式(2)計算出電阻率，減去其對應(yīng)的接觸電阻率，即可得到土的真實電阻率ρ。

表1　擬合曲線的系數(shù)a和b

3　凍土電阻率與溫度的關(guān)系

土壤溫度為0 ℃以上時，砂土和黏土試樣的電阻率見表2；土壤溫度為0 ℃以下時，砂土和黏土試樣的電阻率見表3；凍土試樣電阻率與溫度關(guān)系曲線如圖3；土壤試樣電阻率與溫度關(guān)系曲線如圖4。

表2　土壤在0 ℃以上時試樣的電阻率　Ω·m-3

表3　土壤在0 ℃度以下時試樣的電阻率　Ω·m-3

圖3　凍土試樣電阻率與溫度關(guān)系曲線圖

圖4　土壤試樣電阻率與溫度關(guān)系曲線圖

由表2、表3并結(jié)合圖3、圖4可知：

(1)凍土的電阻率隨著溫度的下降而上升。其過程可分為：當溫度從20 ℃下降到1 ℃時，砂土的電阻率為176～665 Ω·m-3，黏土的電阻率為69～145 Ω·m-3。在此階段中土的電阻率變化不大。當溫度從1℃下降到-1 ℃時，砂土的電阻率為610～9 296 Ω·m-3，黏土的電阻率為142～2 507 Ω·m-3。在此階段中試樣中的孔隙水發(fā)生相變成冰，由于孔隙水在冰凍狀態(tài)下具有弱導電性，故土壤電阻率在0 ℃發(fā)生了跳變。當溫度從-1 ℃下降到-20 ℃時，砂土的電阻率為9 296～91 964 Ω·m-3，黏土的電阻率為2 059～35 152 Ω·m-3。在此階段中試樣中的孔隙水含量隨著溫度的下降而逐漸下降，故凍土的電阻率隨溫度的下降而明顯上升。

(2)當溫度為1 ℃～20 ℃時，砂土的最大電阻率為665 Ω·m-3，黏土的最大電阻率為145 Ω·m-3；當溫度為-1 ℃～-20 ℃時，砂土的最小電阻率為9 296 Ω·m-3，黏土的最小電阻率為2 059 Ω·m-3。凍土的電阻率明顯大于常溫土的電阻率。主要原因是孔隙水在凍土中以冰晶的狀態(tài)存在，冰的電阻率遠大于水的電阻率，所以凍土的電阻率大于常溫土的電阻率。

(3)在整個試驗過程中，砂土的電阻率最大值為91 964 Ω·m-3，黏土的電阻率最大值為37 184 Ω·m-3。砂土的電阻率大于黏土的電阻率。由此可見，土的類型不同也會影響電阻率的大小。純凈砂土的電阻率幾乎完全由孔隙水的電阻率大小決定；黏土顆粒表面存在雙電層，雙電層中的陰、陽離子在電場的作用下具有導電能力，故黏土導電性大小由土顆粒和孔隙水共同決定。所以砂土的電阻率大于黏土的電阻率。

4　結(jié)　論

從滲流物理學的多孔介質(zhì)模型可知，土壤是一種典型的多孔介質(zhì)。多孔介質(zhì)導電主要通過固體骨架與孔隙內(nèi)的流體導電。溫度是影響土壤電阻率的一個關(guān)鍵因素，由于土壤固體骨架導電性能非常差，溫度主要通過改變土壤的孔隙水的電阻影響土壤電阻率，分析整理以上試驗數(shù)據(jù)可得以下幾點：

(1)隨著溫度的下降，凍土中孔隙水含量不斷降低，凍土的電阻率隨著孔隙水含量的降低而呈上升的趨勢。當溫度大于0 ℃時，土的電阻率變化不大；當溫度小于0 ℃時，土的電阻率隨溫度的下降而明顯上升。

(2)凍土的電阻率大于對應(yīng)常溫土的電阻率。

(3)在相同干密度、相同含水量、相同溫度條件下，砂土的電阻率始終大于黏土的電阻率。

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(責任編輯鄒永紅)

Study on the Relationship Between Resistivity and Temperature of Frozen Soil

PAN Lin-na1, GAO Ling-xia2, LI Shun-qun1

(1.School of Civil Engineering, Tianjin Chengjian University, Tianjin 300384, China; 2.School of Civil Engineering, Dalian Minzu University, Dalian Liaoning, 116605, China)

In order to study the relationship between resistivity and temperature of frozen soil, the resistance tests of sand and clay samples at different temperatures were carried out by self-made resistance measuring device. The results show that when the temperature is greater than 0 ℃, the resistivity of the soil changes little. However, when the temperature is less than 0 ℃, the resistivity of the soil will increase obviously with the decrease of temperature. The reason for this phenomenon is that when the temperature is reduced to 0 ℃, the water in the pore will gradually be frozen partially or completely. And the resistivity of the ice is greater than that of the liquid water. In addition, the electrical resistivity of frozen soil is related to its type. For example, the resistivity of frozen sand is greater than that of frozen clay at same dry density, water content and temperature.

soil resistivity; temperature; sand; clay

2096-1383(2016)05-0501-04

2016-07-28；最后

2016-07-30

天津市自然科學基金重點項目(16JCZDJC39000) ；中央高校基本科研業(yè)務(wù)費專項資金資助項目(DC201502040402)。

潘林娜(1992-), 山東德州人，土木工程學院碩士研究生，主要從事環(huán)境巖土研究。

高凌霞 (1976-)，甘肅會寧人，副教授，博士，主要從事巖土工程研究。

TU445

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