全風化軟巖填料電阻率特性影響因素試驗研究

李 莎，陽 磊，劉 杰

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

電阻率是一種代表土體基本物理特性的參數(shù)，也是檢測填方體壓實度、堤壩滲漏、金屬污染，以及研究土的微觀形態(tài)結構、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合體，影響土壤電阻率的因素包括：①與土體顆粒微觀結構相關，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，例如孔隙率大小以及孔隙之間的連接情況等[5-7]。

國內外許多學者針對土的電阻率性質開展了較為深入的研究。LOPA M S等[8]研究了砂-膨潤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、襯墊泄漏檢測等提供數(shù)據(jù)支撐。楊志浩等[9]基于范德堡原理，通過動三軸試驗對非飽和試樣水分遷移規(guī)律進行了研究，證明了降雨、動荷載、路基壓實度和列車軸重對路基內水分遷移均產(chǎn)生影響而導致路基病害。李瑞珂等[10]基于四相電測法對不同壓實度土樣的電阻率、極化率開展了室內試驗，研究表明電阻率更適用于檢測土體含水率，極化法能夠更好地檢測土體壓實度。宋杰等[11]提出了基于與電阻率特性的非飽和土壓實質量快速定量的評價方法。韓光男等[12]利用高密度電阻率法對填方體壓實度進行了研究。朱才輝等[13]研發(fā)土電阻率-固結聯(lián)合測定儀測定了黃土在恒定荷載下的電阻率動態(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]對不同土石比、壓實度的多相土石復合介質在飽水過程中的電阻率進行了研究，確定了飽和度、土石比以及壓實度之間的相關規(guī)律。電阻率值大小與多種因素相關，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的試驗基礎上，有學者考慮了砂土飽和度對電阻率的影響[16]；Waxman等[17]又進行了黏性土顆粒表面導電性對電阻率的影響研究。

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

1 試驗方法

1.1 試驗土料及試驗儀器

本次試驗所取土料為某高速沿線全風化軟巖填料，包括全風化泥質砂巖和全風化粉砂巖，其風化程度較高，強度較低。土料在試驗前進行風干、烘干。用振篩機對土樣進行篩分，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，形狀呈長扁球體。全風化泥質砂巖液限約為30%，塑限約為16%。試驗儀器為CSK-V1型多功能電動擊實儀，多功能電法儀等。

圖1 試驗土料

1.2 土的電阻率試驗原理

電阻率是用于表示結構導電性的一種參數(shù)，與其幾何性質無關。全風化泥質砂巖填料的微觀導電機理主要可以分為以下2種情形：①自由水中的離子在電場作用下發(fā)生轉移，通過土體的連通孔隙和骨架通道形成電流從而導電；②砂巖內部孔隙含有少量的泥質膠結物，其表面吸附大量的Al3+和Mg2+陽離子。在外界電場作用下，吸附能力較差的陽離子開始剝離，進入水中與水化陽離子交換位置發(fā)生水化反應，從而形成雙電層，雙電層中的擴散層和吸附層導電。根據(jù)歐姆定律，采用二相電極法測試試樣的電阻率。通過測量流經(jīng)單位體積土體兩端的電流和電壓來計算電阻率大小，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——試樣長度，m。

1.3 試驗方案

根據(jù)《土工試驗方法標準》按照制備擊實土樣，分別制備不同土料、級配、含水率的土樣，來研究全風化軟巖填料電阻率特性。試驗步驟如下。

a)為研究不同粒徑的全風化軟巖的電阻率特性，制備單粒徑組的全風化泥質砂巖和全風化粉砂巖土樣，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%。為了便于對比分析比較，選取2種土料分別進行控制含水率相等、控制壓實度和飽和度相等的試驗，具體見表1。

表1 單粒徑組試驗方案

b)為研究級配對全風化軟巖電阻率特性的影響，制備不同級配全風化泥質砂巖填料的擊實試件，并開展擊實試驗，級配曲線見圖2。每個擊實試樣制備完成后，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算電阻率，測試3次取平均值。每個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電阻率的影響。電阻率測試完成后，在試樣中心取出代表性試樣進行含水率測試，并計算出每個試樣的干密度，具體見表2。

圖2 級配曲線

表2 全風化泥質砂巖全級配試驗方案

2 試驗結果分析

2.1 粒徑對電阻率的影響

粒徑對全風化軟巖填料電阻率的影響結果見圖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，全風化軟巖的電阻率也不斷增大；在同種粒徑組條件下，全風化泥質砂巖的電阻率小于全風化粉砂巖。在壓實度和飽和度一定的情況下，隨著粒徑的增大，全風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全風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電，因此電阻率較小。全風化粉砂巖的電阻率大于全風化泥質砂巖原因可能有以下2個方面：一是由于粉砂巖內部孔隙率大于泥質砂巖，較高的空氣含量阻礙了電流的傳導；二是由于泥質砂巖存在少量的泥質膠結物導致其與孔隙水發(fā)生水化反應形成雙電層導電，因此泥質砂巖填料的電阻率較小。

圖3 含水率一定時粒徑對電阻率的影響

圖4 壓實度和飽和度一定時粒徑對電阻率的影響

2.2 不同級配對電阻率的影響

在不同級配條件下，試樣的壓實特性與電阻率特性的試驗結果見圖5—8。試驗結果表明，隨著含水率的增大，全風化泥質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，對應的含水率為最優(yōu)含水率。圖9表示當壓實度相同時，各級配的電阻率隨著含水率的增大而降低，且變化趨勢逐漸變緩。電阻率的下降趨勢大致呈3個階段，具體表現(xiàn)為：當含水率較小時，電阻率下降速度較快；含水率繼續(xù)增大到達某一定值附近時，電阻率緩慢下降；當含水率較高時，電阻率進入逐漸平緩穩(wěn)定階段。

圖5 P5含量為7%時的干密度、電阻率與含水率曲線

圖6 P5含量為22%時的干密度、電阻率與含水率曲線

圖7 P5含量為37%時的干密度、電阻率與含水率曲線

圖8 P5含量為55%時的干密度、電阻率與含水率曲線

圖9 壓實度90%時不同級配的含水率與電阻率曲線

在電阻率快速下降階段，同一級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)生化學反應，單位體積土顆粒電離的離子數(shù)量逐漸增多，導電能力也隨之提高，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，飽和度到達一定程度后，含水率的繼續(xù)增大并不能使土顆粒孔隙之間的連接通道發(fā)生改變，此時土顆粒表面的礦物離子水化反應呈較好狀態(tài)，因而電阻率值隨著含水率增加而減小的趨勢變得緩慢了。隨著含水率的進一步增大，孔隙通道被水填充滿，電阻率幅度變化很小，因而進入逐漸平緩穩(wěn)定階段。

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

2.3 粗顆粒含量對電阻率的影響

壓實度最大時各級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，且粗顆粒含量越高電阻率增長幅度越大，證明粗顆粒的導電性能略低于細顆粒，再者粗顆粒含量的增大會使骨架顆粒的趨同性降低，使得土體內部結構更加復雜，導致電阻率增大。

圖10 壓實度為100%時電阻率隨P5含量的變化

不同級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。當含水率低于14%時，粗顆粒含量差異越大則電阻率值相差越明顯，說明粗顆粒含量對土體電阻率產(chǎn)生了較大的影響；當含水率大于14%時，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，主要是因為當含水率低于14%時，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，細顆粒填充粗顆粒之間的空隙，使得土體內部排列結構較為復雜，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，從而導電性較差。相反土體細顆粒含量較高時，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，且細顆粒導電性較強，因此電阻率較小。當含水率超過14%時，土體孔隙通道幾乎被水填充，粗顆粒含量和含水率均對電阻率的影響甚微，電阻率主要與全風化泥質砂巖填料母巖特性和水化反應形成的雙電層導電性相關。

圖11 不同粗顆粒含量下含水率與電阻率曲線

全風化泥質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、土體顆粒膠結性以及顆粒表面吸附離子電導性等參數(shù)相關。本文試驗結果表明粗顆粒含量對全風化泥質砂巖填料電阻率造成一定影響，將試驗結果進行擬合，得出電阻率與含水率呈冪指函數(shù)關系(表3)。

表3 電阻率與含水率的擬合公式

在前人對土體電阻率特性研究的基礎上，通過回歸分析，得到全風化泥質砂巖的含水率、電阻率以及粗顆粒含量的擬合關系式：

ρ=(18.525P+1362.2)e-(0.2249e0.0002P)ω

(2)

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

3 結論

通過對不同粒徑、粗顆粒含量和含水率等條件下的全風化軟巖填料開展擊實試驗和電阻率測試，得出了如下結論。

a)全風化軟巖顆粒粒徑越小越容易導電，全風化泥質砂巖導電性略高于全風化粉砂巖。

b)總體來說土體電阻率隨著含水率的增大而呈減小趨勢。當含水率較小時，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，電阻率值進入緩慢下降階段；當含水率較高時，電阻率值進入逐漸穩(wěn)定階段。

c)土體粗顆粒含量越高導電性弱，當含水率小于14%時，粗顆粒含量的變化對電阻率產(chǎn)生較大的影響。同時根據(jù)試驗結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。