含水率和含鹽量對紅黏土電阻率的影響規律及機理研究

加小瑞

(陜西建工機械施工集團有限公司，陜西 西安 710000)

紅黏土作為一種特殊的黏土體系，主要分布在我國南部地區，以云貴高原及兩廣地區最為典型和廣泛[1]。與其他黏土相比，紅黏土因特殊的礦物質組成，具有低壓縮性、高液塑限、較高地基承載力、高孔隙比、高含水率等特點，備受巖土工程科研和工程師的關注。我國西南地區雖降水充沛，但由于特殊地貌，水土流失嚴重，干旱缺水問題突出。農業發展過程中的大面積灌溉，導致礦物成分的溶解和重構，因此導致地下水位變化以及土壤嚴重鹽堿化。大量研究表明，土壤物理化學性質的變化將會導致其物理力學參數發生顯著變化，尤其是土壤中的含鹽量對滑坡、泥石流、地面塌陷等地質災害有重要影響[2-5]。因此有必要研究不同含水率及含鹽量對紅黏土性質的影響。傳統的方法雖可得到準確的量測結果，但費時耗力，在現場無法做到實時動態量測且易破壞原有場地條件。應用地球物理解決實際工程問題是近幾年來的前沿研究，電阻率法作為該領域重要分支和組構，憑借其無損、快速、動態可持續等優點，備受巖土工程和地質工程從業人員的關注。

隨著對電阻率法研究的深入，對大型工程場地勘測及建設提供了極大便捷。研究土體電阻率模型能快速便捷地評價土體的物理力學性質，可廣泛應用于巖土體工程質量評價、環境巖土工程等方面[6]。自Archie[7]將電阻率與土體內部結構結合起來，提出了適用于飽和無粘性土的電阻率模型后，Keller等[8-10]進行了進一步完善，Yoon等[11]進行研究后將土體電阻率應用到了環境巖土工程中。查甫生等[12-13]對非飽和土及污染土的電阻率特性進行了研究并討論了其在實際工程中的應用。劉國華等[14]通過試驗研究得到了影響土體電阻率變化的主要因素以及各因素的影響程度。Sudha等[15]將電阻率法及工程性狀聯合起來在實際工程中進行應用。Chu Y等[16-18]研究了電阻率法作為測試技術在污染土中的應用。劉華等[19-20]研究了酸堿污染黃土及重塑黃土的電阻率特征，建立了電阻率與含水率、污染程度間的協同聯系。陳筠等[21]對堿污染紅黏土的抗剪強度特性進行了研究，揭示了堿污染紅黏土抗剪強度變化的影響因素。目前，對于西南地區紅黏土電阻率的研究較少，有必要加強對紅黏土電阻率特性的基礎研究，探明不同因素對紅黏土電阻率的影響機理，具有極其重要的學術價值和顯著的工程現實意義。

基于此，本文主要研究含水率及含鹽量對我國西南地區紅黏土電阻率的影響，在此基礎上結合三相路徑和擴散雙層結構，分析含水率及含鹽量作用下電阻率的演變規律，揭示含水率和含鹽量對紅黏土電阻率的影響機理。以期為紅黏土地區地下水變化導致的地質災害防治提供有價值的參考，同時為充分利用好西南地區的土地資源提供理論依據。

1 試驗材料與方法

1.1 試驗紅黏土來源

試驗所用的紅黏土試樣取自貴州省貴陽市貴州大學校園內，取樣深度約為1.0m。根據GB/T 50123—2019《土工試驗方法標準》[22]量測土樣的基本物理指標見表1，測定的顆粒級配曲線如圖1所示，進一步計算得到土樣粒徑分布的不均勻系數5.50，曲率系數為1.24。其中，界限含水率與Chu Y等[16-18]的參數相近，塑限為25.72%，塑限作為判斷土體物理力學性能演變的重要指標，其變化與土體表面的擴散層密切相關[21]。此外，紅黏土土體內的礦物成分包含高嶺石、伊利石、綠泥石、針鐵礦、石英和少量蒙脫石[16-18，21，23]。

表1 試樣的基本物理指標

圖1 紅黏土顆粒粒徑累積分析曲線

1.2 試樣制作過程及量測

試樣基于內徑尺寸為61.8mm×20.0mm的環刀試樣制作，具體制樣過程如下：①紅黏土風干后用橡膠錘研磨，并通過2mm篩進行篩分；②將風干土樣與蒸餾水及氯化鈉混合，以達到目標含水率和含鹽量，見表2；③混合土樣后進行人工攪拌，并在室溫下密封保存24h，使氯化鈉及水分分布均勻；④通過靜態壓實方法制作環刀試樣。

表2 試驗方案設計 單位：%

四相電極法由于更加復雜，且插入土樣中對土樣的擾動較大，且很難確定電極間的距離。而二相電極法相較于四相電極法測量簡單，因此常用于土工試驗中的同步電阻率動態觀測，但測量過程中易產生極化現象。因此，采用施加重物的方法避免接觸電阻帶來的影響，采用通過測量土樣兩端的電壓和電流即可計算其電阻率值。考慮到紅黏土的電阻率特性，采用自行裝配的伏安法電阻率測試裝置，如圖2所示演示了部分測試原理。按照GB/T 50123—2019[22]的方法將試樣從環刀內用透水石推出，將試樣上下端放置銅片電極，并在上部銅片放置一個較小絕緣砝碼，對上部接觸施加一個較小的下壓力以實現電極和土樣的良好接觸，以便于進行通電量測電壓和電流。電源采用交流電供電轉換為0.1～30.0V的直流(DC)電壓，A、V分別表示高精度電流表和電壓表；Rx為待測試樣。根據試測結果，測量時的電壓U控制為12V，此時試樣的電阻率計算公式為：

圖2 紅黏土土樣電阻率測試示意圖

(1)

1.3 試樣電動電位分析

電動電位(ζ電位)是黏土礦物膠粒雙電層中的電位，是擴散層的內外界之間的電位差，ζ電位與擴散層厚度之間有密切的關系，擴散層厚度對土的工程性質有著重要的意義。電阻率量測后部分試樣烘干磨碎進行Zeta電位試驗，將試樣烘干磨碎成粉末狀即可，試驗儀器為納米粒度及Zeta電位分析儀(馬爾文ZS90)。

有研究指出[21，23]，在堿液侵入紅黏土時，孔隙水溶液中增加的Na+與黏土礦物表面的負電荷發生化學反應，使土體表面擴散層變薄，結合水含量減少，導致土體的可塑性降低，在孔隙水溶液中存在低濃度Na+時，塑限和液限均呈現明顯降低趨勢，而后隨著Na+濃度增加變化不在顯著。

2 試驗結果與分析

根據上述紅黏土電阻率測試結果及電動電位測試結果，分別對含水率及含鹽量對電阻率的影響進行了分析和討論，結合三相路徑和擴散雙層結構揭示含水率和含鹽量對紅黏土電阻率的影響機理。

2.1 含水率對紅黏土電阻率的影響

如圖3所示為紅黏土電阻率在不同含水率下的變化曲線。由圖可知，含水率對紅黏土電阻率的降低作用起著關鍵作用，隨著含水率的增加，紅黏土電阻率值減小，最后趨于最小值。隨著含鹽量的增加，紅黏土電阻率逐漸降低。此外，隨著紅黏土含水率的增加，電阻率曲線的斜率減小。這些曲線的特征表明，水對紅黏土電阻率的影響可能是漸進的。

圖3 紅黏土電阻率隨含水率變化曲線

2.2 含鹽量對紅黏土電阻率的影響

不同NaCl濃度下紅黏土電阻率的變化如圖4所示。含鹽量增加對土壤電阻率的影響已在許多研究中提到。天然狀態(含鹽量為0%)下的紅黏土電阻率顯著高于其他濃度。電阻率特性在所有含水率下都會發生變化(8%～20%)。在2%～6%的較高NaCl濃度下，電阻率總體下降，但下降速度遠低于0%～2%NaCl。當NaCl濃度為6%時，電阻率達到最小值。上述現象表明，NaCl濃度約為2%時存在近似臨界含量。

圖4 紅黏土電阻率隨含鹽量的變化曲線

2.3 含鹽量對紅黏土電動電位的影響

紅黏土電動電位隨著含鹽量的變化曲線如圖5所示。從圖中可以看出，含鹽量越高，電動電位降低，說明擴散層的厚度減小，及顆粒之間的距離增加，引力與斥力均降低，引力降低的程度大于斥力降低的程度。這與文獻[19，21]中發現的現象一致，文獻中指出，在堿液侵入紅黏土時，孔隙水溶液中增加的Na+與黏土礦物表面的負電荷發生化學反應，使土體表面擴散層變薄，結合水含量減少，導致土體的可塑性降低，在孔隙水溶液中存在低濃度Na+時，塑限和液限均呈現明顯降低趨勢，而后隨著Na+濃度增加變化不在顯著。而本研究中所用為NaCl溶液，與堿液中的陽離子一致，不同的是前者富含Cl-，后者富含OH-。分析其原因，紅黏土作為特殊性黏土，常含多種礦物，且堿液帶有一定的腐蝕性，對土體內的礦物、膠結體、有機質產生侵蝕，孔隙水中的OH-易于其他礦物質及離子發生化學反應，形成絮狀沉淀，消耗了部分OH-，在靜電力和濃度差作用下，造成了Na+更易進入雙電層，進而顯著降低電動電位。當受到NaCl侵入時，Na+在靜電力作用下進入雙電層降低了電位。

圖5 紅黏土電動電位隨含鹽量的變化曲線

2.4 討論

在低含水率下，紅黏土的電導率較低，幾乎相當于絕緣體的電導率。結合紅黏土的三相路徑傳導模型，電流傳導路徑隨含水率的變化如圖6所示。首先，由于缺乏孔隙水，紅黏土顆粒的單點接觸模式是主要的導電路徑，即路徑Ⅰ。事實上，黏土顆粒的電導率遠低于孔隙水的電導率。因此，在初始階段紅黏土電阻率最大，顯著高于其他含水率下的電阻率。其次，由于含水率的增加，紅黏土中的一些孔隙充滿了水，減少了空氣對導電路徑形成的不利影響，向孔隙水-顆粒傳導路徑演變，即路徑Ⅱ。最后，當含水率超過臨界含量時，由連續孔隙水傳導而形成的導電路徑Ⅲ演變成為主要導電模式。

圖6 不同含水率的紅黏土導電路徑概念圖

孔隙水中離子的運動是土壤導電的主要原因。研究發現，隨著孔隙水溶液中鹽濃度的變化，土壤顆粒的表面電位將相應改變，從而導致土壤擴散雙層厚度的變化(如圖7所示)。當Na+和Cl-添加到紅黏土中，在外部電場的影響下，擴散雙層特性(即厚度、陽離子交換容量和陰離子濃度)發生變化。擴散層中相對自由移動的離子在外電場的作用下更容易產生定向運動，形成導電路徑，這也是含鹽量增加后紅黏土電阻率顯著降低的主要原因。此外，由于紅黏土孔隙逐漸被含有鹽分的孔隙數逐漸占據，一些鹽類和礦物在孔隙水中逐漸分解，更有利于電荷傳遞，實現電流轉移。導電路徑是由粘土顆粒擴散層及其周圍孔隙水中的大量自由移動離子在外電場作用下形成的。同時，由于孔隙周圍的化學反應導致的土壤顆粒膨脹，不僅擴大了孔隙，促進了孔隙水的連接，而且釋放了自由移動的離子，這些離子有助于導電路徑的導電性。因此，在這一階段(含鹽量為2%～6%)，紅黏土的電阻率不斷降低。

3 結論

本文通過開展不同含水率和含鹽量下紅黏土電阻率試驗，研究了含水率、含鹽量對紅黏土電阻率的影響，結合導電模型和電動電位試驗揭示了其影響機理。具體結論如下。

(1)26%的含水率和2%的NaCl濃度分別是影響含水率和NaCl濃度的黃土電阻率的臨界含量。電阻率試驗值逐漸減小，超過臨界含量后趨于最小值。

(2)含水率對紅黏土電阻率的影響主要體現在土壤顆粒間接觸模型的變化和導電路徑的變化。作為影響孔隙水中自由移動離子數量的主要因素，NaCl濃度改變了導電路徑的導電能力。

(3)基于三相路徑和擴散雙層結構，揭示了含水率和含鹽量對紅黏土電阻率的影響機理。此外，考慮到現場條件的復雜性，后續應更深入研究工程力學性質、水敏感性、導熱性、土壤化學性質和電阻率之間的關系，以期為紅黏土地區的地質災害防治及土地資源利用提供理論依據。