黃 勇，鄭榮躍，劉干斌，陳 迪，錢峰

（寧波大學(xué)巖土工程研究所，寧波315211）

寧波地區(qū)土層電阻率特性及主要參數(shù)相關(guān)性研究

黃 勇，鄭榮躍，劉干斌，陳 迪，錢峰

（寧波大學(xué)巖土工程研究所，寧波315211）

結(jié)合寧波軌道交通1、2、3號(hào)線巖土工程勘察，利用Wenner等距四極法測(cè)定土體電阻率，研究了含水率、孔隙比、壓縮模量對(duì)各土層電阻率影響及相關(guān)性，結(jié)果表明：寧波地區(qū)軟黏土電阻率與物理力學(xué)指標(biāo)含水率、孔隙比、壓縮模量之間的相關(guān)性較好，土的電阻率隨含水率、孔隙比的增大而減小，隨壓縮模量的增大而增大；不同土層的電阻率不同，黏土及粉質(zhì)黏土的導(dǎo)電性優(yōu)于砂土，為軌道交通供電、變配電、接觸網(wǎng)及弱電設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

電阻率ρ；含水率；孔隙比；壓縮模量；相關(guān)性

電阻率是土的基本物性參數(shù)之一，土的電阻率實(shí)際上是電流垂直通過邊長(zhǎng)為1 m的立方體土?xí)r所呈現(xiàn)的電阻，電阻率表征巖土體導(dǎo)電性的強(qiáng)弱，物質(zhì)的電阻率越低，導(dǎo)電性就越好，電阻率越高，導(dǎo)電性就越差。近年來，土體電阻率的研究工作越來越引起工程師和學(xué)者的重視，電阻率也越來越多的被運(yùn)用到實(shí)際工程中，尤其對(duì)于環(huán)境檢測(cè)中的污染土檢測(cè)工程應(yīng)用更多。寧波地區(qū)環(huán)境污染問題也有體現(xiàn)，諸如象山港［1］地區(qū)，污染物漂移擴(kuò)散會(huì)對(duì)土質(zhì)有較大影響。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者劉松玉［2］、蔣建平［3］、劉國(guó)華［4］、Fruhlich Rhoades［5］、Hitoshi Nishmaki［6］、李金銘［7］等人均對(duì)土的電阻率展開了試驗(yàn)研究。結(jié)果說明，土的電阻率與眾多因素有關(guān)，其中，土層的結(jié)構(gòu)、構(gòu)造、飽和度、孔隙比、含水量、垂直滲透系數(shù)、壓縮模量及標(biāo)貫與土的電阻率之間存在密切的關(guān)系。針對(duì)不同地區(qū)土體，國(guó)內(nèi)外學(xué)者得到的土體物理力學(xué)指標(biāo)與土體電阻率之間的相關(guān)性也存在一定程度上的差異，例如含水率與土體電阻率之間的相關(guān)性結(jié)果有線性變化也有非線性變化，可能是由于各地區(qū)土質(zhì)不同，得到的結(jié)果也不盡相同。國(guó)內(nèi)外對(duì)于此方面的理論研究很少，基本都是通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的擬合工作得到相關(guān)經(jīng)驗(yàn)公式來大體確定土體物理力學(xué)參數(shù)與電阻率之間的關(guān)系。

綜上所述，對(duì)寧波地區(qū)而言，土的電阻率方面的相關(guān)研究工作很少，所以對(duì)寧波地區(qū)軟土進(jìn)行電阻率ρ的研究工作有重要的工程意義。寧波地區(qū)屬典型的軟土地區(qū)，廣泛分布厚層狀軟土，水系發(fā)達(dá)，河流眾多，具有“地下水位高，土層含水率高、壓縮性高、強(qiáng)度低、靈敏度高、透水性低”等特點(diǎn)。土的電阻率作為巖土體的基本物理力學(xué)參數(shù)之一，目前已應(yīng)用于實(shí)際工程，如環(huán)境污染檢測(cè)及環(huán)境修復(fù)效果檢查等領(lǐng)域中［8］。

本文針對(duì)寧波地區(qū)軟土層，結(jié)合寧波軌道交通1、2、3號(hào)線勘察成果，對(duì)寧波地區(qū)土的電阻率進(jìn)行測(cè)試研究，以為供電、變配電、接觸網(wǎng)及弱電等專業(yè)及本地區(qū)工程建設(shè)的設(shè)計(jì)和施工的設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

1寧波地區(qū)工程地質(zhì)條件

寧波平原第四系地層發(fā)育，厚度較大，且層位較穩(wěn)定，厚度從60～120 m不等，從中更新世至全新世地層發(fā)育齊全。主要成因類型有河流相、河湖相及海相等，從老到新是由一套陸相堆積—海陸交替堆積—海相堆積地層組成，上部軟土層厚14.1～24.6 m。寧波市區(qū)淺層土主要有①1-1層雜填土、①1-3層浜填土、①2層黃灰色粘土、①3層灰色淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土、②2-1層灰色淤泥、②2-2層灰色淤泥質(zhì)粘土、③1層灰色粉砂、③2層灰色粉質(zhì)粘土夾粉砂及⑤1層灰綠色、草黃色粘土。對(duì)于深基坑支護(hù)還可能還涉及④1-2層灰色粉質(zhì)粘土、④2層灰色粘土、④3層灰色粉質(zhì)粘土、⑤1層暗綠、草黃色粘土。寧波的地處沿海地區(qū)，水系發(fā)達(dá)，河流眾多，“地下水位高，土層含水率高，壓縮性高、強(qiáng)度低、靈敏度高、透水性低”等特點(diǎn)［9］。

2土的電阻率測(cè)定

目前測(cè)定土的電阻率常用的方法有：二相電極法和Wenner法［10］。寧波軌道交通1、2、3號(hào)線勘察過程中采用Wenner等距四極法在鉆孔中測(cè)定電阻率，測(cè)試深度為25 m，試驗(yàn)間距為0.4 m。

Wenner法原理示意圖如圖1所示。此方法是一種四相電極測(cè)試法，電流I（A）由外部電極測(cè)得，誘導(dǎo)電壓通過內(nèi)部電極測(cè)得，則半空間電阻率由公式（1）計(jì)算得到

圖1 Wenner法示意圖Fig.1 Sketch of Wenner method

式中：ρ（Ω）是電阻率，V（V）是電壓，I（A）是電流，a（m）是兩電極片間的水平距離。

測(cè)試過程中，將4根測(cè)試電極打入待測(cè)電，極距均為0.4 m，連接電阻測(cè)試儀導(dǎo)線，在測(cè)試儀中設(shè)置好電極極距，儀器采用重慶地質(zhì)儀器廠研制的DDC-6電子自動(dòng)補(bǔ)償儀，待準(zhǔn)備工作完畢即可測(cè)得該點(diǎn)土壤的電阻率。在現(xiàn)場(chǎng)，沿軌道交通線路中線點(diǎn)位兩側(cè)50 m處分別測(cè)試一組電阻率，測(cè)試深度為25 m，分別測(cè)試1～25 m深度的土壤電阻率，深度間距為2 m，測(cè)試獲得各測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)。

3結(jié)果及分析

選擇寧波軌道交通1、2、3號(hào)線中代表性測(cè)點(diǎn)，對(duì)各土層的含水量w、孔隙比e、壓縮模量Es與電阻率之間的影響特性，并建立其相關(guān)關(guān)系。對(duì)于土體電阻率特性研究，影響其電阻率值的因素并不局限于含水量、孔隙比以及壓縮模量，諸如有機(jī)質(zhì)、水體鹽度值、水體PH值對(duì)土體電阻率確有影響，本文所用數(shù)據(jù)均為寧波地鐵1、2、3號(hào)線現(xiàn)場(chǎng)勘察結(jié)果，相關(guān)電阻率值為某一特定土層的電阻率，勘察過程中所做的原位試驗(yàn)工作并沒有具體針對(duì)某一土層的水體鹽度值及PH值進(jìn)行細(xì)致測(cè)量，故本文沒有提及相關(guān)內(nèi)容。

3.1含水率對(duì)電阻率的影響

對(duì)各層土的含水率與電阻率數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)性分析，結(jié)果如圖2所示。從圖形可知，對(duì)同一種土而言，電阻率與含水率之間的線性相關(guān)性比較理想，且土的電阻率隨著含水率的增大減小。這是由于對(duì)于同一種土來說，土的含水率越大，土體中水的含量就越高；含水率越小，土體中水的含量就越低。水的導(dǎo)電性優(yōu)于土顆粒，故土體中水的含量越高，即含水率越大，土體的導(dǎo)電性越好，電阻率越小。

圖2 電阻率與含水率相關(guān)曲線Fig.2 Correlation curve between electrical resistivity and water content

以①3層淤泥質(zhì)黏土及③1層粉砂為例，①3層淤泥質(zhì)黏土含水率范圍為46％～53.1％，電阻率隨含水率的增加呈遞減趨勢(shì)，電阻率從11.76變化到6.9；③1層粉砂含水率變化范圍為25.3％～28.8％，電阻率從30.5變化到23.3。電阻率與含水率的相關(guān)關(guān)系滿足一次線性函數(shù)，且粉砂的含水率明顯小于黏土，電阻率大于黏土，黏土的導(dǎo)電性優(yōu)于粉砂。

為了反映土的電阻率與含水率間的相關(guān)關(guān)系，對(duì)上圖作擬合處理，擬合結(jié)果顯示土的電阻率與含水率之間呈線性關(guān)系，各土層關(guān)系結(jié)果見表1，相關(guān)系數(shù)均在0.8以上，二者之間高度相關(guān)。

3.2孔隙比與電阻率關(guān)系

圖3 電阻率與孔隙比相關(guān)曲線Fig.3 Correlation curve between electrical resistivity and void ratio

各層土的孔隙比與電阻率相關(guān)性分析結(jié)果如圖3所示。對(duì)同一種土而言，電阻率與孔隙比之間有較好的線性關(guān)系，且土的電阻率隨著孔隙比的增大減小。對(duì)于同一種土來說，土的孔隙比越大，土體中空隙就越多；孔隙比越小，土體中空隙就越少。對(duì)寧波地區(qū)而言，由于寧波的地處沿海地區(qū)，水系發(fā)達(dá)，河流眾多，“地下水位高，土層含水率高，土體中空隙越多，水的含量越高，水的導(dǎo)電性優(yōu)于土顆粒，故土體中空隙越多，即孔隙比越大，土體中水含量越高，土體的導(dǎo)電性越好，電阻率越小。

以①3層淤泥質(zhì)黏土及③1層粉砂為例，①3層淤泥質(zhì)黏土孔隙比范圍為1.29～1.534，電阻率隨孔隙比的增加呈遞減趨勢(shì)，電阻率從11.76變化到6.9；③1層粉砂孔隙比變化范圍為0.72～0.84，電阻率從30.5變化到23.3。電阻率與孔隙比的相關(guān)關(guān)系滿足一次線性函數(shù)，且粉砂的含水率明顯小于黏土，電阻率大于黏土，黏土的導(dǎo)電性優(yōu)于粉砂。

為反映土的電阻率與孔隙比間的相關(guān)關(guān)系，對(duì)各作擬合處理，結(jié)果顯示土的電阻率與孔隙比之間呈線性關(guān)系，各土層關(guān)系結(jié)果見表2，相關(guān)系數(shù)均在0.7以上，二者之間相關(guān)性較好，但較含水率與電阻率而言相關(guān)性差。

3.3壓縮模量與電阻率關(guān)系

對(duì)各層土的壓縮模量ES與電阻率數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)性分析，結(jié)果如圖4所示。對(duì)同一種土而言，電阻率隨壓縮模量的增大而增大。由于土的壓縮模量ES越大，土體越不易壓縮，土體中空隙就越少，土體的導(dǎo)電性強(qiáng)弱基本由土顆粒決定；土的壓縮模量ES越小，說明土體越容易壓縮，土體中空隙就越多，土體的導(dǎo)電性由土顆粒、土中氣和土中水共同決定。所以對(duì)同一種土而言，壓縮模量的增大，土中空隙隨之減小，土體中水的含量也隨之減少，土的導(dǎo)電性減弱，即土的電阻率增大；反之土的導(dǎo)電性增強(qiáng)，電阻率增大。

圖4 電阻率與ES相關(guān)曲線Fig.4Correlation curve between electrical resistivity and compression modulus

表1 土的電阻率（ρ）與含水率（w）間的量化關(guān)系式Tab.1 The quantitative relation between electrical resistivity（ρ）and water content（w）

表2 土的電阻率（ρ）與孔隙比（e）間的量化關(guān)系式Tab.2 The quantitative relation between electrical resistivity（ρ）and void ratio（e）

表3 土的電阻率（ρ）與壓縮模量（Es）間的量化關(guān)系式Tab.3 The quantitative relation between electrical resistivity（ρ）and compression modulus（Es）

以①3層淤泥質(zhì)黏土及③1層粉砂為例，①3層淤泥質(zhì)黏土壓縮模量范圍為2.149～3.078，電阻率隨壓縮模量的增加呈遞曾趨勢(shì)，電阻率從11.76變化到6.9；③1層粉砂壓縮模量變化范圍為5.8～8.629，電阻率從30.5變化到23.3。電阻率與壓縮模量的相關(guān)關(guān)系滿足二次非線性函數(shù)，且粉砂的壓縮模量明顯大于黏土，電阻率大于黏土，黏土的導(dǎo)電性優(yōu)于粉砂。

為了反映土的電阻率與壓縮模量間的相關(guān)關(guān)系，對(duì)上圖作擬合處理，擬合結(jié)果顯示土的電阻率與壓縮模量之間呈二次非線性關(guān)系，各土層關(guān)系結(jié)果見表3，相關(guān)系數(shù)基本上在0.8以上，二者之間相關(guān)度較高。

5結(jié)論

本文結(jié)合寧波軌道交通1、2、3號(hào)線巖土工程勘察成果，對(duì)寧波地區(qū)軟黏土電阻率開展研究，主要結(jié)論如下：（1）寧波地區(qū)軟黏土的電阻率與含水率、孔隙比、壓縮模量之間的相關(guān)性十分明顯。土的電阻率隨含水率、孔隙比的增大而減小，隨壓縮模量的增大而增大。（2）不同土的電阻率不同，其中③1層粉砂的電阻率較大，黏土及粉質(zhì)黏土的電阻率均小于粉砂。黏土及粉質(zhì)黏土的導(dǎo)電性優(yōu)于砂土。（3）建立了各土層電阻率ρ與相關(guān)物理量的關(guān)系式，可用于寧波地區(qū)工程建設(shè)的設(shè)計(jì)、施工及檢測(cè)。

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Resistivity characteristics and main parameters relationship of soil in Ningbo area

HUANG Yong,ZHENG Rong?yue,LIU Gan?bin,CHEN Di,QIAN Feng
(Institute of Geotechnical Engineering,Ningbo University,Ningbo 315211,China)

Combined with geotechnical engineering investigation of line 1,2,and 3 of Ningbo urban rail transit project,the equidistant Wenner four?electrode method was used to test resistivity of soil,and the influence of water content,void ratio,compression modulus on the resistivity was discussed and the correlation was developed.The re?sults show that there is good correlation between resistivity of soft clay in Ningbo area and physical and mechanical indexes of water ratio,void ratio,compression modulus,the soil resistivity decreases with the increase of the water content and void ratio,and increases with the increasing of the compression modulus.The resistivity is different in different soil layers,conductivity of clay and silty clay is better than sand.The results can provide reference for de?sign of power supply,power distribution and transformer,catenary and the weak electricity of Ningbo urban rail tran?sit project.

electronic resistivity ρ;water content;void ratio;compression module;relevance

TU 41

A

1005-8443（2016）04-0445-06

2015-11-05；

2016-04-19

寧波市科技計(jì)劃項(xiàng)目(2013C50005)；浙江省新苗人才計(jì)劃（2015R405075）

黃勇（1990-），男，安徽省宣城人，碩士研究生，主要從事軟土地基處理方面的研究工作。

Biography：HUANG Yong（1990-），male，master student.