王寧偉，于 輝，劉 鐵，李澤民

(1.沈陽(yáng)建筑大學(xué) 土木工程學(xué)院， 遼寧 沈陽(yáng) 110168； 2.中國(guó)地震局 工程力學(xué)研究所， 黑龍江 哈爾濱 150080)

電滲對(duì)不同塑性指數(shù)土電阻率影響的試驗(yàn)研究

王寧偉1,2，于 輝1，劉 鐵1，李澤民1

(1.沈陽(yáng)建筑大學(xué) 土木工程學(xué)院， 遼寧 沈陽(yáng) 110168； 2.中國(guó)地震局 工程力學(xué)研究所， 黑龍江 哈爾濱 150080)

為了研究電滲過(guò)程中土電阻率的變化規(guī)律，在闡述了土電阻率相關(guān)理論的基礎(chǔ)上，將三種不同塑性指數(shù)的土配置成初始含水率大致相等的試驗(yàn)土樣，利用改進(jìn)后的Miiller Soil Box 進(jìn)行室內(nèi)電滲試驗(yàn)，并利用四相電極法測(cè)量電滲過(guò)程中試驗(yàn)土體的電阻率。分別記錄三種土樣在試驗(yàn)過(guò)程中的排水量、含水率、電阻率等參數(shù)，基于土體電阻率相關(guān)理論分析發(fā)現(xiàn)電滲過(guò)程中試驗(yàn)土體塑性指數(shù)大小對(duì)電阻率變化規(guī)律有明顯影響并結(jié)合試驗(yàn)現(xiàn)象得出了描述三種試驗(yàn)土樣含水率和電阻率的變化的擬合函數(shù)。

土的電阻率；土電滲試驗(yàn)；塑性指數(shù)；含水率

土電阻率的定義是電流通過(guò)邊長(zhǎng)為1 m的立方體土塊所呈現(xiàn)的電阻，它和土的含水率、孔隙水成分、孔隙結(jié)構(gòu)特征、黏粒含量、土顆粒排列狀況等多種工程指標(biāo)和參數(shù)密切相關(guān)，同時(shí)可以一定程度上反映土體的某些特殊性質(zhì)。國(guó)內(nèi)外已有很多學(xué)者開(kāi)展了土電阻率的相關(guān)研究，并將土電阻率同地基處理效果、土體擊實(shí)程度評(píng)價(jià)、地基可液化程度、土體污染程度[1-3]等工程實(shí)際問(wèn)題聯(lián)系起來(lái)并取得了很多研究成果。查甫生等[4]對(duì)土電阻率做了大量研究，提出了很多土電阻率相關(guān)理論，并在改良膨脹土、水泥固化重金屬污染土、處理濕陷性黃土等方面均有工程實(shí)際上的應(yīng)用。于小軍等[5]研究了水泥土電阻率同其齡期、無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度的關(guān)系。王鳳池等[6]通過(guò)試驗(yàn)研究了橡膠水泥土電阻率變化規(guī)律。章定文等[7]提出了摻入固化劑后土電阻率的變化經(jīng)驗(yàn)公式。蔣建平等[8]研究了橋基深厚軟土電阻率同其他物理力學(xué)指標(biāo)的關(guān)系。

塑性指數(shù)越高的土黏粒含量也越高，土中水自由水組分低，大部分以結(jié)合水的形式附著于黏性土粒表面，這類土的地基處理使用傳統(tǒng)堆載、真空預(yù)壓、砂井等方法往往無(wú)法取得較好效果。電滲法在用于高液限、高塑性指數(shù)黏土的排水固結(jié)中被證明有較好的效果[9]。電滲過(guò)程土中水不斷從陰極排出，土體飽和度以及含水率不斷降低，土電阻率將相應(yīng)發(fā)生變化。與一般電阻率測(cè)試試驗(yàn)不同，電滲過(guò)程土骨架會(huì)相對(duì)保持穩(wěn)定，內(nèi)部結(jié)構(gòu)受到擾動(dòng)程度低，而且根據(jù)電滲固結(jié)軟土所用電極材料的不同，孔隙水的化學(xué)成分也會(huì)發(fā)生變化，因此電滲過(guò)程中土體電阻率變化與單純的不同含水率下土體電阻率變化有明顯不同。

研究這類土電滲過(guò)程中電阻率的變化，對(duì)于利用電阻率理論解決實(shí)際工程問(wèn)題有現(xiàn)實(shí)意義。本文通過(guò)一組電滲固結(jié)實(shí)驗(yàn)，在自制的電滲固結(jié)試驗(yàn)裝置中以三種不同塑性指數(shù)的土樣作為試驗(yàn)對(duì)象，加以穩(wěn)定的直流電壓，定時(shí)測(cè)量試驗(yàn)土體的含水率和電阻率，研究分析電滲固結(jié)過(guò)程中三者含水率、電阻率的變化，為進(jìn)一步研究相關(guān)理論和解決實(shí)際問(wèn)題提供依據(jù)。

1 土電阻率相關(guān)理論

1.1 土的導(dǎo)電模型

美國(guó)物理學(xué)Archie G E[10]于1942年率先提出了適合用于飽和無(wú)黏性土的電阻率模型：

ρ=αρwn-m

(1)

式中：ρ是土電阻率；ρw是孔隙水電阻率；α是試驗(yàn)參數(shù)；n是孔隙率；m是膠結(jié)系數(shù)。

Waxman M H等[11]考慮了土顆粒表面電性對(duì)土電阻率的影響，將土的導(dǎo)電模型看做是土中水和固體并聯(lián)體提出了：

(2)

式中：Sr是飽和度；B是雙電層中與土顆粒表電性相反電荷的電導(dǎo)率；Q是單位土體孔隙陽(yáng)離子交換量；BQ即為雙電層電導(dǎo)率其他符號(hào)意義同式(1)。

查甫生等[12]在二元并聯(lián)理論的基礎(chǔ)上，加上了土—水串聯(lián)結(jié)構(gòu)提出了三元并聯(lián)理論，引入了表征各組分占比的參數(shù)，細(xì)化了電阻率理論模型，但其形式比較復(fù)雜，參數(shù)也都較難測(cè)定，需要試驗(yàn)技術(shù)的進(jìn)一步提高才能驗(yàn)證。就已有的試驗(yàn)結(jié)果來(lái)看，上述理論應(yīng)用于實(shí)際中仍有一定局限性。龔曉南等[13]對(duì)杭州黏土做了電阻率測(cè)量的試驗(yàn)，研究發(fā)現(xiàn)式(2)在含水率大于25%且飽和度大于50%的杭州黏土中比較適用。

1.2 土電阻率測(cè)量方法

土電阻率作為土本身的固有屬性，能夠反映土的很多性質(zhì)，但是土電阻率的測(cè)量方法目前并沒(méi)有一個(gè)公認(rèn)的標(biāo)準(zhǔn)，同樣的土樣測(cè)量方法不同，結(jié)果可能也有較大差異。

目前室內(nèi)測(cè)量土電阻率的方法有四相電極法、二相電極法、電橋法[13]、范德堡法[14]等方法。二相電極法操作簡(jiǎn)單不擾動(dòng)土樣，但是無(wú)法規(guī)避接觸電阻的影響；四相電極法可以有效規(guī)避接觸電阻但是會(huì)擾動(dòng)土樣；電橋法可以測(cè)量不同方向的土樣電阻率但是需要專門(mén)的一套電阻控制系統(tǒng)，本質(zhì)上是二相電極法的優(yōu)化；范德堡法(VDP法)本被廣泛用于測(cè)量均勻厚度任意形狀的固體金屬、半導(dǎo)體等介質(zhì)的電阻率，應(yīng)用于土電阻率測(cè)量雖然精度較高但是對(duì)電極材料要求苛刻，而且操作難度較高。目前就實(shí)用性而言，四相電極法用得較多。

1.3 影響土電阻率測(cè)量的因素

不關(guān)注土樣本身，影響土電阻率測(cè)量值的因素還有接觸電阻、溫度、電流密度、交流電頻率、土壤自身極化、探針插入的影響[15]。為了盡量規(guī)避這些影響，本文沿用四相電極法、采用直流電源對(duì)土樣進(jìn)行電滲固結(jié)試驗(yàn)，并在測(cè)量電阻前將土樣靜置一段時(shí)間，以消除溫度和極化等因素的影響。

2 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)取自新疆扎泥河露天礦坑底的第四系土層，分別為1組泥巖以及2組黏土，泥巖土樣呈黑色，為半堅(jiān)硬狀態(tài)含有少量碎石，黏土土樣呈褐黃色，一組含有較多砂礫。三種土樣采樣位置構(gòu)造以及基本物理指標(biāo)如圖1及表1所示。

圖1 露天礦取土位置剖面圖

3 試驗(yàn)裝置及方法

將3組土樣加以適量去離子水配置成初始含水率在50%～60%的重塑土樣，放置在改進(jìn)后的Millersoilbox[16]中，試驗(yàn)盒采用絕緣有機(jī)玻璃制成，尺寸為200mm×100mm×100mm，兩端放置厚度為5mm的銅片各一個(gè)作為陽(yáng)極和陰極，陰極銅板上均布滲水小孔，試驗(yàn)盒底部及周圍鋪濕潤(rùn)的土工布保持實(shí)驗(yàn)過(guò)程中與土樣的良好接觸同時(shí)作為陰極排水處的反濾層。三組試驗(yàn)同時(shí)在室溫20℃的環(huán)境中進(jìn)行。

首先將連接好導(dǎo)線的銅片嵌入試驗(yàn)盒兩邊，再將濕潤(rùn)的土工布鋪在試驗(yàn)盒的底部以及四周，確保土工布和銅片緊密貼合，將準(zhǔn)備好的三種重塑土樣分別分層密實(shí)地填滿三個(gè)試驗(yàn)盒；然后再距離銅片電極大約1cm的位置插入電極探針，插入深度約為5cm，為了盡可能減少由于蒸發(fā)引起的水分損失，在試驗(yàn)過(guò)程中用聚乙烯薄膜覆蓋試驗(yàn)盒上方。按照試驗(yàn)電路連接好電表、電源以及開(kāi)關(guān)，將直流電源電壓調(diào)整在40V。試驗(yàn)初期，每隔0.5h用萬(wàn)用表讀取2個(gè)探針之間的電阻，測(cè)量記錄從排水槽收集的水量，試驗(yàn)中后期土體溫度明顯變高，此時(shí)測(cè)量電阻時(shí)先閉合電路，等待土體冷卻約10min后再測(cè)量電阻，同時(shí)也可以一定程度上消除土體極化的影響。此時(shí)由于土體含水率較低，土體幾乎不主動(dòng)排水，因此冷卻時(shí)間不計(jì)入試驗(yàn)時(shí)間中去。試驗(yàn)時(shí)間經(jīng)過(guò)15h左右后，每隔1h測(cè)量一次排水量和土電阻率，40h后每隔2h測(cè)量一次電阻率，試驗(yàn)持續(xù)60h。試驗(yàn)電路圖以及裝置如圖2、圖3所示。

圖2 試驗(yàn)盒電路圖

圖3 試驗(yàn)圖

由安培定則所測(cè)試驗(yàn)土的電阻率為：

(3)

式中：ρ為試驗(yàn)電阻率,Ω·m；ΔV為電勢(shì)差，V；I為電流，A；S為試驗(yàn)電極面積，m2；L為試驗(yàn)箱長(zhǎng)度，m。

4 試驗(yàn)結(jié)果和分析

4.1 時(shí)間和土樣電阻率關(guān)系的分析

圖4為電滲過(guò)程三種土樣時(shí)間和電阻率的關(guān)系。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，三種土樣在電滲試驗(yàn)開(kāi)始的幾個(gè)小時(shí)內(nèi)電阻率升高幅度比較大。結(jié)合試驗(yàn)現(xiàn)象，出現(xiàn)該現(xiàn)象的原因是土樣含水率較大而且存在一定量的浮水，因此這部分試驗(yàn)數(shù)據(jù)并不能很好反映土體在電滲作用下電阻率的變化規(guī)律，因此把這一階段稱為浮動(dòng)階段，三種土樣浮動(dòng)階段持續(xù)時(shí)長(zhǎng)不一。

圖4 三種土樣電阻率和時(shí)間的關(guān)系

土樣1電阻率的變化速率和程度明顯比土樣2和土樣3更大，這與土樣1的粒度成分有關(guān)，土樣1是含有細(xì)小碎石的泥質(zhì)重塑土，塑性指數(shù)相對(duì)較小，黏粒少，大部分水以自由水的形式存在于土體中，在電場(chǎng)作用下可以快速通過(guò)土中微小裂隙由陽(yáng)極流向陰極。在試驗(yàn)進(jìn)行到50h左右時(shí)，土樣1中已經(jīng)出現(xiàn)明顯的干縮和裂縫，裂縫的存在對(duì)電阻率的測(cè)量有很大影響。土樣2和土樣3電阻率的變化規(guī)律比較相似，試驗(yàn)過(guò)程中排水的速率也明顯較土樣1緩慢均勻，肉眼可見(jiàn)裂縫的出現(xiàn)也相對(duì)較晚，而且在電阻率趨于穩(wěn)定的情況下仍然保持一定的含水率。這說(shuō)明同等電勢(shì)梯度下土樣塑性指數(shù)越大，在電滲過(guò)程中電阻率變化越不明顯。不論哪種塑性指數(shù)的土樣，可以看出其電阻率變化規(guī)律都呈現(xiàn)出一定的階段性，這種階段性根據(jù)試驗(yàn)土樣的不同也有所不同。塑性指數(shù)小、黏粒含量低的土樣會(huì)在電滲過(guò)程中很快到達(dá)電阻率的平穩(wěn)階段，而且平穩(wěn)電阻率較高，同變化階段的土電阻率相差大；黏粒含量越高的土樣平穩(wěn)階段的電阻率越低而且同變化階段的電阻率差別越小，這與電滲過(guò)程中的排水規(guī)律大體上相一致。

關(guān)于電勢(shì)梯度對(duì)電滲過(guò)程中土體電阻率的影響，已有的試驗(yàn)表明[17]當(dāng)電勢(shì)梯度較小時(shí)，土電阻率變化對(duì)電勢(shì)梯度的增大比較敏感，而當(dāng)電勢(shì)梯度增大到一定程度時(shí)，土電阻率變化幅度則漸趨穩(wěn)定，這與孔隙水溶液中離子的電解平衡狀態(tài)有關(guān)，因此土中含鹽量和種類的不同也會(huì)有所影響，不同的電勢(shì)梯度對(duì)應(yīng)于不同的電解平衡狀態(tài)，這會(huì)導(dǎo)致電滲試驗(yàn)中不同電勢(shì)梯度下測(cè)量的電阻率不同。

4.2 含水率和土樣電阻率關(guān)系的分析

圖5分別表示了三種土樣含水率和電阻率變化規(guī)律，在60h的試驗(yàn)時(shí)間中三者含水率下降程度各不相同，本文每種土樣取了約60組數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合分析。土樣1含水率在電滲作用下下降了約28%，電阻率升高了約1 000Ω·m；土樣2含水率在電滲作用下降了約18%，電阻率升高了約450Ω·m；土樣3含水率在電滲作用下下降了約12%，電阻率升高了約300Ω·m。

圖5 三種土樣累計(jì)排水曲線

KalinskiRJ等[18]曾對(duì)細(xì)粒土進(jìn)行過(guò)電阻率測(cè)試的試驗(yàn)，提出了土電導(dǎo)率是其體積含水率的函數(shù)：

σ=σw(aθ2+bθ)+σs

(4)

式中：σ為土體電導(dǎo)率；σs為土顆粒表面電導(dǎo)率；σw為孔隙水電導(dǎo)率；θ為體積含水率；a、b為試驗(yàn)參數(shù)，假定對(duì)于特定土而言，σs和σw是不變的，試驗(yàn)中，電滲過(guò)程中孔隙水和土顆粒表面的電導(dǎo)率都會(huì)發(fā)生變化。筆者借鑒該形式y(tǒng)=ax2+bx+c對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行二次插值擬合(見(jiàn)圖6)，分別得到三種土樣電導(dǎo)率和含水率的函數(shù)關(guān)系：

(5)

(6)

(7)

其中：x代表含水率；y代表土樣電阻率，下標(biāo)表示土樣標(biāo)號(hào);R2為擬合度。就本試驗(yàn)中使用的取自新疆扎泥河露天礦的土樣而言，可以發(fā)現(xiàn)系數(shù)a在黏粒含量約高的土樣中數(shù)值越低，系數(shù)b的絕對(duì)值在黏粒含量越高的土樣中越低，確定該參數(shù)與黏粒含量確切的數(shù)量關(guān)系需要更多的試驗(yàn)支持，本試驗(yàn)闡明其一般變化趨勢(shì)，為將電阻率相關(guān)理論同電滲固結(jié)軟土法結(jié)合起來(lái)提供依據(jù)。

圖6 含水率與電阻率的關(guān)系

5 結(jié) 論

三種塑性指數(shù)不同的土樣在電滲作用下排水固結(jié)，可以發(fā)現(xiàn)塑性指數(shù)越大的土樣其電阻率變化速率越小，程度也越低。電滲過(guò)程中，三種土樣電阻率的變化呈現(xiàn)明顯的階段性規(guī)律，與相應(yīng)土樣的排水規(guī)律相一致。三種土樣含水率和電阻率變化規(guī)律可以用二次多項(xiàng)式來(lái)描述，其系數(shù)和試驗(yàn)規(guī)律契合程度較好。

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Experimental Study of Plastic Index on Soil Resistivity Based on Electro Osmotic Test

WANG Ningwei1,2, YU Hui1, LIU Tie1, LI Zemin1

(1.SchoolofCivilEngineering,ShenyangJianzhuUniversity,Shenyang,Liaoning110168,China; 2.InstituteofEngineeringMechanics,ChinaEarthquakeAdministration,Harbin,Heilongjiang150080,China)

In order to study the variation law of soil resistivity. Based on the theory of soil resistivity, the soil with three different plastic index is arranged into the test soil sample with approximately equal initial water content. The indoor electro osmotic test was carried out with the improved Miiller Soil Box, the resistivity of the soil in the electro osmotic process was measured by two phase electrode, water discharge water content and resistivity of three soil samples was recorded, variation law of soil resistivity with different plasticity index in electro osmotic process was analyzed based on theory of soil resistivity, and the fitting function of water content and resistivity of three kinds of soil samples was derived under the condition of electroosmosis.

soil electrical resistivity; electro osmosis experiment of soil; plasticity index; moisture content

10.3969/j.issn.1672-1144.2017.04.022

2017-03-26

2017-04-24

于 輝(1992—)，男，遼寧丹東人，碩士研究生，研究方向?yàn)榈鼗幚?、基坑工程。E-mail:baisiboyutouhaochi@163.com

TU411

A

1672—1144(2017)04—0117—05