羅述偉,楊秀娟,樊恒輝,杜宇航
(西北農(nóng)林科技大學(xué)水利與建筑工程學(xué)院,陜西楊凌712100)
土具有一定的自清污能力,當(dāng)鹽類物質(zhì)通過不同方式進(jìn)入土中且累積到一定程度時(shí),土的結(jié)構(gòu)、組成和功能會(huì)受到顯著影響。鹽的累積引發(fā)了一系列環(huán)境巖土工程問題,如地基與路面的泥濘、溶陷、鹽脹、腐蝕、路基翻漿和凍脹等。一般采用物探方法對(duì)鹽漬土地區(qū)進(jìn)行工程地質(zhì)勘測(cè)。常用的彈性波法[1]對(duì)于沒有明顯波阻抗區(qū)別但鹽分與水分分布呈不規(guī)律分布時(shí)的地層變化不敏感,而電阻率法[2]因其無(wú)損、低廉、高效等優(yōu)點(diǎn)在工程中應(yīng)用較為廣泛。因此,研究鹽漬土的電阻率特性對(duì)于利用電阻率評(píng)價(jià)鹽漬土的工程性質(zhì)具有重要意義。
自Archie[3]采用電阻率法對(duì)飽和砂巖的微結(jié)構(gòu)特征進(jìn)行研究后,許多學(xué)者開始對(duì)土體電阻率開展了一系列室內(nèi)外研究。Gil Lim Yoon等[4]研究了污染土電阻率隨影響因素的變化趨勢(shì),并用電阻率法解決相關(guān)的環(huán)境巖土工程問題。劉松玉、于小軍等[5]通過分析電阻率的影響因素,對(duì)國(guó)內(nèi)外現(xiàn)有的土電阻率測(cè)試原理與方法進(jìn)行了總結(jié),并對(duì)其研制的土電阻率測(cè)試儀可行性進(jìn)行了驗(yàn)證。韓立華、劉松玉[6]通過室內(nèi)外試驗(yàn)分析水泥土電阻率的影響因素和變化規(guī)律,并探討了電阻率法能否有效對(duì)水泥樁進(jìn)行無(wú)損檢測(cè)。董曉強(qiáng)、白曉紅等[7-9]利用電阻率法對(duì)NaOH和H2SO4污染下的水泥土電阻率與各參數(shù)、強(qiáng)度的關(guān)系開展了研究,推導(dǎo)出相應(yīng)的電阻率公式,并證明了電阻率法能有效評(píng)估和檢測(cè)H2SO4污染水泥土。劉國(guó)華等[10]通過正交試驗(yàn)分析電阻率影響因素的主次順序,并在此基礎(chǔ)上推導(dǎo)出粘性土電阻率模型。劉松玉、査甫生等[11]通過基本室內(nèi)試驗(yàn)研究擊實(shí)膨脹土隨其影響因素的變化規(guī)律,探討了膨脹土在脹縮變形中其特征參數(shù)與電阻率的關(guān)系,這對(duì)有效預(yù)測(cè)現(xiàn)場(chǎng)膨脹土特征提供了理論依據(jù)。白蘭等[12]通過室內(nèi)模擬試驗(yàn)分析了污染物的種類和含量對(duì)黃土電阻率的影響。葉萌等[13]研究了多種因素對(duì)電阻率的影響以及電阻率變化規(guī)律,為快速有效檢測(cè)重金屬污染場(chǎng)地起到參考作用。韓立華、劉松玉等[2]通過室內(nèi)模擬試驗(yàn)證明了電阻率法可以有效診斷污染土。弓國(guó)軍、孔啟明等[14]通過對(duì)氯鹽污染下混凝土電阻率的主要影響因素進(jìn)行分析,從而推導(dǎo)出混凝土電阻率的模型公式。李玲等[1]通過正交試驗(yàn)研究了鹽漬土的影響因素,研究了電阻率隨含水率、含鹽量、孔隙率及飽和度的變化規(guī)律和特點(diǎn)。王樂凡、張仁義等[15]通過研究飽和狀態(tài)下硫酸鹽和氯鹽電阻率,反算土體含鹽量?;艉7?、王文博[16]通過室內(nèi)試驗(yàn)探究了鹽溶液對(duì)水泥土電阻率和抗壓強(qiáng)度的影響。何斌、白曉紅等[17]研究了電阻率、土體壓縮性以及稠度指標(biāo)隨洗衣粉含量的變化規(guī)律,并提出適用于洗衣粉污染土電阻率模型。
表1 土樣的基本參數(shù)指標(biāo)
目前,關(guān)于土體電阻率特征的室內(nèi)試驗(yàn)研究已經(jīng)涉及到了砂、砂巖、粘土、黃土、污染土、膨脹土、水泥土等,且電阻率法也廣泛地應(yīng)用于工程中,但對(duì)鹽漬土電阻率的研究比較缺乏,有待繼續(xù)進(jìn)一步研究。本文研究了含不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的3種鈉鹽以及3種混合鈉鹽鹽漬土試樣的電阻率特性,揭示了電阻率參數(shù)與含鹽量、含水率之間的關(guān)系,并根據(jù)電阻率試驗(yàn)數(shù)據(jù)提出鈉鹽鹽漬土電阻率模型。
本試驗(yàn)采用楊凌臺(tái)塬地區(qū)的黃土,取土深度約為2.0 m,挖去土壤表層后取土。土樣風(fēng)干碾碎后過2 mm篩備用。試驗(yàn)測(cè)得楊凌黃土的pH為8.63,易溶鹽總量為0.16 g/kg,難溶鹽CaCO3為84.98 g/kg,有機(jī)質(zhì)為5.06 g/kg,其基本物理指標(biāo)見表1。按照0、0.3%、0.5%、1.0%、1.5%和2.0%的質(zhì)量分?jǐn)?shù)計(jì)算3種鈉鹽(NaCl、Na2CO3、Na2SO4)和混合鈉鹽(NaCl和Na2CO3、NaCl和Na2SO4、Na2CO3和Na2SO4,質(zhì)量比均按1∶1混合),并將溶液分層均勻噴灑至土樣中,攪拌均勻靜置48 h。試驗(yàn)中所用鹽漬土土樣含水率w分別設(shè)置為14%、16%、18%和20%。試驗(yàn)土樣用直徑39.1 mm、高度80 mm規(guī)格的試模壓樣成形。制樣干密度控制在1.67 g/cm3,并在恒溫箱內(nèi)18 ℃條件下養(yǎng)護(hù)24 h。
土的電阻率等于電導(dǎo)率的倒數(shù),其定義為單位長(zhǎng)度的土體電阻的平均值與截面面積乘積,單位為Ω·m[2]。綜合而言,土的電阻率由土顆粒電阻率和孔隙水電阻率2部分組成。試驗(yàn)中采用TH2827C型數(shù)字電橋(見圖1)。電橋儀采用交流電通過試塊,測(cè)出試塊兩端電壓,根據(jù)下式[5]計(jì)算試樣電阻率,即
(1)
式中,ρ為試樣電阻率;R為試樣電阻;S為電流通過試樣的橫截面面積;L為電極片之間的間距;ΔU為點(diǎn)位差;I為電流強(qiáng)度。
先將電阻率儀器開機(jī)穩(wěn)定后,從恒溫箱中取出試樣,涂上導(dǎo)電膏;然后將電極片與試樣夾緊以保證接觸緊密,依次測(cè)試每個(gè)試樣的電阻率,每個(gè)試樣的電阻率測(cè)量控制在1 min左右。在電阻率測(cè)試中,要考慮對(duì)接觸電阻進(jìn)行修正,因?yàn)樵嚇优c金屬電極接觸處會(huì)產(chǎn)生明顯的阻抗。因此,可以通過依次測(cè)出幾組不同長(zhǎng)度試樣間的電阻來(lái)減小試驗(yàn)誤差,繪制出R-L的擬合直線(見圖2),將直線延長(zhǎng)直至與R軸相交,截距即為接觸電阻。本次試驗(yàn)的接觸電阻R0=1 553.5 Ω。試樣電阻值在數(shù)值上等于實(shí)測(cè)電阻值R與接觸電阻R0的差值。本次試驗(yàn)測(cè)試頻率選擇20 kHz。
圖1 TH2827C型精密LCR數(shù)字電橋儀器
圖2 R-L的擬合直線
分別加入單鹽(NaCl、Na2CO3、Na2SO4)后土樣電阻率試驗(yàn)結(jié)果見圖3。從圖3可知,在相同的含水率w下,土體電阻率ρ隨單鹽(NaCl、Na2CO3、Na2SO4)含量的增加而減小,剛開始下降速度較快,而后趨于穩(wěn)定。這主要是因?yàn)閯傞_始當(dāng)鹽進(jìn)入土體完全溶解后,土體中的電荷總量劇增,此時(shí)電阻率ρ大小取決于土體中的電荷總量,電荷總量越多,則導(dǎo)電性越強(qiáng),即電阻率ρ越??;而后當(dāng)鹽溶解度達(dá)到飽和時(shí),電荷總量趨于穩(wěn)定,則導(dǎo)電性變化很小,即電阻率ρ基本保持不變;隨著含水率w的增加,土體電阻率ρ呈下降趨勢(shì),這主要是因?yàn)殡S著含水率w的增加,土體中的孔隙不斷被水分填充,土體飽和度增加,使得孔隙之間的連通性越來(lái)越好,則土體的導(dǎo)電性增強(qiáng),電阻率ρ下降。但當(dāng)單鹽(NaCl、Na2CO3、Na2SO4)含量達(dá)到一定值時(shí),含水率w對(duì)電阻率ρ的影響變小。
不同含水率w下,土樣電阻率ρ與單鹽(NaCl、Na2CO3、Na2SO4)含量的擬合公式和相關(guān)關(guān)系表2。從表2可以看出,隨著單鹽含量的增加,土樣電阻率ρ均呈現(xiàn)出指數(shù)函數(shù)的下降趨勢(shì),且都具有較好的擬合相關(guān)性。土樣電阻率ρ與Na2CO3含量關(guān)系擬合度最高,其次為NaCl和Na2SO4。可以利用該公式,對(duì)不同含水率和Na2CO3含量的土樣電阻率進(jìn)行預(yù)測(cè),準(zhǔn)確性較高。
圖3 土樣電阻率與單鹽含量的關(guān)系
表2 土樣電阻率與單鹽含量的擬合公式和相關(guān)關(guān)系
不同類型的鈉鹽會(huì)對(duì)鹽漬土土樣電阻率產(chǎn)生不同程度的影響。在同一鹽含量下,鹽漬土土樣的電阻率呈現(xiàn)Na2SO4>NaCl>Na2CO3的趨勢(shì)。這主要由于電荷總量和離子遷移速度很大程度上決定了土體的導(dǎo)電性。鹽含量相同時(shí),Na2CO3鹽漬土土樣中離子含量高于NaCl,NaCl鹽漬土土樣中離子含量高于Na2SO4;此外,硫酸根離子的活度相對(duì)較低,且硫酸鹽結(jié)晶會(huì)導(dǎo)致土體體積增大,孔隙變大,電阻率增大,這是由于硫酸鹽在結(jié)晶過程中會(huì)結(jié)合土體中一部分水分子。因此,Na2CO3鹽漬土土樣導(dǎo)電性大于NaCl,NaCl鹽漬土土樣導(dǎo)電性大于Na2SO4。
加入混合鈉鹽(NaCl和Na2CO3、NaCl和Na2SO4、Na2CO3和Na2SO4,按質(zhì)量比1∶1混合)后土樣電阻率結(jié)果見圖4。從圖4可知,在相同的含水率w下,土體電阻率ρ同樣隨混合鹽含量的增加而減小,剛開始下降速度較快,而后趨于穩(wěn)定。在鹽含量由0變?yōu)?.3%時(shí),電阻率ρ發(fā)生突變,這是因?yàn)橥馏w中水分使得加入的鹽能充分地溶解在土體中,此時(shí)電荷總量是影響導(dǎo)電性的主要因素。隨后,隨著鹽含量的變化,電阻率ρ下降速度逐漸趨于平緩,這是因?yàn)橥馏w電阻率由土顆粒電阻率和孔隙液電阻率組成,而后期孔隙液電阻率隨著鹽含量的變化趨于穩(wěn)定。土體電阻率ρ隨含水率w的增加而減小,這是由于孔隙水的填充增強(qiáng)了土體孔隙的連通性,使得土體整體導(dǎo)電性增強(qiáng),電阻率ρ下降。但當(dāng)混合鹽含量達(dá)到一定值時(shí),電阻率ρ受含水率w的影響變小。
圖4 土樣電阻率與混合鹽含量的關(guān)系
不同含水率w下,土樣電阻率ρ與混合鹽含量的擬合公式和相關(guān)關(guān)系見表3。從表3可知,土樣電阻率ρ均隨鹽含量的增大呈指數(shù)關(guān)系降低,指數(shù)曲線擬合相關(guān)系數(shù)都較高。同時(shí),不同的混合鹽類型對(duì)電阻率有一定影響,當(dāng)混合鹽含量相同,鹽漬土土樣電阻率則表現(xiàn)出NaCl和Na2SO4>Na2CO3和Na2SO4>NaCl和Na2CO3的趨勢(shì)。其原因是在相同鹽含量下,混合鹽NaCl和Na2CO3鹽漬土土樣離子含量最高,NaCl和Na2SO4鹽漬土土樣離子含量最低。因此,混合鹽NaCl和Na2CO3鹽漬土土樣電阻率最小,NaCl和Na2SO4鹽漬土土樣電阻率最大。
表3 土樣電阻率與混合鹽含量的擬合公式和相關(guān)關(guān)系
通過依次分析單因素(鈉鹽含量、含水率、鈉鹽種類)對(duì)土體電阻率的影響發(fā)現(xiàn),鈉鹽含量和含水率對(duì)電阻率影響都較大,而相對(duì)于鈉鹽含量和含水率的影響程度,鈉鹽種類對(duì)電阻率的影響較小,屬于次要因素,同時(shí)考慮到土體含水率與飽和度、孔隙比之間存在一定換算關(guān)系,對(duì)實(shí)際工程而言,鹽漬土的孔隙水電阻率和土顆粒的性質(zhì)在特定的區(qū)域差異不大。因此,可以通過推廣的Archie[3]公式來(lái)表示鈉鹽鹽漬土電阻率ρ,即
(2)
式中,P為鈉鹽含量;Sr為土的飽和度;ρw為孔隙水電阻率;K、m和n為土性有關(guān)的參數(shù)。
通過對(duì)上述試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,推導(dǎo)出基于阿爾奇公式的鈉鹽鹽漬土電阻率公式為
(3)
以單鈉鹽NaCl為例,將實(shí)際測(cè)得的NaCl鹽漬土電阻率進(jìn)行擬合,觀察實(shí)際測(cè)得的電阻率與鈉鹽鹽漬土電阻率模型公式計(jì)算結(jié)果的擬合程度,其中,含水率14%、16%、18%和20%分別對(duì)應(yīng)飽和度Sr分別為0.613、0.700、0.788和0.876。實(shí)際測(cè)得的電阻率與鈉鹽鹽漬土電阻率模型公式計(jì)算結(jié)果的擬合結(jié)果見圖5。從圖5可知,擬合程度較高。
圖5 鈉鹽鹽漬土電阻率模型
本文以楊凌黃土為研究對(duì)象,配制含不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的3種鈉鹽和3種混合鈉鹽的鹽漬土土樣,分別測(cè)試不同含水率下鈉鹽鹽漬土的電阻率變化規(guī)律,得出以下結(jié)論:
(1)鈉鹽鹽漬土電阻率隨單鹽或混合鹽含量的增加而減小,而后趨于穩(wěn)定;當(dāng)單鹽或混合鹽含量達(dá)到一定值時(shí),含水率對(duì)電阻率的影響變小,含鹽量對(duì)電阻率的敏感程度大于含水率對(duì)電阻率的敏感程度。
(2)不同類型的鈉鹽對(duì)鹽漬土土樣電阻率產(chǎn)生不同程度的影響,在同一鹽含量下,鹽漬土土樣的電阻率呈現(xiàn)Na2SO4>NaCl>Na2CO3的趨勢(shì)。當(dāng)混合鹽含量相同時(shí),混合鹽則表現(xiàn)出NaCl和Na2SO4>Na2CO3和Na2SO4>NaCl和Na2CO3的趨勢(shì)。
(3)通過分析電阻率與鈉鹽含量之間的相關(guān)性,基于阿爾奇電阻率模型,推導(dǎo)了鈉鹽鹽漬土的電率模型。