附加电场条件下吹填土的电性响应

欧孝夺，黄展案，柳子炎，潘 鑫

（广西大学a.土木建筑工程学院 南宁 530004；b.工程防灾与结构安全教育部重点实验室 南宁 530004）

近年来，随着地下工程建设、环境保护以及灾害防治等方面的需要，岩土体电性的研究成为热点，但总体来说尚处于起步阶段，主要以岩土体电阻率工程物探应用及土的电阻率与土性关系研究为主［1－3］，重点分析影响土电阻率的相关因素［4－5］，以及土电性与其力学性质之间的相互关系［6］。另一方面，土介电常数的影响变化因素及测定方法也有相关研究报道，主要为地下工程的探测提供重要依据［7－8］。对于外电场作用下的土体电性研究，多数涉及电渗［9－10］和渗流分析［11］这两方面。庄艳峰等［12－13］对电渗的电荷累积规律及界面电阻问题进行相关研究，王柳江等［14］则综合考虑电渗场、渗流场与应力场的耦合关系，进行了电渗固结分析。综合所述，目前国内外的研究成果主要集中在土的电性与其物理力学性质关系［15］以及土壤修复技术方面［16－18］，而外加电场作用下岩土体的电性参数变化特征的相关研究鲜见报道。

地球表面的岩土体时刻受外部电场的作用，特别是在雷雨天气，这种作用更为强烈。通过研究雷电场作用下岩土体的电荷累积规律及其影响因素，建立两者之间的电性响应机制，可探索、获得防雷减灾的新途径。以广西北部湾多雷地区“人造陆域”吹填土为研究对象，对其施加低压外电场，并通过改变电场强度、土体含水率、密实度以及淡化程度，观察吹填土内部电荷变化规律，初步探究外电场与岩土体之间的电性响应。

1 土样制备与试验方法

1.1 土样制备

1.1.1 土样的理化性质 试验吹填土采自广西钦州港保税区，从表观上看，土样略带黑色，土质结构均匀，附带少量淤泥，含水量趋于饱和。吹填土的土工试验参数见表1。

吹填土的颗粒组成及颗粒级配曲线分别如表2、图1所示。由表2可以看出，吹填土中粒径大于0.075mm的颗粒其质量占试样总质量的50%～85%，认为该试验土样为粉砂土。由图1可知，试验土样的曲率系数Cc＝2.01，不均匀系数Cu＝6.33，级配良好。

表1 吹填土土工试验参数

表2 吹填土颗粒组成

图1 吹填土颗粒级配曲线

1.1.2 土样制备 土样制备流程如下：1）将土样碾散、风干，过2mm筛后充分搅匀，取少量土进行含水率ω测定。2）参照《土工试验规程》（SL237—1999），计算土样所需加水量，并进行闷土。3）将闷好的土样分层放入塑料套管，并用击实锤击实至拟定体积，每层土样的质量根据拟定的密度及体积计算得到。当一层土样击实完毕，在其表面放置一根电势探针，再继续装入土样击实下一层。成型后土样为圆柱状，直径15.4cm，高18cm。电势探针由下至上呈直线分布，分别编号为1、2、3、4、5，相邻电势探针间隔4.5cm，土样制备过程如图2所示。

图2 土样制备过程

1.2 试验原理

以直流电源（0～150V）作为电场来源，塑料套管上方铜板接入直流负电作为阴极，下方铜板接入直流正电作为阳极，两块铜板之间距离为20cm，构成一个匀强电场（试验原理如图3所示）。土样高18cm，上端与负极铜板之间距离约为2cm，下端与正极铜板靠近但不接触。接通电源，使土样处于匀强电场中，利用石墨电势探针及万能表测定不同探针之间的电势差。

图3 试验原理示意图

1.3 试验内容及方法

根据试验目的制备所需土样，按图3要求组装试验装置，然后置于环境发生器（能够维持一定温度、湿度，可以模拟环境变化）中进行试验。首先测定同一土样在有无外电场作用下其两端电势差，比较两种情况下土体内部电荷变化差异；其次在施加外电场条件下，通过调整电场强度、土体含水率、密实度和淡化程度，分别测定各探针之间电势差，比较分析影响土体内部电荷移动的相关因素。具体操作步骤如下：

1）使用同一土体，在未接通电源情况下，每隔1h，使用万能表依次测定探针1～2、1～3、1～4、1～5、2～3、2～4、2～5、3～4、3～5、4～5之间的电势差。当读数基本稳定后，接通电源，使土体处于一个稳定的电场中。从加载电场开始，每隔10min测定一次读数，当各组探针之间的电势差基本稳定后将电场关闭，继续每隔30min测定一次，连续测定48h。

2）调整电场强度、土体含水率、密实度和淡化程度，测定不同条件下各组电势差示值，测定方法与1）中接通电源后的方法一致。

2 试验结果与分析

2.1 有无外加电场条件下土体内部电荷变化

假定加电场前所测电势差为初始值U0，加电场进行实验后某一时刻所测电势差为Ux，通过公式UL＝Ux－U0，计算电势差累计变化量UL。根据UL与时间t的变化关系描述土样内部电荷的变化规律，根据UL的大小与正负判断电荷的移动方向及量的多少。

试验中分别测定吹填土在无外电场及350V／m附加电场作用下土体两端（探针1～5）和内部（探针2～4）电势差，土体密度为1.90g／cm3，含水率为17%，环境发生器中温度为29.5℃，其试验曲线如图4所示。从图中可以看出，在无外加电场作用下，探针1～5和探针2～4的电势差均为正值，且随试验时间的延长而逐渐增大；探针1～5的电势差在试验前40h内变化明显，40h后基本保持稳定，而探针2～4在整个试验过程中均未发生大幅度变化。在附加电场作用下，探针1～5和探针2～4的电势差均为负值，且随试验时间的延长而逐渐减小；两组探针测值在试验前20h内基本保持稳定，20h后开始发生大幅度变化，其中探针1～5的变化幅度较大。

从上述试验结果来看，在有无外加电场条件下，土体内部电荷的变化情况存在差异。土体内部电势差在无外电场作用下为正，而在附加电场作用下为负，说明当不存在外电场时，土体内部正电荷沿竖直方向向下移动，负电荷则往相反方向移动。这是因为自然界存在方向向下的大气电场，土体内部正负电荷受电场力作用，沿竖直方向分别往两端移动；而施加了外电场后，综合电场的方向向上，与一般的雷雨云电场相似。

另外，2种试验条件下，探针1～5的电势差均比探针2～4大，即土体两端电势差较内部大，这从另一个方面说明电场的存在促进了土体内部电荷分别往上下两侧移动，形成电势降。

图4 有无外加电场条件下土体内部电势差累计变化量

2.2 不同电场强度下土体内部电荷变化

通过对5种不同电场强度下土体内部电荷的变化情况进行研究，探讨电场强度对吹填土内部电荷变化的影响。5种不同电场的场强分别为150、250、300、350、500V／m，土体密度1.90g／cm3，含水率20%，环境发生器中温度为29.5℃。不同电场强度下土体两端（电势探针1～5）电势差变化曲线如图5所示。

从图5看出，在不同强度的外电场作用下，土体两端电势差随时间的变化关系差异明显。总体来说，在150V／m的附加电场下，土体两端电势差变化幅度较小，基本保持稳定。分析原因，这是由于附加电场与大气电场场强大小接近，而方向相反，土体内部电荷受两种电场的作用相互抵消，未发生明显的移动，因此电势差变化保持稳定，这也印证了在无附加电场的情况下土体内部依然存在不断变化的电势差。而当附加电场场强达到250V／m以上时，电势差测值发生明显的变化，500V／m时绝对值最大，其次是350V／m。综合分析，附加电场对土体内部电荷移动具有明显的促进作用，随着场强的增大，大气电场的作用逐渐被抵消，电荷受到的外电场力越来越大，电势差变化速率越快。

图5 不同电场强度下土体内部电势差累计变化量

2.3 不同含水率下土体内部电荷变化

对5个土样分别施加350V／m的电场，初步探讨在附加电场作用下，不同含水率的吹填土内部电荷变化特性。土样含水率分别为10%、15%、20%、25%、30%，密度1.90g／cm3，环境发生器中温度为29.5℃。

选取电势探针1～5作为典型分析对象，其电势差累计变化曲线见图6。从图中看出，不同含水率下土体两端电势差变化存在显著差异，尤其是当含水率处于15%～20%之间时，试验曲线存在跳跃式变化。当含水率ω≤15%时，电势差测值变化幅度很小，在0～－200mV之间变动，而当含水率ω≥20%时，电势差变化量显著增加，在0～－900mV之间变动，且其变化幅度显著高于前者。总体来看，低含水率对土体内部电荷影响不大，电势差变化较缓慢，随着含水率升高到一定程度，试验数据产生大幅变化，电势差增长速率较快。这是由于土体内电荷的移动很大程度上依赖于液相，土中水对于带电离子的溶解，以及建立电荷的转移通道有着极大的促进作用。对于含水率ω≥20%，试验曲线较接近，电势差变化相差不大，说明此时含水率继续增大并不能无限增强电荷的移动，而是慢慢地趋于稳定状态。

图6 不同含水率下土体内部电势差累计变化量

综合分析，含水率较低时，颗粒间孔隙水连通性较差，不利于电荷的移动。随着含水率的升高，孔隙水连通性逐渐得到改善，越来越多的电荷在附加电场作用下作定向移动。当含水率继续升高到一定程度，此时土体颗粒孔隙已充满液态水，离子的溶解及电荷的移动接近极限状态，孔隙水的增多不能显著增强这种效应。

2.4 不同密实度下土体内部电荷变化

附加350V／m电场，探究3种不同密实度下吹填土内部电荷的变化情况。吹填土的密实度分别为0.3、0.5、0.8，含水率17%，环境发生器中温度为29.5℃。

不同密实度下土体两端（电势探针1～5）电势差变化曲线如图7所示。总体来看，各组试验中土体内部电荷变化迥异，影响规律并不明显。密实度为0.3时的电势差变化曲线与横轴非常接近，未有明显波动；0.5和0.8密实度下的电势差随着时间存在一定的变化幅度，但两者变化方向相反。初步分析，尽管含水率一定，但密实度的变化会影响土体内部结构，饱和度等参数会发生改变。因此，在排除试验过程中操作不当的前提下，综合考虑吹填土物质组成及细观结构等因素，需进行更深层次的对比试验，以探究土体密实度是否与其他潜在影响因素存在协同作用。

图7 不同密实度下土体内部电势差累计变化量

2.5 不同淡化程度下土体内部电荷变化

对试验土样进行淡化，可以模拟雨水对吹填土的冲洗、过滤作用，以此来探讨在附加电场（350V／m）作用下，不同淡化程度对土体内部电荷变化的影响规律。4种不同淡化程度的吹填土内部水分含盐率分别为2.51%（未淡化）、2.19%（淡化1d）、1.05%（淡化3d），0.18%（淡化10d），相应的电阻率分别为0.87、1.26、2.71、7.63Ω·m，吹填土含水率均为17%，土样密度1.90g／cm3，环境发生器中温度为29.5℃。

土体两端（电势探针1～5）电势差变化曲线如图8所示。从图中可以看出，经不同程度淡化后的土体两端电势差均随淡化时间的延长而减小，开始试验600h后，各组结果差异显著，未淡化的土样电势差变化最大，而淡化10d的最小。由此表明，淡化程度对土体内部电势差变化具有显著的影响，对吹填土的淡化导致其内盐分的流失，可溶于孔隙水的离子浓度降低，孔隙水导电性能减弱，土体主要导电通道连通性较差，未能充分发挥作用。结合电阻率数据也可以看出，含盐量越高，其土体电阻率越小，对土体内部电荷移动的阻碍作用越弱。

图8 不同程度淡化后土体内部电势差累计变化量

3 结论

1）在无外加电场条件下，吹填土内部电荷仍受大气电场作用，正电荷沿电场方向移动，负电荷与之相反。

2）试验表明，随着大气电场作用逐渐被抵消，附加电场对吹填土内部电荷移动产生显著影响。外电场场强越大，土体两端的电势差变化幅度越大，表明其内部电荷的移动、交换速率越快。

3）吹填土的含水量、密实度、淡化程度等因素，也能影响土体的导电性能。高含水量，以及低淡化度，在一定程度上增大了土体内部电荷移动的通道，电势差累计变化幅度越大。而密实度对吹填土内部电荷移动的影响规律尚不明确，需进行更深层次的试验研究。

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