宁波地区土层电阻率特性及主要参数相关性研究

黄 勇，郑荣跃，刘干斌，陈 迪，钱峰

（宁波大学岩土工程研究所，宁波315211）

宁波地区土层电阻率特性及主要参数相关性研究

黄 勇，郑荣跃，刘干斌，陈 迪，钱峰

（宁波大学岩土工程研究所，宁波315211）

结合宁波轨道交通1、2、3号线岩土工程勘察，利用Wenner等距四极法测定土体电阻率，研究了含水率、孔隙比、压缩模量对各土层电阻率影响及相关性，结果表明：宁波地区软黏土电阻率与物理力学指标含水率、孔隙比、压缩模量之间的相关性较好，土的电阻率随含水率、孔隙比的增大而减小，随压缩模量的增大而增大；不同土层的电阻率不同，黏土及粉质黏土的导电性优于砂土，为轨道交通供电、变配电、接触网及弱电设计提供依据。

电阻率ρ；含水率；孔隙比；压缩模量；相关性

电阻率是土的基本物性参数之一，土的电阻率实际上是电流垂直通过边长为1 m的立方体土时所呈现的电阻，电阻率表征岩土体导电性的强弱，物质的电阻率越低，导电性就越好，电阻率越高，导电性就越差。近年来，土体电阻率的研究工作越来越引起工程师和学者的重视，电阻率也越来越多的被运用到实际工程中，尤其对于环境检测中的污染土检测工程应用更多。宁波地区环境污染问题也有体现，诸如象山港［1］地区，污染物漂移扩散会对土质有较大影响。

国内外学者刘松玉［2］、蒋建平［3］、刘国华［4］、Fruhlich Rhoades［5］、Hitoshi Nishmaki［6］、李金铭［7］等人均对土的电阻率展开了试验研究。结果说明，土的电阻率与众多因素有关，其中，土层的结构、构造、饱和度、孔隙比、含水量、垂直渗透系数、压缩模量及标贯与土的电阻率之间存在密切的关系。针对不同地区土体，国内外学者得到的土体物理力学指标与土体电阻率之间的相关性也存在一定程度上的差异，例如含水率与土体电阻率之间的相关性结果有线性变化也有非线性变化，可能是由于各地区土质不同，得到的结果也不尽相同。国内外对于此方面的理论研究很少，基本都是通过实验数据的拟合工作得到相关经验公式来大体确定土体物理力学参数与电阻率之间的关系。

综上所述，对宁波地区而言，土的电阻率方面的相关研究工作很少，所以对宁波地区软土进行电阻率ρ的研究工作有重要的工程意义。宁波地区属典型的软土地区，广泛分布厚层状软土，水系发达，河流众多，具有“地下水位高，土层含水率高、压缩性高、强度低、灵敏度高、透水性低”等特点。土的电阻率作为岩土体的基本物理力学参数之一，目前已应用于实际工程，如环境污染检测及环境修复效果检查等领域中［8］。

本文针对宁波地区软土层，结合宁波轨道交通1、2、3号线勘察成果，对宁波地区土的电阻率进行测试研究，以为供电、变配电、接触网及弱电等专业及本地区工程建设的设计和施工的设计提供依据。

1宁波地区工程地质条件

宁波平原第四系地层发育，厚度较大，且层位较稳定，厚度从60～120 m不等，从中更新世至全新世地层发育齐全。主要成因类型有河流相、河湖相及海相等，从老到新是由一套陆相堆积—海陆交替堆积—海相堆积地层组成，上部软土层厚14.1～24.6 m。宁波市区浅层土主要有①1-1层杂填土、①1-3层浜填土、①2层黄灰色粘土、①3层灰色淤泥质粉质粘土、②2-1层灰色淤泥、②2-2层灰色淤泥质粘土、③1层灰色粉砂、③2层灰色粉质粘土夹粉砂及⑤1层灰绿色、草黄色粘土。对于深基坑支护还可能还涉及④1-2层灰色粉质粘土、④2层灰色粘土、④3层灰色粉质粘土、⑤1层暗绿、草黄色粘土。宁波的地处沿海地区，水系发达，河流众多，“地下水位高，土层含水率高，压缩性高、强度低、灵敏度高、透水性低”等特点［9］。

2土的电阻率测定

目前测定土的电阻率常用的方法有：二相电极法和Wenner法［10］。宁波轨道交通1、2、3号线勘察过程中采用Wenner等距四极法在钻孔中测定电阻率，测试深度为25 m，试验间距为0.4 m。

Wenner法原理示意图如图1所示。此方法是一种四相电极测试法，电流I（A）由外部电极测得，诱导电压通过内部电极测得，则半空间电阻率由公式（1）计算得到

图1 Wenner法示意图Fig.1 Sketch of Wenner method

式中：ρ（Ω）是电阻率，V（V）是电压，I（A）是电流，a（m）是两电极片间的水平距离。

测试过程中，将4根测试电极打入待测电，极距均为0.4 m，连接电阻测试仪导线，在测试仪中设置好电极极距，仪器采用重庆地质仪器厂研制的DDC-6电子自动补偿仪，待准备工作完毕即可测得该点土壤的电阻率。在现场，沿轨道交通线路中线点位两侧50 m处分别测试一组电阻率，测试深度为25 m，分别测试1～25 m深度的土壤电阻率，深度间距为2 m，测试获得各测点数据。

3结果及分析

选择宁波轨道交通1、2、3号线中代表性测点，对各土层的含水量w、孔隙比e、压缩模量Es与电阻率之间的影响特性，并建立其相关关系。对于土体电阻率特性研究，影响其电阻率值的因素并不局限于含水量、孔隙比以及压缩模量，诸如有机质、水体盐度值、水体PH值对土体电阻率确有影响，本文所用数据均为宁波地铁1、2、3号线现场勘察结果，相关电阻率值为某一特定土层的电阻率，勘察过程中所做的原位试验工作并没有具体针对某一土层的水体盐度值及PH值进行细致测量，故本文没有提及相关内容。

3.1含水率对电阻率的影响

对各层土的含水率与电阻率数据进行相关性分析，结果如图2所示。从图形可知，对同一种土而言，电阻率与含水率之间的线性相关性比较理想，且土的电阻率随着含水率的增大减小。这是由于对于同一种土来说，土的含水率越大，土体中水的含量就越高；含水率越小，土体中水的含量就越低。水的导电性优于土颗粒，故土体中水的含量越高，即含水率越大，土体的导电性越好，电阻率越小。

图2 电阻率与含水率相关曲线Fig.2 Correlation curve between electrical resistivity and water content

以①3层淤泥质黏土及③1层粉砂为例，①3层淤泥质黏土含水率范围为46％～53.1％，电阻率随含水率的增加呈递减趋势，电阻率从11.76变化到6.9；③1层粉砂含水率变化范围为25.3％～28.8％，电阻率从30.5变化到23.3。电阻率与含水率的相关关系满足一次线性函数，且粉砂的含水率明显小于黏土，电阻率大于黏土，黏土的导电性优于粉砂。

为了反映土的电阻率与含水率间的相关关系，对上图作拟合处理，拟合结果显示土的电阻率与含水率之间呈线性关系，各土层关系结果见表1，相关系数均在0.8以上，二者之间高度相关。

3.2孔隙比与电阻率关系

图3 电阻率与孔隙比相关曲线Fig.3 Correlation curve between electrical resistivity and void ratio

各层土的孔隙比与电阻率相关性分析结果如图3所示。对同一种土而言，电阻率与孔隙比之间有较好的线性关系，且土的电阻率随着孔隙比的增大减小。对于同一种土来说，土的孔隙比越大，土体中空隙就越多；孔隙比越小，土体中空隙就越少。对宁波地区而言，由于宁波的地处沿海地区，水系发达，河流众多，“地下水位高，土层含水率高，土体中空隙越多，水的含量越高，水的导电性优于土颗粒，故土体中空隙越多，即孔隙比越大，土体中水含量越高，土体的导电性越好，电阻率越小。

以①3层淤泥质黏土及③1层粉砂为例，①3层淤泥质黏土孔隙比范围为1.29～1.534，电阻率随孔隙比的增加呈递减趋势，电阻率从11.76变化到6.9；③1层粉砂孔隙比变化范围为0.72～0.84，电阻率从30.5变化到23.3。电阻率与孔隙比的相关关系满足一次线性函数，且粉砂的含水率明显小于黏土，电阻率大于黏土，黏土的导电性优于粉砂。

为反映土的电阻率与孔隙比间的相关关系，对各作拟合处理，结果显示土的电阻率与孔隙比之间呈线性关系，各土层关系结果见表2，相关系数均在0.7以上，二者之间相关性较好，但较含水率与电阻率而言相关性差。

3.3压缩模量与电阻率关系

对各层土的压缩模量ES与电阻率数据进行相关性分析，结果如图4所示。对同一种土而言，电阻率随压缩模量的增大而增大。由于土的压缩模量ES越大，土体越不易压缩，土体中空隙就越少，土体的导电性强弱基本由土颗粒决定；土的压缩模量ES越小，说明土体越容易压缩，土体中空隙就越多，土体的导电性由土颗粒、土中气和土中水共同决定。所以对同一种土而言，压缩模量的增大，土中空隙随之减小，土体中水的含量也随之减少，土的导电性减弱，即土的电阻率增大；反之土的导电性增强，电阻率增大。

图4 电阻率与ES相关曲线Fig.4Correlation curve between electrical resistivity and compression modulus

表1 土的电阻率（ρ）与含水率（w）间的量化关系式Tab.1 The quantitative relation between electrical resistivity（ρ）and water content（w）

表2 土的电阻率（ρ）与孔隙比（e）间的量化关系式Tab.2 The quantitative relation between electrical resistivity（ρ）and void ratio（e）

表3 土的电阻率（ρ）与压缩模量（Es）间的量化关系式Tab.3 The quantitative relation between electrical resistivity（ρ）and compression modulus（Es）

以①3层淤泥质黏土及③1层粉砂为例，①3层淤泥质黏土压缩模量范围为2.149～3.078，电阻率随压缩模量的增加呈递曾趋势，电阻率从11.76变化到6.9；③1层粉砂压缩模量变化范围为5.8～8.629，电阻率从30.5变化到23.3。电阻率与压缩模量的相关关系满足二次非线性函数，且粉砂的压缩模量明显大于黏土，电阻率大于黏土，黏土的导电性优于粉砂。

为了反映土的电阻率与压缩模量间的相关关系，对上图作拟合处理，拟合结果显示土的电阻率与压缩模量之间呈二次非线性关系，各土层关系结果见表3，相关系数基本上在0.8以上，二者之间相关度较高。

5结论

本文结合宁波轨道交通1、2、3号线岩土工程勘察成果，对宁波地区软黏土电阻率开展研究，主要结论如下：（1）宁波地区软黏土的电阻率与含水率、孔隙比、压缩模量之间的相关性十分明显。土的电阻率随含水率、孔隙比的增大而减小，随压缩模量的增大而增大。（2）不同土的电阻率不同，其中③1层粉砂的电阻率较大，黏土及粉质黏土的电阻率均小于粉砂。黏土及粉质黏土的导电性优于砂土。（3）建立了各土层电阻率ρ与相关物理量的关系式，可用于宁波地区工程建设的设计、施工及检测。

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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

宁波市科技计划项目(2013C50005)；浙江省新苗人才计划（2015R405075）

黄勇（1990-），男，安徽省宣城人，硕士研究生，主要从事软土地基处理方面的研究工作。

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