分散性土与非分散性土电阻率特性的对比试验

徐凝睿 樊恒辉 樊恒娟 余佳辉 张路

摘 要：利用二相电极电阻率测试装置，对非分散性土、分散性土的电阻率进行测试对比研究，分析了温度、含水率、孔隙率、饱和度等因素对土样电阻率的影响，并建立电阻率经验模型，试验结果表明：非分散性土、分散性土的电阻率均随温度的升高成反比例函数关系下降；同一温度下，非分散性土的电阻率明显高于分散性土，低温条件下（T<10℃）表现尤为明显，因此可根据低温下黏土的电阻率初步判别土样是否具有分散性；两种土的电阻率均随含水率、饱和度的增大成幂函数关系减小，随孔隙率的增大成幂函数或线性关系增大，变化幅度均不同。基于分散性土的分散机制、结构特征和Mitchell三元导电模型，探讨分析了造成两种土不同电阻率特性的原因，为探索土的电阻率特性在定量化判别黏土分散性、分散性土改良的效果评价等方面的应用提供理论依据。

关键词：分散性土：电阻率；温度；导电性；分散机制：特殊土

中图分类号：TU411.2

文獻标志码：A

doi： 10.3969/j.issn.1000-1379.2018.06.029

从渗透稳定和抵抗水冲蚀破坏的角度出友，把黏性土分为非分散性土和分散性土。分散性土是一种在低含盐量水中（或纯净水中）离子相互间的排斥力超过吸引力，导致细颗粒之间的黏聚力大部分甚至全部丧失，呈团聚体存在的颗粒体白行分散成原级颗粒的黏性土。它分布广泛，在国内外多地均有发现。工程实践表明，分散性土因其抗冲蚀能力很低，渠道渗漏、堤坝管涌、路基失稳等破坏极易发生，其危害性很大，是近年来岩土工程界广受关注的特殊土类之一。

电阻率是土的固有物性参数之一，是表征土体导电性的基本参数，指当电流垂直通过边长为Im的立方体土时所呈现的电阻大小，单位为Ω.m。自1942年Archie将土电阻率法用于研究饱和砂岩的微结构特征以来，许多学者相继对土电阻率进行了理论与试验研究，并得出了很多有实用价值和应用前景的结论和方法。电阻率已成为研究砂土液化、土体污染特征、土的物理力学性质以及微结构形态等的参数之一[5]。

对特殊土电阻率的理论与应用研究相对于砂、砂岩的电阻率研究起步较晚。韩立华等最早提出将电阻率法应用于污染土检测领域：查甫生等研究了膨胀土、黄土的电阻率受其微结构特征的影响：付伟等进行了不同温度下冻土单轴抗压强度与电阻率试验，从而证明了采用电阻率法来研究冻土强度及载荷下的变形问题的可行性：董晓强等揭示了非饱和黄土在受压过程中交流电阻率变化规律：赵燕茹等基于垃圾土颗粒导电性分类，试验研究在添加不同溶液、孔隙率、含水率、温度等因素影响下垃圾土电阻率变化特征：冯怀平等将广泛应用于半导体等材料的电阻率测量领域的高精度方法——范德堡法（vdP法）引入非饱和土电阻率测试，真正实现了无损测试。

目前国内外对于分散性土的研究主要集中在分散机理、鉴别方法、抗渗性能及改性应用等方面，影响黏土分散性的因素包括黏粒含量、钠离子和pH值、黏土矿物成分、有机质等，这些因素也都影响着土的电阻率特性的变化。2009年樊恒辉曾通过研究土体的电动电位，试图定量化判别分散性土。而利用电阻率法进行土的结构性分析具有无损、快捷、连续等优点，有效克服了常规的土结构性研究中存在的制样困难、可重复性差、测试麻烦与定量分析困难等缺点，提高了试验研究的可操作性和研究结果的一致性，真正实现土结构的定量分析，建立更具实用性的结构性模型，进而应用于土的T程力学特征参数的测定。

本文以非分散性土、分散性土为研究对象，采用二相电极电阻率测试装置，对比研究两种土在不同温度、含水率、孔隙率、饱和度下的电阻率特性，探讨分析分散性土的结构特征、分散机制与电阻率基本特性之间的关系，并构建分散性土的电阻率模型，为进一步探索土的电阻率特性在判别黏土分散性、分散性土改良的效果评价等方面的应用提供理论依据。

1 试验材料

1.1 土样

试验用土有非分散性土、分散性土两种，将这两种土风干并过2 mm筛备用。土样的物理化学性质见表1，针孔试验和碎块试验结果见表2和图1。

1.2 主要试验仪器

电阻率测试采用TH2827C型精密LCR数字交流电桥（见图2），测试信号源电压为5 mV～2 V，电流频率可设置为20 Hz～l MHz。只有当测试电压足够低时（通常小于10 mV），才能保证分散性土本身的微结构几乎不受输入电信号的影响，而且输出的信号为同样频率的正弦波信号，故本试验测量时设置电压为5mV，测试频率为2 000 Hz，以避免电极化的影响。

2 试验方法

2.1 电阻率测试方法

2.1.1 土样的电阻率测试

将过筛风干后的土样按照试验要求分别配制不同含水率、用Ф39.1 mmx80 mm的模具制作符合试验要求的网柱体土样，当含水率较高时，采用水膜转移法制样。将制好的土样用保鲜膜包裹，再装入塑封袋中密封，放人恒湿箱按照规定的温度养护24 h以上，确保土样温度达到试验要求。特别指出的是，本文中除探讨温度对土电阻率影响时将试样在不同温度条件下养护，其他电阻率试验试样均是在18℃下养护和测试的。电阻的测试采用二相电极法，将厚度约为2 mm、直径39 mm的薄铜电极片接人TH2827C型精密LCR数字交流电桥，在土样试块表面均匀涂抹约2 mm厚的导电膏后贴好电极片，放人定制的绝缘盒上固定，确保测试过程中不会发生电极片的移位和松动，同时隔绝土样表面与空气中微尘的接触，减少试验误差（见图2）。仪器测量显示交流电阻R值，进行三组平行试验，并计算得到其平均值。按照电阻率定义公式便可计算得到对应的电阻率值。

2.1.2 孔隙水溶液的电阻率测试

将上海康宁电光技术有限公司生产的DJS -1（光亮）型电导电极的导线接人数字交流电桥（ TH2827C）中，用离心机提取含水率达到液限的土样孔隙水溶液，并放人恒温箱中24 h以上达到试验要求温度（T=18℃），将电极测试端伸人已装有5 mL孔隙水溶液的细量筒中并保证被孔隙水溶液完全浸没，进行孔隙水溶液电阻率的测定。

2.2 对接触电阻的修正

试验采用二相电极法，尽管已经涂抹了导电膏，但是金属电极与试样表面的接触条件还是会对测试结果带来一定影响，必须通过接触电阻的修正来降低试验误差。可以依次测出不同长度L试样的电阻，作R-L线性拟合线（见图3），其纵截距即为接触电阻Ro（见表3）。在以后的数据处理中，土样电阻为各自的实测电阻R与接触电阻Ro的差值。

3 试验结果分析

3.1 温度对电阻率的影响

温度的变化会影响土中离子的活跃程度。将在最优含水率、最大干密度条件下制备的试样密封好放人恒温箱24 h以上，控制试样温度达到试验所需温度（ T=3、8、13、18、23、28、33、38、43、48、53、58℃），然后测定其交流电阻值，从而得到温度对电阻率的影响，测定结果见图4。

研究发现，土体在某一温度T下的电阻率与其18℃下的电阻率有以下关系：式中：p_T为土体在温度T时的电阻率，；Ω.m；P18为土体在18℃时的电阻率，Ω.m；T为温度，℃：α为试验常数，℃-1。

图4为非分散性土和分散性土的电阻率与温度的关系。从图4可以看出：①电阻率与温度之间呈较好的反比例函数关系，即非分散性土、分散性土的电阻率均随温度的上升而减小，在温度较低时，温度的升高会带来电阻率的大幅下降，随着温度升高，电阻率的减小幅度越来越小。②同一温度下，非分散性土的电阻率比分散性土的高2倍以上。尤其在低温（T<10℃）下表现更为明显，如在3℃时，非分散性土的电阻率是分散性土的3.7倍：在8℃时，非分散性土的电阻率是分散性土的5.1倍。③与分散性土的电阻率相比，非分散性土的电阻率对温度变化更加敏感，即温度升高同样幅度，非分散性土电阻率减小更快。同样，在低温下这种情况更加明显。如温度从3℃升至18℃时，非分散性土的电阻率减小了259.33 Ω.m，而分散性土的電阻率减小了63.79 Ω.m。因此，低温下通过电阻率可判别土样是否具有分散性，即在低温下，电阻率大的可能属于非分散性土，电阻率小的可能属于分散性土。

这主要是因为：①温度的升高降低了孔隙水的黏滞性，提高了离子的迁移率，增大了孔隙水的离解度，进而增大了孔隙水的矿化度，故电阻率减小。温度越接近0℃，孔隙水就越接近静止状态，因此温度升高改变了孔隙水溶液的静止状态，使孔隙水离子得以活动，电阻率就会大幅减小，而当温度低于10℃后，温度升高对离子活跃度的改善作用不大，因此电阻率减小得慢。②土体产生分散性的机制在于含有大量的钠离子，而且酸碱度呈强碱性，这就意味着分散性土孔隙水中的离子含量更高，活跃度也更高，导电性更好。同时，土的颗粒大小与其活动性紧密相关，尺寸更小的活动性更强，分散性土的黏粒含量更高，土颗粒周围存在的双电层在电场作用下具有更好的导电性，因而电阻率更小。

3.2 含水率对电阻率的影响

本试验在干密度p_d=1.64g/cm3，即孔隙率n=39.5%的条件下，配制非分散性土试样达到试验要求含水率（w= 14.9%、16.9%、18.9%、20.9%、22.9%），配制分散性土试样达到试验要求含水率（w= 12. 9%、14.9%、16.9%、18.9%、22.9%），然后测定其交流电阻。为了反映土体浸水饱和后呈流动状态时的电阻率，在不考虑密度的条件下（此时土颗粒的导电性已经不是主要因素，主要考虑孔隙水溶液的电阻率特性），将非分散性土和分散性土的含水率控制在液限附近，测定其交流电阻。由此得到含水率对电阻率的影响（见图5），图5中实线是幂函数关系拟合曲线。从图5可以看出：①在塑限含水率（w_p= 17.7%）附近，两种土的电阻率均随含水率的增大而大幅减小，而且分散性土的电阻率及其减幅都比非分散性土的要大。②在液限含水率（W_L= 37.6%）附近，两种土的电阻率均随含水率的增大而几乎不变，而且非分散性土的电阻率要比分散性土的大。

呈现这种现象的主要原因是，当土样的含水率较小时，土的含水率增大意味着孔隙水连通性的改善；当含水率增大到一定程度后，孔隙水几乎完全充满土中孔隙，孔隙水的连通性接近最佳，土的含水率的进一步增大对孔隙水的连通性影响很小。分散性土颗粒排列缺乏定向性，颗粒间连接弱且孔隙大，单元体间和单元体内孔隙却均细小，因此土体中液相导电路径相对于非分散性土更曲折，电阻率更大。与此同时，随着土体含水率的增大，土中的部分胶结物逐渐溶解，削弱了土粒间胶结作用，同时也增大了土颗粒表面结合水膜的厚度，进而增大了土颗粒间距，使得颗粒间斥力增加、引力减小，黏性土的分散程度增大，此时土粒间的移动错位更易发生。因此，随着含水率的增大，分散性土的孔隙水连通性改善更为明显，电阻率减小更快，而且当含水率增大到一定程度后，分散性土颗粒间的距离更大，孔隙水连通性更好，因而电阻率反而比非分散性土的小。此外，随着含水率的增大，土体中离子的水化作用增强，由于分散性土中易溶盐含量高于非分散性土的，因此导致电阻率比非分散性土的小。

3.3 孔隙率对电阻率的影响

本试验在不同含水率（w= 14.9%、16，9%、18.9%）条件下，制备非分散性土试样达到试验要求干密度（p_d= 1.54、1.57、1.61、1.64g/cm3）、分散性土试样达到试验要求干密度（pd= 1.34、1.44、1.51、1.64g/cm3），使试样具有不同的孔隙率，然后测定其交流电阻值，从而得到不同含水率条件下土的电阻率与孔隙率的关系（见图6）。由图6可以看出：①在相同含水率下，非分散性土、分散性土的电阻率均随孔隙率的增大而成幂函数关系或线性增大；②在相同孔隙率下，含水率越大，电阻率越小。

根据Mitchell三元导电模型，当土体含水率一定时，土体越密实，孔隙率越小，土颗粒之间的距离越小，土颗粒接触点更多，因此土中固相导电路径增多。与此同时，孔隙水与土颗粒的接触也更多，即土中固液相串的导电路径也越多，因此电阻率越小。

3.4 饱和度对电阻率的影响

G.Keller和F.Frischknecht指出，土体饱和度是影响非饱和土电阻率的重要参数之一。本次试验通过控制土样的两个基本因素（含水率和干密度）达到试验要求水平进行完全正交试验（总计30组次，见表4），控制饱和度达到不同水平，从而得到非分散性土和分散性土电阻率与饱和度的关系（见图7）。

由图7可以看出：①非分散性土和分散性土的电阻率均随着饱和度的增大而呈幂函数关系减小，饱和度越大，电阻率减小的幅度越小。②在塑限附近（饱和度低于100%），相同饱和度下的分散性土的电阻率要比非分散性土的大，但是伴随着饱和度的增大，两者的差值越来越小。在液限附近土体呈泥浆状态，此时分散性土的电阻率反而比非分散性土的小。③随着饱和度的增大，分散性土电阻率的减小幅度始终比非分散性土的大。

饱和度表示土体孔隙中充满水的程度，因此饱和度的增大意味着土体中液相的连通程度增大，即土中液相导电通路增多，因此电阻率会减小：饱和度越接近100%0，土中孔隙水的连通性改善空间越小，因此电阻率减小幅度越小。分散性土因其特殊的结构特征，饱和度的增大對其液相导电通路和固液串联导电通路的改善都较明显，电阻率减小更快。

3.5 分散性土的电阻率模型

综上所述，土的含水率、孔隙率、饱和度与土的电阻率都符合幂函数关系。实际工程中，特定区域黏土的土颗粒性质差异不大.因此采用推广的Archie公式来表示非分散性土、分散性土的电阻率，即式中：p为实测土电阻率；p_w为孔隙水电阻率；n为孔隙率；α、m、p为系数和指数；S_r为饱和度。

Archie在1942年提出结构因子（F）的概念，定义为土电阻率与孔隙水电阻率之比：

F只适用于固结砂岩与饱和无黏性纯净砂。就非饱和黏性土而言，黏土颗粒表面的导电性不可忽略，结构因子应该用表观结构因子（F_a）来表示。因此，经验性的非分散性土、分散性土电阻率模型为

本试验测得非分散性土、分散性土的孔隙水溶液电阻率分别为10.03、4.54 Ω.m。根据上述试验数据统计分析获得经验性的非分散性土电阻率模型（见图8）为

式（5）、式（6）相关系数分别为0.968、0.981，属高度相关，拟合结果较好。

4 结论

（1）非分散性土、分散性土的电阻率均随温度的升高而成反比例函数关系下降：在同一温度下，非分散性土的电阻率明显高于分散性土的，在低温条件下（T<10℃）表现尤为明显；可根据低温下黏土的电阻率判别土样是否具有分散性，但其阈值有待继续深入研究。

（2）非分散性土、分散性土的电阻率随含水率、饱和度的增大而成幂函数关系减小。在塑限含水率附近，两种土的电阻率均随含水率的增大大幅减小，而且分散性土的电阻率及其减幅均比非分散性土的大：在液限含水率附近，两种土的电阻率均随含水率的增大而几乎不变，非分散性土的电阻率反而大于分散性土的。

（3）在同一含水率条件下，非分散性土、分散性土的电阻率随孔隙率的增大成幂函数或线性关系增大。

（4）在推广的Archie公式的基础上，建立了地区性的适用于分散性土的经验性电阻率模型。

（5）分散性土的电阻率相较于非分散性土呈现出不同的性质。因此，可利用电阻率法来研究黏性土的分散性，其具有快速、无损、经济的特点。但是由于分散性土分散机制复杂，影响因素较多，所以应进一步探索土的电阻率特性与分散程度之间的关系，为定量化判别黏土分散性、评价分散性土改良效果等提供理论依据。