全风化软岩填料电阻率特性影响因素试验研究

2021-12-30李莎，阳磊，刘杰

人民珠江 2021年12期

李莎，阳磊，刘杰

(1.重庆交通大学水工建筑物健康诊断技术重庆市高校工程研究中心，重庆 400074；2.重庆交通大学土木工程学院，重庆 400074)

电阻率是一种代表土体基本物理特性的参数，也是检测填方体压实度、堤坝渗漏、金属污染，以及研究土的微观形态结构、土壤水分迁移规律等的重要参数[1-4]。土体是由固体土颗粒、孔隙水和空气组成的三相复合体，影响土壤电阻率的因素包括：①与土体颗粒微观结构相关，例如土体颗粒形状、排列组合、阴阳离子交换能力；②与溶液和环境相关的因素，如含水率、溶液中阴阳离子组成、温度变化等；③与土体孔隙相关，例如孔隙率大小以及孔隙之间的连接情况等[5-7]。

国内外许多学者针对土的电阻率性质开展了较为深入的研究。LOPA M S等[8]研究了砂-膨润土混合物在不同混合比条件下的电阻率特性，为土壤污染检测、衬垫泄漏检测等提供数据支撑。杨志浩等[9]基于范德堡原理，通过动三轴试验对非饱和试样水分迁移规律进行了研究，证明了降雨、动荷载、路基压实度和列车轴重对路基内水分迁移均产生影响而导致路基病害。李瑞珂等[10]基于四相电测法对不同压实度土样的电阻率、极化率开展了室内试验，研究表明电阻率更适用于检测土体含水率，极化法能够更好地检测土体压实度。宋杰等[11]提出了基于与电阻率特性的非饱和土压实质量快速定量的评价方法。韩光男等[12]利用高密度电阻率法对填方体压实度进行了研究。朱才辉等[13]研发土电阻率-固结联合测定仪测定了黄土在恒定荷载下的电阻率动态变化规律，初步揭示了黄土体发生变形的微观演化规律。王日升等[14]对不同土石比、压实度的多相土石复合介质在饱水过程中的电阻率进行了研究，确定了饱和度、土石比以及压实度之间的相关规律。电阻率值大小与多种因素相关，Archie[15]初步建立了饱和砂土电阻率与孔隙水电阻率的联系；在Archie的试验基础上，有学者考虑了砂土饱和度对电阻率的影响[16]；Waxman等[17]又进行了黏性土颗粒表面导电性对电阻率的影响研究。

不同种类的土体之间性质存在较大的差异，其电阻率特性也有所不同。全风化软岩填料岩性较为特殊，风化程度较高且强度低、抗变形能力差，作为路基填料需要全面掌握其物理特性。通过电阻率测试来判断全风化软岩填料的物理性质，研究全风化软岩填料颗粒粒径以及粗颗粒含量对其电阻率特性的影响，为路基填筑施工、压实质量检测以及有限元模型建立提供理论依据。

1 试验方法

1.1 试验土料及试验仪器

本次试验所取土料为某高速沿线全风化软岩填料，包括全风化泥质砂岩和全风化粉砂岩，其风化程度较高，强度较低。土料在试验前进行风干、烘干。用振筛机对土样进行筛分，将土料顺次通过20、10、5、2、1、0.5、0.25、0.075 mm的筛孔(图1)。填料磨圆度较高，形状呈长扁球体。全风化泥质砂岩液限约为30%，塑限约为16%。试验仪器为CSK-V1型多功能电动击实仪，多功能电法仪等。

图1 试验土料

1.2 土的电阻率试验原理

电阻率是用于表示结构导电性的一种参数，与其几何性质无关。全风化泥质砂岩填料的微观导电机理主要可以分为以下2种情形：①自由水中的离子在电场作用下发生转移，通过土体的连通孔隙和骨架通道形成电流从而导电；②砂岩内部孔隙含有少量的泥质胶结物，其表面吸附大量的Al3+和Mg2+阳离子。在外界电场作用下，吸附能力较差的阳离子开始剥离，进入水中与水化阳离子交换位置发生水化反应，从而形成双电层，双电层中的扩散层和吸附层导电。根据欧姆定律，采用二相电极法测试试样的电阻率。通过测量流经单位体积土体两端的电流和电压来计算电阻率大小，电阻率定义式见式(1)：

(1)

式中ρ——电阻率，Ω·m；U——试样两端电压值，V；A——试样横截面面积，m2；I——试样两端电流值，A；L——试样长度，m。

1.3 试验方案

根据《土工试验方法标准》按照制备击实土样，分别制备不同土料、级配、含水率的土样，来研究全风化软岩填料电阻率特性。试验步骤如下。

a)为研究不同粒径的全风化软岩的电阻率特性，制备单粒径组的全风化泥质砂岩和全风化粉砂岩土样，其中4种单粒径组分别为粒径0.075～0.250 mm含量100%、粒径0.25～0.50 mm含量100%、粒径0.5～1 mm含量100%、粒径1～2 mm含量100%。为了便于对比分析比较，选取2种土料分别进行控制含水率相等、控制压实度和饱和度相等的试验，具体见表1。

表1 单粒径组试验方案

b)为研究级配对全风化软岩电阻率特性的影响，制备不同级配全风化泥质砂岩填料的击实试件，并开展击实试验，级配曲线见图2。每个击实试样制备完成后，把试样平放在两铜片之间使之紧密接触，并将其接入电路，打开电源读取多功能电法仪上面的读数，利用电阻率定义式计算电阻率，测试3次取平均值。每个试样的底面积和高度一定，因此不存在试样底面积和高度大小对电阻率的影响。电阻率测试完成后，在试样中心取出代表性试样进行含水率测试，并计算出每个试样的干密度，具体见表2。

图2 级配曲线

表2 全风化泥质砂岩全级配试验方案

2 试验结果分析

2.1 粒径对电阻率的影响

粒径对全风化软岩填料电阻率的影响结果见图3、4。在含水率一定的条件下，可以看出随着粒径的不断增大，全风化软岩的电阻率也不断增大；在同种粒径组条件下，全风化泥质砂岩的电阻率小于全风化粉砂岩。在压实度和饱和度一定的情况下，随着粒径的增大，全风化软岩填料的电阻率也随之增大。土颗粒越小则其与水分子之间接触更加紧密和均匀，连通的孔隙水通道就越多，电流越容易通过，证明颗粒粒径大小对全风化软岩填料的电阻率有一定明显的影响。粒径越小的土颗粒越容易导电，因此电阻率较小。全风化粉砂岩的电阻率大于全风化泥质砂岩原因可能有以下2个方面：一是由于粉砂岩内部孔隙率大于泥质砂岩，较高的空气含量阻碍了电流的传导；二是由于泥质砂岩存在少量的泥质胶结物导致其与孔隙水发生水化反应形成双电层导电，因此泥质砂岩填料的电阻率较小。

图3 含水率一定时粒径对电阻率的影响

图4 压实度和饱和度一定时粒径对电阻率的影响

2.2 不同级配对电阻率的影响

在不同级配条件下，试样的压实特性与电阻率特性的试验结果见图5—8。试验结果表明，随着含水率的增大，全风化泥质砂岩填料的干密度先增大后减小，取抛物线峰值为最大干密度，对应的含水率为最优含水率。图9表示当压实度相同时，各级配的电阻率随着含水率的增大而降低，且变化趋势逐渐变缓。电阻率的下降趋势大致呈3个阶段，具体表现为：当含水率较小时，电阻率下降速度较快；含水率继续增大到达某一定值附近时，电阻率缓慢下降；当含水率较高时，电阻率进入逐渐平缓稳定阶段。

图5 P5含量为7%时的干密度、电阻率与含水率曲线

图6 P5含量为22%时的干密度、电阻率与含水率曲线

图7 P5含量为37%时的干密度、电阻率与含水率曲线

图8 P5含量为55%时的干密度、电阻率与含水率曲线

图9 压实度90%时不同级配的含水率与电阻率曲线

在电阻率快速下降阶段，同一级配下的干密度首先随着含水率的增加而增大，干密度越大则压实度越大，使得颗粒之间的孔隙率降低，且随着含水率的增大，土体孔隙通道被打开从而贯通性较好，土颗粒表面的矿物离子遇水发生化学反应，单位体积土颗粒电离的离子数量逐渐增多，导电能力也随之提高，因此电阻率值显著下降。在电阻率缓慢下降阶段，颗粒间的空隙逐渐被自由水填充，饱和度到达一定程度后，含水率的继续增大并不能使土颗粒孔隙之间的连接通道发生改变，此时土颗粒表面的矿物离子水化反应呈较好状态，因而电阻率值随着含水率增加而减小的趋势变得缓慢了。随着含水率的进一步增大，孔隙通道被水填充满，电阻率幅度变化很小，因而进入逐渐平缓稳定阶段。

查甫生等[18]认为土体导电包括土颗粒、孔隙水以及土水相串3条导电路径。级配4土样电阻率进入稳定阶段时含水率约为10%，是由于其细颗粒含量较多，细粒土的导电性大于粗粒土的导电性，且土体内部形状分布排列比较均匀，较小的含水率就能使电阻率进入平滑稳定阶段。当级配1电阻率进入稳定期时含水率大于10%，可能是由于其粗颗粒含量较高，土体内部粗粒土的形状排列阻碍了电流的传递，加之粗颗粒内部孔隙也更多，部分孔隙水进入粗颗粒内部孔隙，导致颗粒间孔隙水减少，土水相串路径下的导电能力远低于孔隙水，从而电阻率较高。

2.3 粗颗粒含量对电阻率的影响

压实度最大时各级配的电阻率分布见图10，可以看出土体粗颗粒含量与其电阻率呈线性增大的趋势，且粗颗粒含量越高电阻率增长幅度越大，证明粗颗粒的导电性能略低于细颗粒，再者粗颗粒含量的增大会使骨架颗粒的趋同性降低，使得土体内部结构更加复杂，导致电阻率增大。

图10 压实度为100%时电阻率随P5含量的变化

不同级配下的电阻率与含水率曲线见图11。从图中可以看出相同含水率条件下，粗颗粒含量越少，电阻率越小。当含水率低于14%时，粗颗粒含量差异越大则电阻率值相差越明显，说明粗颗粒含量对土体电阻率产生了较大的影响；当含水率大于14%时，即使粗颗粒含量相差较大但电阻率值大小差异不明显。分析其原因，主要是因为当含水率低于14%时，相同含水率土样中粗颗粒含量越大，土体中粗颗粒的骨架作用也越显著，细颗粒填充粗颗粒之间的空隙，使得土体内部排列结构较为复杂，粗颗粒含量越大则影响了电流的传递路径，使得土体孔隙通道不够联通，从而导电性较差。相反土体细颗粒含量较高时，单位体积中土体颗粒比表面积较大，土体表面吸附的阳离子遇水能够更好地发生水化反应，且细颗粒导电性较强，因此电阻率较小。当含水率超过14%时，土体孔隙通道几乎被水填充，粗颗粒含量和含水率均对电阻率的影响甚微，电阻率主要与全风化泥质砂岩填料母岩特性和水化反应形成的双电层导电性相关。