含水率和含盐量对红黏土电阻率的影响规律及机理研究

加小瑞

(陕西建工机械施工集团有限公司，陕西 西安 710000)

红黏土作为一种特殊的黏土体系，主要分布在我国南部地区，以云贵高原及两广地区最为典型和广泛[1]。与其他黏土相比，红黏土因特殊的矿物质组成，具有低压缩性、高液塑限、较高地基承载力、高孔隙比、高含水率等特点，备受岩土工程科研和工程师的关注。我国西南地区虽降水充沛，但由于特殊地貌，水土流失严重，干旱缺水问题突出。农业发展过程中的大面积灌溉，导致矿物成分的溶解和重构，因此导致地下水位变化以及土壤严重盐碱化。大量研究表明，土壤物理化学性质的变化将会导致其物理力学参数发生显著变化，尤其是土壤中的含盐量对滑坡、泥石流、地面塌陷等地质灾害有重要影响[2-5]。因此有必要研究不同含水率及含盐量对红黏土性质的影响。传统的方法虽可得到准确的量测结果，但费时耗力，在现场无法做到实时动态量测且易破坏原有场地条件。应用地球物理解决实际工程问题是近几年来的前沿研究，电阻率法作为该领域重要分支和组构，凭借其无损、快速、动态可持续等优点，备受岩土工程和地质工程从业人员的关注。

随着对电阻率法研究的深入，对大型工程场地勘测及建设提供了极大便捷。研究土体电阻率模型能快速便捷地评价土体的物理力学性质，可广泛应用于岩土体工程质量评价、环境岩土工程等方面[6]。自Archie[7]将电阻率与土体内部结构结合起来，提出了适用于饱和无粘性土的电阻率模型后，Keller等[8-10]进行了进一步完善，Yoon等[11]进行研究后将土体电阻率应用到了环境岩土工程中。查甫生等[12-13]对非饱和土及污染土的电阻率特性进行了研究并讨论了其在实际工程中的应用。刘国华等[14]通过试验研究得到了影响土体电阻率变化的主要因素以及各因素的影响程度。Sudha等[15]将电阻率法及工程性状联合起来在实际工程中进行应用。Chu Y等[16-18]研究了电阻率法作为测试技术在污染土中的应用。刘华等[19-20]研究了酸碱污染黄土及重塑黄土的电阻率特征，建立了电阻率与含水率、污染程度间的协同联系。陈筠等[21]对碱污染红黏土的抗剪强度特性进行了研究，揭示了碱污染红黏土抗剪强度变化的影响因素。目前，对于西南地区红黏土电阻率的研究较少，有必要加强对红黏土电阻率特性的基础研究，探明不同因素对红黏土电阻率的影响机理，具有极其重要的学术价值和显著的工程现实意义。

基于此，本文主要研究含水率及含盐量对我国西南地区红黏土电阻率的影响，在此基础上结合三相路径和扩散双层结构，分析含水率及含盐量作用下电阻率的演变规律，揭示含水率和含盐量对红黏土电阻率的影响机理。以期为红黏土地区地下水变化导致的地质灾害防治提供有价值的参考，同时为充分利用好西南地区的土地资源提供理论依据。

1 试验材料与方法

1.1 试验红黏土来源

试验所用的红黏土试样取自贵州省贵阳市贵州大学校园内，取样深度约为1.0m。根据GB/T 50123—2019《土工试验方法标准》[22]量测土样的基本物理指标见表1，测定的颗粒级配曲线如图1所示，进一步计算得到土样粒径分布的不均匀系数5.50，曲率系数为1.24。其中，界限含水率与Chu Y等[16-18]的参数相近，塑限为25.72%，塑限作为判断土体物理力学性能演变的重要指标，其变化与土体表面的扩散层密切相关[21]。此外，红黏土土体内的矿物成分包含高岭石、伊利石、绿泥石、针铁矿、石英和少量蒙脱石[16-18，21，23]。

表1 试样的基本物理指标

图1 红黏土颗粒粒径累积分析曲线

1.2 试样制作过程及量测

试样基于内径尺寸为61.8mm×20.0mm的环刀试样制作，具体制样过程如下：①红黏土风干后用橡胶锤研磨，并通过2mm筛进行筛分；②将风干土样与蒸馏水及氯化钠混合，以达到目标含水率和含盐量，见表2；③混合土样后进行人工搅拌，并在室温下密封保存24h，使氯化钠及水分分布均匀；④通过静态压实方法制作环刀试样。

表2 试验方案设计 单位：%

四相电极法由于更加复杂，且插入土样中对土样的扰动较大，且很难确定电极间的距离。而二相电极法相较于四相电极法测量简单，因此常用于土工试验中的同步电阻率动态观测，但测量过程中易产生极化现象。因此，采用施加重物的方法避免接触电阻带来的影响，采用通过测量土样两端的电压和电流即可计算其电阻率值。考虑到红黏土的电阻率特性，采用自行装配的伏安法电阻率测试装置，如图2所示演示了部分测试原理。按照GB/T 50123—2019[22]的方法将试样从环刀内用透水石推出，将试样上下端放置铜片电极，并在上部铜片放置一个较小绝缘砝码，对上部接触施加一个较小的下压力以实现电极和土样的良好接触，以便于进行通电量测电压和电流。电源采用交流电供电转换为0.1～30.0V的直流(DC)电压，A、V分别表示高精度电流表和电压表；Rx为待测试样。根据试测结果，测量时的电压U控制为12V，此时试样的电阻率计算公式为：

图2 红黏土土样电阻率测试示意图

(1)

1.3 试样电动电位分析

电动电位(ζ电位)是黏土矿物胶粒双电层中的电位，是扩散层的内外界之间的电位差，ζ电位与扩散层厚度之间有密切的关系，扩散层厚度对土的工程性质有着重要的意义。电阻率量测后部分试样烘干磨碎进行Zeta电位试验，将试样烘干磨碎成粉末状即可，试验仪器为纳米粒度及Zeta电位分析仪(马尔文ZS90)。

有研究指出[21，23]，在碱液侵入红黏土时，孔隙水溶液中增加的Na+与黏土矿物表面的负电荷发生化学反应，使土体表面扩散层变薄，结合水含量减少，导致土体的可塑性降低，在孔隙水溶液中存在低浓度Na+时，塑限和液限均呈现明显降低趋势，而后随着Na+浓度增加变化不在显著。

2 试验结果与分析

根据上述红黏土电阻率测试结果及电动电位测试结果，分别对含水率及含盐量对电阻率的影响进行了分析和讨论，结合三相路径和扩散双层结构揭示含水率和含盐量对红黏土电阻率的影响机理。

2.1 含水率对红黏土电阻率的影响

如图3所示为红黏土电阻率在不同含水率下的变化曲线。由图可知，含水率对红黏土电阻率的降低作用起着关键作用，随着含水率的增加，红黏土电阻率值减小，最后趋于最小值。随着含盐量的增加，红黏土电阻率逐渐降低。此外，随着红黏土含水率的增加，电阻率曲线的斜率减小。这些曲线的特征表明，水对红黏土电阻率的影响可能是渐进的。

图3 红黏土电阻率随含水率变化曲线

2.2 含盐量对红黏土电阻率的影响

不同NaCl浓度下红黏土电阻率的变化如图4所示。含盐量增加对土壤电阻率的影响已在许多研究中提到。天然状态(含盐量为0%)下的红黏土电阻率显著高于其他浓度。电阻率特性在所有含水率下都会发生变化(8%～20%)。在2%～6%的较高NaCl浓度下，电阻率总体下降，但下降速度远低于0%～2%NaCl。当NaCl浓度为6%时，电阻率达到最小值。上述现象表明，NaCl浓度约为2%时存在近似临界含量。

图4 红黏土电阻率随含盐量的变化曲线

2.3 含盐量对红黏土电动电位的影响

红黏土电动电位随着含盐量的变化曲线如图5所示。从图中可以看出，含盐量越高，电动电位降低，说明扩散层的厚度减小，及颗粒之间的距离增加，引力与斥力均降低，引力降低的程度大于斥力降低的程度。这与文献[19，21]中发现的现象一致，文献中指出，在碱液侵入红黏土时，孔隙水溶液中增加的Na+与黏土矿物表面的负电荷发生化学反应，使土体表面扩散层变薄，结合水含量减少，导致土体的可塑性降低，在孔隙水溶液中存在低浓度Na+时，塑限和液限均呈现明显降低趋势，而后随着Na+浓度增加变化不在显著。而本研究中所用为NaCl溶液，与碱液中的阳离子一致，不同的是前者富含Cl-，后者富含OH-。分析其原因，红黏土作为特殊性黏土，常含多种矿物，且碱液带有一定的腐蚀性，对土体内的矿物、胶结体、有机质产生侵蚀，孔隙水中的OH-易于其他矿物质及离子发生化学反应，形成絮状沉淀，消耗了部分OH-，在静电力和浓度差作用下，造成了Na+更易进入双电层，进而显著降低电动电位。当受到NaCl侵入时，Na+在静电力作用下进入双电层降低了电位。

图5 红黏土电动电位随含盐量的变化曲线

2.4 讨论

在低含水率下，红黏土的电导率较低，几乎相当于绝缘体的电导率。结合红黏土的三相路径传导模型，电流传导路径随含水率的变化如图6所示。首先，由于缺乏孔隙水，红黏土颗粒的单点接触模式是主要的导电路径，即路径Ⅰ。事实上，黏土颗粒的电导率远低于孔隙水的电导率。因此，在初始阶段红黏土电阻率最大，显著高于其他含水率下的电阻率。其次，由于含水率的增加，红黏土中的一些孔隙充满了水，减少了空气对导电路径形成的不利影响，向孔隙水-颗粒传导路径演变，即路径Ⅱ。最后，当含水率超过临界含量时，由连续孔隙水传导而形成的导电路径Ⅲ演变成为主要导电模式。

图6 不同含水率的红黏土导电路径概念图

孔隙水中离子的运动是土壤导电的主要原因。研究发现，随着孔隙水溶液中盐浓度的变化，土壤颗粒的表面电位将相应改变，从而导致土壤扩散双层厚度的变化(如图7所示)。当Na+和Cl-添加到红黏土中，在外部电场的影响下，扩散双层特性(即厚度、阳离子交换容量和阴离子浓度)发生变化。扩散层中相对自由移动的离子在外电场的作用下更容易产生定向运动，形成导电路径，这也是含盐量增加后红黏土电阻率显著降低的主要原因。此外，由于红黏土孔隙逐渐被含有盐分的孔隙数逐渐占据，一些盐类和矿物在孔隙水中逐渐分解，更有利于电荷传递，实现电流转移。导电路径是由粘土颗粒扩散层及其周围孔隙水中的大量自由移动离子在外电场作用下形成的。同时，由于孔隙周围的化学反应导致的土壤颗粒膨胀，不仅扩大了孔隙，促进了孔隙水的连接，而且释放了自由移动的离子，这些离子有助于导电路径的导电性。因此，在这一阶段(含盐量为2%～6%)，红黏土的电阻率不断降低。

3 结论

本文通过开展不同含水率和含盐量下红黏土电阻率试验，研究了含水率、含盐量对红黏土电阻率的影响，结合导电模型和电动电位试验揭示了其影响机理。具体结论如下。

(1)26%的含水率和2%的NaCl浓度分别是影响含水率和NaCl浓度的黄土电阻率的临界含量。电阻率试验值逐渐减小，超过临界含量后趋于最小值。

(2)含水率对红黏土电阻率的影响主要体现在土壤颗粒间接触模型的变化和导电路径的变化。作为影响孔隙水中自由移动离子数量的主要因素，NaCl浓度改变了导电路径的导电能力。

(3)基于三相路径和扩散双层结构，揭示了含水率和含盐量对红黏土电阻率的影响机理。此外，考虑到现场条件的复杂性，后续应更深入研究工程力学性质、水敏感性、导热性、土壤化学性质和电阻率之间的关系，以期为红黏土地区的地质灾害防治及土地资源利用提供理论依据。