徐凝睿 樊恒輝 樊恒娟 余佳輝 張路
摘 要:利用二相電極電阻率測試裝置,對非分散性土、分散性土的電阻率進(jìn)行測試對比研究,分析了溫度、含水率、孔隙率、飽和度等因素對土樣電阻率的影響,并建立電阻率經(jīng)驗?zāi)P停囼灲Y(jié)果表明:非分散性土、分散性土的電阻率均隨溫度的升高成反比例函數(shù)關(guān)系下降;同一溫度下,非分散性土的電阻率明顯高于分散性土,低溫條件下(T<10℃)表現(xiàn)尤為明顯,因此可根據(jù)低溫下黏土的電阻率初步判別土樣是否具有分散性;兩種土的電阻率均隨含水率、飽和度的增大成冪函數(shù)關(guān)系減小,隨孔隙率的增大成冪函數(shù)或線性關(guān)系增大,變化幅度均不同?;诜稚⑿酝恋姆稚C(jī)制、結(jié)構(gòu)特征和Mitchell三元導(dǎo)電模型,探討分析了造成兩種土不同電阻率特性的原因,為探索土的電阻率特性在定量化判別黏土分散性、分散性土改良的效果評價等方面的應(yīng)用提供理論依據(jù)。
關(guān)鍵詞:分散性土:電阻率;溫度;導(dǎo)電性;分散機(jī)制:特殊土
中圖分類號:TU411.2
文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A
doi: 10.3969/j.issn.1000-1379.2018.06.029
從滲透穩(wěn)定和抵抗水沖蝕破壞的角度出友,把黏性土分為非分散性土和分散性土。分散性土是一種在低含鹽量水中(或純凈水中)離子相互間的排斥力超過吸引力,導(dǎo)致細(xì)顆粒之間的黏聚力大部分甚至全部喪失,呈團(tuán)聚體存在的顆粒體白行分散成原級顆粒的黏性土。它分布廣泛,在國內(nèi)外多地均有發(fā)現(xiàn)。工程實踐表明,分散性土因其抗沖蝕能力很低,渠道滲漏、堤壩管涌、路基失穩(wěn)等破壞極易發(fā)生,其危害性很大,是近年來巖土工程界廣受關(guān)注的特殊土類之一。
電阻率是土的固有物性參數(shù)之一,是表征土體導(dǎo)電性的基本參數(shù),指當(dāng)電流垂直通過邊長為Im的立方體土?xí)r所呈現(xiàn)的電阻大小,單位為Ω.m。自1942年Archie將土電阻率法用于研究飽和砂巖的微結(jié)構(gòu)特征以來,許多學(xué)者相繼對土電阻率進(jìn)行了理論與試驗研究,并得出了很多有實用價值和應(yīng)用前景的結(jié)論和方法。電阻率已成為研究砂土液化、土體污染特征、土的物理力學(xué)性質(zhì)以及微結(jié)構(gòu)形態(tài)等的參數(shù)之一[5]。
對特殊土電阻率的理論與應(yīng)用研究相對于砂、砂巖的電阻率研究起步較晚。韓立華等最早提出將電阻率法應(yīng)用于污染土檢測領(lǐng)域:查甫生等研究了膨脹土、黃土的電阻率受其微結(jié)構(gòu)特征的影響:付偉等進(jìn)行了不同溫度下凍土單軸抗壓強(qiáng)度與電阻率試驗,從而證明了采用電阻率法來研究凍土強(qiáng)度及載荷下的變形問題的可行性:董曉強(qiáng)等揭示了非飽和黃土在受壓過程中交流電阻率變化規(guī)律:趙燕茹等基于垃圾土顆粒導(dǎo)電性分類,試驗研究在添加不同溶液、孔隙率、含水率、溫度等因素影響下垃圾土電阻率變化特征:馮懷平等將廣泛應(yīng)用于半導(dǎo)體等材料的電阻率測量領(lǐng)域的高精度方法——范德堡法(vdP法)引入非飽和土電阻率測試,真正實現(xiàn)了無損測試。
目前國內(nèi)外對于分散性土的研究主要集中在分散機(jī)理、鑒別方法、抗?jié)B性能及改性應(yīng)用等方面,影響?zhàn)ね练稚⑿缘囊蛩匕ち:?、鈉離子和pH值、黏土礦物成分、有機(jī)質(zhì)等,這些因素也都影響著土的電阻率特性的變化。2009年樊恒輝曾通過研究土體的電動電位,試圖定量化判別分散性土。而利用電阻率法進(jìn)行土的結(jié)構(gòu)性分析具有無損、快捷、連續(xù)等優(yōu)點,有效克服了常規(guī)的土結(jié)構(gòu)性研究中存在的制樣困難、可重復(fù)性差、測試麻煩與定量分析困難等缺點,提高了試驗研究的可操作性和研究結(jié)果的一致性,真正實現(xiàn)土結(jié)構(gòu)的定量分析,建立更具實用性的結(jié)構(gòu)性模型,進(jìn)而應(yīng)用于土的T程力學(xué)特征參數(shù)的測定。
本文以非分散性土、分散性土為研究對象,采用二相電極電阻率測試裝置,對比研究兩種土在不同溫度、含水率、孔隙率、飽和度下的電阻率特性,探討分析分散性土的結(jié)構(gòu)特征、分散機(jī)制與電阻率基本特性之間的關(guān)系,并構(gòu)建分散性土的電阻率模型,為進(jìn)一步探索土的電阻率特性在判別黏土分散性、分散性土改良的效果評價等方面的應(yīng)用提供理論依據(jù)。
1 試驗材料
1.1 土樣
試驗用土有非分散性土、分散性土兩種,將這兩種土風(fēng)干并過2 mm篩備用。土樣的物理化學(xué)性質(zhì)見表1,針孔試驗和碎塊試驗結(jié)果見表2和圖1。
1.2 主要試驗儀器
電阻率測試采用TH2827C型精密LCR數(shù)字交流電橋(見圖2),測試信號源電壓為5 mV~2 V,電流頻率可設(shè)置為20 Hz~l MHz。只有當(dāng)測試電壓足夠低時(通常小于10 mV),才能保證分散性土本身的微結(jié)構(gòu)幾乎不受輸入電信號的影響,而且輸出的信號為同樣頻率的正弦波信號,故本試驗測量時設(shè)置電壓為5mV,測試頻率為2 000 Hz,以避免電極化的影響。
2 試驗方法
2.1 電阻率測試方法
2.1.1 土樣的電阻率測試
將過篩風(fēng)干后的土樣按照試驗要求分別配制不同含水率、用Ф39.1 mmx80 mm的模具制作符合試驗要求的網(wǎng)柱體土樣,當(dāng)含水率較高時,采用水膜轉(zhuǎn)移法制樣。將制好的土樣用保鮮膜包裹,再裝入塑封袋中密封,放人恒濕箱按照規(guī)定的溫度養(yǎng)護(hù)24 h以上,確保土樣溫度達(dá)到試驗要求。特別指出的是,本文中除探討溫度對土電阻率影響時將試樣在不同溫度條件下養(yǎng)護(hù),其他電阻率試驗試樣均是在18℃下養(yǎng)護(hù)和測試的。電阻的測試采用二相電極法,將厚度約為2 mm、直徑39 mm的薄銅電極片接人TH2827C型精密LCR數(shù)字交流電橋,在土樣試塊表面均勻涂抹約2 mm厚的導(dǎo)電膏后貼好電極片,放人定制的絕緣盒上固定,確保測試過程中不會發(fā)生電極片的移位和松動,同時隔絕土樣表面與空氣中微塵的接觸,減少試驗誤差(見圖2)。儀器測量顯示交流電阻R值,進(jìn)行三組平行試驗,并計算得到其平均值。按照電阻率定義公式便可計算得到對應(yīng)的電阻率值。
2.1.2 孔隙水溶液的電阻率測試
將上??祵庪姽饧夹g(shù)有限公司生產(chǎn)的DJS -1(光亮)型電導(dǎo)電極的導(dǎo)線接人數(shù)字交流電橋( TH2827C)中,用離心機(jī)提取含水率達(dá)到液限的土樣孔隙水溶液,并放人恒溫箱中24 h以上達(dá)到試驗要求溫度(T=18℃),將電極測試端伸人已裝有5 mL孔隙水溶液的細(xì)量筒中并保證被孔隙水溶液完全浸沒,進(jìn)行孔隙水溶液電阻率的測定。
2.2 對接觸電阻的修正
試驗采用二相電極法,盡管已經(jīng)涂抹了導(dǎo)電膏,但是金屬電極與試樣表面的接觸條件還是會對測試結(jié)果帶來一定影響,必須通過接觸電阻的修正來降低試驗誤差??梢砸来螠y出不同長度L試樣的電阻,作R-L線性擬合線(見圖3),其縱截距即為接觸電阻Ro(見表3)。在以后的數(shù)據(jù)處理中,土樣電阻為各自的實測電阻R與接觸電阻Ro的差值。
3 試驗結(jié)果分析
3.1 溫度對電阻率的影響
溫度的變化會影響土中離子的活躍程度。將在最優(yōu)含水率、最大干密度條件下制備的試樣密封好放人恒溫箱24 h以上,控制試樣溫度達(dá)到試驗所需溫度( T=3、8、13、18、23、28、33、38、43、48、53、58℃),然后測定其交流電阻值,從而得到溫度對電阻率的影響,測定結(jié)果見圖4。
研究發(fā)現(xiàn),土體在某一溫度T下的電阻率與其18℃下的電阻率有以下關(guān)系:式中:pT為土體在溫度T時的電阻率,;Ω.m;P18為土體在18℃時的電阻率,Ω.m;T為溫度,℃:α為試驗常數(shù),℃-1。
圖4為非分散性土和分散性土的電阻率與溫度的關(guān)系。從圖4可以看出:①電阻率與溫度之間呈較好的反比例函數(shù)關(guān)系,即非分散性土、分散性土的電阻率均隨溫度的上升而減小,在溫度較低時,溫度的升高會帶來電阻率的大幅下降,隨著溫度升高,電阻率的減小幅度越來越小。②同一溫度下,非分散性土的電阻率比分散性土的高2倍以上。尤其在低溫(T<10℃)下表現(xiàn)更為明顯,如在3℃時,非分散性土的電阻率是分散性土的3.7倍:在8℃時,非分散性土的電阻率是分散性土的5.1倍。③與分散性土的電阻率相比,非分散性土的電阻率對溫度變化更加敏感,即溫度升高同樣幅度,非分散性土電阻率減小更快。同樣,在低溫下這種情況更加明顯。如溫度從3℃升至18℃時,非分散性土的電阻率減小了259.33 Ω.m,而分散性土的電阻率減小了63.79 Ω.m。因此,低溫下通過電阻率可判別土樣是否具有分散性,即在低溫下,電阻率大的可能屬于非分散性土,電阻率小的可能屬于分散性土。
這主要是因為:①溫度的升高降低了孔隙水的黏滯性,提高了離子的遷移率,增大了孔隙水的離解度,進(jìn)而增大了孔隙水的礦化度,故電阻率減小。溫度越接近0℃,孔隙水就越接近靜止?fàn)顟B(tài),因此溫度升高改變了孔隙水溶液的靜止?fàn)顟B(tài),使孔隙水離子得以活動,電阻率就會大幅減小,而當(dāng)溫度低于10℃后,溫度升高對離子活躍度的改善作用不大,因此電阻率減小得慢。②土體產(chǎn)生分散性的機(jī)制在于含有大量的鈉離子,而且酸堿度呈強(qiáng)堿性,這就意味著分散性土孔隙水中的離子含量更高,活躍度也更高,導(dǎo)電性更好。同時,土的顆粒大小與其活動性緊密相關(guān),尺寸更小的活動性更強(qiáng),分散性土的黏粒含量更高,土顆粒周圍存在的雙電層在電場作用下具有更好的導(dǎo)電性,因而電阻率更小。
3.2 含水率對電阻率的影響
本試驗在干密度pd=1.64g/cm3,即孔隙率n=39.5%的條件下,配制非分散性土試樣達(dá)到試驗要求含水率(w= 14.9%、16.9%、18.9%、20.9%、22.9%),配制分散性土試樣達(dá)到試驗要求含水率(w= 12. 9%、14.9%、16.9%、18.9%、22.9%),然后測定其交流電阻。為了反映土體浸水飽和后呈流動狀態(tài)時的電阻率,在不考慮密度的條件下(此時土顆粒的導(dǎo)電性已經(jīng)不是主要因素,主要考慮孔隙水溶液的電阻率特性),將非分散性土和分散性土的含水率控制在液限附近,測定其交流電阻。由此得到含水率對電阻率的影響(見圖5),圖5中實線是冪函數(shù)關(guān)系擬合曲線。從圖5可以看出:①在塑限含水率(wp= 17.7%)附近,兩種土的電阻率均隨含水率的增大而大幅減小,而且分散性土的電阻率及其減幅都比非分散性土的要大。②在液限含水率(WL= 37.6%)附近,兩種土的電阻率均隨含水率的增大而幾乎不變,而且非分散性土的電阻率要比分散性土的大。
呈現(xiàn)這種現(xiàn)象的主要原因是,當(dāng)土樣的含水率較小時,土的含水率增大意味著孔隙水連通性的改善;當(dāng)含水率增大到一定程度后,孔隙水幾乎完全充滿土中孔隙,孔隙水的連通性接近最佳,土的含水率的進(jìn)一步增大對孔隙水的連通性影響很小。分散性土顆粒排列缺乏定向性,顆粒間連接弱且孔隙大,單元體間和單元體內(nèi)孔隙卻均細(xì)小,因此土體中液相導(dǎo)電路徑相對于非分散性土更曲折,電阻率更大。與此同時,隨著土體含水率的增大,土中的部分膠結(jié)物逐漸溶解,削弱了土粒間膠結(jié)作用,同時也增大了土顆粒表面結(jié)合水膜的厚度,進(jìn)而增大了土顆粒間距,使得顆粒間斥力增加、引力減小,黏性土的分散程度增大,此時土粒間的移動錯位更易發(fā)生。因此,隨著含水率的增大,分散性土的孔隙水連通性改善更為明顯,電阻率減小更快,而且當(dāng)含水率增大到一定程度后,分散性土顆粒間的距離更大,孔隙水連通性更好,因而電阻率反而比非分散性土的小。此外,隨著含水率的增大,土體中離子的水化作用增強(qiáng),由于分散性土中易溶鹽含量高于非分散性土的,因此導(dǎo)致電阻率比非分散性土的小。
3.3 孔隙率對電阻率的影響
本試驗在不同含水率(w= 14.9%、16,9%、18.9%)條件下,制備非分散性土試樣達(dá)到試驗要求干密度(pd= 1.54、1.57、1.61、1.64g/cm3)、分散性土試樣達(dá)到試驗要求干密度(pd= 1.34、1.44、1.51、1.64g/cm3),使試樣具有不同的孔隙率,然后測定其交流電阻值,從而得到不同含水率條件下土的電阻率與孔隙率的關(guān)系(見圖6)。由圖6可以看出:①在相同含水率下,非分散性土、分散性土的電阻率均隨孔隙率的增大而成冪函數(shù)關(guān)系或線性增大;②在相同孔隙率下,含水率越大,電阻率越小。
根據(jù)Mitchell三元導(dǎo)電模型,當(dāng)土體含水率一定時,土體越密實,孔隙率越小,土顆粒之間的距離越小,土顆粒接觸點更多,因此土中固相導(dǎo)電路徑增多。與此同時,孔隙水與土顆粒的接觸也更多,即土中固液相串的導(dǎo)電路徑也越多,因此電阻率越小。
3.4 飽和度對電阻率的影響
G.Keller和F.Frischknecht指出,土體飽和度是影響非飽和土電阻率的重要參數(shù)之一。本次試驗通過控制土樣的兩個基本因素(含水率和干密度)達(dá)到試驗要求水平進(jìn)行完全正交試驗(總計30組次,見表4),控制飽和度達(dá)到不同水平,從而得到非分散性土和分散性土電阻率與飽和度的關(guān)系(見圖7)。
由圖7可以看出:①非分散性土和分散性土的電阻率均隨著飽和度的增大而呈冪函數(shù)關(guān)系減小,飽和度越大,電阻率減小的幅度越小。②在塑限附近(飽和度低于100%),相同飽和度下的分散性土的電阻率要比非分散性土的大,但是伴隨著飽和度的增大,兩者的差值越來越小。在液限附近土體呈泥漿狀態(tài),此時分散性土的電阻率反而比非分散性土的小。③隨著飽和度的增大,分散性土電阻率的減小幅度始終比非分散性土的大。
飽和度表示土體孔隙中充滿水的程度,因此飽和度的增大意味著土體中液相的連通程度增大,即土中液相導(dǎo)電通路增多,因此電阻率會減?。猴柡投仍浇咏?00%0,土中孔隙水的連通性改善空間越小,因此電阻率減小幅度越小。分散性土因其特殊的結(jié)構(gòu)特征,飽和度的增大對其液相導(dǎo)電通路和固液串聯(lián)導(dǎo)電通路的改善都較明顯,電阻率減小更快。
3.5 分散性土的電阻率模型
綜上所述,土的含水率、孔隙率、飽和度與土的電阻率都符合冪函數(shù)關(guān)系。實際工程中,特定區(qū)域黏土的土顆粒性質(zhì)差異不大.因此采用推廣的Archie公式來表示非分散性土、分散性土的電阻率,即式中:p為實測土電阻率;pw為孔隙水電阻率;n為孔隙率;α、m、p為系數(shù)和指數(shù);Sr為飽和度。
Archie在1942年提出結(jié)構(gòu)因子(F)的概念,定義為土電阻率與孔隙水電阻率之比:
F只適用于固結(jié)砂巖與飽和無黏性純凈砂。就非飽和黏性土而言,黏土顆粒表面的導(dǎo)電性不可忽略,結(jié)構(gòu)因子應(yīng)該用表觀結(jié)構(gòu)因子(Fa)來表示。因此,經(jīng)驗性的非分散性土、分散性土電阻率模型為
本試驗測得非分散性土、分散性土的孔隙水溶液電阻率分別為10.03、4.54 Ω.m。根據(jù)上述試驗數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析獲得經(jīng)驗性的非分散性土電阻率模型(見圖8)為
式(5)、式(6)相關(guān)系數(shù)分別為0.968、0.981,屬高度相關(guān),擬合結(jié)果較好。
4 結(jié)論
(1)非分散性土、分散性土的電阻率均隨溫度的升高而成反比例函數(shù)關(guān)系下降:在同一溫度下,非分散性土的電阻率明顯高于分散性土的,在低溫條件下(T<10℃)表現(xiàn)尤為明顯;可根據(jù)低溫下黏土的電阻率判別土樣是否具有分散性,但其閾值有待繼續(xù)深入研究。
(2)非分散性土、分散性土的電阻率隨含水率、飽和度的增大而成冪函數(shù)關(guān)系減小。在塑限含水率附近,兩種土的電阻率均隨含水率的增大大幅減小,而且分散性土的電阻率及其減幅均比非分散性土的大:在液限含水率附近,兩種土的電阻率均隨含水率的增大而幾乎不變,非分散性土的電阻率反而大于分散性土的。
(3)在同一含水率條件下,非分散性土、分散性土的電阻率隨孔隙率的增大成冪函數(shù)或線性關(guān)系增大。
(4)在推廣的Archie公式的基礎(chǔ)上,建立了地區(qū)性的適用于分散性土的經(jīng)驗性電阻率模型。
(5)分散性土的電阻率相較于非分散性土呈現(xiàn)出不同的性質(zhì)。因此,可利用電阻率法來研究黏性土的分散性,其具有快速、無損、經(jīng)濟(jì)的特點。但是由于分散性土分散機(jī)制復(fù)雜,影響因素較多,所以應(yīng)進(jìn)一步探索土的電阻率特性與分散程度之間的關(guān)系,為定量化判別黏土分散性、評價分散性土改良效果等提供理論依據(jù)。