膨脹土力學(xué)特性參數(shù)的聲-電響應(yīng)特征分析

張 智，周 黎 明，徐 濤，付 代 光

(1.長江勘測規(guī)劃設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司，湖北 武漢 430010； 2.長江地球物理探測(武漢)有限公司，湖北 武漢 430010； 3.長江科學(xué)院 水利部巖土力學(xué)與工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430010)

0 引 言

膨脹土是一種吸水膨脹軟化、失水收縮開裂的特殊土體，其具有的膨脹性、裂隙性以及強(qiáng)度衰減等現(xiàn)象易引發(fā)邊坡失穩(wěn)垮塌[1]，從而造成人員傷亡和重大經(jīng)濟(jì)損失。水利工程中，水的存在極易誘發(fā)邊坡、堤壩等擋水建筑物發(fā)生邊坡失穩(wěn)。研究膨脹土的物理力學(xué)特征，可為膨脹土邊坡隱患探測與預(yù)警方法研究提供參考，對(duì)膨脹土邊坡防治等工作具有重要意義。

目前，評(píng)價(jià)膨脹土物理力學(xué)特性的方法有直接法和間接法。其中間接法是一種采用地球物理手段構(gòu)建膨脹土力學(xué)參數(shù)與電阻率、波速等參數(shù)關(guān)系的高效、便捷無損探測方法。目前探測膨脹土孔隙率、含水率的常用方法之一是彈性波法。彈性聲波的波形、振幅、頻譜以及波速等參數(shù)與土體的孔隙度、質(zhì)量、成份等密切相關(guān)[2]。劉鵬等[3]研究發(fā)現(xiàn)聲波能有效判斷膨脹土裂隙發(fā)育情況。黃震等[4]對(duì)百色地區(qū)的膨脹土聲波波速進(jìn)行了分析，驗(yàn)證了聲波對(duì)檢測路基膨脹土力學(xué)參數(shù)的效用，并建立了聲波速度與膨脹土強(qiáng)度的關(guān)系[5]。沙佳等[6]通過對(duì)不同含水率膨脹土的聲波頻譜進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)含水率越高，主頻衰減越小。韋秉旭等[7]綜合運(yùn)用CT和超聲波測試技術(shù)，探討了膨脹土細(xì)觀結(jié)構(gòu)與平均縱波速度的關(guān)系。盡管研究人員采用聲波方法對(duì)膨脹土的裂隙、含水率進(jìn)行了一定研究，但尚未建立聲波速度與含水率-密實(shí)度之間的關(guān)系。

巖性、孔隙度、孔隙充填屬性等均能影響聲波波速變化，因此單純依靠聲波波速變化評(píng)價(jià)土中含水率、密實(shí)度的關(guān)系存在一定不確定性，而土的電阻率與含水率、密實(shí)度等參數(shù)密切相關(guān)，研究電阻率的大小與含水率、密實(shí)度之間的關(guān)系是降低土力學(xué)性質(zhì)評(píng)價(jià)不確定性的重要方法。儲(chǔ)亞等[8]研究發(fā)現(xiàn)土體電阻率對(duì)膨脹土內(nèi)部結(jié)構(gòu)的變化有顯著敏感性，其通過研究電阻率的變化，預(yù)測出膨脹土的膨脹率。龔壁衛(wèi)等[9]利用電阻率測試方法，得出膨脹土的電導(dǎo)率與膨脹率的線性關(guān)系。采用電阻率法也可測試膨脹土孔隙率等參數(shù)[10-13]。從現(xiàn)有的研究看，膨脹土含水率、密實(shí)度與電阻率間變化規(guī)律的相關(guān)試驗(yàn)研究較少。

本文對(duì)膨脹土密實(shí)度和含水率的電阻率和聲波波速特征進(jìn)行研究，以揭示膨脹土的物理力學(xué)特性參數(shù)的聲-電響應(yīng)特征，為評(píng)價(jià)膨脹土岸坡的穩(wěn)定性提供技術(shù)支撐。

1 聲-電測試原理及試驗(yàn)方法

1.1 聲-電測試原理

1.1.1聲波波速測試原理

聲波是機(jī)械縱波，當(dāng)聲波穿越裂隙發(fā)育帶時(shí)，它會(huì)在裂隙區(qū)域邊緣產(chǎn)生繞射、折射及反射等現(xiàn)象，聲波的振幅、相位信息都會(huì)發(fā)生變化。根據(jù)波速的升高或降低、振幅的增強(qiáng)或減弱、相位的同向或反向等現(xiàn)象，可判斷膨脹土的含水率、裂隙發(fā)育等屬性特征。目前Wyllie方程較好地描述了流體速度、基質(zhì)速度與孔隙度之間的關(guān)系：

(1)

式中：v為波在飽和巖石中的傳播速度，vf為波在巖石孔隙流體中的速度，vr為波在巖石基質(zhì)中的傳播速度，φ為孔隙度。

公式(1)表明，孔隙、巖石中孔隙流體波速以及巖石基質(zhì)波速均對(duì)聲波速度產(chǎn)生影響，這正是利用聲波探測孔隙度、含水率的理論基礎(chǔ)。

1.1.2電阻率測試原理

對(duì)于飽和無黏性土、純凈砂巖的電阻率模型，在不考慮固體顆粒導(dǎo)電性的前提下，可將電阻率與土的力學(xué)參數(shù)關(guān)系[14]表示為

ρ=aφ-mρw

(2)

式中：ρ為土的電阻率，ρw為孔隙水的電阻率，ɑ為試驗(yàn)參數(shù)，m為膠結(jié)系數(shù)，a和m為常數(shù)。

對(duì)于更一般化的電阻率含水飽和度公式，可表示為

(3)

式中：Sw為含水飽和度，飽和指數(shù)n一般情況下取2。

由式(3)可知，土的電阻率是關(guān)于孔隙水電阻率、孔隙度、含水飽和度的多參數(shù)函數(shù)，因此，在某幾個(gè)參數(shù)已知的情況下，可通過測試土體的電阻率值，計(jì)算土的孔隙度或含水率。一般而言，含水率高的土體，其電阻率值越低，孔隙度(無充填)越高其電阻率值越高，這也是采用電阻率法探測膨脹土含水率、孔隙度的物理性基礎(chǔ)。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1聲波波速試驗(yàn)方法

波速測試采用聲時(shí)棒，在制作膨脹土聲波測試土樣時(shí)，將其制作成圓柱狀。本文試驗(yàn)含水率分別為15%，25%，35%，40%。本次試驗(yàn)的含水率只測試到40%，當(dāng)含水率大于40%時(shí)，土樣未能固結(jié)，因此未開展相應(yīng)的聲波測試試驗(yàn)(見圖1)。采用分層擊實(shí)法制備不同密實(shí)度的試樣，擬定對(duì)5種不同密實(shí)度(90%，85%，80%，75%，70%)土樣開展聲波測試工作。

測試儀器采用湖南奧成HX-SY02C型非金屬聲波儀。測試時(shí)將兩個(gè)超聲縱波換能器(發(fā)射-接收探頭)分別置于試樣的圓形截面兩端(見圖1)。在發(fā)射探頭發(fā)射脈沖波，脈沖波經(jīng)在膨脹土中傳播后被另一端的接收探頭接收，利用聲波傳播聲時(shí)計(jì)算土體聲波速度，由此研究出不同密實(shí)度、含水率與聲波縱波速度之間的變化規(guī)律。

1.2.2電阻率試驗(yàn)方法

試驗(yàn)時(shí)選用透明絕緣的有機(jī)玻璃試驗(yàn)盒(對(duì)不能固結(jié)的試樣同樣適用)[15]，試驗(yàn)盒尺寸為24 cm×6 cm×6 cm(長×寬×高)。供電電極(A、B)采用紫銅薄片并置于試驗(yàn)盒兩端，測量電極(M、N)置于試驗(yàn)盒內(nèi)。其中，供電極距LAB=24 cm，測量極距LMN=8 cm，測量電極MN所測電阻率為膨脹土的電阻率。

對(duì)某一含水率的試樣(含水率分別為20%，30%，35%，40%，45%，50%)，在試驗(yàn)盒內(nèi)采用分層擊實(shí)法分別制備不同密實(shí)度的試樣，擬定9種不同密實(shí)度(95%，90%，85%，80%，75%，70%，65%，60%，50%)的測量方案(試樣見圖2)，依次開展電阻率測試。試驗(yàn)前計(jì)劃制作54組電阻率測試土樣，但由于有些土樣無法盛裝，因此實(shí)際測試樣品有38組。采用對(duì)稱四級(jí)直流電法測試不同土樣的電阻率。測試儀器設(shè)備采用IRIS公司生產(chǎn)的SYSCAL PRO高密度電法儀主機(jī)。

2 聲波-電阻率測試

根據(jù)室內(nèi)土工試驗(yàn)測試結(jié)果，本次選擇膨脹土試樣的液限含水率為52.1%，最優(yōu)含水率ωop為25.8%，最大干密度ρdmax為1.51 g/cm3。膨脹土按《水電水利工程土工試驗(yàn)規(guī)程》分類為高液限黏土，詳細(xì)試驗(yàn)結(jié)果見表1。不同密實(shí)度、含水率與波速關(guān)系見表2、圖3。

表1 膨脹土試樣土工試驗(yàn)參數(shù)Tab.1 Geotechnical test parameters of expansive soil samples

表2 不同含水率-密實(shí)度試樣聲波測試結(jié)果統(tǒng)計(jì)Tab.2 Acoustic wave test results of rock samples with different water contents and compactness

2.1 聲波測試

從圖3和表2可以發(fā)現(xiàn)：當(dāng)膨脹土的密實(shí)度為70%～90%、含水率為15%～40%時(shí)，膨脹土的聲波速度為235.2～616.3 m/s?？v波速度與密實(shí)度呈強(qiáng)正相關(guān)；含水率≤25%時(shí)，隨著密實(shí)度增大，聲波速度升高，密實(shí)度一定，隨著含水率的增大，聲波速度也隨之減少，此時(shí)膨脹土基質(zhì)是影響波速增大的主因。含水率≥35%時(shí)，聲波速度隨著密實(shí)度的增大總體表現(xiàn)為逐漸增大的趨勢，但在局部密實(shí)度位置出現(xiàn)奇點(diǎn)，如在含水率為35%時(shí)，縱波速度在密實(shí)度85%時(shí)達(dá)到峰值，在90%密實(shí)度時(shí)開始降低，分析其原因在于含水率為35%，密實(shí)度為85%時(shí)，孔隙被水體充滿，由于水是引起土體波速變大的關(guān)鍵因素之一，這會(huì)導(dǎo)致土體波速增大。密實(shí)度為90%時(shí)，影響了孔隙含水率，導(dǎo)致波速降低。在含水率為40%時(shí)，密實(shí)度在70%比在75%時(shí)的聲波速度大，推測密實(shí)度為70%時(shí)膨脹土孔隙處于飽和狀態(tài)，因此聲波速度高于75%密實(shí)度土體波速。

由圖3可知，含水率為40%、密實(shí)度≥80%時(shí)，波速不再發(fā)生變化，分析原因可能是此狀態(tài)時(shí)膨脹土的吸水膨脹趨于穩(wěn)定。根據(jù)圖3推斷，膨脹土含水率在25%～35%間存在一個(gè)臨界值(最優(yōu)含水率25.8%)，當(dāng)高于這個(gè)臨界值時(shí)，縱波速度表現(xiàn)出不規(guī)則變化，可能與膨脹土的物理力學(xué)性質(zhì)發(fā)生變化有關(guān)。

由圖4的波速變化率情況可知，不同含水率的聲波速度變化率總體表現(xiàn)為隨膨脹土含水率的增大逐漸減小，只有當(dāng)含水率為35%時(shí)，聲波速度變化率出現(xiàn)異常變化現(xiàn)象，即含水率為35%的波速變化率大于25%時(shí)的含水率，造成這一現(xiàn)象的原因還需試驗(yàn)進(jìn)一步求證。

通過上述試驗(yàn)結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)含水率在25%～40%之間，密實(shí)度小于80%時(shí)，波速出現(xiàn)無規(guī)則變化，此時(shí)，通過聲波速度無法準(zhǔn)確判斷含水率的大小。為了明確含水率與聲波速度之間的關(guān)系，應(yīng)在含水率25%～35%加密土樣試驗(yàn)，進(jìn)一步驗(yàn)證聲波速度與含水率變化的規(guī)律。

2.2 電阻率測試

不同密實(shí)度、含水率與視電阻率的關(guān)系見圖5、表3。從圖5和表3可見，膨脹土的密實(shí)度為50%～90%，含水率為20%～50%時(shí)，膨脹土的視電阻率在5.4～123.5 Ω·m間變化。含水率相同時(shí)，視電阻率隨著密實(shí)度的增大而減小，這是因?yàn)殡S著密實(shí)度的增加，膨脹土的孔隙率降低，水有效促進(jìn)了孔隙間的連通性，從而導(dǎo)致電阻率減小。當(dāng)含水率≥45%時(shí)，不同密實(shí)度情況下的視電阻率-含水率曲線逐漸趨于水平，即膨脹土含水率越接近液限含水率，密實(shí)度對(duì)視電阻率的影響越小。在相同密實(shí)度情況下，視電阻率隨著含水率的增大而逐漸減?。寒?dāng)含水率<30%時(shí)，隨著含水率的增大，視電阻率降低的速率較快；當(dāng)含水率在30%～45%時(shí)，隨著含水率的增大，視電阻率減小的速率放緩；當(dāng)含水率≥45%時(shí)，隨著含水率的增加，視電阻率受含水率的變化影響越來越小。當(dāng)含水率≥35%，密實(shí)度≥75%時(shí)，不同含水率下測得的視電阻率差值不足1 Ω·m，此時(shí)視電阻率值基本趨于穩(wěn)定。

表3 不同含水率-密實(shí)度試樣電阻率測試結(jié)果統(tǒng)計(jì)Tab.3 Resistivity test results of rock samples with different water contents and compactness

從圖6可知，當(dāng)含水率小于45%時(shí)，隨著含水率的增加，膨脹土電阻率的變化率逐漸減小，當(dāng)含水率≥45%時(shí)，視電阻率的變化率基本相同，無法從視電阻率的變化率方面來區(qū)分膨脹土含水率的大小。

通過上述分析發(fā)現(xiàn)，電阻率測試方法無法對(duì)含水率超過45%的膨脹土進(jìn)行區(qū)分，因?yàn)椴徽撌菑囊曤娮杪实臄?shù)值大小，還是從視電阻率的變化速率方面已無明顯差異，但可以利用電阻率與含水率的這個(gè)變化規(guī)律，推斷膨脹土含水率的臨界狀態(tài)(以45%含水率為臨界值)。

2.3 討 論

由前述試驗(yàn)結(jié)果可知，不論是電阻率測試方法還是聲波測試方法，對(duì)含水率的確定都存在一定局限性。就電阻率測試方法而言，當(dāng)密實(shí)度大于80%，含水率大于20%時(shí)，電阻率已不能有效區(qū)分含水率的大小，這也體現(xiàn)了土體中孔隙水的連通性對(duì)電阻率的大小所起的決定性作用。對(duì)密實(shí)度大于80%的膨脹土而言，可采用聲波測試方法。如圖7所示，當(dāng)含水率為35%和40%時(shí)，盡管相同密實(shí)度對(duì)應(yīng)的視電阻率值差異不大，但聲波速度存在較為顯著的差異(波速差值約為140 m/s)，因此，通過聲波波速與含水率間的對(duì)應(yīng)關(guān)系及變化規(guī)律來推測膨脹土含水率區(qū)間具有可行性。

由2.1節(jié)可知，當(dāng)含水率大于25%時(shí)，聲波速度出現(xiàn)不規(guī)則變化，這種變化加大了對(duì)含水率大小判斷的難度。根據(jù)圖3中的趨勢，推斷30%和35%含水率的膨脹土?xí)哂蟹浅＝咏牟ㄋ僦?，此時(shí)采用聲波方法是無法區(qū)分膨脹土含水率的大小的。假如含水率為30%和35%的聲波速度值不相近，但由于不同密實(shí)度聲波速度出現(xiàn)跳躍的奇異值，且波速曲線存在交叉點(diǎn)，此時(shí)很難通過聲波波速曲線去辨識(shí)膨脹土的含水率是30%還是35%。對(duì)于聲波速度曲線存在交叉的情況，如果膨脹土密實(shí)度小于80%，那么可以采用電阻率測試方法，綜合分析膨脹土含水率的大小，提高評(píng)判的準(zhǔn)確性。

地球物理參數(shù)(波速、電阻率、介電常數(shù)等)對(duì)膨脹土的含水率和密實(shí)度的敏感性不一，并且受測試環(huán)境影響較大。采用單一參數(shù)評(píng)價(jià)膨脹土的屬性特征會(huì)存在較大的不確定性，因此在條件允許或成本可控的情況下，應(yīng)以多參數(shù)綜合測試分析為主，提高膨脹土土力學(xué)參數(shù)檢測精度，從而為膨脹土岸坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià)、處理提供更加有效的指導(dǎo)意見。

3 結(jié)論與建議

3.1 結(jié) 論

通過對(duì)不同含水率、密實(shí)度膨脹土開展聲波波速和電阻率測試，得出以下結(jié)論：

(1) 本次聲波測試中膨脹土試樣的密實(shí)度為70%～90%，含水率為15%～40%，膨脹土的聲波速度為235.2～616.3 m/s。當(dāng)含水率一定時(shí)，隨著密實(shí)度增大，聲波速度增大；含水率為40%，密實(shí)度≥80%時(shí)，膨脹土聲波速度趨于穩(wěn)定，推測此時(shí)膨脹土的力學(xué)特性保持穩(wěn)定；當(dāng)密實(shí)度一定，含水率≤25%和含水率≥35%的聲波速度曲線出現(xiàn)交叉現(xiàn)象，此時(shí)，很難依靠聲波速度大小判定含水率的大小。

(2) 電阻率測試中，當(dāng)密實(shí)度為50%～95%、含水率為20%～50%時(shí)，膨脹土的視電阻率在5.4～123.5 Ω·m變化。密實(shí)度一定時(shí)，膨脹土含水率與視電阻率呈負(fù)相關(guān)性，即含水率越大，視電阻率值越??；含水率一定時(shí)，膨脹土密實(shí)度與視電阻率呈負(fù)相關(guān)，密實(shí)度越大，視電阻率越小。當(dāng)含水率≥35%、密實(shí)度≥75%時(shí)，不同含水率膨脹土的電阻率差異非常小，此時(shí)較難通過視電阻率的大小區(qū)分其含水率。

(3) 由以上可知，利用單一參數(shù)分析評(píng)價(jià)膨脹土含水率和密實(shí)度大小較為困難，利用多種參數(shù)綜合分析其含水率、密實(shí)度大小能夠避免單一參數(shù)分析方法的局限性，可提高膨脹土屬性參數(shù)分析評(píng)價(jià)的準(zhǔn)確性。

3.2 建 議

本文通過研究膨脹土含水率-密實(shí)度的聲-電響應(yīng)特征，揭示了膨脹土含水率與電阻率、聲波波速之間的關(guān)系，但在試驗(yàn)過程中仍存在考慮不全的地方，現(xiàn)對(duì)試驗(yàn)中的不足之處提出以下建議，希望能為后續(xù)研究提供參考。

(1) 聲波測試樣品組數(shù)較少，尤其是含水率在25%～35%之間，以及含水率大于40%的膨脹土樣品，試驗(yàn)結(jié)果存在一定的不確定性，后續(xù)應(yīng)補(bǔ)充相應(yīng)試樣測試工作。

(2) 建議開展不同時(shí)間膨脹土含水率-密實(shí)度的聲波速度與視電阻率變化特征研究，為開展場地時(shí)移電法和時(shí)移地震監(jiān)測提供理論支撐。

(3) 建議增加膨脹土孔隙度與聲波波速和視電阻率大小之間的變化規(guī)律研究，為分析裂隙對(duì)膨脹土邊坡穩(wěn)定性的影響程度奠定基礎(chǔ)。