分散性土與非分散性土電阻率特性的對比試驗

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)驗模型，試驗結(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。基于分散性土的分散機制、結(jié)構(gòu)特征和Mitchell三元導電模型，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用提供理論依據(jù)。

關(guān)鍵詞：分散性土：電阻率；溫度；導電性；分散機制：特殊土

中圖分類號：TU411.2

文獻標志碼：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，導致細顆粒之間的黏聚力大部分甚至全部喪失，呈團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，是表征土體導電性的基本參數(shù)，指當電流垂直通過邊長為Im的立方體土時所呈現(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，許多學者相繼對土電阻率進行了理論與試驗研究，并得出了很多有實用價值和應用前景的結(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：付偉等進行了不同溫度下凍土單軸抗壓強度與電阻率試驗，從而證明了采用電阻率法來研究凍土強度及載荷下的變形問題的可行性：董曉強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：馮懷平等將廣泛應用于半導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理、鑒別方法、抗?jié)B性能及改性應用等方面，影響?zhàn)ね练稚⑿缘囊蛩匕ち：俊⑩c離子和pH值、黏土礦物成分、有機質(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，進而應用于土的T程力學特征參數(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，將這兩種土風干并過2 mm篩備用。土樣的物理化學性質(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，電流頻率可設置為20 Hz～l MHz。只有當測試電壓足夠低時（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24 h以上，確保土樣溫度達到試驗要求。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，其他電阻率試驗試樣均是在18℃下養(yǎng)護和測試的。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的電阻率值。

2.1.2 孔隙水溶液的電阻率測試

將上海康寧電光技術(shù)有限公司生產(chǎn)的DJS -1（光亮）型電導電極的導線接人數(shù)字交流電橋（ TH2827C）中，用離心機提取含水率達到液限的土樣孔隙水溶液，并放人恒溫箱中24 h以上達到試驗要求溫度（T=18℃），將電極測試端伸人已裝有5 mL孔隙水溶液的細量筒中并保證被孔隙水溶液完全浸沒，進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。可以依次測出不同長度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：p_T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狀態(tài)，因此溫度升高改變了孔隙水溶液的靜止狀態(tài)，使孔隙水離子得以活動，電阻率就會大幅減小，而當溫度低于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)生分散性的機制在于含有大量的鈉離子，而且酸堿度呈強堿性，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，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p_d=1.64g/cm3，即孔隙率n=39.5%的條件下，配制非分散性土試樣達到試驗要求含水率（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（w_p= 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（W_L= 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)孔隙卻均細小，因此土體中液相導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，由于分散性土中易溶鹽含量高于非分散性土的，因此導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到試驗要求干密度（p_d= 1.54、1.57、1.61、1.64g/cm3）、分散性土試樣達到試驗要求干密度（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三元導電模型，當土體含水率一定時，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）達到試驗要求水平進行完全正交試驗（總計30組次，見表4），控制飽和度達到不同水平，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，即土中液相導電通路增多，因此電阻率會減小：飽和度越接近100%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電通路和固液串聯(lián)導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；p_w為孔隙水電阻率；n為孔隙率；α、m、p為系數(shù)和指數(shù)；S_r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，黏土顆粒表面的導電性不可忽略，結(jié)構(gòu)因子應該用表觀結(jié)構(gòu)因子（F_a）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)濟的特點。但是由于分散性土分散機制復雜，影響因素較多，所以應進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)。