不同含水率下紅黏土無側限抗壓強度與電阻率關系

陳議城,陳學軍,吳 迪,黃 翔,唐靈明,畢鵬雁

(桂林理工大學 廣西巖土力學與工程重點實驗室,廣西 桂林 541004)

0 引 言

紅黏土是一種典型的區域性特殊土, 我國紅黏土主要分布在熱帶、 亞熱帶南方地區[1]。 在工程界,紅黏土因其高含水率、 高孔隙比、 高液塑性、 高強度、 中低壓縮性和低滲透性等不良物理性質指標與較好的工程力學性質相矛盾的現象, 一直受到巖土工作者的關注, 并對其進行了廣泛而細致的研究。

目前, 紅黏土的研究主要集中在兩方面: 利用室內土工試驗對紅黏土相關力學特性進行研究[2-11]; 通過一些微觀分析技術, 對紅黏土成因及微觀結構模型進行分析總結[12-14]。 雖然常規土工試驗可以得到較準確的數據, 但往往需要大量取樣, 費時耗力, 在現場無法做到實時監測且容易對土體造成破壞; 微觀分析技術極大地促進了土體微觀結構的定量分析, 但實驗設備較為昂貴, 測試費用較高, 不利于推廣應用。

應用地球物理方法解決實際工程問題是近幾年發展起來的前沿研究領域, 電阻率法是該領域蓬勃發展的一個重要方向, 由于其在現場實測方面具有連續、 快速、 無損等特點, 已被廣泛應用于環境巖土工程研究中[15]。 土電阻率是土體固有物性參數之一, 用來表征土體導電性大小[16]。 自從Archie[17]將土電阻率與土的結構聯系起來, 提出適用于飽和無粘性土、 純凈砂巖的電阻率模型以來, 國內外眾多學者對土的電阻率展開了大量研究工作, 也取得了一些成果:Keller等[18]、 Waxman等[19]、 Mitchell等[20]分別提出了適用于不同條件下的土體電阻率模型; Yoon等[21]通過模型試驗, 探討了土體電阻率與含水率、干密度之間的關系;自國內學者繆林昌等[22]率先將電阻率法應用于水泥土的研究中; 劉國華等[23]通過室內正交試驗研究發現，影響土體電阻率變化的主次因素順序為:含水率>孔隙水電阻率>飽和度>土的類型;查甫生等[24]針對已有非飽和電阻率結構模型存在的缺陷, 優化推導出更加準確的非飽和黏性土電阻率結構模型, 并分析歸納出影響土電阻率的3類最主要影響因素為含水率、 孔隙水電阻率、 孔隙水連通性; 劉松玉等[25]總結分析了土電阻率影響因素, 并通過自行研發的ESEU-1型電阻率測試儀對土體進行測試研究; 聶艷俠等[26]通過室內試驗對土壤電阻率與飽和度的定量關系進行了研究; 韓立華等[27]、 潘玉英等[28]分別對不同溫度下的工業污染土和不同影響因素下的石油污染土電阻率進行了研究。 大多學者集中在對土體電阻率這一單一參數的靜態研究, 對電阻率這一地球物理參數與其他參數的關系研究尚處于起步階段, 特別是有關土體強度特性與電阻率特性關系方面的研究更為罕見, 在取得土體電阻率后, 如何快速評價土體強度特性是一個值得研究的問題。 在所有影響因素中, 含水率是影響土體電阻率變化的主要因素, 這已成為學者們的共識。 因此, 開展不同含水率下紅黏土強度特性與電阻率關系研究具有重要的學術價值和現實意義。

本文以桂林紅黏土為研究對象,通過開展室內無側限抗壓強度及其同步電阻率測試試驗,獲取不同含水率下紅黏土電阻率-應變-應力同步變化曲線,進一步分析含水率對無側限抗壓強度、初始電阻率、破壞電阻率的影響,最后探討無側限抗壓強度與初始電阻率、破壞電阻率之間的定量關系,這將極大地促進電阻率法在紅黏土力學強度特性研究方面的應用,以達到快速準確評價的效果。

1 試驗材料與方法

1.1 試驗土體

表1 紅黏土基本參數Table 1 Basic parameters of red clay

圖1 干密度-含水率關系曲線Fig.1 Relation between dry density and moisture content

1.2 試樣制備

將取回的紅黏土土樣風干、碾碎,過2 mm篩后測其風干含水率,并裝入塑料袋密封備用。根據《土工試驗方法標準》(GB 50123—1999)配制成含水率分別為20%、25%、30%、33%、35%、37%的6種土樣,攪拌均勻后用塑料薄膜密封并放置在標準養護條件(溫度23±2 ℃,濕度>90%)下靜置24 h,等土樣充分潤濕后,制取干密度ρd=1.35 g/cm3的重塑三軸樣(Φ39.1 mm×80 mm),每個含水率制作3個平行試樣,制樣完成后用保鮮膜包裹密封,放入25 ℃的恒溫箱中養護24 h,使被測土樣的溫度達到測試時的要求。

1.3 試驗方法

目前, 土體電阻率測試方法大致可分為二相電極法和四相電極法兩類。 在常規土工試驗中, 相比于二相電極法,四相電極法顯得更加復雜, 且插入土樣中的探針容易對土樣造成擾動; 除此之外, 若在無側限抗壓強度試驗、 壓縮試驗、 三軸試驗中采用四相電極法, 很難準確確定電極間的距離, 對后期電阻率準確計算造成誤差和困難。 因此本文電阻率測試采用VC4091C型LCR精密數字電橋, 有效量程0.000 1 Ω～99.999 MΩ, 低頻、 交流、 二相電極。 為了方便起見,電流頻率為50 Hz[22-24]。 無側限抗壓強度試驗采用DW-1型應變式無側限壓縮儀, 其最大軸向負荷0.6 kN,加載速率為2 mm/min, 量力環率定系數C為2.139 N/0.01 mm。 整體測試裝置如圖2所示。

測試工作均在25 ℃室溫條件下進行， 具體試驗步驟為: ①從恒溫箱中將溫度達到要求的土樣取出, 在其上下表面涂抹一層黑色導電膏, 以增大土樣與電極片之間的接觸面積, 降低接觸電阻；②在土樣上下表面貼好定制的電極片, 電極片面積略大于土樣橫截面面積, 為使無側限儀與電極片之間絕緣, 在電極片上下接觸面貼上黑色絕緣膠(圖2a)； ③將連有導線的電極片接入電橋, 并將電橋與電腦連接， 調節儀器, 使土樣、 電極片、 無側限儀三者緊密接觸(圖2b)； ④用電橋測量土樣的初始電阻率, 多次測量取其平均值； ⑤同步打開無側限儀及串口軟件開始進行試驗, 記錄位移及量力環讀數, 同時通過串口軟件按每秒一次實時發送無側限抗壓強度試驗全過程中土樣的電阻變化, 每個含水率土樣進行3組平行試驗,取平均值。

圖2 整體測試圖Fig.2 Chart of overall test

圖3 不同含水率土樣破壞情況Fig.3 Destruction of soil samples with different moisture contents

2 試驗結果與討論

2.1 應力-應變-電阻率同步變化曲線

不同預設含水率下紅黏土試樣破壞情況如圖3所示。根據無側限抗壓強度試驗所得數據及相應公式計算出相應的軸向應力和軸向應變，由測得的同步電阻變化值及公式ρ=RS/L得到電阻率與應變的一一對應關系。由此得到不同含水率下應力-應變-電阻率同步變化曲線如圖4所示。

圖4 不同含水率下應力-應變-電阻率同步變化曲線Fig.4 Stress-strain-resistivity curves under different moisture contents

總體上,不同含水率下的紅黏土無側限抗壓強度曲線均呈現出應變軟化型,均存在峰值強度,且在應變變化早期均存在陡升階段。當含水率較低時(w=20%),軸向應力達到峰值強度以后隨軸向應變的增加而迅速降低,且軸向應力峰值點對應的破壞應變較小,約為1.8%,表現出明顯的脆性破壞形式(圖3a),土樣瞬間崩裂,破壞面貫通土樣,土樣整體破壞,承載能力瞬間喪失。隨著含水率的不斷增大,軸向應力達到峰值后隨軸向應變的增加, 其下降趨勢逐漸變緩, 且軸向應力峰值點逐步“右移”, 即破壞應變值逐漸增大(w=25%時, 破壞應變約為2.0%； 當w=37%, 破壞應變已增至7.5%), 且土樣破壞程度逐漸減小(圖3b—f)； 當w=25%時, 土樣裂隙多且大,貫通性強,破壞面大,存在松散塊體整體崩落現象;當w=37%時,土樣僅存在幾條微小裂隙,破壞程度大大降低。

不同含水率下電阻率-應變關系曲線均經歷了先陡降再上升過程。隨著含水率的增加,曲線整體下移,上升段速度逐漸變緩。由同步變化曲線可知,應力、電阻率隨應變變化趨勢呈現出良好的吻合性。應力-應變關系曲線存在明顯的峰值點,而與之對應的電阻率-應變關系曲線也存在明顯的“波谷點”。 在應力達到峰值點之前, 應力隨應變增加而迅速增大, 其對應的電阻率則迅速減少, 跌至“波谷”;達到峰值點以后,應力隨應變的增加而減小,其對應的電阻率則緩慢增加,其上升速度隨應力陡降速度降低而減少。

土體中存在3種導電路徑,電流主要是通過土顆粒間、孔隙水間以及土水相間而成的路徑進行傳導[22]。不同含水率的紅黏土在單軸荷載作用下剛開始時均經歷了壓密階段,在這一階段,土體所受應力較小,尚未出現破壞,土體逐漸被壓密,土顆粒間的距離縮短,接觸面積增大,增強了土顆粒間導電性,且壓密過程同時伴隨著土體空氣的排出和水膜厚度變薄、面積增大,導致三相體中固液二相相對體積含量增加；與此同時,壓密過程中粒團間的大孔隙被壓縮,孔隙率減小、孔隙水的飽和度增大,使得孔隙水連通性增強,并增強了孔隙水間的導電性,因此在這一階段,電阻率隨應變增大而迅速減小。當應力達到峰值點之后,隨著應變不斷增大,壓實功逐漸克服粒團間的分子引力及各類膠結力的作用,使粒團發生滑移錯動,粒團間大孔隙體積變大,孔隙率增大,孔隙水的飽和度減小,使得孔隙水的連通性變弱,孔隙水的導電性降低,同時土樣裂隙不斷變多、張開度逐漸變大、貫通性變強、破壞面逐漸變大,此時部分孔隙水的連通性、部分土顆粒導電路徑被阻斷,導電性進一步減弱,因此應力峰值點之后,電阻率隨應變增大而增大,且含水率越低,土樣破壞越明顯,電阻率增大速度越大。由此可見,電阻率同步變化規律能夠較準確地反映紅黏土在荷載作用下相應的強度變化過程,這將極大地促進電阻率法在紅黏土力學強度特性研究方面的應用。

2.2 不同含水率下壓實紅黏土單軸抗壓強度特征

取峰值點軸向應力為無側限抗壓強度,圖5為壓實紅黏土無側限抗壓強度隨含水率變化的實測值及其擬合曲線。

圖5 無側限抗壓強度-含水率關系曲線Fig.5 Curve of unconfined compressive strength-moisture content

由實測值與擬合曲線對比分析可知,無側限抗壓強度與含水率呈指數關系,無側限抗壓強度隨含水率的增大而減小,當含水率為20%時,無側限抗壓強度高達737.65 kPa；當含水率為37%時,其無側限抗壓強度減少了92.44%,降至55.80 kPa;當含水率小于30%時,其曲線呈陡降趨勢,當含水率大于30%時,其衰減程度逐漸變緩,當含水率達到33%以后已基本趨于平穩。究其原因主要是: 當含水率較低時, 土中水分子被黏土礦物片吸附形成較薄的強結合水膜,強結合水膜具有很高的粘滯性,其性質類似于土顆粒本身,此時黏土礦物片與極性水分子、水中陽離子以及微晶態游離氧化鐵由于靜電引力作用,吸附形成一個牢固穩定的粒團結構,由于強結合水膜厚度較薄,粒團間分子間引力也較大,且粒團間游離氧化鐵在干燥條件下多以晶體氧化鐵的形態存在,與其他各類膠結物質在粒團間共同起到膠結作用,粒團間膠結作用較強,此時紅黏土土樣在壓實作用早期,粒團間較大的分子引力、各類膠結力會對壓實效應產生抑制作用,要使土體破壞,需要更大的壓實功來克服粒團間較大分子引力、各類膠結力,以使粒團間產生滑移破壞,因此含水率較低時,紅黏土具有較強的抵抗變形能力,無側限抗壓強度較高;隨著含水率不斷增大至最優含水率(30.78%)附近,土中水開始以弱結合水膜的形式賦存于粒團間,結合水膜的厚度逐漸變厚,由于水膜的楔入作用,使得粒團間的距離變大,分子間引力變小,且隨著含水率的增大,粒團間晶態氧化鐵會逐漸轉化為無定型氧化鐵以及各類膠結物質也會發生溶解作用,粒團間膠結力大大降低,因此紅黏土土樣在壓實作用下,粒團間大孔隙中氣體被迅速排出,粒團間分子引力、各類膠結力對壓實能量的抑制作用越來越小,土樣越來越容易被壓密(與壓實曲線相符),因此在這階段,土體無側限抗壓強度衰減速度較快;當含水率達到最優含水率濕側以后,隨著含水率增加,結合水膜厚度進一步增大,分子間引力進一步減少,但粒團間各類膠結物質的溶解速度已大大降低,且此時水分已經逐步充滿粒團間大孔隙,在壓實作用下,孔隙水及封閉氣體不易排出,產生的孔隙壓力會抵消一部分的壓實功作用,因此這一階段無側限抗壓強度衰減速度逐漸變緩;當含水率接近飽和狀態以后,孔隙水的作用效應已基本穩定,此時土體抵抗變形的能力也趨于穩定,即無側限抗壓強度基本趨于穩定。

2.3 含水率對初始電阻率、破壞電阻率的影響

定義應變ε=0時對應的電阻率為初始電阻率; 土樣破壞時(即達到峰值強度時)對應的電阻率為破壞電阻率。 由圖6a可知, 初始電阻率與含水率的關系曲線變化趨勢與無側限抗壓強度-含水率曲線圖5類似, 當含水率小于30%時, 含水率的少量增加便能引起初始電阻率的劇烈降低；當含水率大于30%以后,其衰減趨勢逐漸變緩；當含水率大于33%時已基本趨于穩定。究其原因主要是:當含水率較低時,土體主要通過土顆粒間的接觸進行導電,少量水的增加,便會在土顆粒表面形成強結合水膜,構成“液橋”,使得土體粒團間的有效接觸面積增大,增強電流在土顆粒間、土水相間而成的路徑的傳導,同時孔隙水的增加,“液橋”相互連通,改善了孔隙水的連通性,增強了孔隙水間的導電性,土體導電性進一步增強,因此含水率的少量增加便會引起土體電阻率的劇烈降低;繼續增加水分,達到一定程度時,已經開始出現弱結合水膜和自由水,粒團間的有效接觸面積繼續增大,但其增加趨勢逐漸變緩,導致電阻率也隨之逐漸變緩;當含水率達到33%,土體接近飽和狀態,粒團間孔隙已基本充滿水, 粒團間的孔隙水連通性已達到較好狀態, 導電路徑以孔隙水間的導電為主,此時含水率的增加, 粒團間的有效接觸面積增加不明顯且對孔隙水的連通性的改善作用甚微, 對土體的導電性影響很小, 因此當含水率>33%以后, 電阻率已基本趨于穩定。

圖6 初始電阻率(a)、 破壞電阻率(b)與含水率關系曲線Fig.6 Curves of initial(a),destructive resistivity(b)-with moisture contents

由圖6b亦知,破壞電阻率與含水率的關系曲線呈現出與圖5、圖6a相同的變化趨勢,先劇烈減小,再逐漸變緩最后趨于穩定。變化的原因，一方面,與上述初始電阻率一樣,含水率增加,增強其導電性;另一方面，含水率越高,其破壞程度越小,被阻斷的導電路徑越少,導電性越強。兩方面綜合作用才使土體破壞電阻率呈現上述的變化趨勢。

2.4 無側限抗壓強度與初始電阻率、破壞電阻率的關系

無側限抗壓強度是紅黏土一個重要的力學特性參數指標,電阻率是土體物理性質參數之一,兩者都是紅黏土的固有屬性,這兩種參數之間存在某種內在聯系。通過測定不同含水率下紅黏土初始電阻率和破壞電阻率,并將其與所測得的無側限抗壓強度進行對比關聯,找出不同含水率下紅黏土力學特性指標與電學特性指標之間的變化關系,圖7為不同含水率下無側限抗壓強度與初始電阻率、破壞電阻率的關系曲線。

圖7 無側限抗壓強度-初始電阻率(a)、 無側限抗壓 強度-破壞電阻率(b)關系Fig.7 Relationship of unconfined compressive strength-initial resistivity(a) and unconfined compress strength-failure destructive(b) resistivity

可知,不同含水率下紅黏土的無側限抗壓強度與初始電阻率、破壞電阻率均呈現出較好的線性關系,無側限抗壓強度隨著初始電阻率、破壞電阻率的增大而線性增大,其擬合式分別為

qu=-25.71+0.24ρ0,

(1)

qu=-349.88+1.053ρ1。

(2)

式中:qu為無側限抗壓強度;ρ0為初始電阻率;ρ1為破壞電阻率。相關系數R2分別為0.922 13和0.918 5,其中無側限抗壓強度與初始電阻率的線性相關性相對較高,由此再次證明將電阻率法應用于紅黏土力學強度特性評價是完全可行的。室內進行常規無側限抗壓強度試驗,制樣麻煩,相對費時耗力,可以利用電阻率法這種連續、快速、無損的測試方法以及上述得到的無側限抗壓強度與初始電阻率、破壞電阻率的定量關系來分析不同含水率下紅黏土無側限抗壓強度的變化情況,以達到快速準確評價紅黏土工程性質變化的效果。

3 結 論

(1)不同含水率下的紅黏土無側限抗壓強度曲線均呈現出應變軟化型,含水率較低時(w=20%),軸向應力峰值點對應的破壞應變較小,表現出明顯的脆性破壞形式;隨著含水率的不斷增大,軸向應力峰值點逐步“右移”,土樣破壞程度逐漸減小。

(2)不同含水率下的應力-應變-電阻率同步變化曲線呈現出良好的吻合性,紅黏土受壓過程經歷了壓密和破壞兩階段,應力-應變曲線先陡升后下降,與之對應的電阻率-應變關系曲線先陡降后緩慢增加。這種相關聯的同步變化關系為研究紅黏土在荷載作用下的強度變化過程提供了方便,這將極大地促進電阻率法在紅黏土力學強度特性研究方面的應用。

(3)紅黏土無側限抗壓強度、初始電阻率、破壞電阻率與含水率關系呈現出相同的指數變化關系,均隨著含水率的增加先劇烈減小,再逐漸變緩，最后趨于穩定。

(4)不同含水率下紅黏土的無側限抗壓強度與初始電阻率、破壞電阻率均呈現出較好的正比例線性關系,因此可利用電阻率法快速定量分析不同含水率下紅黏土無側限抗壓強度的變化情況,以達到快速準確評價紅黏土工程性質變化的效果。