含水率及壓實度對酸堿污染重塑黃土的電阻率特征影響試驗研究

劉 華，胡文樂，王鐵行，牛澤林，谷宏全，胡鵬飛

(1.西安建筑科技大學 土木工程學院，陜西 西安 710055；2.陜西省巖土與地下空間工程重點實驗室，陜西 西安 710055)

黃土特有的顆粒組成和空間結構體系，對其自身工程力學性能有著極其重要的影響[1-3]，其內在致災機理和工程病害問題一直以來都受到工程師和相關學者的重視和關注[4-5].建在黃土場地的各種建(構)筑物及線路工程常常面臨著由于降雨入滲、污水排放不當等原因誘發的不同地基破壞[3,5].有關黃土的力學和工程特性演變結果仍是當前西部經濟發展和東部經濟結構布局轉換的重難點問題.其次，在東西部聯動產業轉移和工業化不斷推進的過程中，置換出大量嚴重污染場地，其中潛存的工業廢液對場地環境安全和再開發利用提出了更高的要求.當黃土受到工業廢液中的酸堿污染源侵入后，引發物理力學指標發生顯著改變，同時導致土體工程性質發生復雜變化[5]，進一步嚴重影響了工程建設的質量和進度.隨著新興地球物理方法的蓬勃發展，為工程場地的勘察、建設、評價和地基路基的病害診斷反演等提供了便利.土體遭受污染液侵蝕后電阻率會產生顯著變化，改變了土-水-化學耦合的結果，對利用電阻率法判定場地土層工程性質的準確度及靈敏度造成極大的影響.分析污染前后土體電阻率之間的變化規律和結果，對利用電阻率變化判斷土體污染程度及修正污染導致的電阻率評價場地工程性質指標的誤判具有重要的意義.

已有研究結果表明，土體的電阻率主要由含水率、孔隙率、土質特征及孔隙溶液成分等多因素決定[6].自1942年Archie[7]提出了適用于飽和無黏性土的電阻率模型之后，Keller等[8]、Waxman等[9]進一步進行了完善，查甫生等[10]在此基礎上借鑒Mitchell的三元導電模型建立了適用性更廣的非飽和黏土電阻率模型.相關學者在電阻率的影響因素及工程應用上也進行了大量相關研究，在重金屬污染土[11]、鹽漬土[12]及油類污染土[13]的研究取得了一些成果.劉松玉等[14-15]對重金屬污染土的電學特性進行了試驗和理論論證；劉國華等[16]對土體電阻率與工程力學指標間的關系進行了研究；Sudha等[17]將電阻率法與工程性狀勘察方法聯合起來進行工程應用；Chu Y等[18～20]將電學指標應用于膨脹土及污染土的評價中.有關西北地區黃土受酸堿溶液侵蝕后電阻率的演變規律特征以及評價酸堿污染工程場地的關鍵指標間的協同關系尚未見報道，因此，對于酸堿污染黃土地區的電學特征亟待開展相關研究.

基于此，本文在原有電阻率模型的基礎上通過室內試驗研究，揭示了含水率、酸堿兩種污染類型及其不同濃度、壓實度等與電阻率間的關聯關系，分別得到了電阻率與含水率、污染濃度及壓實度的經驗公式.以期為酸堿廢液污染黃土場地的工程評價、污染程度劃分和環境防治提供有益的參考.

1 試驗研究

為了進一步研究酸堿污染土的電阻率特性，本文對銅川Q3黃土進行重塑污染后進行了相關試驗研究，主要探討含水率、污染濃度、壓實度對污染土電阻率的影響特征.

1.1 試驗材料

本文中的試驗所用Q3黃土土樣取自陜西省銅川耀州區(如圖1(a)、(b))，土質較為均勻.取樣部位地表土層分布為新近堆積的Q4黃土層，取樣深度為2.0～3.0 m，如圖1(c)所示.對土樣進行試驗，測得土樣的物理力學指標見表1，土樣的顆分曲線如圖1(d)所示.

圖1 取樣地點及粒徑分析Fig.1 Sampling location and particle size analysis

表1 試驗土樣的物理指標Tab.1 Physical index of the test loess sample

1.2 試驗裝置

土體室內電阻率測試技術通常采用“二相電極法”和“四相電極法”[21-23].為減小潛在電泳、極化以及污染物運移等有關現象對試驗的影響，本次試驗采用Miller Soil Box測試污染土樣的電阻率裝置[24].如圖2所示.長方體有機玻璃土樣盒內徑尺寸為L×B×H=22.2 cm×3.2 cm×4.0 cm，兩端分別放置與長方體截面大小一致的純銅電極片作為電流測試電極，中部每1/3等分點處插入銅片作為電壓測試電極.試樣制作完成后，按照圖2(b)所示的電阻率測試基本電路圖連接成閉合回路.電源采用交流電供電轉換為0.1～30.0 V的直流(DC)電壓，A、V分別表示高精度電流表和電壓表；Rx為待測擊實試樣.試樣的電阻率計算公式為

(1)

其中：U為實測電壓讀數；I為實測電流讀數；Rx為土的電阻；BH為試樣截面面積，等于B×H；L為試樣總長度;ρ為電阻率.

(a)有機玻璃土樣盒示意圖

1.3 試驗內容及具體步驟

為了模擬酸堿污染黃土的電學特性影響，在室內測試不同含水率、壓實度、污染濃度及污染物種類下試樣的電阻率，進一步對電阻率與基本物理參數間的關聯性進行分析.基于前人研究及實際工程配制四種濃度(0.1 mol/L、0.5 mol/L、1.0 mol/L、2.0 mol/L)的H2SO4及NaOH溶液作為污染物，按照《土工試驗方法標準》[25](GB/T 50123-1999)分別與風干土樣進行拌和配置含水率為5%、10%、15%、20%、25%、30%的污染土樣，在保鮮袋中密封保存24 h后進行壓實，進行不同壓實條件下(0.80、0.85、0.90、0.93、0.95)的電阻率測試.其中H2SO4溶液污染試樣6×5×4=120個，NaOH溶液污染試樣120個，增濕試樣30個；考慮設置一組平行試樣，共計540個試樣.

每種試驗條件下的具體操作步驟如下：已知Miller Soil Box的體積可換算出滿足壓實度要求的所需試樣的干土質量及所需污染液用量，待含水率分布較為均勻時，分層裝入Miller Soil Box，并將其接入測量電路進行試驗，根據式(1)計算土樣電阻率；清洗Miller Soil Box及其他試驗裝置，制備下一組試樣.考慮試驗過程中可能中間一組幾乎無極化現象出現，而兩端極化現象明顯，在每一種濃度測試結束后即對兩端銅片電極進行及時更換.

2 結果分析

2.1 含水率的影響

考慮到孔隙溶液的導電能力遠優于其他兩相，因此含水率是影響土體電阻率特性的重要影響因素.圖3為不同壓實度下電阻率隨含水率的變化關系.由圖可見，在壓實度保持不變時，同種污染狀態下土體電阻率隨含水率的增加呈現衰減趨勢，且在低含水率下減小速率較快，隨著含水率的增加至某一閾值時，衰減速率明顯降低.函數率較低時，含水率的增大改變了土體的三相組成結構，氣相逐漸減少，孔隙水連通性逐漸增強，土顆粒間的接觸達到最佳狀態；當含水率增加至某個閾值時，孔隙水的連通性變化較小，因而衰減速率明顯降低.

(a)壓實度0.80

擬合含水率與電阻率之間的關系如式(2)所示，

ρ=a×0.8ω

(2)

式中：a為試驗參數；ω為含水率.

從圖3中可以看出，未污染狀態與不同濃度酸堿污染狀態的試樣電阻率均隨著含水率的增加呈現減小趨勢，且在15%～30%范圍內變化速率減緩，存在一個臨界閾值，表征著該種狀態下含水率對電阻率的影響程度.

2.2 污染溶液濃度的影響

結合圖3可以得出，同種濃度下硫酸污染土的電阻率大于氫氧化鈉污染土的電阻率值，孔隙溶液的電阻率與陽離子物態參數相關，且在低含水率下特征明顯.兩種污染土的電阻率值均隨著污染濃度的增加逐漸降低，且在含水率較低時降低明顯，較高含水率弱化了這種影響，如前所述，存在含水率的臨界閾值.

分析其原因在于[26-30]，黃土中的化學成分復雜，存在有較多的氧化物等次生礦物，當被硫酸污染后，發生化學反應的幾率會大大增加，同時也使得土體中離子增多，進一步增大了孔隙溶液的連通性，增強了土顆粒孔隙與土顆粒表面的電化學性能.而NaOH污染土的電阻率變化規律與H2SO4呈現出的規律相同，但其生成物成分不同.堿液侵入黃土發生侵蝕-膠結-溶解等一系列反應，其中，初期發生式(3)～(6)所示的侵蝕，水解電離出的OH-與SiO2、Al2O3反應生成SiO32-和AlO2-，消耗了土顆粒中的膠結氧化物，生成H2O.進一步發生膠結反應，如式(7)～(8)所示，在此過程中生成絮狀沉淀，同時生成了OH-，增加了孔隙液中的離子數目.隨著堿液進一步增加以及OH-的產生，新生膠體穩定性較差，極易溶于水，又產生可溶鹽，生成水，增加了孔隙液的連通性和導電性.隨著堿液濃度升高，化學反應不斷反復進行，離子數目、離子所帶電荷總數不斷增加，電場驅動下導電性增強，電阻率越低.

(3)

(4)

(5)

(6)

(7)

(8)

2.3 壓實度的影響

在含水率不變的情況下，選取不同壓實度試樣的電阻率進行分析(結合上述分析，以低含水率5%和較高含水率25%為例)，如圖4所示.總體來看，不同污染狀態土體的電阻率隨壓實度增加逐漸減小.隨著污染濃度的增加，電阻率的減小速率降低.

(a)含水率5%

2.4 試驗參數間的協同關系

定義硫酸污染土按式(2)擬合時的試驗系數為a1，氫氧化鈉污染土的待定系數為a2.將a1、a2分別與污染濃度進行關聯預測分析，如圖5所示.

a1=A1+B1×exp(-2C)

(9)

a2=A2-B2×ln(C)

(10)

式中，c為污染濃度，A1、B1、A2、B2為待定系數.

(a)硫酸污染土

選取據圖5中擬合的待定系數，與壓實度進行關聯分析如圖6所示.并得到A1、B1、A2、B2與壓實度D的關系公式，再進一步代入式(2)有：

(11)

(12)

(a)硫酸污染土

式中各項字母同前，ρ1為硫酸污染土電阻率，ρ2為堿污染土電阻率.

3 結論

本文對比分析了不同濃度的H2SO4、NaOH污染黃土的電阻率特征及其與含水率、污染濃度、壓實度等指標間的關系，建立了物理參數和電學參數間的演變聯系，初步提出了酸堿污染黃土的電阻率與物理指標間的關系；

(1)通過室內試驗，酸堿污染黃土的電阻率隨含水率的增加呈冪函數關系降低的規律.同種污染濃度下，酸污染土的電阻率大于堿污染土的電阻率；酸堿污染土的電阻率隨著污染濃度及壓實度的增加均呈現減小趨勢；

(2)在低含水率下，污染土電阻率隨壓實度及濃度的變化趨勢顯著；在含水率較高時，污染土電阻率隨壓實度及濃度的變化趨勢較弱；

(3)考慮多種因素的協同作用，初步提出了考慮含水率、壓實度、污染濃度等因素作用下的酸堿污染土電阻率關系公式.