土石混合體成因及電阻率特性研究進展

陳松林，汪 魁，趙明階

(1. 重慶交通大學 河海學院，重慶 400074； 2. 重慶科技學院 建筑工程學院，重慶 401331)

0 引 言

常發(fā)生于地表淺層的地質(zhì)災害(如滑坡、塌陷、泥石流等)往往會對已建或在建的工程設施產(chǎn)生非常不利的影響，不同于傳統(tǒng)的巖土介質(zhì)材料，構成上述地災的固相地質(zhì)體主要為尺寸較小的土顆粒與尺寸相對較大的塊石。由于此類巖土介質(zhì)在細觀組成成分尺度上的差異，使得其在相應宏觀性質(zhì)的表現(xiàn)上與一般的巖體或土體存在較大差異，如力學特性、滲透特性、電阻率特性等。為了有別于傳統(tǒng)的巖體或土體，國外學者E.W.MEDLEY[1]于1994年第一次提出了土石混合體的概念，他們刻意忽略了傳統(tǒng)地質(zhì)學上的定義，將巖石塊體鑲嵌在細粒土體中所構成的巖土介質(zhì)稱為Block-in-matrix soils/rocks，并將其命名為Bimsoil，即土石混合體。國內(nèi)油新華[2]、徐文杰等[3]都對這種復雜地質(zhì)體給出了相應的解釋并都對其加以改進，這也極大的促進了土石混合體的概念在國內(nèi)相關研究中的發(fā)展。總的來說，我們可以將土石混合體理解為：它是由具有強度、尺寸差異的塊石、細粒土體組成的極其不規(guī)則巖土介質(zhì)系統(tǒng)，如圖1。

圖1 土石混合體Fig. 1 Soil-rock composite medium

土石混合體雖說是一種廣泛存在于自然界中的巖土介質(zhì)材料，但是針對它的相關研究卻從上個世紀九十年代才開始，由于土石混合體的研究時間較短，目前國內(nèi)外相關的國家標準與行業(yè)規(guī)范沒有對其進行單獨的分類，而將其統(tǒng)一歸為土類。美國陸軍工程師兵團、墾務局及材料試驗學會、公路工作者協(xié)會將土石混合體認作粗粒土[4]；地質(zhì)與礦物學詞典將其稱為混雜巖或混成巖[5]； 《工程地質(zhì)手冊》將其稱為混合土[6]。總的來說，不同的機構會根據(jù)各自行業(yè)的側(cè)重點和要求對土石混合體進行不同的分類，建立適用于本行業(yè)使用的分類標準。

作為一種介于單純巖體與土體之間的特殊材料，相比于傳統(tǒng)土體與巖體的強度特征，土石混合體的強度特性存在著較大差異，影響因素眾多，這已為較多研究者所證明[7-8]。但其電阻率特性目前研究較少，國內(nèi)外學者也多是對具有相同物性參數(shù)的介質(zhì)(如砂巖、黏土等)進行電阻率特性的研究，鑒于此，國內(nèi)部分學者已經(jīng)對土石混合體的電阻率特性展開初步研究，發(fā)現(xiàn)其影響因素既包括土石顆粒所處環(huán)境屬性，如孔隙內(nèi)液體含量與種類、氣體含量，密實度，土石比等，也包括土石顆粒自身導電性能的優(yōu)異。筆者將對其影響規(guī)律進行總結。

為了弄清此種新興巖土介質(zhì)體系的電阻率特性，以便更好地促進電阻率無損檢測技術在巖土工程勘探、建設、運營等領域的應用，筆者首先從物質(zhì)來源的角度分析了土石混合體的地質(zhì)成因；其次，對“土”與“石”的電阻特性(導電性能)進行討論；然后，對土石混合體電阻率特性的主要影響因素及其影響規(guī)律進行總結；最后，對土石混合體電阻率特性研究中的不足進行了分析，對今后的研究重點與研究思路進行探討。

1 土石混合體的地質(zhì)成因

土石混合體有著復雜的形成過程，這也決定了其與傳統(tǒng)土類有著較大差異，徐文杰等[8]從其關鍵物性指標的角度將土石混合體與傳統(tǒng)巖土體進行了區(qū)分，將其劃分為一種新興巖土介質(zhì)體系。其復雜的地質(zhì)成因也對其物質(zhì)組成、巖性差異、空間分布有著重要的影響，而這些差異在土石混合體的力學特性、滲透特性、電阻率特性上得到了體現(xiàn)。因此，分析其地質(zhì)成因?qū)τ诶斫馔潦旌象w與傳統(tǒng)土類的差異有著極其重要的作用。

“物質(zhì)來源”與“堆積形成的地質(zhì)動力作用”兩者共同決定了自然界中的土石混合體，前者決定其物質(zhì)來源，而后者決定其形成過程。徐文杰等[3]從搬運、堆積等動力地質(zhì)作用的角度對土石混合體的地質(zhì)成因進行了總結，將其分為7種不同的成因。而從塊石物質(zhì)來源的角度，可將土石混合體的地質(zhì)成因分為風化作用、凍融作用、沖刷作用、巖溶作用等4類[9]，不同作用也常常同時發(fā)生在塊石所處的自然環(huán)境中。

1.1 風化作用

作為土石混合體中固相物質(zhì)來源的主要動力，風化作用主要指原地表的巖石在相關物理、化學作用下導致的破壞，包括一切物理狀態(tài)和化學成分變化的改變，如圖2。按作用性質(zhì)將風化作用又分為物理風化、化學風化和生物風化3種，在實際情況中，以上3種風化作用一般都同時或交相作用于地表巖石，進而削弱了巖石顆粒之間的連接，內(nèi)部裂隙形成并逐漸擴大，最終導致巖石碎裂，這為土石混合體的形成提供了物質(zhì)基礎。

圖2 風化作用形成的土石混合體Fig. 2 Soil-rock composite medium formed by rock weathering

1.2 凍融作用

凍融作用是一種與水密切相關的寒凍風化作用，此類風化作用主要分布在青藏高原及東北地區(qū)。寒冷地區(qū)的地表巖石在氣溫上下波動下，一方面使得巖石顆粒本身經(jīng)歷著不均勻的收縮與膨脹，另一方面使得巖石孔隙內(nèi)的水經(jīng)歷凍脹與融縮，如此循環(huán)往復作用，使得破壞效果持續(xù)疊加，最終導致巖石發(fā)生破碎。

1.3 沖刷作用

沖刷作用是指在河流、泥石流、雨季暫時性洪水或季節(jié)性融雪等水流對其所經(jīng)地段內(nèi)巖體的動力擾動作用，如圖3。在較大沖刷作用力下，水流對沖刷巖體產(chǎn)生摩擦、撞擊作用，從而發(fā)生土石流失、剝蝕、裂隙化，然后逐漸破裂成塊狀或者將大塊石打磨成近似圓形的礫石與卵石等。在山高地陡的地形條件下，沖刷作用是土石混合體物質(zhì)來源的重要途徑。

圖3 河流沖刷作用Fig. 3 River scouring

1.4 巖溶作用

巖溶作用是地下水與地表水對可溶性巖石進行溶解、破壞、改造等的地質(zhì)作用，也稱喀斯特，巖溶作用常見于我國三峽庫區(qū)、云貴高原地區(qū)。在巖溶作用下，巖體結構部分呈現(xiàn)出孔洞化、裂隙化，直至最后發(fā)生失穩(wěn)、破碎，這些破碎的巖體可能會隨水流經(jīng)過搬運再堆積，也可能就地堆積，無論哪一種堆積方式，其都是土石混合體塊石的物質(zhì)來源之一。

2 “土”與“石”的電阻特性

“電阻特性”也稱之為“導電性能”，“土”與“石”在導電性能上的差異對土石混合體的視電阻率影響較大，這也是由土石顆粒自身性質(zhì)所決定。而對于“土”與“石”如何進行區(qū)分，研究人員多用“土石閾值”這一物性指標對其進行描述。

2.1 土石顆粒粒徑閾值

土石閾值是區(qū)分“土”與“石”兩者尺寸大小的一個定量指標，也是進行土石混合體相關室內(nèi)模型試驗的一個重要物性指標。目前，土石閾值的常見取值主要有以下5種，見表1。

表1 土石閾值取值Table 1 The values of soil and rock threshold

因此，若巖土顆粒粒徑d≥dS/RT，將其定義為“石”；若d

2.2 “土”與“石”的導電性能

2.2.1 土的導電性能

土的導電特性常常被視作土體相關物理屬性(如內(nèi)部結構、含水量、流體成分等)在時間與空間變化上的表征[17]。通過研究，發(fā)現(xiàn)土顆粒的導電性在不同方式、不同程度上受以下幾個方面的影響：

1) 固體顆粒的性質(zhì)與排列。如圖4，不同固體成分顯示出極大差異的導電性，如：鹽漬土電阻率僅為1 Ω·m，而覆蓋結晶巖的干土電阻率卻是鹽漬土電阻率的幾十萬倍。固體顆粒導電性取決于顆粒尺寸及顆粒表面的電荷密度，如黏土顆粒由于具有很大的比表面積，與粗顆粒的土體相比，黏土顆粒表面更多的電荷賦存使得導性性能更好。而孔隙的幾何形狀(孔隙分布與形式)在不同含水量下決定著其內(nèi)部空氣與水的分布比例，同樣對其導電性產(chǎn)生影響，如“阿爾奇方程”。

圖4 陸域材料電阻率典型變化范圍Fig. 4 Typical variation ranges of electrical resistivities of earth materials

2) 含水量。土體中的電流取決于孔隙中水的含量及其特性。D.MICHOT等[18]都對不同類型黏土體含水量與電阻率的關系進行了研究，認為含水量越高，土體導電性越好，且含水量增至一定范圍后，電阻率趨于穩(wěn)定；V.C.GOYAL等[19]認為含水量與電阻率之間存在線性關系；A.I.POZDNYAKOV等[20]認為它們之間是指數(shù)函數(shù)關系。

3) 孔隙液體組成與溫度。導電性與填充于孔隙內(nèi)液體中離子濃度及其流動性有關。R.J.KALINSKI等[21]研究了具有不同導電性的水與其電阻率的關系，發(fā)現(xiàn)水含量越高，電阻率越低。查甫生等[22]研究了含有不同濃度NaCl的膨脹土電阻率與含水量的關系，發(fā)現(xiàn)同一含水量下，離子濃度越高，電阻率越低。而溫度升高，流體黏度下降，離子的運動能力得到進一步加強。

2.2.2 巖石的導電性能

巖石本身具有極高的電阻，如圖4，因此巖石的導電性主要由巖石顆粒邊界和巖石孔隙內(nèi)液體所決定。孫建國[23]將巖石的導電分為離子導電型和電子導電型，而后者主要針對致密性非常強的巖石。由圖4也能得知不同巖性、同一巖性不同形成過程的巖石在導電性能上有著明顯的不同。

2.3 “土”與“石”的聯(lián)接與占比

在實際的土石混合體介質(zhì)體系中，其內(nèi)部土石聯(lián)接與排列非常復雜，為了便于電阻率的理論研究，學者多將土石混合體內(nèi)部“土”與“石”的聯(lián)接簡化成串-并聯(lián)結構模型，如圖5。

圖5 土石串-并聯(lián)結構模型Fig. 5 Structure model of soil and rocks connected in series and in parallel

趙明階等[24]將土石混合體中土、石、水、空氣等效為并聯(lián)結構模型且認為干燥土、石、空氣電阻率無窮大，得到了土石混合體的電阻率方程，但此電阻率方程不能對不同土石占比下的土石混合體電阻率進行預測。汪魁等[25]將土與石的聯(lián)接方式看作串-并聯(lián)結構，考慮了不同土石占比的影響，推導了土石串-并聯(lián)電阻率結構模型，如式(1)：

(1)

式中：f為土石體積占比；α為土石并聯(lián)部分所占比例；ρ土、ρ石、ρw分別為土、石、孔隙水的電阻率；γ土、γ石、γw分別為土、石、孔隙水的容重；n為孔隙率；w為含水量。

ZHOU Zhong等[26]考慮土石顆粒自由混合會使得土石混合體部分大孔隙被細顆粒土體所填充，導致其混合后實際整體體積較理論混合后變小，所得到的修正串-并聯(lián)混合電阻率模型為：

(2)

式中：α為土石串聯(lián)部分所占比例；n1、n2分別為土石混合前、后所對應的孔隙率；Sr(1)、Sr(2)分別為土石混合前、后所對應的飽和度；C土、C石分別為土、石所占體積比；ρ土、ρ石分別為土、石的電阻率；m、p分別為膠結系數(shù)與飽和度指數(shù)。

由此可得，土石體積占比是一個不容忽視的變化因素，其大小影響著土石混合體內(nèi)部組分構成比例，進而影響土石混合體的電阻率屬性，而在部分文獻中也稱為“土石比”。但目前對土石比定義卻未能形成一致，鐘祖良等[7]從塊石的質(zhì)量、體積、面積、線性長度4個不同的統(tǒng)計角度對其進行了相應的定義與總結。其中從塊石質(zhì)量、體積的角度進行土石比統(tǒng)計與定義主要用于土石混合體的相關室內(nèi)試驗研究，而從塊石面積、線性長度的角度進行土石比的統(tǒng)計與定義主要用于土石混合體的室外現(xiàn)場測試試驗。

無論從以上哪個角度進行土石比的統(tǒng)計，徐文杰等[3]以含石量占比多少將土石比大致分為3個區(qū)間范圍，不同區(qū)間范圍內(nèi)有著不同的含石量、不同的內(nèi)部細觀結構，進而在電阻率特性上有著不同的主導作用，如：含石量大于75%時，此時“塊石”居多，“土體”較少，“塊石”之間形成緊密接觸，“土體”充填于土石混合介質(zhì)中“塊石”骨架內(nèi)，“塊石”在電阻率特性上占據(jù)主導作用。

3 土石混合體電阻率特性影響規(guī)律研究

不同因素以不同方式、不同程度對土石混合體電阻率特性產(chǎn)生影響，主要包括含水量、密實度、土石比、孔隙率等，部分學者對此進行了研究，認為各影響因素之間在某種程度上具有不確定的相關性。目前的研究多是以室內(nèi)圓柱形擊實試件為基礎，進行其電阻率的靜態(tài)測量[27-28]，李居銅等[29]在模型池內(nèi)對土石混合體進行水平推剪試驗并進行電阻率的同步動態(tài)測量，上述研究都取得了較好的效果。

3.1 含水量對土石混合體電阻率特性的影響

含水量是影響土石混合體電阻率特性最重要的一個影響因素，是研究多孔介質(zhì)電阻率特性的首選變量。王日升等[27]對土石混合體試件進行其在飽水過程中電阻率變化特征的研究，發(fā)現(xiàn)土石比、壓實度均不相同的試件隨著飽水度的增加，電阻率都呈現(xiàn)下降趨勢；李居銅等[29]將模型池內(nèi)不同土石比的土石混合體模型在差異水環(huán)境下進行水平推剪試驗，發(fā)現(xiàn)浸水條件下模型的電阻率比正常條件下模型的電阻率小得多；趙明階等[24]對土石混合體擊實試件進行電阻率的靜態(tài)測量，發(fā)現(xiàn)其電阻率隨著含水量的增加呈冪函數(shù)衰減；汪魁等[25]在構建了土石混合體導電特性的物理模型基礎上，建立了土石混合體電阻率與物理特征參數(shù)之間的理論關系式，從理論上建立了電阻率與含水量的關系，并將試驗值與理論值進行對比，發(fā)現(xiàn)兩者之值吻合程度很高。

總結發(fā)現(xiàn)，無論采取何種試驗手段，含水量的增加都會使得土石混合體的電阻率呈現(xiàn)明顯下降趨勢，如圖6。如此高的電阻敏感度也為判斷土石混合體內(nèi)部的臨界含水量提供了可能。當含水量增大到一定程度時，電阻率的值幾乎不會發(fā)生改變，為一定值，此時土石混合體內(nèi)部孔隙已經(jīng)趨近于完全飽和，飽和度近似為1。

圖6 含水量與電阻率的關系曲線(土石比6∶4)Fig. 6 Relationship curve between water content and electrical resistivity (soil-rock ratio is 6∶4)

3.2 密實度對土石混合體電阻率特性的影響

在室內(nèi)模型試驗中，密實度主要是通過對模型試件擊實、強夯次數(shù)的多少來表征，其對土石混合體電阻率特性的影響程度僅次于含水量。王日升等[27]將壓實度作為試驗變量之一對電阻率特性展開了研究，得出了不同壓實度條件下試件在飽水過程中的電阻率變化趨勢，發(fā)現(xiàn)土石比相同時，壓實度越大，電阻率反而越小；趙明階等[24]通過對不同擊實次數(shù)下的模型試件進行電阻率測量，也得到了同樣的變化規(guī)律，即隨著密實度的增加，電阻率呈減小趨勢；汪魁[30]在對不同擊實次數(shù)的土石混合體試件進行電阻率測量同樣得到上述兩者相同的結果。因此，密實度越高，其相應土石混合體電阻率就越低，只是不同含水量下降幅度有所差異，而隨著擊實次數(shù)的進一步增加，電阻率逐漸保持穩(wěn)定，其值不會有較大變化，如圖7。

圖7 不同含水量下?lián)魧嵈螖?shù)與電阻率的關系曲線(土石比6∶4)Fig. 7 Relationship curve between compaction times and electrical resistivity under different water content (soil-rock ratio is 6∶4)

針對密實度對電阻率的影響規(guī)律，主要原因可以總結為：

1)密實度的增加不僅導致土石混合體孔隙內(nèi)部飽和度的提高，而且其內(nèi)部顆粒表面之間會有更明顯的“橋接”現(xiàn)象，粒間接觸變大，也會使得存于孔隙內(nèi)部的高阻性氣體排出，降低了對電流的阻抗作用，因此其電阻率逐漸降低。

2)當密實度增加到一定程度時，此時土石混合體已趨于飽和，其內(nèi)部結構遭到一定的破壞，且導電電流路徑極大減小，因此此時土石混合體導電性不再隨密實度的增加而改變。

3.3 土石比對土石混合體電阻率特性的影響

土石比不僅影響土石混合體的強度特性，而且對其他屬性(如滲透特性、電阻率特性)都會產(chǎn)生影響，而其對電阻率特性的影響也得到了研究人員的關注。趙明階等[24]對不同含水量下土石混合體擊實試件進行了研究，認為土石比與電阻率的關系比較復雜，當含水量為5%時，電阻率隨含石量的增大而增大，當含水量為20%時，電阻率隨含石量的變化只產(chǎn)生小幅波動；汪魁等[28]提出了土石混合體電阻率結構模型，從理論上分析了土石比對電阻率的影響，得到了相同的結論，其中當含水量增加到一定階段后，含石量的增加反而導致電阻率值輕微下降；王日升等[27]在對不同土石比試件飽水過程電阻率進行測量時，同樣發(fā)現(xiàn)含石量越高，其電阻率越大；李居銅等[29]認為在相同條件下，隨著土石比的增大，土石混合體的初始電阻率減小。

因此，總的來說，含石量的增大會導致土石混合體電阻率的升高，如圖8。類似變化趨勢在低含水量條件下更為明顯，即含水量的升高將會在一定程度上削弱土石比對整體電阻率的影響，由此也能看出電阻率的大小仍主要取決于土石混合體的含水量。

圖8 不同擊實次數(shù)下含石量與電阻率的關系曲線(含水量5%)Fig. 8 Relationship curve between rock content and electrical resistivity under different compaction times (water content is 5%)

針對含石量對電阻率的影響規(guī)律，主要原因可以總結為：

1)塊石含量較小時，即土石混合體內(nèi)細顆粒土體較多。相較于巖石等粗顆粒，土顆粒細小，比表面積大，顆粒表面吸附的大量陽離子與顆粒周圍溶液中的離子形成了“雙電層”，這對土石混合體導電具有很好的促進作用，此時導電性能較好，電阻率小。

2)塊石含量較大時，此時土石混合體內(nèi)細顆粒土體較少。巖石本身具有極高的電阻(圖4)，它的導電性能很差，巖石主要是通過其孔隙內(nèi)的液體和顆粒邊界進行導電，因此當含石量較高時，整體電阻率呈上升趨勢。

3.4 孔隙率對土石混合體電阻率特性的影響

孔隙率，也用孔隙比表示，其對電阻率的影響較含水量、密實度、土石比都要小得多，不常作為單獨影響因素進行討論。汪魁等[28]在土石混合體電阻率結構模型的基礎上，固定土石比與含水量，研究了孔隙率對土石混合體電阻率特性的影響，得出結論：孔隙率越大，電阻率越高；汪魁[30]通過室內(nèi)土石混合體物理模型試驗，討論了孔隙率對電阻率的影響規(guī)律，同樣發(fā)現(xiàn)孔隙率的增大會使得其電阻率升高，如圖9。

圖9 不同含水量下孔隙率與電阻率的關系曲線(土石比6∶4)Fig. 9 Relationship curve between porosity and electrical resistivity under different water content (soil-rock ratio is 6∶4)

究其原因，孔隙率的減小降低了土石混合體內(nèi)部液體附存的空間，但此時飽和度卻得到了相應的增加，因此電阻率反而會降低。當孔隙率增大，含水量為定值時，飽和度隨之降低，高阻氣體占據(jù)一部分孔隙空間，兩者共同增加了對電流的阻抗作用。

4 結 論

1)復雜的地質(zhì)成因?qū)ν潦旌象w的物質(zhì)組成、巖性差異、空間分布有著重要的影響。土石混合體的形成既包括其物質(zhì)來源，也包括其堆積形成過程。筆者主要從土石混合體物質(zhì)來源的角度對其地質(zhì)成因進行概述，將其成因主要分為風化作用、凍融作用、沖刷作用、巖溶作用4種。

2)土石混合體的電阻率不僅與其所處的環(huán)境屬性有關，也與其土石顆粒自身的導電性能相關，更與其土石顆粒排列方式及土石占比相關。“土”、“石”在土石混合體介質(zhì)內(nèi)部具有復雜的排列方式，在電阻率理論研究中多將其簡化為串-并聯(lián)結構。

3)影響土石混合體電阻率特性因素眾多且影響程度不一，主要有含水量、密實度、土石比、孔隙率等，部分學者通過室內(nèi)物理模型試件與理論模型推導分別對其影響因素展開了研究，得到了一定的研究成果且效果較好。但目前多是進行其電阻率的靜態(tài)測量，并未結合常規(guī)土工測試試驗儀進行電阻率的動態(tài)測量。土石混合體電阻率的測量多脫離于其原本所處的有壓環(huán)境，這與其所處的實際地質(zhì)環(huán)境存在一定差異，而數(shù)值試驗可以較好地解決這一不足。因此，未來的研究重點應更多的集中在電阻率的動態(tài)測量，如三軸試驗、現(xiàn)場原位試驗，以期建立電阻率與力學參數(shù)之間的關系，更應以數(shù)值試驗為研究手段，從細觀角度對土石混合體的電阻率特性進行研究。

4)土石混合體具有典型的尺寸效應，但目前對其電阻率特性的研究并未考慮到尺寸效應的影響，研究對象多為一定尺寸的模型試件，研究尺度較小，因此，考慮尺寸效應在未來土石混合體相關特性的研究中應成為一種趨勢。