基坑黃土電阻率特性分析研究

段 茳 美

(山西西山金城建筑有限公司，山西 太原 030053)

基坑黃土電阻率特性分析研究

段 茳 美

(山西西山金城建筑有限公司，山西 太原 030053)

對黃土進(jìn)行了施工現(xiàn)場試驗(yàn)，得出了土電阻率隨含水量、干密度以及電流頻率的變化規(guī)律，并探究了電阻率法監(jiān)測土體結(jié)構(gòu)變化的可行性，結(jié)果表明：當(dāng)保持干密度一定時(shí)，黃土電阻率隨著含水量的增加而減小；保持含水量一定時(shí)，黃土電阻率隨著干密度的增加而逐漸減小，黃土電阻率隨著電流頻率的升高而逐漸減小并最終趨于穩(wěn)定。

基坑重塑黃土，電阻率，地基基礎(chǔ)

0 引言

黃土呈淺黃或褐黃色，顆粒成分以粉土粒級(jí)為主，物質(zhì)粒徑均一，具孔隙，無層理，疏松，垂直節(jié)理發(fā)育。黃土在我國分布較廣，主要分布于我國黃河中、下游的諸省，覆蓋面積達(dá)64萬km2，約占我國領(lǐng)土面積的6.6%。特別是我國西北地區(qū)，黃土厚度大、地層完整、地貌類型多而復(fù)雜。黃土特殊性在于遇水膨脹形成崩解導(dǎo)致內(nèi)部凝結(jié)力減少產(chǎn)生一定的沉陷或位移，即濕陷性。建造在這類地區(qū)的建筑物，道路和橋梁等工程經(jīng)常會(huì)遇到由于黃土濕陷等引起的工程問題。因此需要在工程施工過程中對土體結(jié)構(gòu)進(jìn)行實(shí)時(shí)的監(jiān)測，用以保證施工質(zhì)量，并指導(dǎo)施工效果的評價(jià)。

近年來，電阻率法作為一種快捷、無損的土體監(jiān)測方法已被眾多的學(xué)者應(yīng)用于巖土工程的研究中，并且取得了一定的成果。土電阻率與土的孔隙率、孔隙形狀、孔隙水電阻率、孔隙水充填率、固體顆粒成分和膠結(jié)狀態(tài)等密切相關(guān)，可反映土的基本物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)、結(jié)構(gòu)特征以及土在動(dòng)態(tài)變化條件下的微觀和宏觀變形規(guī)律，通過連續(xù)測試土體變形過程中的電阻率可準(zhǔn)確反映土體的結(jié)構(gòu)變化，從而實(shí)現(xiàn)土的結(jié)構(gòu)定量評價(jià)。查甫生等[4]引入電阻率法進(jìn)行黃土濕陷過程中的微結(jié)構(gòu)變化規(guī)律定量分析，探討了土電阻率法在土的微結(jié)構(gòu)定量研究中的應(yīng)用?？娏植萚5]通過對重塑膨脹土的電阻率進(jìn)行測試研究，提出了一種飽和/非飽和土的假想電阻率模型。于小軍等[6]通過電阻率測試技術(shù)，獲取膨脹土樣在膨脹過程中電阻率結(jié)構(gòu)特性指標(biāo)的變化規(guī)律，建立描述膨脹土、膨脹改良土在膨脹過程中結(jié)構(gòu)變化的電阻率評價(jià)方法。以上研究均是基于單一頻率，未考慮電流頻率對電阻率的影響。

本文通過一系列室內(nèi)試驗(yàn)研究含水量、干密度以及電流頻率等對黃土電阻率指標(biāo)影響規(guī)律，分析黃土電阻率與其壓實(shí)特性間的相互關(guān)系，探討電阻率法在土體結(jié)構(gòu)變化評價(jià)和監(jiān)測中的應(yīng)用，為黃土工程性質(zhì)的電阻率評價(jià)方法提供一定的依據(jù)。

1 試驗(yàn)材料與方案

1.1 試驗(yàn)土樣的基本性質(zhì)

土樣取自太原工地基坑，土質(zhì)較均勻，呈黃色，堅(jiān)硬狀，為粉土，其基本物理指標(biāo)見表1。濕陷曲線見圖1。顆粒分析曲線見圖2。

表1 黃土基本物理指標(biāo)

1.2 試驗(yàn)方案

第一步：將原狀土樣碾碎、烘干并過篩。試驗(yàn)前取一定量的土樣分別按照要求的含水量配水拌和均勻，置于密封塑料袋內(nèi)養(yǎng)護(hù)24 h，使土樣中水氣分布平衡。黃土制樣采用靜壓壓實(shí)法，制樣時(shí)根據(jù)試驗(yàn)所用容器體積及設(shè)計(jì)的干密度和含水量計(jì)算濕土用量。試驗(yàn)均采用重塑黃土，制備了兩種類型的土樣：

1)保持干密度ρd=1.4 g/cm3不變，含水量w分別為7%，9%，11%，13%，15%，17%，19%，21%。

2)保持含水量w=16%不變，干密度ρd分別為1.25 g/cm3，1.3 g/cm3，1.35 g/cm3，1.4 g/cm3，1.45 g/cm3，1.5 g/cm3，1.55 g/cm3，1.6 g/cm3。

第二步：制備好重塑土樣后，采用LCR數(shù)字電橋測試不同類型的土樣的阻抗|Z|，阻抗測定均是通過對試驗(yàn)土樣采用不同電流頻率測得(頻率分別為50 Hz，100 Hz，500 Hz，1 000 Hz，5 000 Hz，10 000 Hz，50 000 Hz，100 000 Hz，500 000 Hz，1 000 000 Hz)。

第三步：將第二步測得的土樣阻抗值|Z|通過ρ=|Z|·S/L換算出電阻率值。其中,ρ為黃土電阻率,Ω·m；|Z|為阻抗,Ω;S為電極片面積，m2；L為電極片之間的距離，m。通過對土樣電阻率變化規(guī)律的分析得到其與含水量、干密度以及電流頻率的變化規(guī)律。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 黃土電阻率與含水量的關(guān)系

圖3為保持干密度為1.4 g/cm3不變，不同電流頻率下的電阻率和含水量關(guān)系曲線。

從圖3可以看出，黃土電阻率隨著含水量的增大先快速減小，而后保持穩(wěn)定。在含水量范圍為7%～11%時(shí)，此階段黃土電阻率隨含水量增大而減小的幅度較大，此后，電阻率減小的幅度和速度都變緩，最終保持穩(wěn)定。

含水量是影響土電阻率的重要因素，含水量的變化對土電阻率能夠產(chǎn)生顯著的影響。當(dāng)含水量很小時(shí)，土中孔隙水被孔隙分割未能形成較好連通，孔隙水通道較少，造成電阻率較大。增大含水量，孔隙水增多，飽和度增大，孔隙水迅速貫通，土中導(dǎo)電通路增加，導(dǎo)電能力增強(qiáng)，電阻率快速減小。繼續(xù)增大含水量，土電阻率減小幅度減緩并最終趨于穩(wěn)定，這是由于土中孔隙水充填率較高，繼續(xù)增大含水量對土電阻率影響不大。

2.2 黃土電阻率與干密度的關(guān)系

圖4為保持含水量為16%不變，在不同電流頻率下黃土電阻率和干密度關(guān)系曲線。從圖4可以看出，黃土電阻率隨著干密度的增大逐漸減小，在干密度范圍為1.25 g/cm3～1.4 g/cm3時(shí)，此階段黃土電阻率隨干密度增大而減小的幅度較大，超出這一范圍后，電阻率繼續(xù)減小，但是減小的幅度和速度都變緩，最終保持穩(wěn)定。

在含水量一定而干密度很小(1.25 g/cm3～1.4 g/cm3)時(shí)，土顆粒之間的接觸程度較差，土中有較多孔隙，孔隙水未能形成良好連通，故電阻率較大。隨著干密度的增大，導(dǎo)致土中孔隙體積減小，在含水量不變的情況下，孔隙水的充填率也有一定的提高，土中孔隙水的連通路徑也增多，導(dǎo)電通路增多，故電阻率逐漸減小。干密度繼續(xù)增大，孔隙水已經(jīng)形成連通最大化，導(dǎo)電通路增加不明顯，因此電阻率保持穩(wěn)定。

2.3 黃土電阻率與電流頻率的關(guān)系

采用交流電測試黃土電阻率時(shí)，電流頻率對于實(shí)測值的影響不容忽視。圖5為不同含水量下土電阻率和電流頻率變化曲線，圖6為不同干密度下土電阻率和電流頻率變化曲線，圖5中A直線(50 kHz)和圖6中B直線(50 kHz)為電流頻率分界線。由圖5和圖6可知，在A，B直線左邊的電流頻率范圍內(nèi)(即50 Hz～50 kHz)，黃土的電阻率隨電流頻率的升高而快速降低。當(dāng)電流頻率范圍在A，B直線右邊時(shí)(即50 kHz～1 MHz)，電阻率隨電流頻率升高趨于穩(wěn)定。因此，基于該試驗(yàn)成果，對于試驗(yàn)黃土的交

流電阻率測試，比較合理的電流頻率應(yīng)控制在50 kHz～1 MHz，此范圍內(nèi)，電流頻率對黃土電阻率實(shí)測值影響較小，結(jié)果便于統(tǒng)一。

3 結(jié)語

1)保持重塑黃土的干密度不變，其電阻率隨其含水量的增加而先減小，最終趨于穩(wěn)定。保持重塑黃土的含水量不變，其電阻率隨其干密度的增加而先減小，最終保持穩(wěn)定。

2)采用交流電阻率法測電阻率，當(dāng)電流頻率低于50 kHz時(shí)，頻率微小變化對電阻率測試結(jié)果會(huì)產(chǎn)生劇烈影響，建議選用頻率范圍在50 kHz～1 MHz。

3)了解黃土電阻率的特性，從而選擇適當(dāng)?shù)幕又ёo(hù)方式做地基處理，進(jìn)一步保證了建筑物的穩(wěn)定性，可供類似工程參考。

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[3] 黃雪峰，陳正漢，方祥位，等.大厚度自重濕陷性黃土地基處理厚度與處理方法研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2007，26(S2):4332-4338.

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[5] 繆林昌，嚴(yán)明良，崔 穎.重塑膨脹土的電阻率特性測試研究[J].巖土工程學(xué)報(bào)，2007，29(9):1413-1417.

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Experimental studies on electrical resistivity of loess

DUAN Jiang-mei

(ShanxiXishanJinchengConstructionCo.，Ltd，Taiyuan030053,China)

The laboratory experiments of remolded loess were conducted, the influence of water content, dry density, and electrical current on the electrical resistivity of loess were studied, and the feasibility that using resistivity method to monitor the loess structure was explored. The results show that the electrical resistivity of loess decrease with increasing water content when dry density was kept constant, the electrical resistivity of loess decrease with the increase of dry density when water content was kept constant. The electrical resistivity of loess decrease with increasing electrical current frequency firstly, and then tends to a fixed value.

remolded loess， electrical resistivity， foundation

1009-6825(2014)28-0081-02

2014-07-26

段茳美(1991- )，男，助理工程師

TU411.2

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