附加電場條件下吹填土的電性響應

歐孝奪，黃展案，柳子炎，潘 鑫

（廣西大學a.土木建筑工程學院 南寧 530004；b.工程防災與結構安全教育部重點實驗室 南寧 530004）

近年來，隨著地下工程建設、環(huán)境保護以及災害防治等方面的需要，巖土體電性的研究成為熱點，但總體來說尚處于起步階段，主要以巖土體電阻率工程物探應用及土的電阻率與土性關系研究為主［1－3］，重點分析影響土電阻率的相關因素［4－5］，以及土電性與其力學性質(zhì)之間的相互關系［6］。另一方面，土介電常數(shù)的影響變化因素及測定方法也有相關研究報道，主要為地下工程的探測提供重要依據(jù)［7－8］。對于外電場作用下的土體電性研究，多數(shù)涉及電滲［9－10］和滲流分析［11］這兩方面。莊艷峰等［12－13］對電滲的電荷累積規(guī)律及界面電阻問題進行相關研究，王柳江等［14］則綜合考慮電滲場、滲流場與應力場的耦合關系，進行了電滲固結分析。綜合所述，目前國內(nèi)外的研究成果主要集中在土的電性與其物理力學性質(zhì)關系［15］以及土壤修復技術方面［16－18］，而外加電場作用下巖土體的電性參數(shù)變化特征的相關研究鮮見報道。

地球表面的巖土體時刻受外部電場的作用，特別是在雷雨天氣，這種作用更為強烈。通過研究雷電場作用下巖土體的電荷累積規(guī)律及其影響因素，建立兩者之間的電性響應機制，可探索、獲得防雷減災的新途徑。以廣西北部灣多雷地區(qū)“人造陸域”吹填土為研究對象，對其施加低壓外電場，并通過改變電場強度、土體含水率、密實度以及淡化程度，觀察吹填土內(nèi)部電荷變化規(guī)律，初步探究外電場與巖土體之間的電性響應。

1 土樣制備與試驗方法

1.1 土樣制備

1.1.1 土樣的理化性質(zhì) 試驗吹填土采自廣西欽州港保稅區(qū)，從表觀上看，土樣略帶黑色，土質(zhì)結構均勻，附帶少量淤泥，含水量趨于飽和。吹填土的土工試驗參數(shù)見表1。

吹填土的顆粒組成及顆粒級配曲線分別如表2、圖1所示。由表2可以看出，吹填土中粒徑大于0.075mm的顆粒其質(zhì)量占試樣總質(zhì)量的50%～85%，認為該試驗土樣為粉砂土。由圖1可知，試驗土樣的曲率系數(shù)Cc＝2.01，不均勻系數(shù)Cu＝6.33，級配良好。

表1 吹填土土工試驗參數(shù)

表2 吹填土顆粒組成

圖1 吹填土顆粒級配曲線

1.1.2 土樣制備 土樣制備流程如下：1）將土樣碾散、風干，過2mm篩后充分攪勻，取少量土進行含水率ω測定。2）參照《土工試驗規(guī)程》（SL237—1999），計算土樣所需加水量，并進行悶土。3）將悶好的土樣分層放入塑料套管，并用擊實錘擊實至擬定體積，每層土樣的質(zhì)量根據(jù)擬定的密度及體積計算得到。當一層土樣擊實完畢，在其表面放置一根電勢探針，再繼續(xù)裝入土樣擊實下一層。成型后土樣為圓柱狀，直徑15.4cm，高18cm。電勢探針由下至上呈直線分布，分別編號為1、2、3、4、5，相鄰電勢探針間隔4.5cm，土樣制備過程如圖2所示。

圖2 土樣制備過程

1.2 試驗原理

以直流電源（0～150V）作為電場來源，塑料套管上方銅板接入直流負電作為陰極，下方銅板接入直流正電作為陽極，兩塊銅板之間距離為20cm，構成一個勻強電場（試驗原理如圖3所示）。土樣高18cm，上端與負極銅板之間距離約為2cm，下端與正極銅板靠近但不接觸。接通電源，使土樣處于勻強電場中，利用石墨電勢探針及萬能表測定不同探針之間的電勢差。

圖3 試驗原理示意圖

1.3 試驗內(nèi)容及方法

根據(jù)試驗目的制備所需土樣，按圖3要求組裝試驗裝置，然后置于環(huán)境發(fā)生器（能夠維持一定溫度、濕度，可以模擬環(huán)境變化）中進行試驗。首先測定同一土樣在有無外電場作用下其兩端電勢差，比較兩種情況下土體內(nèi)部電荷變化差異；其次在施加外電場條件下，通過調(diào)整電場強度、土體含水率、密實度和淡化程度，分別測定各探針之間電勢差，比較分析影響土體內(nèi)部電荷移動的相關因素。具體操作步驟如下：

1）使用同一土體，在未接通電源情況下，每隔1h，使用萬能表依次測定探針1～2、1～3、1～4、1～5、2～3、2～4、2～5、3～4、3～5、4～5之間的電勢差。當讀數(shù)基本穩(wěn)定后，接通電源，使土體處于一個穩(wěn)定的電場中。從加載電場開始，每隔10min測定一次讀數(shù)，當各組探針之間的電勢差基本穩(wěn)定后將電場關閉，繼續(xù)每隔30min測定一次，連續(xù)測定48h。

2）調(diào)整電場強度、土體含水率、密實度和淡化程度，測定不同條件下各組電勢差示值，測定方法與1）中接通電源后的方法一致。

2 試驗結果與分析

2.1 有無外加電場條件下土體內(nèi)部電荷變化

假定加電場前所測電勢差為初始值U0，加電場進行實驗后某一時刻所測電勢差為Ux，通過公式UL＝Ux－U0，計算電勢差累計變化量UL。根據(jù)UL與時間t的變化關系描述土樣內(nèi)部電荷的變化規(guī)律，根據(jù)UL的大小與正負判斷電荷的移動方向及量的多少。

試驗中分別測定吹填土在無外電場及350V／m附加電場作用下土體兩端（探針1～5）和內(nèi)部（探針2～4）電勢差，土體密度為1.90g／cm3，含水率為17%，環(huán)境發(fā)生器中溫度為29.5℃，其試驗曲線如圖4所示。從圖中可以看出，在無外加電場作用下，探針1～5和探針2～4的電勢差均為正值，且隨試驗時間的延長而逐漸增大；探針1～5的電勢差在試驗前40h內(nèi)變化明顯，40h后基本保持穩(wěn)定，而探針2～4在整個試驗過程中均未發(fā)生大幅度變化。在附加電場作用下，探針1～5和探針2～4的電勢差均為負值，且隨試驗時間的延長而逐漸減小；兩組探針測值在試驗前20h內(nèi)基本保持穩(wěn)定，20h后開始發(fā)生大幅度變化，其中探針1～5的變化幅度較大。

從上述試驗結果來看，在有無外加電場條件下，土體內(nèi)部電荷的變化情況存在差異。土體內(nèi)部電勢差在無外電場作用下為正，而在附加電場作用下為負，說明當不存在外電場時，土體內(nèi)部正電荷沿豎直方向向下移動，負電荷則往相反方向移動。這是因為自然界存在方向向下的大氣電場，土體內(nèi)部正負電荷受電場力作用，沿豎直方向分別往兩端移動；而施加了外電場后，綜合電場的方向向上，與一般的雷雨云電場相似。

另外，2種試驗條件下，探針1～5的電勢差均比探針2～4大，即土體兩端電勢差較內(nèi)部大，這從另一個方面說明電場的存在促進了土體內(nèi)部電荷分別往上下兩側移動，形成電勢降。

圖4 有無外加電場條件下土體內(nèi)部電勢差累計變化量

2.2 不同電場強度下土體內(nèi)部電荷變化

通過對5種不同電場強度下土體內(nèi)部電荷的變化情況進行研究，探討電場強度對吹填土內(nèi)部電荷變化的影響。5種不同電場的場強分別為150、250、300、350、500V／m，土體密度1.90g／cm3，含水率20%，環(huán)境發(fā)生器中溫度為29.5℃。不同電場強度下土體兩端（電勢探針1～5）電勢差變化曲線如圖5所示。

從圖5看出，在不同強度的外電場作用下，土體兩端電勢差隨時間的變化關系差異明顯?？傮w來說，在150V／m的附加電場下，土體兩端電勢差變化幅度較小，基本保持穩(wěn)定。分析原因，這是由于附加電場與大氣電場場強大小接近，而方向相反，土體內(nèi)部電荷受兩種電場的作用相互抵消，未發(fā)生明顯的移動，因此電勢差變化保持穩(wěn)定，這也印證了在無附加電場的情況下土體內(nèi)部依然存在不斷變化的電勢差。而當附加電場場強達到250V／m以上時，電勢差測值發(fā)生明顯的變化，500V／m時絕對值最大，其次是350V／m。綜合分析，附加電場對土體內(nèi)部電荷移動具有明顯的促進作用，隨著場強的增大，大氣電場的作用逐漸被抵消，電荷受到的外電場力越來越大，電勢差變化速率越快。

圖5 不同電場強度下土體內(nèi)部電勢差累計變化量

2.3 不同含水率下土體內(nèi)部電荷變化

對5個土樣分別施加350V／m的電場，初步探討在附加電場作用下，不同含水率的吹填土內(nèi)部電荷變化特性。土樣含水率分別為10%、15%、20%、25%、30%，密度1.90g／cm3，環(huán)境發(fā)生器中溫度為29.5℃。

選取電勢探針1～5作為典型分析對象，其電勢差累計變化曲線見圖6。從圖中看出，不同含水率下土體兩端電勢差變化存在顯著差異，尤其是當含水率處于15%～20%之間時，試驗曲線存在跳躍式變化。當含水率ω≤15%時，電勢差測值變化幅度很小，在0～－200mV之間變動，而當含水率ω≥20%時，電勢差變化量顯著增加，在0～－900mV之間變動，且其變化幅度顯著高于前者。總體來看，低含水率對土體內(nèi)部電荷影響不大，電勢差變化較緩慢，隨著含水率升高到一定程度，試驗數(shù)據(jù)產(chǎn)生大幅變化，電勢差增長速率較快。這是由于土體內(nèi)電荷的移動很大程度上依賴于液相，土中水對于帶電離子的溶解，以及建立電荷的轉移通道有著極大的促進作用。對于含水率ω≥20%，試驗曲線較接近，電勢差變化相差不大，說明此時含水率繼續(xù)增大并不能無限增強電荷的移動，而是慢慢地趨于穩(wěn)定狀態(tài)。

圖6 不同含水率下土體內(nèi)部電勢差累計變化量

綜合分析，含水率較低時，顆粒間孔隙水連通性較差，不利于電荷的移動。隨著含水率的升高，孔隙水連通性逐漸得到改善，越來越多的電荷在附加電場作用下作定向移動。當含水率繼續(xù)升高到一定程度，此時土體顆?？紫兑殉錆M液態(tài)水，離子的溶解及電荷的移動接近極限狀態(tài)，孔隙水的增多不能顯著增強這種效應。

2.4 不同密實度下土體內(nèi)部電荷變化

附加350V／m電場，探究3種不同密實度下吹填土內(nèi)部電荷的變化情況。吹填土的密實度分別為0.3、0.5、0.8，含水率17%，環(huán)境發(fā)生器中溫度為29.5℃。

不同密實度下土體兩端（電勢探針1～5）電勢差變化曲線如圖7所示?？傮w來看，各組試驗中土體內(nèi)部電荷變化迥異，影響規(guī)律并不明顯。密實度為0.3時的電勢差變化曲線與橫軸非常接近，未有明顯波動；0.5和0.8密實度下的電勢差隨著時間存在一定的變化幅度，但兩者變化方向相反。初步分析，盡管含水率一定，但密實度的變化會影響土體內(nèi)部結構，飽和度等參數(shù)會發(fā)生改變。因此，在排除試驗過程中操作不當?shù)那疤嵯?，綜合考慮吹填土物質(zhì)組成及細觀結構等因素，需進行更深層次的對比試驗，以探究土體密實度是否與其他潛在影響因素存在協(xié)同作用。

圖7 不同密實度下土體內(nèi)部電勢差累計變化量

2.5 不同淡化程度下土體內(nèi)部電荷變化

對試驗土樣進行淡化，可以模擬雨水對吹填土的沖洗、過濾作用，以此來探討在附加電場（350V／m）作用下，不同淡化程度對土體內(nèi)部電荷變化的影響規(guī)律。4種不同淡化程度的吹填土內(nèi)部水分含鹽率分別為2.51%（未淡化）、2.19%（淡化1d）、1.05%（淡化3d），0.18%（淡化10d），相應的電阻率分別為0.87、1.26、2.71、7.63Ω·m，吹填土含水率均為17%，土樣密度1.90g／cm3，環(huán)境發(fā)生器中溫度為29.5℃。

土體兩端（電勢探針1～5）電勢差變化曲線如圖8所示。從圖中可以看出，經(jīng)不同程度淡化后的土體兩端電勢差均隨淡化時間的延長而減小，開始試驗600h后，各組結果差異顯著，未淡化的土樣電勢差變化最大，而淡化10d的最小。由此表明，淡化程度對土體內(nèi)部電勢差變化具有顯著的影響，對吹填土的淡化導致其內(nèi)鹽分的流失，可溶于孔隙水的離子濃度降低，孔隙水導電性能減弱，土體主要導電通道連通性較差，未能充分發(fā)揮作用。結合電阻率數(shù)據(jù)也可以看出，含鹽量越高，其土體電阻率越小，對土體內(nèi)部電荷移動的阻礙作用越弱。

圖8 不同程度淡化后土體內(nèi)部電勢差累計變化量

3 結論

1）在無外加電場條件下，吹填土內(nèi)部電荷仍受大氣電場作用，正電荷沿電場方向移動，負電荷與之相反。

2）試驗表明，隨著大氣電場作用逐漸被抵消，附加電場對吹填土內(nèi)部電荷移動產(chǎn)生顯著影響。外電場場強越大，土體兩端的電勢差變化幅度越大，表明其內(nèi)部電荷的移動、交換速率越快。

3）吹填土的含水量、密實度、淡化程度等因素，也能影響土體的導電性能。高含水量，以及低淡化度，在一定程度上增大了土體內(nèi)部電荷移動的通道，電勢差累計變化幅度越大。而密實度對吹填土內(nèi)部電荷移動的影響規(guī)律尚不明確，需進行更深層次的試驗研究。

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