凍土電阻率與其溫度的關(guān)系研究

潘林娜，高凌霞，李順群

(1.天津城建大學(xué) 土木工程學(xué)院，天津 300384；2.大連民族大學(xué) 土木建筑工程學(xué)院，遼寧 大連 116605)

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凍土電阻率與其溫度的關(guān)系研究

潘林娜1，高凌霞2，李順群1

(1.天津城建大學(xué) 土木工程學(xué)院，天津 300384；2.大連民族大學(xué) 土木建筑工程學(xué)院，遼寧 大連 116605)

為研究?jī)鐾岭娮杪逝c溫度的關(guān)系，采用自制電阻測(cè)量裝置，對(duì)不同溫度的砂土和黏土試樣進(jìn)行了電阻測(cè)試。結(jié)果表明，當(dāng)溫度大于0 ℃時(shí)，土的電阻率變化不大；當(dāng)溫度小于0 ℃時(shí)，土的電阻率隨溫度的下降而明顯上升。出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因在于，當(dāng)溫度降低至0 ℃以下時(shí)，土中水分隨溫度的降低將逐漸部分或全部?jī)鼋Y(jié)為冰，而冰的電阻率大于液態(tài)水的電阻率。此外，凍土的電阻率還與土的類型有關(guān)，在干密度、含水量、溫度均相同的條件下，砂土的電阻率大于黏土的電阻率。

土的電阻率；溫度；砂土；黏土

電阻率是表征土的結(jié)構(gòu)組成和力學(xué)性質(zhì)的重要參數(shù)之一，是土體導(dǎo)電性能的基本物理量。長(zhǎng)期以來(lái)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者主要應(yīng)用土的電阻率反映土的含水率、孔隙率、飽和度、土質(zhì)類型、礦物成分等特性。如查甫生等研究了土的電阻率理論在環(huán)境巖土、擊實(shí)土的特性評(píng)價(jià)和地基處理效果評(píng)價(jià)方面的應(yīng)用[1]；Samouelian闡述了電阻率在土壤科學(xué)中的應(yīng)用，指出土壤電阻率是土壤理化因子的函數(shù)關(guān)系[2-3]?？傮w來(lái)看，電阻率在普通土體工程中的研究已經(jīng)比較深入，而對(duì)特殊土，如凍土電阻率特性研究較少且不夠深入。

受土的形成機(jī)理及其應(yīng)力歷史等因素的影響，土的類型繁多，不同土的電阻率特性不盡相同。因而探究不同土體的電阻率與熱力學(xué)性質(zhì)的關(guān)系，加強(qiáng)對(duì)土體電阻率的認(rèn)識(shí)，才能更好的應(yīng)用土體電阻率特性去解決工程實(shí)際問(wèn)題。

在分析前人的研究成果基礎(chǔ)上，本文主要討論了在±20 ℃范圍內(nèi)，土的電阻率與溫度的關(guān)系。通過(guò)測(cè)量土體在不同溫度下的電阻，得出了砂土和黏土的電阻率與溫度之間的關(guān)系，并分析了凍土與常溫土之間電阻率存在差別的原因。研究?jī)鐾岭娮杪逝c溫度的關(guān)系，有助于電阻率理論在環(huán)境巖土工程方面更好的應(yīng)用，為使用電測(cè)法測(cè)量土工參數(shù)提供了理論依據(jù)。

1　溫度對(duì)凍土電阻率的影響機(jī)理

凍土與常溫土的電阻率特性不同主要是由于凍結(jié)過(guò)程中孔隙水含量不同，而溫度的變化是未凍水含量變化的主要原因。溫度對(duì)土壤電阻率的影響分為兩種途徑：一種是溫度對(duì)土壤骨架以及孔隙水的電阻率的影響；另一種是溫度低于0 ℃時(shí)，土壤中水凍結(jié)之后對(duì)土壤電阻率的影響[4]。

孔隙水的導(dǎo)電性隨著溫度的降低會(huì)逐漸降低，當(dāng)水溫處于0 ℃以下時(shí)，部分孔隙水凝結(jié)成冰，由于水在冰凍狀態(tài)下具有弱導(dǎo)電性，故發(fā)生相變的孔隙水電阻率將會(huì)大大增加，原來(lái)呈現(xiàn)導(dǎo)電特性的孔隙水電阻值將會(huì)發(fā)生突變[5]。

依據(jù)凍土物理學(xué)的基本原理，土壤中的孔隙水含量將隨著溫度的下降而下降[6-7]。相應(yīng)的，土壤骨架的電阻率隨溫度下降而下降。當(dāng)溫度變化在±20 ℃范圍之內(nèi)時(shí)，土壤骨架電阻率隨溫度變化很小，故溫度對(duì)凍土電阻率的影響主要是通過(guò)改變凍土中的孔隙水含量來(lái)改變凍土的電阻率。

Keller和Frischknecht[8]將溫度T時(shí)土的電阻率(ρT)隨溫度的變化按照18℃條件土的電阻率(ρ18)整理為

(1)

式中，ρT為溫度T時(shí)的電阻率(Ω·m-3)；ρ18為18 ℃時(shí)土體電阻率(Ω·m-3)；T為溫度(℃)；α為試驗(yàn)常數(shù)，約為0.025 ℃-1。

加速度傳感裝置示意圖如圖4所示,在鋁制圓形管殼內(nèi)固定制備的PDMS薄膜,在薄膜的中心位置粘接圓柱形永磁體質(zhì)量塊,在距永磁體上表面 D=5 mm 處固定磁傳感器通過(guò)上位機(jī)對(duì)讀出采集的數(shù)據(jù),由此組成整個(gè)加速度傳感檢測(cè)裝置。

2　凍土電阻率試驗(yàn)方法

2.1室內(nèi)試驗(yàn)方法

按照電極數(shù)量劃分，現(xiàn)有的土體電阻率試驗(yàn)方法可分為四相電極法和二相電極法[9-10]，兩者均是基于伏安法測(cè)電阻，依據(jù)試樣的橫截面面積和長(zhǎng)度換算出土的電阻率。二相電極法通過(guò)直接測(cè)土樣兩端的電阻來(lái)計(jì)算土的電阻率，操作簡(jiǎn)單，但電極與土樣之間的接觸條件會(huì)很大程度地影響測(cè)試結(jié)果的準(zhǔn)確性。四相電極法可有效避免電極極化效應(yīng)對(duì)電阻的影響，測(cè)試結(jié)果準(zhǔn)確，但四相電極法需將電極插入土樣內(nèi)，對(duì)土樣的擾動(dòng)較大，電極插入的深淺也會(huì)影響測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性[11]。

通過(guò)對(duì)試驗(yàn)方法優(yōu)缺點(diǎn)的比較，本文選用二相電極法。外模選用直徑為46 mm，高度為100 mm的PVC塑料管；電極選用圓形銅板電極，使用數(shù)字萬(wàn)用表測(cè)量電阻；冷凍設(shè)備選用高精度低溫試驗(yàn)箱，如圖1。

圖1　高精度低溫實(shí)驗(yàn)箱

2.2試樣的制備

試驗(yàn)土樣采用黏土、砂土，利用PVC塑料管作為外模，制備干密度為1.6 g·cm-3，含水量為10 %的試樣，如圖2。將土樣放入高精度低溫試驗(yàn)箱內(nèi)冷凍24 h后取出，在其上下兩個(gè)表面均勻涂抹一層石墨，將銅片固定在其上下表面，萬(wàn)用表調(diào)制歐姆檔，選擇合適的量程測(cè)量?jī)鐾猎嚇拥碾娮?。利用?2)計(jì)算出凍土試樣在各溫度下的電阻率,即

(2)

式中，ρ為土體的電阻率(Ω·m-3)；R為歐姆表的讀數(shù)(Ω)；S為被測(cè)物體的電流垂直通過(guò)的截面的面積(m2)；L為電流垂直流過(guò)截面的距離(m)。

圖2　試驗(yàn)土樣

2.3二相電極法接觸電阻的修正

采用二相電極法測(cè)定凍土的電阻率，直接測(cè)試土樣兩端的電阻，顯然操作方法簡(jiǎn)便，但測(cè)試結(jié)果受電極與土樣之間的接觸條件影響較大。因而試驗(yàn)前需要使用石墨等導(dǎo)電優(yōu)良的材料進(jìn)行耦合，并進(jìn)行接觸電阻的修正[12]。取測(cè)試土樣制成不同高度的試樣，其干密度為1.6 g·cm-3，含水率為10 %。測(cè)試這些不同高度試樣的電阻，利用式(2)計(jì)算不同高度試樣的電阻率。

用線性方程y=ax+b擬合曲線，當(dāng)試樣長(zhǎng)度為0時(shí)，擬合曲線與縱軸的截距即為試樣的接觸電阻率。擬合曲線的系數(shù)a和b見(jiàn)表1，可知砂土的接觸電阻率為17.1 Ω·m，黏土的為5.8 Ω·m。

用所測(cè)凍土試樣的電阻，根據(jù)式(2)計(jì)算出電阻率，減去其對(duì)應(yīng)的接觸電阻率，即可得到土的真實(shí)電阻率ρ。

表1　擬合曲線的系數(shù)a和b

3　凍土電阻率與溫度的關(guān)系

土壤溫度為0 ℃以上時(shí)，砂土和黏土試樣的電阻率見(jiàn)表2；土壤溫度為0 ℃以下時(shí)，砂土和黏土試樣的電阻率見(jiàn)表3；凍土試樣電阻率與溫度關(guān)系曲線如圖3；土壤試樣電阻率與溫度關(guān)系曲線如圖4。

表2　土壤在0 ℃以上時(shí)試樣的電阻率　Ω·m-3

表3　土壤在0 ℃度以下時(shí)試樣的電阻率　Ω·m-3

圖3　凍土試樣電阻率與溫度關(guān)系曲線圖

圖4　土壤試樣電阻率與溫度關(guān)系曲線圖

由表2、表3并結(jié)合圖3、圖4可知：

(1)凍土的電阻率隨著溫度的下降而上升。其過(guò)程可分為：當(dāng)溫度從20 ℃下降到1 ℃時(shí)，砂土的電阻率為176～665 Ω·m-3，黏土的電阻率為69～145 Ω·m-3。在此階段中土的電阻率變化不大。當(dāng)溫度從1℃下降到-1 ℃時(shí)，砂土的電阻率為610～9 296 Ω·m-3，黏土的電阻率為142～2 507 Ω·m-3。在此階段中試樣中的孔隙水發(fā)生相變成冰，由于孔隙水在冰凍狀態(tài)下具有弱導(dǎo)電性，故土壤電阻率在0 ℃發(fā)生了跳變。當(dāng)溫度從-1 ℃下降到-20 ℃時(shí)，砂土的電阻率為9 296～91 964 Ω·m-3，黏土的電阻率為2 059～35 152 Ω·m-3。在此階段中試樣中的孔隙水含量隨著溫度的下降而逐漸下降，故凍土的電阻率隨溫度的下降而明顯上升。

(2)當(dāng)溫度為1 ℃～20 ℃時(shí)，砂土的最大電阻率為665 Ω·m-3，黏土的最大電阻率為145 Ω·m-3；當(dāng)溫度為-1 ℃～-20 ℃時(shí)，砂土的最小電阻率為9 296 Ω·m-3，黏土的最小電阻率為2 059 Ω·m-3。凍土的電阻率明顯大于常溫土的電阻率。主要原因是孔隙水在凍土中以冰晶的狀態(tài)存在，冰的電阻率遠(yuǎn)大于水的電阻率，所以凍土的電阻率大于常溫土的電阻率。

(3)在整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程中，砂土的電阻率最大值為91 964 Ω·m-3，黏土的電阻率最大值為37 184 Ω·m-3。砂土的電阻率大于黏土的電阻率。由此可見(jiàn)，土的類型不同也會(huì)影響電阻率的大小。純凈砂土的電阻率幾乎完全由孔隙水的電阻率大小決定；黏土顆粒表面存在雙電層，雙電層中的陰、陽(yáng)離子在電場(chǎng)的作用下具有導(dǎo)電能力，故黏土導(dǎo)電性大小由土顆粒和孔隙水共同決定。所以砂土的電阻率大于黏土的電阻率。

4　結(jié)　論

從滲流物理學(xué)的多孔介質(zhì)模型可知，土壤是一種典型的多孔介質(zhì)。多孔介質(zhì)導(dǎo)電主要通過(guò)固體骨架與孔隙內(nèi)的流體導(dǎo)電。溫度是影響土壤電阻率的一個(gè)關(guān)鍵因素，由于土壤固體骨架導(dǎo)電性能非常差，溫度主要通過(guò)改變土壤的孔隙水的電阻影響土壤電阻率，分析整理以上試驗(yàn)數(shù)據(jù)可得以下幾點(diǎn)：

(1)隨著溫度的下降，凍土中孔隙水含量不斷降低，凍土的電阻率隨著孔隙水含量的降低而呈上升的趨勢(shì)。當(dāng)溫度大于0 ℃時(shí)，土的電阻率變化不大；當(dāng)溫度小于0 ℃時(shí)，土的電阻率隨溫度的下降而明顯上升。

(2)凍土的電阻率大于對(duì)應(yīng)常溫土的電阻率。

(3)在相同干密度、相同含水量、相同溫度條件下，砂土的電阻率始終大于黏土的電阻率。

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(責(zé)任編輯鄒永紅)

Study on the Relationship Between Resistivity and Temperature of Frozen Soil

PAN Lin-na1, GAO Ling-xia2, LI Shun-qun1

(1.School of Civil Engineering, Tianjin Chengjian University, Tianjin 300384, China; 2.School of Civil Engineering, Dalian Minzu University, Dalian Liaoning, 116605, China)

In order to study the relationship between resistivity and temperature of frozen soil, the resistance tests of sand and clay samples at different temperatures were carried out by self-made resistance measuring device. The results show that when the temperature is greater than 0 ℃, the resistivity of the soil changes little. However, when the temperature is less than 0 ℃, the resistivity of the soil will increase obviously with the decrease of temperature. The reason for this phenomenon is that when the temperature is reduced to 0 ℃, the water in the pore will gradually be frozen partially or completely. And the resistivity of the ice is greater than that of the liquid water. In addition, the electrical resistivity of frozen soil is related to its type. For example, the resistivity of frozen sand is greater than that of frozen clay at same dry density, water content and temperature.

soil resistivity; temperature; sand; clay

2096-1383(2016)05-0501-04

2016-07-28；最后

2016-07-30

天津市自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目(16JCZDJC39000) ；中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金資助項(xiàng)目(DC201502040402)。

潘林娜(1992-), 山東德州人，土木工程學(xué)院碩士研究生，主要從事環(huán)境巖土研究。

高凌霞 (1976-)，甘肅會(huì)寧人，副教授，博士，主要從事巖土工程研究。

TU445

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