多相土石復(fù)合介質(zhì)推剪破壞電阻率響應(yīng)特征試驗研究

李居銅， 王日升, 2，章傳濤

(1. 山東交通學(xué)院交通土建工程學(xué)院，山東濟(jì)南 250347；2. 重慶交通大學(xué)河海學(xué)院，重慶 400074； 3.山東泰山路橋工程公司，山東泰安 271000)

0 引言

電阻率是介質(zhì)的固有屬性，無損檢測土石壩等水工建筑物的電阻率變化可為其穩(wěn)定性監(jiān)測提供實時數(shù)據(jù)參考。國內(nèi)許多學(xué)者對不同材料的電阻率開展了系列研究，孫樹林等[1]研究素土及其與不同石灰摻量的試件在不同含水率條件下的電阻率變化,揭示了不同灰土質(zhì)量比、含水率、飽和度、土的結(jié)構(gòu)和土粒粒徑等對灰土樣電阻率的影響；周啟友等[2]通過在砂巖巖樣上進(jìn)行飽水與排水試驗時在不同方向上進(jìn)行高密度電阻率成像，獲得了飽水與排水過程中巖石電阻率在不同方向上的響應(yīng)特性；查甫生等[3]研究非飽和黏性土的電阻率特性，推導(dǎo)適用于非飽和黏性土的電阻率結(jié)構(gòu)模型，探討?zhàn)ば酝岭娮杪实闹饕绊懸蛩?；吳迪等[4]研究砂土液化過程中孔隙率的變化規(guī)律，探索飽和砂土電阻率的定量確定方法，探討不同測試條件對電阻率測試結(jié)果的影響。Sava等[5]在前人研究基礎(chǔ)上建立了非飽和巖石電阻率和飽和度、孔隙率關(guān)系模型；于小軍[6]將前人研究的電阻率模型在土力學(xué)中給予應(yīng)用，具有里程碑意義。然而，由于土石復(fù)合介質(zhì)的土石含量、孔隙結(jié)構(gòu)、含水率、顆粒粒徑等不同導(dǎo)致電阻率差異很大，因此單研究土體或巖體很難表征電阻率特性。汪魁等[7-9]對土石復(fù)合介質(zhì)電阻率特性及其影響因素進(jìn)行了系統(tǒng)研究，確定了各影響因素之間具有不確定的關(guān)聯(lián)性，但在研究過程中并未考慮水環(huán)境及外部有壓環(huán)境影響，這與土石壩等建筑物工作的實際狀況存在差異；朱俊高等[10]利用實際采自4座不同土石壩的不同粒徑的粗粒土進(jìn)行浸水飽和時間試驗研究，分析吸水率與吸水時間、粒徑、顆粒巖性等的關(guān)系，但并未考慮真實的有壓環(huán)境；楊寶全等[11]通過對錦屏拱壩壩肩斷層物質(zhì)和軟弱巖體的強(qiáng)度參數(shù)分析后得出，水壓對黏聚力的影響較大，其雖考慮有壓環(huán)境但材料組分單一。與此同時，國內(nèi)許多學(xué)者開展了針對土石復(fù)合介質(zhì)在水平剪切條件下物理力學(xué)性能變化研究，油新華、李曉等[12-13]分別針對不同土石復(fù)合體進(jìn)行水平推剪試驗研究，得出了土石混合體的抗剪強(qiáng)度變化特性；徐文杰等[14-16]在考慮水環(huán)境作用的影響下對土石混合體進(jìn)行原位推剪試驗，得出不同環(huán)境下的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)；王江營等[17-20]在特定地槽內(nèi)分別針對土石復(fù)合體進(jìn)行正常條件、飽水浸泡、干濕循環(huán)作用下的土石混填地基水平推剪試驗研究，得到各試樣在不同條件下完整的破裂面、抗剪強(qiáng)度及推剪變形曲線。上述研究根據(jù)不同環(huán)境、不同條件下的推剪試驗確定了土石復(fù)合體的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)及變形特性，但均未將其與無損檢測響應(yīng)過程進(jìn)行關(guān)聯(lián)，無法對無損檢測提供數(shù)據(jù)支撐。

為獲得不同土石比結(jié)構(gòu)在受力破壞過程中的電阻率變化規(guī)律，本文分別對土石質(zhì)量比為4:6、5:5、7:3的復(fù)合介質(zhì)模型在不同環(huán)境下進(jìn)行水平推剪試驗，得到了不同模型在不同水環(huán)境中剪切時的電阻率變化規(guī)律及模型破壞時的電阻率。所得不同土石比模型在不同條件下的力-位移-電阻率變化規(guī)律特性可為土石壩、邊坡等結(jié)構(gòu)物在特定土石比下的電阻率檢測提供數(shù)據(jù)支撐。

2 試驗方法及步驟

2.1 試驗?zāi)康?/h3>

通過試驗研究不同土石質(zhì)量比模型在推剪破壞過程中力、位移及電阻率的響應(yīng)特征，揭示模型破壞規(guī)律的同時判定破裂面產(chǎn)生時的電阻率，為后續(xù)土石壩、邊坡等結(jié)構(gòu)物檢測提供判定依據(jù)。

2.2 試驗材料及模型制備

試驗材料選取濟(jì)南市長清區(qū)濟(jì)菏高速東側(cè)開挖的路基土，土體為黃褐色，最佳水的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為9.8%，最大密實度為2.01 g/cm3，山東省城鄉(xiāng)建設(shè)勘察院對周圍地質(zhì)勘查所做的土工報告中土體的具體參數(shù)見表1，石塊取自濟(jì)南R1線綜合管廊工程施工過程中油錘開挖的角礫(剔除大塊)，試驗巖石中各成分的質(zhì)量分?jǐn)?shù)見表2。

表1 試驗土體參數(shù)表

表2 試驗巖石中各礦物成分的質(zhì)量分?jǐn)?shù)%

制備土石質(zhì)量比分別為4:6、5:5、7:3的復(fù)合介質(zhì)，為保障電阻率響應(yīng)數(shù)據(jù)測試過程中的可靠性，在模型制備中對模型池的三面一底鋪4層絕緣塑料薄膜，分別將制備的復(fù)合材料在最佳含水率條件下分層填筑于3.0 m×1.5 m×1.5 m的兩個模型池內(nèi)，并逐層進(jìn)行夯實，保證每層填料的壓實度不低于95%，制作過程中在距離池底50 cm、100 cm，距離池前后50 cm處各安放一個壓力盒。

為防止推剪過程中模型池產(chǎn)生移動，加載前先在模型池前后端安裝地錨，然后在模型池前方順序安裝帶壓力表的水平千斤頂、鋼墊塊、帶肋鋼板，鋼板位于模型池底部1/3處，千斤頂著力墊塊位于帶肋鋼板的中間，位移計通過支架固定于帶肋鋼板上，直流電法儀銅棒電極按溫納布設(shè)方式打入模型池。為防止推剪過程中模型池前端土體剪脹產(chǎn)生過大橫向位移，在模型池前端橫向采用專用夾具夾住鋼絞線，將兩端池壁進(jìn)行固定。

2.3 試驗步驟

1)根據(jù)文獻(xiàn)[21]，試驗加載過程中首先關(guān)閉千斤頂回油閥，同時緩慢開啟送油閥使千斤頂頂頭逐漸接觸墊塊施加水平推剪力，通過送油閥控制加載速率,保持模型在30 s內(nèi)的變形量不超過3 mm，每min分別記錄千斤頂壓力表、剪力盒及電法儀讀數(shù)。完成后繼續(xù)進(jìn)行下一級加載，直至壓力表讀數(shù)開始下降，此時的讀數(shù)為最大水平推剪力Pmax，后緩慢開啟回油閥降低加載推力，稍作穩(wěn)定后關(guān)閉回油閥繼續(xù)對模型加載，直至壓力表讀數(shù)開始降低，此時的讀數(shù)記為Pmin，關(guān)閉送油閥并開啟回油閥，使頂頭回縮，停止推剪。

2)浸水條件采用自來水噴灑，噴灑速度基本保持1 000 mL/min，每灑30 min靜置30 min，全部灑完后靜置24 h，灑水總量通過擊實試驗及模型總體壓實度95%達(dá)到飽和時予以確定。

3 試驗結(jié)果分析

3.1 土石質(zhì)量比4:6模型

土石質(zhì)量比4:6模型推剪過程試驗結(jié)果如表3、4所示。

表3 土石質(zhì)量比4:6正常條件下推剪過程試驗結(jié)果

表4 土石質(zhì)量比4:6浸水條件下推剪過程試驗結(jié)果

由表3可知：隨水平推剪力增大，模型原有的孔隙結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，從而引起土體導(dǎo)電率發(fā)生改變，模型電阻率迅速減少，由85.056 9 Ω·m降低至68.312 1 Ω·m，降低率達(dá)20%，后趨于穩(wěn)定，穩(wěn)定段電阻率在71.0 Ω·m左右；隨著推剪力進(jìn)一步加大，電阻率開始震蕩上升。這是因為：模型在初始階段由于內(nèi)部土石顆粒間存有孔隙而并未完全密實，形成由固體顆粒、液體及氣體共同組成的三相復(fù)合結(jié)構(gòu)[22]，該結(jié)構(gòu)在受剪過程中固體顆粒逐漸咬合密實，同時三相體中的高阻氣相體被密實的骨架顆粒擠出導(dǎo)致模型的導(dǎo)電結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，由于固體顆粒的導(dǎo)電性能遠(yuǎn)大于高阻氣體，因此開始受剪階段模型電阻率急劇下降。隨著剪力增大至模型破裂面產(chǎn)生過程中，模型的基本導(dǎo)電結(jié)構(gòu)未發(fā)生根本變化，因此電阻率出現(xiàn)動穩(wěn)定過程。隨推剪力的進(jìn)一步加大，模型開始出現(xiàn)破裂，豎直方向上逐漸出現(xiàn)土體隆起，導(dǎo)致模型內(nèi)部孔隙變大，此時導(dǎo)電結(jié)構(gòu)始終處于變化過程中，但總體趨勢為震蕩上升。

由表4可知：由于浸水的影響，模型初始電阻率較正常條件低。推剪過程使模型導(dǎo)電體密實，從而使電阻率由61.283 5 Ω·m降至45.215 9 Ω·m，降低率約27%，后又逐漸上升至51.991 7 Ω·m；隨著推剪力進(jìn)一步加大，模型電阻率逐漸減小至45.318 4 Ω·m后急劇上升，由此可推知模型出現(xiàn)破壞面。相比于正常條件下電阻率變化，模型在浸水后受剪過程中并未出現(xiàn)電阻率動穩(wěn)定段，其電阻率變化過程更為復(fù)雜，且模型受剪破壞過程中水平位移較正常條件大。這是因為：在加載的初始階段，由于模型孔隙率減少導(dǎo)致其內(nèi)部導(dǎo)電結(jié)構(gòu)產(chǎn)生變化，電阻率減少；隨著推剪力的加大，吸附于固體顆粒上的水分子在剪力作用下被剝離排出，水體的導(dǎo)電性能優(yōu)于骨架顆粒，水分子減少導(dǎo)致模型電阻率增大。由于石塊的骨架效應(yīng)明顯，導(dǎo)致模型內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)復(fù)雜，推剪過程中原本未進(jìn)水的孔隙在壓力作用下形成水體貫通通道，導(dǎo)致模型電阻率進(jìn)一步降低，直至最后形成破裂面，此時土石體隆起后形成新的含高阻氣相的孔隙結(jié)構(gòu)，模型電阻率急劇上升。浸水條件下使水的潤滑作用更加明顯，推剪過程中顆粒間摩阻減少，從而導(dǎo)致模型破壞過程中水平位移增大。

3.2 土石質(zhì)量比5:5模型

土石質(zhì)量比5:5模型在不同條件下的試驗結(jié)果見表5、6。

表5 土石質(zhì)量比5:5模型正常條件下的試驗結(jié)果

1)由表5可知，與土石質(zhì)量比4:6模型相比，土石質(zhì)量比5:5模型的初始電阻率降低，為79.379 4 Ω·m。加載過程中，模型在水平推剪力作用下，電阻率不斷變化，大致經(jīng)歷下降 -震蕩 -上升3個階段，與土石質(zhì)量比4:6模型相比，土石質(zhì)量比5:5模型加載過程中電阻率的穩(wěn)定過程并不明顯，模型破壞時的總體水平位移減少，當(dāng)千斤頂加載至0.69 MPa時電阻率開始出現(xiàn)波動，電阻率至63.722 6 Ω·m后開始迅速上升，由此可推斷模型形成貫通破裂面，此時模型電阻率總體變化率為19.8%。原因為：隨著模型土石質(zhì)量比增大，模型內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)相對簡單，顆粒之間咬合程度高，加載初始階段電阻率隨壓力增大而減小的幅度變小。由于骨架石塊含量降低導(dǎo)致模型抗剪能力降低，結(jié)構(gòu)內(nèi)部在剪切力作用下的穩(wěn)定性變?nèi)?，因此未出現(xiàn)電阻率穩(wěn)定過程，說明其內(nèi)部結(jié)構(gòu)在推剪力作用下始終處于變化狀態(tài)。

表6 土石質(zhì)量比5:5浸水條件下的試驗結(jié)果

2)由表6可知，與土石質(zhì)量比4:6模型相比，土石質(zhì)量比5:5模型的初始電阻率降低至57.313 6 Ω·m，加載初期，電阻率迅速降低至約45.773 6 Ω·m后電阻率出現(xiàn)震蕩上升，但變化幅度很小，繼續(xù)加載至0.69 MPa時模型電阻率為48.623 5 Ω·m，后電阻率開始迅速上升，據(jù)此可判斷模型出現(xiàn)貫通剪切面，此時，電阻率總體變化率為15.2%。與土石質(zhì)量比4:6模型相比，土石質(zhì)量比5:5模型破壞時水平位移減小。原因為：加載初期孔隙水在水平推剪力作用下進(jìn)入原本未浸水的孔隙，從而導(dǎo)致導(dǎo)電結(jié)構(gòu)相對簡單，電阻率進(jìn)一步趨近于水的電阻率。隨著推剪力的增大，原本吸附性不強(qiáng)的導(dǎo)電性水分子在壓力作用下釋出，電阻率緩慢增大，形成破壞面后高阻氣體侵入改變了原有的導(dǎo)電結(jié)構(gòu)，電阻率迅速增大。

3.3 土石質(zhì)量比7:3模型

土石質(zhì)量比7:3模型在不同條件下的試驗結(jié)果見表7、8。

表7 土石質(zhì)量比7:3正常條件下的試驗結(jié)果

1)由表7可知，土石質(zhì)量比7:3模型在正常條件下的初始電阻率進(jìn)一步降低為70.879 2 Ω·m，隨著加載進(jìn)行，模型內(nèi)部電阻率逐步降低至59.242 7 Ω·m，此后電阻率出現(xiàn)持續(xù)上升，電阻率總體變化率為16.5%。原因是：隨著土石質(zhì)量比增大，模型內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)更趨簡單，推剪過程中孔隙進(jìn)一步密實使電阻率逐漸降低，但孔隙變化率不大導(dǎo)致電阻率變化率亦較小，隨著剪切力進(jìn)一步增大，模型內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)改變導(dǎo)致導(dǎo)電模式不斷變化，因此模型內(nèi)部電阻率出現(xiàn)大范圍波動，至模型出現(xiàn)破壞裂縫后電阻率開始迅速上升。

表8 土石質(zhì)量比7:3浸水條件下的試驗數(shù)據(jù)

2)由表8可知，土石質(zhì)量比7:3模型在浸水條件下的初始電阻率也進(jìn)一步降低，為50.743 5 Ω·m，與土石質(zhì)量比4:6和5:5兩種模型相比，加載過程中其電阻率呈現(xiàn)先增大、后降低、再波動的變化趨勢，降低至42.161 4 Ω·m時模型電阻率開始迅速上升，推斷模型貫通破裂，此時模型電阻率總體變化率為16.8%。原因是：土石質(zhì)量比7:3模型由于其組分簡單導(dǎo)致模型內(nèi)部導(dǎo)電結(jié)構(gòu)簡單，在浸水條件下電阻率變化過程較之前兩種更趨簡單，加載初期隨著壓力增大原吸附于土顆粒的水分子會出現(xiàn)剝離，導(dǎo)致模型含水率降低，電阻率增大；隨著荷載進(jìn)一步加大，原內(nèi)部密實的土顆粒逐漸吸附一部分因壓力而產(chǎn)生集聚的水體，導(dǎo)致模型導(dǎo)電結(jié)構(gòu)又產(chǎn)生變化，電阻率降低，當(dāng)結(jié)構(gòu)臨近破壞電阻率又出現(xiàn)波動，直至模型破壞導(dǎo)致電阻率迅速增大。

4 結(jié)論

1)隨著土石質(zhì)量比的增大，相同條件下土石復(fù)合介質(zhì)的初始電阻率減小，由于塊石的骨架效應(yīng)，正常條件下土石質(zhì)量比小的模型其內(nèi)部結(jié)構(gòu)穩(wěn)定度高，電阻率響應(yīng)過程中存在顯著的動穩(wěn)定階段；

2)不同土石質(zhì)量比模型在相同條件剪切破壞過程中，電阻率呈現(xiàn)先減小，后緩變，至模型破壞前夕震蕩變化，破壞后迅速增大的變化規(guī)律，且變化過程中隨著土石比增大，模型破壞時電阻率降低幅度變小。

以上研究結(jié)論可為有壓土石壩高邊坡及高速公路改、擴(kuò)建工程中土石路基邊坡穩(wěn)定性監(jiān)測提供數(shù)據(jù)參考。