新近系砂質(zhì)黏土導(dǎo)電特性研究

楊銘斐，宋錦虎，王希斌，袁延召

(1.河南城建學(xué)院 土木與交通工程學(xué)院，河南 平頂山市 467036；2.中國平煤神馬集團(tuán)鐵路運(yùn)輸處，河南 平頂山市 467000)

新近系的沉積層屬于巖石-土的過渡性巖土體，即“半成巖”。它的性質(zhì)復(fù)雜多變，是一類容易產(chǎn)生工程地質(zhì)問題的巖土體[1-2]。深部工程活動(dòng)中，會(huì)對此類巖土體產(chǎn)生擾動(dòng)破壞，其變形破壞過程存在多種物理力學(xué)指標(biāo)響應(yīng)。其中，電阻率的變化是一項(xiàng)重要參數(shù)。研究荷載作用下新近系砂質(zhì)黏土樣的電阻率變化規(guī)律，有助于通過電阻率這一物理指標(biāo)對工程中巖土體變形破壞階段進(jìn)行判別。

為獲取巖土體在工程活動(dòng)中電阻率的變化特征，國內(nèi)學(xué)者對巖土體的電阻率特征進(jìn)行了一系列研究。王恩元[3]對受載煤體的全應(yīng)力-應(yīng)變過程電阻率變化規(guī)律進(jìn)行了測試，通過對采掘空間煤體電阻率進(jìn)行連續(xù)監(jiān)測，可將電阻率變化規(guī)律作為前兆信息，對煤巖變形災(zāi)害進(jìn)行監(jiān)測；饒平平[4]通過室內(nèi)試驗(yàn)測出膨脹土與紅黏土在不同溫度、含水量條件下的電阻率變化情況，得出土體的電阻率變化存在臨界值的結(jié)論；查甫生、劉松玉等[5-7]通過合肥膨脹土吸水膨脹試驗(yàn)以及膨脹過程中的同步電阻率測試，得出該方法具有連續(xù)性、快捷性與測試簡便等優(yōu)點(diǎn)，可有效應(yīng)用于土的微結(jié)構(gòu)變化定量研究；蔣建平、閻長虹等[8]通過室內(nèi)電阻率試驗(yàn)和土工試驗(yàn)，對長江下游蘇州-南通長江公路大橋地基中深厚軟土電阻率特征及其與物理力學(xué)參數(shù)的相關(guān)關(guān)系進(jìn)行了研究；付偉、汪稔等[9-10]為了研究青藏鐵路路基在荷載作用下的力學(xué)行為，探索新型手段快速準(zhǔn)確地估計(jì)凍土的單軸抗壓強(qiáng)度參數(shù)，在室內(nèi)進(jìn)行了不同溫度的凍土單軸壓縮試驗(yàn)，并全過程監(jiān)測土樣電阻率的變化，得到了凍土的應(yīng)力-應(yīng)變-電阻率全過程曲線。

上述文獻(xiàn)對于巖土體電阻率的研究大多是靜態(tài)的特定工程土樣或室內(nèi)重塑土樣，通過電阻變化反應(yīng)巖土體變形、破壞等結(jié)構(gòu)變化特征在方法上、理論上都較少。而工程活動(dòng)中巖土體常常處于動(dòng)態(tài)環(huán)境中，尤其是深部地下工程活動(dòng)，對其宏觀破壞失穩(wěn)的監(jiān)測和預(yù)測往往是工程安全的關(guān)鍵。本文通過自建電阻率測試系統(tǒng)，測試分析新近系“半成巖”沉積層砂質(zhì)黏土原狀土樣在應(yīng)力-應(yīng)變?nèi)^程中電阻率的變化規(guī)律及突變點(diǎn)的響應(yīng)機(jī)制，總結(jié)受荷作用下原狀土樣破壞不同階段對應(yīng)的電阻率變化規(guī)律，為通過電阻率監(jiān)測并反映工程活動(dòng)中此類土失穩(wěn)破壞規(guī)律奠定基礎(chǔ)。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)由連續(xù)加載裝置、變形采集元件和電阻率測試系統(tǒng)三部分組成，如圖1所示。通過WES-D1000型電液壓伺服萬能試驗(yàn)機(jī)控制和監(jiān)測應(yīng)力-應(yīng)變過程，采用SYSCAL-R2直流電法儀和改進(jìn)電極記錄試樣的導(dǎo)電性變化過程。

圖1 無側(cè)限單軸壓縮試驗(yàn)電阻率測試裝置

1.2 實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備

土中的水與土顆粒接觸形成固-液導(dǎo)電通道，孔隙水形成孔隙水導(dǎo)電通道，這兩種方式都是土體導(dǎo)電的主要方式和途徑，因此土的含水量大小很大程度上主導(dǎo)了土的導(dǎo)電性能。通過制備黏粒含量30%(300目膨潤土)、擊實(shí)次數(shù)N=20、含水率w分別為6%、7.5%、9%、10.5%、12%、13.5%、15%的7組標(biāo)準(zhǔn)重塑土樣，通過電阻率測試可繪制ρ-ω曲線，如圖2所示。

圖2 靜態(tài)電阻率測試和重塑土樣ρ-ω曲線

實(shí)驗(yàn)所需土樣取自泉店煤礦場地，取3組不同埋深的砂質(zhì)黏土原狀土樣，拆封后使用巖樣切割機(jī)切割成設(shè)計(jì)長度，用紗布磨平兩端，使試樣端面光滑、平整，保證受壓時(shí)接觸良好。土樣制成后立即密封放入保濕缸中備用。3組土樣的各項(xiàng)指標(biāo)見表1。

表1 土樣參數(shù)

3組原狀土樣含水量不同，靜態(tài)電阻率測試的電阻率大小也不同。通過連續(xù)測試原狀土樣受荷破壞過程，在原含水條件下分析總結(jié)土樣電阻率變化與破壞階段的對應(yīng)關(guān)系，是實(shí)驗(yàn)研究的重點(diǎn)。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 導(dǎo)電性-應(yīng)變關(guān)系

3組取自不同埋深砂質(zhì)黏土試樣的電阻率-軸向應(yīng)變關(guān)系曲線如圖3所示。由圖3可知，3組砂質(zhì)黏土樣的電阻率隨土樣軸向應(yīng)變增大整體呈上升趨勢。

具體過程可分為三個(gè)階段：土樣處于壓密、彈性階段，此時(shí)土體結(jié)構(gòu)未破壞，孔隙中氣體受擠壓被排出，電阻率降低；土樣開始進(jìn)入塑性變形階段，土樣表面出現(xiàn)裂隙，結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞，與此對應(yīng)，該階段電阻率開始增大，導(dǎo)電性降低；土樣進(jìn)入屈服階段，試樣表面出現(xiàn)裂隙，結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞，該階段電阻率升高，導(dǎo)電性下降。其中，N3號(hào)土樣ρ-ε曲線在應(yīng)變達(dá)到1%時(shí)電阻率升高，但隨后電阻率又再次減小，由于N3號(hào)土樣前期整體未進(jìn)入屈服階段前，局部發(fā)生了短暫的塑性變形，因此ρ-ε曲線表現(xiàn)為曲折上升狀態(tài)。

圖3 電阻率-軸向應(yīng)變關(guān)系曲線

2.2 荷載作用下電阻率特征曲線變化規(guī)律分析

該土樣無側(cè)限單軸受壓過程可劃分為三個(gè)變形階段：壓密階段、彈-塑性變形階段、屈服階段。三個(gè)階段中，原狀土樣結(jié)構(gòu)不斷發(fā)生變化，節(jié)理裂隙可能會(huì)張開、閉合、彎曲 、截?cái)唷⑦B通等，使導(dǎo)電通路發(fā)生變化，從而轉(zhuǎn)化為電阻率的變化，由此可建立應(yīng)力-應(yīng)變-電阻率的對應(yīng)關(guān)系，如圖4所示。

圖4 應(yīng)力、應(yīng)變與電阻率關(guān)系曲線

(1)壓密階段OA，土樣的變形以壓密為主。原狀土樣內(nèi)部原始發(fā)育的微裂隙、微孔隙在持續(xù)的壓力作用下發(fā)生閉合。此階段內(nèi)電阻率的變化與土樣的壓密程度和初始含水量有關(guān)。3組土樣OA段電阻率隨土樣壓密程度的增大呈降低趨勢，并最終達(dá)到最小電阻率T1。

(2)彈性-塑性變形階段AC，即初始破壞階段，前期的持續(xù)壓密和彈性變形后期會(huì)出現(xiàn)小規(guī)模的裂隙，電阻率開始增大，但基本不破壞土樣的結(jié)構(gòu)，此階段電阻率整體較為平穩(wěn)。N3號(hào)、N1號(hào)土樣AC段電阻率都無較大變化，T1點(diǎn)后，T2點(diǎn)出現(xiàn)前電阻率小幅度升高主要由于破壞裂隙初現(xiàn)。N2土樣電阻率在T1點(diǎn)后陡升，主要是因?yàn)橥翗雍枯^低，在未出現(xiàn)主裂隙面和未達(dá)到強(qiáng)度峰值前，土樣表面即發(fā)生較為嚴(yán)重的破裂、掉塊現(xiàn)象。

(3)屈服階段CD，隨著微小裂隙的進(jìn)一步發(fā)展，微裂隙的相互作用增強(qiáng)以致最終貫通，形成一條貫穿土樣的主裂隙，體積增大。該階段土樣變形急劇加速，若破裂位置含水量較高，能夠形成裂隙水連通通道則電阻率陡降；若未發(fā)生水連通則導(dǎo)電性因孔隙氣體的隔斷而不良，電阻率陡升。本次試驗(yàn)N1、N2、N3號(hào)土樣均表現(xiàn)為電阻率陡升，對應(yīng)突變點(diǎn)為T2，此時(shí)土樣主裂隙、屈服點(diǎn)出現(xiàn)，因此該階段電阻率的陡升與土體的裂隙發(fā)展和擴(kuò)容現(xiàn)象關(guān)系密切，若利用電阻率陡變點(diǎn)判斷屈服點(diǎn)，具有一定的可行性[11-13]。

根據(jù)討論分析可知，在應(yīng)力-應(yīng)變過程中土樣的電阻率變化存在兩個(gè)突變點(diǎn)，分別為T1、T2。T1點(diǎn)為電阻率值的最低點(diǎn)，此時(shí)土體壓密到最大程度，原有的微裂隙、微孔隙閉合，且土樣未發(fā)生任何破壞，T1點(diǎn)后土樣進(jìn)入彈-塑性變形階段，開始出現(xiàn)小的裂隙，并逐漸擴(kuò)展，電阻率上升，但土樣并未完全破壞，主裂隙面未形成；T2點(diǎn)電阻率再次上升，土樣達(dá)到峰值強(qiáng)度，主裂隙面形成。

2.3 變形破壞過程中裂隙發(fā)育與電阻率關(guān)系

土樣達(dá)到強(qiáng)度峰值后裂隙持續(xù)發(fā)育最終形成一條傾斜貫穿整體的主裂隙，主裂隙附近伴生許多小微裂隙，土樣裂隙體積V顯著增大，土樣橫向膨脹，電阻率陡升。試樣受壓破壞后形成的貫穿裂隙見圖5、圖6。

在土樣壓縮變形的初期壓密階段OA，土樣內(nèi)部微孔隙閉合，如圖6(a)所示；彈性-塑性變形階段AC，出現(xiàn)小規(guī)模破裂，并伴隨土樣頂端受壓面局部破碎掉渣，如圖6(b)所示；屈服階段CD，裂隙進(jìn)一步發(fā)展，方向與最大主應(yīng)力作用面有一定夾角，且貫通土樣，如圖6(c)所示。

根據(jù)應(yīng)變、電阻率關(guān)系曲線可以劃分土樣變形破壞的各個(gè)階段，如圖7所示。

圖5 三組土樣主裂隙發(fā)育圖

圖6 土樣變形破壞模式

圖7 裂隙發(fā)育階段-電阻率關(guān)系

3 結(jié)論

通過無側(cè)限單軸受壓過程試驗(yàn)，測試了新近系砂質(zhì)黏土受壓作用下變形破壞過程的電阻率變化特點(diǎn)，建立了荷載作用下應(yīng)力-應(yīng)變-電阻率的對應(yīng)關(guān)系，結(jié)論如下：

(1)原狀土無側(cè)限單軸壓縮試驗(yàn)過程中，ρ-ε曲線具有階段性，應(yīng)變增大初期電阻率變化較小，并主要表現(xiàn)為稍降趨勢；應(yīng)變增大中后期電阻率變化較大，主要表現(xiàn)為上升趨勢，并在土樣進(jìn)入屈服階段后陡升。

(2)由3組原狀土樣應(yīng)力-應(yīng)變與電阻率關(guān)系曲線可知，電阻率的變化和土樣壓縮階段有對應(yīng)關(guān)系。壓密階段OA，電阻率呈現(xiàn)降低的趨勢，但變化不大；彈性-塑性變形階段AC電阻率整體較為平穩(wěn)；屈服階段CD電阻率的陡升，對應(yīng)突變點(diǎn)為T1、T2，T1為電阻率最低點(diǎn)，預(yù)示壓密階段結(jié)束，T2為屈服點(diǎn)，預(yù)示到達(dá)峰值強(qiáng)度及破裂面形成。

(3)根據(jù)原狀土樣變形破壞特征繪制了變形破壞模式圖，并建立了裂隙發(fā)育階段-電阻率對應(yīng)關(guān)系，為工程活動(dòng)中土體破壞階段的監(jiān)測判別提供依據(jù)。利用受擾動(dòng)土體的這一物理參數(shù)的變化對土體失穩(wěn)破壞進(jìn)行監(jiān)測和預(yù)報(bào)。