基于電測(cè)法的路基土物理性質(zhì)室內(nèi)測(cè)試方法研究*

李瑞珂 車愛(ài)蘭 馮少孔

(上海交通大學(xué)，船舶海洋與建筑工程學(xué)院， 上海 200240， 中國(guó))

0 引 言

表征土體導(dǎo)電性能的電參數(shù)是研究其物理力學(xué)性質(zhì)、金屬污染、含水率測(cè)定、水分遷移規(guī)律、堤壩滲漏、震兆異常、高放廢物處置等的重要參數(shù)(金名惠等， 2001； 底青云等， 2002； Giao et al.， 2003； 蔣建平等， 2007； 繆林昌等， 2007； 查甫生等， 2011； 蔡國(guó)軍等， 2012； 高曙德等， 2017; 袁廣祥等， 2018)。目前，針對(duì)電測(cè)量法，Islam et al.(2012)所做的相關(guān)巖土工程勘察研究表明，電信號(hào)可進(jìn)行壓實(shí)土壤中電阻率和干密度的數(shù)學(xué)關(guān)系分析，電導(dǎo)率在監(jiān)測(cè)壓實(shí)土壤在公路路堤、土壩和許多其他工程結(jié)構(gòu)的施工中起著重要作用。劉志彬等(2013)在室內(nèi)進(jìn)行的擾動(dòng)土樣不同水泥配比的水泥土樣的電阻率與無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度的測(cè)試表明了水泥土電阻率與水泥含量及無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度呈線性關(guān)系，可用于施工質(zhì)量檢測(cè)。葉萌等(2015)通過(guò)對(duì)土壤的電阻率與土的類型、溫度、含水率、pH 值以及重金屬濃度等的室內(nèi)試驗(yàn)研究，得到了電阻率與其相關(guān)關(guān)系及變化趨勢(shì)，為電阻率法作為重金屬污染場(chǎng)地的快速診斷方法提供理論依據(jù)。 Juandi et al.(2017)基于電測(cè)量提出了一種測(cè)量地下水補(bǔ)給率的新方法，建立了土壤電阻率與滲透率的關(guān)系，確定了電阻率與磁導(dǎo)率的函數(shù)關(guān)系，得到了賓夕法尼亞某行政區(qū)域最高年度補(bǔ)給率。底青云等(2018)將高密度電阻率法及M-TEM法進(jìn)行對(duì)比總結(jié)，對(duì)電法勘探在雄安新區(qū)的應(yīng)用作了展望。吳文鑫等(2019)研究了石墨烯智能混凝土電阻率與損傷之間的關(guān)系，通過(guò)電阻率的變化反映混凝土的損傷程度，并將損傷與電阻率進(jìn)行對(duì)比，最終得到混凝土損傷與電阻率之間的關(guān)系。由于電測(cè)量法實(shí)時(shí)、無(wú)損、效率高等優(yōu)勢(shì)，至今，已有眾多國(guó)內(nèi)外學(xué)者將電測(cè)量法引入土木工程中。

在往復(fù)的干濕循環(huán)、凍融循環(huán)及毛細(xì)水上升等作用下，路基土在長(zhǎng)期服役過(guò)程中性能會(huì)發(fā)生衰變，其強(qiáng)度和抗變形能力下降，路基結(jié)構(gòu)發(fā)生不可恢復(fù)的永久變形，且一旦發(fā)生破壞，其維修和養(yǎng)護(hù)的難度要遠(yuǎn)大于其他結(jié)構(gòu)破壞，往往帶來(lái)巨大的經(jīng)濟(jì)損失和安全隱患。含水率及壓實(shí)度是路基施工時(shí)的重要控制指標(biāo)，因此，土體的含水率控制及壓實(shí)質(zhì)量是關(guān)系路基性能評(píng)價(jià)的關(guān)鍵因素。路基屬于隱蔽工程，由于傳統(tǒng)的挖坑檢測(cè)方法破壞性大、效率較低、不連續(xù)，很難在服役公路路基性能檢測(cè)中進(jìn)行大規(guī)模的應(yīng)用。電測(cè)量法作為一種方便、快捷、無(wú)損且可連續(xù)的測(cè)試技術(shù)，已經(jīng)在巖土工程現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)領(lǐng)域越來(lái)越受到重視(董曉強(qiáng)等， 2011)。研究表明，土的電阻率與其物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)間存在良好的相關(guān)關(guān)系，可有效用于土的工程性質(zhì)評(píng)價(jià)(王協(xié)群等， 2011； Shinn et al.， 2015)。土壤電阻率與飽和度、金屬離子濃度、溫度等多種因素有關(guān)，在其他因素不變或相對(duì)穩(wěn)定的條件下，可通過(guò)量測(cè)土體電阻率來(lái)間接量測(cè)某單一物理特性的分布和變化(聶艷俠等， 2016)。目前，針對(duì)土體物理參數(shù)與電阻率關(guān)系作定性分析的介紹很多，而極化率關(guān)系及定量分析的介紹較少。因此，可通過(guò)室內(nèi)研究某一種路基土電參數(shù)(電阻率、極化率)與物理特性定量關(guān)系，基于擬合關(guān)系式，量測(cè)路基內(nèi)部土體電參數(shù)分布變化，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)其工程性質(zhì)實(shí)時(shí)和定量分析。

常用的土樣室內(nèi)電測(cè)量方法有兩種：二相電極法和四相電極法。繆林昌等(2001)研究表明，如果直流電阻率遠(yuǎn)比交流電阻率高，試驗(yàn)結(jié)果將無(wú)法反映土樣的真實(shí)電阻率。劉松玉等(2006)、周蜜等(2011)研究表明，土體二極法測(cè)量得到的電阻率測(cè)量結(jié)果包含了土體與端面電極的接觸電阻，導(dǎo)致測(cè)量結(jié)果偏大，對(duì)于含水率較低的土壤，這種現(xiàn)象尤其明顯，且結(jié)果不易于修正。但由于四極法相較于二極法測(cè)試方法復(fù)雜，且在裝置內(nèi)安插金屬環(huán)或銅棒、探針時(shí)，會(huì)不可避免地?cái)_動(dòng)土樣，所以目前對(duì)于四極法測(cè)試土體電參數(shù)的室內(nèi)試驗(yàn)研究甚少。

鑒于此，本文在四極電測(cè)量法基礎(chǔ)上，研發(fā)了一種土體物理參數(shù)室內(nèi)快速測(cè)試裝置，取用3種路基土，開(kāi)展了針對(duì)不同含水率、壓實(shí)度的土體電參數(shù)室內(nèi)快速測(cè)試方法研究。在取用土樣假設(shè)為均勻性土的基礎(chǔ)上，主要考慮其含水率變化對(duì)電阻率、極化率的影響，同時(shí)探討了壓實(shí)度的影響，得到了其相關(guān)關(guān)系及變化趨勢(shì)，擬合了計(jì)算公式，并通過(guò)層狀不均質(zhì)土體物理參數(shù)測(cè)試分析，對(duì)比烘干法結(jié)果，探討了四極電測(cè)法的可行性。研究成果旨在為路基土的工程性質(zhì)檢測(cè)及評(píng)價(jià)提供理論基礎(chǔ)。

1 測(cè)試方法

1.1 試驗(yàn)方法

本文提出的四相電極法并結(jié)合自主研發(fā)的測(cè)試裝置相較于現(xiàn)有的試驗(yàn)設(shè)備，不僅排除了二相電極法裝置電極與土樣間接觸條件影響較大的不利因素，且自主研發(fā)裝置避免了現(xiàn)有四極法裝置對(duì)土樣擾動(dòng)影響，并透過(guò)管壁透水孔改變土樣含水率提高了其水分均勻性，直接稱量增重可得到準(zhǔn)確含水率變量，裝置外部可直接量測(cè)銅片電極間距，使得該方法更能夠?qū)崿F(xiàn)土體電參數(shù)隨含水率變化的快速、便捷、準(zhǔn)確測(cè)量。

土體是由土顆粒、孔隙水、氣體組成的三相復(fù)合體系，影響其電阻率的因素很多，包括： ①與土的結(jié)構(gòu)有關(guān)的因素，包括孔隙率和土的結(jié)構(gòu)； ②表征土顆粒特征的因素，包括土顆粒形狀與方位、陰陽(yáng)離子交換能力等； ③與土溶液有關(guān)因素，隨外界環(huán)境條件變化而改變，包括含水率、孔隙水中陰陽(yáng)離子組成及溫度變化(查甫生等， 2007)。影響其極化率的因素亦有很多，包括： ①與孔隙水有關(guān)的因素，例如含水率、孔隙溶液離子成分及濃度； ②與土結(jié)構(gòu)有關(guān)的因素，例如粒度、滲透性及壓實(shí)度。兩者主要影響因素可以概括為土體的含水率、礦物成分、孔隙溶液離子濃度及溫度等(賀紹英， 1979)。

四極法測(cè)量時(shí)，土樣電阻值為處于電極M、N之間的圓柱狀體的土樣電阻。在A、B之間引入電流IAB，測(cè)量通過(guò)相距L的電極M、N之間電壓UMN，以UMN/IAB作為電阻值，設(shè)電流通過(guò)試樣的橫截面積為S，被測(cè)土樣電阻率ρ為：

(1)

式(1)中，S為試樣的橫截面積；UMN為電極M、N之間電壓；L為電極M、N之間的距離；IAB為電極A、B之間電流。

目前，國(guó)內(nèi)、外對(duì)電子導(dǎo)體(包括大多數(shù)金屬礦和石墨及礦化巖石)的激發(fā)極化機(jī)理問(wèn)題，意見(jiàn)比較一致，一般認(rèn)為是由于電子導(dǎo)體與其周圍溶液的界面上發(fā)生過(guò)電位的結(jié)果(李金銘， 2005)。電位差隨時(shí)間的變化，是由于激發(fā)極化產(chǎn)生的二次電位差U1在供電后從0開(kāi)始逐漸變大(充電過(guò)程)及斷電延時(shí)后二次電位差U2逐漸衰減到0(放電過(guò)程)的結(jié)果。極化率是指表征極化介質(zhì)激電性質(zhì)的一種電參數(shù)，具體是指斷電延時(shí)后二次電位差U2與激發(fā)極化產(chǎn)生的二次電位差U1之比的百分?jǐn)?shù)。在誤差觀測(cè)范圍內(nèi)(<10%)，U2與電流I呈正比且與供電方向無(wú)關(guān)。劉永東等(2016)綜合應(yīng)用電阻率和極化率法，通過(guò)多個(gè)實(shí)例驗(yàn)證了這兩個(gè)參數(shù)在工程地質(zhì)勘探中的良好效果。為此引入極化率η作為參數(shù)，計(jì)算公式為：

(2)

式(2)中，U1為激發(fā)極化產(chǎn)生的二次電位差；U2為斷電延時(shí)后產(chǎn)生的二次電位差。

1.2 試驗(yàn)系統(tǒng)及設(shè)備

試驗(yàn)系統(tǒng)包含兩部分：土樣成型系統(tǒng)及電法數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。測(cè)試采用自主研發(fā)的四極法測(cè)試裝置，整體由管壁打孔、透明且絕緣的亞克力有機(jī)玻璃管制成。

測(cè)試方法主要考慮以下幾點(diǎn)：管壁打孔易于控制水分均勻性； 絕緣土樣管易于含水率測(cè)定； 管長(zhǎng)應(yīng)使得測(cè)試電極處在穩(wěn)定電流場(chǎng)中，為直徑的10～20倍； 有機(jī)管透明便于土樣裝管后由外部測(cè)得電極間距； 電極應(yīng)有良好導(dǎo)電性且具有一定強(qiáng)度； 孔徑大小不宜使土顆粒流出且宜使水分進(jìn)入。本次試驗(yàn)管長(zhǎng)L=500imm，外徑D=50imm。測(cè)試管兩端電極A、B為電流極，中間兩電極M、N為電壓極，為便于計(jì)算，距離LMN≈170imm，待分層擊實(shí)土樣裝管后可由外部測(cè)得。本次試驗(yàn)A、B、M、N電極均由厚度為1imm的薄銅片制成，銅片直徑約為管內(nèi)徑d=46imm，導(dǎo)線與每片銅片焊接，導(dǎo)線的兩端分別從土樣電測(cè)量測(cè)試管的兩端穿入、與土樣成型管電極A、B連接； 在A、B銅片上設(shè)有導(dǎo)線孔，與M、N銅片相連接的導(dǎo)線的兩端分別從土樣電測(cè)量測(cè)試管的兩端穿入并穿過(guò)A、B銅片上的導(dǎo)線孔。亞克力管壁打浸水孔，遵循均勻分布原則，本次試驗(yàn)打孔周向間隔l1=10imm，軸向間隔l2=20imm，孔直徑為d0=2imm。測(cè)試系統(tǒng)示意圖如圖1所示。

圖1 測(cè)試系統(tǒng)示意圖Fig. 1 The sketch of test system

1.3 試驗(yàn)方案

本試驗(yàn)所用土樣取自天津王慶坨地區(qū)路基壤土。壤土在我國(guó)華北地區(qū)較為常見(jiàn)，其中粉粒含量占絕對(duì)優(yōu)勢(shì)，占83.5%以上，粗粒和黏粒含量較少，分別占9%、7.5%。砂粒易透水，無(wú)黏性； 粉粒透水性小，濕時(shí)稍有黏性； 黏粒濕時(shí)有黏性可塑性。室內(nèi)試驗(yàn)測(cè)得其天然含水率21.9%，濕密度1.94g·cm-3，干密度1.50g·cm-3，飽和度48.6%，孔隙比0.813，液性指數(shù)0.40，泊松比0.3，黏聚力15ikPa，內(nèi)摩擦角16.0°。

土樣在待測(cè)前經(jīng)過(guò)風(fēng)干、烘干、磨細(xì)等制備過(guò)程。首先取部分制備好土樣按照《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50123-1999)測(cè)出其最大干密度。稱量測(cè)試管，再將制備好的土樣分層擊實(shí)置于測(cè)試管內(nèi)，再次稱量得到裝入土樣質(zhì)量并得到干密度，干密度與最大干密度之比得到壓實(shí)度。模型示意圖如圖2所示。

圖2 模型示意圖Fig. 2 The sketch of soil model

測(cè)試項(xiàng)目應(yīng)排除水中陰陽(yáng)離子組成、溫度、顆粒礦物成分的影響。為避免水中陰陽(yáng)離子對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響，試驗(yàn)中均使用去離子純凈水。試驗(yàn)過(guò)程中環(huán)境溫度保持在15±1i℃的狀態(tài)。改變管中完全烘干土樣含水率采用包裹濕毛巾或者海綿的方式，滾動(dòng)濕毛巾或者海綿，使水分均勻浸入管壁浸水孔中。另一方面，每次滾動(dòng)為固定圈數(shù)，然后擦拭管壁稱量浸入水中，得到土樣含水率。沿管軸線方向水平放置測(cè)試管，用浸透純凈水的濕毛巾包裹管勻力搓搟一定次數(shù)，使得水分均勻從管壁孔中進(jìn)入，然后靜置一定時(shí)間并在靜置期間定時(shí)翻轉(zhuǎn)，使水分均勻分布于土樣中。本次試驗(yàn)搓搟3次，成型管靜置12ih，靜置期間每隔2ih翻轉(zhuǎn)一次。為防止水分蒸發(fā)影響土樣含水率，在加水后應(yīng)用薄膜包裹土樣成型管，一般選用保鮮膜即可。試驗(yàn)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)如圖3所示。

圖3 試驗(yàn)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)Fig. 3 Test data acquisition system

依據(jù)我國(guó)《公路路基設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTG D30-2004)及《公路路基施工技術(shù)規(guī)范》(JTGF10-2006)所制定的標(biāo)準(zhǔn)，以含水率、壓實(shí)度為控制指標(biāo)，試驗(yàn)設(shè)置5種試驗(yàn)工況。按照土樣制備方法，每組測(cè)試管制成一種壓實(shí)度土樣，測(cè)得5組試驗(yàn)壓實(shí)度變化范圍84.47%～94.41%之間。測(cè)試管中含水率變化設(shè)置10組，范圍9%～32%左右(表1)。

表1 試驗(yàn)參數(shù)設(shè)置及統(tǒng)計(jì)Table 1 Test parameter setting and cases

2 均質(zhì)土體物理參數(shù)測(cè)試及分析

2.1 土體電阻率與物理參數(shù)關(guān)系分析

通過(guò)改變松散土體成型裝置內(nèi)土體的含水率，測(cè)量不同含水率土體的電壓電流，通過(guò)式(1)得到電阻率測(cè)試結(jié)果，將5組試驗(yàn)數(shù)據(jù)繪制圖表，結(jié)果如圖4所示。

圖4 電阻率與含水率、壓實(shí)度三軸數(shù)據(jù)圖Fig. 4 Three-axis data graph of resistivity and water content and compaction

由圖4可見(jiàn)，同一壓實(shí)度下，土體含水率與電阻率呈現(xiàn)良好相關(guān)性，含水率在8%～20%之間變化時(shí)，電阻率隨含水率增加而減小顯著，含水率在20%～30%之間變化時(shí)，電阻率隨含水率增加而減小緩慢，且不同壓實(shí)度下電阻率隨含水率變化呈現(xiàn)相似特征。這主要是因?yàn)橥馏w在含水率較小時(shí)，增加含水率，土中孔隙水的連通性得到改善，且土顆粒表面的礦物離子遇水發(fā)生水化反應(yīng)，產(chǎn)生導(dǎo)電陰陽(yáng)離子，導(dǎo)電性能隨之增強(qiáng)，因而土的電阻率隨含水率增加而減小顯著； 當(dāng)含水率超過(guò)一個(gè)臨界值后(本次試驗(yàn)約為20%)，含水率繼續(xù)增加對(duì)土孔隙中孔隙水的連通性已影響不大，土顆粒表面的礦物離子水化反應(yīng)已達(dá)到較好狀態(tài)，導(dǎo)電性增加效果變?nèi)?，因而土的電阻率隨含水率增加而減小變得緩慢了。

上述試驗(yàn)證明，土體電阻率與含水率存在良好相關(guān)關(guān)系，針對(duì)這一特點(diǎn)開(kāi)展土體物理參數(shù)與電參數(shù)擬合公式研究，旨在為土的工程性質(zhì)檢測(cè)與評(píng)價(jià)提供理論基礎(chǔ)。將數(shù)據(jù)點(diǎn)進(jìn)行擬合函數(shù)曲線，同一壓實(shí)度下，電阻率與含水率呈現(xiàn)相似的指數(shù)關(guān)系。擬合關(guān)系如圖5所示。

圖5 不同壓實(shí)度下土體含水率與電阻率擬合關(guān)系圖Fig. 5 Fitting diagram of soil moisture content and resistivity under different compaction degrees

由圖5可知，同一含水率下土體電阻率隨壓實(shí)度增大而減小。分析其原因，主要是因?yàn)橥馏w在壓實(shí)度較低時(shí)，土顆粒間接觸較差，土中氣較多，孔隙水連通性較差，水化反應(yīng)較弱，因而電阻率較高； 當(dāng)壓實(shí)度增大時(shí)，土中氣減少，孔隙水的連通性較好，水化反應(yīng)增強(qiáng)，土顆粒間的接觸也隨之改善，因而電阻率較小。且由圖5可知，電阻率對(duì)土體中含水率變化更加敏感。

試驗(yàn)表明，土體含水率與電阻率之間關(guān)系基本滿足ρ=AeBω，其中A、B為參數(shù)。本次試驗(yàn)A、B數(shù)值匯總見(jiàn)表2。

表2 土體含水率與電阻率相關(guān)關(guān)系的擬合系數(shù)Table 2 Fitting coefficient of correlation between soil moisture content and resistivity

2.2 土體極化率與物理參數(shù)關(guān)系分析

同時(shí)，將5組試驗(yàn)極化率數(shù)據(jù)繪制圖表，結(jié)果如圖6所示。

圖6 極化率與含水率、壓實(shí)度三軸數(shù)據(jù)圖Fig. 6 Three-axis data graph of polarization and water content and compaction

由圖6可見(jiàn)，同一壓實(shí)度下，含水率在8%到20%之間變化時(shí)，極化率隨含水率增加而增加顯著，含水率在20%～30%之間變化時(shí)，極化率隨含水率增加而增加緩慢。這主要是因?yàn)橥馏w在含水率較小時(shí)，增加含水率，土顆粒表面的礦物離子遇水發(fā)生水化反應(yīng)，孔隙溶液陰陽(yáng)離子濃度增大，導(dǎo)電離子與溶液界面可以產(chǎn)生較強(qiáng)過(guò)電位，因而土的極化率隨含水率增加而增大顯著； 當(dāng)含水率超過(guò)一個(gè)臨界值后(本次試驗(yàn)約為20%)，含水率繼續(xù)增加時(shí)，土顆粒表面的礦物離子水化反應(yīng)已達(dá)到較好狀態(tài)，孔隙溶液陰陽(yáng)離子濃度增大緩慢，導(dǎo)電離子與溶液界面可以產(chǎn)生過(guò)電位效果增強(qiáng)變得緩慢，因而土的極化率隨含水率增加而增加變得緩慢了。但數(shù)據(jù)離散較大，說(shuō)明單從導(dǎo)電離子濃度判斷極化率變化原因不夠充分，有待進(jìn)一步研究。

同一含水率下，不同壓實(shí)度之間極化率值變化規(guī)律較為復(fù)雜，需要作出擬合函數(shù)圖，進(jìn)行極化率與含水率、壓實(shí)度相關(guān)性綜合分析。擬合關(guān)系如圖7所示。

圖7 不同壓實(shí)度下土體含水率與極化率擬合關(guān)系圖Fig. 7 Fitting diagram of soil water content and polarization under different compaction degrees

由圖7可知，同一含水率下極化率隨壓實(shí)度增大而增大，主要是因?yàn)橥馏w在壓實(shí)度較低時(shí)，土顆粒間接觸較差，土中氣較多，水化反應(yīng)較弱，孔隙溶液陰陽(yáng)離子濃度較小，因而極化率較低但極化率數(shù)據(jù)結(jié)果存在一定離散性，說(shuō)明極化率除了與上述因素有關(guān)外，還可能和土顆粒與水分接觸是否充分關(guān)系較大，故對(duì)壓實(shí)度更加敏感。

試驗(yàn)表明，土體含水率與極化率之間關(guān)系基本滿足η=Aln(ω)+B，其中A、B為參數(shù)。本次試驗(yàn)A、B數(shù)值匯總見(jiàn)表3。

表3 土體含水率與極化率相關(guān)關(guān)系的擬合系數(shù)Table 3 Fitting coefficient of correlation between soil moisture content and polarization

補(bǔ)充實(shí)際工程取土，分別為湖南懷芷高速紅黏土、云南墨臨高速粉質(zhì)黏土進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證。結(jié)果如圖8、圖9所示。

圖8 3種地區(qū)路基填土含水率與電阻率擬合關(guān)系圖Fig. 8 Fitting relationship between water content and resistivity of subgrade fill in three areas

圖9 3種地區(qū)路基填土含水率與極化率擬合關(guān)系圖Fig. 9 Fitting relationship between water content and polarization of subgrade fill in three areas

3 層狀不均質(zhì)土體物理參數(shù)測(cè)試分析

3.1 試驗(yàn)概況

長(zhǎng)期運(yùn)營(yíng)狀態(tài)下的公路路基不可避免會(huì)受到氣候變化、外部荷載的影響，其內(nèi)部水分會(huì)不斷變化，此環(huán)境下的路基強(qiáng)度和抗變形能力下降，路基結(jié)構(gòu)發(fā)生不可恢復(fù)的永久變形，影響正常使用。

傳統(tǒng)檢測(cè)手段破壞性大且不連續(xù)，基于土體物理特性及上述研究成果，將銅片電極換作銅探針，分層插于測(cè)試管壁孔中，本試驗(yàn)方法可以分別模擬在水分入滲、吸入情況下，進(jìn)行層狀不均質(zhì)土體含水率室內(nèi)快速檢測(cè)。

依據(jù)步驟1.2土樣制備流程得到完全烘干土樣，分層擊實(shí)裝管并計(jì)算土樣壓實(shí)度。由于壓實(shí)條件有限，基于上述成果，本次試驗(yàn)設(shè)置壓實(shí)度為94.4%，模擬城市主干路路床頂面以下80～150icm深度壓實(shí)標(biāo)準(zhǔn)。另外設(shè)置水分吸入試驗(yàn)對(duì)照組，在試驗(yàn)結(jié)束時(shí)選取管內(nèi)部分層土體采用烘干法測(cè)定含水率以驗(yàn)證電法結(jié)果。

本文所述采用銅片作為電極，在室內(nèi)測(cè)試時(shí)可以起到穩(wěn)定電流場(chǎng)的作用。相關(guān)試驗(yàn)表明，四極法測(cè)量土壤電阻率時(shí)，電壓極探針滲入土壤深度對(duì)土壤電阻率測(cè)量結(jié)果無(wú)影響(周蜜等， 2011)。在野外現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)時(shí)，可以采用電極探針代替銅片作為電極。

電極采用自制探針式銅電極，與導(dǎo)線相連接。試驗(yàn)環(huán)境溫度、用水與上述試驗(yàn)相同。試驗(yàn)設(shè)置電法儀每隔5imin測(cè)一次。每組數(shù)據(jù)包含電壓值、電流值兩項(xiàng)參數(shù)，得到管中各層土體電阻率、極化率，處理數(shù)據(jù)可得到隨時(shí)間變化結(jié)果。數(shù)據(jù)采集現(xiàn)場(chǎng)見(jiàn)圖10。試驗(yàn)參數(shù)設(shè)置及統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表4。

圖10 土體水分遷移快速測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)Fig. 10 Soil moisture migration rapid test systema. 降雨入滲； b. 地下水毛細(xì)

表4 試驗(yàn)參數(shù)設(shè)置及統(tǒng)計(jì)Table 4 Test parameter setting and cases

3.2 結(jié)果與分析

通過(guò)采用基于電測(cè)法的土體水分遷移測(cè)試方法，采集不同土層電參數(shù)信息，得到不同土層電參數(shù)與時(shí)間對(duì)應(yīng)結(jié)果。橫軸為時(shí)間，縱軸為測(cè)試管中土樣高度。由上述結(jié)論可知，電阻率對(duì)土體的含水率變化更為敏感，故將得到電阻率通過(guò)公式ρ=10722e-16.9ω計(jì)算得到對(duì)應(yīng)含水率，由于采集時(shí)間間隔為5imin，存在局限性，部分?jǐn)?shù)據(jù)采用插值法，模擬水分入滲測(cè)得結(jié)果見(jiàn)圖11。模擬水分吸入測(cè)得結(jié)果見(jiàn)圖12。

圖11 模擬水分入滲Fig. 11 Simulation of moisture infiltration

圖12 模擬水分吸入Fig. 12 Simulation of moisture inhalation

由圖12可知，在模擬水分入滲情況中，隨著時(shí)間變化，水分自上而下運(yùn)動(dòng)，不同層土樣電阻率逐漸減小極化率增大，測(cè)試時(shí)間240imin時(shí)水分下降高度10icm左右； 在模擬水分吸入情況中，隨著時(shí)間變化，水分自下而上運(yùn)動(dòng)，不同層土樣電阻率逐漸減小極化率增大，測(cè)試時(shí)間80imin時(shí)水分上升高度13icm左右。

圖13 烘干法取樣管Fig. 13 Drying sample tube

4 結(jié) 論

針對(duì)天津王慶坨地區(qū)路基壤土，結(jié)合自主研發(fā)四極電測(cè)法裝置，主要研究了該土樣含水率、壓實(shí)度對(duì)電阻率、極化率的影響規(guī)律，得到了室內(nèi)擬合公式，并增加湖南懷芷高速紅黏土、云南墨臨高速粉質(zhì)黏土，探討了測(cè)試方法的可行性，結(jié)果旨在為路基土現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)提供理論依據(jù)。主要結(jié)論如下：

(1)不同地區(qū)土體含水率、壓實(shí)度對(duì)土的電阻率及極化率均存在顯著影響。土的電阻率隨含水率、壓實(shí)度增加而減小，極化率隨含水率、壓實(shí)度的增加而增大。對(duì)于壤土、紅黏土、粉質(zhì)黏土，其電阻率、極化率隨含水率變化分別呈現(xiàn)相似指數(shù)、對(duì)數(shù)特征。

(2)對(duì)于天津王慶坨地區(qū)壤土，壓實(shí)度在84.47%～94.41%范圍內(nèi)，含水率從15%變化至20%時(shí)，電阻率下降為原來(lái)的1/3～1/2倍，極化率增大為原來(lái)的1.4～2.3倍。

(3)實(shí)際工程中，電阻率法更適用于土體含水率檢測(cè)，極化率法更適用于土體壓實(shí)度檢測(cè)； 若能充分發(fā)揮電阻率與極化率兩種參數(shù)的作用，排除地下管線等所帶來(lái)的極端數(shù)值影響，電法物探檢驗(yàn)對(duì)于路基工程具有較好的勘探前景。