紅黏土固結(jié)壓縮過程中電阻率結(jié)構(gòu)特性試驗(yàn)研究

彭光燦,徐興倩,屈 新,趙 熹,王海軍,蔡 波

(1.云南農(nóng)業(yè)大學(xué) 水利學(xué)院, 昆明 650201; 2.安陽工學(xué)院 土木與建筑工程學(xué)院, 河南 安陽 455000)

0 引 言

紅黏土是指由碳酸鹽類巖石經(jīng)過紅土化作用形成的高塑性黏土,廣泛分布于云南、貴州、四川和廣西等地區(qū),具有特殊的物理力學(xué)特性[1-4]。在黏土心墻壩、地基、路基壓實(shí)等填筑工程中,通常采用取樣測(cè)試填筑土體的壓實(shí)特性,以反映土體的碾壓密實(shí)度,但受到現(xiàn)場(chǎng)取樣密度、數(shù)量和位置及測(cè)試時(shí)長的限制,難以經(jīng)濟(jì)、快速地獲得土層的碾壓效果。如果能通過原位高密度電法快速測(cè)試碾壓土層的電阻率變化情況,建立電阻率結(jié)構(gòu)特性參數(shù)與壓實(shí)度之間的關(guān)系,將實(shí)現(xiàn)快速評(píng)價(jià)紅黏土填筑工程的碾壓效果。因此,開展紅黏土固結(jié)壓縮過程中電阻率結(jié)構(gòu)特性參數(shù)研究具有潛在的工程應(yīng)用價(jià)值。

電阻率是表征土體導(dǎo)電性的基本參數(shù),可用于評(píng)價(jià)土體的含水狀態(tài)、結(jié)構(gòu)特征及其物理力學(xué)特性。土體電阻率大小取決于土的孔隙率、孔隙水、固體顆粒成分及膠結(jié)狀態(tài)等[5-6]。Huntley[7](1986)提出了適用于含黏粒的巖土介質(zhì)表觀電阻率結(jié)構(gòu)因子概念;于小軍等[8](2004)通過電阻率測(cè)試技術(shù)研究了膨脹改良土膨脹過程中的電阻率結(jié)構(gòu)變化規(guī)律;顧明芬等[9](2005)測(cè)試水泥土在強(qiáng)度增長以及壓縮過程中電阻率結(jié)構(gòu)特性變化規(guī)律并證實(shí)電阻率結(jié)構(gòu)特性參數(shù)能對(duì)土的結(jié)構(gòu)性進(jìn)行定量分析;董曉強(qiáng)等[10](2011)研究硫酸濃度對(duì)污染水泥土電阻率結(jié)構(gòu)特性的影響并建立了考慮溶液濃度和齡期的水泥土電阻率公式;黃鳳鳳等[11](2015)結(jié)合電阻率結(jié)構(gòu)特性探究電阻率法在黃土硅化加固過程中應(yīng)用的可行性;查甫生等[12](2019)探索了水泥-粉煤灰固化重金屬污染土電阻率結(jié)構(gòu)特性并建立了固化鉛污染土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度預(yù)測(cè)模型;Parvin等[13](2020)研究了電巖石的電阻率結(jié)構(gòu)因子在不同有效壓力下的變化規(guī)律。然而,就紅黏土電阻率特性而言,尤其是固結(jié)壓縮過程中紅黏土電阻率變化規(guī)律、變形特征等值得深入探索,開展相關(guān)方面的研究可為紅黏土碾壓過程壓實(shí)度的評(píng)價(jià)提供參考。

本文設(shè)計(jì)土體固結(jié)壓縮電阻率測(cè)試儀,制備不同含水率的重塑紅黏土試樣,在側(cè)限條件下對(duì)試樣分級(jí)連續(xù)施加豎向荷載,時(shí)移測(cè)定試樣豎向和橫向電阻率變化,探討紅黏土固結(jié)壓縮過程中電阻率的變化規(guī)律、結(jié)構(gòu)特征及其各向異性,通過主成分分析方法確定結(jié)構(gòu)因子的權(quán)重,建立紅黏土電阻率結(jié)構(gòu)特性綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)與壓實(shí)度的量化關(guān)系,研究結(jié)果可為紅黏土碾壓工程實(shí)踐應(yīng)用提供可選方案。

1 試驗(yàn)方法和設(shè)備

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)紅黏土樣取自云南省昆明市,呈棕紅色,土質(zhì)均勻。土樣經(jīng)過風(fēng)干、碾碎過2 mm篩后,根據(jù)《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》[14],進(jìn)行常規(guī)土力學(xué)試驗(yàn),測(cè)定紅黏土基本物理指標(biāo)(見表1)。

表1 紅黏土基本物理指標(biāo)

1.2 試驗(yàn)設(shè)備

本次試驗(yàn)采用改進(jìn)的土體固結(jié)壓縮電阻率測(cè)試儀,如圖1所示,裝置主要由改良上下透水石、高強(qiáng)度絕緣上下護(hù)環(huán)以及絕緣環(huán)刀組成。其中,高強(qiáng)度絕緣上下護(hù)環(huán)用于環(huán)刀的固定和導(dǎo)線牽引,改良的上下透水石用于銅片固定和導(dǎo)線牽引,直徑為50 mm,厚度為0.5 mm的圓形銅片安置在上下兩透水石之間,銅片與土樣緊貼測(cè)定其豎向電阻率。如圖2所示,絕緣環(huán)刀內(nèi)部保持完整且內(nèi)壁絕緣,環(huán)刀內(nèi)壁4個(gè)方向各嵌有尺寸為10 mm×10 mm的矩形銅片用以測(cè)定1-3方向和2-4方向橫向電阻率,取平均值作為最終橫向電阻率,銅片上均有導(dǎo)線通過改良的高強(qiáng)度絕緣塑料護(hù)環(huán)和透水石引出與測(cè)試儀器連接。

圖1 固結(jié)壓縮電阻率測(cè)試儀

圖2 絕緣環(huán)刀內(nèi)部銅片布設(shè)

電阻率采用LCR-4090A型電阻率測(cè)試儀測(cè)試,其測(cè)量頻率為100～10 000 Hz,測(cè)量范圍為0.000 1～99.99 MΩ,測(cè)量準(zhǔn)確度為0.1%,測(cè)試原理為

(1)

式中:ρ為電阻率;R為電阻;S為電極面積;L為電極距離; ΔU為試樣兩側(cè)電壓;I為電流。

1.3 試驗(yàn)步驟

試驗(yàn)步驟如下:

(1)根據(jù)紅黏土基本物理指標(biāo),云南紅黏土平均天然干密度在1.25 g/cm3左右,故選取干密度ρd=1.25 g/cm3。試驗(yàn)含水率w在土體最優(yōu)含水率附近階梯式選取,分別以19.2%、22.2%、25.2%、28.2%、31.2%、34.2%制備試樣,每個(gè)含水率做3組平行試驗(yàn)。

(2)采用噴霧瓶將對(duì)應(yīng)含水率所需水量均勻噴灑在土樣上,拌合均勻,放置在密封的塑料盒里靜置24 h,使土體自由水分布均勻。

(3)通過擊實(shí)筒擊實(shí)土樣,然后用內(nèi)徑為61.8 mm的絕緣環(huán)刀取出試樣,放置在改良的固結(jié)壓縮裝置上,牽引導(dǎo)線連接至數(shù)字電橋,電流頻率固定,測(cè)試其固結(jié)壓縮過程中豎向、橫向電阻率。

(4)荷載加載順序依次為25、50、100、200、300、400、600、800、1 000、1 200、1 400、1 600 kPa,共12級(jí)荷載。

2 電阻率結(jié)構(gòu)特性理論

2.1 結(jié)構(gòu)因子F

(2)

式中:ρv為土的豎向電阻率;ρH為土的橫向電阻率;ρw為孔隙水電阻率。

2.2 平均形狀因子

(3)

2.3 各向異性系數(shù)A

土體電阻率特性指標(biāo)可定量反映土體各向異性大小,各向異性系數(shù)能從客觀上反映固結(jié)壓縮過程中土顆粒的定向排列及各向異性變化過程[15-16]。關(guān)系式為

(4)

式中A為各向異性指數(shù)。

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 紅黏土豎向電阻率的變化規(guī)律分析

如圖3(a)所示,在不同含水率條件下,紅黏土豎向電阻率隨著豎向荷載的變化趨勢(shì)較明顯,不同含水率下其變化趨勢(shì)一致(見表2)。豎向電阻率隨著豎向荷載的逐漸增大,呈現(xiàn)出先快速減小后逐漸趨于穩(wěn)定的類似趨勢(shì),即荷載繼續(xù)施加,土體沉降量難以產(chǎn)生較大變化,內(nèi)部結(jié)構(gòu)穩(wěn)定,豎向電阻率變化幅度很小,呈穩(wěn)定狀態(tài)。土樣初始含水率越大,固結(jié)壓縮過程中豎向電阻率變化范圍越小,含水率的變化是影響土體電阻率變化的關(guān)鍵因素。

表2 豎向電阻率與豎向荷載擬合結(jié)果

在紅黏土固結(jié)壓縮過程中,根據(jù)Holtz等[17]、Lambe[18]對(duì)應(yīng)力作用下土體結(jié)構(gòu)變化理論,結(jié)合試驗(yàn)中土體受荷載作用下沉降量變化以及豎向電阻率的曲線變化規(guī)律將整個(gè)過程分為3個(gè)階段:①結(jié)構(gòu)壓縮階段(P≤100 kPa),土體被壓密實(shí),孔隙率減小,孔隙空氣被排出,電流路徑增多,部分孔隙水開始流入新形成的孔隙水通道,電阻率快速減小;②結(jié)構(gòu)變形階段(100 kPa400 kPa),結(jié)構(gòu)變得各向異性,孔隙比發(fā)生大幅度下降,土骨架受孔隙水壓力部分變形,部分破壞,土顆粒滑移并重新定向排列,形成新的結(jié)構(gòu)和電流路徑。在同一電壓條件下,土體飽和后多余孔隙水排出,通過電流路徑的電荷量不變,測(cè)試截面面積增大,通過路徑時(shí)間變短,電流逐漸變大,導(dǎo)電性逐漸增強(qiáng),電阻率逐漸減小,但隨著結(jié)構(gòu)變化階段的演化,電阻率最終趨于穩(wěn)定。

3.2 紅黏土橫向電阻率的變化規(guī)律分析

如圖3(b)所示,在不同含水率條件下,紅黏土橫向電阻率隨豎向荷載的變化趨勢(shì)明顯。橫向電阻率隨豎向荷載的逐漸增大,因土體橫向受限,橫向變化微弱,造成橫向電阻率變化幅度隨豎向荷載變化越發(fā)不明顯,呈現(xiàn)出先快速減小后逐漸趨于穩(wěn)定。根據(jù)表3擬合結(jié)果可知,土樣初始含水率越大,固結(jié)壓縮過程中橫向電阻率變化范圍越小。當(dāng)含水率>25%,土體橫向電阻率變化幅度較小,趨勢(shì)不明顯。

表3 橫向電阻率擬合結(jié)果

在紅黏土固結(jié)壓縮過程中,根據(jù)試驗(yàn)中土體受荷載作用下沉降量變化以及橫向電阻率曲線變化規(guī)律,并結(jié)合應(yīng)力作用下土體結(jié)構(gòu)變化理論,將其分為3個(gè)階段:①結(jié)構(gòu)壓縮階段(P≤100 kPa),土體發(fā)生擠壓,土顆粒位移,孔隙空氣被排出,使橫向電流通道連通性增強(qiáng),導(dǎo)電性增加,橫向電阻率減小;②結(jié)構(gòu)變形階段(100 kPa400 kPa),土體橫向擠壓嚴(yán)重,土顆?？繑n擠緊,孔隙比下降,多余的孔隙水壓力使得土骨架部分變形,部分破壞,破壞部分重新排列形成新的結(jié)構(gòu)和電流通道,電阻率逐漸減小至穩(wěn)定。土體電阻率隨著土體結(jié)構(gòu)的變化在不同階段表現(xiàn)出不同的變化特征。

3.3 紅黏土平均結(jié)構(gòu)因子的變化規(guī)律分析

平均結(jié)構(gòu)因子是表征土體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性強(qiáng)弱、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度大小的參數(shù)。如圖3(c)所示,在不同含水率條件下,當(dāng)P<400 kPa時(shí),平均結(jié)構(gòu)因子變化幅度較大;當(dāng)P>400 kPa時(shí),隨著荷載增大,平均結(jié)構(gòu)因子變化幅度減小,土體結(jié)構(gòu)隨著土體沉降量變化值不顯著逐漸趨于穩(wěn)定。土體初始含水率越大,豎向荷載對(duì)平均結(jié)構(gòu)因子的影響越小。

在施加荷載初始階段(P≤100 kPa),土體孔隙減小,部分土顆粒發(fā)生位移,土體被擠壓,內(nèi)部結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性變差,結(jié)構(gòu)強(qiáng)度變?nèi)?平均結(jié)構(gòu)因子快速減小。隨著荷載的增大(100 kPa400 kPa),土體被壓密實(shí),土骨架結(jié)構(gòu)受壓后嚴(yán)重變形,造成部分破壞,次生聯(lián)結(jié)作用和膠結(jié)作用減弱,土顆粒、孔隙和其他成分被重新排列或重新定向?yàn)樾碌?、更穩(wěn)定的結(jié)構(gòu),結(jié)構(gòu)強(qiáng)度逐漸穩(wěn)定,平均結(jié)構(gòu)因子變化較小。

3.4 紅黏土平均形狀因子的變化規(guī)律分析

平均形狀因子是表達(dá)土顆粒間膠結(jié)作用及結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的參數(shù)。 圖3(d)為不同含水率下紅黏土固結(jié)壓縮過程中平均形狀因子隨豎向荷載的變化曲線。從圖3(d)可以看出,平均形狀因子隨著荷載的增大呈減小趨勢(shì),當(dāng)豎向荷載>400 kPa后變化趨于平緩,土體結(jié)構(gòu)開始重新達(dá)到新平衡,平均形狀因子變化幅度減小,土體形態(tài)趨于穩(wěn)定。

在施加荷載初始階段(P≤100 kPa),土體被壓縮,孔隙氣體被排出,孔隙水連通性增強(qiáng),電流路徑增多,部分土顆粒發(fā)生微小滑動(dòng),膠結(jié)作用減弱。土體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和穩(wěn)定性變差,平均形狀因子減小。隨著荷載的增大(100 kPa400 kPa),部分土骨架結(jié)構(gòu)無法承受壓力而發(fā)生變形破壞,土顆粒發(fā)生位置變化并重新排列或重新定向?yàn)樾碌?、更穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)。部分土骨架雖變形但未完全破壞,土骨架結(jié)構(gòu)強(qiáng)度減弱,土顆粒間聯(lián)結(jié)疲勞造成膠結(jié)作用減弱,土體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性減弱,平均形狀因子減小。

3.5 紅黏土各向異性系數(shù)的變化規(guī)律分析

各向異性系數(shù)是對(duì)土體土顆粒結(jié)構(gòu)排列方式、各向異性結(jié)構(gòu)變化的評(píng)價(jià)性參數(shù)。圖3(e)為不同含水率下紅黏土固結(jié)壓縮過程中各向異性系數(shù)的變化曲線。從圖3(e)可以看出,各向異性系數(shù)隨著荷載的逐漸增大呈現(xiàn)先減小,后平緩增大至穩(wěn)定狀態(tài),此時(shí)土顆粒結(jié)構(gòu)排列穩(wěn)定,達(dá)到結(jié)構(gòu)新平衡,該過程有效反映了土體各向異性的變化情況。

在未施加豎向荷載情況下,土體處于結(jié)構(gòu)性平衡狀態(tài),土顆粒定向排列方式及結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性較好,故各向異性系數(shù)起始值較大。當(dāng)逐級(jí)施加豎向荷載(P≤600 kPa),土體孔隙變小,土體受到豎向壓力擠壓和環(huán)刀側(cè)限作用,土體結(jié)構(gòu)壓縮變形主要表現(xiàn)在豎向上,體積變形導(dǎo)致結(jié)構(gòu)平衡被打破,結(jié)構(gòu)發(fā)生各向異性,顆粒排列平衡打破,結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性變?nèi)?各向異性系數(shù)快速減小。當(dāng)豎向荷載繼續(xù)增大(P>600 kPa),土顆粒靠攏擠緊,孔隙間距減小,多余的孔隙水壓力使部分土骨架受壓后造成變形破壞,因土顆粒移動(dòng)空間減小,土顆粒重新定向排列組合,使土顆粒結(jié)構(gòu)排列方式更穩(wěn)定使其達(dá)到新的平衡狀態(tài),表現(xiàn)為各向異性系數(shù)小幅度增加。

4 電阻率結(jié)構(gòu)特性參數(shù)綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)和壓實(shí)度的關(guān)系分析

表4 各結(jié)構(gòu)特性指標(biāo)權(quán)重分析結(jié)果

主成分分析法得到各指標(biāo)權(quán)重大小,綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)則將各指標(biāo)與對(duì)應(yīng)權(quán)重相乘,累加后得到電阻率結(jié)構(gòu)特性參數(shù)綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)ER,公式為

(5)

根據(jù)《公路路基施工技術(shù)規(guī)范》(JTGIT 3610—2019),土體壓實(shí)度K計(jì)算公式為

(6)

式中:ρd為實(shí)際干密度;ρmax為最大干密度。

壓實(shí)度作為表征土體緊密程度、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的參數(shù),與土體內(nèi)部結(jié)構(gòu)、土顆粒形狀、土顆粒定向排列以及各向異性變化密切相關(guān),電阻率結(jié)構(gòu)特性參數(shù)能從細(xì)觀角度間接反映土體整體的強(qiáng)度和穩(wěn)定性,符合壓實(shí)土體意義。如果能建立電阻率結(jié)構(gòu)特性綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)和壓實(shí)度的量化關(guān)系,電阻率將會(huì)實(shí)現(xiàn)對(duì)壓實(shí)度更精準(zhǔn)的評(píng)價(jià)預(yù)測(cè)。

如圖4所示,在紅黏土初始干密度為1.25 g/cm3,最優(yōu)含水率(即28.2%)條件下,通過計(jì)算得到紅黏土電阻率結(jié)構(gòu)特性綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)ER和壓實(shí)度K的關(guān)系。從圖4可以看出,隨著紅黏土壓實(shí)度的逐漸增大,紅黏土電阻率結(jié)構(gòu)特性綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)逐漸減小,擬合度R2為0.997,表現(xiàn)出較好的相關(guān)性。因此,試驗(yàn)結(jié)果表明紅黏土電阻率結(jié)構(gòu)特性綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)ER可間接表征紅黏土壓實(shí)度,能為紅黏土碾壓工程(如黏土心墻壩)壓實(shí)度的快速、便捷檢測(cè)和監(jiān)測(cè)提供新思路和理論依據(jù)。

圖4 紅黏土電阻率結(jié)構(gòu)特性綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)ER和壓實(shí)度的關(guān)系

5 結(jié) 論

本文設(shè)計(jì)改進(jìn)傳統(tǒng)的固結(jié)壓縮儀,測(cè)試紅黏土在固結(jié)壓縮過程中豎向和橫向電阻率的時(shí)移變化,計(jì)算得到電阻率結(jié)構(gòu)特性參數(shù),基于綜合指數(shù)法和主成分分析法提出紅黏土電阻率結(jié)構(gòu)特性綜合評(píng)價(jià)指標(biāo),進(jìn)而間接評(píng)價(jià)紅黏土的壓實(shí)度。得出以下幾個(gè)主要結(jié)論:

(1)隨著施加荷載的逐漸增大,紅黏土被壓縮導(dǎo)致孔隙水逐漸充滿電流孔徑,試樣橫向和豎向電阻率均呈現(xiàn)減小趨勢(shì)。

(2)紅黏土電阻率結(jié)構(gòu)特性參數(shù)能間接反映其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和顆粒間的膠結(jié)狀態(tài)等性質(zhì),隨著施加荷載的逐漸增大,紅黏土平均結(jié)構(gòu)因子、形狀因子呈現(xiàn)快速下降后緩慢均勻下降趨勢(shì);各向異性系數(shù)先下降,后緩慢上升,最終趨于穩(wěn)定。

(3)紅黏土結(jié)構(gòu)特性綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)與壓實(shí)度之間存在量化關(guān)系,擬合精度較高,試驗(yàn)結(jié)果用于評(píng)判紅黏土的壓實(shí)度具有可行性。

(4)電阻率結(jié)構(gòu)特性參數(shù)可作為土體結(jié)構(gòu)分析的量化指標(biāo),從微觀角度驗(yàn)證固結(jié)壓縮過程中土體結(jié)構(gòu)變化特征,在建立電阻率結(jié)構(gòu)特性評(píng)價(jià)體系等方面有待深入研究。