基于電阻率法的非飽和路基水汽遷移試驗(yàn)研究

張睿霞,唐 紅,姚海林,劉 杰,朱樂萌

(1.武漢科技大學(xué) 城市建設(shè)學(xué)院,武漢 430065; 2.中國科學(xué)院武漢巖土力學(xué)研究所 巖土力學(xué)與工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,武漢 430071)

0 引 言

在非飽和土路基的長期服役過程中,由于氣候的作用,路基頂部和下部會存在一定程度的溫差,在溫度勢、重力勢、基質(zhì)勢等多種勢能作用下,路基中的水以氣態(tài)水和液態(tài)水的形式發(fā)生遷移,造成路基土水分的重分布,匯集在路基頂部,造成路基頂部含水率升高、性能劣化,嚴(yán)重影響路基的正常使用和車輛行駛安全。一些學(xué)者對測試土壤結(jié)構(gòu)和經(jīng)水汽遷移后土的物理和力學(xué)性質(zhì)的方法進(jìn)行了研究。現(xiàn)有的在水汽遷移后檢查土壤的測試方法主要基于含水率測試和力學(xué)試驗(yàn)測試。為了研究水汽遷移過程中路基結(jié)構(gòu)損傷機(jī)制與長期性能演變規(guī)律,羅汀等[1]基于水分遷移系數(shù),分析試驗(yàn)數(shù)據(jù),獲得了不同影響因素下水分遷移規(guī)律。王悅月等[2]基于填料回彈模量測試試驗(yàn)結(jié)果,應(yīng)用數(shù)值建模分析得到了水分遷移對千枚巖填筑路基回彈模量及路面結(jié)構(gòu)力學(xué)特性的影響規(guī)律。姚仰平等[3]通過測量土壤各層含水率得到水汽遷移規(guī)律及防治隔氣層鋪設(shè)位置。張升等[4]、李彥龍等[5]、王鐵行等[6]、李楊等[7]也對土的水汽遷移進(jìn)行了相關(guān)試驗(yàn)研究。

因?yàn)殡娮杪史ㄐ矢?、靈敏度高、方便等優(yōu)點(diǎn),所以這種方法在工程中得到了廣泛的應(yīng)用。龔曉南等[8]根據(jù)對電滲現(xiàn)場的研究,建立了電阻計(jì)算模型;李瑞珂等[9]研發(fā)了一種室內(nèi)快速測試裝置,該裝置基于四級電測量法,得到了不同影響因素對電阻率的影響;儲亞等[10]利用對電阻率指標(biāo)的分析,對合肥膨脹土的吸水膨脹特性作出預(yù)估和評價;在一項(xiàng)凍融循環(huán)的研究中,付偉等[11]通過監(jiān)測飽和粉質(zhì)黏土在凍融循環(huán)過程中的電阻率及土體變形特征,得到了電阻率與凍融次數(shù)的關(guān)系;楊更社等[12]針對不同狀態(tài)下的黃土進(jìn)行了凍融循環(huán)試驗(yàn)研究,建立多種因素影響下的電阻率模型;Yuan等[13]結(jié)合電氣測量進(jìn)行凍融循環(huán)試驗(yàn),在試驗(yàn)過程中得到了土壤微觀結(jié)構(gòu)變化;陳議城等[14]利用電阻率法評價紅黏土強(qiáng)度特性的變化;李文忠等[15]利用電法勘探,根據(jù)堤身及隱患體所在位置電場及磁場的分布特征,對隱患體的位置與性質(zhì)做出推斷。眾多研究一致說明電阻率法在土體工程試驗(yàn)中應(yīng)用較好[16-20],可以為土的工程性質(zhì)與評價提供一定的參考。

目前,水汽遷移過程中對土壤的實(shí)時測量方法較為復(fù)雜,并不適用,容易忽略水分散失所造成的誤差。基于此,本文嘗試進(jìn)行非飽和土路基在水汽遷移過程中的電阻率測試,針對不同路基填筑方案,進(jìn)行參數(shù)敏感性分析,以電阻率為中間量,反映水汽遷移作用對土體結(jié)構(gòu)的影響,獲得水汽遷移過程中非飽和土路基的電阻率變化規(guī)律。

1 土體基本物理性質(zhì)

本次試驗(yàn)項(xiàng)目所用土樣為取自武漢市武昌區(qū)某典型黏土,取土深度為地下3～5 m左右。取樣后將土進(jìn)行烘干、研磨、篩分(過2 mm篩),處理后密封保存?zhèn)溆谩?/p>

對土進(jìn)行基本物理特性試驗(yàn),試驗(yàn)內(nèi)容包含有:土粒密度、天然含水率、界限含水率、擊實(shí)試驗(yàn)以及顆粒分析。通過室內(nèi)試驗(yàn),得到試驗(yàn)用土的基本物理性質(zhì)參數(shù)指標(biāo)見表1,黏土的級配曲線及擊實(shí)曲線如圖1所示。

圖1 黏土的級配曲線及擊實(shí)曲線

表1 土的基本物理性質(zhì)

2 均質(zhì)土體的電阻率影響因素試驗(yàn)分析

2.1 電阻率測試原理

為了探究電阻率與含水率、壓實(shí)度的相關(guān)關(guān)系,對均質(zhì)土體進(jìn)行了電阻率測試。假設(shè)土壤層是各向同性和非均質(zhì)的。試樣每一層測量點(diǎn)(即兩點(diǎn)之間的中點(diǎn))的電阻率通過測試試樣兩點(diǎn)之間的電壓和流經(jīng)兩點(diǎn)的電流,再經(jīng)式(1)換算得到。

(1)

式中:ρ為電阻率(Ω·m); ΔU為兩點(diǎn)之間的電壓(V);I為通過兩點(diǎn)之間的電流(A);K為電極排列系數(shù),與兩點(diǎn)的相對位置和間距有關(guān)。對于給定的電極排列,K是恒定的。

2.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)及方案

試驗(yàn)特設(shè)計(jì)亞克力套筒,目的是采用分層測試的方法,將試樣放入套筒中,為了減小誤差,試樣需與銅制電極棒充分接觸形成一個綜合性電阻率測試裝置,改變兩點(diǎn)的位置確定土壤電阻率分布。亞克力套筒延筒長布置6個電極,圍繞筒一周的4個小銅棒設(shè)計(jì)為測量電極M和N,通過改變M和N的位置可以實(shí)時測量每層土樣的電阻率。測試區(qū)域可分為5層,層間距10 mm,第一層為底部,從高度為15 mm處開始測量。土樣測量電極的內(nèi)部間距相等,電極M與N間距都為10 mm。套筒的長度、外徑和壁厚分別為80、60、10 mm。處理后的試樣為標(biāo)準(zhǔn)三軸試樣(39.1 mm×80 mm),電阻率測試方法及設(shè)備如圖2(a),電阻率測試原理如圖2(b)。試驗(yàn)所用電阻率測量儀器為WDJD-4型多功能數(shù)字直流激電儀,可對土樣的自然電位、電壓及電流進(jìn)行測量;供電儀器采用兆信RXN-305D交變直流電源,工作電壓為0～30 V,工作電流為0～5 A。

圖2 試驗(yàn)方法及設(shè)備(分層測試)和電阻率測試原理(二電極法)

根據(jù)試驗(yàn)用土的主要物理性質(zhì)參數(shù)指標(biāo)以及我國《公路路基設(shè)計(jì)規(guī)范》( JTG D30—2015)所制定的標(biāo)準(zhǔn),以含水率和壓實(shí)度為控制指標(biāo)來驗(yàn)證這兩者對土體電阻率的影響,試驗(yàn)工況共設(shè)置25種,如表2所示。按照土樣制備方法壓實(shí)土樣,并對土樣進(jìn)行電阻率測試。因溫度也會對測量結(jié)果產(chǎn)生一定的影響,故試驗(yàn)在封閉環(huán)境中進(jìn)行。由于電阻率測試較為敏感,為了盡可能減小水分散失,制樣結(jié)束后的土樣需立即測試其電阻率。為了避免試驗(yàn)誤差,制作多個同一初始含水率同一壓實(shí)度的土樣,多次測量后取平均值。

表2 試驗(yàn)參數(shù)設(shè)置及統(tǒng)計(jì)

2.3 試驗(yàn)結(jié)果及電阻率預(yù)測模型

通過改變試樣土體的初始含水率及壓實(shí)度,測量不同初始含水率、壓實(shí)度均質(zhì)土體的電壓、電流,通過式(1)得到電阻率測量結(jié)果,將25組試驗(yàn)數(shù)據(jù)繪制成圖表,結(jié)果如表3、圖3所示。

圖3 電阻率與含水率關(guān)系的擬合曲線

表3 電阻率測試結(jié)果

從圖3擬合曲線可以看出,擬合結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果相吻合,且相關(guān)性系數(shù)R2=98%,說明土體電阻率、壓實(shí)度及含水率具有良好的相關(guān)性。

當(dāng)壓實(shí)度一定,試樣土體含水率變化范圍在11%～18%時,土體含水率增加,其電阻率明顯降低;當(dāng)含水率變化范圍在18%～21%時,隨含水率的增加,土體電阻率衰減率降低,減小速度緩慢,且不同壓實(shí)度試驗(yàn)結(jié)果大致相同即土體電阻率隨含水率變化特征相同。主要原因是:在含水率比飽和含水率小的情況下,隨著含水率增加,土體中孔隙水的連通性增強(qiáng),且土顆粒外表的礦物離子遇水會發(fā)生水化反應(yīng),產(chǎn)生導(dǎo)電的陰陽離子,導(dǎo)致土體單位體積內(nèi)離子數(shù)量增多,導(dǎo)電性能因此增強(qiáng),從而電阻率下降顯著;在含水率接近或大于飽和含水率情況下(本次試驗(yàn)飽和含水率約為18%),水完全貫通顆粒間的孔隙,此時含水率繼續(xù)增加對孔隙水的連通性基本沒有影響。電流主要通過顆粒間的水通道進(jìn)行傳遞,電流流通路徑不再發(fā)生變化,因而電阻率減小得緩慢了。

在相同的初始含水率下,土體壓實(shí)度越大,其電阻率就越小。究其原因是土體壓實(shí)度較小時,土顆粒接觸較差,土中氣較多,孔隙水連通性較差,水化反應(yīng)較弱,所以電阻率較高;當(dāng)土體壓實(shí)度逐漸增大,土體結(jié)構(gòu)也會越發(fā)密實(shí),土顆粒排列更為緊密,顆粒之間孔隙減小,孔隙水連通性較好,增強(qiáng)了水化反應(yīng),因而電阻率減小。相比壓實(shí)度影響因素,含水率影響因素增大時電阻率下降得更快,表明含水率對土體電阻率有較大的作用,而壓實(shí)度相對來說對電阻率影響較小。

上述試驗(yàn)證明,土體電阻率、含水率以及壓實(shí)度具有良好的關(guān)聯(lián)性,針對這一特點(diǎn)開展土體物理參數(shù)與電阻率關(guān)系擬合公式研究,為土的工程性質(zhì)檢測與評價提供理論基礎(chǔ)。將數(shù)據(jù)點(diǎn)進(jìn)行擬合,綜合分析不同的擬合方式,最終選擇了用指數(shù)函數(shù)來擬合電阻率與含水率、壓實(shí)度之間的關(guān)系,擬合曲面如圖4所示,紅色區(qū)域?qū)?yīng)高電阻率,紫色區(qū)域?qū)?yīng)低電阻率,紅色區(qū)域到紫色區(qū)域等高線顏色漸變代表電阻率越來越低。建立了電阻率-含水率計(jì)算模型,同時得到了針對黏土同時考慮含水率與壓實(shí)度2種參數(shù)的電阻率預(yù)測模型,即

圖4 電阻率與含水率、壓實(shí)度之間的關(guān)系三維擬合

ρ=Ae-Bσe-Cw。

(2)

式中:ρ為土樣電阻率(Ω·m);σ為壓實(shí)度(%);w為土樣含水率(%);A、B、C為與土樣性質(zhì)有關(guān)的擬合參數(shù),本試驗(yàn)A=1 443 635.51、B=0.030、C=0.42。

3 水汽遷移作用下非飽和土路基電阻率變化

3.1 水汽遷移試驗(yàn)

為了驗(yàn)證公式的正確性,進(jìn)一步研究了不同初始含水率和不同壓實(shí)度的土樣在同一溫差環(huán)境下水汽遷移過程中的電阻率及含水率的變化,將計(jì)算值與實(shí)測值對比。水汽遷移作用下電阻率及含水率測試試驗(yàn)方案如表4。含水率過低,加上試驗(yàn)過程中本身存在水分散失,導(dǎo)致WDJD-4型激電儀無法測出含水率11%及以下的土樣電阻率,故水汽遷移試驗(yàn)設(shè)置最低含水率為13%。自制水汽遷移箱內(nèi)部結(jié)構(gòu)及模型化結(jié)構(gòu)如圖5。試驗(yàn)在封閉環(huán)境中進(jìn)行,在土樣筒外包裹保溫材料,上下導(dǎo)溫盤溫度由循環(huán)回路中的酒精控制,設(shè)置上部頂板、下部底板、箱體溫度分別為0、20、20 ℃。蒸發(fā)導(dǎo)致底部水槽損失的水分由馬氏瓶實(shí)時自動補(bǔ)給。在試驗(yàn)開始前做了預(yù)試驗(yàn)來確定土樣水汽遷移完所需時間,為了在時間控制上更方便,確定每10 h測量一次電阻率。水汽遷移試驗(yàn)結(jié)束后,用烘干法對土樣各層含水率進(jìn)行測試,得到水汽遷移后土樣各層的實(shí)際含水率。

圖5 水汽遷移箱內(nèi)部結(jié)構(gòu)及模型化結(jié)構(gòu)

表4 水汽遷移試驗(yàn)參數(shù)設(shè)置

3.2 不同初始含水率試驗(yàn)結(jié)果

待試驗(yàn)結(jié)束后,土體壓實(shí)度為90%時,不同初始含水率的土樣沿高度的電阻率變化曲線見圖6,虛線為各個土樣電阻率初始值。不同初始含水率的土樣經(jīng)60 h穩(wěn)定后各層的電阻率及含水率實(shí)測值分布曲線如圖7。

圖6 不同初始含水率試驗(yàn)電阻率變化

圖7 不同初始含水率試驗(yàn)水汽遷移穩(wěn)定后電阻率及含水率分布曲線

從圖6可知,接觸制冷導(dǎo)盤(上導(dǎo)盤)的土體區(qū)域,具有不同壓實(shí)度的土樣上部即高度約為50～60 mm范圍內(nèi)電阻率顯著減小;而接觸制熱導(dǎo)盤(下導(dǎo)盤)的土體區(qū)域,土樣下部即高度約為20～30 mm范圍內(nèi)的電阻率顯著增大。這是各組試驗(yàn)土體中的水發(fā)生了由下向上遷移的緣故,即水向低溫端(土體頂部)遷移的現(xiàn)象,低溫端(土體頂部)含水率增大導(dǎo)致電阻率減小,高溫端(土體底部)含水率減小導(dǎo)致電阻率增大。在低溫區(qū)域水分的自由能較小,水分附著在土顆粒表面,而在高溫區(qū)域水分的自由能較大,液態(tài)水由自由能大的區(qū)域向自由能小的區(qū)域遷移,符合水汽遷移的規(guī)律即覆蓋層下土體含水率增大。

由圖7可知,以高度50 mm的土樣電阻率作為分析對象,數(shù)據(jù)結(jié)果顯示在壓實(shí)度90%,試驗(yàn)進(jìn)行到60 h的情況下,初始含水率由13%提高到21%,電阻率衰減率先增加后減小,電阻率減小量在w=15%時達(dá)到最大;相應(yīng)的含水率增加量也是先增加至最大(w=15%時)再減小。

羅汀等[1]、李彥龍等[5]、姚仰平等[16]提出:較低初始含水率時,土體以氣態(tài)水遷移為主;較高初始含水率時,土體以液態(tài)水遷移為主;初始含水率適中時,土體以混合態(tài)水遷移為主。與本次試驗(yàn)規(guī)律較為符合,所以本次研究考慮初始含水率較小時,孔隙之間具有較好的連通性,為氣態(tài)水遷移提供了良好的通道,隨著含水率逐漸提高慢慢補(bǔ)充水分,鍋蓋效應(yīng)增強(qiáng),在含水率為15%時該效應(yīng)增加至最大。但含水率超過15%之后,最大含水率的鍋蓋效應(yīng)又突然開始下降。

3.3 不同壓實(shí)度試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)完成后,含水率為15%時,不同壓實(shí)度土樣沿高度的電阻率分布曲線見圖8,不同壓實(shí)度的土樣經(jīng)60 h穩(wěn)定后各層的電阻率及含水率實(shí)測值分布如圖9。

圖8 不同壓實(shí)度試驗(yàn)電阻率變化

圖9 不同壓實(shí)度試驗(yàn)水汽遷移穩(wěn)定后電阻率及含水率分布曲線

同樣,不同壓實(shí)度的土樣也發(fā)生了上部電阻率顯著減小、下部電阻率顯著增大的現(xiàn)象,但是電阻率的變化范圍不同。究其原因都是在水汽遷移作用下,土體頂部含水率增大,土體底部含水率減小。與不同初始含水率的變化相比較發(fā)現(xiàn),壓實(shí)度對水汽遷移的影響較小,含水率對水汽遷移的影響更大,這與本文第2.3節(jié)的試驗(yàn)結(jié)果一致。

由圖9可以看出,以高度50 mm的土樣電阻率作為分析對象,壓實(shí)度85%、壓實(shí)度90%和壓實(shí)度95%的土樣經(jīng)60 h穩(wěn)定后電阻率減小量越來越小,相應(yīng)的50 mm處土樣的含水率增加量也越來越小,可見經(jīng)60 h后,低溫端土體電阻率減小的程度逐漸減弱,即土體中向低溫區(qū)域的水汽遷移量逐漸減小。

針對上述試驗(yàn)規(guī)律,究其原因是:壓實(shí)度越大,土體的孔隙比就越小。而土體中水氣是通過土顆粒之間的孔隙通道進(jìn)行遷移的。當(dāng)土體孔隙比變小時,孔隙通道變小變窄,在相同試驗(yàn)條件下,水氣的遷移量也就隨之減少?？梢?黏性土壓實(shí)度的提高,雖不能避免土體發(fā)生水汽遷移,但能緩解其遷移的速率,弱化水汽遷移作用引起含水率增大的現(xiàn)象。

3.4 水汽遷移作用下電阻率預(yù)測模型驗(yàn)證

引入第2.3節(jié)電阻率預(yù)測模型(ρ=Ae-Bσe-Cw),對水汽遷移過程中的參數(shù)進(jìn)行驗(yàn)證,試驗(yàn)數(shù)據(jù)及誤差見表5,表5中的數(shù)據(jù)誤差均<2%,說明模型擬合程度良好。圖10(a)是不同初始含水率情況下含水率計(jì)算值與實(shí)測值的對比,圖10(b)是不同壓實(shí)度情況下含水率計(jì)算值與實(shí)測值的對比,圖10中計(jì)算結(jié)果(預(yù)測值)與試驗(yàn)數(shù)據(jù)大致符合,驗(yàn)證了本次研究中電阻率-含水率模型計(jì)算土體水汽遷移作用過程中含水率的合理性和可靠性。此外,本次研究成果僅僅適用于武漢市某地典型黏土,旨在獲得典型黏土在水汽遷移過程中電阻率變化與路基基本性能的關(guān)系,本研究為其他地區(qū)不同土類水汽遷移研究工作的開展提供一定的研究思路。

圖10 含水率計(jì)算值與實(shí)測值對比

4 結(jié) 論

(1)對于黏性土而言,電阻率隨含水率、壓實(shí)度的增大而減小,均呈指數(shù)特征。且與壓實(shí)度相比,電阻率對含水率這一影響因素更為敏感。

(2)不同初始含水率、不同壓實(shí)度的土體在水汽遷移作用下,均發(fā)生了土體頂部電阻率減小、底部電阻率增大的現(xiàn)象,且含水率變化的實(shí)測值與計(jì)算值較為符合,具有一致性。

(3)壓實(shí)度一定時,初始含水率不同,土體電阻率在水汽遷移過程中變化程度先增大后減小,同樣含水率變化值也是先增大后減小;初始含水率一定時,不同壓實(shí)度土體孔隙比不同,影響土體水汽遷移的速率或進(jìn)程不同,且隨著土體壓實(shí)度逐漸增大,電阻率變化程度也逐漸減弱,相同試驗(yàn)時間內(nèi)相同冷凝條件下的水分遷移量逐漸減小。