三種典型凍土的電阻率特性對比分析

肖繼濤，柳 瑤，胡照廣，單 煒，*

(1．東北林業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院，哈爾濱150040;2．中交第二公路勘察設(shè)計研究院有限公司，武漢430056 3．東北林業(yè)大學(xué)寒區(qū)科學(xué)與工程研究院，哈爾濱150040 4．東北林業(yè)大學(xué)工程技術(shù)學(xué)院，哈爾濱150040)

隨著我國交通運輸事業(yè)的蓬勃發(fā)展，公路交通量迅速增大，在凍土地區(qū)修建的工程越來越多;工程修筑不可避免的對多年凍土造成擾動，破壞凍土熱平衡、導(dǎo)致凍土退化，使道路產(chǎn)生凍脹和融沉等病害［1～4］。道路融沉產(chǎn)生的病害相比較更嚴(yán)重，主要有道路沉陷、波浪、橫向及縱向開裂和道路翻漿等［5～8］。黑龍江省大小興安嶺沿線有大量的島狀多年凍土分布［9］，目前處于退化階段且具有低海拔、高緯度、不穩(wěn)定的特點［10］，因此在進行工程建設(shè)時，需要對凍土場地進行詳細(xì)的勘察，了解其工程地質(zhì)條件，對可能出現(xiàn)的工程地質(zhì)問題采取合理的治理措施。

在凍土的厚度及分布區(qū)域的勘察中，對于復(fù)雜的場地，除了鉆探及大量取樣進行室內(nèi)測試外，還應(yīng)結(jié)合各種地球物理勘探。凍土由于部分孔隙水由液態(tài)變成固態(tài)，會引起土體電性差異，因此電阻率法比較適用，并且由于電阻率法測試方法多、對測試環(huán)境要求低，相比傳統(tǒng)鉆探價格低廉、測試時間短、對凍土無擾動等優(yōu)點，在工程中廣泛應(yīng)用。

國內(nèi)外學(xué)者對土的電阻率研究已比較深入，在土的種類上涉及到黏土、黃土、石灰土、水泥土、鹽漬土、膨脹土、污染土等;在土的相關(guān)性研究上涉及到溫度、含水率、含鹽量、污染物含量及種類等;在土的物理力學(xué)指標(biāo)上涉及到基質(zhì)吸力、單軸壓縮強度、壓縮模量、壓縮系數(shù)、粘聚力等，而對特殊性土如凍土的電阻率特性研究較少且不夠深入。

土的種類繁多，影響土體電阻率的因素也很多，不同的類型土在電阻率特性上不盡相同，因此對土體電阻率的影響因素需要深入研究，只有這樣才能更好的應(yīng)用土體電阻率特性去解決工程實際問題，而對于一些特殊性土如凍土等，則需要對其電阻率特殊性質(zhì)加以研究，通過研究其電阻率影響因素，從而很好的認(rèn)識其電阻率特性。對凍土的物理力學(xué)性質(zhì)［11～12］等研究已比較多，但對凍土電阻率的研究比較缺乏。在凍土地區(qū)進行電阻率法勘査時，為了更好、更準(zhǔn)確的對地層特性進行判斷，并對凍土勘查現(xiàn)場電阻率測試的反演結(jié)果做出合理解釋，需要對凍土的電阻率特性進行更深入的研究。因此研究凍土的電阻率特性對于認(rèn)清凍土的電性特征及根據(jù)勘探成果反演成像對勘探測試結(jié)果做出較合理的判斷與評估具有重要意義。

1 土的電阻率測試原理及方法

1．1 土的電阻率測試原理

電阻率是材料固有屬性，用來表征材料導(dǎo)電特性，與材料的長度、橫截面積等因素?zé)o關(guān)。土體電阻率通過測量通過單位長度、單位截面的土體兩端的電流和電壓值，由電阻率定義式1得到。

式中:ρ為土體電阻率，Ω·m;U為土體兩端電壓值，V;A為土體的橫截面面積，m2;I為土體兩端電流值，A;L為土體的長度，m。

1．2 電極的選擇

土體電阻率的誤差有很大一部分來自與接觸電阻，因此電極的選擇與制作方式對凍土電阻率的測試影響比較大。當(dāng)前研究中對電極制作方法主要導(dǎo)電膠外貼銅導(dǎo)線、預(yù)埋銅片或粗銅線，預(yù)埋鋼片等［13］，表1為不同材料的電阻率，當(dāng)前對電極材料選擇大部分選擇銅片，由表1可知銅片電阻率較小，對土體電阻率測試影響小，且容易獲得及價格比較低廉，因此本試驗電極采用0．5 mm厚薄銅片，電極尺寸直徑與測試土體試件直徑相同，為了使電極與凍土試件接觸充分，本試驗采用在試件兩端用導(dǎo)電膠粘貼銅片。為了減小電極對凍土試件的擾動及制作試件的方便，采用二相電極法進行凍土電阻率測試試驗。

1．3 電極的選擇

電源類型有直流電源和交流電源兩種，它們有各自的優(yōu)缺點，付偉［14］通過選擇直流電源和交流電源對凍土電阻率進行對比試驗，表明無論是直流電源還是交流電源條件下凍土電阻率的大小都比較吻合。結(jié)合凍土溫度敏感性強，而交流電源會產(chǎn)熱大的因素，本實驗選用直流電，電壓選擇比較常見的12 V。

表1 不同材料電阻率Tab．1 Resistivity of different materials

1．4 測試方法的選擇

本試驗主要是對凍土電阻率進行靜態(tài)測試，因此在測試裝置選擇Miller soil box，本次試驗的試件是在多功能萬能試驗機上制作，試件尺寸為(h×φ)80 mm×39．1 mm，因此定制了凍土電阻率測試裝置，材質(zhì)為有機玻璃管，內(nèi)徑D為39．1 mm，長度L為80 mm，如圖1所示。

2 不同類型土電阻率對比分析

2．1 溫度與電阻率的關(guān)系

粉質(zhì)粘土、粉砂土及泥巖三種類型土的壓實度相同，均為85%，得出三者的干密度分別為1．61、1．49、1．29 g/cm3。

圖2和圖3分別為粉質(zhì)粘土、粉砂土及泥巖三種土在不同含水率下及不同干密度下電阻率隨溫度變化曲線。圖2(a)為粉質(zhì)粘土在14%含水率時溫度與電阻率關(guān)系，2(b)為粉砂土在16%含水率時溫度與電阻率關(guān)系，2(c)為泥巖在36%含水率時溫度與電阻率關(guān)系，三者的含水率都是在各自最優(yōu)含水率附近。通過圖2和圖3可知:粉質(zhì)粘土、粉砂土及泥巖三種土電阻率基本都隨溫度降低而急速增大，變化趨勢基本一致。三種土在不同含水率下及不同干密度下電阻率隨溫度變化曲線。圖2(a)為粉質(zhì)粘土在14%含水率時溫度與電阻率關(guān)系，2(b)為粉砂土在16%含水率時溫度與電阻率關(guān)系，2(c)為泥巖在36%含水率時溫度與電阻率關(guān)系，三者的含水率都是在各自最優(yōu)含水率附近。通過圖2和圖3可知:粉質(zhì)粘土、粉砂土及泥巖三種土電阻率基本都隨溫度降低而急速增大，變化趨勢基本一致。

不同初始含水率時電阻率與溫度相關(guān)曲線如圖2所示。由圖2可得粉質(zhì)粘土在低含水率下，如含水率為6%和8%時，凍土電阻率相較其他含水率，隨著溫度的變化，電阻率變化較大;粉砂土在各個含水率下，隨著溫度變化，凍土電阻率變化比較平緩;在不同含水率下，泥巖電阻率隨著溫度的變化值都較大，只有當(dāng)達到或超過最優(yōu)含水率后，電阻率變化才減小。

圖2 不同初始含水率時電阻率與溫度關(guān)系曲線Fig．2 Relationship between resistivity and temperature at different initial water contents

圖3 不同干密度時電阻率與溫度關(guān)系曲線Fig．3 Relationship curve of electrical resistivity and temperature under different dry densities

不同干密度時電阻率與溫度關(guān)系曲線如圖3所示。由圖3可知在最優(yōu)含水率附近，粉質(zhì)粘土、粉砂土及泥巖三者的電阻率值在不同干密度下，隨著溫度的變化都比較小，其中變化最小的是泥巖，變化最大的為粉砂土;電阻率變化最平順的是泥巖，其次是粉砂土，粉質(zhì)粘土在-1℃左右有較明顯的轉(zhuǎn)折。泥巖的不均勻系數(shù)為9．2，粉質(zhì)粘土為12．8，粉砂土為15．7，泥巖的不均勻系數(shù)最小，土顆粒分布最均勻，在初始含水率變化或干密度變化時，泥巖電阻率隨溫度變化最均勻，綜合以上土不均勻系數(shù)是影響溫度與土體電阻率關(guān)系的主要因素。

圖4 干密度變化時初始含水率與電阻率關(guān)系Fig．4 Relationship between initial moisture content and resistivity of dry density

2．2 初始含水率與電阻率的關(guān)系

干密度變化時初始含水率與電阻率關(guān)系如圖4所示。圖4分別為粉質(zhì)粘土、粉砂土及泥巖三種土在-17℃下電阻率隨體積含水率變化曲線。溫度變化時初始含水率與電阻率關(guān)系如圖5所示。圖5分別為粉質(zhì)粘土、粉砂土及泥巖三種土在壓實度為85%時電阻率隨溫度變化曲線，其中正溫用作對照。由圖4和圖5可知:粉質(zhì)粘土、粉砂土及泥巖三種土電阻率基本都隨初始含水率增大而先急劇減小后而緩慢增大，在最優(yōu)含水率附近，試件的電阻率達到最小值。

圖5 溫度變化時初始含水率與電阻率關(guān)系Fig．5 Relationship between initial water content and resistivity of temperature variation

由圖4可得在低含水率下，隨著初始含水率增大，試件電阻率降低最大的是粉質(zhì)粘土，其次的是泥巖，最小的是粉砂土;當(dāng)試件的電阻率達到最小后，隨著初始含水率的增加，試件電阻率增大最多的是泥巖，其次是粉質(zhì)粘土，最小的是粉砂土。由圖5可得隨著溫度的降低，三種土對初始含水率的變化更敏感，其中對比圖5(a)(b)(c)中-17℃下的曲線，很容易得出超過最優(yōu)含水率后，泥巖對初始含水率最敏感，其次是粉質(zhì)粘土，最不敏感的是粉砂土。

圖6 初始含水率變化時干密度與電阻率關(guān)系Fig．6 Relationship between dry density and electrical resistivity when initial moisture content changes

圖7 溫度變化時干密度與電阻率關(guān)系Fig．7 Relationship between dry density and electrical resistivity when temperature changes

綜合以上可知在初始含水率小于最優(yōu)含水率時，初始含水率對粉質(zhì)粘土電阻率影響最大，其次是粉砂土，最小的是泥巖;超過最優(yōu)含水率后，初始含水率對泥巖電阻率影響最大，其次是粉質(zhì)粘土，對粉砂土影響最小。粉砂土的顆粒粒徑最小，其次是泥巖，最大的是粉質(zhì)粘土，土的顆粒粒徑越小，其粘粒含量最多，與孔隙水接觸更充分，導(dǎo)電性越好，在最優(yōu)含水率前，初始含水率起控制作用，土粒粒徑可能是影響初始含水率與土體電阻率關(guān)系的主要因素;泥巖的不均勻系數(shù)為9．2，粉質(zhì)粘土為12．8，粉砂土為15．7，超過最優(yōu)含水率后，溫度起控制作用，溫度降低導(dǎo)致土體電阻率上升，而初始含水率增大導(dǎo)致土體電阻率下降，表現(xiàn)為粉砂土上升最少，泥巖上升最多，土顆粒不均勻系數(shù)是影響初始含水率與土體電阻率關(guān)系的主要因素［15-16］。

2．3 干密度與電阻率的關(guān)系

圖6為初始含水率變化時粉質(zhì)粘土、粉砂土及泥巖電阻率隨干密度變化曲線，圖7分別為粉質(zhì)粘土、粉砂土及泥巖三種土在最優(yōu)含水率附近電阻率隨干密度變化曲線，其中正溫用作對照。

由圖6和7可知:粉質(zhì)粘土、粉砂土及泥巖三種土電阻率基本都隨干密度增大而線性減小，變化趨勢基本一致。由圖6可得隨著干密度的變化，在低含水率下，三種土的電阻率變化都較大，隨著含水率增加，干密度變化對電阻率變化影響減小，其中影響最小的是粉質(zhì)粘土，其次是泥巖，最大的是粉砂土;由圖7可得在正溫及-3℃時，試件的電阻率隨干密度變化很小，隨著溫度的降低，干密度變化對試件電阻率影響變大，其中影響最大的是粉砂土，粉質(zhì)粘土對干密度變化最不敏感。粉質(zhì)粘土、泥巖及粉砂土的曲率系數(shù)分別為2．45、1．16及0．88，粉質(zhì)粘土的曲率系數(shù)最大，其土顆粒級配分布良好，粉砂土曲率系數(shù)最小，其中間粒徑缺失，顆粒級配分布很不均勻。綜合以上可得干密度變化對粉質(zhì)粘土的電阻率影響最小，其次是泥巖，影響最大的是粉砂土，土體顆粒級配良好，干密度對土體電阻率影響越小，土的曲率系數(shù)可能是影響干密度與土體電阻率關(guān)系的主要因素。

3 結(jié)論

(1)凍土電阻率隨溫度降低而急劇增大;隨著干密度的增大，溫度對凍土電阻率影響減小;隨著含水率的增加，溫度對試件電阻率影響減小，電阻率曲線趨于平滑。

(2)凍土電阻率隨其未凍水含量減小而增大。凍土電阻率隨土體初始含水率先急劇減小后緩慢增大，凍土電阻率在最優(yōu)含水率附近達到最小值。在初始含水率小于最優(yōu)含水率時，初始含水率對粉質(zhì)粘土電阻率影響最大，最小的是泥巖;超過最優(yōu)含水率后，初始含水率對泥巖電阻率影響最大，對粉砂土影響最小。

(3)凍土電阻率隨干密度增大而減小。隨著溫度降低，干密度變化對凍土電阻率影響增大;隨著含水率增大，干密度變化對凍土電阻率影響減小。干密度變化對粉質(zhì)粘土的電阻率影響最小，其次是泥巖，影響最大的是粉砂土。

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