击实非饱和黏土电阻率特征实验研究

击实非饱和黏土电阻率特征实验研究

李方

1南京河海大学地球探测与信息技术系，江苏南京（210098）

E-mail：lifang821113@163.com摘 要：本文主要通过实验手段来研究击实土样的电阻率特性、电阻率的影响因素及其与土体物理性质指标的关系。土样击实后含水率对电阻率的影响为：在含水率较低时，电阻率随含水率的增加而降低，但含水率超过一定数值（22%）后影响程度较低；饱和度的影响是：随着饱和度的增加，电阻率降低；孔隙率和干密度的影响是：随着它们的增加达到一定值（100Ω·m）后呈减小趋势；随着土样密度的增大电阻率减小；随着无侧限抗压强度的增加先平缓直线增加，后当无侧限抗压强度增加到120kPa后呈指数上升，可用两条曲线拟合得到电阻率与无侧限抗压强度之间的关系。 关键词：电阻率 实验 击实黏土

1. 引言

土的电阻率是表征土体导电性的基本参数，是土的固有物性参数之一。土的电阻率实际上就是当电流垂直通过边长为lm的立方体时所呈现的电阻大小，单位为：Ω·m 。物质的电阻率越低,其导电性越好；反之物质的电阻率越高,其导电性就越差。

随着科学技术的不断发展，虽然基于静电场理论的物探方法在岩土工程中应用愈来愈广泛

[1-11]

，但该应用还处在定性解释阶段

[10]

[3,4.5]

，仅局限于室内试验研究

[1.2.10]

，原位测试

[8.9.11]

，

岩土层的划分等，只能作为一种辅助手段，很难根据其电阻率数据分析岩土层真实情况。

[1.2.3.5.7.8]

关于电阻率和土的工程性质关系研究，目前还没有见到相关的系统叙述。由于土电阻率不仅受含水量、饱和度和土颗粒粒径状况

[7.8.9]

等因素影响，而且还和土体本身以及其中的孔隙液

有关。因此，本文通过室内实验，旨在研究黏土土样的电阻率特性，具体有哪些因

素影响因素以及一些指标间的关系是本文的主要内容。

2. 材料和方法

2.1 土样

土样取自某高速公路，黄色，黏性比较大，有膨胀性，为低液限粘土(CL),其颗粒级配曲线如图1。

10090小于某粒径的土粒含量(%)8070605040302010010.10.01土粒粒径(mm)0.0010.0001 图1 土颗粒级配曲线 Fig1 Particle size distributions of the Soil - 1 -http://www.paper.edu.cn 2.2.1 测试装置

四极法测量土壤电阻率装置如图2所示。电阻率测量装置有两电极[4.10]和四电极[1.2]两种。

测量的时候先在地面插入四个电极A、M、N 、B，埋入深度一致，使用稳压电源E 向外侧电极A 和B施加电流，电流由电极A 流入，由电极B 返回电源，这时电流场将在电极上产生电势，可以用电位差计或者高电阻电压表测量电极M 和N 间的电位差。本实验应用重庆奔腾数控技术研究所生产的WDDS-1数字电阻率仪，其中A、B、M和N为四个铜电极，外接电压为22.6V的直流电。因击实出来的土样为高11.6cm，直径为10.2cm的圆柱型试样，根据这样的，我们选定了AB间距离L=9 cm，使AM=MN=AB=L/3=3cm,以便比较含水率不同时电阻率的变化。在实验过程中以饱和CuSO4溶液抗极化作用。

AEvA M N B土 样L 图2 四电极电阻率测试装置示意图 Fig2 Four electrodes resistivity measurement system 2.2.2 样品制备 试验方法： （1）干法制备试样,计算所需的加水量（拟才用15％、20%、21.98%、25%、30%），用喷雾器喷洒预计的水量，拌匀，然后装入塑料袋内扎紧，润湿一昼夜备用。测定润湿土样不同位置的含水率，要求差值不大于±1%； （2）称取一定质量（2~5kg）试样，倒入击实筒内，按照轻型击实试验要求分三层击实，每层25击。修平，擦净筒外壁，称试样和土的总质量，计算试样的湿密度。推出试样，从中取出两个代表性试样测定含水率； （3）对不同含水率的试样依次击实； （4）计算试样的干密度，及其它物理性质指标； （5）将土样利用千斤顶顶出 ，用保鲜膜包裹试样以便进行电阻率的测量。 2.2.3测试步骤 11.6cm12土样10.2cm34沿土样表面的测线 图3 土样表面和横截面的测线布置图 Fig3 The survey lines of lime-stabilized soil sample 测试具体过程如下： （1）把击实出来的土样按极距为9cm测量土样表面的电阻率； - 2 -http://www.paper.edu.cn （3）按无侧限抗压强度试验要求，切割土样，并测量土样无侧限抗压强度； （4）准备下一组实验。

3 结果与分析

3.1 电阻率与含水率的关系

土的导电性涉及两个不同过程:通过孔隙水导电与颗粒表面导电。因而有两个主要参数控制了土体导电性能的大小: (1)孔隙水的含盐量与饱和度；(2)颗粒表面吸附特征与颗粒之间的连结特性。土颗粒的含水量越多，水中所含的盐量就越多，电阻率相应就越低。通过测量击实土样中，得到不同含水率下的电阻率的关系（如4图所示）：随着含水率的增加电阻率呈递减趋势。在含水率为15%时电阻率最大约为100Ω·m，含水率为30%时的电阻率降到低于40Ω·m。在含水率为15%～22％的增加过程中，电阻率下降较快，而含水率在22%~30%的增加过程中，电阻率减小较慢，基本上趋于水平。

120120100100电阻率R（Ω·m）6040电阻率R（Ω·m）10152025303580806040202000405060708090100含水率ω（%）饱和度Sr（%）

图4 含水率与电阻率的关系图 图5饱和度与电阻率的关系

Fig4 The relationship between water content Fig5 The relationship between water saturation and electrical resistivity and electrical resistivity

3.2 电阻率与饱和度的关系

120100电阻率R(Ω·m)120100电阻率R(Ω·m)806040200383940414243孔隙率n（%）4445468060402001.41.451.51.55干密度ρd(g/cm3)1.61.65 图6 孔隙率与电阻率的关系图 图7 干密度与电阻率的关系 Fig6 The relationship between porosity ratio Fig7 The relationship between dry density and electrical resistivity and electrical resistivity 与土的电阻率密切相关的还有孔隙水的饱和度。通过计算不同含水率下土样的饱和度，得到饱和度与电阻率的关系，如图5所示。随着饱和度的增大，电阻率减小。 3.3 电阻率与孔隙率、密度及干密度的关系 即使土样的含水率相同，但是由于颗粒的组成及排列也影响电阻率，而衡量颗粒组成的 - 3 -http://www.paper.edu.cn

120100电阻率R(Ω·m)8060402001.65120100电阻率R（Ω·m）8060402001.71.751.81.85密度ρ(g/cm3)1.91.952020406080100120140160无侧限抗压强度P（kPa）

图8 密度与电阻率的关系图 图9无侧限抗压强度与电阻率的关系 Fig8 The relationship between density Fig9 The relationship between unconfined and electrical resistivity compression strength and electrical resistivity

3.4 无侧限抗压强度与电阻率的关系

土的强度是用来衡量土的工程应用的一个主要因素。作为土的三轴抗压强度的简化，本试验测量了无侧限抗压强度，并得出它与电阻率的关系，如图9所示：随着无侧限抗压强度的增加，电阻率先平缓直线增加，后当无侧限抗压强度增加到120kPa后指数上升。用两条曲线拟合得到电阻率与无侧限抗压强度之间的关系如公式（1）所示，拟合后的曲线如图10。

⎧R=0.0651P+34.245

⎨0.0295P⎩R=1.4738e

120100P≤120kPaP≥120kPa

（1）

电阻率R（Ω·m）80y = 1.4738e0.0295xR2 = 0.9758604020y = 0.0651x + 34.245R2 = 0.92240020406080100120140160无侧限抗压强度P（kPa）

图10无侧限抗压强度与电阻率的曲线拟合

Fig10 The curve fitting between unconfined compression strength and electrical resistivity

4. 结论

（1）随着含水率的增加电阻率呈递减趋势。在含水率为15%时电阻率最大约为100Ω·m，含水率为30%时的电阻率降到低于40Ω·m。在含水率为15%～22％的增加过程中，电阻率下降较快，而在22%~30%的增加过程中，电阻率减小教慢，基本上趋于水平；

- 4 -

http://www.paper.edu.cn

（3）随着孔隙率和干密度的增加先是增加，在达到最大值（100Ω·m）后呈减小趋势，随着土样密度的增大电阻率减小；

（4）随着无侧限抗压强度的增加先平缓直线增加，当无侧限抗压强度增加到120kPa后呈指数上升。用两条曲线拟合得到电阻率与无侧限抗压强度之间的关系。前半部分为直线，后半部分为指数曲线。

参考文献(References)：

Z. S. Abu-Hassanein , C. H.Benson and L. R.Blotz, Electrical resistivity of compacted clays[J], ASCE Journal

of Geotechnical Engineering, 1996, 122(5) : 397~406

[2] R.J. Kalinski,Member,ASCE and W.E. Kelly,Members ASCE. Electrical –resistivity measurement for

evaluating compacted-soil liners [J].Journal of Geotechnical Engineering, 1994 , 120 (2):451~456

[3] Okan Tezel and Ferhat Ozcep, Relationships of electrical resistivity and geotechnical parameters [C].

International Coference on Earth Sciences

[4] Sam-Gyu Park and Jung-Ho Kim.Geological Survey by Electrical Resistivity Prospecting in Landslide Area

[J]. Geosystem Engineering, 2005, 8(2), 35-42

[5] M.Fukue,T.Minato,H.Horide,et al.. The microstructures of clay given by resistivity measurements [J].

Engineering geology, 1999, 54:43-53

[6] R. Herman .An introduction to electrical resistivity in geophysics [J]. Am.J.Phys, 2001, 69(9):943~952.

http://ojps.aip.org/ajp/

[7] D. P. LESMES and S. P. FRIEDMAN. Relationships between the electrical and hydrogeological properties of

rocks and soils [J] . Y. Rubin and S. S. Hubbard (eds.), Hydrogeophysics, 87–128.@. 2005 Springer. Printed in the Netherlands.

[8] G. Lim Yoon, J. B. Park, Sensitivity of leachate and fine contents on electrical resistivity variations of sandy

soils[J].Journal of Hazardous Materials, 2001, 84: 147–161

[9] M.Fukue.Use of a resistivity cone for detecting contaminated soil layers [J]. Engineering geology,

2001,60:361-369

[10] Tamotsu Matsui . Relationship between electrical resistivity and physical properties of rocks [J]. Proceedings

of An International Conference on Geotechnical & Geological Engineering,“GeoEng2000”, Melbourne, Australia, G0987

[11] G. Lim. Yoon, M. H. Oh, J. B. Park. Laboratory study of landfill leachate effect on resistivity in unsaturated

soil using cone penetrometer [ J ]. Environmental Geology, 2002, 43 : 18～28.

[1]

Electrical Resistivity of Compacted Unsaturated Clay by

Experiment Study

Li Fang

1 Department of Geotechnical Engineering and HoHei University,Nanjing,PRC

(210098)

Abstract

This paper studied the electrical resistivity characteristics after compaction, and the influence factors of resistivity, The relationship between resistivity and other physical properties are studied too.The relationship between resistivity and water content of soil samples after compaction are that the resistivity decreased when the water content increased, but the influence degree became small when water content reach to about 22%. The resistivity decreased with the water saturation increased. The influence of the porosity ratio and dry density to resistivity are that the resistivity increased to about 100Ω·m,then decreased with the increase of porosity ratio and dry density, the resistivity increase when the density decrease. The relationship between unconfined compression strength and electrical resistivity are that the resistivity gentle increase when the unconfined compression strength increased, when the unconfined compression strength increase to about 120kPa ,the resistivity increase as exponential curve.the relationship can use two different curve to fitting them ,the first one is liner,the second one is exponential curve.

Keywords: Electrical Resistivity Experiment Compaction clay

- 5 -