水玻璃固化黄土过程中电阻率参数的试验研究

黄凤凤，周 伟，刘彦忠，2，董晓强，2

(1.太原理工大学 建筑与土木工程学院，山西 太原030024;2.山西省交通科学研究院 黄土地区公路建设与养护技术交通行业重点实验室，山西 太原030006)

0 引 言

硅化法作为一种典型的化学注浆法在处理湿陷性黄土地基、软土地基、填土地基以及加固既有建筑物地基等方面取得了良好的效果［1-4］。硅化法加固土体的机理在于将硅酸钠溶液注入土体后，其溶液中的Na+与黄土中的Ca2+、Mg2+发生置换反应产生硅胶，从而达到加固土体的目的［5-8］。一直以来，许多从事岩土工程的专家和工程师都对硅化法中使用的浆液成分和注浆方法做了改进［9-11］，但在工程实践过程中，土体结构受施工环境、施工方法等因素的影响较大，特别是在硅化法施工时，虽然有较好的加固效果，但会产生较大的附加沉降［12］，因此，在硅化法注浆加固过程中，需要对被注浆土体结构进行连续的监测，以保证工程质量，并指导注浆加固效果的评价。电阻率法是一种快捷、方便、无损的土体检测方法，众多的专家学者将其应用于岩土工程的研究中，并且取得了许多有益的成果［13-15］。土电阻率的影响因素较多，包括土的孔隙率、土颗粒排列形状、固体颗粒成分、孔隙水充填率和胶结状态等［16-17］。

本文采用改造后的固结装置，对施加上部荷载的重塑黄土注射水玻璃，模拟硅化法加固黄土，观测固化过程中黄土的附加变形，同步测试电阻率的变化，结合土体结构变化探讨电阻率变化机理，以拓展电阻率法在黄土硅化加固监测等方面的应用。

1 试验材料与方法

试验采用太原黄土，呈黄色，粉土，土质较均匀。其基本物理指标见表1，颗粒分析曲线见图1，湿陷曲线见图2。将原状黄土碾碎、烘干、过筛，按照15%的含水量加水拌和均匀，装入塑料袋密封后标准养护24 h，使土样中水气分布平衡。

表1 黄土基本物理指标Tab.1 The basic physical properties of the soil

图1 黄土的颗粒级配曲线Fig.1 Particle size analysis curve of loess

图2 湿陷曲线Fig.2 Collapsible curve

水玻璃注浆固化试验在改造后的一维固结仪上进行，如图3 所示。图中环刀为自制的高强度绝缘塑料环刀(内径为80 mm，高度为30 mm)，在环刀内壁的4 个方向粘有4 片长方形铜电极片(高为10 mm，宽为5 mm)，用以测试土样横向阻抗;环刀上部和下部透水石与土样的接触面中心均粘有1 片铜电极片(直径为33 mm)，用以测试土样竖向阻抗;铜电极片上均有导线引出与LCR 数字电桥相连。环刀内壁电极片分布如图4 所示。试验分别测试了图示1-3 方向和2-4 方向重塑土的横向阻抗，最后取平均值得到黄土的横向阻抗值。为方便向土样注入水玻璃，在上透水石上打8 个分布均匀的注浆孔，注浆孔分布如图5 所示。

将上述重塑黄土置于图3 装置中，干密度控制为1.2 g/cm3，对土样施加50 kPa 的荷载，待受压稳定后，使用注射器从土样上部注入水玻璃(浓度为20%)，水玻璃溶液与土体孔隙体积比为0.2∶1，然后观测不同固化时间土样的附加变形，并测试土样在不同电流频率下的竖向和横向阻抗(电流频率分别为50、102、5×102、103、5×103、104、5×104、105、5×105、106Hz)。

将数字电桥测得的阻抗值经过式ρ=|Z|·S/L 换算得到电阻率值，其中，ρ 为电阻率值(Ω·m);|Z|为阻抗值(Ω);S 为铜电极片面积(m2);L 为电极片之间的距离(m)。

图3 改造后的黄土固结装置Fig.3 Developed consolidation device

图4 环刀内壁电极片分布图Fig.4 Distribution of electrodes

图5 注浆孔分布图Fig.5 Distribution of grouting hole

2 电阻率结构特性参数

国内外众多学者对土的电阻率特性做了大量而有益的研究工作，提出了电阻率结构特性参数，并用于土的结构研究，主要包括结构因子F、形状因子f 和各向异性系数A。

2.1 结构因子F

土的孔隙结构和稳定性通过结构因子F(无量纲)反映。表达式如下:

2.2 形状因子f

形状因子f(无量纲)是反映土颗粒间胶结作用和描述土体颗粒形状特征的参数，其表达式如下:

2.3 各向异性系数A

各向异性系数A(无量纲)可反映土体颗粒的定向排列和各向异性大小，表达式如下:

式(1)～(5)中，ρV、ρH分别为土竖向和横向电阻率值(Ω·m);ρw为土中孔隙水电阻率值(Ω·m);FV、FH分别为土竖向和横向结构因子;为土平均结构因子;n 为孔隙率(%)为土平均形状因子;A 为土各向异性系数。

3 试验结果与分析

3.1 电流频率对电阻率影响

图6、图7 为固化过程中不同时间点测得的土竖向电阻率—电流频率关系曲线、横向电阻率—电流频率关系曲线。在图6 和图7 中A 直线(5×104Hz)、B 直线(5×104Hz)的两边，曲线呈现不同的变化趋势，即当电流频率范围为50 ～5×104Hz 时，竖向和横向电阻率均随电流频率的升高而急速下降。当电流频率范围为5×104～1×106Hz 时，竖向和横向电阻率随电流频率升高而趋于稳定。由此可见，电流频率对电阻率值的影响不容忽视，当采用交流电测试土电阻率时，电流频率的选取显得尤为重要。基于以上结果，较合理的电流频率范围为5×104～1×106Hz，此范围内电流频率对电阻率值的测试影响最小。测试为方便比较，下文均采用电流频率为5×104Hz 下测得的数据进行分析。

图6 土样竖向电阻率与电流频率关系Fig.6 Relationships between vertical resistivity and frequency

3.2 附加变形与固化时间关系

根据注浆试验和湿陷试验分别得出了土体的附加变形量和湿陷量，并绘制了黄土的附加变形量—固化时间—湿陷量关系曲线，如图8 所示。依据附加变形量、湿陷量随固化时间变化规律，可将图8 中两条曲线划分为3 个阶段:快速上升段(约100 min 前)、缓升段(100 ～200 min)和平稳段(200 min 后)。由图8 可知，水玻璃固化黄土会产生一定的附加变形，在平稳段，附加变形超过湿陷量的1/3。因此，在实际工程中必须考虑注浆产生的附加变形对建筑物的影响。

图7 土样横向电阻率与电流频率关系Fig.7 Relationships between horizontal resistivity and frequency

图8 附加变形量—固化时间—湿陷量曲线Fig.8 Curves of addition displacement-solidified time-collapse selltlement

3.3 横向和竖向电阻率随固化时间的变化规律

图9 为黄土固化过程中竖向电阻率与固化时间的关系曲线。图10 为黄土固化过程中横向电阻率与固化时间的关系曲线。可以看出:随固化时间的增加，竖向和横向电阻率均呈先减小后稳定的趋势，且减小趋势主要集中在注浆后初始阶段(约200 min 之前)，200 min 之后，竖向与横向电阻率减小的幅度与速率都变缓显著，最终趋于稳定。对比图8，随着固化时间的增加，重塑黄土的横向和竖向电阻率变化大致可划分为3 个不同的变化阶段:快速下降段(约100 min 前)、缓降段(100 ～200 min)和平稳段(200 min 后)。结合土体发生的化学反应，可以从以下两个角度来解释竖向与横向电阻率的变化规律。

①影响土体导电有很多因素，孔隙水导电是其中重要的因素之一，所以土体的导电能力很大程度上取决于孔隙水的导电能力。注浆后，水玻璃迅速填充土体孔隙，土体孔隙水中导电阳离子(Na+)大量增加，孔隙水导电能力增强，土体导电能力增强，电阻率减小，电导率增大，因而黄土注浆后初始阶段，其竖向与横向电阻率均不断减小。随着置换反应的进行，在土颗粒表面形成硅酸凝胶藻膜，产生的大量硅胶导致土中的毛细管网被堵塞，随着硅胶逐渐增厚和硬化，土体孔隙水通道被堵塞，导电通路减少。因此，土体竖向和横向电阻率减小的速度和幅度都减缓并最终逐渐稳定。

②含水量与饱和度是能够明显影响土的电阻率的两个因素，两者增大均能够导致土导电能力增强。在土中注入水玻璃后，黄土的含水量和饱和度均增大，因而竖向与横向电阻率不断降低。随着反应的进行，土中逐渐形成硅胶固体，土中液态水减少，竖向和横向电阻率逐渐保持稳定。

图9 土样竖向电阻率与固化时间关系Fig.9 Relationship between vertical resistivity and solified time

图10 土样横向电阻率与固化时间关系Fig.10 Relationship between horizontal resistivity and solified time

3.4 平均结构因子随固化时间的变化规律

图11 示出了不同电流频率下孔隙水的电阻率，根据式(1)～(3)可计算出平均结构因子。图12 示出了黄土固化过程中平均结构因子与固化时间的关系曲线。可以看出:随着固化时间的增加，平均结构因子先减小，最终保持稳定。

平均结构因子随固化时间变化的曲线大致可划分为3 个不同的阶段:溶解阶段、置换阶段和固结阶段。

①溶解阶段(约100 min 前):平均结构因子急速减小，变化幅度很大，表明此阶段土体结构变化很剧烈。这是由于在已经达到一个相对稳定状态下的土体中注入水玻璃后，水玻璃浆液具有溶解作用，使得原本稳定的土体结构再次破坏，结构性减弱，平均结构因子减小。

②置换阶段(100 ～200 min):本阶段水玻璃溶液中的Na+与黄土中的Ca2+、Mg2+发生置换反应，产生的硅胶造成土颗粒位置发生改变，土中产生的硅胶越来越多，但尚未硬化，土体强度未有提高，平均结构因子继续降低。

③固结阶段(200 min 后):本阶段土体中置换反应逐渐完成，胶膜逐渐增厚和硬化，从而增强土粒间的联结、堵塞土颗粒间隙，使得土的强度得到提高，能够承受原有的上部压力，土体结构达到稳定，平均结构因子逐渐保持稳定。

图11 不同电流频率下孔隙水的电阻率Fig.11 Electrical resistivity of pore water based on different electrical current frequencies

图12 平均结构因子与固化时间关系Fig.12 Relationship between average formation factor and solified time

3.5 平均形状因子随固化时间的变化规律

图13 为黄土固化过程中平均形状因子与固化时间的关系曲线。可见，随着固化时间增加，平均形状因子先减小，最终保持稳定。

对比图12 和图13 可见，平均形状因子与平均结构因子的变化规律基本一致，也可将平均形状因子与固化时间的关系曲线划分为3 个不同阶段。

①溶解阶段(约100 min 前):此阶段平均形状因子减小的速度和幅度均较大，表明土胶结强度剧烈下降，土颗粒之间的胶结作用急剧减弱。这是由于在注入水玻璃之后，土中孔隙液增加，土体饱和度增大，在上部压力的作用下造成土颗粒滑移，胶结强度减弱，平均形状因子减小。

②置换阶段(100 ～200 min):平均形状因子继续减小，但减小的幅度相对溶解阶段变小。本阶段土体中阳离子间发生置换反应，有硅胶产生，硅胶尚未凝固，土体胶结强度继续减弱，平均形状因子减小。

③固结阶段(200 min 后):平均形状因子基本处于稳定状态。此阶段固化反应逐渐完成，土中产生了大量硅胶，土体结构逐渐保持稳定，这一阶段的变形量很小，平均形状因子逐渐趋于稳定。

3.6 各向异性系数随固化时间的变化规律

图14 为黄土固化过程中各向异性系数与固化时间的关系曲线。可以发现，黄土的各向异性系数随着固化时间的增加先快速增大而后呈稳定趋势。在固化初期(200 min 前)，各向异性系数增大速度和幅度均较大;随着固化时间的增加，各向异性系数增大幅度逐渐变缓，最终趋于稳定。

在溶解阶段和置换阶段，各向异性系数增大的原因在于，在土中注入水玻璃后，土中导电离子增多，化学反应产生的硅胶导致土的电阻率减小，竖向的减小幅度相对横向的小，从图9 可知，水玻璃与土之间的化学反应前期是土的附加沉降量增大较明显的阶段，此阶段土颗粒发生滑移，位置发生改变，也导致了各向异性系数的增大;固结阶段，土中的各种物理化学反应的完成，土样趋于稳定，黄土的各向异性系数也逐渐稳定。

图13 平均形状因子与固化时间关系Fig.13 Relationship between average shape factor and solified time

4 结 论

通过对重塑黄土注射水玻璃，进行连续竖向及横向电阻率测试，研究了固化过程中电阻率结构特性参数的变化规律，探讨了土体结构变化机理，得出了以下结论。

①试验测试时，电流频率对电阻率值的影响明显，且不容忽略，建议选用电流频率范围为5×104～1×106Hz。

②竖向和横向电阻率均随着固化时间的增加先减小，最终保持稳定，且两者的减小过程均集中在注浆后初始阶段(约200 min 前)，之后，竖向和横向电阻率逐渐趋于稳定。

③依据土的平均结构因子随固化时间的变化曲线，可将黄土硅化固化过程划分为3 个不同阶段:溶解阶段、置换阶段与固结阶段。平均结构因子随固化时间的增加先减小，最终保持稳定。平均形状因子的变化规律与平均结构因子一致。

④各向异性系数随固化时间的增加先快速增大并最终趋于稳定。

图14 图14 各向异性系数与固化时间关系Fig.14 Relationship between electrical anisotropy index and solified time

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