新近系砂质黏土导电特性研究

杨铭斐，宋锦虎，王希斌，袁延召

(1.河南城建学院 土木与交通工程学院，河南 平顶山市 467036；2.中国平煤神马集团铁路运输处，河南 平顶山市 467000)

新近系的沉积层属于岩石-土的过渡性岩土体，即“半成岩”。它的性质复杂多变，是一类容易产生工程地质问题的岩土体[1-2]。深部工程活动中，会对此类岩土体产生扰动破坏，其变形破坏过程存在多种物理力学指标响应。其中，电阻率的变化是一项重要参数。研究荷载作用下新近系砂质黏土样的电阻率变化规律，有助于通过电阻率这一物理指标对工程中岩土体变形破坏阶段进行判别。

为获取岩土体在工程活动中电阻率的变化特征，国内学者对岩土体的电阻率特征进行了一系列研究。王恩元[3]对受载煤体的全应力-应变过程电阻率变化规律进行了测试，通过对采掘空间煤体电阻率进行连续监测，可将电阻率变化规律作为前兆信息，对煤岩变形灾害进行监测；饶平平[4]通过室内试验测出膨胀土与红黏土在不同温度、含水量条件下的电阻率变化情况，得出土体的电阻率变化存在临界值的结论；查甫生、刘松玉等[5-7]通过合肥膨胀土吸水膨胀试验以及膨胀过程中的同步电阻率测试，得出该方法具有连续性、快捷性与测试简便等优点，可有效应用于土的微结构变化定量研究；蒋建平、阎长虹等[8]通过室内电阻率试验和土工试验，对长江下游苏州-南通长江公路大桥地基中深厚软土电阻率特征及其与物理力学参数的相关关系进行了研究；付伟、汪稔等[9-10]为了研究青藏铁路路基在荷载作用下的力学行为，探索新型手段快速准确地估计冻土的单轴抗压强度参数，在室内进行了不同温度的冻土单轴压缩试验，并全过程监测土样电阻率的变化，得到了冻土的应力-应变-电阻率全过程曲线。

上述文献对于岩土体电阻率的研究大多是静态的特定工程土样或室内重塑土样，通过电阻变化反应岩土体变形、破坏等结构变化特征在方法上、理论上都较少。而工程活动中岩土体常常处于动态环境中，尤其是深部地下工程活动，对其宏观破坏失稳的监测和预测往往是工程安全的关键。本文通过自建电阻率测试系统，测试分析新近系“半成岩”沉积层砂质黏土原状土样在应力-应变全过程中电阻率的变化规律及突变点的响应机制，总结受荷作用下原状土样破坏不同阶段对应的电阻率变化规律，为通过电阻率监测并反映工程活动中此类土失稳破坏规律奠定基础。

1 实验

1.1 实验系统

实验系统由连续加载装置、变形采集元件和电阻率测试系统三部分组成，如图1所示。通过WES-D1000型电液压伺服万能试验机控制和监测应力-应变过程，采用SYSCAL-R2直流电法仪和改进电极记录试样的导电性变化过程。

图1 无侧限单轴压缩试验电阻率测试装置

1.2 实验准备

土中的水与土颗粒接触形成固-液导电通道，孔隙水形成孔隙水导电通道，这两种方式都是土体导电的主要方式和途径，因此土的含水量大小很大程度上主导了土的导电性能。通过制备黏粒含量30%(300目膨润土)、击实次数N=20、含水率w分别为6%、7.5%、9%、10.5%、12%、13.5%、15%的7组标准重塑土样，通过电阻率测试可绘制ρ-ω曲线，如图2所示。

图2 静态电阻率测试和重塑土样ρ-ω曲线

实验所需土样取自泉店煤矿场地，取3组不同埋深的砂质黏土原状土样，拆封后使用岩样切割机切割成设计长度，用纱布磨平两端，使试样端面光滑、平整，保证受压时接触良好。土样制成后立即密封放入保湿缸中备用。3组土样的各项指标见表1。

表1 土样参数

3组原状土样含水量不同，静态电阻率测试的电阻率大小也不同。通过连续测试原状土样受荷破坏过程，在原含水条件下分析总结土样电阻率变化与破坏阶段的对应关系，是实验研究的重点。

2 实验结果及分析

2.1 导电性-应变关系

3组取自不同埋深砂质黏土试样的电阻率-轴向应变关系曲线如图3所示。由图3可知，3组砂质黏土样的电阻率随土样轴向应变增大整体呈上升趋势。

具体过程可分为三个阶段：土样处于压密、弹性阶段，此时土体结构未破坏，孔隙中气体受挤压被排出，电阻率降低；土样开始进入塑性变形阶段，土样表面出现裂隙，结构发生破坏，与此对应，该阶段电阻率开始增大，导电性降低；土样进入屈服阶段，试样表面出现裂隙，结构发生破坏，该阶段电阻率升高，导电性下降。其中，N3号土样ρ-ε曲线在应变达到1%时电阻率升高，但随后电阻率又再次减小，由于N3号土样前期整体未进入屈服阶段前，局部发生了短暂的塑性变形，因此ρ-ε曲线表现为曲折上升状态。

图3 电阻率-轴向应变关系曲线

2.2 荷载作用下电阻率特征曲线变化规律分析

该土样无侧限单轴受压过程可划分为三个变形阶段：压密阶段、弹-塑性变形阶段、屈服阶段。三个阶段中，原状土样结构不断发生变化，节理裂隙可能会张开、闭合、弯曲 、截断、连通等，使导电通路发生变化，从而转化为电阻率的变化，由此可建立应力-应变-电阻率的对应关系，如图4所示。

图4 应力、应变与电阻率关系曲线

(1)压密阶段OA，土样的变形以压密为主。原状土样内部原始发育的微裂隙、微孔隙在持续的压力作用下发生闭合。此阶段内电阻率的变化与土样的压密程度和初始含水量有关。3组土样OA段电阻率随土样压密程度的增大呈降低趋势，并最终达到最小电阻率T1。

(2)弹性-塑性变形阶段AC，即初始破坏阶段，前期的持续压密和弹性变形后期会出现小规模的裂隙，电阻率开始增大，但基本不破坏土样的结构，此阶段电阻率整体较为平稳。N3号、N1号土样AC段电阻率都无较大变化，T1点后，T2点出现前电阻率小幅度升高主要由于破坏裂隙初现。N2土样电阻率在T1点后陡升，主要是因为土样含水量较低，在未出现主裂隙面和未达到强度峰值前，土样表面即发生较为严重的破裂、掉块现象。

(3)屈服阶段CD，随着微小裂隙的进一步发展，微裂隙的相互作用增强以致最终贯通，形成一条贯穿土样的主裂隙，体积增大。该阶段土样变形急剧加速，若破裂位置含水量较高，能够形成裂隙水连通通道则电阻率陡降；若未发生水连通则导电性因孔隙气体的隔断而不良，电阻率陡升。本次试验N1、N2、N3号土样均表现为电阻率陡升，对应突变点为T2，此时土样主裂隙、屈服点出现，因此该阶段电阻率的陡升与土体的裂隙发展和扩容现象关系密切，若利用电阻率陡变点判断屈服点，具有一定的可行性[11-13]。

根据讨论分析可知，在应力-应变过程中土样的电阻率变化存在两个突变点，分别为T1、T2。T1点为电阻率值的最低点，此时土体压密到最大程度，原有的微裂隙、微孔隙闭合，且土样未发生任何破坏，T1点后土样进入弹-塑性变形阶段，开始出现小的裂隙，并逐渐扩展，电阻率上升，但土样并未完全破坏，主裂隙面未形成；T2点电阻率再次上升，土样达到峰值强度，主裂隙面形成。

2.3 变形破坏过程中裂隙发育与电阻率关系

土样达到强度峰值后裂隙持续发育最终形成一条倾斜贯穿整体的主裂隙，主裂隙附近伴生许多小微裂隙，土样裂隙体积V显著增大，土样横向膨胀，电阻率陡升。试样受压破坏后形成的贯穿裂隙见图5、图6。

在土样压缩变形的初期压密阶段OA，土样内部微孔隙闭合，如图6(a)所示；弹性-塑性变形阶段AC，出现小规模破裂，并伴随土样顶端受压面局部破碎掉渣，如图6(b)所示；屈服阶段CD，裂隙进一步发展，方向与最大主应力作用面有一定夹角，且贯通土样，如图6(c)所示。

根据应变、电阻率关系曲线可以划分土样变形破坏的各个阶段，如图7所示。

图5 三组土样主裂隙发育图

图6 土样变形破坏模式

图7 裂隙发育阶段-电阻率关系

3 结论

通过无侧限单轴受压过程试验，测试了新近系砂质黏土受压作用下变形破坏过程的电阻率变化特点，建立了荷载作用下应力-应变-电阻率的对应关系，结论如下：

(1)原状土无侧限单轴压缩试验过程中，ρ-ε曲线具有阶段性，应变增大初期电阻率变化较小，并主要表现为稍降趋势；应变增大中后期电阻率变化较大，主要表现为上升趋势，并在土样进入屈服阶段后陡升。

(2)由3组原状土样应力-应变与电阻率关系曲线可知，电阻率的变化和土样压缩阶段有对应关系。压密阶段OA，电阻率呈现降低的趋势，但变化不大；弹性-塑性变形阶段AC电阻率整体较为平稳；屈服阶段CD电阻率的陡升，对应突变点为T1、T2，T1为电阻率最低点，预示压密阶段结束，T2为屈服点，预示到达峰值强度及破裂面形成。

(3)根据原状土样变形破坏特征绘制了变形破坏模式图，并建立了裂隙发育阶段-电阻率对应关系，为工程活动中土体破坏阶段的监测判别提供依据。利用受扰动土体的这一物理参数的变化对土体失稳破坏进行监测和预报。