干湿循环作用下红黏土无侧限抗压强度与电阻率关系研究

陈议城，黄翔，陈学军*，丁翔，徐科宇

(1.桂林理工大学 土木与建筑工程学院，广西 桂林 541004；2.广西岩土力学与工程重点实验室，广西 桂林 541004)

0 引言

红黏土是碳酸盐类岩石在湿热气候条件下，经强烈风化残坡积和红土化作用后形成的一种典型的区域性特殊土[1]。其具有与膨胀土类似的胀缩特性，即具有“吸水膨胀，失水收缩开裂”的典型水敏性效应，对环境的湿热变化的敏感性异常强烈[2]。而红黏土大多分布在湿热多雨的热带、亚热带地区，时有交错出现持续强降雨和高温干旱的极端气候，在这种交错出现的极端气候作用下，红黏土路基工程、边坡工程等容易产生裂隙、力学性质弱化现象，甚至发生滑坡、塌陷等灾害，对人民生命财产安全产生严重的威胁。因此，研究干湿循环作用下红黏土强度特性弱化规律具有重要意义。众多学者主要利用室内土工试验及相关微观分析技术对干湿循环作用下的红黏土相关力学特性弱化规律及微观机制进行研究[3-8]。虽然常规土工试验可以得到较准确的数据，但往往需要大量取样，费时耗力，在现场无法做到实时监测且容易对现场土体造成破坏；微观分析技术极大地促进了土体微观结构的定量分析，有助于红黏土力学特性弱化微观机理的研究，但其设备较为昂贵，测试费用较高，不利于推广应用。

应用地球物理方法解决实际工程问题是近几年发展起来的前沿研究领域,电阻率法是该领域蓬勃发展的一个重要方面，由于其在实际现场方面具有连续全面、快速准确、原位无损等特点，已被广泛应用于环境岩土工程研究中[9]。电阻率是岩土体固有物性参数之一，用来表征岩土体导电性大小，即当边长1 m的立方体土体被电流垂直通过时所呈现的电阻的大小[10]，单位为Ω·m。自从ARCHIE[11]将土的电阻率与土的结构联系起来，提出适用于饱和无黏性土、纯净砂岩的电阻率模型以来，国内外众多学者对土的电阻率开展了大量的理论分析与试验研究工作，也取得了许多有益的成果。KELLER等[12-14]提出了适用于不同条件下的土体电阻率模型。SON等[15]通过室内试验，探讨了一些影响因素对土体电阻率的影响。国内学者LIU等[16-17]率先将电阻率法应用于水泥土的研究中。查甫生等[18]在Mitchell三元导电模型基础上，优化推导出更加准确的非饱和黏性土的电阻率结构模型。刘国华等[19-20]等分别通过室内正交试验和自行研发的ESEU-1型电阻率测试仪对土体进行测试，总结分析了土体电阻率的影响因素。周密等[21]通过室内试验探讨了土壤电阻率的测量影响因素。聂艳侠等[22]通过室内试验对土壤电阻率与饱和度的定量关系进行了研究。众多研究大多集中在对土体电阻率这单一参数的理论分析和室内静态试验研究，对电阻率这一地球物理参数与其他参数的关系研究尚处于起步阶段，特别有关土体强度特性与电阻率特性关系方面的研究更为罕见，如何利用电阻率这一土体固有属性快速评价土体强度特性是一个值得研究的问题。因此开展干湿循环作用下红黏土强度特性与电阻率关系研究具有重大的学术价值和现实意义。

本文通过开展室内无侧限抗压强度试验及其同步电阻率测试试验，获取不同干湿循环次数下的红黏土电阻率-应变-应力同步变化曲线，进一步分析干湿循环作用对无侧限抗压强度、初始电阻率、破坏电阻率的影响，最后探讨出无侧限抗压强度与初始电阻率、破坏电阻率之间的定量关系，建立起土体固有物性参数向力学特性参数转化的基本依据，这将极大地促进电阻率法在红黏土力学强度特性研究方面的应用。

1 试验材料与方法

1.1 试验土体

表1 红黏土基本参数Tab.1 Basic parameters of redclay

1.2 试样制备

首先为了确定试样实际饱和含水率大致范围，试验前先制备2个干密度ρd=1.4 g/cm3的重塑土样，进行抽真空饱和，饱和测得2个土样含水率分别为34.11 %、34.14 %，饱和度达到97.35 %，因此为了确保干湿循环前后含水率大致相同，制样时控制含水率为34 %。

将取回的红黏土土样风干、碾碎，过2 mm筛，取筛下的土测其风干含水率，并装入塑料袋密封备用。根据《土工试验方法标准》(GB/T 50123—1999)[23]配制成含水率为34 %的土样，均匀搅拌后的土样用塑料薄膜密封并放置在标准养护条件下(温度(23±2)℃，湿度>90 %)静置24 h，等土样充分润湿后，制取12个干密度ρd=1.4 g/cm3的重塑三轴样，分为6组，每组2个土样用于平行试验。第1组试样制完样后用保鲜膜包裹密封后，放入温度调至25 ℃的恒温箱中养护24 h后直接进行试验[24](一方面使被测土样内部含水率润湿均匀，另一方面使其温度达到要求)，即0次干湿循环；其余5组试样按要求分别进行1～5次干湿循环。

1.3 干湿循环过程

本文干湿循环过程采用固定时间法，为了确定脱湿和加湿时间，试验之前进行预试验。预试验结果表明，土样在40 ℃恒温箱中脱湿51 h可至恒重，此时含水率为3.27 %；脱湿完成后的土样抽真空饱和24 h，含水率可达33.45 %，饱和度为95.41 %，接近干湿循环前的含水率。因此，将制备好的土样放置在恒温箱中脱湿51 h，脱湿完成后将土样抽真空饱和24 h，此为一次干湿循环，重复上述步骤，5组土样分别实现1～5次干湿循环，完成干湿循环的土样同样用保鲜膜包裹密封后，放入25 ℃的恒温箱中养护24 h后再进行试验。

1.4 试验方法

目前，土体电阻率测试方法大致可分为二相电极法和四相电极法两类。在常规土工试验中，相比于二相电极法，四相电极法要显得更加复杂，且插入土样中的探针容易对土样造成扰动；除此之外，若在无侧限抗压强度试验、压缩试验、三轴试验中采用四相电极法，很难准确确定电极间的距离，会对后期电阻率准确计算带来误差和困难。因此，本文电阻率测试采用VC4091C型LCR精密数字电桥，有效量程0.000 1 Ω～99.999 MΩ，测试采用低频、交流、二相电极，为了方便起见，其中电流频率参考我国大多数学者[16-19]采用的50 Hz；无侧限抗压强度试验采用DW-1型应变式无侧限压缩仪，其最大轴向负荷为0.6 kN，加载速率为2 mm/min，量力环率定系数C为每0.01 m,2.139 N。整个同步测试试验如图1所示。

图1 同步测试图Fig.1 Chart of synchronous test

所有的测试工作均在25 ℃室温条件下进行。具体测试步骤如下：①将达到预设干湿循环次数且温度达到要求的土样取出，在其表面涂抹一层导电膏，以增大土样与电极片之间的接触面积，降低接触电阻；②在土样上下表面贴好定制的电极片，为使无侧限仪与电极片之间绝缘，在电极片接触面贴上绝缘胶；③将连有导线的电极片接入电桥，并将电桥与电脑连接。调节仪器，使土样、电极片、无侧压缩限仪三者紧密接触，先测量土样的初始电阻率，再进行无侧限抗压强度试验，并通过串口软件，实现无侧限抗压强度试验过程中土样电阻变化的实时发送，每组进行2次平行试验，取平均值。

2 试验结果与讨论

2.1 土样形态异变情况

已有一些学者研究证明土体在干湿循环作用后会产生不可逆的结构损伤及体积收缩现象[4-6]。经历0～5次干湿循环后的红黏土土样的表观形态如图2所示；为了进一步分析干湿循环作用后红黏土土样体积变化情况，用游标卡尺测量土样每次脱湿和增湿后高度和直径，多次测量取平均值并计算其相应体积，土样体积变化曲线如图3所示。

(a) 0次

(b) 1次

(c) 2次

(d) 3次

(e) 4次

(f) 5次

图3 干湿循环作用下红黏土体积变化曲线Fig.3 Volume change curves of red clay under dry and wet cycles

由图2可知，未经历干湿循环作用的土样(0次干湿循环)，其表面存在少量的原生裂隙，但土样表面光滑，整体性好，颗粒排列均匀紧密。首次干湿循环后土样表面保持相对光滑，但已经开始出现一些微裂隙。干湿循环2次后，土样表面开始出现起皮现象，微裂隙增多且已出现2条较细长的裂隙。随着干湿循环次数进一步增多，土样起皮现象越发显著，微裂隙数量不断增多，裂隙不断加深变宽，土体结构性和整体性逐渐变差。

由图3可知，首次脱湿后，土体内部水分蒸发，体积收缩明显，当对其进行增湿后，水分重新填充土样孔隙，土体产生微膨胀，但体积无法恢复至初始体积，土样产生不可逆的体积收缩现象。随着干湿循环次数的增加，土样体积整体呈不断减小趋势，但体积收缩现象主要发生在前2次干湿循环，第3次开始，土样体积变化微小，并逐渐趋于稳定状态。

上述土样形态异变情况再次证明了学者们的观点，究其原因，主要是红黏土中存在一些亲水性黏土矿物，容易产生湿胀干缩现象，从而诱发土体体积收缩及其裂隙的发育与开展。土体脱湿过程，产生较大的负孔隙水压力，有效应力增加，土颗粒骨架被压缩，即粒团间较大孔隙被压缩坍塌，粒团间的排列组合方式发生改变，由边-面接触逐渐向面-面接触转变，造成土体宏观上体积收缩，且干燥过程会产生微裂隙；在随后的增湿过程中，水分重新填充土体内部孔隙结构，土体发生微膨胀，但在脱湿过程中产生的体积收缩只能部分恢复，存在不可逆的体积收缩，且吸湿过程中，由于水膜的楔入作用，会使微裂隙发生扩张；反复的干湿循环会使红黏土土粒团间各类胶结物质不断发生水解溶蚀，粒团间胶结性逐渐减弱，使得土体裂隙不断加深变宽，结构性和完整性逐渐变差，但当破坏达到一定程度，土体会形成一种新的稳定结构，达到一种新的平衡，此时干湿循环效应对土体的影响逐渐减弱，最后趋于稳定。

2.2 应力-应变-电阻率同步变化曲线

(a) 0次干湿循环

(b) 1次干湿循环

(c) 2次干湿循环

(d) 3次干湿循环

(e) 4次干湿循环

(f) 5次干湿循环

由图4可知，经历0～5次干湿循环作用的红黏土无侧限抗压强度曲线均呈现出应变软化型，均存在峰值强度，且在应变变化早期均存在陡升阶段。经历1～5次干湿循环作用的红黏土，其轴向应力达到峰值强度后随应变增加而迅速降低，下降坡度明显大于未经历干湿循环作用的红黏土；且其轴向应力峰值点左移，即轴向应力峰值点对应的破坏应变减小，范围为1 %～2 %(未经历干湿循环作用的红黏土破坏应变约为5 %)，说明经历干湿循环作用后的红黏土抵抗破坏的能力下降，达到峰值强度以后，土样破坏较明显。

经历0～5次干湿循环作用的红黏土的电阻率-应变关系曲线均经历了先陡降再上升过程，经历1～5次干湿循环后的红黏土，其上升段坡度明显大于未经历干湿循环作用的红黏土。由同步变化曲线可知，应力、电阻率随应变变化趋势相反且临界点相对吻合。应力-应变关系曲线存在明显的峰值点，而与之对应的电阻率-应变关系曲线也存在明显的波谷点。在应力达到峰值点之前，应力-应变曲线存在陡升阶段，应力随应变增加而迅速增大至峰值点，其对应的电阻率-应变曲线存在陡降阶段，电阻率随应变增加迅速减少，跌至波谷；达到峰值点以后，应力随应变的增加而减小，其对应的电阻率随应变的增加而增加，其上升速度与应力陡降速度趋势一致，经历1～5次干湿循环后的红黏土，应力下降坡度明显大于未经历干湿循环作用的红黏土，与其对应的电阻率上升段坡度也明显大于未经历干湿循环作用的红黏土。

土体中存在3条导电路径，电流主要是通过土颗粒间、孔隙水间以及土水相间而成的路径进行传导[17]。未经历干湿循环作用(0次干湿循环)的红黏土在单轴荷载作用下，一开始经历了压密阶段，在这一阶段，土体所受应力较小，尚未出现结构破坏，土体逐渐被压密，土颗粒间的距离缩短，接触面积增大，增强了土颗粒间的导电性，且压密过程同时伴随着土体空气的排出和水膜厚度变薄、面积增大，这导致三相体中固液二相相对体积含量增加，孔隙水连通性增强，导电性增强。因此，在这一阶段，电阻率随应变增大而迅速减小，当应力达到峰值点之后，随着应变不断增大，土样开始出现裂隙，裂隙不断变多、张开度变大、贯通性变强、破坏面逐渐变大，此时土体中部分导电路径被阻断，因此应力峰值点之后，电阻率随应变增大而增大。经历过1～5次干湿循环作用的红黏土在单轴荷载作用下，一开始同样经历了压密阶段，但由于前期干湿循环作用使土体产生了裂隙，在这阶段前期，土体预先经历裂隙闭合，其作用效应和未经历过干湿循环作用的红黏土一样，只是经历过干湿循环的土样，其结构已经遭受一定程度的损伤，更容易被破坏。因此在单轴荷载作用下，其在很短时间内就完成了压密阶段，即土体在很短时间内就达到峰值强度，开始进入破坏阶段，原先干湿循环作用产生的裂隙进一步发展，土体进一步破坏。由于早期干湿循环作用下已对土体结构产生损伤，因此进入破坏阶段以后，土样裂隙开展速度明显大于未经历过干湿循环作用的土样。在这阶段，其电阻率上升坡度明显大于未经历过干湿循环作用的土样。由此可见，电阻率同步变化规律能够较准确地反映红黏土在荷载作用下相应的强度变化过程，这将极大地促进电阻率法在红黏土力学强度特性研究方面的应用。

2.3 干湿循环作用对无侧限抗压强度、初始电阻率、破坏电阻率的影响

取峰值点轴向应力为无侧限抗压强度；定义应变ε=0时对应的电阻率为初始电阻率；土样破坏时(即达到峰值强度时)对应的电阻率为破坏电阻率。无侧限抗压强度、初始电阻率、破坏电阻率与干湿循环次数的关系曲线分别如图5至图7所示。

由图5实测值与拟合曲线对比分析可知，无侧限抗压强度与干湿循环次数呈良好的指数关系。第1次干湿循环对红黏土无侧限抗压强度的影响最大，无侧限抗压强度从83.191 5 kPa降至51.432 2 kPa，强度衰减率高达45.39 %，随着干湿循环次数的增加，无侧限抗压强度仍不断减少，但强度衰减幅度逐渐减少，从第3次干湿循环以后，无侧限抗压强度已基本趋于稳定，其变化规律与图3土体体积变化规律一致，随着干湿循环次数的增加，土体会产生不可逆的体积收缩现象，其结构性和完整性逐渐破坏，但当破坏达到一定程度，土体会形成一种新的稳定结构，达到一种新的平衡，此时干湿循环效应对土体的影响逐渐减弱，因此从第3次干湿循环开始，土体的体积、无侧限抗压强度便开始逐步趋于稳定。

图5 无侧限抗压强度-干湿循环次数关系曲线Fig.5 Curve of unconfined compressive strength-different dry and wet cycles

图6 初始电阻率-干湿循环次数关系曲线Fig.6 Curve of initial resistivity-different dry and wet cycles

图7 破坏电阻率-干湿循环次数关系曲线Fig.7 Curve of destructive resistivity-different dry and wet cycles

由图6可知，红黏土初始电阻率与干湿循环次数呈现出良好的反比例函数关系，初始电阻率随着干湿循环次数的增加而减少，与无侧限抗压强度衰减规律类似，初始电阻率的衰减主要发生在前2次干湿循环，第3次干湿循环作用之后，电阻率的衰减程度不断减小，最后逐渐趋于稳定状态。究其原因主要是电阻率受土体颗粒成分、内部结构、孔隙水联通性等因素的综合影响[25]。一方面干湿循环作用会使土体产生不可逆的压缩变形，土颗粒骨架被压缩，土颗粒间接触由边-面接触逐渐向面-面接触转变，接触面积增大，颗粒定向性增强，增强了土颗粒间导电性，且粒团间较大孔隙被压缩坍塌成较小孔隙，孔隙水饱和度增加，进一步增强孔隙水的导电性；另一方面，虽然干湿循环作用会使土体产生裂隙，在一定程度上会阻断部分土颗粒间的导电路径，但在土体裂隙中，同样充满孔隙水，在一定程度上增加了孔隙水间以及土水间的导电路径，其效应远大于被阻断的土颗粒间导电路径造成的不良影响。因此其初始电阻率也随着干湿循环次数的增加而减小，但从第3次干湿循环开始，土体破坏达到一定程度，土体会形成一种新的稳定结构，土体的体积也逐渐趋于稳定，此时干湿循环效应对土体的影响就逐渐减弱，因此从第3次干湿循环开始，土体电阻率的衰减程度不断减小，最后逐渐趋于稳定状态。

由图7可知，破坏电阻率与干湿循环次数呈现出良好的指数关系，破坏电阻率大小随着干湿循环次数的增加而减小。一方面，跟上述初始电阻率变化的原因一样，干湿循环次数增加，土体导电性增强；另一方面主要是因为随着干湿循环次数的增加，其初始结构损伤越大，结构性越差，越容易被压缩，其压密效应更明显。两方面综合作用才使土体破坏电阻率呈现上述的变化趋势。

2.4 无侧限抗压强度与初始电阻率、破坏电阻率的关系

无侧限抗压强度是红黏土一个重要的力学特性参数指标，电阻率是土体物性参数之一，两者都是红黏土的固有属性，由上述变化规律可知，干湿循环作用对红黏土无侧限抗压强度和对电阻率影响规律十分相似，可以间接推断出这两种参数之间存在某种内在联系。通过测定不同干湿循环次数下红黏土初始电阻率和破坏电阻率，并将它们与所测得的无侧限抗压强度进行对比关联，找出不同干湿循环次数下红黏土力学特性指标与电学特性指标之间的变化关系，图8、图9分别为不同干湿循环次数下无侧限抗压强度与初始电阻率、破坏电阻率的关系曲线。

图8 无侧限抗压强度-初始电阻率关系曲线Fig.8 Curve of unconfined compressive strength-initial resistivity

图9 无侧限抗压强度-破坏电阻率关系曲线Fig.9 Curve of unconfined compressive strength-destructive resistivity

从图8、图9可知，不同干湿循环次数下红黏土的无侧限抗压强度与初始电阻率、破坏电阻率间均呈现出较好的指数关系，无侧限抗压强度随着初始电阻率、破坏电阻率的增大而增大，它们的拟合公式分别用式(1)、(2)表示：

qu=0.004 e(ρ0/75.65)+36.65，

(1)

qu=1.1 e(ρ1/9.3)+36.785，

(2)

式中：qu为无侧限抗压强度；ρ0为初始电阻率；ρ1为破坏电阻率。它们的相关系数R2分别为0.987 68和0.996 14，拟合度都很高。由此再次证明将电阻率法应用于红黏土力学强度特性评价是完全可行的。室内进行无侧限抗压强度试验，制样麻烦，相对费时耗力，我们可以利用电阻率法这种连续、快速、无损的测试方法以及上述得到的无侧限抗压强度与初始电阻率、破坏电阻率的定量关系来分析不同干湿循环次数下红黏土无侧限抗压强度的变化情况，以达到快速准确评价红黏土工程性质变化的效果。

3 结论

① 干湿循环作用会使红黏土产生不可逆的体积收缩和结构破坏，且体积收缩及结构破坏主要发生在前2次干湿循环，第3次干湿循环之后，土体破坏达到一定程度后，形成一种新的稳定结构，其体积变化也不断趋于稳定。

② 0～5次干湿循环次数下的红黏土无侧限抗压强度曲线均呈现出应变软化型，应力-应变-电阻率同步变化曲线呈现出相反变化趋势且临界点较吻合，应力-应变曲线先陡升后下降，与之对应的电阻率-应变关系曲线先陡降后增加。这种相关联的同步变化关系为研究红黏土在荷载作用下的强度变化过程提供了方便，这将极大地促进电阻率法在红黏土力学强度特性研究方面的应用。

③ 红黏土无侧限抗压强度、初始电阻率与干湿循环次数关系呈现出相同的变化规律，均随着干湿循环次数的增加先剧烈减小，第3次干湿循环开始逐渐变缓最后趋于稳定。破坏电阻率与干湿循环次数关系呈现出良好的正向指数关系。

④ 不同干湿循环次数下红黏土的无侧限抗压强度与初始电阻率、破坏电阻率均呈现出较好的正向指数关系，因此可利用电阻率法快速定量分析不同干湿循环次数下红黏土无侧限抗压强度的变化情况，以达到快速准确评价红黏土工程性质变化的效果。