含水率及压实度对酸碱污染重塑黄土的电阻率特征影响试验研究

刘 华，胡文乐，王铁行，牛泽林，谷宏全，胡鹏飞

(1.西安建筑科技大学 土木工程学院，陕西 西安 710055；2.陕西省岩土与地下空间工程重点实验室，陕西 西安 710055)

黄土特有的颗粒组成和空间结构体系，对其自身工程力学性能有着极其重要的影响[1-3]，其内在致灾机理和工程病害问题一直以来都受到工程师和相关学者的重视和关注[4-5].建在黄土场地的各种建(构)筑物及线路工程常常面临着由于降雨入渗、污水排放不当等原因诱发的不同地基破坏[3,5].有关黄土的力学和工程特性演变结果仍是当前西部经济发展和东部经济结构布局转换的重难点问题.其次，在东西部联动产业转移和工业化不断推进的过程中，置换出大量严重污染场地，其中潜存的工业废液对场地环境安全和再开发利用提出了更高的要求.当黄土受到工业废液中的酸碱污染源侵入后，引发物理力学指标发生显著改变，同时导致土体工程性质发生复杂变化[5]，进一步严重影响了工程建设的质量和进度.随着新兴地球物理方法的蓬勃发展，为工程场地的勘察、建设、评价和地基路基的病害诊断反演等提供了便利.土体遭受污染液侵蚀后电阻率会产生显著变化，改变了土-水-化学耦合的结果，对利用电阻率法判定场地土层工程性质的准确度及灵敏度造成极大的影响.分析污染前后土体电阻率之间的变化规律和结果，对利用电阻率变化判断土体污染程度及修正污染导致的电阻率评价场地工程性质指标的误判具有重要的意义.

已有研究结果表明，土体的电阻率主要由含水率、孔隙率、土质特征及孔隙溶液成分等多因素决定[6].自1942年Archie[7]提出了适用于饱和无黏性土的电阻率模型之后，Keller等[8]、Waxman等[9]进一步进行了完善，查甫生等[10]在此基础上借鉴Mitchell的三元导电模型建立了适用性更广的非饱和黏土电阻率模型.相关学者在电阻率的影响因素及工程应用上也进行了大量相关研究，在重金属污染土[11]、盐渍土[12]及油类污染土[13]的研究取得了一些成果.刘松玉等[14-15]对重金属污染土的电学特性进行了试验和理论论证；刘国华等[16]对土体电阻率与工程力学指标间的关系进行了研究；Sudha等[17]将电阻率法与工程性状勘察方法联合起来进行工程应用；Chu Y等[18～20]将电学指标应用于膨胀土及污染土的评价中.有关西北地区黄土受酸碱溶液侵蚀后电阻率的演变规律特征以及评价酸碱污染工程场地的关键指标间的协同关系尚未见报道，因此，对于酸碱污染黄土地区的电学特征亟待开展相关研究.

基于此，本文在原有电阻率模型的基础上通过室内试验研究，揭示了含水率、酸碱两种污染类型及其不同浓度、压实度等与电阻率间的关联关系，分别得到了电阻率与含水率、污染浓度及压实度的经验公式.以期为酸碱废液污染黄土场地的工程评价、污染程度划分和环境防治提供有益的参考.

1 试验研究

为了进一步研究酸碱污染土的电阻率特性，本文对铜川Q3黄土进行重塑污染后进行了相关试验研究，主要探讨含水率、污染浓度、压实度对污染土电阻率的影响特征.

1.1 试验材料

本文中的试验所用Q3黄土土样取自陕西省铜川耀州区(如图1(a)、(b))，土质较为均匀.取样部位地表土层分布为新近堆积的Q4黄土层，取样深度为2.0～3.0 m，如图1(c)所示.对土样进行试验，测得土样的物理力学指标见表1，土样的颗分曲线如图1(d)所示.

图1 取样地点及粒径分析Fig.1 Sampling location and particle size analysis

表1 试验土样的物理指标Tab.1 Physical index of the test loess sample

1.2 试验装置

土体室内电阻率测试技术通常采用“二相电极法”和“四相电极法”[21-23].为减小潜在电泳、极化以及污染物运移等有关现象对试验的影响，本次试验采用Miller Soil Box测试污染土样的电阻率装置[24].如图2所示.长方体有机玻璃土样盒内径尺寸为L×B×H=22.2 cm×3.2 cm×4.0 cm，两端分别放置与长方体截面大小一致的纯铜电极片作为电流测试电极，中部每1/3等分点处插入铜片作为电压测试电极.试样制作完成后，按照图2(b)所示的电阻率测试基本电路图连接成闭合回路.电源采用交流电供电转换为0.1～30.0 V的直流(DC)电压，A、V分别表示高精度电流表和电压表；Rx为待测击实试样.试样的电阻率计算公式为

(1)

其中：U为实测电压读数；I为实测电流读数；Rx为土的电阻；BH为试样截面面积，等于B×H；L为试样总长度;ρ为电阻率.

(a)有机玻璃土样盒示意图

1.3 试验内容及具体步骤

为了模拟酸碱污染黄土的电学特性影响，在室内测试不同含水率、压实度、污染浓度及污染物种类下试样的电阻率，进一步对电阻率与基本物理参数间的关联性进行分析.基于前人研究及实际工程配制四种浓度(0.1 mol/L、0.5 mol/L、1.0 mol/L、2.0 mol/L)的H2SO4及NaOH溶液作为污染物，按照《土工试验方法标准》[25](GB/T 50123-1999)分别与风干土样进行拌和配置含水率为5%、10%、15%、20%、25%、30%的污染土样，在保鲜袋中密封保存24 h后进行压实，进行不同压实条件下(0.80、0.85、0.90、0.93、0.95)的电阻率测试.其中H2SO4溶液污染试样6×5×4=120个，NaOH溶液污染试样120个，增湿试样30个；考虑设置一组平行试样，共计540个试样.

每种试验条件下的具体操作步骤如下：已知Miller Soil Box的体积可换算出满足压实度要求的所需试样的干土质量及所需污染液用量，待含水率分布较为均匀时，分层装入Miller Soil Box，并将其接入测量电路进行试验，根据式(1)计算土样电阻率；清洗Miller Soil Box及其他试验装置，制备下一组试样.考虑试验过程中可能中间一组几乎无极化现象出现，而两端极化现象明显，在每一种浓度测试结束后即对两端铜片电极进行及时更换.

2 结果分析

2.1 含水率的影响

考虑到孔隙溶液的导电能力远优于其他两相，因此含水率是影响土体电阻率特性的重要影响因素.图3为不同压实度下电阻率随含水率的变化关系.由图可见，在压实度保持不变时，同种污染状态下土体电阻率随含水率的增加呈现衰减趋势，且在低含水率下减小速率较快，随着含水率的增加至某一阈值时，衰减速率明显降低.函数率较低时，含水率的增大改变了土体的三相组成结构，气相逐渐减少，孔隙水连通性逐渐增强，土颗粒间的接触达到最佳状态；当含水率增加至某个阈值时，孔隙水的连通性变化较小，因而衰减速率明显降低.

(a)压实度0.80

拟合含水率与电阻率之间的关系如式(2)所示，

ρ=a×0.8ω

(2)

式中：a为试验参数；ω为含水率.

从图3中可以看出，未污染状态与不同浓度酸碱污染状态的试样电阻率均随着含水率的增加呈现减小趋势，且在15%～30%范围内变化速率减缓，存在一个临界阈值，表征着该种状态下含水率对电阻率的影响程度.

2.2 污染溶液浓度的影响

结合图3可以得出，同种浓度下硫酸污染土的电阻率大于氢氧化钠污染土的电阻率值，孔隙溶液的电阻率与阳离子物态参数相关，且在低含水率下特征明显.两种污染土的电阻率值均随着污染浓度的增加逐渐降低，且在含水率较低时降低明显，较高含水率弱化了这种影响，如前所述，存在含水率的临界阈值.

分析其原因在于[26-30]，黄土中的化学成分复杂，存在有较多的氧化物等次生矿物，当被硫酸污染后，发生化学反应的几率会大大增加，同时也使得土体中离子增多，进一步增大了孔隙溶液的连通性，增强了土颗粒孔隙与土颗粒表面的电化学性能.而NaOH污染土的电阻率变化规律与H2SO4呈现出的规律相同，但其生成物成分不同.碱液侵入黄土发生侵蚀-胶结-溶解等一系列反应，其中，初期发生式(3)～(6)所示的侵蚀，水解电离出的OH-与SiO2、Al2O3反应生成SiO32-和AlO2-，消耗了土颗粒中的胶结氧化物，生成H2O.进一步发生胶结反应，如式(7)～(8)所示，在此过程中生成絮状沉淀，同时生成了OH-，增加了孔隙液中的离子数目.随着碱液进一步增加以及OH-的产生，新生胶体稳定性较差，极易溶于水，又产生可溶盐，生成水，增加了孔隙液的连通性和导电性.随着碱液浓度升高，化学反应不断反复进行，离子数目、离子所带电荷总数不断增加，电场驱动下导电性增强，电阻率越低.

(3)

(4)

(5)

(6)

(7)

(8)

2.3 压实度的影响

在含水率不变的情况下，选取不同压实度试样的电阻率进行分析(结合上述分析，以低含水率5%和较高含水率25%为例)，如图4所示.总体来看，不同污染状态土体的电阻率随压实度增加逐渐减小.随着污染浓度的增加，电阻率的减小速率降低.

(a)含水率5%

2.4 试验参数间的协同关系

定义硫酸污染土按式(2)拟合时的试验系数为a1，氢氧化钠污染土的待定系数为a2.将a1、a2分别与污染浓度进行关联预测分析，如图5所示.

a1=A1+B1×exp(-2C)

(9)

a2=A2-B2×ln(C)

(10)

式中，c为污染浓度，A1、B1、A2、B2为待定系数.

(a)硫酸污染土

选取据图5中拟合的待定系数，与压实度进行关联分析如图6所示.并得到A1、B1、A2、B2与压实度D的关系公式，再进一步代入式(2)有：

(11)

(12)

(a)硫酸污染土

式中各项字母同前，ρ1为硫酸污染土电阻率，ρ2为碱污染土电阻率.

3 结论

本文对比分析了不同浓度的H2SO4、NaOH污染黄土的电阻率特征及其与含水率、污染浓度、压实度等指标间的关系，建立了物理参数和电学参数间的演变联系，初步提出了酸碱污染黄土的电阻率与物理指标间的关系；

(1)通过室内试验，酸碱污染黄土的电阻率随含水率的增加呈幂函数关系降低的规律.同种污染浓度下，酸污染土的电阻率大于碱污染土的电阻率；酸碱污染土的电阻率随着污染浓度及压实度的增加均呈现减小趋势；

(2)在低含水率下，污染土电阻率随压实度及浓度的变化趋势显著；在含水率较高时，污染土电阻率随压实度及浓度的变化趋势较弱；

(3)考虑多种因素的协同作用，初步提出了考虑含水率、压实度、污染浓度等因素作用下的酸碱污染土电阻率关系公式.