红黏土固结压缩过程中电阻率结构特性试验研究

彭光灿,徐兴倩,屈 新,赵 熹,王海军,蔡 波

(1.云南农业大学 水利学院, 昆明 650201; 2.安阳工学院 土木与建筑工程学院, 河南 安阳 455000)

0 引 言

红黏土是指由碳酸盐类岩石经过红土化作用形成的高塑性黏土,广泛分布于云南、贵州、四川和广西等地区,具有特殊的物理力学特性[1-4]。在黏土心墙坝、地基、路基压实等填筑工程中,通常采用取样测试填筑土体的压实特性,以反映土体的碾压密实度,但受到现场取样密度、数量和位置及测试时长的限制,难以经济、快速地获得土层的碾压效果。如果能通过原位高密度电法快速测试碾压土层的电阻率变化情况,建立电阻率结构特性参数与压实度之间的关系,将实现快速评价红黏土填筑工程的碾压效果。因此,开展红黏土固结压缩过程中电阻率结构特性参数研究具有潜在的工程应用价值。

电阻率是表征土体导电性的基本参数,可用于评价土体的含水状态、结构特征及其物理力学特性。土体电阻率大小取决于土的孔隙率、孔隙水、固体颗粒成分及胶结状态等[5-6]。Huntley[7](1986)提出了适用于含黏粒的岩土介质表观电阻率结构因子概念;于小军等[8](2004)通过电阻率测试技术研究了膨胀改良土膨胀过程中的电阻率结构变化规律;顾明芬等[9](2005)测试水泥土在强度增长以及压缩过程中电阻率结构特性变化规律并证实电阻率结构特性参数能对土的结构性进行定量分析;董晓强等[10](2011)研究硫酸浓度对污染水泥土电阻率结构特性的影响并建立了考虑溶液浓度和龄期的水泥土电阻率公式;黄凤凤等[11](2015)结合电阻率结构特性探究电阻率法在黄土硅化加固过程中应用的可行性;查甫生等[12](2019)探索了水泥-粉煤灰固化重金属污染土电阻率结构特性并建立了固化铅污染土无侧限抗压强度预测模型;Parvin等[13](2020)研究了电岩石的电阻率结构因子在不同有效压力下的变化规律。然而,就红黏土电阻率特性而言,尤其是固结压缩过程中红黏土电阻率变化规律、变形特征等值得深入探索,开展相关方面的研究可为红黏土碾压过程压实度的评价提供参考。

本文设计土体固结压缩电阻率测试仪,制备不同含水率的重塑红黏土试样,在侧限条件下对试样分级连续施加竖向荷载,时移测定试样竖向和横向电阻率变化,探讨红黏土固结压缩过程中电阻率的变化规律、结构特征及其各向异性,通过主成分分析方法确定结构因子的权重,建立红黏土电阻率结构特性综合评价指标与压实度的量化关系,研究结果可为红黏土碾压工程实践应用提供可选方案。

1 试验方法和设备

1.1 试验材料

试验红黏土样取自云南省昆明市,呈棕红色,土质均匀。土样经过风干、碾碎过2 mm筛后,根据《土工试验方法标准》[14],进行常规土力学试验,测定红黏土基本物理指标(见表1)。

表1 红黏土基本物理指标

1.2 试验设备

本次试验采用改进的土体固结压缩电阻率测试仪,如图1所示,装置主要由改良上下透水石、高强度绝缘上下护环以及绝缘环刀组成。其中,高强度绝缘上下护环用于环刀的固定和导线牵引,改良的上下透水石用于铜片固定和导线牵引,直径为50 mm,厚度为0.5 mm的圆形铜片安置在上下两透水石之间,铜片与土样紧贴测定其竖向电阻率。如图2所示,绝缘环刀内部保持完整且内壁绝缘,环刀内壁4个方向各嵌有尺寸为10 mm×10 mm的矩形铜片用以测定1-3方向和2-4方向横向电阻率,取平均值作为最终横向电阻率,铜片上均有导线通过改良的高强度绝缘塑料护环和透水石引出与测试仪器连接。

图1 固结压缩电阻率测试仪

图2 绝缘环刀内部铜片布设

电阻率采用LCR-4090A型电阻率测试仪测试,其测量频率为100～10 000 Hz,测量范围为0.000 1～99.99 MΩ,测量准确度为0.1%,测试原理为

(1)

式中:ρ为电阻率;R为电阻;S为电极面积;L为电极距离; ΔU为试样两侧电压;I为电流。

1.3 试验步骤

试验步骤如下:

(1)根据红黏土基本物理指标,云南红黏土平均天然干密度在1.25 g/cm3左右,故选取干密度ρd=1.25 g/cm3。试验含水率w在土体最优含水率附近阶梯式选取,分别以19.2%、22.2%、25.2%、28.2%、31.2%、34.2%制备试样,每个含水率做3组平行试验。

(2)采用喷雾瓶将对应含水率所需水量均匀喷洒在土样上,拌合均匀,放置在密封的塑料盒里静置24 h,使土体自由水分布均匀。

(3)通过击实筒击实土样,然后用内径为61.8 mm的绝缘环刀取出试样,放置在改良的固结压缩装置上,牵引导线连接至数字电桥,电流频率固定,测试其固结压缩过程中竖向、横向电阻率。

(4)荷载加载顺序依次为25、50、100、200、300、400、600、800、1 000、1 200、1 400、1 600 kPa,共12级荷载。

2 电阻率结构特性理论

2.1 结构因子F

(2)

式中:ρv为土的竖向电阻率;ρH为土的横向电阻率;ρw为孔隙水电阻率。

2.2 平均形状因子

(3)

2.3 各向异性系数A

土体电阻率特性指标可定量反映土体各向异性大小,各向异性系数能从客观上反映固结压缩过程中土颗粒的定向排列及各向异性变化过程[15-16]。关系式为

(4)

式中A为各向异性指数。

3 试验结果与分析

3.1 红黏土竖向电阻率的变化规律分析

如图3(a)所示,在不同含水率条件下,红黏土竖向电阻率随着竖向荷载的变化趋势较明显,不同含水率下其变化趋势一致(见表2)。竖向电阻率随着竖向荷载的逐渐增大,呈现出先快速减小后逐渐趋于稳定的类似趋势,即荷载继续施加,土体沉降量难以产生较大变化,内部结构稳定,竖向电阻率变化幅度很小,呈稳定状态。土样初始含水率越大,固结压缩过程中竖向电阻率变化范围越小,含水率的变化是影响土体电阻率变化的关键因素。

表2 竖向电阻率与竖向荷载拟合结果

在红黏土固结压缩过程中,根据Holtz等[17]、Lambe[18]对应力作用下土体结构变化理论,结合试验中土体受荷载作用下沉降量变化以及竖向电阻率的曲线变化规律将整个过程分为3个阶段:①结构压缩阶段(P≤100 kPa),土体被压密实,孔隙率减小,孔隙空气被排出,电流路径增多,部分孔隙水开始流入新形成的孔隙水通道,电阻率快速减小;②结构变形阶段(100 kPa400 kPa),结构变得各向异性,孔隙比发生大幅度下降,土骨架受孔隙水压力部分变形,部分破坏,土颗粒滑移并重新定向排列,形成新的结构和电流路径。在同一电压条件下,土体饱和后多余孔隙水排出,通过电流路径的电荷量不变,测试截面面积增大,通过路径时间变短,电流逐渐变大,导电性逐渐增强,电阻率逐渐减小,但随着结构变化阶段的演化,电阻率最终趋于稳定。

3.2 红黏土横向电阻率的变化规律分析

如图3(b)所示,在不同含水率条件下,红黏土横向电阻率随竖向荷载的变化趋势明显。横向电阻率随竖向荷载的逐渐增大,因土体横向受限,横向变化微弱,造成横向电阻率变化幅度随竖向荷载变化越发不明显,呈现出先快速减小后逐渐趋于稳定。根据表3拟合结果可知,土样初始含水率越大,固结压缩过程中横向电阻率变化范围越小。当含水率>25%,土体横向电阻率变化幅度较小,趋势不明显。

表3 横向电阻率拟合结果

在红黏土固结压缩过程中,根据试验中土体受荷载作用下沉降量变化以及横向电阻率曲线变化规律,并结合应力作用下土体结构变化理论,将其分为3个阶段:①结构压缩阶段(P≤100 kPa),土体发生挤压,土颗粒位移,孔隙空气被排出,使横向电流通道连通性增强,导电性增加,横向电阻率减小;②结构变形阶段(100 kPa400 kPa),土体横向挤压严重,土颗粒靠拢挤紧,孔隙比下降,多余的孔隙水压力使得土骨架部分变形,部分破坏,破坏部分重新排列形成新的结构和电流通道,电阻率逐渐减小至稳定。土体电阻率随着土体结构的变化在不同阶段表现出不同的变化特征。

3.3 红黏土平均结构因子的变化规律分析

平均结构因子是表征土体结构稳定性强弱、结构强度大小的参数。如图3(c)所示,在不同含水率条件下,当P<400 kPa时,平均结构因子变化幅度较大;当P>400 kPa时,随着荷载增大,平均结构因子变化幅度减小,土体结构随着土体沉降量变化值不显著逐渐趋于稳定。土体初始含水率越大,竖向荷载对平均结构因子的影响越小。

在施加荷载初始阶段(P≤100 kPa),土体孔隙减小,部分土颗粒发生位移,土体被挤压,内部结构稳定性变差,结构强度变弱,平均结构因子快速减小。随着荷载的增大(100 kPa400 kPa),土体被压密实,土骨架结构受压后严重变形,造成部分破坏,次生联结作用和胶结作用减弱,土颗粒、孔隙和其他成分被重新排列或重新定向为新的、更稳定的结构,结构强度逐渐稳定,平均结构因子变化较小。

3.4 红黏土平均形状因子的变化规律分析

平均形状因子是表达土颗粒间胶结作用及结构强度的参数。 图3(d)为不同含水率下红黏土固结压缩过程中平均形状因子随竖向荷载的变化曲线。从图3(d)可以看出,平均形状因子随着荷载的增大呈减小趋势,当竖向荷载>400 kPa后变化趋于平缓,土体结构开始重新达到新平衡,平均形状因子变化幅度减小,土体形态趋于稳定。

在施加荷载初始阶段(P≤100 kPa),土体被压缩,孔隙气体被排出,孔隙水连通性增强,电流路径增多,部分土颗粒发生微小滑动,胶结作用减弱。土体结构强度和稳定性变差,平均形状因子减小。随着荷载的增大(100 kPa400 kPa),部分土骨架结构无法承受压力而发生变形破坏,土颗粒发生位置变化并重新排列或重新定向为新的、更稳定的结构。部分土骨架虽变形但未完全破坏,土骨架结构强度减弱,土颗粒间联结疲劳造成胶结作用减弱,土体结构稳定性减弱,平均形状因子减小。

3.5 红黏土各向异性系数的变化规律分析

各向异性系数是对土体土颗粒结构排列方式、各向异性结构变化的评价性参数。图3(e)为不同含水率下红黏土固结压缩过程中各向异性系数的变化曲线。从图3(e)可以看出,各向异性系数随着荷载的逐渐增大呈现先减小,后平缓增大至稳定状态,此时土颗粒结构排列稳定,达到结构新平衡,该过程有效反映了土体各向异性的变化情况。

在未施加竖向荷载情况下,土体处于结构性平衡状态,土颗粒定向排列方式及结构稳定性较好,故各向异性系数起始值较大。当逐级施加竖向荷载(P≤600 kPa),土体孔隙变小,土体受到竖向压力挤压和环刀侧限作用,土体结构压缩变形主要表现在竖向上,体积变形导致结构平衡被打破,结构发生各向异性,颗粒排列平衡打破,结构稳定性变弱,各向异性系数快速减小。当竖向荷载继续增大(P>600 kPa),土颗粒靠拢挤紧,孔隙间距减小,多余的孔隙水压力使部分土骨架受压后造成变形破坏,因土颗粒移动空间减小,土颗粒重新定向排列组合,使土颗粒结构排列方式更稳定使其达到新的平衡状态,表现为各向异性系数小幅度增加。

4 电阻率结构特性参数综合评价指标和压实度的关系分析

表4 各结构特性指标权重分析结果

主成分分析法得到各指标权重大小,综合评价指标则将各指标与对应权重相乘,累加后得到电阻率结构特性参数综合评价指标ER,公式为

(5)

根据《公路路基施工技术规范》(JTGIT 3610—2019),土体压实度K计算公式为

(6)

式中:ρd为实际干密度;ρmax为最大干密度。

压实度作为表征土体紧密程度、结构强度的参数,与土体内部结构、土颗粒形状、土颗粒定向排列以及各向异性变化密切相关,电阻率结构特性参数能从细观角度间接反映土体整体的强度和稳定性,符合压实土体意义。如果能建立电阻率结构特性综合评价指标和压实度的量化关系,电阻率将会实现对压实度更精准的评价预测。

如图4所示,在红黏土初始干密度为1.25 g/cm3,最优含水率(即28.2%)条件下,通过计算得到红黏土电阻率结构特性综合评价指标ER和压实度K的关系。从图4可以看出,随着红黏土压实度的逐渐增大,红黏土电阻率结构特性综合评价指标逐渐减小,拟合度R2为0.997,表现出较好的相关性。因此,试验结果表明红黏土电阻率结构特性综合评价指标ER可间接表征红黏土压实度,能为红黏土碾压工程(如黏土心墙坝)压实度的快速、便捷检测和监测提供新思路和理论依据。

图4 红黏土电阻率结构特性综合评价指标ER和压实度的关系

5 结 论

本文设计改进传统的固结压缩仪,测试红黏土在固结压缩过程中竖向和横向电阻率的时移变化,计算得到电阻率结构特性参数,基于综合指数法和主成分分析法提出红黏土电阻率结构特性综合评价指标,进而间接评价红黏土的压实度。得出以下几个主要结论:

(1)随着施加荷载的逐渐增大,红黏土被压缩导致孔隙水逐渐充满电流孔径,试样横向和竖向电阻率均呈现减小趋势。

(2)红黏土电阻率结构特性参数能间接反映其结构强度和颗粒间的胶结状态等性质,随着施加荷载的逐渐增大,红黏土平均结构因子、形状因子呈现快速下降后缓慢均匀下降趋势;各向异性系数先下降,后缓慢上升,最终趋于稳定。

(3)红黏土结构特性综合评价指标与压实度之间存在量化关系,拟合精度较高,试验结果用于评判红黏土的压实度具有可行性。

(4)电阻率结构特性参数可作为土体结构分析的量化指标,从微观角度验证固结压缩过程中土体结构变化特征,在建立电阻率结构特性评价体系等方面有待深入研究。