基于电阻率法的非饱和路基水汽迁移试验研究

张睿霞,唐 红,姚海林,刘 杰,朱乐萌

(1.武汉科技大学 城市建设学院,武汉 430065; 2.中国科学院武汉岩土力学研究所 岩土力学与工程国家重点实验室,武汉 430071)

0 引 言

在非饱和土路基的长期服役过程中,由于气候的作用,路基顶部和下部会存在一定程度的温差,在温度势、重力势、基质势等多种势能作用下,路基中的水以气态水和液态水的形式发生迁移,造成路基土水分的重分布,汇集在路基顶部,造成路基顶部含水率升高、性能劣化,严重影响路基的正常使用和车辆行驶安全。一些学者对测试土壤结构和经水汽迁移后土的物理和力学性质的方法进行了研究。现有的在水汽迁移后检查土壤的测试方法主要基于含水率测试和力学试验测试。为了研究水汽迁移过程中路基结构损伤机制与长期性能演变规律,罗汀等[1]基于水分迁移系数,分析试验数据,获得了不同影响因素下水分迁移规律。王悦月等[2]基于填料回弹模量测试试验结果,应用数值建模分析得到了水分迁移对千枚岩填筑路基回弹模量及路面结构力学特性的影响规律。姚仰平等[3]通过测量土壤各层含水率得到水汽迁移规律及防治隔气层铺设位置。张升等[4]、李彦龙等[5]、王铁行等[6]、李杨等[7]也对土的水汽迁移进行了相关试验研究。

因为电阻率法效率高、灵敏度高、方便等优点,所以这种方法在工程中得到了广泛的应用。龚晓南等[8]根据对电渗现场的研究,建立了电阻计算模型;李瑞珂等[9]研发了一种室内快速测试装置,该装置基于四级电测量法,得到了不同影响因素对电阻率的影响;储亚等[10]利用对电阻率指标的分析,对合肥膨胀土的吸水膨胀特性作出预估和评价;在一项冻融循环的研究中,付伟等[11]通过监测饱和粉质黏土在冻融循环过程中的电阻率及土体变形特征,得到了电阻率与冻融次数的关系;杨更社等[12]针对不同状态下的黄土进行了冻融循环试验研究,建立多种因素影响下的电阻率模型;Yuan等[13]结合电气测量进行冻融循环试验,在试验过程中得到了土壤微观结构变化;陈议城等[14]利用电阻率法评价红黏土强度特性的变化;李文忠等[15]利用电法勘探,根据堤身及隐患体所在位置电场及磁场的分布特征,对隐患体的位置与性质做出推断。众多研究一致说明电阻率法在土体工程试验中应用较好[16-20],可以为土的工程性质与评价提供一定的参考。

目前,水汽迁移过程中对土壤的实时测量方法较为复杂,并不适用,容易忽略水分散失所造成的误差。基于此,本文尝试进行非饱和土路基在水汽迁移过程中的电阻率测试,针对不同路基填筑方案,进行参数敏感性分析,以电阻率为中间量,反映水汽迁移作用对土体结构的影响,获得水汽迁移过程中非饱和土路基的电阻率变化规律。

1 土体基本物理性质

本次试验项目所用土样为取自武汉市武昌区某典型黏土,取土深度为地下3～5 m左右。取样后将土进行烘干、研磨、筛分(过2 mm筛),处理后密封保存备用。

对土进行基本物理特性试验,试验内容包含有:土粒密度、天然含水率、界限含水率、击实试验以及颗粒分析。通过室内试验,得到试验用土的基本物理性质参数指标见表1,黏土的级配曲线及击实曲线如图1所示。

图1 黏土的级配曲线及击实曲线

表1 土的基本物理性质

2 均质土体的电阻率影响因素试验分析

2.1 电阻率测试原理

为了探究电阻率与含水率、压实度的相关关系,对均质土体进行了电阻率测试。假设土壤层是各向同性和非均质的。试样每一层测量点(即两点之间的中点)的电阻率通过测试试样两点之间的电压和流经两点的电流,再经式(1)换算得到。

(1)

式中:ρ为电阻率(Ω·m); ΔU为两点之间的电压(V);I为通过两点之间的电流(A);K为电极排列系数,与两点的相对位置和间距有关。对于给定的电极排列,K是恒定的。

2.2 试验设计及方案

试验特设计亚克力套筒,目的是采用分层测试的方法,将试样放入套筒中,为了减小误差,试样需与铜制电极棒充分接触形成一个综合性电阻率测试装置,改变两点的位置确定土壤电阻率分布。亚克力套筒延筒长布置6个电极,围绕筒一周的4个小铜棒设计为测量电极M和N,通过改变M和N的位置可以实时测量每层土样的电阻率。测试区域可分为5层,层间距10 mm,第一层为底部,从高度为15 mm处开始测量。土样测量电极的内部间距相等,电极M与N间距都为10 mm。套筒的长度、外径和壁厚分别为80、60、10 mm。处理后的试样为标准三轴试样(39.1 mm×80 mm),电阻率测试方法及设备如图2(a),电阻率测试原理如图2(b)。试验所用电阻率测量仪器为WDJD-4型多功能数字直流激电仪,可对土样的自然电位、电压及电流进行测量;供电仪器采用兆信RXN-305D交变直流电源,工作电压为0～30 V,工作电流为0～5 A。

图2 试验方法及设备(分层测试)和电阻率测试原理(二电极法)

根据试验用土的主要物理性质参数指标以及我国《公路路基设计规范》( JTG D30—2015)所制定的标准,以含水率和压实度为控制指标来验证这两者对土体电阻率的影响,试验工况共设置25种,如表2所示。按照土样制备方法压实土样,并对土样进行电阻率测试。因温度也会对测量结果产生一定的影响,故试验在封闭环境中进行。由于电阻率测试较为敏感,为了尽可能减小水分散失,制样结束后的土样需立即测试其电阻率。为了避免试验误差,制作多个同一初始含水率同一压实度的土样,多次测量后取平均值。

表2 试验参数设置及统计

2.3 试验结果及电阻率预测模型

通过改变试样土体的初始含水率及压实度,测量不同初始含水率、压实度均质土体的电压、电流,通过式(1)得到电阻率测量结果,将25组试验数据绘制成图表,结果如表3、图3所示。

图3 电阻率与含水率关系的拟合曲线

表3 电阻率测试结果

从图3拟合曲线可以看出,拟合结果与试验结果相吻合,且相关性系数R2=98%,说明土体电阻率、压实度及含水率具有良好的相关性。

当压实度一定,试样土体含水率变化范围在11%～18%时,土体含水率增加,其电阻率明显降低;当含水率变化范围在18%～21%时,随含水率的增加,土体电阻率衰减率降低,减小速度缓慢,且不同压实度试验结果大致相同即土体电阻率随含水率变化特征相同。主要原因是:在含水率比饱和含水率小的情况下,随着含水率增加,土体中孔隙水的连通性增强,且土颗粒外表的矿物离子遇水会发生水化反应,产生导电的阴阳离子,导致土体单位体积内离子数量增多,导电性能因此增强,从而电阻率下降显著;在含水率接近或大于饱和含水率情况下(本次试验饱和含水率约为18%),水完全贯通颗粒间的孔隙,此时含水率继续增加对孔隙水的连通性基本没有影响。电流主要通过颗粒间的水通道进行传递,电流流通路径不再发生变化,因而电阻率减小得缓慢了。

在相同的初始含水率下,土体压实度越大,其电阻率就越小。究其原因是土体压实度较小时,土颗粒接触较差,土中气较多,孔隙水连通性较差,水化反应较弱,所以电阻率较高;当土体压实度逐渐增大,土体结构也会越发密实,土颗粒排列更为紧密,颗粒之间孔隙减小,孔隙水连通性较好,增强了水化反应,因而电阻率减小。相比压实度影响因素,含水率影响因素增大时电阻率下降得更快,表明含水率对土体电阻率有较大的作用,而压实度相对来说对电阻率影响较小。

上述试验证明,土体电阻率、含水率以及压实度具有良好的关联性,针对这一特点开展土体物理参数与电阻率关系拟合公式研究,为土的工程性质检测与评价提供理论基础。将数据点进行拟合,综合分析不同的拟合方式,最终选择了用指数函数来拟合电阻率与含水率、压实度之间的关系,拟合曲面如图4所示,红色区域对应高电阻率,紫色区域对应低电阻率,红色区域到紫色区域等高线颜色渐变代表电阻率越来越低。建立了电阻率-含水率计算模型,同时得到了针对黏土同时考虑含水率与压实度2种参数的电阻率预测模型,即

图4 电阻率与含水率、压实度之间的关系三维拟合

ρ=Ae-Bσe-Cw。

(2)

式中:ρ为土样电阻率(Ω·m);σ为压实度(%);w为土样含水率(%);A、B、C为与土样性质有关的拟合参数,本试验A=1 443 635.51、B=0.030、C=0.42。

3 水汽迁移作用下非饱和土路基电阻率变化

3.1 水汽迁移试验

为了验证公式的正确性,进一步研究了不同初始含水率和不同压实度的土样在同一温差环境下水汽迁移过程中的电阻率及含水率的变化,将计算值与实测值对比。水汽迁移作用下电阻率及含水率测试试验方案如表4。含水率过低,加上试验过程中本身存在水分散失,导致WDJD-4型激电仪无法测出含水率11%及以下的土样电阻率,故水汽迁移试验设置最低含水率为13%。自制水汽迁移箱内部结构及模型化结构如图5。试验在封闭环境中进行,在土样筒外包裹保温材料,上下导温盘温度由循环回路中的酒精控制,设置上部顶板、下部底板、箱体温度分别为0、20、20 ℃。蒸发导致底部水槽损失的水分由马氏瓶实时自动补给。在试验开始前做了预试验来确定土样水汽迁移完所需时间,为了在时间控制上更方便,确定每10 h测量一次电阻率。水汽迁移试验结束后,用烘干法对土样各层含水率进行测试,得到水汽迁移后土样各层的实际含水率。

图5 水汽迁移箱内部结构及模型化结构

表4 水汽迁移试验参数设置

3.2 不同初始含水率试验结果

待试验结束后,土体压实度为90%时,不同初始含水率的土样沿高度的电阻率变化曲线见图6,虚线为各个土样电阻率初始值。不同初始含水率的土样经60 h稳定后各层的电阻率及含水率实测值分布曲线如图7。

图6 不同初始含水率试验电阻率变化

图7 不同初始含水率试验水汽迁移稳定后电阻率及含水率分布曲线

从图6可知,接触制冷导盘(上导盘)的土体区域,具有不同压实度的土样上部即高度约为50～60 mm范围内电阻率显著减小;而接触制热导盘(下导盘)的土体区域,土样下部即高度约为20～30 mm范围内的电阻率显著增大。这是各组试验土体中的水发生了由下向上迁移的缘故,即水向低温端(土体顶部)迁移的现象,低温端(土体顶部)含水率增大导致电阻率减小,高温端(土体底部)含水率减小导致电阻率增大。在低温区域水分的自由能较小,水分附着在土颗粒表面,而在高温区域水分的自由能较大,液态水由自由能大的区域向自由能小的区域迁移,符合水汽迁移的规律即覆盖层下土体含水率增大。

由图7可知,以高度50 mm的土样电阻率作为分析对象,数据结果显示在压实度90%,试验进行到60 h的情况下,初始含水率由13%提高到21%,电阻率衰减率先增加后减小,电阻率减小量在w=15%时达到最大;相应的含水率增加量也是先增加至最大(w=15%时)再减小。

罗汀等[1]、李彦龙等[5]、姚仰平等[16]提出:较低初始含水率时,土体以气态水迁移为主;较高初始含水率时,土体以液态水迁移为主;初始含水率适中时,土体以混合态水迁移为主。与本次试验规律较为符合,所以本次研究考虑初始含水率较小时,孔隙之间具有较好的连通性,为气态水迁移提供了良好的通道,随着含水率逐渐提高慢慢补充水分,锅盖效应增强,在含水率为15%时该效应增加至最大。但含水率超过15%之后,最大含水率的锅盖效应又突然开始下降。

3.3 不同压实度试验结果

试验完成后,含水率为15%时,不同压实度土样沿高度的电阻率分布曲线见图8,不同压实度的土样经60 h稳定后各层的电阻率及含水率实测值分布如图9。

图8 不同压实度试验电阻率变化

图9 不同压实度试验水汽迁移稳定后电阻率及含水率分布曲线

同样,不同压实度的土样也发生了上部电阻率显著减小、下部电阻率显著增大的现象,但是电阻率的变化范围不同。究其原因都是在水汽迁移作用下,土体顶部含水率增大,土体底部含水率减小。与不同初始含水率的变化相比较发现,压实度对水汽迁移的影响较小,含水率对水汽迁移的影响更大,这与本文第2.3节的试验结果一致。

由图9可以看出,以高度50 mm的土样电阻率作为分析对象,压实度85%、压实度90%和压实度95%的土样经60 h稳定后电阻率减小量越来越小,相应的50 mm处土样的含水率增加量也越来越小,可见经60 h后,低温端土体电阻率减小的程度逐渐减弱,即土体中向低温区域的水汽迁移量逐渐减小。

针对上述试验规律,究其原因是:压实度越大,土体的孔隙比就越小。而土体中水气是通过土颗粒之间的孔隙通道进行迁移的。当土体孔隙比变小时,孔隙通道变小变窄,在相同试验条件下,水气的迁移量也就随之减少。可见,黏性土压实度的提高,虽不能避免土体发生水汽迁移,但能缓解其迁移的速率,弱化水汽迁移作用引起含水率增大的现象。

3.4 水汽迁移作用下电阻率预测模型验证

引入第2.3节电阻率预测模型(ρ=Ae-Bσe-Cw),对水汽迁移过程中的参数进行验证,试验数据及误差见表5,表5中的数据误差均<2%,说明模型拟合程度良好。图10(a)是不同初始含水率情况下含水率计算值与实测值的对比,图10(b)是不同压实度情况下含水率计算值与实测值的对比,图10中计算结果(预测值)与试验数据大致符合,验证了本次研究中电阻率-含水率模型计算土体水汽迁移作用过程中含水率的合理性和可靠性。此外,本次研究成果仅仅适用于武汉市某地典型黏土,旨在获得典型黏土在水汽迁移过程中电阻率变化与路基基本性能的关系,本研究为其他地区不同土类水汽迁移研究工作的开展提供一定的研究思路。

图10 含水率计算值与实测值对比

4 结 论

(1)对于黏性土而言,电阻率随含水率、压实度的增大而减小,均呈指数特征。且与压实度相比,电阻率对含水率这一影响因素更为敏感。

(2)不同初始含水率、不同压实度的土体在水汽迁移作用下,均发生了土体顶部电阻率减小、底部电阻率增大的现象,且含水率变化的实测值与计算值较为符合,具有一致性。

(3)压实度一定时,初始含水率不同,土体电阻率在水汽迁移过程中变化程度先增大后减小,同样含水率变化值也是先增大后减小;初始含水率一定时,不同压实度土体孔隙比不同,影响土体水汽迁移的速率或进程不同,且随着土体压实度逐渐增大,电阻率变化程度也逐渐减弱,相同试验时间内相同冷凝条件下的水分迁移量逐渐减小。