工程地质学报  2018, Vol. 26 Issue (6): 1666-1673   (2029 KB)    
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  • 收稿日期:2017-11-04
  • 收到修改稿日期:2018-03-09
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    李亚帅
    袁俊平
    吴建涛
    曹雪山
    施赛杰

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    李国维, 李亚帅, 袁俊平, 等. 2018. 引江济淮试验工程膨胀土电导率特征实验研究[J]. 工程地质学报, 26(6): 1666-1673. doi: 10.13544/j.cnki.jeg.2017-510.
    LI Guowei, LI Yashuai, YUAN Junping, et al. 2018. Research on electrical conductivity of expansive soil at Yangtze-to-Huai water diversion experimental project[J]. Journal of Engineering Geology, 26(6): 1666-1673. doi: 10.13544/j.cnki.jeg.2017-510.

    引江济淮试验工程膨胀土电导率特征实验研究
    李国维①②, 李亚帅①③, 袁俊平①③, 吴建涛, 曹雪山, 施赛杰①②    
    ① 河海大学岩土力学与堤坝工程教育部重点实验室 南京 210098;
    ② 河海大学道路与铁道工程研究所 南京 210098;
    ③ 河海大学岩土工程研究所 南京 210098
    摘要:南水北调中线工程实践研究表明,膨胀土的电导率与自由膨胀率呈现线性关系。引江济淮试验工程为开发膨胀土判别快速方法以及提出针对江淮地区土质的电导率法判别适用标准,开展膨胀土电导率特征实验研究。工程现场取多组土样进行基本性质、膨胀性和不同含水率下的电导率实验,寻求该地区膨胀土电导率与含水率和自由膨胀率的关系。研究表明,电导率随土体含水率增加呈现先增加后减小的变化趋势,土体处于液限含水率附近状态下,具有最强的导电性,电导率具有峰值特征。相同含水率条件下,土体的膨胀性越强电导率越大;电导率和自由膨胀率总体上线性相关,试样在液限含水率附近时相关性最大;线性经验模型的精度由相关性水平控制,本试验提出的江淮地区弱膨胀土电导率经验模型的精度控制标准为R2=0.78,可以达到自由膨胀率实测值的精度水平,具有实用价值。
    关键词膨胀土    电导率    自由膨胀率    含水率    引江济淮    
    RESEARCH ON ELECTRICAL CONDUCTIVITY OF EXPANSIVE SOIL AT YANGTZE-TO-HUAI WATER DIVERSION EXPERIMENTAL PROJECT
    LI Guowei①②, LI Yashuai①③, YUAN Junping①③, WU Jiantao, CAO Xueshan, SHI Saijie①②    
    ① Key Laboratory of Ministry of Education for Geomechanics and Embankment Engineering, Hohai University, Nanjing 210098;
    ② Highway and Railway Research Institute, Hohai University, Nanjing 210098;
    ③ Geotechnical Research Institute, Hohai University, Nanjing 210098
    Abstract: The practical research show that the conductivity of expansive soil has a linear relationship with the free expansion rate at the middle route of the south-to-north water diversion project. This paper aims to develop a rapid method for the discrimination of expansive soils at the Yangtze-to-Huai Water Diversion project and to present the standard for the electrical conductivity of soil of Yangtze-to-Huai area. It examines the electrical conductivity characteristics of expansive soils. It investigates the relationship between the conductivity of expansive soil and water content and free expansion rate in this area. Basic properties, swelling index and electrical conductivity tests are conducted on multi-group soil samples with varying water content obtained from the project field. The study shows that the lead rate increases with the increase of soil moisture content and then decreases. The soil has the highest electrical conductivity in the vicinity of its liquid limit. The electrical conductivity shows peak characteristics and increases with the swelling index of the soil under the same moisture content. The conductivity and the free swell index are linearly correlated in general. The correlation reaches a maximum in the vicinity of the liquid limit of the soil. The precision of the linear empirical model is controlled by the correlation coefficient. For weakly expansive soils, the model can achieve a high accuracy level of the free swell index when the R2 value is equal or greater than 0.78. and the findings have practical value in predicting the free swell index of soils.
    Key words: Expansive soil    Electrical conductivity    Free swell index    Water content    Yangtze-to-Huai water diversion    

    0 引言

    膨胀土是一种富含亲水性矿物, 具有明显的吸水膨胀和失水收缩的高塑性黏质土(文松松等, 2017)。其具有多裂隙性、膨胀性、超固结性等特性。当土体受到扰动, 尤其是湿度条件发生变化时, 土体会产生明显的体积膨胀或者收缩, 导致土体产生裂隙或者膨胀压力, 反复的干湿循环使得土体产生不可逆的强度衰减, 不利于工程的稳定, 甚至带来滑坡、不均匀沉降等地质灾害。

    土体膨胀等级的判别对膨胀土边坡处理措施设计和施工具有重要意义。目前, 膨胀土的判别方法主要有现场宏观判别和室内定量指标实验两种方法。现场宏观判别主要依据地形、地貌等地质特征, 以及地层的成因、地质年代、土层颜色等; 室内实验判别主要是针对黏性土的水理特性、胀缩特性和矿物成分等方面进行。现场宏观判别的方法对勘察人员的专业经验要求较高, 非专业技术人员很难实施; 室内定量指标判别实验中一般采用非状态指标, 如自由膨胀率、界限含水率、黏土矿物成分、阳离子交换量等进行, 其中自由膨胀率是最常用的也是各个规范中推荐的指标。但是, 自由膨胀率实验存在明显不足, 如试样制备、筛碾、称量、搅拌等都对测试结果有一定影响(傅鹤林等, 2002; 汪明武等, 2003), 且不同人按照规程操作得出的实验结果往往差别很大, 此外, 其实验周期一般超过24 h, 不符合现场快速判别的需求。

    近年来, 岩土体的检测方法趋于多样化, 超声波法(许旭堂等, 2016)、压汞法(李志清等, 2017)、电阻率法(查甫生等, 2009)等先进手段广泛应用于土体检测。岩土体的电导率是岩土体的基本物理力学参数之一, 表征岩土体导电能力的强弱。由于电导率具有测试方便、连续、快速等优点, 近年来该技术被大量应用于岩土工程领域(Bryson et al., 2009)。已有研究结果表明, 土体电导率(电阻率)受多种因素影响, 包括含水率、孔隙水电导率、饱和度、土的种类等(刘国华等, 2004)。关于电导率(电阻率)在岩土工程中的应用, 国内外学者已进行了很多研究。国内外学者建立了电导率和土体物理力学参数指标(Abu-Hanssanein et al., 1996; 房纯纲等, 2003; 蒋建平等, 2007), 如含水率、渗透系数、压缩系数等的关系。陈仁朋等(2010)分析了含水量、离子种类以及孔隙水电导率等对土体的影响。章定文等(2014)通过实验研究了固化土电阻率、固化剂掺入量和养护龄期等的变化规律。在土体的膨胀等级快速判别方面, 龚壁卫等(2011)提出利用电导率测定自由膨胀率, 进而提出了一种快速判别土体膨胀等级的方法, 并且获得发明专利。该方法在"十二五"期间的南水北调中线工程得到验证, 作为判别膨胀土的膨胀等级的方法而被其作为推荐标准。

    与传统的分类方法相比, 电导率具有明显的优势, 使得现场的随挖随判成为可能。然而, 针对江淮地区土体膨胀等级普遍不高的特点, 其现场判别时的最优含水率和适用性需要验证。本文结合实际工程, 就近年来提出的电导率法, 研究其在膨胀土等级快速判别中的应用。重点讨论不同含水率下电导率与自由膨胀率的相关性, 以此得出江淮地区电导率法的最优含水率以及其确定方法, 同时验证电导率法在该地区的适用性, 给出可接受的测试误差范围条件。现场对不同膨胀性土体取样, 进行电导率测试和自由膨胀率实验, 评价电导率判别土体膨胀性的可靠性, 并建立检测方法。

    1 实验方案及材料
    1.1 电导率法原理

    土壤学理论显示, 土壤中的黏土矿物具有强亲水性、离子交换性、膨胀性和可塑性等理化特性, 这些特性与颗粒的基本构造单元以及晶层结构有关。不同晶层结构导致土体的膨胀性、强度差异, 并且影响土体的导电性能、电化学性能等。研究显示, 黏土-水体系导电主要缘于黏土中可交换性阳离子的存在(董振亮等, 1993); 土的导电性包含土颗粒表面导电与孔隙水导电两部分, 土颗粒表面双电层中的离子在电场作用下会发生定向移动, 形成导电现象(刘松玉等, 2006)。黏土颗粒增加, 土的阳离子交换量增加, 导电性增加。黏土颗粒增加, 土的比表面积增加, 导电性增加。而土体的阳离子交换量和比表面积等均为土体膨胀等级的非状态指标, 所以土体导电性能和土体的膨胀特性间必然存在一定联系。

    1.2 实验材料

    本次实验所用土样均来自于引江济淮试验工程。引江济淮试验工程位于安徽省合肥市蜀山区小庙镇, 全长1.5 km, 河道挖深20~24 m, 该区域大量分布膨胀岩土。开挖边坡上部为膨胀土, 下部为膨胀岩。实验场地膨胀土土样基本特性如表 1所示。

    表 1 实验场地土样基本特性 Table 1 The basic characteristics of soil samples in the experimental site

    分别于渠道两岸不同桩号处新开挖揭露的坡面上选取不同土层的土样, 带回室内实验室进行不同含水率下的电导率和自由膨胀率的测定。现场分为西、中、东3个实验区, 共取样60组, 西区取样位置见图 1所示。

    图 1 现场西区取样位置 Fig. 1 Sample location on the west side

    实验用纯水为市场上可购置的去离子水——蒸馏水, 采用去离子水是为了消除水中的离子对电导率测定的影响。去离子水的电导率一般为2 ms·m-1

    1.3 实验仪器

    电导率测定仪器采用南京夸克科技有限公司生产的数字式SY-3型电导、温度计, 其测量电导率范围为0.01~99999.99 μs·cm-1, 采用直流"4端法"测试。实物图和基本原理图如图 2所示。

    图 2 电导率仪器和测试原理 Fig. 2 Electrical conductivity instrument and test principle a电导率测试仪; b电导率测试原理

    “4端法”是材料电导率的一种测量方法。通常在试样上排布4个电极, 内侧的两个电极用于测量电压, 而外侧的两个电极则用于测量电流。

    根据欧姆定律计算土样电导率, 如式(1):

    $ \sigma = \frac{L}{{BH}}\frac{I}{{\Delta V}} $ (1)

    式中, σ为土体电导率; I为电流强度; ΔV为电势差; L为电导电极中两镀铂电极片之间的距离; BH为单片铂电极片的宽、高。

    本次实验采用DJS-1型电导电极(图 3)。电极中两片铂电极之间间距很小且测量空间较小, 同时两个电荷间的电势线在两片铂电极之间电势线最密集。所以采用该种电导电极测量电导率近似等价为以L为土样长; BH为土样截面参数(长和宽)的模型进行计算。

    图 3 DJS-1型电导电极 Fig. 3 DJS-1 conductive electrode a.细部图; b整体图

    实验过程中将电导电极接入SY-3型电导、温度计, 垂直插入土中, 直至土体充满整个测量空间, 可以在电导仪上读出所测试土样的电导率。测试中膨胀等级土样如图 4所示。

    图 4 测试所用不同含水率土样 Fig. 4 Different water content samples a. 40%含水率土样; b. 50%含水率土样; c. 60%含水率土样; d. 70%含水率土样

    1.4 实验方案与过程

    本次实验方案分别选取现场肉眼可见的耕植土层、黑土层、砂性层的土样, 配置成为不同含水率的土膏进行电导率测定, 对测定后土样烘干测定自由膨胀率。具体实验方案如表 2所示。

    表 2 实验方案 Table 2 The experimental scheme

    具体实验过程按照以下步骤实施:

    (1) 自施工现场取回新揭露土样, 风干、碾碎、过2 mm筛, 过筛后土样放入105~110 ℃烘箱中烘干至恒重。

    (2) 取烘干土样500~750 g, 分为5份, 放入干燥箱中冷却至室温。根据每份干土质量称取相应质量的去离子水, 配制成含水率20%、30%、40%、50%、60%、70%、80%状态的土样, 用玻璃棒将其搅拌均匀后测试电导率。针对每一含水率状态下的电导率测试采用同一仪器进行多次测量, 测量前对仪器进行标定。测量结果取平均值, 保证电导率测试结果的准确性。

    (3) 用四分对角法取20~30 g烘干土样, 放入干燥箱中冷却至室温, 按《土工实验规程》测试土样的自由膨胀率。

    2 实验结果和分析
    2.1 含水率与电导率的关系

    分别在8个含水率下测试共计306个试样, 实验结果列入表 3

    表 3 电导率测试结果 Table 3 Conductivity test results

    图 5为典型中、弱、非3组膨胀土的电导率随含水率的关系, 每一条曲线为一组土样在不同含水率下的电导率, 括号内代表土样的自由膨胀率。图 5显示, 电导率与含水率之间具有对应关系, 电导率具有峰值特征, 峰值电导率对应的含水率随膨胀性增大而增大, 处于39% ~51%范围内。图 5也说明, 相同含水率下膨胀性越大的试样电导率越大。对照表 3中数据还可以看出, 电导率峰值对应的含水率与土样液限平均值相近。

    图 5 电导率与含水率的关系曲线 Fig. 5 The relationship of conductivity and water content

    上述电导率特征现象和土体导电的机制相对应(李瑛等, 2010)。黏性土在低含水率下, 随着含水率的增加, 黏性土中的孔隙不断被水填充, 固相间导电路径被连通, 且增加部分液相导电, 同时土中附带的离子不断溶解到水中增加液相的导电性。含水率达到某一值后, 土体导电性会随着含水率的增加而减小, 这时液相几乎被连通, 土中离子几乎全部溶于水中, 随着含水量的增加离子浓度降低, 且固相间的距离逐渐变大, 从而导致导电性能下降。土体的膨胀性越大, 固相中的带电离子密度越大, 导电性越强。

    由此, 土体处于液限含水率附近的状态, 具有最强的导电性, 膨胀性越强电导率越大。

    2.2 电导率与自由膨胀率的关系

    图 6为含水率50%下中、弱膨胀土试样的电导率与自由膨胀率的关系, 为相关性最大的结果。图 6a为整体统计中、弱膨胀土试样的结果, 电导率与自由膨胀率具有较好的线性关系。图 6b为单独统计中膨胀土试样的结果, 电导率与自由膨胀率的相关性明显低于总体情况。图 6c为单独统计弱膨胀土试样的结果, 电导率与自由膨胀率的相关性较好, 是影响整体相关性状态的主要因素。

    图 6 中、弱膨胀土电导率与自由膨胀率关系 Fig. 6 The relationship of electric conductivity and free expansion rate of middle and weak expansive soil a.中、弱膨胀土全部试样; b中膨胀土试样; c弱膨胀土试样

    本次实验, 场地内分布的中膨胀土较少, 实验结果中仅包含11个中膨胀土试样数据, 统计结果可能有一定局限性, 而弱膨胀土实验数据较多(37个)且相关性显著, 实验结果应具有普遍意义。

    图 7为含水率40%下非膨胀土试样的电导率与自由膨胀率的关系, 为相关性最大的结果。图 7显示, 非膨胀土电导率和自由膨胀率之间的相关性相对最低。实验场地的非膨胀土分布只有1/4, 实验结果中包含非膨胀土实验数据12个, 也同样存在统计结果的局限性问题。

    图 7 非膨胀土电导率与自由膨胀率关系 Fig. 7 The relationship of the conductivity of non-expansive soil and the free expansion rate

    以上实验结果, 只有弱膨胀土的导电性与土体的微结构特性符合程度较好, 即膨胀性越高导电性越强, 而中膨胀土和非膨胀土的导电性与理论规律相差较大。

    实验结果的这一特征和自由膨胀率的测试方法相关。实验证明, 由于自由膨胀率测试方法的原因, 包括碾土、干土体积定量和数据判读等环节, 测试结果受人为因素影响大, 不同人的实验结果可以与真实值相差3% ~5%, 引起对土体膨胀等级判断的误差。根据已有研究结果显示, 电导率与自由膨胀率线性正相关, 因此电导率测试结果应该是中膨胀>弱膨胀>非膨胀, 由图 6图 7可以发现, 本实验结果中的中膨胀土和弱膨胀土、弱膨胀土和非膨胀土, 各自的电导率取值范围存在重叠现象, 这应该是不合理的。若将膨胀性处于界限值附近的点按照电导率大小调整自由膨胀率的值, 则可以大大提高电导率与自由膨胀率的相关性。

    与自由膨胀率的测试方法比较, 电导率测试过程受人为因素影响小, 且可以反复多次测量, 以求取平均值的方式保证测试结果的精度。

    由此, 电导率和自由膨胀率的线性相关性总体上是存在的, 也是合理的。通过测定电导率的方法间接获得自由膨胀率, 只要保证标准实验一次测试的精度, 则可以规避直接实验方法存在的人为操作误差, 提高膨胀土判别的可靠性和效率。

    2.3 经验模型相关性影响因素

    表 4为电导率与自由膨胀率之间的线性经验模型的相关性随土体含水率、膨胀性的变化。表 4数据显示, 中、弱膨胀土的相关性在含水率50%时内出现最大值, 非膨胀土在含水率40%时出现最大值。

    表 4 不同含水率下电导率与自由膨胀率相关性水平 Table 4 The correlation coefficient of free swell ratio and electrical conductivity under different water content

    单独从含水率影响方面考虑, 相关性最大值对应的含水率恰好是土体电导率最大值对应的含水率, 即处于液限含水率附近, 由此可以得出电导率越大相关性也越大的认识。

    表 4数据也可以看出, 中膨胀土的电导率与自由膨胀率相关性小于弱膨胀土, 但其电导率却大于弱膨胀土, 这和上述规律并不一致。由此判断, 膨胀性对相关性的影响要小于含水率的作用。导致电导率增大的原因, 不仅仅有膨胀性, 应该还有其他影响因素。

    由此, 从经验模型的相关性水平高低角度考虑, 试样含水率的影响规律是明确的, 也是具有主导作用的, 液限含水率附近的相关性最大, 控制检测实验的土体含水率在液限附近, 是保证检测结果精度关键措施。

    2.4 经验模型的计算精度

    将回归得到的自由膨胀率经验模型与实测值的误差的分布假定为正态分布, 依据参数估计理论计算误差的置信区间。表 5为中弱膨胀土试样自由膨胀率的计算误差的置信区间。表 5显示, 误差均值为绝对零值, 表明经验模型拟合公式的计算结果与真实值的误差分布在零值附近, 且误差正负值大致相抵。方差越小, 说明误差在零值附近越集中, 公式的拟合程度可信水平越高, 即统计结果的置信度越大。表 5显示, 显著性水平α越小, 置信度越高, 置信区间越大, 精度越低。置信区间长度和回归模型的相关性一一对应。

    表 5 弱膨胀土自由膨胀率预测误差置信区间长度 Table 5 Confidence interval length of weak expansive soil's prediction error of the free expansion rate

    图 8为弱膨胀土的自由膨胀率预测值的置信区间长度与实验数据相关性的关系。图 8显示, 相同置信度条件下, 置信区间长度随相关性的增加而减小。

    图 8 弱膨胀土自由膨胀率预测模型精度与相关性 Fig. 8 Prediction model accuracy and correlation of prediction model of free expansion rate of weak expansive soil

    按照自由膨胀率实测值的精度(3% ~5%)的水平, 采用经验模型计算自由膨胀率时要达到±3%的精度, 置信度为100%条件下, 经验模型的相关性水平不能低于0.78。

    表 5数据显示, 相关性水平和样本数量正相关, 和方差负相关。增加样本数量和提高标准实验中的自由膨胀率的测试精度, 可以提高经验模型的相关性水平。本实验中的弱膨胀土的经验模型基本满足精度要求, 而中膨胀土的实验结果, 无论从样本数还是相关性水平, 距离精度要求还有较大差距。

    由此, 自由膨胀率实测值的精度水平是建立经验模型精度的标准, 据此保证电导率方法的可靠性。经验模型的计算精度取决于试样样本的数量和实验结果的离散性, 和相关性水平一一对应。

    综上所述, 土体处于液限含水率附近状态下, 具有最强的导电性, 膨胀性越强电导率越大。电导率和自由膨胀率的线性相关性总体上是存在的。在引江济淮工程中, 利用电导率测定土体自由膨胀率是可行的。试样在液限含水率附近时得到的经验模型的相关性最大, 控制土体含水率在所有土样液限的最大值, 是提高检测结果精度的有效手段。自由膨胀率实测值的精度水平是建立经验模型精度的标准, 计算精度和经验模型相关性水平一一对应。本实验提出的弱膨胀土电导率计算自由膨胀率的经验模型具有实用价值。

    3 结论

    (1) 引江济淮试验工程土体含水率与电导率具有相关性。土体处于液限含水率附近状态下, 具有最强的导电性, 电导率具有峰值特征, 相同含水率下土体的膨胀性越强电导率越大。

    (2) 引江济淮试验工程电导率与自由膨胀率线性相关。电导率和自由膨胀率的关系总体上线性相关, 试样在液限含水率附近时电导率出现峰值且相关性最大。通过测定电导率方法间接获得自由膨胀率时, 只要保证标准实验一次测试的精度, 则可以规避直接实验方法存在的人为操作误差, 提高膨胀土判别的可靠性和效率。在引江济淮工程中, 利用电导率测定土体自由膨胀率方法可行。

    (3) 经验模型的精度与相关性水平对应。自由膨胀率实测值的精度水平是建立经验模型精度的标准。增加样本数量和提高标准实验中的自由膨胀率的测试精度, 可以提高经验模型的相关性水平, 是建立满足精度要求的模型的有效方法。本实验提出的弱膨胀土电导率经验模型的精度控制标准为R2=0.78, 满足计算精度±3%的要求, 具有实用价值。

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