CN102297879A - 用土壤电导率进行膨胀土(岩)现场快速判别的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用土壤电导率进行膨胀土(岩)现场快速判别的方法，属于岩土力学与工程技术领域。本方法按以下次序的步骤进行：(1)事前的准备：建立通用的土壤自由膨胀率与电导率的关系曲线；或建立该特定现场的土壤自由膨胀率与电导率的关系曲线；(2)现场取样：配成含水率为70％的土膏，用玻璃棒将土水搅拌均匀，备用；(3)现场测试：用土壤电导率探头测试上述土样的电导率，并记录之；(4)膨胀性判别：用实测土样的电导率推测土样的自由膨胀率，按照《膨胀土地区建筑技术规范》(GBJ112-87)，确定膨胀土(岩)的等级。本方法简便实用，操作容易，快速准确，特别适用于工程现场，对于工程设计和施工具有十分重要的意义。

Description

用土壤电导率进行膨胀土(岩)现场快速判别的方法

技术领域

本发明属于岩土力学与工程技术领域，具体涉及一种在工程现场对难以现场判别的膨胀土(岩)进行快速判别的新方法。

背景技术

膨胀土是一种在干旱、半干旱地区形成的，受环境湿热变化影响的高塑性粘土，由于其特殊的粘土矿物成分，使其具有液限大，胀缩性能强，吸水膨胀，失水收缩的特点。在膨胀土地区开展工程建设的时候，往往会发生边坡滑坡、基础开裂或变形等，因此，工程界将它视为一种“难以对付的土”。

通常，在工程建设的初期，通过地质勘探来确定工程范围内的工程地质条件与工程地质问题。但是，前期的勘探工作由于勘探精度有限和地质条件的复杂性，往往只能把握宏观的地质条件，而在局部地段则可能出现漏判和错判的情况。在施工阶段，由于前期勘探的缺陷导致工程停工、修改设计的案例时有发生。最为典型的案例如葛洲坝工程，当年就是在地质条件尚未完全弄清的情况下仓促上马，后因地质缺陷而停工，并重新进行勘探、设计。对于膨胀性岩土地区，如果出现漏判和错判的情况，少则致使工程延期，多则可能重新修改设计、造成工程投资浪费巨增。

现有技术中，工程中的膨胀土判别主要采用现场定性和室内定量指标两种方法。现场定性主要是根据场区内土体工程地质特征，如地形地貌、地质年代、裂隙发育程度、充填物颜色等进行判别；室内定量指标主要分为两类：一类是采用土的界限含水量(液限、塑指、缩限等)、土的粒度成分(粘粒含量、胶粒含量)、自由膨胀率等物理性指标，以及粘土矿物成分、阳离子交换量、比表面积等矿化指标综合判别；另一类是采用线膨胀率、胀缩总率等变形指标进行判别。前一类指标可以归类为与土体的天然状态(含水率、密度)无关的非状态指标；后一类可以归类为与土体的天然状态有关的状态指标。非状态指标实际反映的是土壤的亲水能力，它们与土壤最本质的矿物成分、化学成分有着密切的关联；而状态指标在很大程度上受土体的天然存在状态的影响，因此，膨胀土的分类判别采用非状态指标更为合理。

非状态指标中自由膨胀率试验由于概念明确，仪器设备简单，成果直观，一直以来作为膨胀土判别的重要手段。国标《岩土工程勘察规范》和《膨胀土地区建筑技术规范》中均以自由膨胀率大于或等于40％作为膨胀土的判别标准。但是，自由膨胀率试验也存在明显的不足，如试样的制备、筛碾、称量、搅拌等都对测试结果有一定影响，且不同的人按照规程操作的试验结果往往有较大的差异，所以，自由膨胀率试验是一项技术难度较高的试验项目。此外，自由膨胀率试验周期一般需要2～3天，试验对环境温度也有一定要求，这些因素都影响了该指标在现场鉴别中的使用，尤其在渠道、路堑工程的开挖过程中，及时准确的判别膨胀土及其胀缩等级，对于工程设计和施工具有十分重要的意义。

发明内容

针对现有技术的上述不足，本发明要解决的技术问题是提供一种用土壤电导率进行膨胀土(岩)现场快速判别的方法，能够在施工现场取得膨胀土(岩)样本，现场进行试验，现场对膨胀土(岩)快速地进行分类判定，解决了现有技术中长期没有得到解决的一个技术难题。

本发明的技术方案是：用土壤电导率进行膨胀土(岩)现场快速判别的方法按以下次序的步骤进行：

(1)事前的准备：在多个现场选取多个有代表性的膨胀土(岩)试样，预先在实验室内对土样的自由膨胀率和电导率进行测试，建立通用的土壤自由膨胀率与电导率的关系曲线；或在特定现场选取多个有代表性的膨胀土(岩)试样，预先在实验室内对土样的自由膨胀率和电导率进行测试，建立该特定现场的土壤自由膨胀率与电导率的关系曲线；

(2)现场取样：在特定现场取有代表性的风干膨胀土(岩)样500g，在烘箱内60℃烘干，测试其干燥后的含水率，并将土样破碎分散，剔除土样中大于0.5mm的颗粒；用四分法取出上述土样中的100-150g，称取纯净水，配成含水率为70％的土膏，用玻璃棒将土水搅拌均匀，备用；

(3)现场测试：用土壤电导率探头测试上述土样的电导率，并记录之；

(4)膨胀性判别：采用事先测定的通用的土壤自由膨胀率与电导率的关系曲线，或特定现场的土壤自由膨胀率与电导率的关系曲线；用实测土样的电导率推测土样的自由膨胀率，按照《膨胀土地区建筑技术规范》(GBJ112-87)，确定膨胀土(岩)的等级。

附：《膨胀土地区建筑技术规范》(GBJ112-87)膨胀土(岩)的等级：

自由膨胀率大于90％为具有强膨胀潜势；

自由膨胀率65％～90％为中等膨胀潜势；

自由膨胀率40％～65％为弱膨胀潜势；

自由膨胀率小于40％不具膨胀潜势。

所述的通用的土壤自由膨胀率与电导率的关系曲线是这样确定的：

[1]选取以下有代表性的膨胀土岩作为试验样本

(1)南水北调中线工程沿线的强、中、弱膨胀土(岩)，其中，包括邯郸强膨胀岩，新乡的中膨胀粘土岩、弱膨胀泥灰岩，南阳的强、中、弱膨胀土；

(2)襄樊、枣阳、荆门、镇江诸地的中、弱膨胀土；

(4)广西地区的强、中、弱膨胀土；

(5)缅甸某水电站的粘土、粉质粘土；

(6)五星界、长河坝地区的粘性土；

[2]步骤[1]的每种样本所取土样，用四分法分得土样20～30g，放进105～110℃烘箱中烘至恒重后，再将土样从烘箱中取出，放入干燥箱中冷却至室温，按《土工试验规程》(SL237-1999)的规定对所有土样的自由膨胀率进行测试，并记录之；

[3]步骤[1]的每种样本所取土样，用四分法分得土样100～150g，先放进60℃烘箱中烘至恒重，再将土样从烘箱中取出，测量土样含水率，根据土样实测含水率称取纯净水，配成含水率为70％的土膏，用玻璃棒将土水搅拌均匀，用土壤电导率探头测试土样的电导率，并记录之；

[4]将步骤[2]和[3]的记录数据作为信息源，用现有技术的曲线拟合方法，以二次曲线δ＝aσ²+bσ+c的形式，拟合膨胀土(岩)的自由膨胀率和含水率为70％试样的电导率之间的相关关系，通过最小二乘法计算出二次曲线中的拟合参数a、b、c的估计值，得出通用的土壤自由膨胀率与电导率的关系曲线是δ＝0.0013σ²+0.445σ+9.7251。

所述的特定现场的土壤自由膨胀率与电导率的关系曲线是这样确定的：

[1]选取特定现场的多个有代表性的膨胀土岩作为试验样本；

[2]步骤[1]的每种样本所取土样，用四分法分得土样20～30g，放进105～110℃烘箱中烘至恒重后，再将土样从烘箱中取出，放入干燥箱中冷却至室温，按《土工试验规程》(SL237-1999)的规定对所有土样的自由膨胀率进行测试，并记录之；

[3]步骤[1]的每种样本所取土样，用四分法分得土样100～150g，先放进60℃烘箱中烘至恒重，再将土样从烘箱中取出，测量土样含水率，根据土样实测含水率称取纯净水，配成含水率为70％的土膏，用玻璃棒将土水搅拌均匀，用土壤电导率探头测试土样的电导率，并记录之；

[4]将步骤[2]和[3]的记录数据作为信息源，用现有技术的曲线拟合方法，以二次曲线δ＝aσ²+bσ+c的形式，拟合膨胀土(岩)的自由膨胀率和含水率为70％试样的电导率之间的相关关系，通过最小二乘法计算出二次曲线中的拟合参数a、b、c的估计值，得出该特定现场的土壤自由膨胀率与电导率的关系曲线。

本发明的方法简便实用，操作容易，快速准确，特别适用于工程现场使用，本发明的方法能较准确地对膨胀土(岩)进行现场的判别，对于工程设计和施工具有十分重要的意义，解决了现有技术中长期没有得到解决的一个技术难题。

附图说明

附图1是本发明的通用的土壤自由膨胀率与电导率的关系曲线图。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明的具体实施方式及有关技术问题作进一步详细的描述。本发明在分析目前国内外有关膨胀土判别分类方法的基础上，通过大量的室内比较性试验，提出了以土样自由膨胀率和电导率相关关系为基础，以现场实测土样的电导率推测膨胀土自由膨胀率，从而实现现场快速鉴定的方法。

本发明的理论基础源于土壤学和土质学的基本理论。土壤的导电性主要取决于土壤中自由电子(离子)的种类与数量。众所周知，土壤是由土颗粒、孔隙水和孔隙气三相组成，干土在通常情况下是不导电的，而一旦土壤孔隙中充填水份以后，土壤的导电性才得以发挥，而导电性能的大小，则取决于土壤的种类，更进一步的说，是取决于土壤矿物成分种类与含量。

根据土壤学理论，土壤矿物质可分为原生矿物和次生矿物两类。土壤中的原生矿物主要存在于土壤的粗粒组分中，长石和石英是两种最为常见的原生矿物，约占土壤砂粒和粉粒的70～90％，具有晶格稳定、基本上不吸水、不膨胀等特性；土壤中的次生矿物可以由原生矿物风化淋溶后形成，也可以由风化成土过程中原生矿物的分解产物重新合成而成，还可以是沉积母岩的自身矿物。次生矿物主要存在于土壤的粘粒组分中，也称之为粘土矿物。

粘土矿物具有强亲水性、离子交换性、膨胀性和可塑性等，从本质上讲，粘土矿物的这些特性都与其基本构造单元(四面体片或八面体片)有关，粘土矿物的自由电荷是使粘土矿物具有一系列化学、物理特性的根本原因，它的电荷数量和种类直接影响着土体的理化特性。

研究表明，粘土矿物的构造主要有层状硅酸盐矿物和非层状硅酸盐矿物两类。层状硅酸盐矿物主要指结构呈层状的高岭石、蒙脱石、伊利石和蛭石等；非层状硅酸盐矿物主要指水铝石英组和含水氧化铁、氧化铝、硅胶等。层状硅酸盐矿物的基本结构有硅氧四面体和铝氧八面体，其晶层结构主要有1∶1型、2∶1型和2∶1∶1等三种类型，即1个(或2个)硅氧四面体分别与1个铝氧八面体结合形成的基本晶层。不同的晶层结构，其组成矿物的比表面积、离子吸附和交换特性、膨胀性具有显著的区别。从而导致粘土矿物的电化学特性显著不同，其在相同含水状态条件下，溶液的导电性也显著不同。

Keller和Frischknecht(1966)，Mitchell(1993)Thevanyagam(1993)，Sreedeep等(2004)和Robain(2003)等用电阻率法进行过土的工程特性的评价研究。缪林昌等研究了水泥土、膨胀土的电阻率的特性(请见：重塑膨胀土的电阻率特性测试研究，岩土工程学报，2007，29(9)：1413-1417.)。这些研究成果从侧面反映了土壤的导电性能与土体结构、工程特性的关系。董振亮等系统的研究了粘土矿物中可交换阳离子含量与电导率的相关性(请见：蒙脱石八面体层中(Fe³⁺+Mg²⁺)含量和晶胞参数b₀对蒙脱石一水体系电导的影响，硅酸盐学报，1993，21(1).)，他认为：粘土一水体系电导产生的原因，除了可溶盐类之外，主要是粘土中可交换性阳离子的存在所致。当把蒙脱石中可溶盐除去后，蒙脱石一水体系的电导，主要是由于蒙脱石层间可交换性阳离子的迁移造成的。在蒙脱石一水体系中，导电性阳离子的导电能力，受蒙脱石对阳离子的束缚力所制约，当水量远比可塑状态所需水高时，交换性阳离子位于距粘上表面较远的地方，并被水所分隔。分隔的距离越远，粘土颗粒对阳离子的束缚力越小。董振亮等的试验成果表明，无论是钠型、锌型还是铁型蒙脱石，其水体系的电导率均与八面体层中交换性阳离子含量成线性相关，即蒙脱石八面体层中交换性阳离子含量大，水体系的电导率亦大；交换性阳离子含量小，水体系的电导亦小。对于不同类型的蒙脱石一水体系，其相关系数为0.95～0.99。刘松玉等认为(请见：土的电阻率室内测试技术研究.工程地质学报.2006，14(2)：216-222.)，土的导电性包含土颗粒表面导电与孔隙水导电两部分。其中，孔隙水导电取决于孔隙水的含盐量与饱和度；土颗粒表面导电取决于颗粒表面吸附特征与颗粒之间的连结特性。粘土颗粒表面存在双电层，双电层中的阳离子与阴离子在电场的作用下具有导电能力。粘粒含量增加，土的比表面积增大，土电导率的增加、电阻率降低。运用上述原理，查甫生等采用电阻率法进行了膨胀土改良效果的试验测试(电阻率法评价膨胀土改良的物化过程.岩土力学.2009，30(6)：1171-1178.)，结果显示，不同养护龄期下改良膨胀土的膨胀量、膨胀力随着电阻率呈线性递减关系。通过测试改良膨胀土不同养护龄期下的电阻率，可以准确地预测其膨胀量与膨胀力的大小。由此可见，土壤导电性与土壤中可交换阳离子的种类、数量密切相关，而可交换阳离子数量的多少，决定了粘性土膨胀性的大小，因此，可以通过建立电导率与自由膨胀率的关系来准确推测土壤的自由膨胀率，从而实现在现场对膨胀性岩土的分类和快速判别。

本发明的通用的土壤自由膨胀率与电导率的关系曲线δ＝0.0013σ²+0.445σ+9.7251的两变量之间的相关系数为0.96，即相关性强，曲线的拟合误差小。下面描述本发明的几个实施例：

选择国内最具代表性的5个膨胀土地区土样，按照上述的试验方法分别进行自由膨胀率试验和电导率测试，并根据本发明所提出的关系曲线用电导率推测自由膨胀率，然后，分别用自由膨胀率实测值和本发明的计算值，根据《膨胀土地区建筑技术规范》(GBJ112-87)所规定的膨胀性等级进行划分，结果如下表：

表1用实测自由膨胀率和电导率推测值判别膨胀等级

实施例1：河北地区

选取两组试样，样品1室内自由膨胀率试验δ＝115％；电导率测试σ＝155ms/m，根据拟合曲线δ＝0.0013σ²+0.445σ+9.7251计算得到的自由膨胀率δ＝110％，根据《膨胀土地区建筑技术规范》(GBJ112-87)所规定的膨胀性等级进行划分，两种方式划分的等级均为强膨胀土，说明用本发明的方法进行电导率推测的结果与实测结果完全吻合。用样品2的试验数据同样也可以达到对膨胀性准确判别的目的。

实施例2：河南地区

选取7组不同岩性的样品分别进行室内自由膨胀率试验和电导率测试，实测试验结果如上表。根据本发明所提供的拟合曲线可以得到相应的自由膨胀率计算值，按照《膨胀土地区建筑技术规范》(GBJ112-87)所规定的膨胀性等级进行划分，除样品5的对膨胀性的判别有出入外，其余样品的膨胀性等级均完全一致。

实施例3：其它地区

选取湖北、广西、湖南等地区的5组样品进行室内自由膨胀率试验和电导率测试，实测试验结果如上表。根据本发明所提供的拟合曲线可以得到相应的自由膨胀率计算值，按照《膨胀土地区建筑技术规范》(GBJ112-87)所规定的膨胀性等级进行划分，全部样品的膨胀性等级均完全一致。

Claims (3)

1.一种用土壤电导率进行膨胀土(岩)现场快速判别的方法，其特征在于：所述的方法按以下次序的步骤进行：

(1)事前的准备：在多个现场选取多个有代表性的膨胀土(岩)试样，预先在实验室内对土样的自由膨胀率和电导率进行测试，建立通用的土壤自由膨胀率与电导率的关系曲线；或在特定现场选取多个有代表性的膨胀土(岩)试样，预先在实验室内对土样的自由膨胀率和电导率进行测试，建立该特定现场的土壤自由膨胀率与电导率的关系曲线；

(2)现场取样：在特定现场取有代表性的风干膨胀土(岩)样500g，在烘箱内60℃烘干，测试其干燥后的含水率，并将土样破碎分散，剔除土样中大于0.5mm的颗粒；用四分法取出上述土样中的100-150g，称取纯净水，配成含水率为70％的土膏，用玻璃棒将土水搅拌均匀，备用；

(3)现场测试：用土壤电导率探头测试上述土样的电导率，并记录之；

(4)膨胀性判别：采用事先测定的通用的土壤自由膨胀率与电导率的关系曲线，或特定现场的土壤自由膨胀率与电导率的关系曲线；用实测土样的电导率推测土样的自由膨胀率，按照《膨胀土地区建筑技术规范》(GBJ112-87)，确定膨胀土(岩)的等级。

2.根据权利要求1所述的用土壤电导率进行膨胀土(岩)现场快速判别的方法，其特征在于所述的通用的土壤自由膨胀率与电导率的关系曲线是这样确定的：

[1]选取以下有代表性的膨胀土岩作为试验样本

(1)南水北调中线工程沿线的强、中、弱膨胀土(岩)，其中，包括邯郸强膨胀岩，新乡的中膨胀粘土岩、弱膨胀泥灰岩，南阳的强、中、弱膨胀土；

(2)襄樊、枣阳、荆门、镇江诸地的中、弱膨胀土；

(4)广西地区的强、中、弱膨胀土；

(5)缅甸某水电站的粘土、粉质粘土；

(6)五星界、长河坝地区的粘性土；

[2]步骤[1]的每种样本所取土样，用四分法分得土样20～30g，放进105～110℃烘箱中烘至恒重后，再将土样从烘箱中取出，放入干燥箱中冷却至室温，按《土工试验规程》(SL237-1999)的规定对所有土样的自由膨胀率进行测试，并记录之；

[3]步骤[1]的每种样本所取土样，用四分法分得土样100～150g，先放进60℃烘箱中烘至恒重，再将土样从烘箱中取出，测量土样含水率，根据土样实测含水率称取纯净水，配成含水率为70％的土膏，用玻璃棒将土水搅拌均匀，用土壤电导率探头测试土样的电导率，并记录之；

[4]将步骤[2]和[3]的记录数据作为信息源，用现有技术的曲线拟合方法，以二次曲线δ＝aσ²+bσ+c的形式，拟合膨胀土(岩)的自由膨胀率和含水率为70％试样的电导率之间的相关关系，通过最小二乘法计算出二次曲线中的拟合参数a、b、c的估计值，得出通用的土壤自由膨胀率与电导率的关系曲线是δ＝0.0013σ²+0.445σ+9.7251。

3.根据权利要求1所述的用土壤电导率进行膨胀土(岩)现场快速判别的方法，其特征在于所述的特定现场的土壤自由膨胀率与电导率的关系曲线是这样确定的：

[1]选取特定现场的多个有代表性的膨胀土岩作为试验样本；

[2]步骤[1]的每种样本所取土样，用四分法分得土样20～30g，放进105～110℃烘箱中烘至恒重后，再将土样从烘箱中取出，放入干燥箱中冷却至室温，按《土工试验规程》(SL237-1999)的规定对所有土样的自由膨胀率进行测试，并记录之；

[3]步骤[1]的每种样本所取土样，用四分法分得土样100～150g，先放进60℃烘箱中烘至恒重，再将土样从烘箱中取出，测量土样含水率，根据土样实测含水率称取纯净水，配成含水率为70％的土膏，用玻璃棒将土水搅拌均匀，用土壤电导率探头测试土样的电导率，并记录之；

[4]将步骤[2]和[3]的记录数据作为信息源，用现有技术的曲线拟合方法，以二次曲线δ＝aσ²+bσ+c的形式，拟合膨胀土(岩)的自由膨胀率和含水率为70％试样的电导率之间的相关关系，通过最小二乘法计算出二次曲线中的拟合参数a、b、c的估计值，得出该特定现场的土壤自由膨胀率与电导率的关系曲线。

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