CN106680330A - 一种用电阻率进行膨胀土膨胀性能现场评价的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用电阻率进行膨胀土膨胀性能现场评价的方法，属于岩土力学与工程技术领域。首先，现场采用电阻率静力触探技术测试目标膨胀土地区的电阻率值；然后，通过现场取样测出目标膨胀土地区的含水率值和密度值，并依此计算出土体的孔隙率和饱和度；最后根据电阻率自由膨胀率预测公式，计算目标膨胀土地区的自由膨胀率，并按照GBJ112‑87膨胀土地区建筑技术规范，确定膨胀岩土的等级。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

一种用电阻率进行膨胀土膨胀性能现场评价的方法

技术领域

本发明属于岩土力学与工程技术领域，具体涉及一种采用电阻率手段在工程现场或室内对难以判别的膨胀土岩进行快速评价预测的新方法。

背景技术

特殊性土指自然界中具有特殊的物理、力学、化学性质，并影响工程地质条件的土。由于岩土特征的特殊性，在由这类岩土构成的建设场地进行岩土工程勘察时，往往需要使用一些专用的勘察工具来进行勘探和取样工作，从而获取符合实际情况的岩土力学及物性等指标数据，搞好特殊性土地区的岩土工程勘察工作。膨胀土就是特殊性土中的一种。

膨胀土是指土中粘粒成分主要由亲水性矿物组成，具有明显的吸水膨胀，失水收缩、开裂，并产生往复胀缩变形的高液限粘土。对膨胀土的判定一般使用自由膨胀率和液限两项指标。当自由膨胀率F_s≥40％，液限w_l≥40％时即判定为膨胀土；分为强、中等和弱膨胀土三类。

目前在评价膨胀土的胀缩性质时有直接法和间接法两种，前者是在室内或野外作膨胀收缩试验，直接测定其在实际受力条件下的胀缩量，成果较为可靠，但费工、费时和费钱，不便大量采用；后者则通过某些容易测定的指标间接评价其胀缩性，虽然精度不如直接法高，但可以省去许多试验工作量，具有较大的经济意义。由于同质土的膨胀势与湿度和密度关系密切，所以凡是能较好地反映土内湿度-密度状态的指标，都能用来间接地评价膨胀势的强弱，其中静力触探试验因迅速简便和复现性好，是较好的一种间接评价手段。为了选择合理的判别指标，首先必须研究反映膨胀土基本性质的各指标间的相关关系，以及这些指标的组合规律，若能着重考虑胀缩机理，选择表征膨胀土特性的独立指标和采用数学手段对各指标作相关分析，选出相关性最大的特征指标，并建立函数，这样就能比较理想地实现膨胀土的判别目的。

国内外膨胀土分类方法很多，所选用的指标和标准也不相同，各行业各自选用了一些与膨胀土的膨胀和收缩直接或间接有关的一些指标对膨胀土进行了分类，如自由膨胀率、液限、塑性指数、小于2μm的粘粒含量、蒙脱石含量、比表面积、阳离子交换量、胀缩特性指标等等，导致分类结果也有较大的区别。

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。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。但是膨胀土的膨胀率试验通常较为麻烦，无法快速的得出相应膨胀土的膨胀率，且变异性较大，同一土样不同研究者往往会得出不同结论。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

发明目的：针对现有技术的上述不足，提供一种用电阻率进行膨胀土膨胀性能现场评价的方法，能够在施工现场取得膨胀岩土样本，现场进行试验对膨胀岩土快速地进行分类判定。

技术方案：一种用电阻率进行膨胀土膨胀性能现场评价的方法，包括如下步骤：

步骤1，现场采用电阻率静力触探技术测试目标膨胀土地区的电阻率值；

步骤2，通过现场取样测出目标膨胀土地区的含水率值和密度值，并依此计算出土体的孔隙率和饱和度；

步骤3，根据电阻率自由膨胀率预测公式，计算目标膨胀土地区的自由膨胀率，并按照GBJ112-87膨胀土地区建筑技术规范，确定膨胀岩土的等级；其中，所述电阻率自由膨胀率预测公式为：δ为膨胀土自由膨胀率，ρ为电阻率， 为孔隙率，n为孔隙率指数，S_r为饱和度，m为饱和度指数，ρ_w为孔隙水电阻率，a和b为拟合系数。

进一步的，所述孔隙率指数n以及饱和度指数m的确定方法包括如下步骤：

步骤a，配置人工膨胀土：分别将膨胀性黏性土材料及非膨胀性黏性土材料放入105℃～110℃烘箱中烘至恒重，然后将黏性土材料从烘箱中取出并放入干燥箱中冷却至室温，然后按不同比例取相应质量的两种黏性土材料进行干土拌合，充分搅合后的各份土样用自封袋密封并放入标准养护室中养护；

步骤b，对不同比例各份土样进行室内电阻率和自由膨胀率测试，分别得到定含水率、定孔隙率条件下，膨胀土的电阻率与自由膨胀率之间存在指数函数关系，且膨胀土的电阻率随着含水率的变化而变化；

步骤c，为消除状态参数对用电阻率法预测自由膨胀率的影响，选取饱和度、孔隙率、孔隙水电阻率作为有效参数进行控制，根据步骤b的测试结果：

(1)建立饱和状态下，电阻率ρ_n0与孔隙率之间的相关关系为：

其中，ρ_n0为饱和状态下孔隙电阻率，ρ_w为孔隙水电阻率，为孔隙率，n为孔隙率指数，δ为膨胀土自由膨胀率，a₂和b₁为拟合系数；所述孔隙率指数n通过人工膨胀土电阻率孔隙率关系确定；

(2)建立天然状态下，电阻率ρ与饱和度S_r之间的相关关系为：

其中，ρ为天然状态下电阻率，ρ_n0为饱和状态下孔隙电阻率，S_r为饱和度，m为饱和度指数，δ为膨胀土自由膨胀率，a₄和b₂为拟合系数；所述饱和度指数m通过人工膨胀土电阻率饱和度关系确定；

(3)结合步骤(1)和(2)得到基于电阻率的自由膨胀率通用预测公式为：

其中，a＝a₄×a₂，b＝b₂+b₁；进而得到膨胀土自由膨胀率δ为：

有益效果：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。膨胀土内部结构是决定其膨胀性强弱的主要因素之一，所以为了更准确地把握其膨胀特性、膨胀机理，更有效地设计处理这类地基土，许多岩土工程界学者一直都很关注其微观结构的研究。根据土壤学理论，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。从微观角度而言，不同的晶层结构使得黏土矿物的比表面积、离子吸附和交换特性等具有显著的区别；从宏观角度而言，不同的晶层结构导致土体的膨胀性、强度差异。目前，关于膨胀土的识别与 分类，国内外已进行了大量的研究工作，提出了许多判别与分类方法，然而目前还没有一个单一指标能充分表述作为工程环境或工程结构体一部分的膨胀土的复杂性态，因此大多为考虑多种因素的组合判别方法。这其中尤以液塑限和粘粒含量等反映土颗粒内部结构特性的指标被广泛采用进行膨胀性能判别。

膨胀土的膨胀率试验通常较为麻烦，无法快速的得出相应膨胀土的膨胀率，且变异性较大，同一土样不同研究者往往会得出不同结论。发明人经过研究发现，电阻率对于土体内部的结构有显著的敏感度，且土壤中的黏土矿物晶层结构的变化可能影响黏性土的电化学特性、导电性能等。本发明采用商用无机钠基膨润土和高岭土进行室内人工配制，以合成不同膨胀性能的人工膨胀土。并通过测试人工膨胀土的膨胀性能，电学性能以及物理工程特性，分析三者之间的关系。最后根据取自汉中以及合肥的原位天然膨胀土试样进行对比，并根据其他学者的研究成果进行分析。得出电导率指标可以作为膨胀土非状态指标自由膨胀率以及内部结构特性表征参数，建立相应的表征方法以提供一种快速的膨胀原位评价方法。

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，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

图1是本发明方法的流程图；

图2是本发明的定含水率状态下人工膨胀土自由膨胀率与电阻率关系曲线图；

图3是本发明的拟合值a与孔隙率相关关系曲线图；

图4是本发明的定孔隙率状态下人工膨胀土自由膨胀率与电阻率关系曲线图；

图5是本发明的拟合值a与饱和度相关关系曲线图；

图6是本发明的人工膨胀土归一化电阻率与自由膨胀率相关关系图；

图7是本发明的基于电阻率预测模型的膨胀土实测与预测自由膨胀率比较图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做更进一步的解释。

一种用电阻率进行膨胀土膨胀性能现场评价的方法，包括如下步骤：

步骤1，现场采用电阻率静力触探技术测试目标膨胀土地区的电阻率值。

步骤2，通过现场取样测出目标膨胀土地区的含水率值和密度值，并依此计算出土体的孔隙率和饱和度。

步骤3，根据电阻率自由膨胀率预测公式，计算目标膨胀土地区的自由膨胀率，并按照GBJ112-87膨胀土地区建筑技术规范，确定膨胀岩土的等级；其中，电阻率自由膨胀率预测公式为：δ为膨胀土自由膨胀率，ρ为电阻率，为孔隙率，n为孔隙率指数，S_r为饱和度，m为饱和度指数，ρ_w为孔隙水电阻率，a和b为拟合系数。

其中，电阻率自由膨胀率预测公式按如下方法得到：

步骤a：为达到模拟不同膨胀性能膨胀土的目的，采用膨胀性黏性土材料及非膨胀性黏性土材料以不同比例掺和配置人工膨胀土，这样可以不改变膨胀土粘性土的特性，并且可以控制配置土的膨胀性等级。本实施例中，膨胀性黏性土材料选用句容地区的无机钠基膨润土，其呈灰黄色，蒙脱石含量大于65％；选用二氧化硅含量12.6％的灰白色高岭土作为非膨胀性黏性土材料。设计的掺和的比例，即膨润土占总质量的比例为：0％，10％，20％，30％，40％，50％，60％，70％，80％，90％，100％。

分别将无机钠基膨润土及高岭土放入105℃～110℃烘箱中烘至恒重；然后将黏性土材料从烘箱中取出并放入干燥箱中冷却至室温；然后按设计比例取相应质量的两种黏性土材料进行干土拌合；充分搅合后的各份土样用自封袋密封并放入温度22℃，相对湿度>70％的标准养护室中养护，留待进行相应工程性质实验。

步骤b：自由膨胀率表明土粒在无结构力影响下的膨胀特性，主要受土中粘粒含量和矿物成分支配，为非状态参数。土的电阻率是表征土体导电性的基本参数，是土的固有物性参数之一，取决于土的状态参数，主要决于土的孔隙率、孔隙形状、孔隙液电阻率、饱和度、固体颗粒成分、形状、定向性、胶结状态等；该众多参数中，表征状态参数的孔隙特性和孔隙液特性对土体电阻率的影响最大。

对不同比例各份土样进行室内电阻率和自由膨胀率测试，分别得到定含水率、定孔隙率条件下，膨胀土的电阻率与自由膨胀率之间存在指数函数关系。

步骤c：在无结构力影响下，土中粘粒含量愈高，矿物亲水性愈强，自由膨胀率愈大。自由膨胀率为非状态参数，与土体本身状态无关。根据步骤a得到在特定的土体状态下，如定含水率，定孔隙率，膨胀土的电阻率与自由膨胀率之间都存在着很好的指数函数关系，且随着含水率的变化而略有变化。根据土样导电性与粘性颗粒含量、液限含 水率相关性较好以及上述测试结果，电阻率指标可以作为评定膨胀土膨胀特性的表征参数。同时，需要注意到的是电阻率为状态参数，其数值的变化与土体本身所处状态之间存在相关性。为消除状态参数对用电阻率预测自由膨胀率的影响，选取饱和度、孔隙率、孔隙水电阻率作为有效参数进行控制，结合已有的电阻率模型，建立基于电阻率的膨胀土自由膨胀率通用预测公式。

通过分析不同状态下电阻率与自由膨胀率的关系，消除膨胀土体状态参数中孔隙率以及饱和度指标的影响，建立电阻率与自由膨胀率之间的直接关系。图2为人工膨胀土电阻率在定含水率20％状态下随着自由膨胀率的变化规律，从图2可以看出电阻率随自由膨胀增大而减小，呈指数函数关系。建立不同含水率下，电阻率与自由膨胀率之间的广义变化关系为：

式中：ρ为电阻率(Ω·m)，δ为膨胀土自由膨胀率(％)，a₁和b₁为拟合系数。

表1定含水率状态下人工膨胀土电阻率与自由膨胀率关系

从表1中可以看出公式(1)中的b₁值较为稳定，在0.23-0.33之间，说明不同孔隙率下电阻率与自由膨胀之间的相关关系是稳定的，取b₁值平均值0.285作为区域模型预测值。取a₁值与孔隙率进行比较，图3为定含水率20％下，a₁值与孔隙率的变化关系。从图中可以看出a₁随着孔隙率的减小而减小，呈指数函数关系，具体公式为：

将公式(2)带入上述公式(1)中得出，定含水率下，孔隙电阻率与自由膨胀率之间的关系：

其中，ρ_n为孔隙电阻率(Ω·m)，

根据式(3)，得到孔隙电阻率随膨胀土自由膨胀率具体的广义公式为：

上述式中，δ为膨胀土自由膨胀率(％)，a₂和b₁为拟合系数，为孔隙率，n为孔隙率指数。

图4为人工膨胀土电阻率在定孔隙率0.48状态下随着自由膨胀率的变化规律。建立不同孔隙率下，电阻率与自由膨胀率之间的广义变化关系为：

式中：ρ为电阻率(Ω·m)，δ为膨胀土自由膨胀率(％)，a₃和b₂为拟合系数。

表2定孔隙率状态下人工膨胀土电阻率与自由膨胀率关系

从表2表中可以看出，公式(5)中b₂值较为稳定，在0.31-0.39之间，说明不同饱和度下电阻率与自由膨胀之间的相关关系是稳定的，取b₂值平均值0.352作为区域模型预测值。取a₃值与孔隙率进行比较，图6为定孔隙率0.48下，a₃值与饱和度的变化关系。从图中可以看出a₃随着饱和度的减小而减小，呈指数函数关系，具体公式为：

a₃＝23.37×S_r ^0.53 (6)

其中，S_r为饱和度；将公式(6)带入上述公式(5)的中得出，定孔隙率下，饱和电阻率与自由膨胀率之间的关系：

其中，ρ_S为饱和电阻率(Ω·m)；

从图中可以看出饱和电阻率随自由膨胀增大而减小，呈指数函数关系。根据式(7)可到具体的广义公式为：

上述式中，δ为膨胀土自由膨胀率(％)，a₄和b₂为拟合系数，S_r为饱和度，m为饱和度指数。

上述公式(4)和(8)为区域性公式，且与土体内部孔隙水电阻率有直接的相关性。由于不同土体内部孔隙水导电能力基本一致，为恒定值。为了消除不同土体之间的电阻率差异，引起对膨胀土膨胀性能的误判，在广义公式中消除孔隙水电阻率影响。

根据现有技术的研究内容，取饱和状态下电阻率ρ₀与孔隙水电阻率ρ_w成线性增加，具体的线性关系为：

其中，c为拟合系数，d为结构因子；

结合公式(9)和广义孔隙电阻率公式(4)可以得出饱和状态下孔隙电阻率ρ_n0公式：

根据现有技术的研究内容，对于非饱和的情况下，电阻率与同种饱和岩土的电阻率ρ₀成正比，具体的线性关系为：

其中，ρ_u为非饱和土电阻率，c₁为拟合系数，d₁为电阻率指数；

结合公式(12)和广义饱和电阻率公式(8)可以得出天然状态下电阻率ρ公式

将饱和孔隙电阻率公式(11)代入到公式(14)中可以得出天然状态下电阻公式：

即

其中，a＝a₄×a₂，b＝b₂+b₁；从而得到人工膨胀土区域预测模型为：

将上述人工膨胀土区域预测模型参数值带入上述广义公式(16)中，得出：

(4)膨胀性判别：在特定现场选取有代表性的膨胀岩土试样，进行原位电阻率静力触探试验，并同时测量土体含水率及密度参数，换算本方法的状态参数；根据实测土样的电阻率及相关参数采用所建立的基于电阻率的膨胀土自由膨胀率通用预测公式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)，确定膨胀岩土的等级。

本实施例中，将人工膨胀土电阻率数值和自由膨胀率数值带入公式中进行拟合，求取a和b的范围值。如图6所示，为归一化电阻率与自由膨胀率之间的相关关系。从图中可以得出：

其中R²为公式相关性系数。

根据公式(19)确定a和b的值分别为1883.8和-1.69。带入公式(18)中，得出膨胀土区域预测模型为：

上述式中，ρ为土电阻率(Ω·m)，ρ_w为孔隙水电阻率，δ为膨胀土自由膨胀率(％)，a和b为拟合系数，S_r为孔隙率，为孔隙率，m为饱和度指数，n为孔隙率指数。

通过上述陕西膨胀土和黑棉土的试验数据验证公式的预测模型的精确性。图6为基于电阻率预测模型的膨胀土实测与预测自由膨胀率比较。

可以看出：根据上述提出的基于电阻率的膨胀土自由膨胀率预测公式，都可以很好的应用于天然膨胀土的预测，并且预测结果较为准确，线性拟合度较高。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (2)

1.一种用电阻率进行膨胀土膨胀性能现场评价的方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1，现场采用电阻率静力触探技术测试目标膨胀土地区的电阻率值；

步骤2，通过现场取样测出目标膨胀土地区的含水率值和密度值，并依此计算出土体的孔隙率和饱和度；

步骤3，根据电阻率自由膨胀率预测公式，计算目标膨胀土地区的自由膨胀率，并按照GBJ112-87膨胀土地区建筑技术规范，确定膨胀岩土的等级；其中，所述电阻率自由膨胀率预测公式为：δ为膨胀土自由膨胀率，ρ为电阻率，为孔隙率，n为孔隙率指数，S_r为饱和度，m为饱和度指数，ρ_w为孔隙水电阻率，a和b为拟合系数。

2.根据权利要求1所述的一种用电阻率进行膨胀土膨胀性能现场评价的方法，其特征在于，所述孔隙率指数n以及饱和度指数m的确定方法包括如下步骤：

步骤a，配置人工膨胀土：分别将膨胀性黏性土材料及非膨胀性黏性土材料放入105℃～110℃烘箱中烘至恒重，然后将黏性土材料从烘箱中取出并放入干燥箱中冷却至室温，然后按不同比例取相应质量的两种黏性土材料进行干土拌合，充分搅合后的各份土样用自封袋密封并放入标准养护室中养护；

步骤b，对不同比例各份土样进行室内电阻率和自由膨胀率测试，分别得到定含水率、定孔隙率条件下，膨胀土的电阻率与自由膨胀率之间存在指数函数关系，且膨胀土的电阻率随着含水率的变化而变化；

步骤c，为消除状态参数对用电阻率法预测自由膨胀率的影响，选取饱和度、孔隙率、孔隙水电阻率作为有效参数进行控制，根据步骤b的测试结果：

(1)建立饱和状态下，电阻率ρ_n0与孔隙率之间的相关关系为：

其中，ρ_n0为饱和状态下孔隙电阻率，ρ_w为孔隙水电阻率，为孔隙率，n为孔隙率指数，δ为膨胀土自由膨胀率，a₂和b₁为拟合系数；所述孔隙率指数n通过人工膨胀土电阻率孔隙率关系确定；

(2)建立天然状态下，电阻率ρ与饱和度S_r之间的相关关系为：

$\mathrm{\ρ}/{\mathrm{\ρ}}_{n0}=a_4\×{S_r}^m{\mathrm{\δ}}^{b_2}$

其中，ρ为天然状态下电阻率，ρ_n0为饱和状态下孔隙电阻率，S_r为饱和度，m为饱和度指数，δ为膨胀土自由膨胀率，a₄和b₂为拟合系数；所述饱和度指数m通过人工膨胀土电阻率饱和度关系确定；

(3)结合步骤(1)和(2)得到基于电阻率的自由膨胀率通用预测公式为：

其中，a＝a₄×a₂，b＝b₂+b₁；进而得到膨胀土自由膨胀率δ为：