软粘土的电阻率研究

内容摘要:阻率是表征物质导电性能的基本参数,本文通过假设软粘土地基是饱和土对土体电阻率进行了理论推导,给出了简明的计算公式,并通过试验进行验证,结果发现在含水量在25%以上时,理论和试验比较吻合,在25%以下,土体中的空气就增多,所以本理论模型就不适应了,比试验结果偏大。

关键词:电阻率 电渗 饱和软粘土

中图分类号TD873+.1:文献标识码:A

一、概述

电阻率是表征物质导电性能的基本参数,物质电阻率越低,其导电性能就越好,反之,电阻率越大,其导电性就越差。土作为一种材料必然有电阻率的特性。天然状态下的土层具有非常复杂的结构和组成。为了研究方便,可以近似把土看成两相介质组成,即由土颗粒骨架和孔隙水组成。成分不同的土有不同的电阻率,即使成分相同的土,也会由于结构和含水量的不同使电阻率在很大范围内变化。所以影响土层电阻率的因素除了成分以外,还和其它因素有关,如土的结构、构造、孔隙率及含水量等。一般来讲,结构致密的土层的孔隙率较小,即含水量较小,因而电阻率较高;结构疏松,孔隙率大,含水量就高,因而电阻率低。而电渗法处理软粘土地基中,电流是决定电渗排水量和排水速度,也就直接影响着工期,所以对土体电阻率的研究是很有必要的。

二、电阻率的理论推导

假设软土有两相介质组成,即有土骨架和水组成,建立如图1所示的模型,L表示阴阳两极的间距,S表示两电极所加土体的截面积,所以有:

在电渗过程中,孔隙水排出,含水量 减少,要增大。

(2) 不会无穷的减小下去,因为当 时,代表土体完全密实,但土颗粒是点接触形式排列在一起的。实际上,当排水到一定的程度后,土体成为非饱和土,本模型就不适用了。

三、电阻率的测试

本次测试的目的是测试不同含水量下土体的电阻率,绘制电阻率和含水量的变化关系曲线,基本原理是电阻定律和欧姆定律。

模型箱为木箱,尺寸:长l为220mm,宽b为170mm,高h为125mm,木箱两端定两块铁板,铁板尺寸宽170mm,高140mm,厚1mm,这样可以认为使土体受到均匀电场作用。可以装土4.675×10-3m3,电流通过土体的截面积是2.125×10-2m2。含水量分别是20%,25%,30%,35%,40%,每次装干土5.775kg,则干密度为1.231g/cm3,则湿密度分别为:1.4772、1.53875、1.6003、1.66185、1.7234 g/cm3,干湿密度都很小,是模拟软土地基情况;含水量在20%以下的没有取,因为根据理论假设,含水量很小的土不能模拟饱和情况,本次试验取含水量在20%~40%之间。把土样按含水量的要求调好,静置24小时使其含水量均匀,然后分层装入模型箱中,然后按照图2的电路图接好线,测量在不同电压下的电流值,根据欧姆定律 求出不同含水量下的电阻,最后根据电阻定律 算出不同含水量下的电阻率。结果见表1。

画出含水量和电阻率的变化曲线,见图3。 从图中可以看到,当含水量在25%以下时土体的电阻率随着含水量的增加迅速减小,超过了30%,土体的电阻率随着含水量的增加变化不大,这表明在电渗法处理软粘土地基时,如果含水量在30%左右,这时候用土体的电阻率小,电流大,电渗效果明显,随着孔隙水的排出,含水量变小,则电阻率变大,电流就变小,电渗效果就不佳了,这时可以通过增大电压和延长处理时间来弥补[2]。

四、理论和实际对比

根据公式(11)可知含水量和电阻率的关系,绘制其变化曲线见图4中系列2(该试验水的电阻率约为18欧姆•米),为了便于对比,把试验值也绘制上面,见系列1,可以看出,在含水量在25%以上时,理论和试验相吻合,在25%以下,土体中的空气就很多,所以本理论模型就不适应了,所以比试验结果大的多。

五、结论

本文通过假设软粘土地基是饱和土对土体电阻率进行了理论推导,给出了简明的公式,并通过试验进行了验证,结果发现在含水量在25%以上时,理论和试验相吻合,在25%以下,土体中的空气就很多,所以本理论模型就不适应了,所以比试验结果大的多。采用电渗法处理软粘土地基时,一般含水量在25%以上,这时候用土体的电阻率小,电流大,电渗效果明显,随着孔隙水的排出,含水量变小,则电阻率变大,电流就变小,电渗效果就不佳了,这时可以通过增大电压和延长处理时间来弥补。

参考文献

[1] 吴湘兴主编,土力学及地基基础(第二版),武汉:武汉大学出版社,1990。

[2] L.Bjerrum,J.Moum and O.Eide. (1967). Application of Electro-osmosis to a Foundation Problem in Norweygian Quick Clay. Geotechnique, 17,214-235.