（地球探测与信息技术专业论文）掺灰及二灰击实粘土电阻率室内试验研究.pdf

摘要 摘要 随着我国公路建设的快速发展，公路路基病害的防治也成为一个难题，近年来灰土 及二灰土被越来越多的应用到路基的建设中，即提高了路基的强度，降低路基病害，又 利用了工业废料，减少了环境污染。电阻率法作为一种无损检测方法因其方便、实用、 快捷，被越来越多的应用到岩土工程中。国内对电阻率的研究，仅局限于对单一土样在 不同状态下的研究，关于混合土样的电阻率的研究较少，本文主要是通过室内土工试验， 利用粉煤灰、石灰与不同比例的淤泥质粘土混合，研究灰土及二灰土的电阻率特性，及 其与土样岩石物理力学性质之间的关系，并在此基础上建立灰土的电阻率模型。本文主 要的内容和研究成果如下： ( 1 ) 概述了电阻率的主要研究方法及相应的试验装置、电阻率的影响因素、电阻率 的研究物质以及电阻率的主要结构参数和结构模型； ( 2 ) 介绍了试验所用软土、粉煤灰、石灰的主要性质，以及本文所做的土工试验， 包括：含水率试验、密度试验、比重试验、击实试验及无侧限抗压强度试验；详细叙述 了土电阻率的实质及影响因素，利用正交分析方法对试验进行设计，采用四电极电阻率 试验方法，以w d d s 1 电阻率仪为试验装置，利用轻型击实法制作样品，依据试验步骤 对土样电阻率的进行测量； ( 3 ) 通过土工试验和电阻率试验，得到了灰土及二灰土的岩石物理力学性质指标和 电阻率指标及电阻率的各向异性关系，在此基础上分析建立了物理力学指标与电阻率之 间的关系，其中含水率、密度和饱和度对于电阻率的关系为指数关系，孔隙率及无侧限 抗压强度与电阻率的关系呈现折线关系，并总结了石灰含量和粉煤灰含量对于电阻率的 影响为石灰含量在6 5 ，粉煤灰为2 0 时电阻率最大。 ( 4 ) 详细介绍了已有电阻率的模型，在此基础上推广建立了灰土的电阻率模型公式， 最后结合试验数据，给出了个别土样在最优含水率下的灰土模型含参数公式。 关键词：电阻率土工试验各向异性二灰土 a b s t r a c t w i m l er a p i dd e v e l o p m c l l to fl l i g i l w a yc o n s t m c t i o n 协0 u rc o u l l 仃mp r e v i e i l t i o n 锄d c o n 们lo fr o a d b e dd i s e 弱eb e c o m ead i f j i c u l t p r o b l e m r e c e n ty e a r s ，l i l i l e s o i la n df l y 砒- l h e - s o i lw e r em o r ea 1 1 dm o r cu s e di i lt l l ec o i l s t n l c t i o no fr o a d b e d ，b e c a i l s et l l e yn o to n l y i i n p r o v e l es 慨g mo fr o a d b e d ，b u ta l s ol l s em ei i l d u s t r i a lw a s t e ，d e c r e a s ee n v i r o 胁e 1 1 t a l p o l l u t i o n a sm e 弛so fn o n d e s t n l c t i v et e s t i n g ，r e s i s t i v i t ym e m q dw a sm o r ea n dm o r eu s e di n m ec o i l s 仃u c t i 彻o fg e o t e c h n i c a le i l 百n e 甜n g ，b e c a u s eo fi t sc o n v e m e n t ，c o n c i s ea n da p p l i c a b l e s t i l d i e so nr e s i s t i v i 够a th o m ea n da b r o a d ，a r ej u s ta b o u tp o l l rs o i la ts p e c i a lc o n d i t i o n s ，l e s so n t l l er e s i s t i v i t yo fm i x e ds o i ls 锄p l e s ，h a 、，ev a r yl 鹕el i m i t a t i o i 塔t h j sp a p e rm a i n l ys t i l d yo n t l l er e s i s t i v i t yo fl i m e s o i la i l d f l ya s h - l i m es o i l ，m er e l a t i o n s h i p sb e t w e e np h y s i c a la r i d m e c h a i l i c a lp r o p e r t i e so fs o i ls a m p l e sa 1 1 d 也e i rr e s i s t i v t i e sb yi i l i x e df l ya s h 锄dl i m et o g e t h e r w 汕s i l td a yt h r o u 9 1 l1 a b o r a t o 巧s o i lt c s t ，锄dt h e nm er e s i s i t i v i t ym o d e l i se s t a b l i s h e do nm e b 商so fo l l fr e s e 砌r c s u l t s t h em a i nr 懿e a r c hc o n t e i l t s 趾dr e s e 缸c hr c s u l t so fn l i sp a p e ra 化 觞f o l l o w ( 1 ) m a i nr e s e 嬲lm e t l l o d s 锄d 黜s p o n d i l l gt e s td e v i c c s ，i n n u e l l c i n g 触o r s ，r e s e a l c h m a t e r i a l ，s 协j c 饥l r ep a r 锄e t e r sa n ds 屯r u c m r em o d e l so fs o i lr e s i s t i v i t yw e r es u i i l i i l a r i z e di nt k s p a p e r ( 2 ) s o rs o i l ，f l ya s ha n dl i m ef o rt h ee x p e r i m e i l t ，m a i ns o i lt e s t i n c l u d i n gw a t e rc o n t e n t 储毫，d s i t yt e s t ，s p e c i f i c 伊a v i 锣t e s t ，c o m p a c t i o nt e s t ，u l l c o n j f i n e dc o m p r e s s i v es t r e n g t ht e s t w e r ei l l 仃o d u c e di n “sp a p e s s e i l c ea 1 1 di n n u e i l c i n gf a c t o r so fr 鼯i s t i 啊t yw e r eg o n ei n t o p a r t i c u l a r s ，t h et e s tw a sd e s i 印e dm r o u 曲o m l o g o n a l t e s tm e t h o d ，f o u re l e c t r o d et e s tm e t h o d w a sl l s e d ，w d d s 一1 t e s td e v i c ew a su s e da sr e s i s t i v i t yi n s t n l m e l l t ，l i 曲tc o m p a c t i o nm e t h o du s e d t 0m a k es o i ls a l 】叩l e s ，b a s i sf o re x p 嘶m e l l t a lp r o c e d u r e ，m es o i lr e s i s t i v i t yw e r em e a s u r e d ( 3 ) i n d e xo fp h y s i c a lm e c h a n i c a lp r o p e n i e s 加dr e s i s t i v i t yi n d i c e s ，a i l i s o 仃o p yo f r e s i s t i v i t yw e r eo b t a i n e dt l l ：r o u 曲s o i l t e s ta n dr e s i s t i “t yt e s t s t l l er e l a t i o n s h i pb e 帆e e n r e s i s t i v 时a 1 1 di n d e xo fp h y s i c a lm e c h a i l i c a lp r o p e n i e sw e r ee s t a b l i s h e da n d 觚a l y s i s e do nt h i s b a s i s ，锄o n gt h e mm er e l a t i o n s h i pb e 研e e nw a t e rc o n t e n t ，d e l l s i 坝s a t u r a t i o na 1 1 dr e s i s t i v i 哆 w e r ee x p o n e n t i a lr e l a t i o n ，t h er e l a t i o n s h i pb e t 、) l r e e np o r o s i 吼u n c o n f i n e dc o m p r e s s i v es t r c i n g t l l a 1 1 dr e s i s t i v i t yw e r eb m k e nl i n er e l a t i o n ，t h ei n n u e n c eo fm er a t i oo fl i l n ea n dn y 嬲kt h a t w h e i lm er a t i oo f l i m ei s6 5 a i l dn l er a t i oo f n y 袖i s2 0 ，m er e s i s t i v 时i st h el a r g e s t ，w e r e s 眦瑚撕z e di nm i sp a p 瓯 ( 4 ) e x i s t i n gr e s i s t i v i 够m o d e l sw e r ei n t r o d u c e di nd e t a i l ，m er 嚣i s t i v i t ) ，m o d e lf 0 rl i m e 锄df l y 嬲hs o i ls 锄p l e sw e r ee x t e i l s i o ne s t a b l i s h e d ，f i l l a l l mb a s e do ne x p e r i m e n t a ld a t a ，m er e s i s t i v i 哆 m o d e i so fi n d i v i d u a ls o i ls a m p l ea to p t i m u mw a t e rc o n t e n tc o n t a i l l i n gp a r 锄e t e r sw e r e 百v e n k e y w o r d s ：r e s i s t i v i t y ；s o i lt e s t ；a i l i s o 乜d p y ；1 i m c n y 袖s o i l ； 学位论文独创性声明： 本人所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作 及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方 外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果。与我一同工 作的同事对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并 表示了谢意。如不实，本人负全部责任。 论文作者( 签名) ： 凌丕略年莎月多日 学位论文使用授权说明 河海大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、中国学术 期刊( 光盘版) 电子杂志社有权保留本人所送交学位论文的复印件或 电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子 文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外， 允许论文被查阅和借阅。论文全部或部分内容的公布( 包括刊登) 授权 河海大学研究生院办理。 论文作者( 签名) ： 虚羞0 8 年夕月日 论文作者( 签名) ： 座丕o g 年6 月胪日 第一章绪论 1 1 研究背景 第一章绪论 所谓软土，就是强度低、压缩性高的软弱土层，属于饱和多孔介质，是由土粒固体 骨架和充满在骨架内的液体孔隙水组成的【l 】，在我国分布极为广泛：几乎遍布沿海、河 流的中下游及湖泊附近地区，其中最具代表性的是淤泥。 软土地基天然含水率和孔隙比大、透水性差、压缩性高、抗剪强度低、触变性和蠕 动性大，如处理不好可能产生以下问题：地基抗剪强度不够引起路堤侧向整体滑动，边 坡外侧土体隆起，桥头路堤纵向沿路线产生整体滑动，导致桥台的破坏；人工构造物与 路堤衔接处产生差异沉降，引起跳车及路面的破坏；涵身凹陷，过水断面减小，沉降缝 被拉宽而漏水，端墙向外挤出或后仰；路基底面沿横向产生盆形沉降曲线，导致路面横 坡变缓，影响横向排水；公路等级高，填土厚度较大，因而沉降也随之加大，如处理不 好可能产生失稳【2 】。 人们经常将灰土( 由石灰和土混合而成) 用于改善路基的性能，石灰可以改善膨胀 土的一些性质，例如塑性、无侧限抗压强度等，同时石灰具有就地取材、防渗效果好、 造价低廉、便于推广等优点【3 卅。 粉煤灰是火电厂和各种燃煤锅炉排放的废弃物，是我国固体废弃物污染的主要来源 之一。石灰、粉煤灰和素土的混合物在工程中通常被称为二灰土，主要是针对土中易亲 水的蒙脱石、伊利石，使其与石灰和粉煤灰发生复杂的物理、化学作用，通过微结构的 改变来引起土的工程性质变化【7 ，8 】。二灰软基是利用废料粉煤灰、石灰与土料混合作为地 基回填土的一种新型材料阻1 4 1 ，我国八十年代以来将其应用于公路领域，以代替传统的 灰土或素填土。二灰土应用到路基工程中，利用了本为废料的粉煤灰，变废为宝，节省 了石灰和土料，所需投资较少，且有明显的加固效果，并可带来良好的环境效益和社会 效益【1 5 】。 灰土用于路面底基层，主要的施工工艺是原材料控制、配合比设计、土源的选用、 施工质量控制以及养生条件等。只有对这几方面把好关，才能保证灰土强度，才能为路 面基层打下良好的基础，才能克服当前在粉煤灰剂量检测上存在的不足，有效地控制粉 煤灰的比例，达到提高底基层材料均匀性的目的，使灰土得到更好的应用【1 6 用。 l 河海大学硕士学位论文 随着我国经济的快速发展，高层建筑、地铁、高速公路等各类新型的高标准工程项 目日益增多。这不仅对各种工程的基础地质条件提出了更高的要求，而且要求用较少的 资金，快速可靠地完成工程勘测、检测和环境资源调查任务。地球物理勘探( 物探) 因 其明显的经济效益和地质效果而脱颖而出。物探可以根据地面上地球物理场的观测结果 来推断地下介质的变化，因此它比钻探等其它直接的地质勘查手段具有快速、经济的优 点，已被广泛地采用，并成为一种不可或缺的重要手段【1 8 】。 电阻率法在国内的研究起步较晚，对于高速公路路基的研究，主要是在应用方面 【1 蚴】，对于室内试验研究较少。而且在路基工程的建设中，没有很好的理论依据。本文 主要是针对二灰路基施工条件下，对掺灰土样及掺二灰土样的进行室内试验，测定二灰 土样的岩石物理力学性质及电阻率，进而确定土的工程力学性质及其与电阻率之间的关 系，对电阻率在混合土样中的应用进行初步探讨。对于电阻率法应用于路基的监测，准 确地指导二灰路基的施工，控制路基施工质量，有着很大的理论意义和研究价值。 1 2 电阻率法研究现状分析 电阻率方法作为主要的电法勘探手段，3 0 年代有极少数人开始研究，建国以后才有 大规模的发展。目前，国内外对于电阻率的研究较多，本文主要对电阻率法室内实验研 究领域进行分析，并归纳总结为如下几个方面。 1 2 1 电阻率测试方法及测试装置 现有的室内试验土电阻率测试方法，按照电极数量划分，主要可分为二电极法【2 3 之5 】 和四电极法【2 5 】两大类，测量电路图分别如图1 1 和图1 2 所示。 er 图1 1 二极测量示意图图1 2 四极测量示意图 二电极方法可以在岩心或标本比较规则的情况下使用。四电极法在常规的土工试验 中长被应用到，但是在研究土体压缩试验和三轴试验时，比二电极法复杂，在试验过程 2 第一章绪论 中，不可避免的会造成土样扰动，故在土样压缩、三轴剪切过程中，同步研究电阻率相 关参数的变化情况时，宜采用二电极法。 很多学者都研究了电阻率的测试装置，例如长方形状的m i l l e rs o i lb o x 【珀1 ( 如图1 3 ) 是一种将土样放入绝缘盒中，作为电阻率试验装置的方法。 t 锄o t s u 【2 3 1 在研究电阻率与岩石的物理性质时，利用绝缘盒盛装土样，研究土样在 压缩过程中电阻率变化的仪器如图1 4 所示。 图1 3m 锄e r b 假测试装置图 盖子 柜 锭铣 子p 巳滤纸 c p 孑 广酬刖缓戮缀戮霪霪豳明圉 _ 谶掰黼蕊嚣弱翻- 啦i 鼢缀缓缓缓缀鞲猫黧缓缀缓缓鬟弱饵哪豳缀缎缀翟黝_ l酬刖缓戮黝黼删国_ j 自来水 ( b ) 图1 4 测量仪器示意图 刘松玉等( 2 0 0 6 ) 【3 6 】对国外电阻率测试仪器进行分析，针对我国土电阻率测试仪器 的空白，研制了一种实用土电阻率测试仪器( 如图1 5 ) 。该仪器具备交流、低频、二相 河海大学硕士学位论文 电极，并与常规土工测试仪匹配良好等特性。 图1 5 电桥原理示意图 f u k u e ( 1 9 9 9 ) 【2 5 】在测量粘土的微观结构时，研制了一个装置，它和普通的固结仪 差不多，只是在土样的上下表面贴了两个电极片，电极有应变非常小的钢筛构成。从顶 上的电极供电，在固结过程中可以测量土体电阻率变化情况( 图1 6 ) 。 图1 6 三轴仪测量土电阻率装置示意图 p 一 卜 卉一 口 一f ，：电流；y ：电压； 口：两电极片间的水平距离 图1 7w e 衄e r 法示意图 目前室内试验和现场测试所用的四相电级法主要方法就是直接通电流的w e i l l l 西方 法( d c 法) 【2 6 州( 图1 7 ) ，电潮过外部电极诱导电压由内部电极测出。 4 第一章绪论 a b u h 弱s a i l e i i l 等( 1 9 9 6 ) 叫和s a m g y up a r k 等( 2 0 0 5 ) 【3 2 捌测量密实粘土的纵向 电阻率圆柱状试样时所采用的装置，如图1 8 所示。 y o o n 等( 2 0 0 1 ) 【3 5 1 在非饱和土的室内淋滤实验中进行了电阻率触探试验( r c p t ) ， 其中：原位测试时用了四根电极，能避免极化现象，室内实验利用一个圆形的p v c 桶测 试装置如图1 9 所示。 铜电 铜杆 铜电 图1 8 圆柱状试样电阻率测量示意图图 中轴线 虚拟 中轴线 图1 9p v c 桶测量电阻率的装置 土的电阻率测试中电源有直流电源和交流电源两种类型。国内电法地质普查中大多 应用直流电源，但是在应用电阻率法对土体结构进行评价时，交流电源应用较多，如 z e y a d ，a b u h a s s a l l e i n ( 1 9 9 6 ) 等均使用交流电源。 河海大学硕士学位论文 1 2 2 电阻率影响因素的研究 电阻率数值作为土体整体导电性的反应，受到很多因素的影响，很多学者也有研究 过。电阻率的影响因素较多，主要有：土及岩石的种类，土体的岩石物理力学性质：包 括含水率、饱和度、密度、孔隙率、孔隙比等、孔隙液体的状况及土样所处状态的影响 在盘 岢o t 锄o t s u ( 2 0 0 0 ) 【2 3 】研究了不同种类的岩石电阻率对于岩石物理性质的反应，孔隙 率、孔隙流体、黏粒含量及饱和度对电阻率的影响，在野外试验中讨论了岩石种类对电 阻率的影响。 f u l ( u e 等( 1 9 9 9 ，2 0 0 1 ) 【2 4 2 5 】海相砂土的电阻率绝大部分取决于孔隙水的电阻率和介 质的孔隙率；砂土电阻率受砂粒形状和粒径分布的影响。 a b u h a s s a l l e i n 等( 1 9 9 6 ) 【3 】等研究压实粘土的电阻率特性时，得知土的电阻率和压 缩条件、试样含水率、初始饱和度、压实功水力传导系数、各向异性、液塑限、颗粒级 配、细颗粒含量及温度等指标性质有关。 s a m g v up a r k 等( 2 0 0 5 ) 等【3 2 ，3 3 】通过室内试验测得土样的含水率，孔隙液电阻率、 孔隙率、饱和度与电阻率的关系。 y 0 0 n 等( 2 0 0 1 ) 【3 5 】对电阻率和非饱和污染土表面情况进行研究，含水率、饱和度和 细颗粒含量对电阻率有影响，并得知在描述电阻率和不饱和面的情况，湿度是影响电阻 率的主要原因。 刘国华等( 2 0 0 4 ) 【3 q 依据大量试验数据，分析了电阻率与土的基本物理指标( 孔隙率、 含水率等) 之间的相关性。 k a l i i l s l 【i 等( 1 9 9 2 ) 【3 7 】对压实粘土的电阻率特性进行了研究，得知电阻率与土的性 质、含水率、孔隙率、粘土含量等因素有关系。 t c z e l 等( 2 0 0 3 ) 【3 9 】通过研究得出含水率与电阻率的为指数关系。 d a v i d 等( 2 0 0 5 ) 【删研究了不同岩石和土的电阻与水文地质参数之间的关系。 d 撕d 等( 2 0 0 3 ) 【4 1 1 和s a l e e m 等( 1 9 9 6 ) 【4 2 1 研究得知湿密度、含盐量、密度对于电 阻率也有影响。 郭秀军等( 2 0 0 3 ) 【4 3 1 研究了不同类型土的粒度成分、含水率、饱和度、密实度与其 电阻率的关系，并在此基础上探讨了粘土的压缩系数、粘聚力、压缩模量与电阻率的关 系。 6 第一章绪论 1 2 3 电阻率测试物质 电阻率在纯净的岩土体中的研究较多，例如：岩石、粘土、砂土等。 m c l l i e ( 1 9 4 2 ) 【删对饱和无粘性土、纯净砂岩的电阻率进行了研究。t 锄o t 跚( 2 0 0 0 ) 【2 3 】研究了不同种类的岩石电阻率，并总结得出岩石电阻率的大致分布范围为l o o 1 0 0 0 q m 。f u k u e 等( 1 9 9 9 ，2 0 0 1 ) 【2 4 2 s 1 对木节土( k i b 戚l ic l a y ) 、膨润土( b 既t 0 i l i t ed a y ) 和k a w a g l l c h i 天然土( n a t l 吼c l a y ) 进行了研究，并提出干砂电阻率大约为1 0 5 q m ，湿砂 电阻率为l o q m 。c h o u t e a u 等【3 0 】利用电阻率图像研究钢筋混凝土中的裂隙。 舢i u - h a s s a l l e i i l ，b e i l s o n 等( 1 9 9 6 ) 【3 1 】等研究十种不同的固结粘土电阻率特性。s 锄g y u p a r k 等( 2 0 0 5 ) f 3 2 ，3 3 】把砾岩、页岩、泥岩、花岗岩、凝灰岩及安山岩等作为材料进行了 电阻率研究。y o o n ( 2 0 0 1 ) 【3 5 j ，趾n e d 等( 2 0 0 1 ) 【4 5 1 ，韩立华等( 2 0 0 5 ) m 1 对进行了污 染土的电阻率研究。于小军( 2 0 0 7 ) 【4 7 】将电阻率理论研究海相软土蠕变。查甫生等( 2 0 0 4 ) 【4 8 】对于非饱和粘性土进行电阻率特性研究。查甫生等( 2 0 0 7 ) 【4 9 1 对于膨胀土进行电阻率 特性研究。y l lx i a o i 蚰等( 2 0 0 1 ) 【5 0 1 等对于水泥土及二灰土的电阻率特性有初步的研究。 d a v i d 等( 2 0 0 3 ) 【4 1 】系统阐述了混凝土电阻率原理、测试方法、影响因素等。s a l e 锄 等( 1 9 9 6 ) f 4 2 】等研究了湿度和盐含量对于普通水泥混凝土电阻率的影响。j i n ) ( i a n ”( 金 贤玉) 等( 2 0 0 2 ) 【5 1 1 对不同含量的不同掺加物的早期混凝土的电阻率特性进行了研究。 j i i l 一嵇a n gs u 等( 2 0 0 2 ) 【5 2 】研究了湿度对于湿度对于混凝土电阻率的影响。钱觉时等( 2 0 0 4 ) 【5 3 】和何更新( 2 0 0 6 ) 【s q 研究了掺合料( 硅灰、粉煤灰) 对钢渣导电砂浆电阻率的影响。 董晓强等( 2 0 0 7 ) 【5 5 】基于电阻率的硫酸污染水泥土检测方法的探讨。缪林昌等( 2 0 0 1 ) 【5 6 】和严明良( 2 0 0 4 ) 【5 7 】试验研究了水泥土电阴率与龄期、无侧限抗压强度和水泥掺入比 的关系；对水泥土电阻率的工程应用进行了探讨，并把电阻率法应用于水泥土粉喷桩的 检测中；于小军等( 2 0 0 1 ，2 0 0 2 ) 【5 8 ，5 9 】分别对水泥土电阻率结构模型，水泥土电阻率、 结构因子和形状因子随水泥土龄期、水泥掺入量、水灰比、含水量、饱和度、抗压强度 等因素的变化关系进行了研究，并建立了区域性的相关关系。 1 2 4 电阻率结构模型的研究 国外最早进行电阻率结构研究的是s u n d b e r g ( 1 9 3 2 ) 【删，把饱和岩土体的电阻率和 孔隙水的电阻率的比值定义为电阻率因子，并建立了它和孔隙率之间的假设关系。而后 删e ( 1 9 4 2 ) 【删提出了强有力的经典理论来支持这种关系，他提出了土的结构因子f 的概念，定义结构因子f 为土电阻率与孔隙水电阻率之比。a m l a i l a i l d 眦等( 1 9 8 7 ) 【6 l 】和 河海大学硕士学位论文 a m l n l o l i ( 1 9 8 0 ) 【6 2 ，6 3 1 ，对土的结构因子进行试验研究，结果表明结构因子鸡土颗粒的 形状、长轴方位、接触排列、孔隙率、胶结状况、饱和度等因素有关。对于各向异性土 体来说，结构因子是随方向不同而变化的，竖向结构因子与水平结构因子存在一定差别， 分别定义为： 竖向结构因子：昂：盟 ( 1 1 ) p 水平结构因子：乃2 譬 n 2 ) 一 f 上f 定义平均结构因子：，= 生2 兰纽( 1 3 ) j a m l a i l a i l d m ( 1 9 8 7 ) 删通过研究还提出了土的平均形状因子f 的概念，土的形状因 子是表征土体颗粒形状的参数。对于紧密聚合状的土体来说，土的平均结构因子与平均 形状因子之间存在如下相关关系：f = 万一利用土电阻率特性指标可以量化土的各向异性 大小，定义土的各向异性指麴为： 彳= 厩= 压 ( 1 4 ) 式中：么为各向异性指数；p w 为孔隙水的电阻率；p 沩土的纵向电阻率；以，为土的水平向 电阻率；乃为竖向结构因子；毋，为水平结构因子；f 平均结构因子。 6 矗啊d ( 1 9 8 7 ) 【6 2 】指出电流路径的流向和通过土结构的长度直接与土粒种类、粒径、 几何形状、胶结程度有关，提出了适用于含粘粒的岩土介质表观结构因子凡的概念，其 值为土总电阻率与孔隙液电阻率之比。同时他们还给出表观结构因子兄、结构因子册 基质电阻率加的紧密关系式。w a x m a n 等( 1 9 6 8 ) 【6 5 】等对于土体颗粒表面导电性不能忽 略的粘性土给出了模型。 关于粘性土的电阻率理论还有f u k u e ( 1 9 9 9 ) 【2 5 】提出粘土电阻率结构模型，模型中 把串联与并联部分长度的比值定义为结构因子f ，f 可能取决于土颗粒的排列和颗粒的 形状。 砒1 0 a d c l s 等( 1 9 8 9 ) 【6 6 】指出在非饱和土中，电流除了可沿土颗粒与孔隙水两条路径 传播之外，还存在第三条路径：沿土水相串而成的路径传播。k b m i i l e ( 1 9 9 2 ，1 9 9 7 ) 【6 7 6 8 】 建立软土的电阻率计算模型，后建立了水泥土的电阻率模型。查甫生( 2 0 0 7 ) 【5 0 】在m i t d l c u ( 1 9 9 3 ) 【1 9 】三元导电模型的基础上建立了非饱和粘性土的电阻率模型。于小军( 2 0 0 4 ) 第一章绪论 刚研究了水泥土，海相软土的电阻率模型，并应用到土力学研究中。 1 3 研究中存在的问题 虽然与电阻率试验相关的研究成果很多，但只是对于单一土样( 如砂土、粘土等) 的岩石物理力学性质和电阻率关系的定性描述，对于多层土或混合土样的研究比较少， 便不能准确地指导电阻率及混合土样物理性质之间的关系，使电阻率这种无损检测方法 在应用到混合土样研究中受到了较大的限制，主要的不足有： 1 、电阻率的测量装置有局限性，如四相装置现场研究中应用较多，但是在研究一些 动态的电阻率变化就不是很好。且很多学者根据试验的要求研制的装置不同，对于试验 结果的统一性比较有难度。 2 、在电阻率室内试验的研究中所用的材料基本上都是单一的土体，如：粘土、砂土 等，在改变孔隙液的种类来研究的，对于两种或以上混合土样的研究较少。 3 、对于表征土体结构的电阻率参数的研究，主要是以定性或半定量研究为主，探讨 土体结构的成因、形态、分类等以及上的结构性能与其工程地质性质之间的定性关系， 而定量工作做的不多。 4 、对于电阻率模型的建立，且也是假定电流是在单相，三相等特定的条件下完成的， 而且都是对素土建立的模型较多，对于混合土样较少。 1 4 本文主要工作及技术路线 本文的研究是结合教育部留学回国人员科研启动基金( 2 0 0 7 】1 1 0 8 ) 进行的，以室 内实验作为主要的研究手段，首先，对于所研究的掺石灰粘土及掺石灰粉煤灰粘土进行 常规的密度、比重、无侧限抗压强度等实验，得出混合土样的含水率、湿密度、土粒比 重和无侧限抗压强度等基本物理特性指标，然后对掺石灰和粉煤灰击实土样的电阻率进 行测试；测量不同掺灰量的土样在不同含水率下的电阻率，建立电阻率与含水率、湿密 度、无侧限抗压强度等之间的关系；并研究击实后电阻率的各向异性，最后通过比较得 到的数据建立适合土样的电阻率模型。主要的工作如下： 1 、利用正交试验确定土样的电阻率影响因素，并确定试验方案； 2 、对粘土及石灰粉煤灰混合土进行常规的室内土工实验，对粘土、石灰、粉煤灰的 基本岩石物理力学性质进行分析，得到粘土及掺灰粘土的基本岩石物理力学性质指标； 9 河海大学硕士学位论文 利用四极装置对与不同配比的灰土及二灰土样进行电阻率测量； 3 、对不同配比素土、灰土及二灰土的电阻率数值进行分析比较，得到电阻率与含水 率、湿密度、饱和度、无侧限抗压强度的关系，并拟合电阻率与物理性质指标的关系； 通过实验数据研究灰土及二灰配比对电阻率的影响； 4 、通过对横向和纵向电阻率的分析研究击实灰土电阻率的各向异性； 5 、建立灰土的电阻率模型。 本文的研究思路如图1 1 0 所示。 图1 1 0 本文研究的技术框图 l o 第二章掺灰土的基本特性实验 第二章掺灰土的基本特性实验 膨胀土特殊的矿物成分及其结构型式，使膨胀土具有胀缩特性，含水率的变化使膨 胀土的这种特性显示出来，因此可以说，膨胀土体的不良工程性质是由于膨胀土的内因 ( 胀缩性) 造成的，而含水率的变化是其外界诱发因素。用石灰改良膨胀土能够使膨胀 土的特性稳定，石灰的稳定包括：改变粘土颗粒周围和内部的物理化学环境，改变水流 入和流出孔隙的自然状态，影响整个土体的特性变化【6 9 1 。 粉煤灰被利用到软土地基的作用是减轻路堤自重，减小软土地基的附加应力，从而 达到减少工后沉降的目的，提高了工程质量，节约了资源，有良好的经济效益。由于石 灰及粉煤灰处理软土路基有着广泛而且实用的应用前景，能够提供给工程满足路基设计 要求的路基用土，这样能够加快工程的施工进度，减少工程造价，而且能够有效的利用 国家土地资源，保护农田和生态环境平衡【7 0 1 。本章节主要讨论试验材料( 石灰、粉煤灰、 土体混合物等) 的特征及其试验方法。 2 1 试验材料 2 1 1 土样 我国国土面积辽阔，决定了地质条件的复杂性。软土是自然历史的产物，由于其形 成环境、形成年代等众多条件，导致其分布、厚度、性质上的差异；地质条件千差万别， 使得其分布、厚度、性质也各不相同。同时，软土水平方向上的差异性和垂直方向上的 不均匀性，造成各地区软土所表现出的抗剪强度、压缩性和透水性等特性也不一样。国 内外对软土没有统一的分类判别标准，国内各部门之间的标准也不尽相同。 建设部行业标准软土地区工程地质勘察规范j g j 8 3 9 1 【7 1 】规定软土的判别应符合： 外观以灰色为主的细粒土；天然含水率大于或等于液限；天然孔隙比大于或等于1 0 。 交通部行业标准公路软土地基路堤设计与施工技术规范j t j o l 7 9 6 【1 7 2 l 规定：软土 为滨海、湖沼、谷地、河滩沉积的天然含水率高、孔隙比大、压缩性高、抗剪强度低的 细粒土，鉴别指标为天然含水率3 5 液限、天然孔隙比1 o 、十字板剪切强度小于3 5 l ( p a ( 所对应的静力触探总贯入阻力约为7 5 0 k p a ) 。 河海大学硕士学位论文 铁道部行业标准铁路工程岩土分类标准t b l 0 0 7 7 2 0 0 1 【7 3 】采用多种指标综合判定， 规定天然孔隙比大于或等于1 o 、天然含水率大于或等于液限、压缩系数大于或等于 0 5 m p a - 1 、不排水抗剪强度小于3 0 l ( p a 的粘性土，应判定为软土。力学指标中静力触探 比贯入阻力小于8 0 0 k p a ，标准贯入试验锤击数小于4 。软土的判定应以天然孔隙比、天 然含水率及原位测试方法为主要判定指标，当天然含水率接近液限、天然孔隙比接近l 时，应参考其它指标综合判定确定。 试验所用的土样取自该段金坛市薛埠镇附近( 如图2 2 ) ，属于扬州至溧阳高速公路 镇江至溧阳k 2 3 + 8 0 0 到k 4 9 + 3 5 0 段，约o 5 o m 路基土。本段处于阶地、岗地与冲湖 积平原过渡地带，分布有淤泥质亚粘土和软( 亚) 粘土。淤泥质亚粘土主要位于河谷部 分近地表部位，软( 亚) 粘土与淤泥质亚粘土相伴分布，工程地质性质较差。 图2 2 工程区所在位置示意图 土样为黄色，粘性比较大，有膨胀性，有铁锰矿物结核存在，其天然状态物理指标 如表2 1 所示，土体天然含水率( w ) 为3 6 8 ，比重( 岱) 为2 7 l ，孔隙比( e ) 为1 2 2 ， 液限含水率( 仇) 为4 0 8 ，塑限含水率( w p ) 为2 2 2 ，塑性指数( i p ) 为1 8 6 ，细 颗粒含量( f i n e s ) 为4 8 1 ，粘土含量( c l a y ) 为4 6 1 。据g b j l 4 5 9 0 【硎分类为低液 限粘土( c l ) 。 表2 1 土样的物理性质指标 土样颗粒百分含量的测定，采用英国马尔文m 雒t e r s i z e r 2 0 0 0 激光粒度分析仪( 图 1 2 第二章掺灰土的基本特性实验 2 3 ) ，其分析仪原理是激光衍射原理：发射一定波长的氦氖激光，该光束经滤镜调制后 成为单一平行光束，光束照射到颗粒样品后发生散射，散射光经反傅立叶透镜在检测阵 列上成像。反傅立叶光路和附加大面积感受器测量超微粒子信号，从而测量全量程各种 粒子真实粒径，这样避免了使用不同手段混合测试带来的误差。土样颗粒级配曲线如图 2 4 所示。 。l誊i ； 2 1 2 粉煤灰 暴 它 昌 苫 8 毒 矗 图2 3m a s t e r s i z e r2 0 0 0 o 1o o l0 o o lo 0 0 0 l p a r t i c l em a m e 钯r ，】岫 图2 4 土样颗粒级配曲线图 粉煤灰是由电厂煤粉炉排出的烟气中收集到的灰白色颗粒粉末，是将磨成一定细度 的煤粉在温度高达1 1 0 0 1 5 0 0 的煤灰锅炉中燃烧后收集得到的细灰。在高温悬浮燃 烧过程中，煤粉中含炭成分被烧掉，而其所含的页岩及粘土质矿物被熔融成液滴，当它 们被烟道气带出并急速冷却时，即形成粒径大约在l 肛m 5 0 肛m 的微细球状颗粒。它表 ili_11illlllllj m门hhhu舯洲。 0 河海大学硕士学位论文 面光滑呈球形，密度为1 9 5 2 4 0 c m 3 。粉煤灰的成分与高铝粘土相接近，主要以玻璃 体状态存在，另有一部分为莫来石、a 石英、方解石及硅酸二钙等少量晶体矿物。其 主要化学成分为s i 0 2 占4 0 6 0 ；a 1 2 0 3 占2 0 3 0 ；f e 2 0 3 占5 1 0 ；以及少 量的氧化钙、氧化镁、氧化钠、氧化钾、三氧化硫等。粉煤灰的活性主要取决于玻璃体 的含量，以及无定形的氧化铝和氧化硅的含量，而粉煤灰的细度、需水量比也是影响活 性的两个主要物理因素，因此粉煤灰应有严格的质量控制【7 6 】。 1 、粉煤灰质量控制指标 我国现行标准对粉煤灰的品质采用单因子的品质特征评价，主要包括需水量比、细 度、烧失量、含硫量、强度比、含水量等。 ( 1 ) 需水量比 现行规范采用水泥砂浆的跳桌流动度试验来测定需水量比，即在跳桌流动度相等的 条件下，粉煤灰水泥砂浆需水量与不掺粉煤灰的水泥砂浆需水量之比。g b l 5 9 6 2 0 0 5 【7 7 j 附录b 规定：“所需达到的同一流动度为1 3 0 1 4 0 i l ：l l i l 范围内，试验样品：7 5 9 粉煤灰，1 7 5 9 硅酸盐水泥和7 5 0 亦准砂。 在实际操作中，考虑到与水泥及减水剂的检测试验达成统一， 我们人为规定：所需达到的同一流动度为1 8 0 士5 m m ，试验样品：1 3 5 9 粉煤灰，3 1 5 9 硅酸 盐水泥和1 3 5 0 9 标准砂，对比样品：4 5 0 9 硅酸盐水泥，1 3 5 0 9 标准砂。 粉煤灰的减水作用是因为粉煤灰的球状微细颗粒具有滚珠轴承作用，减少了浆体与 集料间的界面摩擦，同时，由于微细的粉煤灰颗粒能填充到水泥颗粒之中，降低了胶凝 材料空隙率，相应地填充于固体颗粒中的水量减少，增加了颗粒表面的水膜层水量，对 浆体的流动性有利。 ( 2 ) 细度 粉煤灰作为燃煤副产品所具有的利用价值，很大程度上是因为粉煤灰具有较多的细 颗粒，具有很大的比表面积，因此细度是粉煤灰非常重要的性能指标之一。通常粉煤灰 的细度越细，其性质就越好。原因有以下几个方面：随着粉煤灰细度的提高，比表面 积的加大，粉煤灰与石灰作用的机会随之增加，毕竟二灰之间的作用深度是有限的，一 般集中在粉煤灰颗粒表面，当细度提高时，最终的作用效果也将随之提高；在较小的 颗粒中，化学组成中的氧化铁含量较少，而三氧化硫、钾、钠及钙、镁含量却增加，而 氧化铁的活性较低，氧化硫等却是粉煤灰参与火山灰反应的激发剂，所以细度提高有利 于粉煤灰品质的提高；实验证实，小颗粒的粉煤灰玻璃体含量较高，而晶相的石英、 莫来石等矿物以及碳含量明显减少。因此随着小粒径亚稳状态的玻璃体含量加大，最终 1 4 第二章掺灰土的基本特性实验 粉煤灰参与各种反应的程度将会大大提耐7 】。 目前各国粉煤灰细度指标的表征方法主要有两种：一种用比表面积( 锄? 儋) 表示， 一种用4 5 岫筛筛余量( ) 表示。我国用后者表征细度指标，筛余量越多，则细度指 标值越大，粉煤灰颗粒越粗。 ( 3 ) 烧失量 粉煤灰中未燃尽的碳份都可按烧失量指标来估量。所以通常粉煤灰的烧失量也能较 好的反映粉煤灰含碳量的高低，碳份的稳定性不好，碳粒一向被认为是对混凝土有害的 物质。烧失量副作用归纳起来有以下几种：需水量变大；未燃碳遇水后会在颗粒表面形 成憎水膜，阻碍水化导致活性下降；碳对引气剂等表面活性剂有较好的吸附，影响混凝 土耐久性。鉴于碳份的种种不利影响，对于混凝土中粉煤灰，不得不强调碳份是一种有 害成分，其含量越少越好。大量研究证明，粉煤灰中碳份变成焦碳那样的物质以后，其 体积是比较安定的，也不会对钢筋有害。但是惰性碳份增多，将导致粉煤灰的活性成份 减少。 烧失量是一个可取的品质参数，但是对于它的限值各国还有争议。现在世界范围内 存在两种截然相反的观点：其一，由于烧失量内含有相当数量的挥发性碱盐，烧失量并 不能完全真实的反映含碳量，所以限值不必太严；其二，现代的锅炉有能力排放烧失量 基本上小于5 的粉煤灰，所以限值还是应该严些好。 ( 4 ) 含硫量 含硫量高的母煤烧成的粉煤灰中含有较多的硫酸盐，其含量一般以s 0 3 质量的百分 数来表示，此值通常在o 5 1 5 之间，有些高钙粉煤灰的硫酸盐含量达3 0 。硫酸盐 能影响水泥的水化作用，尤其能提高早期强度。此应当说，在一定条件下，可看作是有 益成分，但由于混凝土中其他材料中的s 0 3 含量都有限制，主要怕s 0 3 过高产生破坏性 的钙矾石，因此把s 0 3 视做有害成分而限制。 ( 5 ) 含水量 粉煤灰中水分的存在往往会使活性降低，产生一定的粘附力，易于结团，影响干状 粉煤灰的包装、运输、