本發(fā)明屬于巖土力學(xué)與工程技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種采用電阻率手段在工程現(xiàn)場或室內(nèi)對難以判別的膨脹土巖進(jìn)行快速評價(jià)預(yù)測的新方法。

背景技術(shù)：

特殊性土指自然界中具有特殊的物理、力學(xué)、化學(xué)性質(zhì)，并影響工程地質(zhì)條件的土。由于巖土特征的特殊性，在由這類巖土構(gòu)成的建設(shè)場地進(jìn)行巖土工程勘察時(shí)，往往需要使用一些專用的勘察工具來進(jìn)行勘探和取樣工作，從而獲取符合實(shí)際情況的巖土力學(xué)及物性等指標(biāo)數(shù)據(jù)，搞好特殊性土地區(qū)的巖土工程勘察工作。膨脹土就是特殊性土中的一種。

膨脹土是指土中粘粒成分主要由親水性礦物組成，具有明顯的吸水膨脹，失水收縮、開裂，并產(chǎn)生往復(fù)脹縮變形的高液限粘土。對膨脹土的判定一般使用自由膨脹率和液限兩項(xiàng)指標(biāo)。當(dāng)自由膨脹率F_s≥40％，液限w_l≥40％時(shí)即判定為膨脹土；分為強(qiáng)、中等和弱膨脹土三類。

目前在評價(jià)膨脹土的脹縮性質(zhì)時(shí)有直接法和間接法兩種，前者是在室內(nèi)或野外作膨脹收縮試驗(yàn)，直接測定其在實(shí)際受力條件下的脹縮量，成果較為可靠，但費(fèi)工、費(fèi)時(shí)和費(fèi)錢，不便大量采用；后者則通過某些容易測定的指標(biāo)間接評價(jià)其脹縮性，雖然精度不如直接法高，但可以省去許多試驗(yàn)工作量，具有較大的經(jīng)濟(jì)意義。由于同質(zhì)土的膨脹勢與濕度和密度關(guān)系密切，所以凡是能較好地反映土內(nèi)濕度-密度狀態(tài)的指標(biāo)，都能用來間接地評價(jià)膨脹勢的強(qiáng)弱，其中靜力觸探試驗(yàn)因迅速簡便和復(fù)現(xiàn)性好，是較好的一種間接評價(jià)手段。為了選擇合理的判別指標(biāo)，首先必須研究反映膨脹土基本性質(zhì)的各指標(biāo)間的相關(guān)關(guān)系，以及這些指標(biāo)的組合規(guī)律，若能著重考慮脹縮機(jī)理，選擇表征膨脹土特性的獨(dú)立指標(biāo)和采用數(shù)學(xué)手段對各指標(biāo)作相關(guān)分析，選出相關(guān)性最大的特征指標(biāo)，并建立函數(shù)，這樣就能比較理想地實(shí)現(xiàn)膨脹土的判別目的。

國內(nèi)外膨脹土分類方法很多，所選用的指標(biāo)和標(biāo)準(zhǔn)也不相同，各行業(yè)各自選用了一些與膨脹土的膨脹和收縮直接或間接有關(guān)的一些指標(biāo)對膨脹土進(jìn)行了分類，如自由膨脹率、液限、塑性指數(shù)、小于2μm的粘粒含量、蒙脫石含量、比表面積、陽離子交換量、脹縮特性指標(biāo)等等，導(dǎo)致分類結(jié)果也有較大的區(qū)別。

狀態(tài)指標(biāo)在很大程度上受土體的天然存在狀態(tài)的影響，因此，膨脹土的分類判別采用非狀態(tài)指標(biāo)更為合理。狀態(tài)指標(biāo)在很大程度上受土體的天然存在狀態(tài)的影響，因此，膨脹土的分類判別采用非狀態(tài)指標(biāo)更為合理。但是膨脹土的膨脹率試驗(yàn)通常較為麻煩，無法快速的得出相應(yīng)膨脹土的膨脹率，且變異性較大，同一土樣不同研究者往往會(huì)得出不同結(jié)論。這些因素都影響了該指標(biāo)在現(xiàn)場鑒別中的使用，尤其在渠道、路塹工程的開挖過程中，及時(shí)準(zhǔn)確的判別膨脹土及其脹縮等級，對于工程設(shè)計(jì)和施工具有十分重要的意義。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

發(fā)明目的：針對現(xiàn)有技術(shù)的上述不足，提供一種用電阻率進(jìn)行膨脹土膨脹性能現(xiàn)場評價(jià)的方法，能夠在施工現(xiàn)場取得膨脹巖土樣本，現(xiàn)場進(jìn)行試驗(yàn)對膨脹巖土快速地進(jìn)行分類判定。

技術(shù)方案：一種用電阻率進(jìn)行膨脹土膨脹性能現(xiàn)場評價(jià)的方法，包括如下步驟：

步驟1，現(xiàn)場采用電阻率靜力觸探技術(shù)測試目標(biāo)膨脹土地區(qū)的電阻率值；

步驟2，通過現(xiàn)場取樣測出目標(biāo)膨脹土地區(qū)的含水率值和密度值，并依此計(jì)算出土體的孔隙率和飽和度；

步驟3，根據(jù)電阻率自由膨脹率預(yù)測公式，計(jì)算目標(biāo)膨脹土地區(qū)的自由膨脹率，并按照GBJ112-87膨脹土地區(qū)建筑技術(shù)規(guī)范，確定膨脹巖土的等級；其中，所述電阻率自由膨脹率預(yù)測公式為：δ為膨脹土自由膨脹率，ρ為電阻率， 為孔隙率，n為孔隙率指數(shù)，S_r為飽和度，m為飽和度指數(shù)，ρ_w為孔隙水電阻率，a和b為擬合系數(shù)。

進(jìn)一步的，所述孔隙率指數(shù)n以及飽和度指數(shù)m的確定方法包括如下步驟：

步驟a，配置人工膨脹土：分別將膨脹性黏性土材料及非膨脹性黏性土材料放入105℃～110℃烘箱中烘至恒重，然后將黏性土材料從烘箱中取出并放入干燥箱中冷卻至室溫，然后按不同比例取相應(yīng)質(zhì)量的兩種黏性土材料進(jìn)行干土拌合，充分?jǐn)嚭虾蟮母鞣萃翗佑米苑獯芊獠⒎湃霕?biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室中養(yǎng)護(hù)；

步驟b，對不同比例各份土樣進(jìn)行室內(nèi)電阻率和自由膨脹率測試，分別得到定含水率、定孔隙率條件下，膨脹土的電阻率與自由膨脹率之間存在指數(shù)函數(shù)關(guān)系，且膨脹土的電阻率隨著含水率的變化而變化；

步驟c，為消除狀態(tài)參數(shù)對用電阻率法預(yù)測自由膨脹率的影響，選取飽和度、孔隙率、孔隙水電阻率作為有效參數(shù)進(jìn)行控制，根據(jù)步驟b的測試結(jié)果：

(1)建立飽和狀態(tài)下，電阻率ρ_n0與孔隙率之間的相關(guān)關(guān)系為：

其中，ρ_n0為飽和狀態(tài)下孔隙電阻率，ρ_w為孔隙水電阻率，為孔隙率，n為孔隙率指數(shù)，δ為膨脹土自由膨脹率，a₂和b₁為擬合系數(shù)；所述孔隙率指數(shù)n通過人工膨脹土電阻率孔隙率關(guān)系確定；

(2)建立天然狀態(tài)下，電阻率ρ與飽和度S_r之間的相關(guān)關(guān)系為：

其中，ρ為天然狀態(tài)下電阻率，ρ_n0為飽和狀態(tài)下孔隙電阻率，S_r為飽和度，m為飽和度指數(shù)，δ為膨脹土自由膨脹率，a₄和b₂為擬合系數(shù)；所述飽和度指數(shù)m通過人工膨脹土電阻率飽和度關(guān)系確定；

(3)結(jié)合步驟(1)和(2)得到基于電阻率的自由膨脹率通用預(yù)測公式為：

其中，a＝a₄×a₂，b＝b₂+b₁；進(jìn)而得到膨脹土自由膨脹率δ為：

有益效果：本發(fā)明在分析目前國內(nèi)外有關(guān)膨脹土判別分類方法的基礎(chǔ)上，通過大量的室內(nèi)比較性試驗(yàn)，提出了以土樣自由膨脹率和電導(dǎo)率相關(guān)關(guān)系為基礎(chǔ)，以現(xiàn)場實(shí)測土樣的電導(dǎo)率推測膨脹土自由膨脹率，從而實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場快速鑒定的方法。

本發(fā)明的理論基礎(chǔ)源于土壤學(xué)和土質(zhì)學(xué)的基本理論。膨脹土內(nèi)部結(jié)構(gòu)是決定其膨脹性強(qiáng)弱的主要因素之一，所以為了更準(zhǔn)確地把握其膨脹特性、膨脹機(jī)理，更有效地設(shè)計(jì)處理這類地基土，許多巖土工程界學(xué)者一直都很關(guān)注其微觀結(jié)構(gòu)的研究。根據(jù)土壤學(xué)理論，土壤中的黏土礦物具有強(qiáng)親水性、離子交換性、膨脹性和可塑性等理化特性，這些特性與顆粒的基本構(gòu)造單元以及晶層結(jié)構(gòu)有關(guān)。從微觀角度而言，不同的晶層結(jié)構(gòu)使得黏土礦物的比表面積、離子吸附和交換特性等具有顯著的區(qū)別；從宏觀角度而言，不同的晶層結(jié)構(gòu)導(dǎo)致土體的膨脹性、強(qiáng)度差異。目前，關(guān)于膨脹土的識(shí)別與 分類，國內(nèi)外已進(jìn)行了大量的研究工作，提出了許多判別與分類方法，然而目前還沒有一個(gè)單一指標(biāo)能充分表述作為工程環(huán)境或工程結(jié)構(gòu)體一部分的膨脹土的復(fù)雜性態(tài)，因此大多為考慮多種因素的組合判別方法。這其中尤以液塑限和粘粒含量等反映土顆粒內(nèi)部結(jié)構(gòu)特性的指標(biāo)被廣泛采用進(jìn)行膨脹性能判別。

膨脹土的膨脹率試驗(yàn)通常較為麻煩，無法快速的得出相應(yīng)膨脹土的膨脹率，且變異性較大，同一土樣不同研究者往往會(huì)得出不同結(jié)論。發(fā)明人經(jīng)過研究發(fā)現(xiàn)，電阻率對于土體內(nèi)部的結(jié)構(gòu)有顯著的敏感度，且土壤中的黏土礦物晶層結(jié)構(gòu)的變化可能影響?zhàn)ば酝恋碾娀瘜W(xué)特性、導(dǎo)電性能等。本發(fā)明采用商用無機(jī)鈉基膨潤土和高嶺土進(jìn)行室內(nèi)人工配制，以合成不同膨脹性能的人工膨脹土。并通過測試人工膨脹土的膨脹性能，電學(xué)性能以及物理工程特性，分析三者之間的關(guān)系。最后根據(jù)取自漢中以及合肥的原位天然膨脹土試樣進(jìn)行對比，并根據(jù)其他學(xué)者的研究成果進(jìn)行分析。得出電導(dǎo)率指標(biāo)可以作為膨脹土非狀態(tài)指標(biāo)自由膨脹率以及內(nèi)部結(jié)構(gòu)特性表征參數(shù)，建立相應(yīng)的表征方法以提供一種快速的膨脹原位評價(jià)方法。

本發(fā)明的方法簡便實(shí)用，操作容易，快速準(zhǔn)確，特別適用于工程現(xiàn)場使用，能較準(zhǔn)確地對膨脹土(巖)進(jìn)行現(xiàn)場的判別，對于工程設(shè)計(jì)和施工具有十分重要的意義，解決了現(xiàn)有技術(shù)中長期沒有得到解決的一個(gè)技術(shù)難題。

附圖說明

圖1是本發(fā)明方法的流程圖；

圖2是本發(fā)明的定含水率狀態(tài)下人工膨脹土自由膨脹率與電阻率關(guān)系曲線圖；

圖3是本發(fā)明的擬合值a與孔隙率相關(guān)關(guān)系曲線圖；

圖4是本發(fā)明的定孔隙率狀態(tài)下人工膨脹土自由膨脹率與電阻率關(guān)系曲線圖；

圖5是本發(fā)明的擬合值a與飽和度相關(guān)關(guān)系曲線圖；

圖6是本發(fā)明的人工膨脹土歸一化電阻率與自由膨脹率相關(guān)關(guān)系圖；

圖7是本發(fā)明的基于電阻率預(yù)測模型的膨脹土實(shí)測與預(yù)測自由膨脹率比較圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖對本發(fā)明做更進(jìn)一步的解釋。

一種用電阻率進(jìn)行膨脹土膨脹性能現(xiàn)場評價(jià)的方法，包括如下步驟：

步驟1，現(xiàn)場采用電阻率靜力觸探技術(shù)測試目標(biāo)膨脹土地區(qū)的電阻率值。

步驟2，通過現(xiàn)場取樣測出目標(biāo)膨脹土地區(qū)的含水率值和密度值，并依此計(jì)算出土 體的孔隙率和飽和度。

步驟3，根據(jù)電阻率自由膨脹率預(yù)測公式，計(jì)算目標(biāo)膨脹土地區(qū)的自由膨脹率，并按照GBJ112-87膨脹土地區(qū)建筑技術(shù)規(guī)范，確定膨脹巖土的等級；其中，電阻率自由膨脹率預(yù)測公式為：δ為膨脹土自由膨脹率，ρ為電阻率，為孔隙率，n為孔隙率指數(shù)，S_r為飽和度，m為飽和度指數(shù)，ρ_w為孔隙水電阻率，a和b為擬合系數(shù)。

其中，電阻率自由膨脹率預(yù)測公式按如下方法得到：

步驟a：為達(dá)到模擬不同膨脹性能膨脹土的目的，采用膨脹性黏性土材料及非膨脹性黏性土材料以不同比例摻和配置人工膨脹土，這樣可以不改變膨脹土粘性土的特性，并且可以控制配置土的膨脹性等級。本實(shí)施例中，膨脹性黏性土材料選用句容地區(qū)的無機(jī)鈉基膨潤土，其呈灰黃色，蒙脫石含量大于65％；選用二氧化硅含量12.6％的灰白色高嶺土作為非膨脹性黏性土材料。設(shè)計(jì)的摻和的比例，即膨潤土占總質(zhì)量的比例為：0％，10％，20％，30％，40％，50％，60％，70％，80％，90％，100％。

分別將無機(jī)鈉基膨潤土及高嶺土放入105℃～110℃烘箱中烘至恒重；然后將黏性土材料從烘箱中取出并放入干燥箱中冷卻至室溫；然后按設(shè)計(jì)比例取相應(yīng)質(zhì)量的兩種黏性土材料進(jìn)行干土拌合；充分?jǐn)嚭虾蟮母鞣萃翗佑米苑獯芊獠⒎湃霚囟?2℃，相對濕度>70％的標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室中養(yǎng)護(hù)，留待進(jìn)行相應(yīng)工程性質(zhì)實(shí)驗(yàn)。

步驟b：自由膨脹率表明土粒在無結(jié)構(gòu)力影響下的膨脹特性，主要受土中粘粒含量和礦物成分支配，為非狀態(tài)參數(shù)。土的電阻率是表征土體導(dǎo)電性的基本參數(shù)，是土的固有物性參數(shù)之一，取決于土的狀態(tài)參數(shù)，主要決于土的孔隙率、孔隙形狀、孔隙液電阻率、飽和度、固體顆粒成分、形狀、定向性、膠結(jié)狀態(tài)等；該眾多參數(shù)中，表征狀態(tài)參數(shù)的孔隙特性和孔隙液特性對土體電阻率的影響最大。

對不同比例各份土樣進(jìn)行室內(nèi)電阻率和自由膨脹率測試，分別得到定含水率、定孔隙率條件下，膨脹土的電阻率與自由膨脹率之間存在指數(shù)函數(shù)關(guān)系。

步驟c：在無結(jié)構(gòu)力影響下，土中粘粒含量愈高，礦物親水性愈強(qiáng)，自由膨脹率愈大。自由膨脹率為非狀態(tài)參數(shù)，與土體本身狀態(tài)無關(guān)。根據(jù)步驟a得到在特定的土體狀態(tài)下，如定含水率，定孔隙率，膨脹土的電阻率與自由膨脹率之間都存在著很好的指數(shù)函數(shù)關(guān)系，且隨著含水率的變化而略有變化。根據(jù)土樣導(dǎo)電性與粘性顆粒含量、液限含 水率相關(guān)性較好以及上述測試結(jié)果，電阻率指標(biāo)可以作為評定膨脹土膨脹特性的表征參數(shù)。同時(shí)，需要注意到的是電阻率為狀態(tài)參數(shù)，其數(shù)值的變化與土體本身所處狀態(tài)之間存在相關(guān)性。為消除狀態(tài)參數(shù)對用電阻率預(yù)測自由膨脹率的影響，選取飽和度、孔隙率、孔隙水電阻率作為有效參數(shù)進(jìn)行控制，結(jié)合已有的電阻率模型，建立基于電阻率的膨脹土自由膨脹率通用預(yù)測公式。

通過分析不同狀態(tài)下電阻率與自由膨脹率的關(guān)系，消除膨脹土體狀態(tài)參數(shù)中孔隙率以及飽和度指標(biāo)的影響，建立電阻率與自由膨脹率之間的直接關(guān)系。圖2為人工膨脹土電阻率在定含水率20％狀態(tài)下隨著自由膨脹率的變化規(guī)律，從圖2可以看出電阻率隨自由膨脹增大而減小，呈指數(shù)函數(shù)關(guān)系。建立不同含水率下，電阻率與自由膨脹率之間的廣義變化關(guān)系為：

式中：ρ為電阻率(Ω·m)，δ為膨脹土自由膨脹率(％)，a₁和b₁為擬合系數(shù)。

表1定含水率狀態(tài)下人工膨脹土電阻率與自由膨脹率關(guān)系

從表1中可以看出公式(1)中的b₁值較為穩(wěn)定，在0.23-0.33之間，說明不同孔隙率下電阻率與自由膨脹之間的相關(guān)關(guān)系是穩(wěn)定的，取b₁值平均值0.285作為區(qū)域模型預(yù)測值。取a₁值與孔隙率進(jìn)行比較，圖3為定含水率20％下，a₁值與孔隙率的變化關(guān)系。從圖中可以看出a₁隨著孔隙率的減小而減小，呈指數(shù)函數(shù)關(guān)系，具體公式為：

將公式(2)帶入上述公式(1)中得出，定含水率下，孔隙電阻率與自由膨脹率之間的關(guān)系：

其中，ρ_n為孔隙電阻率(Ω·m)，

根據(jù)式(3)，得到孔隙電阻率隨膨脹土自由膨脹率具體的廣義公式為：

上述式中，δ為膨脹土自由膨脹率(％)，a₂和b₁為擬合系數(shù)，為孔隙率，n為孔隙率指數(shù)。

圖4為人工膨脹土電阻率在定孔隙率0.48狀態(tài)下隨著自由膨脹率的變化規(guī)律。建立不同孔隙率下，電阻率與自由膨脹率之間的廣義變化關(guān)系為：

式中：ρ為電阻率(Ω·m)，δ為膨脹土自由膨脹率(％)，a₃和b₂為擬合系數(shù)。

表2定孔隙率狀態(tài)下人工膨脹土電阻率與自由膨脹率關(guān)系

從表2表中可以看出，公式(5)中b₂值較為穩(wěn)定，在0.31-0.39之間，說明不同飽和度下電阻率與自由膨脹之間的相關(guān)關(guān)系是穩(wěn)定的，取b₂值平均值0.352作為區(qū)域模型預(yù)測值。取a₃值與孔隙率進(jìn)行比較，圖6為定孔隙率0.48下，a₃值與飽和度的變化關(guān)系。從圖中可以看出a₃隨著飽和度的減小而減小，呈指數(shù)函數(shù)關(guān)系，具體公式為：

a₃＝23.37×S_r^0.53 (6)

其中，S_r為飽和度；將公式(6)帶入上述公式(5)的中得出，定孔隙率下，飽和電阻率與自由膨脹率之間的關(guān)系：

其中，ρ_S為飽和電阻率(Ω·m)；

從圖中可以看出飽和電阻率隨自由膨脹增大而減小，呈指數(shù)函數(shù)關(guān)系。根據(jù)式(7) 可到具體的廣義公式為：

上述式中，δ為膨脹土自由膨脹率(％)，a₄和b₂為擬合系數(shù)，S_r為飽和度，m為飽和度指數(shù)。

上述公式(4)和(8)為區(qū)域性公式，且與土體內(nèi)部孔隙水電阻率有直接的相關(guān)性。由于不同土體內(nèi)部孔隙水導(dǎo)電能力基本一致，為恒定值。為了消除不同土體之間的電阻率差異，引起對膨脹土膨脹性能的誤判，在廣義公式中消除孔隙水電阻率影響。

根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的研究內(nèi)容，取飽和狀態(tài)下電阻率ρ₀與孔隙水電阻率ρ_w成線性增加，具體的線性關(guān)系為：

其中，c為擬合系數(shù)，d為結(jié)構(gòu)因子；

結(jié)合公式(9)和廣義孔隙電阻率公式(4)可以得出飽和狀態(tài)下孔隙電阻率ρ_n0公式：

根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的研究內(nèi)容，對于非飽和的情況下，電阻率與同種飽和巖土的電阻率ρ₀成正比，具體的線性關(guān)系為：

其中，ρ_u為非飽和土電阻率，c₁為擬合系數(shù)，d₁為電阻率指數(shù)；

結(jié)合公式(12)和廣義飽和電阻率公式(8)可以得出天然狀態(tài)下電阻率ρ公式

將飽和孔隙電阻率公式(11)代入到公式(14)中可以得出天然狀態(tài)下電阻公式：

即

其中，a＝a₄×a₂，b＝b₂+b₁；從而得到人工膨脹土區(qū)域預(yù)測模型為：

將上述人工膨脹土區(qū)域預(yù)測模型參數(shù)值帶入上述廣義公式(16)中，得出：

(4)膨脹性判別：在特定現(xiàn)場選取有代表性的膨脹巖土試樣，進(jìn)行原位電阻率靜力觸探試驗(yàn)，并同時(shí)測量土體含水率及密度參數(shù)，換算本方法的狀態(tài)參數(shù)；根據(jù)實(shí)測土樣的電阻率及相關(guān)參數(shù)采用所建立的基于電阻率的膨脹土自由膨脹率通用預(yù)測公式推測土樣的自由膨脹率，按照《膨脹土地區(qū)建筑技術(shù)規(guī)范》(GBJ112-87)，確定膨脹巖土的等級。

本實(shí)施例中，將人工膨脹土電阻率數(shù)值和自由膨脹率數(shù)值帶入公式中進(jìn)行擬合，求取a和b的范圍值。如圖6所示，為歸一化電阻率與自由膨脹率之間的相關(guān)關(guān)系。從圖中可以得出：

其中R²為公式相關(guān)性系數(shù)。

根據(jù)公式(19)確定a和b的值分別為1883.8和-1.69。帶入公式(18)中，得出膨脹土區(qū)域預(yù)測模型為：

上述式中，ρ為土電阻率(Ω·m)，ρ_w為孔隙水電阻率，δ為膨脹土自由膨脹率(％)，a和b為擬合系數(shù)，S_r為孔隙率，為孔隙率，m為飽和度指數(shù)，n為孔隙率指數(shù)。

通過上述陜西膨脹土和黑棉土的試驗(yàn)數(shù)據(jù)驗(yàn)證公式的預(yù)測模型的精確性。圖6為基于電阻率預(yù)測模型的膨脹土實(shí)測與預(yù)測自由膨脹率比較。

可以看出：根據(jù)上述提出的基于電阻率的膨脹土自由膨脹率預(yù)測公式，都可以很好的應(yīng)用于天然膨脹土的預(yù)測，并且預(yù)測結(jié)果較為準(zhǔn)確，線性擬合度較高。

以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，應(yīng)當(dāng)指出，對于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以做出若干改進(jìn)和潤飾，這些改進(jìn)和潤飾也應(yīng)視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。