土壤电阻率影响因素的关系

基于腊梅路站场地RCPTU试验及室内土工试验结果，分析土壤电阻率与土体物理力学性质参数之间的关系。根据现场勘察结果，腊梅路站场地表层存在硬壳层，其下为软土层。软土层主要为①2层黏土，②2淤泥质黏土，⑤1层黏土及⑤3层粉砂。表5-6为各土层主要物理力学性质指标。

表5-6　主要土层物理力学性质指标汇总

（1）电阻率与含水率

电阻率与含水率相关性研究最早应用于石油领域。如今，许多学者在污染土壤等相关领域对土壤电阻率与含水率相关性也做了深入研究。一般认为，随着含水率增加，土壤电阻率有所降低。当含水率较小时（小于12%），土壤处于干燥状态，电阻率很高，含水率的变化对电阻率影响较大。当含水率较高时，其变化对电阻率的影响相应减小。图5-3为电阻率与含水率关系图。从图可以得出以下结论，宁波地区土壤电阻率与含水率有较好的对应关系：随着土壤含水率增加，电阻率降低。在①2层黏土与②2层淤泥质黏土中，含水率较低时，电阻率下降幅度较大，含水率较高时，电阻率下降趋势明显减缓。而在⑤1层黏土与⑤3层粉砂中，含水率虽随土壤电阻率降低而下降，但其下降幅度较小。

图5-3　电阻率与含水率关系图

（2）电阻率与重度

一般来讲，土壤电阻率随重度的增加而减小。土壤重度大意味着土颗粒密实度大，接触点多，从而增强土壤的导电性能，土壤电阻率随之降低。图5-4为电阻率与土壤重度关系图。从图5-4中可以看出，①2层黏土与②2层淤泥质黏土其电阻率与重度相关性不明显，甚至有相反的趋势。这是由于在这两种土壤中虽然重度对电阻率有一定的影响，但影响作用不明显，甚至被其他因素所抵消。⑤1层黏土与⑤3层粉砂中，电阻率随着重度的增加而明显降低，其线性相关性较好。

图5-4　电阻率与重度关系图

（3）电阻率与孔隙比

孔隙比是影响土电阻率大小的重要土体结构参数之一，孙树林指出黏土电阻率与孔隙比相关关系是：随着孔隙比的增加，电阻率先是平缓增加，后当孔隙比增加至0.83%，电阻率随着孔隙比的增加迅速增加，呈指数增大关系。图5-5为孔隙比与电阻率关系图。①2层黏土电阻率与孔隙比成指数增大关系。⑤1层黏土与⑤3层粉砂由于孔隙比较小，随着孔隙比增大，电阻率平缓增加。这是由于土的孔隙比越小，其孔隙的连通性越好，孔隙水的连续性就越好，导致孔隙水导电能力增强，土的电阻率降低。②2层淤泥质黏土电阻率与孔隙比具有一定的线性相关性，但其相关系数较小，这是由于淤泥质黏土孔隙比相对较大，其孔隙几乎全被孔隙水所占据。孔隙水的影响作用较大，将孔隙比对电阻率的影响作用抵消。

图5-5　电阻率与孔隙比关系图

（4）电阻率与塑性指数

蔡国军在对江苏海相黏土电阻率研究的过程中发现：随着塑性指数增加，土壤电阻率逐渐减小。土体塑性指数越大，颗粒越细，其表面积越大，双电子层厚度越大，电阻率越小。图5-6为电阻率与塑性指数关系图。腊梅路站场地①2层黏土、②2层淤泥质黏土与⑤1层黏土皆为中塑性土，电阻率数值较低（7～12Ω·m），其电阻率随着塑性指数的增加都有下降的趋势，相关性较强。对图中数据进行多项式趋势拟合，其表达式为(www.xing528.com)

图5-6　电阻率与塑性指数关系图

（5）电阻率与压缩模量

基于RCPTU资料估计土的压缩模量Es，可以表示成净锥尖阻力qn的函数，因此文章中各土层的压缩模量数据来自RCPTU试验数据解译结果。图5-7为电阻率与压缩模量关系图，电阻率随压缩模量的增加而增加。其相关系数较大：①2层黏土R2=0.7867；②2层淤泥质黏土R2=0.9193；⑤1层黏土R2=0.9912；⑤3层粉砂R2=0.9974。①2层黏土、②2层淤泥质黏土其压缩模量较小，电阻率随压缩模量的增加呈指数增长。⑤1层黏土与⑤3层粉砂其电阻率随压缩模量增加而缓慢增加，其增加的趋势逐渐减缓。产生这种差异的原因是多方面的，最大的原因可能是与土壤的沉积环境的差异有关。

图5-7　电阻率与压缩模量关系图

（6）电阻率与孔隙液

由于黏土矿物颗粒的表面带电性，围绕土粒形成电场。土粒电场范围内孔隙液中的阴离子、阳离子具有导电性。孔隙液中的离子浓度变化会导致土体电阻率变化。在一定条件下，孔隙液含盐量越大，土壤的导电性越好，土壤电阻率越低。孔隙液中不同离子流动性具有一定的差异，导致其影响电阻率的方式不同。腊梅路站场地⑤3层粉砂为较好的含水层，在该层共取5组水样进行水质分析，水化学分析显示孔隙液主要的离子成分为Na+与Cl-，该层孔隙水为Cl-Na型水，表明宁波海相黏土为较典型的单一NaCl型含盐黏土。水样的平均矿化度为9.88 g/L，为高矿化度水，该层土层平均电阻率为7.19Ω·m。图5-8为电阻率与孔隙液矿化度关系图，随着孔隙液含盐量增加，土壤电阻率逐渐下降。其下降趋势不明显的原因是土壤孔隙液矿化度整体较高，使得电阻率变化幅度较小。

图5-8　电阻率与孔隙液关系图

（7）成果分析

课题组主要选取土壤含水率、重度、孔隙比、塑性指数、压缩模量、孔隙液6项影响因素逐一分析其对土壤电阻率的影响作用大小。其中含水率、孔隙液矿化度、塑性指数为宁波沿海地区电阻率的主要影响因素。

①2层黏土、②2层淤泥质黏土受土壤含水率影响作用明显：随着土壤含水率增加，电阻率降低；含水率较低时，电阻率下降幅度较大，含水率较高时，电阻率下降趋势明显减缓。场地内不同类型土壤电阻率随着塑性指数的增加都有下降的趋势，趋势较为明显。

⑤3层粉砂为较好的含水层，其中孔隙液主要的离子成分为Na+与Cl-，平均矿化度为9.88 g/L，随着孔隙液含盐量增加，土壤电阻率逐渐下降，高矿化度孔隙液弱化了电阻率的变化趋势。

普遍认为，压缩模量较小时，电阻率随压缩模量的增加而缓慢增加；压缩模量较大时，电阻率随压缩模量增加而急剧增加。本书中的压缩模量与电阻率相关关系与其恰恰相反，这可能是研究范围的局限性造成的。