土石混合体成因及电阻率特性研究进展

陈松林，汪 魁，赵明阶

(1. 重庆交通大学 河海学院，重庆 400074； 2. 重庆科技学院 建筑工程学院，重庆 401331)

0 引 言

常发生于地表浅层的地质灾害(如滑坡、塌陷、泥石流等)往往会对已建或在建的工程设施产生非常不利的影响，不同于传统的岩土介质材料，构成上述地灾的固相地质体主要为尺寸较小的土颗粒与尺寸相对较大的块石。由于此类岩土介质在细观组成成分尺度上的差异，使得其在相应宏观性质的表现上与一般的岩体或土体存在较大差异，如力学特性、渗透特性、电阻率特性等。为了有别于传统的岩体或土体，国外学者E.W.MEDLEY[1]于1994年第一次提出了土石混合体的概念，他们刻意忽略了传统地质学上的定义，将岩石块体镶嵌在细粒土体中所构成的岩土介质称为Block-in-matrix soils/rocks，并将其命名为Bimsoil，即土石混合体。国内油新华[2]、徐文杰等[3]都对这种复杂地质体给出了相应的解释并都对其加以改进，这也极大的促进了土石混合体的概念在国内相关研究中的发展。总的来说，我们可以将土石混合体理解为：它是由具有强度、尺寸差异的块石、细粒土体组成的极其不规则岩土介质系统，如图1。

图1 土石混合体Fig. 1 Soil-rock composite medium

土石混合体虽说是一种广泛存在于自然界中的岩土介质材料，但是针对它的相关研究却从上个世纪九十年代才开始，由于土石混合体的研究时间较短，目前国内外相关的国家标准与行业规范没有对其进行单独的分类，而将其统一归为土类。美国陆军工程师兵团、垦务局及材料试验学会、公路工作者协会将土石混合体认作粗粒土[4]；地质与矿物学词典将其称为混杂岩或混成岩[5]； 《工程地质手册》将其称为混合土[6]。总的来说，不同的机构会根据各自行业的侧重点和要求对土石混合体进行不同的分类，建立适用于本行业使用的分类标准。

作为一种介于单纯岩体与土体之间的特殊材料，相比于传统土体与岩体的强度特征，土石混合体的强度特性存在着较大差异，影响因素众多，这已为较多研究者所证明[7-8]。但其电阻率特性目前研究较少，国内外学者也多是对具有相同物性参数的介质(如砂岩、黏土等)进行电阻率特性的研究，鉴于此，国内部分学者已经对土石混合体的电阻率特性展开初步研究，发现其影响因素既包括土石颗粒所处环境属性，如孔隙内液体含量与种类、气体含量，密实度，土石比等，也包括土石颗粒自身导电性能的优异。笔者将对其影响规律进行总结。

为了弄清此种新兴岩土介质体系的电阻率特性，以便更好地促进电阻率无损检测技术在岩土工程勘探、建设、运营等领域的应用，笔者首先从物质来源的角度分析了土石混合体的地质成因；其次，对“土”与“石”的电阻特性(导电性能)进行讨论；然后，对土石混合体电阻率特性的主要影响因素及其影响规律进行总结；最后，对土石混合体电阻率特性研究中的不足进行了分析，对今后的研究重点与研究思路进行探讨。

1 土石混合体的地质成因

土石混合体有着复杂的形成过程，这也决定了其与传统土类有着较大差异，徐文杰等[8]从其关键物性指标的角度将土石混合体与传统岩土体进行了区分，将其划分为一种新兴岩土介质体系。其复杂的地质成因也对其物质组成、岩性差异、空间分布有着重要的影响，而这些差异在土石混合体的力学特性、渗透特性、电阻率特性上得到了体现。因此，分析其地质成因对于理解土石混合体与传统土类的差异有着极其重要的作用。

“物质来源”与“堆积形成的地质动力作用”两者共同决定了自然界中的土石混合体，前者决定其物质来源，而后者决定其形成过程。徐文杰等[3]从搬运、堆积等动力地质作用的角度对土石混合体的地质成因进行了总结，将其分为7种不同的成因。而从块石物质来源的角度，可将土石混合体的地质成因分为风化作用、冻融作用、冲刷作用、岩溶作用等4类[9]，不同作用也常常同时发生在块石所处的自然环境中。

1.1 风化作用

作为土石混合体中固相物质来源的主要动力，风化作用主要指原地表的岩石在相关物理、化学作用下导致的破坏，包括一切物理状态和化学成分变化的改变，如图2。按作用性质将风化作用又分为物理风化、化学风化和生物风化3种，在实际情况中，以上3种风化作用一般都同时或交相作用于地表岩石，进而削弱了岩石颗粒之间的连接，内部裂隙形成并逐渐扩大，最终导致岩石碎裂，这为土石混合体的形成提供了物质基础。

图2 风化作用形成的土石混合体Fig. 2 Soil-rock composite medium formed by rock weathering

1.2 冻融作用

冻融作用是一种与水密切相关的寒冻风化作用，此类风化作用主要分布在青藏高原及东北地区。寒冷地区的地表岩石在气温上下波动下，一方面使得岩石颗粒本身经历着不均匀的收缩与膨胀，另一方面使得岩石孔隙内的水经历冻胀与融缩，如此循环往复作用，使得破坏效果持续叠加，最终导致岩石发生破碎。

1.3 冲刷作用

冲刷作用是指在河流、泥石流、雨季暂时性洪水或季节性融雪等水流对其所经地段内岩体的动力扰动作用，如图3。在较大冲刷作用力下，水流对冲刷岩体产生摩擦、撞击作用，从而发生土石流失、剥蚀、裂隙化，然后逐渐破裂成块状或者将大块石打磨成近似圆形的砾石与卵石等。在山高地陡的地形条件下，冲刷作用是土石混合体物质来源的重要途径。

图3 河流冲刷作用Fig. 3 River scouring

1.4 岩溶作用

岩溶作用是地下水与地表水对可溶性岩石进行溶解、破坏、改造等的地质作用，也称喀斯特，岩溶作用常见于我国三峡库区、云贵高原地区。在岩溶作用下，岩体结构部分呈现出孔洞化、裂隙化，直至最后发生失稳、破碎，这些破碎的岩体可能会随水流经过搬运再堆积，也可能就地堆积，无论哪一种堆积方式，其都是土石混合体块石的物质来源之一。

2 “土”与“石”的电阻特性

“电阻特性”也称之为“导电性能”，“土”与“石”在导电性能上的差异对土石混合体的视电阻率影响较大，这也是由土石颗粒自身性质所决定。而对于“土”与“石”如何进行区分，研究人员多用“土石阈值”这一物性指标对其进行描述。

2.1 土石颗粒粒径阈值

土石阈值是区分“土”与“石”两者尺寸大小的一个定量指标，也是进行土石混合体相关室内模型试验的一个重要物性指标。目前，土石阈值的常见取值主要有以下5种，见表1。

表1 土石阈值取值Table 1 The values of soil and rock threshold

因此，若岩土颗粒粒径d≥dS/RT，将其定义为“石”；若d

2.2 “土”与“石”的导电性能

2.2.1 土的导电性能

土的导电特性常常被视作土体相关物理属性(如内部结构、含水量、流体成分等)在时间与空间变化上的表征[17]。通过研究，发现土颗粒的导电性在不同方式、不同程度上受以下几个方面的影响：

1) 固体颗粒的性质与排列。如图4，不同固体成分显示出极大差异的导电性，如：盐渍土电阻率仅为1 Ω·m，而覆盖结晶岩的干土电阻率却是盐渍土电阻率的几十万倍。固体颗粒导电性取决于颗粒尺寸及颗粒表面的电荷密度，如黏土颗粒由于具有很大的比表面积，与粗颗粒的土体相比，黏土颗粒表面更多的电荷赋存使得导性性能更好。而孔隙的几何形状(孔隙分布与形式)在不同含水量下决定着其内部空气与水的分布比例，同样对其导电性产生影响，如“阿尔奇方程”。

图4 陆域材料电阻率典型变化范围Fig. 4 Typical variation ranges of electrical resistivities of earth materials

2) 含水量。土体中的电流取决于孔隙中水的含量及其特性。D.MICHOT等[18]都对不同类型黏土体含水量与电阻率的关系进行了研究，认为含水量越高，土体导电性越好，且含水量增至一定范围后，电阻率趋于稳定；V.C.GOYAL等[19]认为含水量与电阻率之间存在线性关系；A.I.POZDNYAKOV等[20]认为它们之间是指数函数关系。

3) 孔隙液体组成与温度。导电性与填充于孔隙内液体中离子浓度及其流动性有关。R.J.KALINSKI等[21]研究了具有不同导电性的水与其电阻率的关系，发现水含量越高，电阻率越低。查甫生等[22]研究了含有不同浓度NaCl的膨胀土电阻率与含水量的关系，发现同一含水量下，离子浓度越高，电阻率越低。而温度升高，流体黏度下降，离子的运动能力得到进一步加强。

2.2.2 岩石的导电性能

岩石本身具有极高的电阻，如图4，因此岩石的导电性主要由岩石颗粒边界和岩石孔隙内液体所决定。孙建国[23]将岩石的导电分为离子导电型和电子导电型，而后者主要针对致密性非常强的岩石。由图4也能得知不同岩性、同一岩性不同形成过程的岩石在导电性能上有着明显的不同。

2.3 “土”与“石”的联接与占比

在实际的土石混合体介质体系中，其内部土石联接与排列非常复杂，为了便于电阻率的理论研究，学者多将土石混合体内部“土”与“石”的联接简化成串-并联结构模型，如图5。

图5 土石串-并联结构模型Fig. 5 Structure model of soil and rocks connected in series and in parallel

赵明阶等[24]将土石混合体中土、石、水、空气等效为并联结构模型且认为干燥土、石、空气电阻率无穷大，得到了土石混合体的电阻率方程，但此电阻率方程不能对不同土石占比下的土石混合体电阻率进行预测。汪魁等[25]将土与石的联接方式看作串-并联结构，考虑了不同土石占比的影响，推导了土石串-并联电阻率结构模型，如式(1)：

(1)

式中：f为土石体积占比；α为土石并联部分所占比例；ρ土、ρ石、ρw分别为土、石、孔隙水的电阻率；γ土、γ石、γw分别为土、石、孔隙水的容重；n为孔隙率；w为含水量。

ZHOU Zhong等[26]考虑土石颗粒自由混合会使得土石混合体部分大孔隙被细颗粒土体所填充，导致其混合后实际整体体积较理论混合后变小，所得到的修正串-并联混合电阻率模型为：

(2)

式中：α为土石串联部分所占比例；n1、n2分别为土石混合前、后所对应的孔隙率；Sr(1)、Sr(2)分别为土石混合前、后所对应的饱和度；C土、C石分别为土、石所占体积比；ρ土、ρ石分别为土、石的电阻率；m、p分别为胶结系数与饱和度指数。

由此可得，土石体积占比是一个不容忽视的变化因素，其大小影响着土石混合体内部组分构成比例，进而影响土石混合体的电阻率属性，而在部分文献中也称为“土石比”。但目前对土石比定义却未能形成一致，钟祖良等[7]从块石的质量、体积、面积、线性长度4个不同的统计角度对其进行了相应的定义与总结。其中从块石质量、体积的角度进行土石比统计与定义主要用于土石混合体的相关室内试验研究，而从块石面积、线性长度的角度进行土石比的统计与定义主要用于土石混合体的室外现场测试试验。

无论从以上哪个角度进行土石比的统计，徐文杰等[3]以含石量占比多少将土石比大致分为3个区间范围，不同区间范围内有着不同的含石量、不同的内部细观结构，进而在电阻率特性上有着不同的主导作用，如：含石量大于75%时，此时“块石”居多，“土体”较少，“块石”之间形成紧密接触，“土体”充填于土石混合介质中“块石”骨架内，“块石”在电阻率特性上占据主导作用。

3 土石混合体电阻率特性影响规律研究

不同因素以不同方式、不同程度对土石混合体电阻率特性产生影响，主要包括含水量、密实度、土石比、孔隙率等，部分学者对此进行了研究，认为各影响因素之间在某种程度上具有不确定的相关性。目前的研究多是以室内圆柱形击实试件为基础，进行其电阻率的静态测量[27-28]，李居铜等[29]在模型池内对土石混合体进行水平推剪试验并进行电阻率的同步动态测量，上述研究都取得了较好的效果。

3.1 含水量对土石混合体电阻率特性的影响

含水量是影响土石混合体电阻率特性最重要的一个影响因素，是研究多孔介质电阻率特性的首选变量。王日升等[27]对土石混合体试件进行其在饱水过程中电阻率变化特征的研究，发现土石比、压实度均不相同的试件随着饱水度的增加，电阻率都呈现下降趋势；李居铜等[29]将模型池内不同土石比的土石混合体模型在差异水环境下进行水平推剪试验，发现浸水条件下模型的电阻率比正常条件下模型的电阻率小得多；赵明阶等[24]对土石混合体击实试件进行电阻率的静态测量，发现其电阻率随着含水量的增加呈幂函数衰减；汪魁等[25]在构建了土石混合体导电特性的物理模型基础上，建立了土石混合体电阻率与物理特征参数之间的理论关系式，从理论上建立了电阻率与含水量的关系，并将试验值与理论值进行对比，发现两者之值吻合程度很高。

总结发现，无论采取何种试验手段，含水量的增加都会使得土石混合体的电阻率呈现明显下降趋势，如图6。如此高的电阻敏感度也为判断土石混合体内部的临界含水量提供了可能。当含水量增大到一定程度时，电阻率的值几乎不会发生改变，为一定值，此时土石混合体内部孔隙已经趋近于完全饱和，饱和度近似为1。

图6 含水量与电阻率的关系曲线(土石比6∶4)Fig. 6 Relationship curve between water content and electrical resistivity (soil-rock ratio is 6∶4)

3.2 密实度对土石混合体电阻率特性的影响

在室内模型试验中，密实度主要是通过对模型试件击实、强夯次数的多少来表征，其对土石混合体电阻率特性的影响程度仅次于含水量。王日升等[27]将压实度作为试验变量之一对电阻率特性展开了研究，得出了不同压实度条件下试件在饱水过程中的电阻率变化趋势，发现土石比相同时，压实度越大，电阻率反而越小；赵明阶等[24]通过对不同击实次数下的模型试件进行电阻率测量，也得到了同样的变化规律，即随着密实度的增加，电阻率呈减小趋势；汪魁[30]在对不同击实次数的土石混合体试件进行电阻率测量同样得到上述两者相同的结果。因此，密实度越高，其相应土石混合体电阻率就越低，只是不同含水量下降幅度有所差异，而随着击实次数的进一步增加，电阻率逐渐保持稳定，其值不会有较大变化，如图7。

图7 不同含水量下击实次数与电阻率的关系曲线(土石比6∶4)Fig. 7 Relationship curve between compaction times and electrical resistivity under different water content (soil-rock ratio is 6∶4)

针对密实度对电阻率的影响规律，主要原因可以总结为：

1)密实度的增加不仅导致土石混合体孔隙内部饱和度的提高，而且其内部颗粒表面之间会有更明显的“桥接”现象，粒间接触变大，也会使得存于孔隙内部的高阻性气体排出，降低了对电流的阻抗作用，因此其电阻率逐渐降低。

2)当密实度增加到一定程度时，此时土石混合体已趋于饱和，其内部结构遭到一定的破坏，且导电电流路径极大减小，因此此时土石混合体导电性不再随密实度的增加而改变。

3.3 土石比对土石混合体电阻率特性的影响

土石比不仅影响土石混合体的强度特性，而且对其他属性(如渗透特性、电阻率特性)都会产生影响，而其对电阻率特性的影响也得到了研究人员的关注。赵明阶等[24]对不同含水量下土石混合体击实试件进行了研究，认为土石比与电阻率的关系比较复杂，当含水量为5%时，电阻率随含石量的增大而增大，当含水量为20%时，电阻率随含石量的变化只产生小幅波动；汪魁等[28]提出了土石混合体电阻率结构模型，从理论上分析了土石比对电阻率的影响，得到了相同的结论，其中当含水量增加到一定阶段后，含石量的增加反而导致电阻率值轻微下降；王日升等[27]在对不同土石比试件饱水过程电阻率进行测量时，同样发现含石量越高，其电阻率越大；李居铜等[29]认为在相同条件下，随着土石比的增大，土石混合体的初始电阻率减小。

因此，总的来说，含石量的增大会导致土石混合体电阻率的升高，如图8。类似变化趋势在低含水量条件下更为明显，即含水量的升高将会在一定程度上削弱土石比对整体电阻率的影响，由此也能看出电阻率的大小仍主要取决于土石混合体的含水量。

图8 不同击实次数下含石量与电阻率的关系曲线(含水量5%)Fig. 8 Relationship curve between rock content and electrical resistivity under different compaction times (water content is 5%)

针对含石量对电阻率的影响规律，主要原因可以总结为：

1)块石含量较小时，即土石混合体内细颗粒土体较多。相较于岩石等粗颗粒，土颗粒细小，比表面积大，颗粒表面吸附的大量阳离子与颗粒周围溶液中的离子形成了“双电层”，这对土石混合体导电具有很好的促进作用，此时导电性能较好，电阻率小。

2)块石含量较大时，此时土石混合体内细颗粒土体较少。岩石本身具有极高的电阻(图4)，它的导电性能很差，岩石主要是通过其孔隙内的液体和颗粒边界进行导电，因此当含石量较高时，整体电阻率呈上升趋势。

3.4 孔隙率对土石混合体电阻率特性的影响

孔隙率，也用孔隙比表示，其对电阻率的影响较含水量、密实度、土石比都要小得多，不常作为单独影响因素进行讨论。汪魁等[28]在土石混合体电阻率结构模型的基础上，固定土石比与含水量，研究了孔隙率对土石混合体电阻率特性的影响，得出结论：孔隙率越大，电阻率越高；汪魁[30]通过室内土石混合体物理模型试验，讨论了孔隙率对电阻率的影响规律，同样发现孔隙率的增大会使得其电阻率升高，如图9。

图9 不同含水量下孔隙率与电阻率的关系曲线(土石比6∶4)Fig. 9 Relationship curve between porosity and electrical resistivity under different water content (soil-rock ratio is 6∶4)

究其原因，孔隙率的减小降低了土石混合体内部液体附存的空间，但此时饱和度却得到了相应的增加，因此电阻率反而会降低。当孔隙率增大，含水量为定值时，饱和度随之降低，高阻气体占据一部分孔隙空间，两者共同增加了对电流的阻抗作用。

4 结 论

1)复杂的地质成因对土石混合体的物质组成、岩性差异、空间分布有着重要的影响。土石混合体的形成既包括其物质来源，也包括其堆积形成过程。笔者主要从土石混合体物质来源的角度对其地质成因进行概述，将其成因主要分为风化作用、冻融作用、冲刷作用、岩溶作用4种。

2)土石混合体的电阻率不仅与其所处的环境属性有关，也与其土石颗粒自身的导电性能相关，更与其土石颗粒排列方式及土石占比相关。“土”、“石”在土石混合体介质内部具有复杂的排列方式，在电阻率理论研究中多将其简化为串-并联结构。

3)影响土石混合体电阻率特性因素众多且影响程度不一，主要有含水量、密实度、土石比、孔隙率等，部分学者通过室内物理模型试件与理论模型推导分别对其影响因素展开了研究，得到了一定的研究成果且效果较好。但目前多是进行其电阻率的静态测量，并未结合常规土工测试试验仪进行电阻率的动态测量。土石混合体电阻率的测量多脱离于其原本所处的有压环境，这与其所处的实际地质环境存在一定差异，而数值试验可以较好地解决这一不足。因此，未来的研究重点应更多的集中在电阻率的动态测量，如三轴试验、现场原位试验，以期建立电阻率与力学参数之间的关系，更应以数值试验为研究手段，从细观角度对土石混合体的电阻率特性进行研究。

4)土石混合体具有典型的尺寸效应，但目前对其电阻率特性的研究并未考虑到尺寸效应的影响，研究对象多为一定尺寸的模型试件，研究尺度较小，因此，考虑尺寸效应在未来土石混合体相关特性的研究中应成为一种趋势。