土樣類型對非飽和土壤熱濕遷移的影響研究

林毓旗，晉 華，鄧宏凱

(太原理工大學 水利科學與工程學院，太原 030024)

0 引 言

近年來，隨著地熱能開發(fā)利用、熱力管道埋設以及核廢料深埋等領域的興起與發(fā)展，工程實際中遇到的非飽和土壤熱濕遷移問題越來越多，該問題也成為學界關注和研究的熱點。1995年虞維平等學者通過實驗研究了太陽輻照度對非飽和砂土內部熱濕遷移的影響[1]。1999年陳振乾等人通過實驗對不同大氣對流速度條件下砂土內溫度、含水率分布的變化規(guī)律展開了研究，建立了結構內瞬態(tài)熱濕耦合傳遞實驗方法[2]，以上研究均基于實驗結果探討外部環(huán)境因素對土壤熱濕遷移所造成的影響。 2000年以后，眾多學者對土壤系統(tǒng)內部熱濕遷移機理開始探索。2007年張玲基于土柱熱濕傳遞實驗研究了土壤中溫度變化對其水分遷移的影響，發(fā)現土壤中熱量傳遞十分緩慢，近加熱端溫度梯度大[3]。2010年楊震雷基于非飽和砂箱水汽運移實驗，初步探討了各種水汽運移機制對土壤水分變換的影響[4]。2014年鹿凱凱等人通過測試不同蓄熱溫度、不同初始含濕量下土壤熱濕遷移變化過程，得到熱濕遷移過程中溫度場和濕度場變化是同步進行、相互影響的結論[5]。同年劉松雨以一維土壤高溫蓄熱熱濕遷移實驗為基礎，分析了土壤溫度和含水率隨時間和空間的變化特性[6]。2015年陳紅兵、吳瑋等人通過一維土壤蓄熱實驗研究了砂土和壤土兩種土壤類型對土壤熱濕傳遞的影響差異，結果表明砂土比壤土蓄熱效果好、速度快[7, 8]。本文擬在前人研究基礎上將土樣類型增加至6種，通過實驗來尋求不同土樣類型在熱濕遷移的一些規(guī)律及特性。

1 實驗過程

1.1 實驗材料

實驗材料包括6種土樣類型，分別為：礫砂、粗砂、中砂、細砂、粉砂、黏土。對6種實驗土樣顆粒級配分別進行測試分析，可得到各土樣類型的級配參數，如表1所示。

1.2 實驗裝置

本實驗使用的實驗裝置為一維土柱實驗臺，如圖1所示。實驗臺主要包括以下部分：土柱裝置、TDR探頭、數據采集器、恒溫循環(huán)水箱、電腦等。土柱裝置采用的PVC管外徑110 mm、壁厚2.5 mm、長度1 000 mm，內部由銅板分割為加熱段與土樣段兩部分。側壁布設有7個TDR探頭測孔，按照距銅板距離的大小，由近到遠依次編號為：A、B、C、D、E、F、G，它們距銅板的距離依次為：30、80、180、280、430、580、780 mm。

1-加熱段；2-銅管；3-銅板；4-TDR探頭；5-TDR探頭測孔；6-土樣段；7-軟管圖1 實驗裝置示意圖(單位: mm)Fig.1 Schematic diagram of the experimental device

1.3 實驗工況

本次實驗6種土樣實驗工況見表2。擊實錘對土樣每一次作用的擊實功恒定為20 J。

1.4 實驗步驟

本實驗采用“少量配置分層裝填”的方式配制與裝填土樣，每次配制1 kg含水率為5%的土樣裝入土柱，用擊實錘以20 J

表2 實驗工況表Tab.2 The table of experimental condition

的擊實功擊實5次，然后進行下一次裝填，直至土柱裝滿，以保證土樣含水率與孔隙率的一致性。土柱裝填完畢后，將土柱水平放置，并將7個TDR探頭按編號依次垂直插入對應測孔，待恒溫循環(huán)水箱預熱到設定溫度30 ℃時，暫時關閉水箱電源開關。通過軟管將恒溫循環(huán)水箱的輸入、輸出口與土柱熱源段的輸入、輸出口連通，使二者形成整體閉合循環(huán)回路。實驗正式開始前，對土樣溫度、濕度數據進行預采集，以防止數據采集出現滯后現象。實驗持續(xù)24 h后，關閉循環(huán)水箱，導出實驗數據。

2 結果與分析

2.1 熱遷移變化規(guī)律

對同等條件下，礫砂、粗砂、中砂、細砂、粉砂、黏土6種土樣的溫度變化數據進行整理分析，得到A、B、C、D、E、F、G 7個測點的“溫度-時間”變化曲線，如圖2所示。

圖2 不同測試點“溫度-時間”變化曲線Fig.2 The curves of “temperature-time” at different test points

分析圖2可以得出以下結論：

(1)從曲線變化整體趨勢分析：①當測試點靠近熱源點時，土樣溫度隨時間變化的曲線為倒“L”型曲線。下面以測點A為例：在土柱加熱的前200 min，土體溫度急速上升；在200～600 min之間，溫度上升速率逐漸變緩；600 min之后，各土樣溫度均趨于穩(wěn)定。經觀察，其他近熱源點“溫度-時間”變化曲線也符合此趨勢，此處將近熱源點“溫度-時間”變化曲線分為“溫變劇烈期”、“溫升趨緩期”和“溫度平穩(wěn)期”3個階段。②當測試點遠離熱源時，6種類型的土樣“溫度-時間”變化曲線多呈“S”型曲線。以測點E的中砂的變化曲線為例：加熱初期，溫度基本保持初始溫度不變；在500～1 100 min，測點位置的土體溫度呈現急劇上升趨勢；1 100 min之后，測點溫度逐漸趨于穩(wěn)定。其他遠熱源點“溫度-時間”變化曲線大多符合此趨勢，因此將遠熱源點“溫度-時間”變化曲線分為“溫變前期”、“溫變劇烈期”和“溫度平穩(wěn)期”3個階段。

造成以上線形差異的原因如下：在近熱源點，初始溫度與熱源溫差高達9 ℃，較大的溫度梯度驅動熱量快速向遠離熱源方向傳導，導致土體有一個“快速升溫期”；在遠熱源點，熱量傳導、溫度升高需要一定時間，因此曲線前端的溫度變化有一定滯后性，另外，遠熱源監(jiān)測點的熱量直接來源靠前端土體提供，前端土體溫度升高是一個漸變的過程，因此，“溫變前期”溫度變化整體呈升高趨勢，但過渡平緩。

(2)不同土樣類型溫度變化曲線第一階段差異分析：①倒“L”型曲線：在“快速升溫期”以A、B測點曲線為例進行分析，不同土樣距離熱源越遠，溫度差異性越明顯。由B測點曲線可以明顯看出，同一時刻，粉砂、細砂和黏土的溫度整體高于其他土樣類型，其中中砂相較于其他土樣類型溫度最低。②“S”型曲線：對比C、D、E、F、G測點“溫度-時間”曲線的“溫變前期”段，6種土樣溫度高低排序依然為：粉砂、細砂和黏土最高，礫砂和粗砂次之，中砂溫度最低。

綜上所述，針對倒“L”型曲線的“快速升溫期”或“S”型曲線的“溫變前期”，含水率為5%的不同類型土樣熱遷移效果由高到低排序如下：粉砂、細砂和黏土熱遷移效果最佳，礫砂和粗砂次之，中砂最差。

(3)熱源影響半徑分析：熱源影響半徑為在土樣加熱過程中，受熱源影響較明顯或溫度變化較大的區(qū)域之邊界距熱源的距離。當某測點距熱源距離大于溫度影響半徑時，溫度受熱源影響極小，溫度變化范圍較小。以圖3的中砂為例，A、B、C、D測點(距熱源距離依次：30、80、180、280 mm)初始溫度與平穩(wěn)期溫度變化幅度明顯；E、F、G測點(距熱源距離依次：430、580、780 mm)溫度變化幅度較小，因此可認為該工況條件下中砂溫度影響半徑280 mm≤r≤430 mm。

(4)不同土樣類型達到“溫度平穩(wěn)期”消耗時長對比：①在溫度影響半徑以內，隨著土樣距熱源距離增加，達到溫度平穩(wěn)期所消耗時長逐漸增大。以中砂為例，A、B、C、D測點(距熱源距離依次：30、80、180、280 mm)位于溫度影響半徑之內，它們的

圖3 不同土樣類型“溫度-距離”散點圖Fig.3 The scatter plot of “temperature - distance” for different soil samples

溫變前期時間依次約為：10、30、120、180 min。溫變劇烈期時間依次約為：170、240、330、690 min。②距離熱源越近，不同土樣類型達到“溫度平穩(wěn)期”消耗時長差異越不明顯；距離熱源越遠，差異越顯著。以C測點為例，不同粒徑土壤達到“溫度平穩(wěn)期”消耗時間由短到長依次為：中砂、粗砂、礫砂、黏土、粉/細砂，G測點不同粒徑土壤達到“溫度平穩(wěn)期”消耗時間由短到長依次為：中砂、黏土、礫/粗砂、粉砂、細砂。結合其他測點結果可以得出：初始狀態(tài)相同的不同類型土樣在熱源作用下，中砂溫度可以最快達到穩(wěn)定狀態(tài)，細砂和粉砂耗時最長，黏土規(guī)律性不明顯。

加熱24 h后，土柱內各測點溫度基本趨于穩(wěn)定，結果如圖3。不同土樣類型的土柱內各測點溫度趨于穩(wěn)定后，大部分土樣類型的穩(wěn)定溫度相差不大，只有中砂在所有測點的穩(wěn)定溫度值均低于其他類型土樣，同時，距離熱源越遠，中砂與其他類型土樣穩(wěn)定溫度的差值逐漸變大。

對6種土樣類型的實測溫度值進行了冪函數y=axb趨勢線擬合，結果見圖4。由圖4可以看出：

圖4 不同土樣類型“溫度-距離”擬合曲線Fig.4 The fitting curves of “temperature-distance” for different soil samples

(1)加熱24 h后，隨著距熱源距離的增加，6種類型土樣溫度均呈現先減小，后逐漸趨于穩(wěn)定的趨勢。

(3)在土樣的初始溫度、初始含水率、擊實次數及熱源溫度相同條件下，隨土樣類型變化，對應的趨勢線公式y(tǒng)=axb中，參數a、b值的變化較大。礫砂、粗砂、細砂、中砂、細砂、粉砂、黏土所對應的a值依次為：30.651、30.764、30.482、29.977、30.695、29.560；對應的b值依次為：-0.046、-0.046、-0.052、-0.043、-0.045、-0.039。

(2)在不同土樣類型條件下，采用冪函數y=axb對加熱24 h后土樣的溫度值在不同的熱源距離下的分布點進行趨勢擬合，所得相關系數R2均大于0.99，擬合度較高。

2.2 水分遷移變化規(guī)律

以B為近熱源代表，以F為遠熱源代表，對6種類型土樣測試所得的含水率進行整理、分析，得到不同土樣類型在熱源作用下含水率隨時間的變化情況，見圖5、圖6。

由B測點和F測點的土樣在加熱過程中“時間-含水率”

圖5 B測點不同土樣類型“時間-含水率”變化曲線Fig.5 The curves of “time-temperature” for different soil samples at testing point B

圖6 F測點不同土樣類型“時間-含水率”變化曲線Fig.6 The curves of “time-temperature” for different soil samples at testing point F

變化曲線可知：6種測試土樣含水率隨時間的變化整體表現為振蕩曲線。以近熱源點的礫砂(測點B)為例進行說明：如圖6所示，在加熱過程的前900 min，礫砂含水率以較高頻率較大振幅在振蕩；900 min之后監(jiān)測點含水率基本保持穩(wěn)定。根據這個表現特征，本文將含水率變化曲線大致分為兩個時期：“含水率劇變期”、“含水率趨穩(wěn)期”。加熱初期，各測點含水率變化曲線振蕩頻率較高，振幅較大；隨加熱時間的延長，含水率變化曲線振蕩頻率逐漸降低，同時振幅也有所減弱。

2.3 熱遷移與水分遷移關系

在熱影響半徑內，土體中熱量的傳導與含水率的傳遞相互作用，互為驅動。越靠近熱源，溫度梯度越成為水分在土樣中運移的主要驅動力；越遠離熱源，濕度梯度越成為溫度傳導的主要驅動力。本文取礫砂監(jiān)測數據為代表進行研究，取B測點實驗值為近熱源點代表，結果見圖7：礫砂含水率由“劇變期”進入“趨穩(wěn)期”的時間突變點約在加熱600 min處，同理，礫砂溫度變化趨于平穩(wěn)的時間點約在500 min處，含水率變化相較于溫度變化滯后。以上結果說明靠近熱源，土樣溫度梯度驅動水分運移。取F監(jiān)測點作為遠熱源點代表，實驗結果見圖8：礫砂含水率由“劇變期”進入“趨穩(wěn)期”的時間突變點約在加熱400 min處，礫砂溫度變化趨于平穩(wěn)的時間點約在1 000 min處，含水率比溫度早進入“趨穩(wěn)期”，說明遠離熱源的監(jiān)測點，濕度梯度驅動溫度傳導。

圖7 B測點礫砂溫度與含水率隨時間變化曲線Fig.7 The curves of temperature and moisture with time for gravel sample at testing point B

圖8 F測點礫砂溫度與含水率隨時間變化曲線Fig.8 The curves of temperature and moisture with time for gravel sample at testing point F

3 結 語

(1)溫度變化曲線與含水率變化曲線均具有階段性：①靠近熱源點，6種土樣溫度隨時間變化的曲線均為倒“L”型曲線，根據溫度變化趨勢分為“溫變劇烈期”、“溫升趨緩期”、“溫度平穩(wěn)期”3個階段；遠離熱源時，溫度隨時間變化的曲線多呈“S”型曲線，根據溫度變化趨勢分為“溫變前期”、“溫變劇烈期”、“溫度平穩(wěn)期”3個階段。②含水率變化曲線整體上呈振蕩趨勢，根據曲線的振幅和振蕩頻率大致可以分為“含水率劇變期”與“含水率趨穩(wěn)期”2個階段。

(2)不同土樣類型熱遷移過程具有差異性：初始含水率均為5%的6種土樣導熱性能由高到低排序如下：粉砂、細砂和黏土熱遷移效果最佳，礫砂和粗砂次之，中砂熱遷移效果最差。在熱源作用下，6種土樣類型里中砂溫度達到穩(wěn)定狀態(tài)耗時最短，細砂和粉砂則耗時最長。土柱內各測點溫度趨于穩(wěn)定后，大部分土樣類型的穩(wěn)定溫度相差不大，只有中砂在所有測點的穩(wěn)定溫度值均低于其他類型土樣，且距離熱源越遠差值越大。

(3)采用冪函數y=axb擬合6種土樣在不同的熱源距離下的溫度變化，相關系數R2均大于0.99，擬合度較高。隨土樣類型變化，參數a、b值的變化較大，礫砂、粗砂、細砂、中砂、細砂、粉砂、黏土所對應的a值依次為：30.651、30.764、30.482、29.977、30.695、29.560；對應的b值依次為：-0.046、-0.046、-0.052、-0.043、-0.045、-0.039。

(4)在熱影響半徑內，土體中熱量的傳導與含水率的傳遞相互作用，互為驅動。越靠近熱源，溫度梯度越成為水分在土樣中運移的主要驅動力；越遠離熱源，濕度梯度越成為溫度傳導的主要驅動力。在近熱源點，含水率變化相較于溫度變化滯后，說明靠近熱源，土樣溫度梯度對水分運移驅動作用明顯；在遠熱源點，含水率比溫度早進入“趨穩(wěn)期”，說明遠離熱源，濕度梯度對溫度傳導驅動作用顯著。

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