礫石地層凍土熱物理特性研究

李思齊，楊 平，趙方舟

(南京林業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院，江蘇 南京 210037)

人工凍結(jié)法作為一種常用的土體加固方法，廣泛應(yīng)用于富含水砂層止水加固。應(yīng)用人工凍結(jié)法對礫石地層進(jìn)行加固，可有效止水和提高地層強(qiáng)度。國內(nèi)關(guān)于凍土物理力學(xué)特性的研究已經(jīng)十分豐富。邴慧等[1]研究了不同含鹽量和含水量對凍結(jié)溫度的影響，發(fā)現(xiàn)凍結(jié)溫度隨含鹽量增大而降低，隨含水量增大而升高。張婷等[2]探討了不同因素對淺表土凍結(jié)溫度和導(dǎo)熱系數(shù)的影響，發(fā)現(xiàn)土質(zhì)、干密度和含水率為影響土凍結(jié)溫度和導(dǎo)熱系數(shù)的主要因素。楊國清等[3]研究了海相人工凍土熱物理特性，分析了凍融對海相凍土的影響。王許諾等[4]對水泥土凍結(jié)溫度及熱物理參數(shù)進(jìn)行試驗(yàn)研究，總結(jié)了凍結(jié)水泥土凍結(jié)溫度、導(dǎo)熱系數(shù)與水泥摻入比的關(guān)系。姚兆明[5]采用BP算法和遺傳算法對凍結(jié)溫度場進(jìn)行研究，得出導(dǎo)熱系數(shù)對溫度場影響的敏感性。阮傳俠等[6]分析了天津地區(qū)各土層熱物理特性，總結(jié)出不同區(qū)域土層熱物理特性的變化規(guī)律。周家作等[7]對土凍結(jié)溫度與過冷溫度進(jìn)行了研究，總結(jié)了含水率和土中NaCl含量對凍結(jié)溫度與最低過冷溫度的影響規(guī)律。吳鎮(zhèn)等[8]對哈齊客運(yùn)專線細(xì)圓礫土進(jìn)行了凍結(jié)溫度測試分析，分析得出細(xì)圓礫土導(dǎo)熱系數(shù)隨細(xì)顆粒含量的變化規(guī)律。

綜上，有關(guān)人工凍土熱物理特性研究已十分豐富，但主要是對細(xì)顆粒土的研究，有關(guān)粗礫石等粗顆粒土熱物理力學(xué)特性研究尚未開展。本文通過自行研制礫石凍土模具與改進(jìn)的試驗(yàn)方法,進(jìn)行礫石地層凍土熱物理試驗(yàn)，研究其熱物理參數(shù)，并與常規(guī)土的相應(yīng)參數(shù)進(jìn)行對比，為工程應(yīng)用提供依據(jù)

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)土樣取自某建筑工地，取料深度為3.00～6.00 m，為天然流水沖刷形成的礫石，礫石表面光滑，磨圓度好，最大粒徑20 mm。同時(shí)加入粗砂，模擬真實(shí)地層中礫石的級配，具體級配見圖1。該級配下礫石土的不均勻系數(shù)和曲率系數(shù)分別為5.42和1.48，滿足礫類土級配良好的要求。本文同時(shí)選用蘇州軌道交通三號線地層中黏土、粉土、粉砂和淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土進(jìn)行實(shí)驗(yàn)分析，并與礫石土的性質(zhì)進(jìn)行比較，具體土樣參數(shù)見表1。

1.2 試驗(yàn)設(shè)備

凍結(jié)溫度試驗(yàn)采用自行設(shè)計(jì)的裝置進(jìn)行，滿足國家標(biāo)準(zhǔn) GB/T 50123—1999《土工試驗(yàn)方標(biāo)準(zhǔn)》[9]。裝置由恒溫水浴槽、電腦、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)等組成。恒溫水浴槽采用高低溫恒溫液浴循環(huán)兩用槽 XT5218-B8；常規(guī)細(xì)粒土采用Φ35 mm×50 mm試驗(yàn)杯，而礫石土采用試驗(yàn)杯為導(dǎo)熱性較好的內(nèi)徑110 mm、壁厚2 mm的鋁制金屬杯，帶杯蓋；數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)為DataTaker采集器。試驗(yàn)采用熱電偶測溫法，以電勢測量為基礎(chǔ)，通過數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集整個(gè)試驗(yàn)過程中的熱電偶及溫度信號，以獲得土體降溫的溫度-時(shí)間(C-T)關(guān)系曲線和土體凍結(jié)溫度值。凍結(jié)溫度試驗(yàn)裝置原理如圖2所示。

圖1 實(shí)驗(yàn)用礫石土的級配曲線Fig.1 Grading curve of the shingle soil

土質(zhì)含水量/%密度/(g·cm-3)干密度/(g·cm-3)孔隙比塑性指數(shù)液性指數(shù)礫石土27.41.682.140.824黏土23.91.601.980.82113.80.71粉土35.21.371.860.8298.331.35粉砂24.81.571.960.787淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土33.61.401.940.86212.40.99

圖2 凍結(jié)溫度試驗(yàn)裝置及原理圖Fig.2 Text device of the freezing temperature

導(dǎo)熱系數(shù)和容積熱容量測定采用歐洲產(chǎn)ISOMET熱特性分析儀。該儀器可應(yīng)用動(dòng)態(tài)測量方法，從而降低了導(dǎo)熱系數(shù)的測量時(shí)間，只需10～15 min，根據(jù)材料中的溫度變化，利用探頭給土樣升溫，然后周期性測量土樣熱量的變化，計(jì)算出熱傳導(dǎo)率。前期曾預(yù)先采用針式探頭進(jìn)行導(dǎo)熱系數(shù)和容積熱容量測定，試驗(yàn)結(jié)果顯示，兩種狀態(tài)下礫石土導(dǎo)熱系數(shù)與水和冰導(dǎo)熱系數(shù)幾乎一致。分析認(rèn)為，這是由于礫石土試樣顆粒較大，采用針式探頭無法確保探頭和土體充分接觸，探頭完全浸沒于水中，不能真實(shí)反映礫石土熱物理特性，故采用平板探頭。平板探頭接觸面積大，且可通過自重平整試樣，使探頭和試樣充分接觸。試驗(yàn)中先預(yù)平整試樣表面，后將探頭置于試樣表面，并使水稍稍沒過探頭底部。

1.3 試驗(yàn)方法

凍結(jié)溫度試驗(yàn), 將礫石土分層填入試驗(yàn)杯中，壓實(shí)并填滿試驗(yàn)杯，隨后加水至飽和，杯口加蓋，測針通過杯蓋開口插入礫石土試樣中心處。將試驗(yàn)杯放入已預(yù)填標(biāo)準(zhǔn)砂的塑料杯內(nèi)，并加標(biāo)準(zhǔn)砂至掩埋試驗(yàn)杯，然后將塑料杯放入水浴槽進(jìn)行試驗(yàn)。

導(dǎo)熱系數(shù)試驗(yàn)，用自制的半模中分層壓實(shí)，加水至飽和試樣，確保試樣表面盡可能平整，增大其與探頭接觸的面積。放入探頭靜置30 min后測量。進(jìn)行三個(gè)相同試樣的平行試驗(yàn)，首先在常溫時(shí)測定礫石土試樣的導(dǎo)熱系數(shù)，接著在-10 ℃的環(huán)境箱中凍結(jié)，恒溫24 h后再次測量。

2 凍結(jié)礫石土熱物理參數(shù)比較與特性分析

2.1 冰結(jié)溫度

土的凍結(jié)溫度一般指土體中水的凍結(jié)溫度，是判別土體是否處于凍結(jié)狀態(tài)的一個(gè)基本物理指標(biāo)，也是確定路基凍結(jié)深度和人工凍土凍結(jié)壁有效厚度的重要依據(jù)，在很大程度上影響凍土壁溫度分布狀況。因而，凍結(jié)溫度的研究對確定土的凍結(jié)深度和凍結(jié)壁設(shè)計(jì)具有重要意義。標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下純水的凍結(jié)溫度即冰點(diǎn)為0 ℃，而土質(zhì)的影響使得土的凍結(jié)溫度低于0 ℃[10]。土體凍結(jié)可分為以下幾個(gè)過程：Ⅰ過冷、Ⅱ跳躍、Ⅲ恒定。當(dāng)起始凍結(jié)溫度較高時(shí)，凍結(jié)過程中會出現(xiàn)過冷。從圖3可見，不同起始溫度的礫石土樣在凍結(jié)過程中溫度下降速率基本相同，達(dá)到過冷時(shí)的溫度也基本相同，且起始溫度越高，達(dá)到過冷所需時(shí)間越長。跳躍后溫度上升，穩(wěn)定時(shí)的溫度即為土樣凍結(jié)溫度，三個(gè)不同試樣的凍結(jié)溫度基本相同。

圖3 飽和礫石試樣凍結(jié)過程曲線Fig.3 Freezing process of the shingle soil

由圖4及表2可知：(1)不同類別土的凍結(jié)溫度存在差異，這是由凍土中礦物成分差異引起的，其中某些礦物遇水后發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，改變了其自身性質(zhì)，從而導(dǎo)致土中所含礦物濃度不同[11]。不同類別的土凍結(jié)過程中溫度隨時(shí)間變化曲線的趨勢基本相同。(2)由于水中礦物質(zhì)的作用，各種土凍結(jié)溫度均低于0 ℃。且凍結(jié)溫度從高到低依次為：礫石土>粉砂>淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土>粉土>黏土，即顆粒越粗凍結(jié)溫度越高。這是因?yàn)?，土體中的空隙水受土顆粒表面力場的約束，在土體凍結(jié)過程中空隙水必須克服這種表面力場作用才能形成冰骨架。土顆粒越小，其比表面積就越大，對水和礦物質(zhì)成分的吸附作用越強(qiáng)，土顆粒外部形成較厚的水化膜，從而土體中水分發(fā)生相變所需要的冷量較多，因此凍結(jié)溫度較低。

圖4 不同土類凍結(jié)過程曲線Fig.4 Freezing process of different soils

土類含水率/%干密度/(g·cm-3)密度/(g·cm-3)凍結(jié)溫度/ ℃礫石土27.41.682.14-0.21黏土23.91.601.98-0.50粉土35.21.371.86-0.44淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土33.61.401.94-0.36粉砂24.81.571.96-0.26

礫石土中土顆粒直徑與上述其他土體相比，有數(shù)量級上的差距，導(dǎo)致礫石土中水幾乎全為自由水。當(dāng)土體開始降溫時(shí)，因土中自由水比熱較大，降溫需要大量冷量，故與其他土凍結(jié)過程曲線相比，在過冷段維持時(shí)間較長，且過冷段結(jié)束時(shí)的溫度較低。過冷段溫度下探較深，積蓄的潛熱較多，當(dāng)土中水發(fā)生相變時(shí)，潛熱集中釋放，導(dǎo)致礫石土跳躍段上升速率大于其他土體，且上升溫度較大。當(dāng)土中自由水完全凍結(jié)后，土體基本處于凍結(jié)完成的狀態(tài)，所以礫石土的凍結(jié)溫度基本不受顆粒表面力場的約束，近似于含少量礦物質(zhì)水的凍結(jié)溫度。

2.2 容積熱容量

容積熱容量和導(dǎo)熱系數(shù)分別反映了土體的蓄熱能力和導(dǎo)熱能力，是土的重要熱交換系數(shù)，也是巖土工程溫度場分析及建筑熱工計(jì)算中的重要參數(shù)。土容積熱容量和導(dǎo)熱系數(shù)的確定，對全面了解凍土的凍融作用具有重要意義，并可以為人工凍結(jié)法溫度場計(jì)算提供參數(shù)依據(jù)。通過試驗(yàn)，得到礫石土在常溫和凍結(jié)情況下的容積熱容量和導(dǎo)熱系數(shù)，并與其它常見土進(jìn)行對比，結(jié)果如表3。

表3 不同土類容積熱容量及導(dǎo)熱系數(shù)結(jié)果

容積熱容量為單位體積的土體溫度改變1 ℃所需要的熱量，是表示土體蓄熱能力的指標(biāo)。由表3可知：

(1)不同土體的容積熱容量差距不大，這是因?yàn)橥馏w的容積熱容量具有按各物質(zhì)成分的質(zhì)量加權(quán)平均的性質(zhì)。在含水量差距不大時(shí)，不同土體雖然顆粒粒徑差距較大，但組成顆粒的礦物成分基本相同，因此容積熱容量也相近；

(2)不同土體凍結(jié)狀態(tài)的容積熱容量均小于常溫狀態(tài)的，這是因?yàn)楸娜莘e熱容量比水?。?/p>

(3)常溫和凍結(jié)狀態(tài)下不同土體的容積熱容量比值均在1.2左右，但有隨顆粒粒徑變小而增大的趨勢，其中礫石土的比值最小，僅為1.19。因?yàn)樗捅膬崮芰h(yuǎn)大于土骨架，主導(dǎo)土體容積熱容量。土體顆粒粒徑較小時(shí)，土顆粒比表面積較大，從常溫到低溫，土中結(jié)合水凍結(jié)析出，從而容積熱容量變化較大。

試驗(yàn)表明，凍土的容積熱容量可以按各物質(zhì)成分的含量進(jìn)行加權(quán)計(jì)算[12]，即:

(1)

式中：Cdf、Csf、Ci、Cw——凍土、土骨架、冰和水的容積熱容量/(106J·(m3·K)-1)；

W、Wu——總含水量和未凍結(jié)水含量。

表4 不同凍結(jié)土類容積熱容量理論值與試驗(yàn)值比較

由表4可知：(1)除淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土外，不同土類容積熱容量的試驗(yàn)值和理論值誤差均在10%以內(nèi)，說明式(1)基本符合土的容積熱容量變化規(guī)律。(2)土顆粒越大，誤差越小，其中礫石土的誤差僅為5.71%，可直接用于實(shí)際工程礫石地層容積熱容量估計(jì)。這是因?yàn)榈[石土顆粒粒徑較大，其土骨架容積熱容量的離散程度較小，土體成分確定較為明確，因此計(jì)算值與實(shí)測值誤差最小。

2.3 導(dǎo)熱系數(shù)

土的導(dǎo)熱系數(shù)是干密度、含水(冰)量和溫度的函數(shù)，并與土的礦物成分和結(jié)構(gòu)有關(guān)。由表3可知：

(1)常溫下不同土質(zhì)導(dǎo)熱系數(shù)相差較大，礫石土>粉砂>淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土>粉土>黏土；礫石土的導(dǎo)熱系數(shù)值最大，這是由于粗顆粒土總孔隙度小于細(xì)顆粒土，礫石的粗顆粒較多，土顆粒之間接觸更好，而空氣和水的導(dǎo)熱系數(shù)遠(yuǎn)小于固體顆粒(空氣和水的導(dǎo)熱系數(shù)分別為0.024 W/(m·k)、0.465～0.582 W/(m·k)，構(gòu)成土顆粒的一般礦物導(dǎo)熱系數(shù)為1.256～7.536 W/(m·k)[12]，所以粗顆粒含量較多的凍結(jié)礫石土導(dǎo)熱系數(shù)最大。

(2)不論哪種土質(zhì)，凍土的導(dǎo)熱系數(shù)均大于常溫土，且顆粒粒徑越大差異性越大，細(xì)顆粒時(shí)兩者比值為1.2～1.3，而凍結(jié)礫石土的導(dǎo)熱系數(shù)是常溫的1.65倍。這是因?yàn)楸膶?dǎo)熱系數(shù)大約為水的4倍，相對于常溫土，凍土中冰對導(dǎo)熱系數(shù)起主導(dǎo)作用，因此凍土的導(dǎo)熱系數(shù)普遍大于常溫土。同時(shí)，總孔隙率較小的粗粒土，在凍結(jié)后，密實(shí)度進(jìn)一步變大，且幅度大于細(xì)粒土，提高了熱傳導(dǎo)效率，所以顆粒越粗，凍結(jié)與融化兩種狀態(tài)下導(dǎo)熱系數(shù)的差距越大。

(3)顆粒粒徑對導(dǎo)熱系數(shù)提高的影響隨顆粒粒徑變大而減弱。粉砂和粉土顆粒粒徑平均為0.075 mm(通過粒徑0.075 mm粒組含量區(qū)分兩種土質(zhì))，兩種土體導(dǎo)熱系數(shù)差距為16.5%，而從粉砂到礫石土(粒徑范圍20～60 mm)，導(dǎo)熱系數(shù)僅增長12.7%。原因是當(dāng)土體顆粒粒徑較大且級配良好時(shí)，細(xì)顆粒填充空隙，熱量主要通過細(xì)顆粒傳遞，顆粒粒徑對導(dǎo)熱系數(shù)增長的影響減緩。

表5 不同凍結(jié)土類導(dǎo)熱系數(shù)理論值與試驗(yàn)值比較

凍土的導(dǎo)熱系數(shù)可根據(jù)各組成物質(zhì)的導(dǎo)熱系數(shù)及其相應(yīng)的體積比，按下式計(jì)算[12]：

(2)

式中：λs、λw、λi——礦物成分、水、冰的導(dǎo)熱系數(shù)/(W·(m·k)-1)；

Φ1、Φ2、Φ3——礦物成分、水、冰在凍土中所占體積比。

由表5可知：(1)各種土導(dǎo)熱系數(shù)實(shí)測值和理論值較為接近，說明式(2)基本符合土導(dǎo)熱系數(shù)變化規(guī)律；(2)隨顆粒粒徑增大，導(dǎo)熱系數(shù)實(shí)測值和理論值誤差減小，且礫石土誤差僅為5.76%，可用于礫石土導(dǎo)熱系數(shù)的初步估計(jì)。

3 結(jié)論

(1)針式探頭接觸面積較小，不適用于顆粒粒徑較大的礫石土熱物理參數(shù)測定，礫石土熱物理參數(shù)應(yīng)采用平板探頭測定。

(2)礫石土的凍結(jié)溫度為-0.21 ℃，高于其他典型土，接近水的凍結(jié)溫度，但其凍結(jié)過程曲線趨勢與典型土一致。凍結(jié)過程可分為過冷、跳躍和恒定三個(gè)階段；礫石土凍結(jié)過程中過冷段達(dá)到的溫度較低，恒定期較長。

(3)常溫和凍結(jié)兩種狀態(tài)下，不同顆粒粒徑的土體容積熱容量相近，且隨顆粒粒徑變小兩種狀態(tài)容積熱容量比值增大，礫石土比值最小，為1.19。礫石土容積熱容量較小，常溫和凍結(jié)狀態(tài)下分別為2.08×106J/(m3·K)和1.75×106J/(m3·K)，實(shí)際工程中可通過公式計(jì)算凍結(jié)礫石土容積熱容量，用于初步分析。

(4)兩種溫度條件下，礫石土導(dǎo)熱系數(shù)符合顆粒粒徑對導(dǎo)熱系數(shù)影響的一般規(guī)律，較大的顆粒粒徑導(dǎo)致其導(dǎo)熱系數(shù)明顯大于其他典型土體，常溫和凍結(jié)狀態(tài)下導(dǎo)熱系數(shù)分別為2.36 W/(m·k)和3.89 W/(m·k)，凍結(jié)礫石土導(dǎo)熱系數(shù)是常溫的1.65倍。