壓實(shí)填土的熱傳導(dǎo)系數(shù)與密實(shí)度相關(guān)性研究

孫冬蒲 黃鳳青 龍 平 楊旭湟

(西北民族大學(xué)土木工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730124)

1 概述

壓實(shí)填土密實(shí)度檢測(cè)在眾多領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，在當(dāng)今世界的建設(shè)和發(fā)展中發(fā)揮著獨(dú)特的作用。壓實(shí)填土應(yīng)用比較多的工程建設(shè)領(lǐng)域有：地基、道路、人工堤壩等，這些項(xiàng)目的建設(shè)都離不開(kāi)壓實(shí)填土檢測(cè)技術(shù)，目前傳統(tǒng)檢測(cè)方法所需時(shí)間較長(zhǎng)，現(xiàn)場(chǎng)灌砂灌水法密實(shí)度檢測(cè)的開(kāi)挖范圍相對(duì)較大，檢測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性受人為因素影響明顯，同時(shí)壓實(shí)填土施工檢測(cè)點(diǎn)數(shù)量大、頻次高，能否高效快速準(zhǔn)確地檢測(cè)壓實(shí)質(zhì)量是制約工程進(jìn)度的重要因素。

目前對(duì)壓實(shí)填土密實(shí)度檢測(cè)的方法可以分為介入性檢測(cè)和無(wú)損檢測(cè)兩種。介入檢測(cè)是傳統(tǒng)檢測(cè)方法，此類(lèi)方法雖簡(jiǎn)單，但是耗時(shí)長(zhǎng)，烘箱里烘干至少8 h，同時(shí)灌砂灌水法會(huì)對(duì)被測(cè)體產(chǎn)生破壞性的影響，結(jié)果受人為因素影響較大。為彌補(bǔ)傳統(tǒng)檢測(cè)方法的不足，研究出無(wú)損檢測(cè)方法，該方法因其能夠減少對(duì)工程和環(huán)境的破壞，獲得了廣泛關(guān)注。目前研究人員正在研究一些新型檢測(cè)方法，如核子密度儀檢測(cè)法、無(wú)核密度儀檢測(cè)法等，其中核子密度儀檢測(cè)法在國(guó)際中廣泛應(yīng)用。但是，略有操作不當(dāng)便會(huì)對(duì)檢測(cè)人員造成危害，仍需要研究更便捷、準(zhǔn)確和安全的檢測(cè)方法。

2 實(shí)驗(yàn)原理

文中分別對(duì)含水率、擊實(shí)能進(jìn)行研究，其目的都是為了研究單因素——密實(shí)度對(duì)導(dǎo)熱系數(shù)的影響。實(shí)驗(yàn)將烘干的土樣制備成不同含水率、相同擊實(shí)能；不同擊實(shí)能、相同含水率的回填土樣。將制備完成的回填土樣放入實(shí)驗(yàn)室靜置2 h，與室內(nèi)同溫，測(cè)定導(dǎo)熱系數(shù)與孔隙率，得到密實(shí)度與導(dǎo)熱系數(shù)的函數(shù)關(guān)系。測(cè)定完成后，用環(huán)刀取試樣中心土樣，用保鮮膜密封，靜置2 h，等待用Hot disk TPS2500S進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

3 儀器選擇

KD2 Pro使用3種熱特性傳感器，測(cè)量熱擴(kuò)散率、比熱、導(dǎo)熱率和熱阻率。KD2 Pro使用線(xiàn)性熱源方法進(jìn)行測(cè)量，通過(guò)監(jiān)測(cè)樣品中給定某一電壓的線(xiàn)性探針的熱耗散和溫度，計(jì)算物質(zhì)的熱特性。一個(gè)測(cè)量周期包括：30 s平衡、30 s加熱和30 s冷卻時(shí)間，在加熱和冷卻期間以1 s為間隔進(jìn)行溫度測(cè)量，然后用指數(shù)積分函數(shù)擬合。

KD2 Pro有三種類(lèi)型的傳感器，分別為KS-1 6 cm，TR-1 10 cm和SH-1 30 mm,由于TR-1 10 cm長(zhǎng)針主要用于測(cè)量堅(jiān)硬樣本的熱傳導(dǎo)率和熱阻，回填土體屬于堅(jiān)硬樣本，因此選用TR-1 10 cm長(zhǎng)針進(jìn)行測(cè)量。

4 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)過(guò)程

4.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

分別采用粉土為回填材料，基于控制變量的思想，在不同含水率、相同擊實(shí)能；最優(yōu)含水率、不同擊實(shí)能的條件下，將回填材料擊實(shí)制成回填土土樣。利用熱線(xiàn)法針式瞬態(tài)熱傳導(dǎo)系數(shù)測(cè)試儀快速測(cè)得非飽和試樣熱傳導(dǎo)系數(shù)，再分析數(shù)據(jù)繪制曲線(xiàn)找到兩者的關(guān)系。

4.2 實(shí)驗(yàn)過(guò)程

4.2.1 相同擊實(shí)能，不同含水率實(shí)驗(yàn)過(guò)程

1)土樣的制備。試樣土選用甘肅地區(qū)有代表性的粉土，用四分點(diǎn)法取出代表性土樣，用烘箱烘干、搗碎，并用5 mm孔徑的篩子篩分，均勻加水制成含水率分別為12%，14%，16%，18%，20%回填土樣5份，靜置12 h以上。

2)試樣的制備。a.取標(biāo)準(zhǔn)輕型標(biāo)準(zhǔn)擊實(shí)儀置于剛性基礎(chǔ)上，安裝各部件，檢查儀器各部件以及配套設(shè)備性能是否正常，并做好記錄；b.從制備好的土樣中稱(chēng)取一定量的土料，分三層倒入擊實(shí)筒中并將土面平整，分層擊實(shí)，每層擊實(shí)25次；c.重復(fù)以上過(guò)程，直至5份回填土試樣制備完畢；d.放入實(shí)驗(yàn)室靜置2 h以上，使待測(cè)試樣與室內(nèi)同溫，等待測(cè)試。

3)導(dǎo)熱系數(shù)的測(cè)定。取出土樣，使用KD2 Pro針式熱傳導(dǎo)系數(shù)儀TR-10 cm長(zhǎng)針型傳感器測(cè)量(見(jiàn)圖1)；要求傳感器應(yīng)完全插入被測(cè)介質(zhì)中，且保證傳感器周?chē)我夥较蛏隙加泻襁_(dá)1.5 cm以上的測(cè)量介質(zhì)。

4)最優(yōu)含水率的測(cè)定。測(cè)完導(dǎo)熱系數(shù)之后，從試樣中心處取兩份土料，為30 g。平行測(cè)定含水率，分析數(shù)據(jù)找到此粉土最優(yōu)含水率。

4.2.2 最優(yōu)含水率，不同擊實(shí)能實(shí)驗(yàn)過(guò)程

1)土樣的制備。試樣土選用甘肅地區(qū)有代表性的粉土，用四分點(diǎn)法取出代表性土樣，用烘箱烘干，搗碎，并用5 mm孔徑的篩子篩分，均勻加水制成最優(yōu)含水率擊實(shí)能分別為5，10，15，20，25回填土樣5份，靜置12 h以上。

2)試樣的制備同上4.2.1中2)。

3)導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)定同上4.2.1中3)。

4.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

在不同含水率、相同擊實(shí)能條件下，回填土導(dǎo)熱系數(shù)與壓實(shí)系數(shù)的關(guān)系曲線(xiàn)如圖2所示，其中ω(H2O)分別為12%，14%，16%，18%，20%時(shí)，數(shù)據(jù)測(cè)定表見(jiàn)表1。圖2顯示當(dāng)導(dǎo)熱系數(shù)η>0.58時(shí)，隨導(dǎo)熱系數(shù)的增加，回填粉土的壓實(shí)系數(shù)提高，當(dāng)導(dǎo)熱系數(shù)η<0.58時(shí)，土壤的壓實(shí)系數(shù)K隨導(dǎo)熱系數(shù)η的增大而減小。此結(jié)果表明壓實(shí)系數(shù)與含水率有關(guān)，因此可以利用此經(jīng)驗(yàn)公式檢驗(yàn)工程中的回填土是否為最優(yōu)含水率。

表1 不同含水率下的數(shù)據(jù)測(cè)定

K=0.048 2η2-0.058 4η+0.093 49；

R2=0.556 5。

在不同擊實(shí)能、最優(yōu)含水率條件下，回填土導(dǎo)熱系數(shù)與壓實(shí)系數(shù)的關(guān)系曲線(xiàn)如圖3所示，其中擊實(shí)能分別為5，10，15，20，25時(shí)，數(shù)據(jù)測(cè)定表見(jiàn)表2。圖3顯示，當(dāng)導(dǎo)熱系數(shù)η<1.599時(shí)，土壤的壓實(shí)系數(shù)K隨導(dǎo)熱系數(shù)η的增大而減??；當(dāng)導(dǎo)熱系數(shù)η>1.599時(shí),土壤的壓實(shí)系數(shù)K隨導(dǎo)熱系數(shù)η的增大而增大。當(dāng)密實(shí)度達(dá)到某一值時(shí)，繼續(xù)增大擊實(shí)能會(huì)出現(xiàn)壓實(shí)系數(shù)為常數(shù)的情況，這是因?yàn)楫?dāng)回填土達(dá)到某一密實(shí)度時(shí)，回填土內(nèi)孔隙率極低，回填土質(zhì)量好。此結(jié)果表明壓實(shí)系數(shù)與孔隙比有關(guān)，當(dāng)回填土為最優(yōu)含水率時(shí)，密實(shí)度的質(zhì)量決定了回填土工程的質(zhì)量，因此利用此公式可以檢驗(yàn)回填土的壓實(shí)質(zhì)量。

表2 不同擊實(shí)能下數(shù)據(jù)的測(cè)定

K=1.585 2η2-5.070 3η+4.994 5；R2=0.820 3。

5 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

1)實(shí)驗(yàn)原理。為了確保實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)確可靠性，將利用Hot disk TPS2500S儀器進(jìn)行對(duì)比分析驗(yàn)證，如圖4所示。由于Hot disk TPS2500S儀器具有更高的精度，因此利用此儀器進(jìn)行準(zhǔn)確度驗(yàn)證，更能證明實(shí)驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性以及可操作性。將KD2 Pro測(cè)量完成的試件，切入環(huán)刀，為減少水分的流失，用塑料薄膜將環(huán)刀土樣密封，然后放入實(shí)驗(yàn)室靜置2 h，等待測(cè)量。

2)結(jié)果分析。由圖5可知，兩種儀器之間具有函數(shù)關(guān)系，可以進(jìn)行數(shù)據(jù)之間的相互驗(yàn)證。由圖6可知，Hot disk TPS2500S儀器所測(cè)得的熱傳導(dǎo)系數(shù)與密實(shí)度的關(guān)系仍為二項(xiàng)式次關(guān)系，則可知實(shí)驗(yàn)結(jié)果準(zhǔn)確可靠。

6 實(shí)驗(yàn)結(jié)果的解釋

在不同含水率條件下，由于干燥狀態(tài)下顆粒間的熱傳導(dǎo)的主要途徑局限于顆粒接觸點(diǎn)，熱傳導(dǎo)系數(shù)越小，證明顆粒間的空隙越大。如果在顆粒周?chē)黾铀?，就?huì)在土顆粒表面形成薄膜，迅速增加顆粒的接觸面，使熱傳導(dǎo)系數(shù)顯著增加，直至顆粒間的有效接觸面積達(dá)到最大，回填土密實(shí)度相應(yīng)增加到最大值，繼續(xù)增加水分，顆粒間的有效面積雖然會(huì)繼續(xù)增加，但同時(shí)空隙內(nèi)的水分也會(huì)增加，使顆粒間有效面積增加不明顯，顆粒間的空隙變大，導(dǎo)熱系數(shù)增加變緩甚至下降，密實(shí)度隨導(dǎo)熱系數(shù)的緩慢增加而下降。

在不同擊實(shí)能條件下，由于土顆粒間的空隙越大，密實(shí)度越小，因此擊實(shí)能越小，空隙間的顆粒接觸點(diǎn)少，熱傳導(dǎo)系數(shù)和密實(shí)度也越小，隨著擊實(shí)能的增加，顆粒間有效接觸面積增大，密實(shí)度隨導(dǎo)熱系數(shù)的增加而增加，直至達(dá)到最大值。密實(shí)度達(dá)到峰值以后，由于土顆粒間接觸已經(jīng)相當(dāng)緊密，繼續(xù)增大擊實(shí)能，導(dǎo)熱系數(shù)也不會(huì)有很大的改變，此時(shí)，密實(shí)度和熱傳導(dǎo)系數(shù)都趨于常數(shù)。

7 結(jié)語(yǔ)

1)研究推導(dǎo)出了熱傳導(dǎo)系數(shù)與密實(shí)度具有二項(xiàng)式次關(guān)系；2)采用熱線(xiàn)法針式瞬態(tài)熱傳導(dǎo)系數(shù)測(cè)試儀可以快速測(cè)得非飽和土體的熱傳導(dǎo)系數(shù)，通過(guò)分析熱傳導(dǎo)系數(shù)與密實(shí)度之間的函數(shù)關(guān)系，可以快速得到壓實(shí)系數(shù)，為回填土現(xiàn)場(chǎng)施工質(zhì)量檢驗(yàn)提供了一種新的快捷、準(zhǔn)確的檢測(cè)方法；3)由于此實(shí)驗(yàn)均在實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行，與工程實(shí)際有一定誤差，還需進(jìn)一步討論分析。