夏明海，秦子鵬，王澤成，李棟偉，季 安，何 錦，呂向兵，李 成

(1.伊犁哈薩克自治州奎屯河流域水利工程灌溉管理處，新疆 奎屯 833200；2.浙江水利水電學(xué)院水利與環(huán)境工程學(xué)院，浙江 杭州 310018；3.東華理工大學(xué) 土木與建筑工程學(xué)院，江西 南昌 330013；4.中核華泰建設(shè)有限公司，廣東 深圳 518055；5.新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團(tuán)第七師水利工程管理服務(wù)中心，新疆 奎屯 833200)

0 引 言

高速鐵路的迅速發(fā)展，引發(fā)人們對(duì)季節(jié)性凍土區(qū)的關(guān)注。由于季節(jié)性凍土區(qū)晝夜溫差大、氣溫正負(fù)交替、水文地質(zhì)與工程地質(zhì)等復(fù)雜因素，導(dǎo)致路基極易發(fā)生凍脹，對(duì)高速鐵路的建設(shè)和運(yùn)行造成很大的影響[1-4]。我國(guó)是凍土資源最豐富的國(guó)家之一，僅次于俄羅斯和加拿大，在全球范圍內(nèi)位列第三。而季節(jié)性凍土是我國(guó)最主要的凍土類型之一，在我國(guó)的東北、西北、華北等高緯度地區(qū)均有季節(jié)性凍土，占全國(guó)總面積的53.5%，其中凍土深度在1.5 m以上在季節(jié)性凍土中占有37%[5-6]。季節(jié)凍土區(qū)的鐵路設(shè)施會(huì)改變空氣與大地之間的熱交換條件及水熱傳遞的方式，使路基在運(yùn)營(yíng)過(guò)程中會(huì)逐漸積累熱量，路基土溫度升高進(jìn)而導(dǎo)致季節(jié)性凍土融化，造成道路的病害問(wèn)題[7-8]。無(wú)論是凍脹還是融沉過(guò)程的研究都會(huì)涉及土體溫度場(chǎng)的分析，而土中溫度隨時(shí)間的變化是土中熱量傳遞的外在表現(xiàn)，故而溫度問(wèn)題可以當(dāng)作是熱量傳遞問(wèn)題[9-10]。

季節(jié)凍土區(qū)工程施工中，導(dǎo)熱系數(shù)對(duì)于凍土及建筑材料是十分重要的物理參數(shù)[11-12]，代表土體的導(dǎo)熱能力，凍土中熱量的傳播速度及溫度場(chǎng)的分布都由其決定[13-14]。陳之祥等[15]以溫度、干密度、含水率等因素為變量，研究其對(duì)凍土導(dǎo)熱系數(shù)的影響，分析凍土導(dǎo)熱系數(shù)存在的誤差及原因，提出了修正凍土導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)試結(jié)果的方法。崔福慶等[16]搭建了多種導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)試方法及測(cè)試平臺(tái)，運(yùn)用理論模型測(cè)試量進(jìn)行估算，從測(cè)試結(jié)果準(zhǔn)確性、適用土性類別等多方面對(duì)各類測(cè)試方法進(jìn)行了對(duì)比。甄作林等[17]采用熱常數(shù)分析儀進(jìn)行凍土導(dǎo)熱系數(shù)的測(cè)試，探討了含水率和干密度對(duì)砂土導(dǎo)熱性能的影響，并對(duì)砂土的導(dǎo)熱系數(shù)理論預(yù)測(cè)進(jìn)行分析。段妍等[18]采用熱探針?lè)ㄟM(jìn)行室內(nèi)試驗(yàn)，測(cè)試不同含水率對(duì)砂土以及黏土的導(dǎo)熱系數(shù)的影響，采用最小二乘法對(duì)其進(jìn)行擬合，驗(yàn)證導(dǎo)熱系數(shù)與含水率之間的關(guān)系，最終發(fā)現(xiàn)導(dǎo)熱系數(shù)與含水率之間呈線性關(guān)系。

對(duì)于凍土區(qū)路基來(lái)說(shuō)，揭示其導(dǎo)熱特性及影響規(guī)律，對(duì)路基熱工設(shè)計(jì)及預(yù)防措施有極大的參考價(jià)值[19-20]。為此，本文以西部地區(qū)某鐵路路基典型土樣——粉砂土為研究對(duì)象，采用瞬態(tài)熱線法對(duì)土樣的導(dǎo)熱系數(shù)進(jìn)行室內(nèi)測(cè)試，分析不同影響因素對(duì)路基導(dǎo)熱系數(shù)的影響規(guī)律，為凍土區(qū)路基熱傳導(dǎo)率的測(cè)量提供參考。

1 土的基本物理性質(zhì)

1.1 試驗(yàn)材料

本文室內(nèi)試驗(yàn)所用土樣取自我國(guó)西部某季節(jié)凍土區(qū)鐵路路基，深度為10～15 m，將取回的土進(jìn)行前期處理，對(duì)土樣進(jìn)行烘干并碾碎，進(jìn)行顆粒分析、比重、液塑限、最優(yōu)含水率及最大干密度試驗(yàn)。其最大干密度為2.01 g/cm3，最優(yōu)含水率為10%，天然含水率為4%，相對(duì)密度為2.67，天然孔隙比為0.423。

1.2 試樣制備

室內(nèi)試驗(yàn)纖維改良粉砂土的制備方法如下：①預(yù)估每個(gè)試樣所需要的土量；②將已烘干粉碎的備用土樣取500 g放入盆中；③按照設(shè)計(jì)纖維摻入量(0.1%、0.2%、0.3%、0.4%、0.5%)向盆中加入纖維；④按照設(shè)定初始含水率加入純水并繼續(xù)攪拌，為防止手動(dòng)攪拌不均勻，用攪拌機(jī)攪拌均勻；⑤將攪拌好的土放在室內(nèi)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)放置12 h，再進(jìn)行制樣。為盡量減小因纖維攪拌均勻度不同而導(dǎo)致試驗(yàn)誤差，制作試樣時(shí)首先將干土與纖維攪拌均勻后再加水?dāng)嚢琛?/p>

2 導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)試

2.1 試驗(yàn)儀器

試驗(yàn)測(cè)試儀器選用西安夏溪電子科技有限公司自主研發(fā)的瞬態(tài)熱線法導(dǎo)熱系數(shù)儀TC3000E，見(jiàn)圖1。該儀器導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)試范圍為0.005～10 W/(m·K)，使用溫度范圍為-60～120 ℃。在主頁(yè)面設(shè)定好相應(yīng)參數(shù)即可進(jìn)行測(cè)量。試樣采用靜壓壓制法，測(cè)試過(guò)程中，將探頭放置在2個(gè)相同樣品中間，見(jiàn)圖2。

圖2 導(dǎo)熱系數(shù)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量

2.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

為研究含水率w、纖維摻入量x、干密度ρd及凍融循環(huán)次數(shù)n這4種因素對(duì)改良粉砂土導(dǎo)熱系數(shù)的影響，設(shè)置4組試驗(yàn)方案，見(jiàn)表1。

表1 導(dǎo)熱系數(shù)試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案

制作樣品時(shí)，將粉砂土置于培養(yǎng)箱中干燥，直至恒重，稱量出各因素所需質(zhì)量的粉砂土、纖維及純凈水，先用攪拌器對(duì)粉砂土和纖維進(jìn)行均勻攪拌，再把不同質(zhì)量水均勻噴到混合物上，用保鮮袋密封24 h，配制目標(biāo)含水率6%、8%、10%、12%、14%的試樣。取出土樣，按規(guī)定的試樣體積、密度、含水量等指標(biāo)，將所配好的混合土稱出相應(yīng)質(zhì)量放入模具內(nèi)，利用小型壓力機(jī)對(duì)其進(jìn)行靜力壓實(shí)，達(dá)到規(guī)定的干密度后，靜置2 min，再進(jìn)行脫模和標(biāo)號(hào)。樣品的尺寸為圓柱形，直徑62 mm，高20 mm，每組制作3組平行試樣，并以兩對(duì)交叉方式進(jìn)行測(cè)量，計(jì)算出平均值，以此來(lái)確定試件的導(dǎo)熱系數(shù)。

3 結(jié)果分析

本試驗(yàn)只考慮常溫條件(即融土)、低溫條件(即-10 ℃凍土)狀態(tài)下的含水率w、干密度ρd、纖維摻量x以及凍融循環(huán)次數(shù)n對(duì)改良粉砂土導(dǎo)熱系數(shù)λ的影響，忽略土體本身的結(jié)構(gòu)和構(gòu)造對(duì)導(dǎo)熱系數(shù)的影響。試驗(yàn)研究和分析均采用控制變量法。

3.1 含水率影響下導(dǎo)熱系數(shù)變化規(guī)律

常溫、低溫條件改良粉砂土含水率與導(dǎo)熱系數(shù)的關(guān)系見(jiàn)圖3。從圖3可知，在干密度、纖維摻量以及凍融循環(huán)次數(shù)相同的情況下，改良粉砂土的導(dǎo)熱系數(shù)隨含水率的增大呈非線性增長(zhǎng)。常溫條件下，含水率在6%～14%范圍內(nèi)，改良粉砂土的導(dǎo)熱系數(shù)逐漸增大，從0.39 W/(m·K)增長(zhǎng)到1.25 W/(m·K)。

圖3 改良粉砂土含水率與導(dǎo)熱系數(shù)的關(guān)系

低溫條件下，含水率6%～14%范圍內(nèi)，改良粉砂土的導(dǎo)熱系數(shù)逐漸增大，從0.47 W/(m·K)增長(zhǎng)到1.32 W/(m·K)。此外，當(dāng)土體中的含水率低于12%時(shí)，土體的導(dǎo)熱系數(shù)增加的速率較含水率大于12%時(shí)要高，這是因?yàn)橥馏w中的含水量增加使單位質(zhì)量土體中的固體顆粒相對(duì)減少，從而導(dǎo)致改良粉砂土的導(dǎo)熱系數(shù)增加緩慢。當(dāng)含水率增加到某一值時(shí)，土體中的導(dǎo)熱系數(shù)會(huì)趨于某一固定值。相同條件下，凍土的導(dǎo)熱系數(shù)大于常溫土，其原因?yàn)槌赝翞槿囿w系，即空氣、水以及固體顆粒，而凍土為四相體系，即空氣、未凍水、冰及固體顆粒，冰的導(dǎo)熱系數(shù)近似為水的4倍，且冰在土體中有膠結(jié)作用，使凍土的導(dǎo)熱系數(shù)大于常溫土。

常溫下聚丙烯纖維的導(dǎo)熱系數(shù)為0.22～0.25 W/(m·K)，水的導(dǎo)熱系數(shù)為0.54 W/(m·K)，空氣的導(dǎo)熱系數(shù)為0.026 7 W/(m·K)，冰的導(dǎo)熱系數(shù)為2.22 W/(m·K)。含水率的增加使土體內(nèi)部孔隙內(nèi)水所占的比重增大，致使本存在于孔隙內(nèi)的空氣被水所取代，土顆粒之間由于水膜的出現(xiàn)，使得顆粒之間的接觸熱阻減小，從而在一定范圍內(nèi)，隨著含水率的增加，導(dǎo)熱系數(shù)值變大，但兩者之間的這種關(guān)系僅限土體內(nèi)孔隙未完全被水取代，含水率增大到一定時(shí)，導(dǎo)熱系數(shù)的變化不會(huì)受此影響，這就是所謂的“液橋”效應(yīng)[21-22]。

當(dāng)水分含量較低時(shí)，熱量傳播的主要方式是固-固、固-氣和氣-氣傳遞。當(dāng)水分含量增加，土體孔隙內(nèi)氣體逐漸被水所替代，因?yàn)樗膶?dǎo)熱系數(shù)更高，孔隙之間的熱交換從氣-氣傳遞向液-氣和液-液傳遞轉(zhuǎn)化，從而提高了土體的導(dǎo)熱系數(shù)；另一方面，在土體顆粒表面會(huì)形成一層薄薄的水膜，該水膜有利于相鄰?fù)馏w顆粒間的熱傳導(dǎo)，隨著水分含量的增大，薄膜厚度增大，從而提高了導(dǎo)熱系數(shù)。

3.2 干密度影響下導(dǎo)熱系數(shù)變化規(guī)律

改良粉砂土干密度與導(dǎo)熱系數(shù)的關(guān)系見(jiàn)圖4。從圖4可知，在其他因素相同的情況下，改良粉砂土的導(dǎo)熱系數(shù)隨干密度的增大而增大，且呈指數(shù)增長(zhǎng)。常溫條件下，干密度在1.6～2.0 g/cm3范圍內(nèi)，改良粉砂土的導(dǎo)熱系數(shù)逐漸增大，從0.45 W/(m·K)增長(zhǎng)到1.38 W/(m·K)。低溫條件下，干密度在1.6～2.0 g/cm3范圍內(nèi)，改良粉砂土的導(dǎo)熱系數(shù)逐漸增大，從0.62 W/(m·K)增長(zhǎng)到1.87 W/(m·K)。隨著干密度的增加，單位體積內(nèi)的土體中固體顆粒的含量增加，而土體中的空氣和水的含量相對(duì)減少，固體顆粒接觸更為緊密，導(dǎo)致熱量通過(guò)氣體傳遞方式減少，更多通過(guò)傳熱途徑更為便利的固體骨架固-固以及孔隙內(nèi)流體與固壁間的固-液方式擴(kuò)散，因此導(dǎo)熱系數(shù)隨干密度增大而明顯提高。此外，混合材料干密度相同時(shí)，隨著含水率的增大，孔隙內(nèi)氣體進(jìn)一步減少，熱量傳遞方式更加趨向于固-液、液-液傳遞，從而使導(dǎo)熱系數(shù)進(jìn)一步增大。眾所周知，固體的導(dǎo)熱系數(shù)>液體的導(dǎo)熱系數(shù)>氣體的導(dǎo)熱系數(shù)，所以隨著干密度的增加，改良粉砂土的導(dǎo)熱系數(shù)增大。

圖4 改良粉砂土干密度與導(dǎo)熱系數(shù)的關(guān)系

3.3 纖維摻量影響下導(dǎo)熱系數(shù)變化規(guī)律

改良粉砂土纖維摻量與導(dǎo)熱系數(shù)的關(guān)系見(jiàn)圖5。從圖5可知，在其他因素相同的情況下，改良粉砂土的導(dǎo)熱系數(shù)隨纖維摻量的增大而線性減小。常溫條件下，纖維摻量在0～0.3%范圍內(nèi)，改良粉砂土的導(dǎo)熱系數(shù)逐漸減小，從1.05 W/(m·K)減少到0.59 W/(m·K)。低溫條件下，纖維摻量在0～0.3%范圍內(nèi)，改良粉砂土的導(dǎo)熱系數(shù)逐漸減小，從1.3 W/(m·K)減少到0.6 W/(m·K)。這是因?yàn)槔w維摻入增加了土的內(nèi)部孔隙率，從而導(dǎo)致土內(nèi)部封閉空間逐漸增多，又因?yàn)榭諝獾膶?dǎo)熱系數(shù)遠(yuǎn)比土的導(dǎo)熱系數(shù)低得多，導(dǎo)致土的導(dǎo)熱系數(shù)逐漸下降。因此，摻入纖維能提高改良粉砂土的保溫隔熱性能，從而達(dá)到減少凍脹的效果。

圖5 改良粉砂土纖維摻量與導(dǎo)熱系數(shù)的關(guān)系

3.4 凍融循環(huán)影響下導(dǎo)熱系數(shù)變化規(guī)律

改良粉砂土凍融循環(huán)次數(shù)與導(dǎo)熱系數(shù)的關(guān)系見(jiàn)圖6。從圖6可知，在含水率、干密度以及纖維摻量相同的情況下，改良粉砂土的導(dǎo)熱系數(shù)隨凍融循環(huán)次數(shù)的增大而線性減小。常溫條件下，凍融循環(huán)次數(shù)為0～7次時(shí)，改良粉砂土的導(dǎo)熱系數(shù)逐漸減小，從0.93 W/(m·K)減小到0.48 W/(m·K)。低溫條件下，凍融循環(huán)次數(shù)為0～7次時(shí)，改良粉砂土的導(dǎo)熱系數(shù)逐漸減小，從1.01 W/(m·K)減小到0.72 W/(m·K)。

在凍結(jié)過(guò)程中，水轉(zhuǎn)變?yōu)楸?，體積增加11%，土體顆粒由于受到外力的影響而發(fā)生運(yùn)動(dòng)，增加了土體的孔隙率，減少了顆粒間的接觸面積。第1次凍結(jié)后，土壤中的冰晶溶解，土顆粒被抬升，而隨著凍融次數(shù)的增多，首次出現(xiàn)的冰晶將不能再對(duì)孔隙進(jìn)行重新填充，從而影響到孔隙的結(jié)構(gòu)。因此，在第1次凍融后，導(dǎo)熱系數(shù)減小，但在凍融循環(huán)中，水分仍是影響熱傳導(dǎo)系數(shù)的重要因素。

4 結(jié) 語(yǔ)

本文以西部地區(qū)某鐵路路基典型土樣——粉砂土為研究對(duì)象，基于凍融循環(huán)條件下，對(duì)不同含水率、干密度、纖維摻量改良粉砂路基土的導(dǎo)熱系數(shù)進(jìn)行了研究，得出以下結(jié)論：

(1)不同的含水率、干密度、纖維摻量以及凍融循環(huán)次數(shù)對(duì)路基改良粉砂土的導(dǎo)熱系數(shù)的影響不同。冰的導(dǎo)熱系數(shù)近似是水的導(dǎo)熱系數(shù)的4倍，當(dāng)其他影響因素都相同時(shí)，凍土的導(dǎo)熱系數(shù)明顯大于常溫土。

(2)在干密度、纖維摻量以及凍融循環(huán)次數(shù)相同的情況下，改良粉砂土的導(dǎo)熱系數(shù)隨含水率的增大呈非線性增長(zhǎng)，且當(dāng)含水率超過(guò)12%時(shí)，增長(zhǎng)速率減小。試驗(yàn)范圍內(nèi)，導(dǎo)熱系數(shù)為0.39～1.32 W/(m·K)。在含水率、纖維摻量以及凍融循環(huán)次數(shù)相同的情況下，改良粉砂土的導(dǎo)熱系數(shù)隨干密度的增大呈指數(shù)增長(zhǎng)，且當(dāng)干密度超過(guò)1.9 g/cm3時(shí)，增長(zhǎng)速率減小。試驗(yàn)范圍內(nèi)，導(dǎo)熱系數(shù)為0.45～1.87 W/(m·K)。

(3)在含水率、干密度以及凍融次數(shù)相同的情況下，改良粉砂土的導(dǎo)熱系數(shù)隨纖維摻量的增大而線性減小，試驗(yàn)范圍內(nèi)，導(dǎo)熱系數(shù)為0.59～1.3 W/(m·K)。纖維的摻入可有效提高粉砂土的熱工性能。在含水率、干密度以及纖維摻量相同的情況下，改良粉砂土的導(dǎo)熱系數(shù)隨凍融循環(huán)次數(shù)的增大而線性減小，試驗(yàn)范圍內(nèi)，導(dǎo)熱系數(shù)為0.48～1.01 W/(m·K)。