新疆硫酸鹽路基鹽漬土的導(dǎo)熱系數(shù)的研究

張靈通　楊保存　李壽寧

(塔里木大學(xué)水利與建筑工程學(xué)院， 新疆 阿拉爾 843300)

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新疆硫酸鹽路基鹽漬土的導(dǎo)熱系數(shù)的研究

張靈通楊保存李壽寧*

(塔里木大學(xué)水利與建筑工程學(xué)院， 新疆 阿拉爾 843300)

摘要硫酸鹽漬土的鹽-凍脹先決條件是溫度的變化。土壤的溫度變化速率是有其導(dǎo)熱系數(shù)決定的，本試驗(yàn)采用熱線法對試驗(yàn)土樣不同含鹽量、不同含水率、不同干密度的導(dǎo)熱系數(shù)進(jìn)行分組測量分析，以優(yōu)化路基土內(nèi)的含鹽量、含水率、干密度來控制減慢路基內(nèi)的溫度下降速率，減輕硫酸鹽鹽漬土地區(qū)道路病害的發(fā)生。

關(guān)鍵詞鹽漬土； 含鹽量； 含水率； 干密度

隨著西部大開發(fā)戰(zhàn)略的深度不斷加大，新疆新建和改建的道路不斷增加，然而在新疆境內(nèi)分布著大面積的硫酸鹽鹽漬土，其路基內(nèi)主要破壞為鹽-凍脹變形破壞，原理為鹽漬土中的硫酸鹽隨著溫度的降低，其溶解度減小，吸水后形成芒硝，體積膨脹[1]。在溫度升高時(shí)硫酸鹽失水而體積變小，土體隨之會疏松，所以在含有硫酸鹽的鹽漬土中會存在這種體積隨溫度而發(fā)生明顯變化，引起地表土體的膨脹與疏松現(xiàn)象，從而導(dǎo)致路基路面出現(xiàn)變形破壞，造成路面豎向不均勻變形，形成縱橫裂縫，甚至波浪鼓包等現(xiàn)象[2-5]。不但嚴(yán)重影響當(dāng)?shù)亟煌ǎ覍?jīng)濟(jì)也造成了很大損失，所以對新疆硫酸鹽鹽漬土的導(dǎo)熱系數(shù)的研究很有必要，通過室內(nèi)模擬試驗(yàn)分析不同含鹽量、含水率、干密度對導(dǎo)熱系數(shù)的影響，從而可以通過優(yōu)化各個(gè)影響因子，為以后的硫酸鹽漬土地區(qū)新建或改建道路提供參考，減少減輕道路病害的發(fā)生。

1試驗(yàn)方法及裝置

1.1試驗(yàn)方法

熱線法是利用測量熱絲的電阻來測量物質(zhì)導(dǎo)熱系數(shù)的，其測定的基本原理是假定在各個(gè)方向同種性質(zhì)無限大且均勻分布的物質(zhì)中放入一根長度無限長、直徑無限小、內(nèi)部溫度相同的線熱源，試驗(yàn)開始前線熱源和要測量的物質(zhì)處于熱平衡狀態(tài)，熱源的輸出功率是恒定的，加熱絲和測量的物質(zhì)溫度升高的速度都與物質(zhì)的熱物理性質(zhì)參數(shù)有關(guān)，通電一段時(shí)間后，線熱源及其周圍的物質(zhì)溫度就會隨之升高，由線熱源的溫度的變化即可計(jì)算得出被測物體的導(dǎo)熱系數(shù)[6]。在熱線法中一般常用的有熱線比較法、交叉線法和平行線法三種，在本次研究試驗(yàn)方法中采用的是最常見的交叉線法。

交叉熱線法的導(dǎo)熱系數(shù)計(jì)算公式為：

式中：λ為被測物質(zhì)導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m·℃)；q為熱線單位長度加熱功率，W/m；t1，t2為加熱開始至加熱結(jié)束的耗時(shí)，s；θ1，θ2為加熱開始至加熱結(jié)束的溫升量，℃；

由于上面公式計(jì)算較復(fù)雜，要借助于計(jì)算機(jī)處理試驗(yàn)數(shù)據(jù)，不適合手算，在實(shí)際應(yīng)用中一般不采用該公式[7]。為了計(jì)算簡易方便，通常采用對N組測量時(shí)刻熱線的溫度值和相對應(yīng)的時(shí)間對數(shù)做線性回歸處理的方法，求出線性回歸直線斜率k，斜率k即是溫度隨著時(shí)間對數(shù)的變化率，導(dǎo)熱系數(shù)λ和回歸直線斜率k就構(gòu)成了函數(shù)關(guān)系式[8-9]。這樣就可以得到更為簡潔的導(dǎo)熱系數(shù)計(jì)算公式:

式中：l為熱線在試樣中的有效長度，m；p為熱線有效長度的加熱功率，p=ql；k為時(shí)間對數(shù)溫升曲線中直線段的斜率。

1.2試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)主要設(shè)備：一個(gè)250 mm×100 mm×100 mm的有機(jī)玻璃制成的容器，在長度為250 mm兩側(cè)面中心各開一個(gè)小圓孔，用以引出熱線和熱電偶的自由端；用直徑為0. 5 mm的鎳鉻合金絲制作而成的熱線，在一次測試過程中，因溫度變化較小，其電阻值可認(rèn)為不變；一個(gè)PS-305D數(shù)字直流恒壓電源；一個(gè)Center 309數(shù)位溫度計(jì)；一個(gè)可以提供—200～300 ℃的溫度變化環(huán)境的程控式高溫試驗(yàn)箱，溫度上下波動度不大于0. 5度，溫度均勻度上下浮動不大于0. 5%。

圖1　示意圖　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　圖2　實(shí)物圖

序號123456789含水率5555110555含鹽量00.51200000干密度1.3751.3751.3751.3751.37513751.3071.4291.674

注：表中各單位為：含鹽量%、含水率%、干密度g/cm3

2試驗(yàn)結(jié)果及分析

試驗(yàn)開始前，先把要測量的土試樣裝到玻璃容器內(nèi)，裝好試樣后把已焊有熱電偶的熱絲放入待測試樣土的中心位置，等待一會后，當(dāng)熱電偶在試樣中的溫度變化不大于0. 02 時(shí)，打開電源開關(guān)，開始記錄溫度變化值，同一個(gè)土試樣每間隔10 s采集一次數(shù)據(jù)，升溫時(shí)間控制在120 s內(nèi)。一個(gè)試樣完成測試后，關(guān)閉電源，把容器內(nèi)的試樣清理干凈，取出熱絲和熱電偶，冷卻一段時(shí)間后，當(dāng)熱電偶溫升不再變化時(shí)，開始準(zhǔn)備下一個(gè)試樣的測量記錄。試驗(yàn)分三組，考慮不同含水量、不同含鹽量、不同干密度對硫酸鹽鹽漬土導(dǎo)熱系數(shù)的影響[10]。

2.1不同含鹽量的導(dǎo)熱系數(shù)試驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)選用編號為1、2、3、4的土樣，其含水率均為5%，干密度1. 375 g/cm3，含硫酸鈉鹽量分別為0%、0. 5%、1%、2%。以此來研究在含水率，干密度，顆粒級配相同的條件下，鹽漬土不同含鹽量對導(dǎo)熱系數(shù)的影響。

根據(jù)實(shí)驗(yàn)需要，將測量記錄的四組熱線溫度及分別對應(yīng)時(shí)間對數(shù)做線性回歸的處理，分別求出回歸直線段的斜率k1、k2、k3、k4，將其斜率分別代入公式(2)中計(jì)算出導(dǎo)熱系數(shù)λ1、λ2、λ3、λ4的值，整理得到導(dǎo)熱系數(shù)和含鹽量的關(guān)系曲線。

圖3　導(dǎo)熱系數(shù)與含鹽量變化關(guān)系曲線圖

從圖3中可以得出：開始時(shí)硫酸鈉鹽鹽漬土的導(dǎo)熱系數(shù)隨著其含鹽量的增加而增加，但增加到某一含量后隨著含鹽量的增大反而降低，這是因?yàn)殡S著鹽漬土含鹽量的增加，土顆粒間的空隙就會被越來越多的鹽顆粒和鹽溶液所填充，造成了其導(dǎo)熱不均勻，故其導(dǎo)熱系數(shù)也就隨著其鹽含量的增加而減小。

2.2不同含水率的導(dǎo)熱系數(shù)試驗(yàn)

試驗(yàn)選用編號為5、6、7的土樣，其含鹽量均為0%，干密度1. 375 g/cm3，含水率分別為1%、5%、10%。以此來研究在含鹽量，干密度，顆粒級配相同的條件下，鹽漬土不同含水率對導(dǎo)熱系數(shù)的影響。

試驗(yàn)步驟及計(jì)算方法與不同含鹽量的導(dǎo)熱系數(shù)實(shí)驗(yàn)一樣，將最終得到的λ5、λ6、λ7的值與對應(yīng)的不同含水率整理后如圖4所示：

圖4　導(dǎo)熱系數(shù)與含水率變化關(guān)系曲線圖

從圖4中可以得出：在試驗(yàn)范圍內(nèi)，硫酸鈉鹽鹽漬土的導(dǎo)熱系數(shù)隨著其含水率的增大也在不斷的增加。這是因?yàn)楫?dāng)鹽漬土含水率很小時(shí)，隨著水分的增加，土顆粒間的空隙逐漸被水分所取代，水分的導(dǎo)熱系數(shù)要明顯高于空氣的導(dǎo)熱系數(shù)，土顆粒間接觸點(diǎn)上不斷出現(xiàn)的水膜也減小了土顆粒間的接觸熱阻，所以其導(dǎo)熱系數(shù)不斷增大。

2.3不同干密度的導(dǎo)熱系數(shù)試驗(yàn)

試驗(yàn)選用編號為1、7、8、9的土樣，其含水率5%，含鹽量均為0%，干密度分別為1. 375 g/cm3、1. 307 g/cm3、1. 429 g/cm3、1. 674 g/cm3。研究在含鹽量，含水率，顆粒級配相同的條件下，鹽漬土不同干密度對導(dǎo)熱系數(shù)的影響。

圖5　導(dǎo)熱系數(shù)與干密度變化關(guān)系曲線圖

從圖5可以得出：在一定的干密度下，導(dǎo)熱系數(shù)隨著干密度的增加而增大。這是因?yàn)殡S著干密度的增大，土顆粒間更多的空氣被排擠出來，空隙越來越小，顆粒接觸也就越來越緊密，熱阻變小，熱傳導(dǎo)更加順暢，其導(dǎo)熱系數(shù)增大。

2.4試驗(yàn)結(jié)果的擬合分析

對以上所有實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，根據(jù)最小二乘法原理利用Matlab編程軟件對含鹽量、含水率、干密度、進(jìn)行擬合綜合分析：

圖6　不同因素對導(dǎo)熱系數(shù)變化速率曲線

從圖6可以得出，含鹽量對對導(dǎo)熱系數(shù)的變化速率影響最大，含水率次之，干密度最小。

3結(jié)論

通過試驗(yàn)可以看出硫酸鹽鹽漬土的含鹽量、含水率、干密度均對其導(dǎo)熱系數(shù)有著不同程度的影響，含鹽量對對導(dǎo)熱系數(shù)的變化速率影響最大，含水率次之，干密度最小。所以新疆硫酸鹽鹽漬土地區(qū)新建或改建道路首先要做好控鹽防水，對填筑的路基土要充分壓實(shí)防止鹽分聚集和水分進(jìn)入路基內(nèi)。由于試驗(yàn)土樣有限和試驗(yàn)所使用的設(shè)備在測量時(shí)也難免出現(xiàn)一些誤差，在后期工作中將對試驗(yàn)方法和實(shí)驗(yàn)設(shè)備做進(jìn)一步改進(jìn)。

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Experimental Study on Thermal Conductivity of

Sulfate Saline Soil Subgrade of Xinjiang

Zhang LingtongYang BaocunLi Shouning*

(College of Water Resource and Architectural Engineering，Tarim University，Alar，Xinjiang 843300)

AbstractSulphate saline soil salt - frost heave prerequisite is the change in temperature. Soil temperature change rate is determined by its coefficient of thermal conductivity, this experiment adopts the hotline method to test soil sample of different salt content, moisture content, dry density grouping coefficient of thermal conductivity measurement analysis, to optimize the subgrade soil salt content, moisture content, dry density to control the temperature of the subgrade in slow decline rate, reduce the damages of sulfate saline soil area.

Key wordssaline soil； the salt content； the moisture content； dry density

中圖分類號：S29

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：ADOI：10.3969/j.issn.1009-0568.2015.04.012

文章編號：1009-0568(2015)04-0078-05

通訊作者*為E-mail：1525900551@qq.com

作者簡介：張靈通(1988-)，男，2013級碩士生，研究方向?yàn)檗r(nóng)業(yè)水土建筑。E-mail：854913405@qq.com

基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金(51168042)

收稿日期：2015-04-07