凍土導熱系數試驗方法對比研究

王 偉

(長春工程學院勘查與測繪工程學院，長春 130021)

凍土導熱系數試驗方法對比研究

王 偉

(長春工程學院勘查與測繪工程學院，長春 130021)

采用熱線法和熱流計法分別對粉質黏土的凍土試樣和融土試樣進行了導熱系數的測定。兩種試驗結果均反映出導熱系數隨含水率增大而增大，隨干密度增大而增大的變化規律。通過回歸分析得出導熱系數受含水率的影響明顯大于干密度的影響。將兩種試驗方法所得結果進行比較，并進行差異顯著性檢驗。兩種試驗方法中，熱線法所得導熱系數更大，而試驗方法的不同對導熱系數的數值影響十分顯著。在實際工程中進行溫度場模擬和熱工計算時，需要選擇適當的試驗方法獲取數據，以避免分析結果嚴重偏離實際。

熱線法；熱流計法；含水率；干密度；導熱系數；t檢驗

0 引言

我國是世界上凍土面積第三大的國家，其占地面積達到了國土總面積的一半以上[1]。多年凍土與季節性凍土是我國寒區工程建設不可回避的問題。因其對溫度十分敏感，往往會發生物理力學性質的改變，對工程建筑物與構筑物產生凍害破壞與融沉破壞。因此，探尋凍土隨溫度變化的規律以及凍土的熱學性質對研究凍土問題具有重要意義。其中，導熱系數是凍土熱學指標中極為重要的參數，它反映了凍土對溫度變化的敏感程度。

國內對凍土導熱系數的研究始于20世紀70年代，先后使用了平板導熱儀、圓球導熱儀來測定導熱系數。天津大學[2]曾研制了熱流計導熱系數測定裝置；中科院蘭州凍土所結合現場實測資料與室內試驗資料，給出了典型凍融土的熱力學參數；徐學祖[3]使用球形探針法、量熱法和熱流計法分別進行了凍土導熱系數的測定，修正了亞黏土的導熱系數，并給出了凍土熱參數表；陶兆祥[4]摸索研究出了比較法進行凍土導熱系數的測定；張津生使用熱線測定了凍土的導熱系數。試驗方法的不斷豐富，為凍土熱學性質研究提供了科學依據。

本文依托中國石油天然氣總公司項目“中俄原油管道工程凍土調查與影響因素分析”，使用瞬態熱線法和熱流計法分別對粉質黏土的導熱系數進行了測定，并對試驗結果進行比較，分析不同試驗方法對導熱系數的影響規律，為實際工程中導熱系數測試方法的選擇提供參考依據。

1 試驗概況

1.1 試驗土料

本次試驗所用2#粉質黏土取自中俄原油管道沿線塔河縣附近，經過風干、碾碎后按照規范[5]要求測定其物理性質指標，結果見表1。試樣的制備需按一定的含水率與干密度進行控制。

1.2 試驗方法

在凍土物理學中，導熱系數的測定主要有穩態法和非穩態法兩種。穩態法是當土樣溫度達到穩定之后，通過測定土樣的熱量、溫度等參數確定導熱系數。常用的方法有熱流計法、平板法、比較法等。非穩態法測定導熱系數時，其土樣溫度是隨時間的變化而變化，利用已知材料的比熱來計算導熱系數。常用的方法主要有瞬態熱線法、探針法等。本文采用熱流計法與瞬態熱線法分別對粉質黏土進行兩種凍融狀態下的導熱系數測定。

1.3 試驗儀器設備

1.3.1 瞬態熱線法試驗裝置

瞬態熱線法的試驗設備主要分為3部分：試驗電路、測量裝置和環境控制系統。

1)試驗電路：使用交流電或直流電對熱線進行加熱，保持熱線兩端電壓不變，熱線直徑不得超過0.35 mm。將熱電偶通過焊接方式與熱線相連組成探頭，熱電偶與熱線保持平行走向，與熱線的夾角不大于45°。

2)測量裝置：使用PZ126數字直流電壓表和FLUCK187數字萬用表進行溫度測定。零溫瓶使用保溫瓶，內部裝有凍結成冰的蒸餾水，并將碎冰與水按2∶1的比例配置成冰水混合物。

3)環境控制系統：由有機玻璃罩、加熱爐和低溫箱組成，進行恒溫控制。

1.3.2 熱流計法試驗裝置

熱流計試驗裝置主要由土樣盒、測量系統和恒溫系統組成。

1)土樣盒：用來盛裝試驗土樣。采用橡膠板與恒溫箱粘連在一起，提高保溫效果，增加冷端與熱端及土樣周邊的熱阻。

2)測量裝置：采用熱電偶及PZ126數字直流電壓表進行土樣溫度的測定。

3)恒溫裝置：由冷浴、零溫瓶和恒溫箱組成。冷浴使用DC3030型低溫槽。零溫瓶與熱線法相同。

表1 粉質黏土基本物理性質指標

2 試驗結果分析

2.1 熱線法試驗結果

將熱線法試驗所得導熱系數結果進行匯總，η-w關系散點圖如圖1所示，η-γd關系散點圖如圖2所示。對導熱系數η與試驗控制干密度γd和控制含水率w進行回歸分析，回歸分析結果如表2～3所示。

表2 熱線法試驗導熱系數一元回歸分析匯總表

表3 熱線法試驗導熱系數二元回歸分析匯總表

從圖中可以看出，無論是凍土還是融土，導熱系數都隨含水率的增大而增大，隨干密度的增大而增大。導熱系數隨含水率增加的主要原因是隨著含水率的增加，土中冰的含量越來越多，對溫度的敏感程度越大，熱傳導越快。而導熱系數隨干密度增加的主要原因是隨著干密度的不斷變大，土中的礦物顆粒含量越多，在熱傳導過程中作用越明顯。

圖1 熱線法η-w關系散點圖

圖2 熱線法η-γd關系散點圖

對于同一種土，凍土的導熱系數明顯比融土的導熱系數大。其原因主要是凍土中存在固體冰，熱量通過冰晶傳遞的速度非常快，是通過水傳遞速度的4倍還多。而融土中的熱量傳遞主要受顆粒骨架和含水率影響，導熱系數通過水傳遞的速度比冰慢。因此，凍土導熱系數大于融土的導熱系數。從回歸分析中亦可知，含水率對導熱系數的影響十分明顯，而干密度對導熱系數的影響雖然也很明顯，但遠不及含水率的影響。導熱系數與含水率和干密度的二元回歸分析見表2。

2.2 熱流計法試驗結果

采用熱流計法對2#粉質黏土的導熱系數進行測定，將試驗數據按η-w關系和η-γd關系繪制散點圖，如圖3～4所示。導熱系數與含水率、干密度的回歸分析見表4～5(1 K=4.19J)。

圖3 熱流計法η-w關系散點圖

圖4 熱流計法η-γd關系散點圖

熱流計法試驗結果顯示，導熱系數受含水率與干密度的影響十分顯著。其中，導熱系數受含水率的影響更明顯。導熱系數隨含水率的增大而增大，隨干密度的增大而增大，這一規律與熱線法試驗結果反映的規律吻合。對于同一種土，通過兩種不同試驗方法所得到的試驗結果所反映的規律相同，具有可比性。

2.3試驗方法的比較分析

比較熱線法與熱流計法的試驗結果，并對兩種方法進行差異顯著性分析。對比結果如圖5～6所示，差異顯著性分析結果見表6。

圖6 熱線法與熱流計法融土導熱系數對比圖

通過對比圖可知，無論土樣處于凍土還是融土狀態，熱線法的試驗結果都明顯比熱流計法的試驗結果大。其原因主要在于熱線法屬于非穩態試驗，而熱流計法屬于穩態試驗。試驗方法的不同在差異顯著性檢驗中得到了體現。凍土導熱系數試驗方法的差異顯著性檢驗t值為13.944，大于2.947，說明在0.01水平上，兩種試驗方法具有顯著差異。融土的差異顯著性檢驗t值為17.364，大于2.947，同樣在0.01水平上，兩種試驗方法具有顯著差異。由此可見，試驗方法的不同對導熱系數的測定數值具有較大的影響。雖然兩種方法所反映的導熱系數變化規律相同，但在實際工程中，地質條件帶來的影響因素往往十分復雜。穩態法測定的導熱系數實際上屬于理想化的數據，而非穩態法測得的導熱系數更貼近實際。因此，在實際工程中，尤其是在對地基土溫度場分析和熱工計算時，需要選擇適當的測試方法來獲得導熱系數數據作為依據，以免分析計算結果嚴重偏離實際。

3 結語

本文采用熱線法和熱流計法分別對粉質黏土進行凍土和融土的導熱系數測定，并對試驗結果進行了比較，得出以下結論：

表4 熱流計法試驗導熱系數一元回歸分析匯總表

表5 熱流計法試驗導熱系數二元回歸分析匯總表

表6 導熱系數試驗方法差異顯著性檢驗結果

1)無論凍土還是融土，其導熱系數均隨含水率的增大而增大，隨干密度的增大而增大。對同一種土，導熱系數受含水率的影響更加明顯。

2)在數值上，熱線法的試驗結果明顯大于熱流計法的試驗結果。主要原因在于熱線法的土樣溫度隨時間變化而變化，其反映的是某一時間節點上的導熱系數數值。而熱流計法的土樣溫度是恒定的。

3)通過t檢驗可知，兩種試驗方法存在顯著差異，在實際工程中應選用適當的方法獲取導熱系數數據，進行溫度場的模擬和熱工計算。如果方法選擇不當，會造成分析結果嚴重偏離實際。

[1] 徐學祖,王家澄,張立新.凍土物理學[M].北京:科學出版社,2001.

[2] Keith L,Bristow.Measurement of thermal properties and water content of un saturated sandy soil using dual-probe heat-pulse probe[J].Agricultural and Forest Meteorology，1998(89)：75-84.

[3] 徐學祖,陶兆祥,傅素蘭.典型融凍土的熱學性質[C]//中國科學院蘭州冰川凍土研究所集刊第2號.北京：科學出版社，1981.

[4] 陶兆祥,張景森.大含水(冰)量融凍土導熱系數的測定研究[J].冰川凍土,1983(2):78-80.

[5] 國家質量技術監督局.GB/J 50123—1999土工試驗方法標準[S].北京:中國計劃出版社，1999.

[6] 王偉.凍土傳熱性質試驗研究[D].長春：吉林大學,2010.

[7] 尹飛.凍土導熱系數的儀器研制和穩態法模擬試驗研究[D].長春：吉林大學,2008.

The Research on the Comparison of Test Measurements for the Thermal Conductivity of Frozen Soil

WANG Wei

(SchoolofProspectingandSurveying，ChangchunInstituteofTechnology，Changchun130021，China)

The hot wire and the heat flow meter are used to measure the thermal conductivities of frozen soil and the silty clay separately.The results reflect that the thermal conductivity will increase with the increasing rate of water content，and will increase with the dry density increasing as well.By the regression analysis，it can be concluded that the thermal conductivity is much more obviously affected by the rate of water content than by the dry density.By comparing the results of the two tests，and taking a test to the significance of difference，the thermal conductivity measured by the hot wire was much larger，while the different ways of test will be more obvious on testing the value of the thermal conductivity.In the practical engineering，it needs to choose the right way of test to get the data when it is in the temperature field simulation and the thermal calculation in order to avoid the analyzing results deviating from the fact.

hot wire；heat flow meter；rate of water content；dry density；thermal conductivity；ttest

10.3969/j.issn.1009-8984.2016.04.018

2016-09-07

王偉(1982-)，男(漢)，長春，實驗師，博士 主要研究凍土物理力學性質及熱學性質。

P642.14

A

1009-8984(2016)04-0067-04