溫控軟土地基模型試驗裝置研發(fā)及其應用

鄧岳保, 陳 菲, 劉 銓, 王天園, 劉干斌

(寧波大學 巖土工程研究所, 寧波 315211 )

溫度作為自然界中一個基本物理量，與時間、長度等有著相同的地位。研究不同溫度下材料的物理力學特性，是當今材料學科的一個熱點。在巖土工程領域，傳統(tǒng)工程活動涉及范圍內巖土體的溫度場變化幅度通常較小，溫度影響可以忽略。但隨著地熱工程、核廢料填埋工程、垃圾填埋工程、熱相關的軟基處理技術等的興起，溫度場在巖土工程學中的重要性益發(fā)彰顯[1-3]。例如在地熱工程中，由于地埋管的換熱作用，使得熱交換管與周圍土體間的傳熱和熱平衡過程成為其關鍵技術問題之一[4]。熱排水固結法是近年來提出并逐漸引起關注的一種軟基處理方法[5]，該法在傳統(tǒng)豎向排水井技術基礎之上通過對地基進行加熱、改善豎井周圍土體的固結性狀，達到加速軟基固結的目的。又如在我國東南沿海地區(qū)，建有大量地鐵、地下建筑等，地鐵車輛和設備等的散熱對周圍場地的影響以及潛在的爆炸引起的高溫-高壓-滲流耦合作用，是軟土城區(qū)地下工程防護設計中值得關注的問題[6]。

實際上，處于一定自然環(huán)境下的巖土體都會受到應力場、滲流場、溫度場等的綜合作用。溫度對土體物理力學性質的影響非常復雜，它包括孔壓和溫度梯度的變化、礦物顆粒組成成分及熱膨脹性能變化、土的滲透性變化、壓縮和強度特性隨溫度的變化等多個方面的內容[7-9]。為了研究巖土體在多場耦合作用下的力學特性，國內外學者在常規(guī)土工試驗儀基礎上，開展了諸多溫控試驗裝置的研制和應用。Mitchell等[10]于1963年將壓力室置于充滿高溫氣體腔體中(由外接恒溫箱控制氣體溫度)，并通過熱水循環(huán)控制試樣溫度，首次開展了飽和粘土的溫控固結壓縮試驗。隨后，Demars等[11]、Cekerevac等[12]、Kuntiwattanakul等[13]、Bruyn等[14]、Abuel-Naga等[15]通過水浴加熱或電熱線圈加熱來控制試樣溫度，研制了不同的溫控三軸儀，研究了不同溫度方式對土體力學特性的影響。Sultan等[16]改進了GDS三軸儀，將加熱線圈置于壓力室罩的外壁，并由電熱偶控制壓力室溫度。國內對溫控土工試驗設備的研制相對較晚，陳正漢等[17]于2005年將常規(guī)三軸儀臺架與壓力室置于一個電熱恒溫箱內，實現了溫控三軸試驗的目標。白冰等[18]研制了一種用于飽和土圓柱形試樣的溫控固結壓力室系統(tǒng)。蔡國慶等[19]在土樣上下兩端設置環(huán)形筒狀電熱板研制了溫控非飽和土三軸試驗裝置。凌道盛等[20]通過設置相互獨立的控溫環(huán)，設計了一種分段式環(huán)向控溫非飽和土土柱試驗裝置，可以開展不同溫度梯度試驗。薛強等[21]也設計了一種溫控土柱試驗裝置，該裝置通過加熱制冷浴槽來調控溫度。高江平等[22]和童森杰等[23]對傳統(tǒng)的杠桿式固結儀進行了不同的改進，得到了溫控固結儀。另外，張凌凱等[24]、劉干斌等[25]、孔綱強等[26]分別設計了溫控無側限強度試驗裝置、溫控靜動三軸試驗裝置和能量樁樁-土界面摩擦測試裝置。上述溫控設備研發(fā)主要集中在單元體試驗，如固結壓縮儀、三軸儀和無側限強度試驗儀等；相對來說，溫控模型試驗裝置研究較少。2015年，劉干斌等[27]設計研發(fā)了一種豎井排水固結模型試驗裝置，其特點是利用水循環(huán)加熱器和地基中預先設置的U型管對地基土進行加熱。該裝置可較好的對模型地基進行加熱，但內置剛性換熱管在地基模型中起著樁基的作用，使得地基模型的力學特性研究變得復雜。

受試驗儀器設備的制約，國內關于軟黏土地基溫度特性的研究還非常少。為此基于上述考慮，擬在吸收國內外相關研究成果的基礎之上，聯合試驗儀器生產廠家，設計兩套帶升溫裝置的模型試驗設備，并通過溫度測試試驗選用較有優(yōu)勢的實驗設備，研制一套適用于軟土地基的溫控模型試驗系統(tǒng)。并利用該系統(tǒng)開展軟土地基溫控固結模型試驗，觀測孔壓，沉降隨時間的變化，分析溫度對軟土地基的影響。

1 溫控軟土地基模型試驗裝置研發(fā)

1.1 試驗裝置總體設計

溫控模型試驗裝置由模型桶(箱)、加載系統(tǒng)、監(jiān)測系統(tǒng)和溫控系統(tǒng)組成，各部分分述如下：

(1)模型桶采用圓桶結構，尺寸滿足試驗要求；模型桶材料采用300系列的鉻-鎳奧氏體不銹鋼，具有防銹性能好、耐高溫等特點；模型桶側壁能承擔土體及加荷以后的側向土壓力，桶壁強度和變形通過了核驗。

(2)加載方式采用杠桿式加壓，即通過在杠桿端部懸掛砝碼吊籃進行加載。杠桿為工字鋼，杠桿比1:12。加載系統(tǒng)還包括設置在模型地基頂部的承壓板、軸壓計、千斤頂和反力架。承壓板直徑略小于模型桶內徑，厚度為12 mm；承壓板上按一定間隔設有個排水孔，其目的是使模型地基中的水能從砂墊層中自由排出。軸壓計量程為10 t，換算后作用于地基上的壓力測量精度約為1 kPa。

(3)監(jiān)控系統(tǒng)包括百分表(或位移傳感器)、溫度傳感器、孔壓傳感器及其讀數裝置。百分表設置在地基頂部，溫度傳感器和孔壓傳感器埋設在地基內部，分別用于監(jiān)測沉降、溫度和孔壓發(fā)展變化情況。其中，孔壓傳感器量程為0.3 MPa，溫度傳感器測試范圍為0 ～ 120 ℃。

(4)溫控系統(tǒng)是溫控土工試驗設備研制關鍵。從文獻調研發(fā)現，已有溫控土工試驗儀的加熱方式主要有3種：① 土樣內部加熱模式：采用加熱線圈、加熱棒、加熱板等對土體直接加熱。該法可以較好地達到試驗溫度要求，但容易導致試樣溫度不均。② 土樣周圍加熱模式：在土樣容器外圍纏繞線圈或循環(huán)熱水(水浴)對容器內的土體加熱，即通過外罩傳熱使容器內的土體溫度升高。該法使試樣達到目標溫度的時間較長，但試樣溫度較為均勻。③ 壓力室置于恒溫箱(室)內模式。該法只需將常規(guī)試驗儀器置于一個高溫環(huán)境即可，省去了溫控儀器研制過程，但是建立溫控實驗室的費用較高，對儀器各元件耐溫性要求高。綜上可見，不同的加熱模式有不同的優(yōu)缺點。對于本文大尺寸模型地基而言，方案三的可行性較小。為此，提出將熱源設置在模型內和模型外的兩種方案。

1.2 地基模型內部加熱方案

該方案在模型桶內部設置螺旋式加熱絲，實現在地基內部對土體進行加熱，如圖1所示。模型桶直徑0.4 m、桶高0.6 m、壁厚6 mm。螺旋加熱絲通過定位桿預先固定在模型桶內(定位桿的端部為螺紋狀，通過正、反旋轉可與模型桶底板連接或脫開)。地基土分層填筑，定位桿逐漸往上撥。當軟土地基填筑完畢后，定位桿被完全撥出，螺旋加熱絲則留在模型地基中。螺旋加熱絲與電源連接后即可進行加熱，且可以調節(jié)和控制溫度。

2-a 示意圖 2-b 實物圖圖2 地基外圍加熱試驗裝置Fig.2 Test system with external heating equipment

1.3 地基模型外圍加熱方案

該方案采用熱水循環(huán)儀對桶壁加熱，如圖2所示。模型桶為鋼制雙層空腔式結構，空腔內儲水。熱水循環(huán)儀加熱空腔內的水，進而對桶壁加熱。模型桶內桶尺寸與前者相同，外桶較內桶在高度和直徑上分別增加5 cm和10 cm。內桶頂部距離外桶上邊緣5 cm處用環(huán)形鋼板與外桶進行焊接。鋼板上對稱開2個直徑2.5 cm圓口，并焊接高5 cm的螺紋鋼管。該鋼管連接水熱循環(huán)儀的進水口和出水口。模型桶底部鋼板開有通水槽，桶外圍黏貼隔熱的錫紙和厚海綿保溫材料。該裝置保留了一般模型桶試驗裝置原有的功能，可以開展常溫和升溫試驗，還可以開展不同溫度路徑和應力路徑的模型試驗。水熱循環(huán)溫控儀可分段、分級、線性加熱升溫及降溫，試驗過程中根據試驗條件可以控制加溫-降溫開始時間，并對溫度進行控制。

1.4 溫度測試比較

對兩種加熱模式下地基中溫度場的分布和發(fā)展進行了測試。試驗土體為重塑軟土，含水量設置為液限(飽和流塑狀態(tài))。模型地基厚度為40 cm。填筑過程中，在預定位置埋設了3個溫度傳感器，即T1、T2和T3。傳感器位置居于模型地基中軸線，距離地基頂部分別為5 cm、 20 cm和35 cm。地基頂部設置10 cm的中粗砂墊層。待整個模型地基填筑完畢后，施加1 kPa壓力進行預壓。1周后，沉降基本穩(wěn)定；開啟熱源，加載溫度設置為60 ℃。圖3所示為兩種加熱方案24 h的溫度測試結果。

圖3-a所示為內加熱方案測試結果。由圖可知：在螺旋絲開始加熱后，模型地基中的溫度迅速上升；加熱12 h后，傳感器溫度上升趨勢減弱，表明地基中溫度基本達到穩(wěn)定；加熱24 h后，地基不同深度處的溫度穩(wěn)定在46～58℃之間。由于土體上部排出的水及整個桶壁在加熱后溫度遠遠高于試驗設定溫度，導致土體上下部分溫度高于土體中間。

圖3-b所示為外加熱方案測試結果。由圖可知：在熱水循環(huán)儀開始升溫后，模型地基中的溫度隨即開始上升，但上升速度相比于內加熱方案慢；加熱11 h后，傳感器溫度上升趨勢較之前增強；加溫20 h后，溫度上升趨于平緩，表明地基中溫度基本達到穩(wěn)定；加熱24 h后，地基不同深度處溫度穩(wěn)定在54～58℃；地基中的溫度梯度明顯，即溫度隨深度減小而降低，該現象由于溫度荷載作用后，地基中的水均被加熱(水溫50℃左右)。砂墊層和承壓板上方的熱水，對地基的起到了一定的保溫作用。

兩者對比：① 前者儀器簡單，但操作較復雜；后者空腔式結構較復雜，熱水循環(huán)儀的運行成本相對較高。② 從安全性來說，前者加熱源與土體直接接觸，存在燙傷和漏電危險；后者對水進行加熱，熱源穩(wěn)定，相對安全。③ 從測試效果來說，前者加熱絲周圍土體干燥，加熱不均勻，地基中的溫差較大；后者水浴加熱，熱源穩(wěn)定，地基中的溫度分布規(guī)律性明顯，整個地基中的溫差較小。④ 螺旋絲設置在土體中，存在加筋作用，對地基整體的力學特性造成一定影響；后者對地基無干擾影響。由此，外圍水浴加熱雖然結構相對復雜、成本相對高，但從可操作性、安全性和測試效果方面具有明顯優(yōu)勢。

2 溫控軟土地基模型試驗裝置應用

采用地基模型外圍加熱方法來開展溫控軟土地基模型試驗。

2.1 試驗過程

(1)模型地基填筑。試驗土體為寧波城區(qū)典型軟黏土(第四層土)。天然狀態(tài)下的基本指標如下：密度1.737 g/cm3；天然含水量42.2 %；顆粒比重2.72；天然孔隙比1.227；液限43.8 %；塑限19.6 %。模型地基填筑之前，將其含水量粗略控制在45 %(大于液限)。然后，將飽和流塑狀軟土分兩層填筑，單層土樣虛高25 cm。地基填筑完畢后，放置帶孔蓋板，并通過砝碼施加1 kPa的壓力進行預壓。一周后，沉降基本穩(wěn)定(沉降量8.5 cm)。

圖4 監(jiān)測儀器布置示意圖Fig.4 Layout diagram of monitoring equipments

(2)儀器埋設。模型地基預壓完成后，揭開蓋板，按預設位置埋設溫度計(3個)和孔壓計(3個)，孔壓傳感器量程為0～0.3 MPa，誤差0.02 MPa，工作溫度為15～80℃；溫度傳感器量程為0～120℃，誤差為±0.05%F.S，如圖4。砂墊層鋪設在軟黏土地基之上，厚度為10 cm。然后，放置帶孔蓋板，并在蓋板之上對稱位置架設兩個百分表(量程50 mm)，靜置一晚。

(3)分級加載-加溫。正式加載之前，記錄溫度計、孔壓計和百分表的讀數，作為初始值。然后，對地基模型進行分級加載和加溫，如圖5所示。圖6所示為荷載與溫度加載情況。其中：2.5 kPa、12.5kPa和25 kPa均持續(xù)2 d；50 kPa的壓力維持到試驗結束；溫度荷載(60℃)在第12天施加，維持9 d；第21天卸除溫度荷載，即關閉熱水循環(huán)儀，去除模型桶外保溫材料。

2.2 測試結果

圖7所示為溫度變化情況，由圖可知：溫度施加后，地基中溫度迅速上升；經過16 h的加溫后，地基中的溫度基本穩(wěn)定；在60 ℃的加載溫度作用下，模型地基中不同位置處的溫度在55～58.7 ℃之間；不同位置處的溫度差不大。

圖5 溫控軟土地基模型試驗Fig.5Temperaturecontrolledmodeltest圖6 溫度和荷載Fig.6Loadingandtemperature圖7 溫度傳感器測試結果Fig.7Resultoftemperature

圖8所示為超靜孔壓發(fā)展時程曲線(超靜孔壓為孔壓計監(jiān)測值扣除初始孔壓值)。由圖可知：① 荷載施加后，超靜孔壓迅速上升，至峰值后先迅速下降然后逐漸下降；各級加載后的孔壓峰值均接近該級加載壓力。② 溫度荷載施加后，超靜孔壓迅速上升，至峰值后迅速下降，下降趨勢較加載情況更快；溫度從常溫(20 ℃左右)增加到60 ℃(約40 ℃的溫差)引起了65 kPa的超靜孔壓增量。③ 溫度荷載卸除后，超靜孔壓有一個明顯的下降(2～6 kPa)。當模型地基中的溫度回歸常溫后，整個地基的超靜孔壓消散趨勢較之前進一步減緩。

沉降時程曲線如圖9所示。由圖可知：各級加載后，地基沉降迅速增加，隨著時間的延續(xù)沉降速率減緩；溫度荷載施加后，模型地基首先產生了較小的回彈(回彈量約0.3 mm)，然后沉降速率增大并逐漸減緩；降溫過程中，沉降速率變化不明顯。

圖8 超靜孔壓發(fā)展變化過程 圖9 沉降時程曲線Fig.8 Result of excess pore water pressure with time Fig.9 Result of surface settlement with time

2.3 分析及討論

(1)溫度分析。外圍水浴加熱方式是四周和底面加熱，地基頂部無溫度荷載。但是，在經歷4級加載后，承壓板上方有明顯的水排出；在溫度荷載作用后，地基中的水均被加熱(水溫50℃左右)。砂墊層和承壓板上方的熱水，對地基的起到了一定的保溫作用。因此，整個地基中的溫度差不大。

(2)超靜孔壓發(fā)展分析。① 升溫過程中孔壓迅速增大，超靜孔壓超過了地基上覆壓力。升溫導致的孔壓增量值與排水條件密切相關；排水條件越好，孔壓值上升越小；若完全不排水，則如同在密閉空間施加溫度，孔隙水受熱膨脹，孔壓將劇增(孔壓上升值理論上存在一個極值)。② 孔壓達到峰值后迅速消散，其速率快于加載引發(fā)的孔壓消散。究其原因：一方面，孔壓梯度增大使得排水速率加快；另一方面，溫度升高后，水的粘滯系數減小，土的滲透性增加，孔壓消散速率加快。③ 溫度荷載卸除后，超靜孔壓值下降，這與土體材料的熱脹冷縮性質有關。

(3)沉降分析。① 溫度升高瞬間沉降由三方面組成：一是荷載(50 kPa)引起的固結沉降；二是加熱瞬間土體產生的膨脹；三是升溫引起的超靜孔壓來不及消散，地基中的有效應力為負，導致地基回彈。耦合溫度的地基瞬時變形即為這三者的共同作用結果；若土體膨脹回彈量大于土體固結沉降量，地基整體上表現為回彈。② 模型地基經歷溫度荷載作用后，軟土固結系數增大(壓縮模量較初始時刻增大；升溫使得土的滲透系數提高)，因而在溫度荷載作用下軟土地基固結沉降速率增加。③ 土體加熱后，變形性狀宏觀上表現為壓縮性增大，即溫度對地基的最終沉降量有一定影響。

3 結語

(1)在梳理已有研究基礎之上，設計了兩種溫控軟土地基模型試驗裝置，即螺旋式電熱絲對地基土內部進行加熱和利用熱水循環(huán)加熱模型桶壁的地基外圍加熱方式。通過試驗對比了兩種方法的可操作性和加熱效果，發(fā)現后者操作方便且溫度控制效果良好，實現了溫控裝置研發(fā)的目標。

(2)采用外圍加熱方式對本地區(qū)典型軟土開展了熱排水固結模型試驗，發(fā)現荷載施加后，超靜孔壓迅速上升然后逐漸下降；溫度從常溫增加到60℃引起了約65 kPa的超靜孔壓增量；溫度荷載卸除后，超靜孔壓明顯回落。沉降方面，溫度升高瞬間土體沉降發(fā)生變化，模型地基在升溫后首先產生了小的回彈，然后沉降速率增大并趨于穩(wěn)定；降溫對沉降速率影響不明顯。

(3)熱排水固結模型試驗的試驗結果證明了溫度對地基沉降及孔壓有一定的影響，但其作用機理及如何用理論進行解釋，仍需進一步研究。

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