東北多年凍土區粉質黏土導熱性能研究

赫盛嵐,柳艷杰,叢宇婷,丁 琳

(1.綏化市閣山水庫建設管理局，黑龍江 綏化 152200;2.黑龍江大學 建筑工程學院，黑龍江 哈爾濱 150080)

中俄原石油管道是我國重大能源戰略通道之一，是我國從俄羅斯進口原油資源的重要通道。管道貫穿了我國高緯度多年凍土區，漠大線運營后由于油溫一年四季都處于正溫，融沉問題已經凸顯，地表沉陷、管溝積水、融化圈增大等凍土退化現象明顯，管道沉降變形也在持續發展[1]。導致凍土凍融原因是外界溫度變化對凍土的物理性質有很大影響，溫度降低時土體中的水分子會發生遷移造成土體膨脹，溫度升高時，凍土中的冰晶開始融化，土體在各種荷載的作用下開始變形，導致融化下沉，隨著溫室效應加深，多年凍土退化加快，北極圈凍土南界限(黑龍江)開始北移，加之森林植被銳減導致凍融災害逐年增加，多年凍土區的淺埋式油管的油溫對管線穩定運行構成威脅[2]，而輸油管線的修建改變了凍土溫度場及地氣間的熱交換條件，多年凍土處于劣性動態平衡甚至退化過程[3]。

凍土熱物理學參數包括導熱系數、比熱，結冰溫度等，導熱系數作為重要的熱物性參數，是反映土體能量狀態、傳遞和儲存熱量能力的一個重要表象，是評估外界熱擾動改變土體內部能量變化及其狀態的重要因數。土壤質地、溫度和含水( 冰) 量、孔隙度、土壤有機質等是影響凍土導熱系數的主要因素[4]。張楠等[5]研究表明導熱系數是影響和決定土體熱量傳播速度和溫度的分布主要原因。溫智等[6]研究表明原狀凍土和重塑土的導熱系數變化有較大差別，對于深部全風化泥巖氣體體積的含量對導熱系數起主要作用。劉為民等[7]研究表明土體的多孔介質性質決定了土體的導熱性質與干土、氣體及孔隙充填物(水)的含量有密切關系。原喜忠等[8]人建立了預估模型對土質類型、密實度(孔隙率)和含水率(飽和度)等因素進行了研究。王杉[9]對中俄原石油管道漠大凍害問題研究表明主要病理是冰幔、凍脹、凍拔、季節性 凍脹丘、地表裂縫等病害。吉嚴峻等[10]對中俄原石油管道沿線不同地貌單元的典型土進行了凍脹試驗與評估，對漠河-大慶段地基進行了融沉試驗和穩定性評價。唐盼盼等[11]研究了含水率、基質吸力和溫度的關系。

本文以中俄原油管道漠河-大慶段粉質黏土為研究對象，通過正規狀態法測試原狀土凍土樣的導熱性能試驗，對部分土料用穩態法測定其凍融狀態下的導熱系數，利用凍土骨架比熱測試，系統分析凍土粉質黏土的導熱系數、骨架比熱、含水率與干重度和導熱系數之間的關系，利用穩態法模擬試驗控制干容重和控制含水量對原狀土導熱系數變化規律進行研究。本文分析了漠河—大慶管道粉質黏土的熱學性質及其影響因素，揭示了熱學性質對凍土的凍脹融沉的災害影響，為中俄原油管道沿線的凍害防護提供科學的參考依據。

1 材料與方法

1. 1 試驗來源

試驗土取自典型高緯度多年凍土區，漠河—大慶沿線管道段，取樣鉆孔深度自地表至10 m，天然密度1.42～2.30 g/cm3，共計103個原狀凍土樣，具體土類統計及基本物性參數見圖1與表1。

圖1 土樣分類統計

表1 土樣基本物性參數

采用量熱法測定凍土骨架(干土)比熱，本次試驗共做了99個土樣，試驗取土與正規狀態法導熱系數測定的試驗用土相同，將原狀土帶回實驗室重塑試驗，根據《土工試驗方法標準》(GB/T 50123—2019)。為提高試驗精度，將待測土樣在烘干箱中預烘干2～3 h，然后碾散，放入烘箱在105 ℃恒溫烘干8 h，放入干燥器中冷卻待用。

1.2 試驗儀器

本次試驗采用THD-4010低溫恒溫槽、導溫系數試驗裝置、正規狀態法測定凍土導溫系數儀器、量熱器以試樣預冷裝置。

1.3 試驗步驟

將沿線鉆取的原狀土樣測定天然密度及含水率，按照標準GB/T 50123—2019將原狀土帶回實驗室，用正規狀態法導溫測試裝置測定其導熱系數、燒失量以及測定其含水量、干密度、塑性指數，再用量熱器系統測定比熱參數。

2 試驗結果及分析

根據試驗繪制了含細粒土礫石融土導熱系數在不同干密度下融土導熱系數與含水量的關系曲線和不同含水量下融土導熱系數與干密度的關系曲線，如圖2、圖3所示。結果表明，含細粒土礫石融土導熱系數在含水量不同的情況下，隨著干密度增大而逐漸增大，且成線性增加，但是由于干密度增大過程中，孔隙逐漸減小，從而增大了土體內部的聯系，使導熱系數增加更為明顯，含水量是影響導熱系數的重要因數之一，導熱系數隨著含水量的增加呈現出增長的趨勢，當含水量達到液限時導熱系數趨于定值，根據二元線性回歸分析，其結果：λ=0.036 123W+1.251 75γd-1.317 34,R2=0.736 252,n=10,m=2,F=9.285 479>F0.1(2，7)=3.26，表明了融土導熱系數與含水量和干密度呈現顯著的相關性。

圖2 土料不同干密度融土導熱系數與含水量的關系

圖3 土料不同含水量融土導熱系數與干密度的關系

圖4、圖5為含細粒土礫石的凍土導熱系數與含水量和干密度的關系曲線，凍土導熱系數與含水量和干密度的關系與融土的相似，但其增長的速度明顯高于融土，相同的含水量在相同的干密度的條件下，凍土的導熱系數要比融土的高得多，這是由于土的導熱系數與孔隙率有密切的關系，而凍土導致單位體積土的含量減小，從而使土的導熱系數增加，凍土的含水量的增加，使導熱系數增加的原因是，土體內部水分增加，土顆粒之間在水分的作用下形成液橋，在液橋作用下土顆粒之間的距離減小，土粒連接更加緊湊，空隙率也會明顯減小，這也是凍土導熱系數比融土導熱系數大的原因。根據二元線性回歸分析，其結果：λ=0.079 942W+1.367 179γd-1.663 49，R2=0.783 296，n=9，m=2，F=10.8438>F0.1(2，6)=3.46，表明了凍土導熱系數與含水量和干密度呈現顯著的相關性。

圖4 土料不同干密度凍土導熱系數與含水量的關系

圖5 土料不同含水量凍土導熱系數與干密度的關系

根據試驗數據繪制的粉質黏土導熱系數在不同干密度下融土導熱系數與含水量的關系曲線和不同含水量下融土導熱系數與干密度的關系曲線如圖6、圖7所示，由圖可知，導熱系數隨著干密度的增加同一含水率的融土導熱系數是呈現線性增長狀態，含水量的增大導熱系數也明顯增長很快，不過相對于含細粒土礫石的導熱系數，粉質黏土在低含水量時會發生塑性效應，導熱系數會很低，即使在同一干密度下，粉質黏土的含水量即使大于含細粒土礫石的，其導熱系數要比之小很多，隨著含水量的增加導熱系數增長速度比較緩慢。根據二元線性回歸分析，其結果：λ=0.020 364W+1.154 471γd-1.325 96，R2=0.637 68，n=10，m=2，F=5.333 21>F0.1(2，7)=3.26，表明了融土導熱系數與含水量和干密度呈現顯著的相關性。

圖6 土料不同干密度融土導熱系數與含水量的關系

圖7 土料不同含水量融土導熱系數與干密度的關系

圖8、圖9是粉質黏土的凍土導熱系數與含水量和干密度的關系曲線，在相同干密度情況下，相同的含水量粉質黏土的導熱系數要比含細粒土礫石的小，其即使增大了含水量，導熱系數的增長速率也是比較緩慢的，而且粉質黏土受液限、塑限的影響比較大，在塑限之下時會有塑性反應，到達液限之后導熱系數就不隨含水量的增加而改變。根據二元線性回歸分析，其結果：λ=0.061 459W+2.290 524γd-3.821 84，R2=0.885 087，n=10，m=2，F=26.957 75>F0.1(2，7)=3.26，表明了融土導熱系數與含水量和干密度呈現顯著的相關性。

圖8 土料不同干密度凍土導熱系數與含水量的關系

圖9 土料不同含水量融土導熱系數與干密度的關系

3 結 論

本文通過對中俄原石油管道沿線的原狀土熱學性質實驗研究，含水率和干密度對土體的熱學性質影響相對較大，孔隙率、土顆粒級配和顆粒成分也是影響土體導熱系數重要因素。

(1)粉質黏土在塑限以下時導熱系數很小，含水率在塑限以下的時候，土骨架對粉質黏土的導熱系數起主要作用；當含水率在塑限以上時，水是影響土體導熱系數的主要因素，因此，在含水率達到液限及其以上時，其導熱系數趨于穩定

(2)粉質黏土的導熱系數要低于含細粒土礫石的凍土導熱系數，粉質黏土與含水量和干密度呈現顯著的正相關性，根據二元線性回歸分析不同粒徑土相關性差異明顯。粉質黏土導熱性能差產生凍脹融沉的較大，對中俄原油管道沿線地基災害較大。