壓實填土的熱傳導系數與密實度相關性研究

孫冬蒲 黃鳳青 龍 平 楊旭湟

(西北民族大學土木工程學院，甘肅 蘭州 730124)

1 概述

壓實填土密實度檢測在眾多領域得到了廣泛應用，在當今世界的建設和發展中發揮著獨特的作用。壓實填土應用比較多的工程建設領域有：地基、道路、人工堤壩等，這些項目的建設都離不開壓實填土檢測技術，目前傳統檢測方法所需時間較長，現場灌砂灌水法密實度檢測的開挖范圍相對較大，檢測結果的準確性受人為因素影響明顯，同時壓實填土施工檢測點數量大、頻次高，能否高效快速準確地檢測壓實質量是制約工程進度的重要因素。

目前對壓實填土密實度檢測的方法可以分為介入性檢測和無損檢測兩種。介入檢測是傳統檢測方法，此類方法雖簡單，但是耗時長，烘箱里烘干至少8 h，同時灌砂灌水法會對被測體產生破壞性的影響，結果受人為因素影響較大。為彌補傳統檢測方法的不足，研究出無損檢測方法，該方法因其能夠減少對工程和環境的破壞，獲得了廣泛關注。目前研究人員正在研究一些新型檢測方法，如核子密度儀檢測法、無核密度儀檢測法等，其中核子密度儀檢測法在國際中廣泛應用。但是，略有操作不當便會對檢測人員造成危害，仍需要研究更便捷、準確和安全的檢測方法。

2 實驗原理

文中分別對含水率、擊實能進行研究，其目的都是為了研究單因素——密實度對導熱系數的影響。實驗將烘干的土樣制備成不同含水率、相同擊實能；不同擊實能、相同含水率的回填土樣。將制備完成的回填土樣放入實驗室靜置2 h，與室內同溫，測定導熱系數與孔隙率，得到密實度與導熱系數的函數關系。測定完成后，用環刀取試樣中心土樣，用保鮮膜密封，靜置2 h，等待用Hot disk TPS2500S進行實驗驗證。

3 儀器選擇

KD2 Pro使用3種熱特性傳感器，測量熱擴散率、比熱、導熱率和熱阻率。KD2 Pro使用線性熱源方法進行測量，通過監測樣品中給定某一電壓的線性探針的熱耗散和溫度，計算物質的熱特性。一個測量周期包括：30 s平衡、30 s加熱和30 s冷卻時間，在加熱和冷卻期間以1 s為間隔進行溫度測量，然后用指數積分函數擬合。

KD2 Pro有三種類型的傳感器，分別為KS-1 6 cm，TR-1 10 cm和SH-1 30 mm,由于TR-1 10 cm長針主要用于測量堅硬樣本的熱傳導率和熱阻，回填土體屬于堅硬樣本，因此選用TR-1 10 cm長針進行測量。

4 實驗設計與實驗過程

4.1 實驗設計

分別采用粉土為回填材料，基于控制變量的思想，在不同含水率、相同擊實能；最優含水率、不同擊實能的條件下，將回填材料擊實制成回填土土樣。利用熱線法針式瞬態熱傳導系數測試儀快速測得非飽和試樣熱傳導系數，再分析數據繪制曲線找到兩者的關系。

4.2 實驗過程

4.2.1 相同擊實能，不同含水率實驗過程

1)土樣的制備。試樣土選用甘肅地區有代表性的粉土，用四分點法取出代表性土樣，用烘箱烘干、搗碎，并用5 mm孔徑的篩子篩分，均勻加水制成含水率分別為12%，14%，16%，18%，20%回填土樣5份，靜置12 h以上。

2)試樣的制備。a.取標準輕型標準擊實儀置于剛性基礎上，安裝各部件，檢查儀器各部件以及配套設備性能是否正常，并做好記錄；b.從制備好的土樣中稱取一定量的土料，分三層倒入擊實筒中并將土面平整，分層擊實，每層擊實25次；c.重復以上過程，直至5份回填土試樣制備完畢；d.放入實驗室靜置2 h以上，使待測試樣與室內同溫，等待測試。

3)導熱系數的測定。取出土樣，使用KD2 Pro針式熱傳導系數儀TR-10 cm長針型傳感器測量(見圖1)；要求傳感器應完全插入被測介質中，且保證傳感器周圍任意方向上都有厚達1.5 cm以上的測量介質。

4)最優含水率的測定。測完導熱系數之后，從試樣中心處取兩份土料，為30 g。平行測定含水率，分析數據找到此粉土最優含水率。

4.2.2 最優含水率，不同擊實能實驗過程

1)土樣的制備。試樣土選用甘肅地區有代表性的粉土，用四分點法取出代表性土樣，用烘箱烘干，搗碎，并用5 mm孔徑的篩子篩分，均勻加水制成最優含水率擊實能分別為5，10，15，20，25回填土樣5份，靜置12 h以上。

2)試樣的制備同上4.2.1中2)。

3)導熱系數測定同上4.2.1中3)。

4.3 實驗結果分析

在不同含水率、相同擊實能條件下，回填土導熱系數與壓實系數的關系曲線如圖2所示，其中ω(H2O)分別為12%，14%，16%，18%，20%時，數據測定表見表1。圖2顯示當導熱系數η>0.58時，隨導熱系數的增加，回填粉土的壓實系數提高，當導熱系數η<0.58時，土壤的壓實系數K隨導熱系數η的增大而減小。此結果表明壓實系數與含水率有關，因此可以利用此經驗公式檢驗工程中的回填土是否為最優含水率。

表1 不同含水率下的數據測定

K=0.048 2η2-0.058 4η+0.093 49；

R2=0.556 5。

在不同擊實能、最優含水率條件下，回填土導熱系數與壓實系數的關系曲線如圖3所示，其中擊實能分別為5，10，15，20，25時，數據測定表見表2。圖3顯示，當導熱系數η<1.599時，土壤的壓實系數K隨導熱系數η的增大而減小；當導熱系數η>1.599時,土壤的壓實系數K隨導熱系數η的增大而增大。當密實度達到某一值時，繼續增大擊實能會出現壓實系數為常數的情況，這是因為當回填土達到某一密實度時，回填土內孔隙率極低，回填土質量好。此結果表明壓實系數與孔隙比有關，當回填土為最優含水率時，密實度的質量決定了回填土工程的質量，因此利用此公式可以檢驗回填土的壓實質量。

表2 不同擊實能下數據的測定

K=1.585 2η2-5.070 3η+4.994 5；R2=0.820 3。

5 實驗驗證

1)實驗原理。為了確保實驗的準確可靠性，將利用Hot disk TPS2500S儀器進行對比分析驗證，如圖4所示。由于Hot disk TPS2500S儀器具有更高的精度，因此利用此儀器進行準確度驗證，更能證明實驗結果的準確性以及可操作性。將KD2 Pro測量完成的試件，切入環刀，為減少水分的流失，用塑料薄膜將環刀土樣密封，然后放入實驗室靜置2 h，等待測量。

2)結果分析。由圖5可知，兩種儀器之間具有函數關系，可以進行數據之間的相互驗證。由圖6可知，Hot disk TPS2500S儀器所測得的熱傳導系數與密實度的關系仍為二項式次關系，則可知實驗結果準確可靠。

6 實驗結果的解釋

在不同含水率條件下，由于干燥狀態下顆粒間的熱傳導的主要途徑局限于顆粒接觸點，熱傳導系數越小，證明顆粒間的空隙越大。如果在顆粒周圍增加水分，就會在土顆粒表面形成薄膜，迅速增加顆粒的接觸面，使熱傳導系數顯著增加，直至顆粒間的有效接觸面積達到最大，回填土密實度相應增加到最大值，繼續增加水分，顆粒間的有效面積雖然會繼續增加，但同時空隙內的水分也會增加，使顆粒間有效面積增加不明顯，顆粒間的空隙變大，導熱系數增加變緩甚至下降，密實度隨導熱系數的緩慢增加而下降。

在不同擊實能條件下，由于土顆粒間的空隙越大，密實度越小，因此擊實能越小，空隙間的顆粒接觸點少，熱傳導系數和密實度也越小，隨著擊實能的增加，顆粒間有效接觸面積增大，密實度隨導熱系數的增加而增加，直至達到最大值。密實度達到峰值以后，由于土顆粒間接觸已經相當緊密，繼續增大擊實能，導熱系數也不會有很大的改變，此時，密實度和熱傳導系數都趨于常數。

7 結語

1)研究推導出了熱傳導系數與密實度具有二項式次關系；2)采用熱線法針式瞬態熱傳導系數測試儀可以快速測得非飽和土體的熱傳導系數，通過分析熱傳導系數與密實度之間的函數關系，可以快速得到壓實系數，為回填土現場施工質量檢驗提供了一種新的快捷、準確的檢測方法；3)由于此實驗均在實驗室中進行，與工程實際有一定誤差，還需進一步討論分析。