季節(jié)凍土區(qū)纖維改良路基土熱物理學特性研究

夏明海，秦子鵬，王澤成，李棟偉，季 安，何 錦，呂向兵，李 成

(1.伊犁哈薩克自治州奎屯河流域水利工程灌溉管理處，新疆 奎屯 833200；2.浙江水利水電學院水利與環(huán)境工程學院，浙江 杭州 310018；3.東華理工大學 土木與建筑工程學院，江西 南昌 330013；4.中核華泰建設有限公司，廣東 深圳 518055；5.新疆生產(chǎn)建設兵團第七師水利工程管理服務中心，新疆 奎屯 833200)

0 引 言

高速鐵路的迅速發(fā)展，引發(fā)人們對季節(jié)性凍土區(qū)的關注。由于季節(jié)性凍土區(qū)晝夜溫差大、氣溫正負交替、水文地質(zhì)與工程地質(zhì)等復雜因素，導致路基極易發(fā)生凍脹，對高速鐵路的建設和運行造成很大的影響[1-4]。我國是凍土資源最豐富的國家之一，僅次于俄羅斯和加拿大，在全球范圍內(nèi)位列第三。而季節(jié)性凍土是我國最主要的凍土類型之一，在我國的東北、西北、華北等高緯度地區(qū)均有季節(jié)性凍土，占全國總面積的53.5%，其中凍土深度在1.5 m以上在季節(jié)性凍土中占有37%[5-6]。季節(jié)凍土區(qū)的鐵路設施會改變空氣與大地之間的熱交換條件及水熱傳遞的方式，使路基在運營過程中會逐漸積累熱量，路基土溫度升高進而導致季節(jié)性凍土融化，造成道路的病害問題[7-8]。無論是凍脹還是融沉過程的研究都會涉及土體溫度場的分析，而土中溫度隨時間的變化是土中熱量傳遞的外在表現(xiàn)，故而溫度問題可以當作是熱量傳遞問題[9-10]。

季節(jié)凍土區(qū)工程施工中，導熱系數(shù)對于凍土及建筑材料是十分重要的物理參數(shù)[11-12]，代表土體的導熱能力，凍土中熱量的傳播速度及溫度場的分布都由其決定[13-14]。陳之祥等[15]以溫度、干密度、含水率等因素為變量，研究其對凍土導熱系數(shù)的影響，分析凍土導熱系數(shù)存在的誤差及原因，提出了修正凍土導熱系數(shù)測試結(jié)果的方法。崔福慶等[16]搭建了多種導熱系數(shù)測試方法及測試平臺，運用理論模型測試量進行估算，從測試結(jié)果準確性、適用土性類別等多方面對各類測試方法進行了對比。甄作林等[17]采用熱常數(shù)分析儀進行凍土導熱系數(shù)的測試，探討了含水率和干密度對砂土導熱性能的影響，并對砂土的導熱系數(shù)理論預測進行分析。段妍等[18]采用熱探針法進行室內(nèi)試驗，測試不同含水率對砂土以及黏土的導熱系數(shù)的影響，采用最小二乘法對其進行擬合，驗證導熱系數(shù)與含水率之間的關系，最終發(fā)現(xiàn)導熱系數(shù)與含水率之間呈線性關系。

對于凍土區(qū)路基來說，揭示其導熱特性及影響規(guī)律，對路基熱工設計及預防措施有極大的參考價值[19-20]。為此，本文以西部地區(qū)某鐵路路基典型土樣——粉砂土為研究對象，采用瞬態(tài)熱線法對土樣的導熱系數(shù)進行室內(nèi)測試，分析不同影響因素對路基導熱系數(shù)的影響規(guī)律，為凍土區(qū)路基熱傳導率的測量提供參考。

1 土的基本物理性質(zhì)

1.1 試驗材料

本文室內(nèi)試驗所用土樣取自我國西部某季節(jié)凍土區(qū)鐵路路基，深度為10～15 m，將取回的土進行前期處理，對土樣進行烘干并碾碎，進行顆粒分析、比重、液塑限、最優(yōu)含水率及最大干密度試驗。其最大干密度為2.01 g/cm3，最優(yōu)含水率為10%，天然含水率為4%，相對密度為2.67，天然孔隙比為0.423。

1.2 試樣制備

室內(nèi)試驗纖維改良粉砂土的制備方法如下：①預估每個試樣所需要的土量；②將已烘干粉碎的備用土樣取500 g放入盆中；③按照設計纖維摻入量(0.1%、0.2%、0.3%、0.4%、0.5%)向盆中加入纖維；④按照設定初始含水率加入純水并繼續(xù)攪拌，為防止手動攪拌不均勻，用攪拌機攪拌均勻；⑤將攪拌好的土放在室內(nèi)進行標準養(yǎng)護放置12 h，再進行制樣。為盡量減小因纖維攪拌均勻度不同而導致試驗誤差，制作試樣時首先將干土與纖維攪拌均勻后再加水攪拌。

2 導熱系數(shù)測試

2.1 試驗儀器

試驗測試儀器選用西安夏溪電子科技有限公司自主研發(fā)的瞬態(tài)熱線法導熱系數(shù)儀TC3000E，見圖1。該儀器導熱系數(shù)測試范圍為0.005～10 W/(m·K)，使用溫度范圍為-60～120 ℃。在主頁面設定好相應參數(shù)即可進行測量。試樣采用靜壓壓制法，測試過程中，將探頭放置在2個相同樣品中間，見圖2。

圖2 導熱系數(shù)現(xiàn)場測量

2.2 試驗設計

為研究含水率w、纖維摻入量x、干密度ρd及凍融循環(huán)次數(shù)n這4種因素對改良粉砂土導熱系數(shù)的影響，設置4組試驗方案，見表1。

表1 導熱系數(shù)試驗設計方案

制作樣品時，將粉砂土置于培養(yǎng)箱中干燥，直至恒重，稱量出各因素所需質(zhì)量的粉砂土、纖維及純凈水，先用攪拌器對粉砂土和纖維進行均勻攪拌，再把不同質(zhì)量水均勻噴到混合物上，用保鮮袋密封24 h，配制目標含水率6%、8%、10%、12%、14%的試樣。取出土樣，按規(guī)定的試樣體積、密度、含水量等指標，將所配好的混合土稱出相應質(zhì)量放入模具內(nèi)，利用小型壓力機對其進行靜力壓實，達到規(guī)定的干密度后，靜置2 min，再進行脫模和標號。樣品的尺寸為圓柱形，直徑62 mm，高20 mm，每組制作3組平行試樣，并以兩對交叉方式進行測量，計算出平均值，以此來確定試件的導熱系數(shù)。

3 結(jié)果分析

本試驗只考慮常溫條件(即融土)、低溫條件(即-10 ℃凍土)狀態(tài)下的含水率w、干密度ρd、纖維摻量x以及凍融循環(huán)次數(shù)n對改良粉砂土導熱系數(shù)λ的影響，忽略土體本身的結(jié)構和構造對導熱系數(shù)的影響。試驗研究和分析均采用控制變量法。

3.1 含水率影響下導熱系數(shù)變化規(guī)律

常溫、低溫條件改良粉砂土含水率與導熱系數(shù)的關系見圖3。從圖3可知，在干密度、纖維摻量以及凍融循環(huán)次數(shù)相同的情況下，改良粉砂土的導熱系數(shù)隨含水率的增大呈非線性增長。常溫條件下，含水率在6%～14%范圍內(nèi)，改良粉砂土的導熱系數(shù)逐漸增大，從0.39 W/(m·K)增長到1.25 W/(m·K)。

圖3 改良粉砂土含水率與導熱系數(shù)的關系

低溫條件下，含水率6%～14%范圍內(nèi)，改良粉砂土的導熱系數(shù)逐漸增大，從0.47 W/(m·K)增長到1.32 W/(m·K)。此外，當土體中的含水率低于12%時，土體的導熱系數(shù)增加的速率較含水率大于12%時要高，這是因為土體中的含水量增加使單位質(zhì)量土體中的固體顆粒相對減少，從而導致改良粉砂土的導熱系數(shù)增加緩慢。當含水率增加到某一值時，土體中的導熱系數(shù)會趨于某一固定值。相同條件下，凍土的導熱系數(shù)大于常溫土，其原因為常溫土為三相體系，即空氣、水以及固體顆粒，而凍土為四相體系，即空氣、未凍水、冰及固體顆粒，冰的導熱系數(shù)近似為水的4倍，且冰在土體中有膠結(jié)作用，使凍土的導熱系數(shù)大于常溫土。

常溫下聚丙烯纖維的導熱系數(shù)為0.22～0.25 W/(m·K)，水的導熱系數(shù)為0.54 W/(m·K)，空氣的導熱系數(shù)為0.026 7 W/(m·K)，冰的導熱系數(shù)為2.22 W/(m·K)。含水率的增加使土體內(nèi)部孔隙內(nèi)水所占的比重增大，致使本存在于孔隙內(nèi)的空氣被水所取代，土顆粒之間由于水膜的出現(xiàn)，使得顆粒之間的接觸熱阻減小，從而在一定范圍內(nèi)，隨著含水率的增加，導熱系數(shù)值變大，但兩者之間的這種關系僅限土體內(nèi)孔隙未完全被水取代，含水率增大到一定時，導熱系數(shù)的變化不會受此影響，這就是所謂的“液橋”效應[21-22]。

當水分含量較低時，熱量傳播的主要方式是固-固、固-氣和氣-氣傳遞。當水分含量增加，土體孔隙內(nèi)氣體逐漸被水所替代，因為水的導熱系數(shù)更高，孔隙之間的熱交換從氣-氣傳遞向液-氣和液-液傳遞轉(zhuǎn)化，從而提高了土體的導熱系數(shù)；另一方面，在土體顆粒表面會形成一層薄薄的水膜，該水膜有利于相鄰土體顆粒間的熱傳導，隨著水分含量的增大，薄膜厚度增大，從而提高了導熱系數(shù)。

3.2 干密度影響下導熱系數(shù)變化規(guī)律

改良粉砂土干密度與導熱系數(shù)的關系見圖4。從圖4可知，在其他因素相同的情況下，改良粉砂土的導熱系數(shù)隨干密度的增大而增大，且呈指數(shù)增長。常溫條件下，干密度在1.6～2.0 g/cm3范圍內(nèi)，改良粉砂土的導熱系數(shù)逐漸增大，從0.45 W/(m·K)增長到1.38 W/(m·K)。低溫條件下，干密度在1.6～2.0 g/cm3范圍內(nèi)，改良粉砂土的導熱系數(shù)逐漸增大，從0.62 W/(m·K)增長到1.87 W/(m·K)。隨著干密度的增加，單位體積內(nèi)的土體中固體顆粒的含量增加，而土體中的空氣和水的含量相對減少，固體顆粒接觸更為緊密，導致熱量通過氣體傳遞方式減少，更多通過傳熱途徑更為便利的固體骨架固-固以及孔隙內(nèi)流體與固壁間的固-液方式擴散，因此導熱系數(shù)隨干密度增大而明顯提高。此外，混合材料干密度相同時，隨著含水率的增大，孔隙內(nèi)氣體進一步減少，熱量傳遞方式更加趨向于固-液、液-液傳遞，從而使導熱系數(shù)進一步增大。眾所周知，固體的導熱系數(shù)>液體的導熱系數(shù)>氣體的導熱系數(shù)，所以隨著干密度的增加，改良粉砂土的導熱系數(shù)增大。

圖4 改良粉砂土干密度與導熱系數(shù)的關系

3.3 纖維摻量影響下導熱系數(shù)變化規(guī)律

改良粉砂土纖維摻量與導熱系數(shù)的關系見圖5。從圖5可知，在其他因素相同的情況下，改良粉砂土的導熱系數(shù)隨纖維摻量的增大而線性減小。常溫條件下，纖維摻量在0～0.3%范圍內(nèi)，改良粉砂土的導熱系數(shù)逐漸減小，從1.05 W/(m·K)減少到0.59 W/(m·K)。低溫條件下，纖維摻量在0～0.3%范圍內(nèi)，改良粉砂土的導熱系數(shù)逐漸減小，從1.3 W/(m·K)減少到0.6 W/(m·K)。這是因為纖維摻入增加了土的內(nèi)部孔隙率，從而導致土內(nèi)部封閉空間逐漸增多，又因為空氣的導熱系數(shù)遠比土的導熱系數(shù)低得多，導致土的導熱系數(shù)逐漸下降。因此，摻入纖維能提高改良粉砂土的保溫隔熱性能，從而達到減少凍脹的效果。

圖5 改良粉砂土纖維摻量與導熱系數(shù)的關系

3.4 凍融循環(huán)影響下導熱系數(shù)變化規(guī)律

改良粉砂土凍融循環(huán)次數(shù)與導熱系數(shù)的關系見圖6。從圖6可知，在含水率、干密度以及纖維摻量相同的情況下，改良粉砂土的導熱系數(shù)隨凍融循環(huán)次數(shù)的增大而線性減小。常溫條件下，凍融循環(huán)次數(shù)為0～7次時，改良粉砂土的導熱系數(shù)逐漸減小，從0.93 W/(m·K)減小到0.48 W/(m·K)。低溫條件下，凍融循環(huán)次數(shù)為0～7次時，改良粉砂土的導熱系數(shù)逐漸減小，從1.01 W/(m·K)減小到0.72 W/(m·K)。

在凍結(jié)過程中，水轉(zhuǎn)變?yōu)楸w積增加11%，土體顆粒由于受到外力的影響而發(fā)生運動，增加了土體的孔隙率，減少了顆粒間的接觸面積。第1次凍結(jié)后，土壤中的冰晶溶解，土顆粒被抬升，而隨著凍融次數(shù)的增多，首次出現(xiàn)的冰晶將不能再對孔隙進行重新填充，從而影響到孔隙的結(jié)構。因此，在第1次凍融后，導熱系數(shù)減小，但在凍融循環(huán)中，水分仍是影響熱傳導系數(shù)的重要因素。

4 結(jié) 語

本文以西部地區(qū)某鐵路路基典型土樣——粉砂土為研究對象，基于凍融循環(huán)條件下，對不同含水率、干密度、纖維摻量改良粉砂路基土的導熱系數(shù)進行了研究，得出以下結(jié)論：

(1)不同的含水率、干密度、纖維摻量以及凍融循環(huán)次數(shù)對路基改良粉砂土的導熱系數(shù)的影響不同。冰的導熱系數(shù)近似是水的導熱系數(shù)的4倍，當其他影響因素都相同時，凍土的導熱系數(shù)明顯大于常溫土。

(2)在干密度、纖維摻量以及凍融循環(huán)次數(shù)相同的情況下，改良粉砂土的導熱系數(shù)隨含水率的增大呈非線性增長，且當含水率超過12%時，增長速率減小。試驗范圍內(nèi)，導熱系數(shù)為0.39～1.32 W/(m·K)。在含水率、纖維摻量以及凍融循環(huán)次數(shù)相同的情況下，改良粉砂土的導熱系數(shù)隨干密度的增大呈指數(shù)增長，且當干密度超過1.9 g/cm3時，增長速率減小。試驗范圍內(nèi)，導熱系數(shù)為0.45～1.87 W/(m·K)。

(3)在含水率、干密度以及凍融次數(shù)相同的情況下，改良粉砂土的導熱系數(shù)隨纖維摻量的增大而線性減小，試驗范圍內(nèi)，導熱系數(shù)為0.59～1.3 W/(m·K)。纖維的摻入可有效提高粉砂土的熱工性能。在含水率、干密度以及纖維摻量相同的情況下，改良粉砂土的導熱系數(shù)隨凍融循環(huán)次數(shù)的增大而線性減小，試驗范圍內(nèi)，導熱系數(shù)為0.48～1.01 W/(m·K)。